Здравствуйте, господин Ампер

Джоуль

единица энергии (работы). Названа в честь английского физика Джемса Прескотта Джоуля.

1 джоуль — это работа силы, равной 1 Н, на пути 1 м.

джоуль является также единицей тепла.

Джемс Прескотт Джоуль родился 24 декабря 1818 г. в Сэлфорде близ Манчестера в семье владельца пивоваренного завода. Вследствие слабого здоровья он до пятнадцатилетнего возраста обучался дома, позже изучал химию, физику и математику у знаменитого английского физика и химика Джона Дальтона.

В двадцатилетием возрасте Джоуль обратил на себя внимание изобретением электрического двигателя, в котором использовал вращательное движение проводника, по которому протекает ток, в магнитном поле. Отец оборудовал ему собственную лабораторию, в которой он начал заниматься изучением электромагнитных явлений. Свои труды он печатал в научных журналах.

В 1840 г. он обнаружил, что тела можно намагничивать лишь до определенного «состояния насыщения магнетизмом», превысить которое уже невозможно. Длительное время он занимался экспериментальным изучением тепла, вызываемого действием электрического тока, и открыл закон, который позже был назван его именем. Согласно этому закону, количество тепла, образующегося в проводнике за одну секунду при прохождении по нему электрического тока, прямо пропорционально произведению квадрата тока и электрического сопротивления проводника. Это открытие было опубликовано в «Протоколах» Лондонского королевского общества в 1840 г.

Спустя четыре года русский физик Е. X. Ленц опубликовал результаты большого количества экспериментов, которые подтвердили правильность выводов Джоуля о тепловом действии электрического тока. Поэтому этот закон и называется законом Джоуля — Ленца. Другой областью экспериментальных поисков Джоуля было определение механического эквивалента тепла. Уже во времена своих первых опытов с электричеством Джоуль пришел к выводу о том, что механическая энергия может превращаться в тепло. Результаты своих исследовании он опубликовал в 1843 г. в работе «О тепловом эффекте магнитоэлектричества и механической величине тепла» в ряде других работ, изданных в 1847 и 1850 гг.

Кроме занятий научной работой, Джоуль вместе с братом руководил пивоваренным заводом, доставшимся им в наследство от отца. В 1854 г. после смерти жены он продал свою долю в деле и полностью посвятил себя научной работе.

Больше всего его интересовали свойства газов, которые Джоуль одним из первых начал глубоко изучать с позиций молекулярно-кинетической теории как экспериментально, так и теоретически. В этой области он добился ряда успехов — изучая зависимость скорости движения молекул газа от температуры, он вычислил значение скорости их теплового движения, теоретически обосновал законы Бойля — Мариотта и Гей-Люссака, объяснил сущность давления газов на стенки сосуда.

Ряд исследований был проделан им совместно с физиком Вильямом Томсоном (ставшим позже лордом Кельвином). Из общего количества 97 опубликованных научных работ 20 были сделаны им вместе с Томсоном. Так, например, они обнаружили, что при переходе свободно расширяющегося газа из сосуда с высоким давлением в сосуд с меньшим давлением температура большинства газов и воздуха понижается. Это явление позже было названо эффектом Джоуля — Томсона.

Джоуль состоял членом Лондонского королевского обще ства. В 1878 г. он удалился на отдых, Умер Джоуль 11 октября 1889 г. в Сэлфорде.

* * *

— Такой молодец достигает в длину 65 футов и съедает ежедневно до 900 фунтов пищи[20]. А вообще-то он пугливый, спокойный и не вредит человеку.

Разговор шел о китах, а рассказчик был не кто иной, как Вильям Скорсби, пятидесятилетний бодрячок, некогда славный мореход и естествоиспытатель, а ныне чрезвычайно красноречивый священник из Бредфорда.

— А выгодна ли все еще ловля китов? — спросил Джемс Джоуль, в то время как его старший брат Бенджамин наливал гостю следующую поллитровую кружку пенистого сэлфордского пива.

— Лишь в районе Гренландии. Дальше от Шпицбергена хуже. Рыболовство совершенствуется, корабли становятся более быстроходными, и киты все чаще расплачиваются за это жизнью.

Скорсби всегда был рад провести несколько дней на пивоваренном, заводе у Джоулей. И сейчас, приехав на собрание Королевского общества в Манчестере, он отказался от гостиницы, предпочитая приходить ежедневно из расположенного рядом Сэлфорда.

Кроме приключений во времена его многочисленных походов по арктическим морям, о которых Скорсби умел очень увлекательно рассказывать, наиболее частой темой их разговоров был вопрос о том, как определить взаимосвязь тепла, с другими видами энергии. Тогда ученые уединялись в одном из помещений, расположенном прямо в пивоварне, где Джоуль оборудовал, себе лабораторию.

— В этой стеклянной трубке находится катушка с сердечником из листового железа, — объяснил он гостю конструкцию своего нового оборудования, предназначенного для изучения тепла, образующегося в проводнике при прохождении по нему тока. — Остальное пространство заполнено водой, температуру которой надо измерить.

— Сразу же или потом? — заинтересовался Скорсби.

— Как только перемешиванием воды тепло равномерно распределится, трубку необходимо тотчас быстро запечатать, а выводы катушки подсоединить к гальванометру.

Джоуль закрепил запечатанную трубку, обмотанную цинковой фольгой, между двумя полюсами сильного электромагнита так, чтобы она могла вращаться вокруг своей оси.

Скорсби поворачивал ручку и внимательно рассматривал простой, но остроумно устроенный механизм.

— Опыт состоит из двух частей, — продолжал Джоуль. — Вначале я вращаю катушку со скоростью около 600 оборотов в минуту в течение четверти часа, разумеется, при включенном, электромагните. Затем я быстро распечатываю трубку и измеряю, насколько поднялась температура воды.

— То есть речь идет о тепле, которое возникло в результате прохождения индуцированного тока.

— Не совсем. Тепло возникает и от трения между катушкой и водой. Поэтому опыт имеет и вторую часть, в которой я повторяю все то же самое, но без электромагнита. Затем я снова измеряю температуру и определяю разность температур.

— Таким образом, вычитая количество тепла, возникшего во втором случае, от количества тепла, полученного в первом случае… — рассуждал вслух Скорсби.

— …мы получим, тепло, которое образовалось в катушке в результате прохождения индуцированного тока, — дополнил Джоуль.

— Да. — задумался Скорсби, — Ну, и какая разность температур у вас получается?

Джоуль взглянул на свои записи. Скорсби заметил, что первые страницы были исписаны арифметическими упражнениями и расчетами. По-видимому, это была старая школьная тетрадь.

— В среднем подъем температуры равен 0,10 градуса Фаренгейта, — ответил Джоуль. — Мне нужен был бы более сильный электромагнит.

— Согласен с вами. Разность температур слишком мала для наглядности этого явления.

— Только где его взять… — рассуждал Джоуль. — Изготовление такого электромагнита потребует не только времени, но и помещения.

— А вот это пусть вас не заботит, — и Скорсби принял таинственный вид. — Я приглашаю вас к себе в Бредфорд. Вы увидите, что и в сельском приходе иногда можно найти кое-что полезное.

* * *

Джемс и Бенджамин Джоуль сидели на смотровой площадке вагона первого класса, и поезд уносил их в Бригхауз со скоростью 30 миль[21] в час. Затем им предстояла 6-мильная поездка в карете до Бредфорда.

Джемс Джоуль воспользовался приглашением Скорсби, а Бенджамин решил сопровождать его ради путешествия в поезде. Оба они были восторженными поклонниками паровой железной дороги. Джемс с удовольствием вспоминал поездку в окрестности Эклесса, где 15 сентября 1830 г. они увидели первый поезд, который торжественно открыл регулярное сообщение по манчестерско-ливерпульской железной дороге. Они провели там много субботних вечеров, лежа на траве и наслаждаясь видом пыхтящей «Ракеты» Стивенсона, а позже более мощной «Планеты».

В Бредфорде они вначале посетили богослужение своего гостеприимного хозяина. Джемс даже здесь не изменил своим привычкам и всю проповедь темпераментного священника преспокойно проспал.

Когда Скорсби показал ему огромный электромагнит, Джоуль остался от него в восторге. Позже он писал об этом: «…он создавал магнитную силу, которая была больше, чем я когда-либо видел».

Джоуль перевез в Бредфорд все необходимое оборудование и продолжил изучение образования тепла в проводнике с током. Ему приходилось работать целыми днями одному, потому что у Скорсби, занятого разной общественной деятельностью в поселке, совсем не оставалось свободного времени.

Действие сильного электромагнита проявилось довольно быстро. Вместо малозаметных температурных различий Джоуль обнаружил на этот раз средний подъем температуры 1,84 градуса Фаренгейта. По результатам проделанных опытов Джоуль сформулировал закон о том, что количество тепла, образующегося за одну секунду в проводнике, через который проходит электрический ток, прямо пропорционально произведению квадрата тока и электрического сопротивления проводника. Сообщение об открытии этого закона было опубликовано в «Протоколах» Лондонского королевского общества.

— Замечательно, — сказал с уважением Скорсби, листая экземпляр «Протоколов».

— Без вашей любезной помощи я не смог бы осуществить этот эксперимент, — ответил Джоуль.

— Об этом не стоит даже говорить, — Скорсби не любил, когда ему выражали благодарность за что-либо. — Все равно я здесь целые дни провожу в одиночестве.

Общность интересов обоих ученых переросла в дружбу, крепче которой была лишь более поздняя дружба Джоуля с Томсоном.

— Лучше покажите этот ваш двигатель, попробуем вмонтировать в него мои электромагниты, — сказал Скорсби, и друзья вновь принялись за работу.

Вначале они хотели лишь измерить мощность электродвигателя Джоуля с более сильными электромагнитами. Позже они провели сравнение его мощности с мощностями других существовавших тогда источников механической энергии. Эта их совместная работа была затем опубликована, под названием «О сравнительной мощности электромагнетизма, пара и лошадей как источников движущей силы».

— И отрицательный результат есть результат, — рассуждал Скорсби, когда однажды вечером они сидели у камина, в котором весело плясали языки пламени, а горящие поленья приятно потрескивали. — Хотя у этого вашего электромотора не бог весть какая мощность, но мне он весьма симпатичен. А то везде один лишь пар да пар, все ученые сходят с ума из-за этого пара.

На некоторое время они умолкли. Джоуль хотел что-то возразить, но Скорсби, опередив его, добавил:

— Хотя раньше самым любимым делом для них было изучение планет.

— Да, — согласился Джоуль, — я как раз подумываю о том, что лошадь может почти четверть своей жизненной энергии, вырабатываемой из пищи, превратить в полезную механическую работу…

— А самая лучшая паровая машина Корниша использует лишь одну десятую сожженного угля. Что же это за достижение?!

— Вот именно. Но электромагнитный мотор использует энергию батареи Вольты. А если бы мне удалось его так усовершенствовать, чтобы мощность, полученная из одного фунта цинка батареи, превысила мощность, выработанную из одного фунта, угля самой лучшей паровой машиной?

— Да, но фунт цинка по крайней мере в сто раз дороже, чем фунт угля!

Джоуль задумался.

— Я все больше убеждаюсь в том, — сказал он медленно, — что эффект электромагнитного притяжения нельзя будет использовать в качестве промышленного источника энергии. Потому что, хотя у паровой машины и низкая мощность, электромагнитный мотор никогда не сможет превысить ее…

Джемс Джоуль и не предполагал тогда, что эти слова были самой большой ошибкой в его жизни.