Джеймс Прескотт Джоуль (James Prescott Joule) родился на северо-западе Англии в городке Солфорд, что неподалеку от Манчестера, 24 декабря 1818 года. Семья Джоулей была достаточно обеспеченной – отец держал собственный пивоваренный завод. Это позволило Джеймсу получить качественное образование на дому.

Его первым учителем был Джон Дальтон – известный ученый, изучавший физику, химию и естественные науки. Он внес неоценимый вклад в научное будущее Джеймса, привив ему интерес к сбору численных данных и их логическому осмыслению. Немного не доставало мальчику лишь занятий в области математики, которые ограничивались элементарными основами. Это вызвало трудности при дальнейшей научной работе Джоуля, тем не менее, решающей роли не сыграло.

С юного возраста, в свободное от обучения время, Джеймс работает на отцовском заводе. С помощью Дальтона, он уже в 19 лет начинает свои первые научные исследования и вскоре заменяет все паровые машины пивоварни на более выгодные электрические аналоги.

Спустя год его статью публикуют в известном журнале «Annals of Electricity». В ней юный ученый описывает конструкцию и принцип работы электромагнитного двигателя. Это было лишь началом работы Джоуля в области электромагнетизма. В 1840 году, проводя исследования на ферромагнетиках, он открывает эффект магнитного насыщения, а в 1842 обнаруживает явление магнитострикции.

Одним из вдохновителей Джоуля был Майкл Фарадей и его работы о взаимодействии магнетизма и электротока. Проводя постоянные физические эксперименты в этой области, ученый приходит к одному из основных достижений своей научной карьеры – устанавливает зависимость между силой тока и выделяемой им теплотой. Согласно исследованиям Джоуля, теплота, которая выделяется в проводнике, пропорциональна его сопротивлению и квадратичной силе тока, через него проходящего.

Первое упоминание этой взаимосвязи Джоулем датируется 1841 годом, тем не менее, у этого утверждения есть и второй признанный автор – русский ученый Ленц, пришедший к схожим выводам в 1842 году. На сегодняшний день закон носит имя Джоуля-Ленца.

В 1843 году Джоуль решает развить мысль, высказанную Юлиусом Майером, о существовании взаимосвязи между выполненной механической работой и количеством выделенного при этом тепла. Для этого в колбу с водой он помещал электромагнит, который вращался под давлением грузила, при том, что сам сосуд находился в магнитном поле. Таким образом, Джоуль показывает, что теория теплорода неверна и тепло выделяется во время работы, а не из окружающего пространства. Ученому удалось вывести численное соотношение, которое известно в современной физике, как механический эквивалент тепла, равный 4,2 Дж/кал.

Описание данного эксперимента и его научную значимость Джоуль изложил в статье "О тепловом эффекте магнитоэлектричества и механическом значении тепла".

Следующие несколько лет ученый продолжал исследовать выделение тепла при различных механических действиях (пропускании воды через узкие отверстия, сжатии газа и т.д). Чтобы иметь возможность проводить свои эксперименты, в 1844 году Джеймс вместе с семьей переехал в Манчестер. Они поселились в большом доме, недалеко от центра города, где для ученого была оборудована лаборатория. Там Джоуль и открыл свой знаменитый закон сохранения энергии, за который в дальнейшем его имя увековечат в качестве единицы измерения.

В 1847 году ученый знакомится с Уильямом Томсоном. Он начинает с ним совместные исследования, результатом которых стал закон Джоуля-Томсона, который используют для сжижения газов. Также двум великим ученым удается создать термодинамическую шкалу.

С помощью Томсона, работы Джоуля наконец-то привлекают внимание мирового научного сообщества, которое долгое время игнорировало талантливого физика. Он выступает с докладом на заседании в Оксфорде и производит впечатление на Британскую ассоциацию ученых.

В этом же году Джоуль женится на Амелии Граймс, в браке у них родилось двое детей.

В 1850 году Джоуля приняли в ряды Лондонского королевского общества.

1854 год стал поворотным в судьбе английского ученого. В это время умирает его жена, он продает родительскую пивоварню и с головой уходит в науку. На вырученные деньги он оборудовал себе современную лабораторию, где проводил большинство своего свободного времени. В период с 1854 по 1889 год он издал 97 научных работ, посвященных классической и молекулярной физике, акустике, теории тепла и газов.

В 1866 году ему вручили его первую награду – медаль Копли, а в 1880 и вторую – медаль Альберта.

В 1870х годах ученый стал доктором права в Эдинбургском и Лейденском университетах, получил две медали от Королевского общества, а от самой королевы Англии – рыцарское звание. В 1872 году его выбрали президентом Британской ассоциации, а позже, в 1877 – перевыбрали и на второй срок. С 1878 года Джоуль получал почетную ежемесячную пенсию в размере 215 фунтов.

Умер ученый 11 октября 1889 года в городе Сейл, вблизи Манчестера. Незадолго до смерти он выпустил двухтомный сборник со своими научными записями «Scientific papers by J. P. Joule», который содержит описание его гениальных физических опытов. Многие из них стали неотъемлемой частью современной физики.

Главная особенность научной деятельности Джоуля – это простота его экспериментов. При этом все они отличались удивительной точностью и наглядностью. Ученый был твердо убежден, что мир устроен значительно проще, чем нам кажется, и все вещи в нем взаимодействуют между собой. Нахождение подобных взаимодействий и было основным направлением всех его исследований.

В городской ратуше Манчестера в честь ученого установлен памятник, сразу напротив памятника его учителю – Дальтону.

Джеймс Прескот Джоуль – выдающийся английский физик. Он досконально изучил природу тепловой энергии и обнаружил ее связь с электрическим током , проходящим через проводник. Им были открыты множество законов, и в частности первый закон термодинамики. В честь ученого названа единица измерения количества выделяемого тепла – Джоуль. Великий ученый сделал также неоценимый вклад в практическое использование электричества. Им были проведены работы по модернизации и улучшению характеристик электрических моторов и магнитов.

Родился Джеймс Прескотт Джоуль 24 декабря 1818 года в семье состоятельного владельца пивоваренного завода. Благодаря хорошему финансовому положению семьи Джеймс до 15 лет обучался дома в родном городе Салфорде. Этому также способствовали проблемы со здоровьем у будущего ученого. После такой школы, где он кстати получил достаточно хорошие знания в области математики, физики и химии, естественно Джеймсу захотелось продолжать образования. Однако из-за болезни отца он какое-то время вместе со своим старшим братом вынужден был управлять семейным пивоваренным заводом.

У себя дома Джеймс организовал физическую лабораторию и начал производить эксперименты. Проводя исследования работы первых электромоторов, ученый обнаружил, что мощность электрических машин пропорциональна произведению силы тока и напряжения .

С 1847 года на протяжении семи лет ученый проводит эксперименты по изучению теплового действия электрического тока, проходящего через проводник . Результатом его работы стала пропорциональная зависимость количества тепла, выделяемого в проводнике, сопротивления самого материала и квадрата силы тока, проходящего через него.

Джеймс Прескотт Джоуль, работая с Уильямом Томсоном, по сути, стал прародителем всех холодильников и холодильных установок. Он доказал, что расширения газа без выполнения работы приводит к существенному снижению его температуры. Этот эффект назвали в честь обоих ученых – эффект Джоуля-Томсона.

В 1850 году ученого избирают действительным членом Британского Королевского общества. А в 1961 году уже его современники назвали именем ученого единицу работы и энергии в международной системе СИ. Это лишь мизерная часть вклада ученого, относящаяся непосредственно к изучению и освоению электричества. Его участие в формировании всей науки, в том числе и современно просто неоценимо.

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 магнитные явления. 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.

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.