Рассказы об электричестве

Электрический взрыватель мин конструкции Якоби.

Джон Тиндаль, многие годы друживший с Фарадеем, писал о качествах характера ученого: «Самым выдающимся из них была любовь к порядку. Самые запутанные и сложные вещи в его руках располагались гармонически. Кроме того, в прилежании к труду он выказывал немецкое упорство. Это была порывистая натура, но каждый импульс давал силу, не позволявшую ни шагу отступить назад. Если в минуты увлечения он решался на что-нибудь, то этому решению оставался верен и в минуты спокойствия». Наверное, потому, поставив однажды перед собой задачу «превратить магнетизм в электричество», он девять лет спустя все-таки ее решил.

В то утро 29 августа 1831 года он, как и раньше, включил батарею в приготовленную Андерсоном катушку и зафиксировал толчок, который испытала стрелка гальванометра, включенного во вторичную обмотку. Толчок — и стрелка на нуле. При выключении то же самое, только стрелка отклонялась в другую сторону. В чем тут дело?

Вместе с Андерсоном он тщательно проверил установку. Но никаких причин для странного поведения стрелки не обнаружил. Тогда он решил изменить условия опыта. Заменил батарею заряженной лейденской банкой. А обмотки Андерсон намотал на кольцо из мягкого железа. При наличии железного сердечника толчки стрелки стали гораздо сильнее. Фарадей снова и снова изменяет условия экспериментов и постепенно приходит к определенному выводу. Причина наведения — индукции — тока во вторичной обмотке заключается в движении магнита. Именно в движении! Он бросается к дневнику: «Электрическая волна возникает только при движении магнита, а не в силу свойств, присущих ему в покое».

Это было решение! Решение задачи, поставленной без малого десять лет тому назад. Андерсон с неодобрением смотрит, как его сорокалетний шеф — вы подумайте, такой солидный человек! — пляшет в лаборатории нечто напоминающее зажигательную ирландскую джигу.

Железное кольцо с двумя обмотками явилось прообразом будущих трансформаторов, без которых электрификация нашей эпохи вряд ли была бы вообще возможна. Впрочем, мы еще встретимся с этой проблемой.

Рождение генератора

Фарадей прекрасно понимал значение сделанного им открытия. Он заключил, что когда постоянный ток проходит по первичной обмотке, сама она, как и вторичная обмотка, приходит в особое «электротоническое» состояние. По-видимому, думал он, это есть «состояние напряжения и может быть рассматриваемо как эквивалентное току электричества, по крайней мере равное тому току, который получается, когда это состояние индуцируется или прекращается…».

Не удивляйтесь туманности и некоторой неловкости формулировок, помните, что не только еще не было терминологии, но и сам эффект, наблюдаемый ученым, был вовсе не так ясен, как сейчас.

Идея электростатического увлечения зарядов в соседнем проводнике была во времена Фарадея чрезвычайно распространена среди физиков. Ведь и Ампер в 1822 году пришел к ошибочному выводу, что «ток электричества стремится возбудить в проводниках, около которых он проходит, ток электричества одного с ним направления».

Девять лет спустя Фарадей на опыте убедился, что возбужденные токи имеют противоположное направление первичным. И к тому же возникают в виде импульса, короткого броска… Ах, сколько мучений доставили Майклу Фарадею попытки сформулировать общее правило для направления индуцированных токов. Он публикует два правила: 1) гальванический ток вызывает в приближаемой к нему параллельной проволоке ток противоположного направления, а в удаляемой — ток того же направления; 2) магнит вызывает в перемещающемся возле него проводнике ток, зависящий от направления, в котором проводник в своем движении пересекает магнитные линии.

Год спустя молодой профессор Петербургского университета Э. X. Ленц заметил, что Фарадей дал два правила для одного и того же явления. «Сейчас же по прочтении статьи Фарадея, — писал он, — я пришел к мысли, что все опыты по электродинамической индукции могут быть легко сведены к законам электродинамических движений, так что если эти последние считать известными, то этим самым будут определены и первые… Мое представление оправдалось на ряде опытов».

И дальше Ленц формулирует свое правило: «Если металлический проводник движется поблизости от гальванического тока или магнита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направления, что если бы данный проводник был неподвижным, то ток мог бы обусловить его перемещение в противоположную сторону; при этом предполагается, что покоящийся проводник может перемещаться только в направлении движения или в противоположном направлении».

Сегодня это замечательное правило, сыгравшее огромную роль в истории электричества, формулируется проще: «Индукционный ток имеет такое направление, что его магнитное поле препятствует изменению того магнитного поля, которое вызвало появление индукционного тока».

Между тем Фарадей форсирует работу в лаборатории. Его эксперименты становятся удачнее и яснее. Он вспоминает загадочный опыт Араго, показанный в 1824 году, и глубоко задумывается… «Если вращать медный диск вблизи магнитной стрелки или магнита, подвешенного таким образом, что он может вращаться в плоскости, параллельной плоскости диска, то магнит стремится следовать движениям диска; при вращении магнита диск следует за его движением».

Эмилий Христианович Ленц (1804–1865)

Записывая эти строчки в журнал своих «экспериментальных исследований», Фарадей уже прикидывал, какой практический выход может из него следовать. «Получив электричество из магнита вышеописанным образом, я полагал, — пишет он дальше, — что опыт г-на Араго может стать источником получения электричества, и надеялся, что путем использования электрической индукции земного магнетизма мне удастся сконструировать новую электрическую машину…»

Воодушевленный этим намерением, он вместе с Андерсоном устанавливает между полюсами большого магнита Королевского общества вращающийся медный диск. Соединяет два скользящих контакта с гальванометром и велит отставному сержанту крутить ручку, заставляющую диск вращаться. Гальванометр показывает наличие электрического тока. Фарадей счастлив. Так был создан прообраз первого в мире электрического генератора.

Описанное десятилетие с 1820 по 1831 год было весьма урожайным в физике. На ученых буквально обрушился поток самых разнообразных электромагнитных явлений, открытых экспериментаторами. Нужно было осмыслить их теоретически, привести в порядок и «разложить по полочкам». Первым, как я уже говорил, за это принялся Ампер. Но его теория появилась до открытия электромагнитной индукции. Затем в 1845 году немецкий физик Франц Нейман теоретически обобщил результаты опытных работ Фарадея и Ленца. А другой ученый, Густав Теодор Фехнер — физик, физиолог и философ, — попытался распространить на явление электромагнитной индукции теорию Ампера. Третью попытку построить теорию электричества и электромагнетизма в том же 1845 году предпринял профессор Лейпцигского университета Вильгельм Эдуард Вебер. Все они старались создать математический фундамент теории электромагнитных взаимодействий.

Фарадей же, который не знал математики, со своей стороны, старался построить качественную физическую картину всех наблюдаемых им явлений. «Примененный Фарадеем в его исследованиях метод состоял в постоянном обращении к эксперименту в качестве средства проверки правильности его идей и к постоянному развитию идей под прямым влиянием эксперимента» — так писал Максвелл в своем «Трактате об электричестве и магнетизме».

Фарадей всегда подчеркивал, что он высказывается только как экспериментатор. Его теоретические выводы сильно отличались от формализованных теорий Неймана и Фехнера, Вебера и других теоретиков, и многие ученые, как правило, игнорировали их. Научный мир с изумлением воспринимал его сообщения о новых экспериментальных открытиях, но относился скептически, чтобы не сказать саркастически к его теоретическим взглядам. Они считались как бы некоторым хобби виртуозного экспериментатора. А зря, потому что в дальнейшем именно качественные идеи Фарадея восторжествовали над всеми математическими теориями.

Правда, для этого они должны были также быть облечены в строгую математическую форму. И это сделал Джемс Клерк Максвелл в шестидесятых годах прошлого века сначала в статьях, а потом в капитальном труде под названием «Трактат об электричестве и магнетизме», вышедшем в свет в 1873 году.

Первая же статья Максвелла «О фарадеевских силовых линиях» была им написана еще студентом Кембриджского университета и доложена Кембриджскому философскому обществу в 1855 году. Автору шел тогда всего двадцать четвертый год… Но уже тогда он писал: «Современное состояние учения об электричестве представляется особенно неблагоприятным для теоретической разработки. Законы распределения электричества по поверхности проводников были выведены из опытов. В некоторых своих частях математическая теория магнетизма была установлена, между тем как в других — недостает опытных данных… Современная теория электричества и магнетизма, охватывающая все относящиеся сюда явления… должна строго удовлетворять законам, математическое выражение которых уже известно, и, кроме того, давать способы вычисления явлений в тех предельных условиях, когда известные формулы неприменимы».