ДЖОУЛЬ (Joule), Джеймс Прескотт

Английский физик Джеймс Прескотт Джоуль родился в Солфорде близ Манчестера в семье богатого пивовара. Получил домашнее образование. В течение нескольких лет его учил математике, физике, началам химии известный физик и химик Джон Дальтон , под влиянием которого Джоуль уже в 19 лет начал экспериментальные исследования.

В 1838 г. в журнале «Анналы электричества» («Annals of Electricity») появилась его статья с описанием электромагнитного двигателя, в 1840 г. он обнаружил эффект магнитного насыщения, в 1842 г. – явление магнитострикции. Под влиянием работ Майкла Фарадея Джоуль обратился к изучению тепловых эффектов тока, результатом чего стало открытие закона, называющегося теперь законом Джоуля – Ленца (в 1842 г. независимо этот закон был открыт русским физиком Э.Х.Ленцем). Согласно этому закону, количество теплоты, выделяющейся в проводнике с током, пропорционально сопротивлению проводника и квадрату силы тока.

Джоуль внёс большой вклад в развитие термодинамики . В 1843 г. он занялся новой проблемой: доказательством существования количественного соотношения между «силами» разной природы, приводящими к выделению тепла. Первые его опыты состояли в измерении количества тепла, выделяющегося в сосуде с водой, в котором под действием опускающегося груза вращался электромагнит, а сам сосуд был помещён в магнитное поле. В этих опытах он впервые определил механический эквивалент теплоты (4,2 Дж/кал в современных единицах), а в последующие годы исследовал тепловые эффекты при продавливании жидкости через узкие отверстия (1844), сжатии газа (1845) и т.д. Все эти опыты привели Джоуля к открытию закона сохранения энергии. Впоследствии его именем была названа единица измерения всех видов энергии – механической, тепловой, электрической, лучистой и др.

В 1847 г. Джоуль познакомился с Уильямом Томсоном и исследовал вместе с ним поведение газов в различных условиях. Результатом этого сотрудничества стало открытие эффекта охлаждения газа при медленном адиабатическом протекании его через пористую перегородку (эффект Джоуля – Томсона). Этот эффект используется для сжижения газов. Кроме того, Джоуль построил термодинамическую температурную шкалу, рассчитал теплоёмкость некоторых газов, вычислил скорость движения молекул газа и установил ее зависимость от температуры, Обнаружил явление магнитного насыщения при намагничивании ферромагнетиков.

Среди наград и почестей, которых был удостоен учёный, – золотая медаль Лондонского королевского общества (1852), медаль Копли (1866), медаль Альберта (1880). В 1872 и 1877 гг. Джоуль был избран президентом Британской ассоциации по распространению научных знаний.

Джеймс Джоуль - довольно известная личность. Все мы знаем это имя еще со школьных уроков физики. Однако тогда никто не углублялся в его биографию и достижения, а ведь его жизненный путь очень интересен. В статье мы рассмотрим подробную биографию ученого, а также поговорим о том, чего он достиг.

Детские годы

Джеймс Джоуль, биографию которого мы рассматриваем, появился на свет в 1818 году, 24 декабря. Мальчик родился в богатой семье хозяина пивоваренного завода, располагавшегося в Солфорде. Джеймс получал образование на дому. Первым его учителем по началам физики, химии и элементарной математики был Дальтон. С 15-летнего возраста мальчик работал на заводе отца и принимал непосредственное участие в управлении им. Эту деятельность он совмещал с обучением в течении года.

Первые исследования

Когда начал интересоваться наукой Джеймс Джоуль? Краткая биография парня рассказывает о том, что свои первые исследования он начал проводить в 1837 году. Тогда его очень интересовал вопрос замены паровых машин на электрические на пивоваренном заводе отца. Уже через год молодой человек опубликовал свою первую работу по электричеству в одном из научных журналов. Посоветовал ему это сделать его учитель Джон Дэвис, который, кстати, являлся близким другом Стерджена, изобретшего электродвигатель. Журнал, в котором печатался Джеймс Джоуль, тоже принадлежал Стерджену. В 1840 году молодой исследователь при намагничивании ферромагнетиков заметил эффект магнитного насыщения. С этого момента и вплоть до 1845 года активно изучал электромагнитные явления экспериментальным путем.

Закон Джоуля

Чем же занимается дальше Джоуль Джеймс Прескотт? Краткая биография мужчины продолжается тем, что в 1841 году он открывает закон о квадратичной зависимости между силой тока и теплом, которое выделяется. Позже закон получил его имя, но нам он известен как закон Джоуля - Ленца, потому что в 1842 году он был открыт физиком немецкого происхождения из России Эмилием Ленцем. По достоинству открытие ученого оценено не было. Лондонское королевское общество проигнорировало его, а саму работу удалось опубликовать в скромном периодическом журнале.

Работа лектором

Но кем же работал Джеймс Джоуль? Интересные факты про этого человека редкость, но известно, что он был лектором. Уже известный нам Стерджен переехал в Манчестер и открыл там Галерею практических знаний, куда и пригласил Джоуля на место лектора. Удивительно, некоторых студентов обучал сам Джеймс Джоуль!

В своих исследованиях того времени ученый много времени уделял вопросу об экономической выгоде электромагнитных двигателей. Сначала он считал, что электромагниты имеют огромные возможности, но вскоре лично убедился в том, что паровые машины куда эффективнее. Результаты этого исследования Джоуль опубликовал, не скрывая собственного разочарования.

Открытия ученого происходили очень быстро. Уже в 1842 году он описывает магнитострикцию, которая заключается в том, что тела меняют свои размеры и объемы при разной степени намагниченности. Через год он заканчивает исследования по поводу тепловыделения в проводниках и публикует свои результаты. Они заключались в том, что выделяемое тепло берется не извне. Это полностью опровергало теорию теплорода, приверженцы которой тогда еще существовали.

В период с 1843 по 1850 год мужчина занимается проведением ряда исследований, совершенствуя свою технику и подтверждая многими опытами верность принципа сохранения энергии.

Семья

В 1844 году Джоули меняют место жительства. На новом месте мужчина знакомится со свей будущей женой Амелией Граймс. В 1847 году пара сочетается браком, и у них рождается дочь и сын. В это же время в доме Джоуль оборудует себе удобную лабораторию для проведения опытов. Однако счастье его длилось недолго, потому что в 1854 году любимая жена умирает.

Общее описание исследований

К концу 1840-х годов работы героя нашей статьи получают всеобщее признание. В 1847 году ученый знакомится с Томсоном, который высоко оценивает экспериментальную технику Джоуля. Далее ученые начинают сотрудничать. Представления Томсона о молекулярно-кинетической теории сформировались во многом под влиянием идей Джеймса. Вместе ученые создают термодинамическую температурную шкалу.

Кажется, что Джеймс Джоуль и его открытия не стареют, ведь уже спустя год он предлагает использовать модель газа для анализа возникновения тепловых эффектов при повышении давления. Модель газа Джоуля состояла из упругих шариков микроскопического размера, которые создавали давление при касании стенок сосуда. Исследования ученого были опубликованы в «Философских трудах Королевского общества» по совету немецкого физика Клаузиуса. Эта работа оказала огромное влияние на становление и развитие термодинамики, несмотря на то, что позже в исследованиях Джоуля была найдено множество ошибок. Кроме того, эксперименты похожи на те, которые в 1870-х годах проводил Ван-дер-Ваальс для моделирования реального газа.

В 1850 году мужчина становится членом Лондонского королевского общества. В исследованиях, проведённых в 1851 году, которые касаются создания теоретической модели теплоты как движения маленьких упругих частиц, ученый очень точно рассчитал для некоторых газов теплоемкость. Через год вместе со своим старым другом Томсоном описывает явление изменения температуры газа при адиабатическом дросселировании. Позже этот эффект получил название Джоуля - Томсона. Более того, это открытие поспособствовало возникновению нового раздела естествознания - физики низких температур.

В 1850-е годы исследователь публикует целую серию статей, посвященных электрическим измерениям. Несмотря на возможность использования современных конструкций, Джеймс Джоуль был уверен в том, что только путем эксперимента можно получить самые точные результаты.

В 1859 году ученый занимается исследованием термодинамических свойств твердых тел. Обнаруживает нестандартные свойства каучука в сравнении с другими материалами. Через год в сферу его интересов попадают миражи, атмосферные грозы и метеориты, которые он пытается объяснить с научной точки зрения.

Эквивалент тепла

С 1843 года ученый занимался поисками механического эквивалента тепла. Благодаря опытам ему удается показать, что определённое количество теплоты можно превратить в определенное количество механической силы. В этом же году он публикует результаты исследований, а уже через год формулирует закон теплоемкости для кристаллических тел, который известен как закон Джоуля - Коппа. Однако точную формулировку и опытное подтверждение своего закона Джоуль представил только в 1864 году.

После этого Джоуль Джеймс Прескотт, краткая биография которого изложена выше, посвящает себя исследованию тепловыделения при пропускании через узкие трубки жидкости. В период с 1847 по 1850 год ему удаётся вывести максимально точный механический эквивалент тепла. Он используется металлический калориметр, который устанавливает на деревянной скамейке. В этом опыте он исследовал количество теплоты, которые выделяется при вращении из-за трения оси. Некоторые оценки ученого очень близки к точным значениям, которые были найдены в прошлом веке.

Борьба за авторство

В 1840-х годах в печатных изданиях развернулась нешуточная дискуссия о том, кто же является открывателем закона сохранения энергии, между Майером и Джоулем. Фактически Майер опубликовал свою работу раньше, но к ней никто не отнесся серьезно, так как по профессии он сам был доктором. Закон Джеймса Джоуля нашел большую поддержку, ведь его кандидатуру на то время поддерживали такие ученые, как Стокс, Фарадей и Томсон. Некоторые открыто поддерживали Майера, акцентируя внимание на том, что он первый сделал открытие, другие же защищали право на авторство Джоуля. В конце концов приоритет авторства оставили Майеру.

Память

Физик Джеймс Прескотт Джоуль награжден Королевской медалью. В 1860 году стал президентом Манчестерского литературного и философского общества. Кроме того, имеет научные степени доктора права дублинского Тринити-колледжа, доктора права в Эдинбургском университете и доктора гражданского права в Оксфордском университете. В 1866 году получил медаль Копли, а в 1880 году сталь обладателем медали Альберта. Через 8 лет правительство назначило ему пожизненную пенсию. Джоуль дважды становился президентом Британской научной ассоциации.

В 1889 году его именем была названа единица измерения количества теплоты, энергии, работы. В ратуше Манчестера есть памятник ученому, который расположен напротив памятника Дальтону.

Биография

Джеймс Прескотт Джоуль (англ. James Prescott Joule; 24 декабря 1818, Солфорд, Ланкашир, Англия, Великобритания - 11 октября 1889, Сэйл, Чешир, Англия, Великобритания) - английский физик, внесший значительный вклад в становление термодинамики. Обосновал на опытах закон сохранения энергии. Установил закон, определяющий тепловое действие электрического тока. Вычислил скорость движения молекул газа и установил ее зависимость от температуры.

Экспериментально и теоретически изучал природу тепла и обнаружил её связь с механической работой, в результате практически одновременно с Майером пришёл к концепции всеобщего сохранения энергии, что, в свою очередь, обеспечило формулировку первого закона термодинамики. Работал с Томсоном над абсолютной шкалой температуры, описал явление магнитострикции, открыл связь между током, текущим через проводник с определённым сопротивлением и выделяющимся при этом количеством теплоты (закон Джоуля - Ленца). Внёс значительный вклад в технику физического эксперимента, усовершенствовал конструкции многих измерительных приборов.

В честь Джоуля названа единица измерения энергии - джоуль.

Родился в семье зажиточного владельца пивоваренного завода в Солфорде близ Манчестера, получил домашнее образование, притом в течение нескольких лет его учителем по элементарной математике, началам химии и физики был Дальтон. С 1833 года (с 15 лет) работал на пивоваренном заводе, и, параллельно с обучением (до 16 лет) и занятиями наукой до 1854 года участвовал в управлении предприятием, пока оно не было продано.

Первые экспериментальные исследования начал уже в 1837 году, заинтересовавшись возможностью замены паровых машин на пивоварне на электрические. В 1838 году по рекомендации одного из своих учителей Дэвиса (англ. John Davies), близким другом которого был изобретатель электродвигателя Стёрджен, опубликовал первую работу по электричеству в научном журнале Annals of Electricity, организованном за год до этого Стёрдженом, работа была посвящена устройству электромагнитного двигателя. В 1840 году обнаружил эффект магнитного насыщения при намагничивании ферромагнетиков, и в течение 1840-1845 годов экспериментально изучает электромагнитные явления.

Изыскивая лучшие способы измерения электрических токов, Джеймс Джоуль в 1841 году открыл названный его именем закон, устанавливающий квадратичную зависимость между силой тока и выделенным этим током в проводнике количеством теплоты (в русской литературе фигурирует как закон Джоуля - Ленца, так как 1842 году независимо этот закон был открыт российским физиком Ленцем). Открытие не было оценено Лондонским королевским обществом, и работу удалось опубликовать лишь в периодическом журнале Манчестерского литературного и философского общества (англ. Manchester Literary and Philosophical Society).

В 1840 году в Манчестер переезжает Стёрджен и возглавляет Галерею практических знаний (англ. Royal Victoria Gallery for the Encouragement of Practical Science) - коммерческое выставочно-образовательное учреждение, куда в 1841 году приглашает Джоуля как первого лектора.

В работах начала 1840-х годов исследовал вопрос экономической целесообразности электромагнитных двигателей, поначалу полагая, что электромагниты могут быть источником неограниченного количества механической работы, но вскоре убедился, что с практической точки зрения паровые машины того времени были эффективнее, опубликовав в 1841 году выводы, что эффективность «идеального» электромагнитного двигателя на 1 фунт цинка (используемого в аккумуляторах) составляет всего лишь 20 % от эффективности парового на 1 фунт сжигаемого угля, не скрывая при этом разочарования.

В 1842 году обнаруживает и описывает явление магнитострикции, заключающееся в изменении размеров и объёма тела при изменении его состояния намагниченности. В 1843 году формулирует и публикует окончательные результаты работ по исследованию тепловыделения в проводниках, в частности, экспериментально показывает, что выделяемое тепло никоим образом не забирается из окружения, что бесповоротно опровергало теорию теплорода, сторонники которой всё ещё оставались в то время. В том же году заинтересовался общей проблемой количественного соотношения между различными силами, приводящими к выделению теплоты, и, придя к убеждению в существовании предсказанной Майером (1842) определённой зависимости между работой и количеством теплоты, ищет численное соотношение между этими величинами - механический эквивалент тепла. В течение 1843-1850 годов проводит серию экспериментов, непрерывно совершенствуя экспериментальную технику и каждый раз подтверждая принцип сохранения энергии количественными результатами[⇨].

В 1844 году семья Джоулей переехала в новый дом в Уэлли-Рэйдж (англ. Whalley Range), где для Джеймса была оборудована удобная лаборатория. В 1847 году женился на Амелии Граймс, вскоре у них появились сын и дочь, в 1854 году Амелия Джоуль умерла.

В 1847 году знакомится с Томсоном, который даёт высокую оценку экспериментальной технике Джоуля, и с которым впоследствии плодотворно сотрудничает, во многом под влиянием Джоуля формируются и представления Томсона на вопросы молекулярно-кинетической теории. В первых же совместных работах Томсон и Джоуль создают термодинамическую температурную шкалу.

В 1848 году для объяснения тепловых эффектов при повышении давления предлагает модель газа как состоящего из микроскопических упругих шариков, столкновение которых со стенками сосуда и создаёт давление, и давая оценку скорости «упругих шариков» водорода около 1850 м/c. По рекомендации Клаузиуса эта работа была опубликована в «Философских трудах Королевского общества», и, хотя в ней впоследствии были выявлены серьёзные изъяны, она оказала значительное влияние на становление термодинамики, в частности, идейно перекликается с работами по Ван-дер-Ваальса начала 1870-х годов по моделированию реального газа.

К концу 1840-х годов работы Джоуля получают всеобщее признание в научном сообществе, и в 1850 году он избран действительным членом Лондонского королевского общества.

В работах 1851 года, совершенствуя свои теоретические модели представления теплоты как движения упругих частиц, достаточно точно теоретически рассчитал теплоёмкость некоторых газов. В 1852 году обнаруживает, измеряет и описывает в серии совместных с Томсоном работ эффект изменения температуры газа при адиабатическом дросселировании, известный как эффект Джоуля - Томсона, ставший впоследствии одним из основных методов получения сверхнизких температур, тем самым способствовав появлению физики низких температур как отрасли естествознания.

В 1850-е годы публикует большую серию статей о совершенствовании электрических измерений, предлагая конструкции вольтметров, гальванометров, амперметров, обеспечивающие высокую точность измерений; в целом в течение всей научной практики Джоуль уделял значительное внимание экспериментальной технике, позволяющей получать высокоточные результаты.

В 1859 году исследует термодинамические свойства твёрдых тел, измеряя тепловой эффект при деформациях, и отмечает нестандартные в сравнении с другими материалами свойства каучука.

В 1860-е годы интересуется природными явлениями, предлагая возможные объяснения природы атмосферных гроз, миражей, метеоритов.

В 1867 году Джоуль по схеме, предложенной Томсоном проводит для Британской научной ассоциации измерения эталона механического эквивалента теплоты, но получает результаты, расходящиеся со значениями, получающимися из чисто механических опытов, однако уточнение условий механических экспериментов подтвердили точность измерений Джоуля и в 1878 году эталон сопротивления был пересмотрен.

На начальных этапах деятельности Джоуль ставил эксперименты и занимался исследованиями исключительно на собственные средства, однако после продажи пивоварни в 1854 году материальное положение постепенно ухудшилось, и пришлось пользоваться финансированием различных научных организаций, а в 1878 году назначена государственная пенсия. С детства страдал из-за болезни позвоночника, а с начала 1870-х годов из-за плохого состояния здоровья практически не работал. Скончался в 1889 году

Механический эквивалент тепла

Начиная с 1843 года Джоуль ищет подтверждение принципа сохранения энергии и пытается вычислить механический эквивалент тепла. В первых опытах измеряет нагрев жидкости, в которую погружён соленоид с железным сердечником, вращающийся в поле электромагнита, проводя измерения в случаях сомкнутой и разомкнутой обмотки электромагнита, потом усовершенствует эксперимент, исключая ручное вращение и приводя электромагнит в действие опускающимся грузом. По результатам измерений формулирует соотношение:

Количество теплоты, которое в состоянии нагреть 1 фунт воды на 1 градус по Фаренгейту, равно и может быть превращено в механическую силу, которая в состоянии поднять 838 фунтов на вертикальную высоту в 1 фут

Результаты экспериментов публикует в 1843 году в статье «О тепловом эффекте магнитоэлектричества и механическом значении тепла». В 1844 году формулирует первый вариант закона теплоёмкости сложных кристаллических тел, известный как закон Джоуля - Коппа (Копп (нем. Hermann Kopp) в 1864 году дал точную формулировку и окончательное экспериментальное подтверждение).

Далее, в опыте 1844 года измеряет тепловыделение при продавливании жидкости через узкие трубки, в 1845 году - измеряет теплоту при сжатии газа, а в опыте 1847 года сравнивает затраты на вращение мешалки в жидкости с образовавшейся в результате трения теплотой.

В работах 1847-1850 годов даёт ещё более точный механический эквивалент тепла. Им использовался металлический калориметр, установленный на деревянной скамье. Внутри калориметра находилась ось с расположенными на ней лопастями. На боковых стенках калориметра располагались ряды пластинок, препятствовавшие движению воды, но не задевавшие лопасти. На ось снаружи калориметра наматывалась нить с двумя свисающими концами, к которым были прикреплены грузы. В экспериментах измерялось количество теплоты, выделяемое при вращении оси из-за трения. Это количество теплоты сравнивалось с изменением положения грузов и силой, действующей на них.

Эволюция значений механического эквивалента тепла, полученная в экспериментах Джоуля (в футо-фунтах или футо-фунт-силе на британскую термическую единицу):
838 (4,51 Дж/кал), 1843;
770 (4,14 Дж/кал), 1844;
823 (4,43 Дж/кал), 1845
819 (4,41 Дж/кал), 1847
772,692 (4,159 Дж/кал), 1850.

Последняя оценка близка к сверхточным значениям измерений, осуществлённым в XX веке.

Борьба за приоритет в открытии закона сохранении энергии

Со второй половины 1840-х годов на страницах «Трудов Французской академии наук» (фр. Comptes rendus hebdomadaires des séances de l"Académie des sciences) развернулась острая дискуссия о приоритете в открытии закона сохранения энергии для термодинамических систем между Джоулем и Майером, и, хотя публикация Майера вышла несколько раньше, он, будучи врачом по профессии, не воспринимался всерьёз, тогда как Джоуля уже поддерживали крупные физики, в частности, его доклад 1847 года в Британской научной ассоциации получил высокие оценки присутствовавших на заседании Фарадея, Стокса и Томсона. Тимирязев, позднее рассматривая эту дискуссию, отмечал последовательность аргументации Майера в борьбе с «мелкой завистью цеховых ученых ». Гельмгольц, опубликовавший принцип сохранения энергии в 1847 году, в 1851 году обращает внимание на работы Майера, а в 1852 году открыто признаёт его приоритет.

Следующий виток борьбы за приоритет произошёл в 1860-е годы, когда закон получил всеобщее признание в научной среде. Тиндаль в 1862 году в публичной лекции показывает приоритет Майера, и на его точку зрения становится Клаузиус. Тэт, известный пробританскими патриотическими взглядами, в серии публикаций настаивает на приоритете Джоуля, не признавая за работой Майера 1842 года физического содержания, ему оппонирует Клаузиус, а философ Дюринг, одновременно принижая значение работ Джоуля и Гельмгольца, активно настаивает на приоритете Майера, что во многом послужило окончательному признанию приоритета Майера.

Признание и память

В 1850 году избран членом Лондонского королевского общества. В 1852 году за работы по количественному эквиваленту тепла награждён первой Королевской медалью. В 1860 году избран почётным президентом Манчестерского литературного и философского общества (англ. Manchester Literary and Philosophical Society).

Получил научные степени доктора права дублинского Тринити-колледжа (1857), доктора гражданского права (англ. DCL) Оксфордского университета (1860), доктора права (LL.D.) Эдинбургского университета (1871).

В 1866 году Джоулю присуждена медаль Копли, в 1880 году - медаль Альберта. В 1878 году правительством ему была назначена пожизненная пенсия в 215 фунтов.

В 1872 и 1877 годах дважды избирался президентом Британской научной ассоциации (англ. British Association for the Advancement of Science).

На втором Международном конгрессе электриков, проходившем в 1889 году - год смерти Джоуля, его именем названа унифицированная единица измерения работы, энергии, количества теплоты, для которой не требовался коэффициент перехода между механической работой и теплом (механический эквивалент тепла), ставшая одной из производных единиц СИ с собственным именем.

В Манчестерской ратуше установлен памятник Джоулю работы скульптора Альфреда Гильберта (англ. Alfred Gilbert), напротив памятника Дальтону.

В 1970 г. Международный астрономический союз присвоил имя Джеймса Джоуля кратеру на обратной стороне Луны.

Джеймс Прескотт Джоуль ($1818$ - $1889$) - английский физик, который внес значительный вклад в становление термодинамики.

Биография

Замечание 1

Он был сыном Бенджамина Джоуля, владельца относительно большой пивоварни.
Первоначальное образование Джеймс Джоуль получает от частных наставников, в основном из-за его плохого состояния здоровья. У него были проблемы с позвоночником, но с течением времени его состояние улучшилось, но на протяжении всей своей жизни ученый оставался сгорбившимся, это отразилось на его характере и способствовало его застенчивости.

С $1834$ он учился у Джона Дальтона в Манчестере в литературно-философском обществе. Как и Дальтон, Джоуль был убежденным сторонником атомной теории, в то время как многие ученые в этот период все еще скептически к ней относились.

В последующие годы Джеймс Джоуль учился у Джона Дэвиса и заинтересовался электричеством, он и его брат экспериментировали, поражая электрическим током, друг друга и слуг семьи.

Замечание 2

Научные достижения

Электричество

Замечание 3

Первоначально наука для Джоуля была в качестве хобби, но даже во время работы на пивоваренном заводе он начал исследовать возможности для замены котлов на недавно изобретенный электрический двигатель.

Движимый отчасти желанием оценить экономические последствия такой замены, он фокусируется на измерениях, с помощью которых можно определить, какой источник энергии является более эффективным. Таким образом, в $1841$ году он открыл закон Джоуля при котором теплота, выделяемая прямым действием любого гальванического тока пропорциональна квадрату величины тока, умноженному на сопротивление проводника. (Производная единица энергии или работы, Джоуля, была названа в его честь). Джоуль пришел к выводу, что сжигать фунт угля будет более экономичным, чем тратить драгоценные фунты цинка для электрической батареи.

Джоуль пытается представить результаты перед Королевским обществом , но его там приняли за провинциального дилетанта.

В $1843$ году Джоуль вычислил количество механической работы, необходимой для получения эквивалентного количества тепла. Эта величина была названа "механическим эквивалентом тепла". Опять он представил доклад о своих выводах на этот раз в Британской ассоциации содействия развитию науки. Опять же ответ был невосторженным. Несколько ведущих журналов также отказались опубликовать документы по работе Джоуля.

Работа Джоуля о соотношении тепла, электричества и механической работы в значительной степени игнорировалась до $1847$ года. Только Уильям Томсон признал, что работа Джоуля вписывалась в объединяющий шаблон, который уже начал появляться в физике, и он с энтузиазмом одобрил работу Джоуля.

В $1849$ году Джоуль прочитал свой доклад, озаглавленный как "О механическом эквиваленте теплоты" в Королевском обществе, Фарадей выступил в качестве своего спонсора. В следующем году Королевское общество опубликовало статью Джоуля.

Джоуль. Открытия этого физика применяются во всем мире. Какой путь прошел ученый? Какие открытия он совершил?

Жизнь выдающегося физика

24 декабря 1818 года родился Джеймс Джоуль. Биография будущего физика начинается в английском городке Солфорде, в семье успешного владельца пивоварни. Обучение мальчика происходило в домашних условиях, некоторое время физику и химию ему преподавал Благодаря ему английский физик и полюбил науку.

Джоуль не обладал крепким здоровьем, много времени он просиживал дома, проводя физические опыты и эксперименты. Уже в 15 лет, из-за болезни отца, ему пришлось управлять пивоварней вместе с братом. Работа на отцовском заводе не давала возможности поступить в университет, поэтому Джеймс Джоуль всецело отдавался домашней лаборатории.

С 1838 по 1847 год физик активно изучает электричество и делает свои первые научные успехи. В журнале Annals of Electricity он публикует статью об электричестве, а в 1841 открывает новый физический закон, который сейчас носит его имя.

В 1847 году Джоуль заключает первый и единственный брак с Амелией Граймс. Вскоре у них рождаются Элис Амелия и Бенджамин Артур. В 1854 году жена и сын погибают. Сам Джоуль умирает в 1889 году в Англии, в городе Сейле.

За всю свою жизнь он публикует около 97 работ по физике, некоторые из них написаны совместно с другими учеными: Лайоном, Томсоном и т. д. За выдающиеся научные достижения и открытые законы физики он награжден несколькими медалями и получал пожизненную пенсию от правительства Великобритании в размере около 200 фунтов.

Первые работы и эксперименты

Наблюдая за паровыми двигателями на пивоварне отца, Джеймс Джоуль решил заменить их электрическими для эффективности работы. В 1838 году он публикует в научном журнале статью, в которой расписывает устройство придуманного им электромагнитного двигателя. В 1840 году на пивоварне появляются новые электрические двигатели, а физик продолжает изучение электрического тока и выделения теплоты. Позже оказалось, что паровые двигатели были гораздо эффективнее.

В ходе экспериментов Джоуль создает термометры, которые способны измерять температуру с точностью до 1/200 градуса. Это позволяет ему углубиться в изучение В 1840 году, благодаря дальнейшим наблюдениям, физик обнаруживает эффект магнитного насыщения. В этом же году он посылает в Королевское научное общество работу «Об образовании теплоты при помощи электрического тока». Статью не оценили. Опубликовать её согласился лишь манчестерский литературно-философский журнал.

Закон Джоуля-Ленца

Непризнанная Лондонским научным обществом статья впоследствии оказалась одним из главных достижений ученого. В статье Джеймс Джоуль говорил о зависимости между силой тока и количеством выделенной теплоты. Он утверждал, что количество теплоты, которое выделяется в проводнике, прямо пропорционально сопротивлению проводника, квадрату силы и времени прохождения тока.

В это время подобную теорию разрабатывал Эмилий Ленц. То, что проводимость металлического проводника зависит от температуры, русский физик обнаружил ещё в 1832 году. Для точного определения температуры в проводнике ученый изобрел специальный сосуд, в который заливался спирт. Проволока, через которую пропускался ток, опускалась в сосуд. Далее отслеживалось, за какое время спирт нагреется. Джоуль Джеймс Прескотт использовал похожий метод, только в качестве жидкости использовал воду.

Результаты многолетних исследований Ленц опубликовал только в 1843 году, но в его трудах было больше точных научных обоснований, чем у Джоуля, работу которого вначале даже не захотели печатать. Учитывая первенство Джоуля и точные расчеты Эмилия Ленца, было решено назвать закон в честь обоих. Со временем закон Джоуля-Ленца положил начало термодинамике.

Магнитострикция

Параллельно со свойствами электрического тока Джеймс Джоуль изучает В 1842 году он замечает, что железо изменяется в размерах под воздействием магнитных волн. Если металлические стержни поместить в магнитное поле, их длина станет чуть больше.

Научное сообщество сомневалось в существовании здесь какого-либо открытия. Изменение размеров стержней было настолько ничтожным, что человеческий глаз не улавливал его. Но физик разработал специальную технику, при помощи которой получил наглядные доказательства.

Позже выяснилось, что таким эффектом обладают и другие металлы, а само явление назвали магнитострикцией. Сейчас для открытия Джоуля нашли много способов применения. Например, материалом волновода для измерения уровня воды в резервуарах служат магнитострикционные металлы. Это явление используют и для изготовления меток в антикражевых системах.

Эксперименты с газом

В 40-х годах Джеймс Джоуль активно изучает свойства газа, а именно явления, связанные с его расширением и сжатием. Он проводил опыт с расширением разряженного газа, доказывая при этом, что его не зависит от объема. Важна только температура газа.

В 1848 году Джоуль впервые в измерил скорость молекул газа. Данный опыт стал ранней работой о кинетической теории газов, дав толчок для дальнейших исследований в этой области. Работу Джоуля позже продолжил шотландец Джеймс Максвелл.

За значительный научный вклад в честь английского физика была названа единица измерения работы, количества теплоты и энергии - Джоуль.

Джоуль и Томсон

Огромное влияние на деятельность Джоуля и его признание в научном мире оказал Уильям Томсон. Ученые познакомились в 1847 году, когда Джоуль представлял Британской ассоциации ученых доклад об измерениях механического эквивалента теплоты.

До Томсона Джоуля не воспринимали серьезно в научных кругах. Кто знает, может быть, мы и не узнали бы открытые им законы физики, если бы Уильям Томас не объяснил их важность «снобам» британского сообщества.

Вместе физики изучали свойства газов, открыв, что при адиабатическом дросселировании газ охлаждается. То есть температура газа (или жидкости) уменьшается во время прохождения через дроссель (изолированный клапан). Явление получило название эффекта Джоуля-Томсона. Сейчас это явление применяется для получения низких температур.

Ученые также занимались термодинамической шкалой, названной в честь титула лорда Кельвина, который принадлежал Уильяму Томсону.

Признание Джеймса Джоуля

Слава и признание все же настигли английского физика. В 50-х годах XIX века он становится членом Лондонского королевского общества и награждается Королевской медалью. В 1866 году он получает медаль Копли, а затем и медаль Альберта.

Несколько раз Джоуль становился президентом Британской научной ассоциации. Ему были присуждены научные степени доктора права в дублинском колледже, Эдинбургском и Оксфордском университетах.

В его честь установлена статуя в здании муниципалитета в Манчестере и мемориал в Вестминстерском аббатстве. На обратной стороне Луны существует кратер Джеймса Джоуля.

Заключение

Знаменитый ученый, именем которого названы законы физики и единицы измерения, мог бы и не добиться признания. Благодаря своему упорству и труду он не останавливался перед многочисленными отказами. В конце концов он доказал право на свое место под солнцем или хотя бы на лунном кратере.