Мир электричества

В 1866–1870 годах Максвелл завершает свои основные теоретические исследования по теории электромагнитного поля. Его уравнения легли в основу электромагнитной теории света – величайшего открытия в физике. Фактически Максвеллу удалось объединить две разнородные области науки – электричество и свет – в одну и подарить человечеству, кроме известного с древнейших времен вещества, новый вид материи – электромагнитное поле.

В марте 1871 года его назначили профессором кафедры экспериментальной физики в Кембридже, а через два года из печати вышел главный труд Максвелла «Трактат об электричестве и магнетизме». Автор вложил в него все, что знал, что передумал и к чему пришел за годы работы над электромагнитной теорией.

Правда, многие были разочарованы. Работа Максвелла оказалась чрезвычайно трудной для восприятия. Стиль его изложения был сложным, а уравнения, ради которых все было задумано, тонули в промежуточных выкладках и дополнительном материале.

Позже Генрих Герц и Оливер Хэвисайд «очистили» их и из двенадцати уравнений оставили только четыре.

Однако и по сей день в электродинамике нет ни одного явления, которое бы противоречило или не укладывалось в эту систему из четырех равенств. Вряд ли имеет смысл писать их математические выражения. Читатель легко найдет их в любом учебнике по электродинамике. А вот физический смысл, возможно, стоит напомнить. Наиболее просто и лаконично он описан в книге В. П. Карцева «Максвелл» (М.: Мол. гвардия, 1974).

«Первое уравнение означает, что электрическое поле образуется зарядами, и силовые линии этого поля начинаются и кончаются на зарядах.

Второе уравнение постулирует замкнутость магнитных силовых линий, отсутствие свободных магнитных зарядов. Магнитные силовые линии нигде не начинаются, нигде не кончаются – они замкнуты.

Третье уравнение говорит о том, что магнитное поле создается током, включающим в себя открытый Максвеллом ток смещения. Это обобщение и дополнение всей электродинамики Ампера.

Четвертое уравнение отражает закон электромагнитной индукции Фарадея – возникновение электрического поля за счет изменения индукции магнитного поля. Любые изменения магнитного поля

Время законов приводят в соответствии с этим уравнением к возникновению в пространстве особого вихревого электрического поля.

Два последних уравнения привели Максвелла к представлению существования электромагнитных волн. Вокруг магнитных силовых линий возникают тут же электрические силовые линии, вокруг которых, в свою очередь, создаются магнитные, – и за счет этого в пространстве от точки к точке передается электрическое возбуждение».

Джеймс Клерк Максвелл прожил всего сорок восемь лет. 5 ноября 1879 года в Кембридже, в доме на Скруп-Террас, его не стало. Но сколько бы ни прошло лет, имя великого ученого всегда будут произносить с благоговением.

Глава 9. Единство теории и практики

На службе второму отечеству

Познакомившись с работами Фарадея, многие исследователи занялись конструированием электродвигателей. Сначала это были модели, совершающие возвратно-поступательное движение, как в паровой машине, затем появились малоперспективные двигатели с качающимися якорями. Ни для кого не секрет, что главными промышленными процессами, распространенными в мире, являются процессы механические. А следовательно, задача обратного превращения электрической энергии в механическую была весьма актуальной. Именно ее решение могло вывести электричество из стен лабораторий и превратить из физической забавы в подлинную и столь необходимую человечеству силу. Для этого требовалось совсем «немногое» – изобрести электрический двигатель. Для промышленного использования электродвигателя в различных станках и механизмах желательно было получить вращательное движение якоря.

Летом 1839 года праздношатающиеся гуляки облепили набережную Невы, ибо узрели чудо. От Петропавловской крепости удалялась двенадцативесельная шлюпка с единственным пассажиром. На корме сидел плотный невысокий господин в цивильном костюме. Тонкие губы крепко сжаты, брови насуплены. Несколько дружных гребков – и шлюпка на середине реки. По команде матросы осушили весла. Пассажир, сказав несколько слов с сильным немецким акцентом, нагнулся и стал колдовать над ящиком, уставленным стеклянными банками, от которых тянулись толстые провода к машине, соединенной с большими колесами, наподобие мельничных, спущенными с бортов в воду. Шлюпку уже изрядно снесло течением, когда под руками пассажира раздался негромкий треск и колеса завертелись. Повернувшись носом против течения, шлюпка пошла, разрезая свинцовую невскую волну. Пошла сама, против течения!..

Борис Семенович Якоби (1801–1874)

Так состоялось первое в мире практическое испытание электрического двигателя, который был сконструирован и построен в России и питался от батареи гальванических элементов Грове. Изобретателем двигателя и был тот самый господин на корме. Звали его Борисом Семеновичем Якоби.

Идею российского изобретателя сразу же подхватили многие зарубежные электротехники.

Исследователи обычно разбивают весь путь технической эволюции электродвигателя на несколько этапов. Самый первый – от опыта Фарадея в 1822 году и до практического образца «магнитной машины» Якоби, так описанного изобретателем в «Известиях Парижской академии наук»: «В мае 1834 года я построил свой первый магнитный аппарат, дающий постоянное круговое движение…» Первый электродвигатель состоял из двух наборов стержневых электромагнитов. Один из них неподвижно закреплялся на доске двигателя, другой – на противоположной раме, которая могла вращаться. Для питания электромагнитов использовалась батарея гальванических элементов. А для изменения полярности подвижных электромагнитов был предложен коммутатор. Казалось бы, коммутатор – небольшая и не главная деталь двигателя. Между тем он представлял собой глубоко продуманную конструкцию из четырех разрезанных металлических колец, изолированных от машины и установленных на валу ротора. По кольцам скользил рычажок, к которому подводился ток от батареи. За один оборот вала направление тока в катушках электромагнитов восемь раз менялось, соответственно менялась и полярность электромагнитов. И они поочередно то притягивались, то отталкивались от неподвижных магнитов статора, установленных на деревянной раме.

Мощность первого двигателя была, конечно, ничтожной. Но через четыре года напряженного труда Якоби создал другой, который можно было уже испытать в деле.

Первый электродвигатель Б. С. Якоби

В 1837 году изобретателю был предоставлен бот, рассчитанный на десять гребцов. На нем и установили двигатель. Это и был тот первый опыт, с которого начался наш рассказ.

Мориц Герман Якоби родился в Потсдаме в 1801 году и учился в Геттингенском университете по специальности архитектура. В 1835 году Якоби переехал в Россию на должность профессора гражданской архитектуры в Дерптском (ныне Тартуском) университете. Однако герра профессора более архитектуры привлекали изыскания в области «приложения электромагнетизма к движению машин». И потому, он не колеблясь, принял предложение Петербургской академии наук и был прикомандирован к комиссии для «исследования электромагнитных притяжений и законов намагничивания железа».

Якоби сразу и навсегда связал свою судьбу с Россией. Он сменил подданство, принял более привычное для русского слуха имя Бориса Семеновича и женился на русской – Александре Григорьевне Кохановской. Тридцать девять лет оставшейся жизни отдал Якоби служению России, считая ее вторым отечеством, «будучи связанным с нею не только долгом подданства и тесными узами семьи, но и личными чувствами гражданина». Так писал он, отвечая на неизбежные вопросы со стороны властей к натурализовавшемуся иностранцу.

В России Якоби встретился с Эмилием Ленцем. Это был счастливый случай в жизни обоих.

Эмилий Христианович Ленц (1804–1865)

Генрих Фридрих Эмиль Ленц, или Эмилий Христианович Ленц, как его называли позже в Петербурге, родился в 1804 году в городе Дерпте (ныне Тарту). Шестнадцати лет он поступил в Дерптский университет, но учебу не закончил, поскольку в 1823 году был приглашен принять участие в кругосветной экспедиции на шлюпе «Предприятие» под командованием капитан-лейтенанта Отто Евстафьевича Коцебу. Экспедиция вначале предназначалась для «открытий», но перед самым отправлением Коцебу получил приказание доставить на Камчатку разные грузы, а затем приступить к охране североамериканских российских берегов.

За время путешествия Ленц сумел сделать ряд важных географических исследований, за которые по возвращении получил степень доктора в Гейдельбергском университете. После чего стал преподавать физику в петербургских военных училищах. Уже через год Эмилия Ленца избрали адъюнктом Петербургской академии наук, и он принял предложение участвовать в новой экспедиции, на этот раз на Кавказ «для магнитных, термометрических, барометрических и геогностических наблюдений и исследований в окрестности Эльбруса». Затем вместе с астрономом Карлом Христофоровичем Кнорре, директором Николаевской обсерватории, производил геофизические наблюдения на берегу Каспийского моря.