9. К истории открытия явления электромагнитной индукции

В учебнике физики для IX класса дан краткий экскурс в историю открытия рассматриваемого закона. Обзор целесообразно дополнить. Речь идет о фундаментальном законе природы, и нужно раскрыть все его стороны в процессе становления, Рассказ о процессе поисков закона Фарадеем особенно поучит телен, и здесь не нужно жалеть времени.

Майкл Фарадей родился в 1791 г. в окрестностях Лондона в семье кузнеца. Отец не имел средств для платы за учебу, и Фарадей в 13 лет был вынужден начать изучение переплетного деля. К счастью, он попал в ученики к владельцу книжного магазина. Любознательный мальчик жадно читал, причем нелегкую литературу. Его привлекали статьи по естественным наукам в Британской энциклопедии, он штудировал "Беседы о химии" Марсе. В 1811 г. Фарадей начал посещать общедоступные лекции по физике известного лондонского педагога Тэтума.

Поворотным в жизни Фа радея был 1812 г. Клиент владельца книжного магазина, член Королевского института Дэне рекомендовал юноше прослушать лекции знаменитого химика Гэмфри Дэви. Фарадей последовал доброму совету, он жадно слушал и тщательно конспектировал. По совету того же Дэнса он обработал записи и послал их Дэви, присоединив просьбу о предоставлении возможности исследовательской работы. В 1813 г. Фарадей получил место лаборанта в химической лаборатории Королевского института, которой руководил Дэви.

Вначале Фарадей - химик. Он быстро становится на путь самостоятельного творчества, и самолюбию Дэви приходится часто страдать от успехов ученика. В 1820 г. Фарадей узнает об открытии Эрстеда, и с этих пор его мысли поглощают электричество и магнетизм. Он начинает свои знаменитые экспериментальные исследования, приведшие к преобразованию физическою мышления. В 1820 г. Фарадей был избран членом Лондонского Королевского общества, а затем назначен директором физической и химической лабораторий Королевского института. В стенах этих лабораторий были совершены величайшие открытия. Жизнь Фарадея, внешне монотонная, поразительна по творческому напряжению. О нем свидетельствует трехтомный труд "Экспериментальные исследования по электричеству", в котором отражен шаг за. шагом творческий путь ге;шя.

В 1820 г. Фарадей ставит принципиально новую проблему: "превратить магнетизм в электричество". Это было вскоре после открытия магнитного действия токов. В опыте Эрстеда электрический ток действует на магнит. Поскольку, согласно Фарадею, все силы природы взаимопревращаемы, можно, наоборот, магнитной силой возбудить электрический ток.

Фарадей ожижает газы, производит тонкие химические анализы, открывает новые химические свойства веществ. Но мысль его неотступно занята поставленной проблемой. В 1822 г. он описывает попытку обнаружить "состояние", обусловленное течением тока: "поляризовать луч света от лампы путем отражения и попытаться обнаружить, не окажет ли деполяризующее действие вода, расположенная между полюсами вольтовой батареи в стеклянном сосуде..." Фарадей надеялся таким образом получить какую-нибудь информацию о свойствах тока. Но опыт не дал ничего. Далее следует 1825 год. Фарадей публикует статью "Электромагнитный ток (под влиянием магнита)", в которой высказывает следующую мысль. Если ток действует на магнит, то он должен испытывать противодействие. "По разным соображениям, - пишет Фарадей, - было сделано предположение, что приближение полюса сильного магнита будет уменьшать электрический ток". И он описывает опыт, реализующий эту идею.

В дневнике от 28 ноября 1825 г. описан аналогичный опыт. Батарея гальванических элементов соединялась проводом. Параллельно этому проводу располагался другой (провода разделились двойным слоем бумаги), концы которого присоединялись к гальванометру. Фарадей рассуждал, по-видимому, так. Если ток ебть движение электрической жидкости и это движение действует на постоянный магнит - совокупность токов (по гипотезе Ампера), то движущаяся жидкость в одном проводнике должна заставить двигаться неподвижную - в другом, и гальванометр должен зафиксировать ток. "Разные соображения", о которых писал Фарадей при изложении первого опыта, сводились к тому же, только там ожидалась реакция движущегося в проводнике электрического флюида со стороны молекулярных токов постоянного магнита. Но опыты дали отрицательный результат,

Решение пришло в 1831 г., когда Фарадей предположил, что индукция должна возникнуть при нестационарном процессе. Это была ключевая мысль, приведшая к открытию явления электромагнитной индукции.

Возможно, что к идее изменения тока заставило обратиться сообщение, полученное из Америки. Известие пришло от американского физика Джозефа Генри (1797-1878).

В юные годы Генри не проявлял ни исключительных способностей, ни интереса к науке. Вырос он в нищете, был батраком на ферме, актером. Так же, как и Фарадей, он занимался самообразованием. Учиться начал с 16 лет в академии города Олбани. За семь месяцев он усвоил столько знаний, что получил место учителя в сельской школе. Затем Генри работал у профессора химии Бека в качестве лекционного ассистента. Работу он совмещал с учебой в академии. После окончания курса Генри был назначен инженером и инспектором на канале Эри. Через несколько месяцев он оставил эту выгодную должность, приняв приглашение на должность профессора математики и физики в Олбани. В это время английский изобретатель Вильям Стерджен (1783-1850) сообщил о своем изобретении подковообразного магнита, способного поднять стальное тело весом до четырех килограммов.

Генри увлекся электромагнетизмом. Он сразу же нашел способ увеличить подъемную силу до тонны. Достичь этого удалось новым в то время приемом: вместо изоляции тела магнита изолировался провод. Открылся способ создания многослойных обмоток. Еще в 1831 г. Генри показал возможность построения электродвигателя, изобрел электромагнитное реле, и с его помощью демонстрировал передачу электрических сигналов на расстояние, предвосхитив изобретение Морзе (телеграф Морзе появился в 1837 г.).

Подобно Фарадею Генри поставил перед собой задачу получить электрический ток с помощью магнита. Но это была постановка задачи изобретателя. И поиски направлялись голой интуицией. Открытие произошло за несколько лет до опытов Фарадея. Постановка ключевого опыта Генри изображена на рисунке 9, Здесь все так же, как показывается до сих пор. Только гальваническому эле-менту мы предпочитаем более удобный аккумулятор, а вместо крутильных весов пользуемся гальванометром. Но Генри не сообщил об этом опыте никому, "Мне следовало напечатать это раньше, - говорил он сокрушенно своим друзьям. - Но у меня было так мало времени! Хотелось свести полученные результаты в какую-то систему" (курсив мой.-В. Д.). И отсутствие регулярного образования и еще более - утилитарно - изобретательский дух американской науки сыграли плохую роль. Генри, конечно, не понял и не почувствовал глубины и важности нового открытия. В противном случае он, конечно, оповестил бы ученый мир о величайшем факте. Умолчав об индукционных опытах, Генри сразу же послал сообщение, когда ему удалось поднять электромагнитом целую тонну.

Рис. 9. Опыт Генри

Именно это сообщение и получил Фарадей. Возможно, оно послужило последним звеном в цепи умозаключений, приведших к ключевой идее. В опыте 1825 г. два провода отделялись бумагой. Индукция должна была быть, но не обнаруживалась вследствие слабости эффекта. Генри показал, что в электромагните эффект резко усиливается при применении многослойной обмотки. Следовательно, индукция должна возрасти, если индуктивное действие будет передаваться по большой длине. В самом деле, магнит - собрание токов. Возбуждение намагничивания в стальном стержне при пропускании тока по обмотке есть индукция тока током. Она усиливается, если путь тока по обмотке становится длиннее.

Такова возможная цепь логических умозаключений Фарадея. Вот полное описание первого успешного опыта: "Двести три фута медной проволоки в одном куске были намотаны на большой деревянный барабан; другие двести три фута такой же Проволоки были проложены в виде спирали между витками первой обмотки, причем металлический контакт был везде устранен посредством шнурка. Одна из этих спиралей была соединена с гальванометром, а другая - с хорошо заряженной батареей из ста пар пластин в четыре квадратных дюйма с двойными медными пластинками. При замыкании контакта наблюдалось внезапное, но очень слабое действие на гальванометр, и подобное же слабое действие имело место при размыкании контакта с батареей".

Таков был первый опыт, давший положительный результат после десятилетних поисков. Фарадей устанавливает, что при замыкании и размыкании возникают индукционные токи противоположных направлений. Далее он переходит к изучению влияния железа на индукцию.

"Из круглого брускового мягкого железа было сварено кольцо; толщина металла была равна семи-восьми дюймам, а наружный диаметр кольца - шести дюймам. На одну часть этого кольца было намотано три спирали, каждая из которых содержала около двадцати четырех футов медной проволоки толщиной в одну двадцатую дюйма. Спирали были изолированы от железа и друг от друга и наложены одна на другую... Ими можно было пользоваться по отдельности и в соединении; эта группа обозначена буквой А (рис. 10). На другую часть кольца было намотано таким же способом около шестидесяти футов такой же медной проволоки в двух кусках, образовавших спираль В, которая имела одинаковое направление со спиралями А, но была отделена от них на каждом конце на протяжении примерно полудюйма голым железом.

Рис. 10. Опыт Фарадея

Спираль В соединялась медными проводами с гальванометром, помещенным на расстоянии трех футов от кольца. Отдельные спирали А соединялись конец с концом так, что образовали общую спираль, концы которой были соединены с батареей из десяти пар пластин в четыре квадратных дюйма. Гальванометр реагировал немедленно, притом значительно сильнее, чем это наблюдалось выше, при пользовании в десять раз более мощной спиралью без железа".

Наконец, Фарадей производит опыт, с которого до сих пор обычно начинают изложение вопроса об электромагнитной индукции. Это было точное повторение опыта Генри, изображенного на рисунке 9.

Задача, поставленная Фарадеем в 1820 т., была решена: магнетизм был превращен в электричество.

Вначале Фарадей различает индукцию тока от тока (ее он называет "вольта-электрическая индукция" и тока от магнита ("магнито-электрическая индукция"). Но затем он показывает, что все случаи подчиняются одной общей закономерности.

Закон электромагнитной индукции охватил и другую группу явлений, которая получила впоследствии название явлений самоиндукции. Фарадей назвал новое явление так: "Индуктивное влияние электрического тока на самого себя".

Вопрос этот возник в связи со следующим фактом, сообщенным Фарадею в 1834 г. Дженкиным. Факт этот заключался в следующем. Две пластины гальванической батареи соединяются проволокой небольшой длины. При этом никакими ухищрениями экспериментатору не удается получить от этой проволоки электрического удара. Но если взять вместо проволоки обмотку электромагнита, то всякий раз при размыкании цепи ощущается удар. Фарадей писал: "Одновременно наблюдается другое, давно известное ученым явление, а именно: в месте разъединения проскакивает яркая электрическая искра" (курсив мой.- В. Д.).

Фарадей начал обследование этих фактов и вскоре открыл ряд новых сторон явления. Ему понадобилось немного времени, чтобы установить "тождественность явлений с явлениями индукции". Опыты, которые до сих пор демонстрируются и в средней, ив высшей школе при объяснении явления самоиндукции, были поставлены Фарадеем в 1834 г.

Независимо аналогичные опыты были поставлены Дж. Генри, однако, как и опыты по индукции, они своевременно не были опубликованы. Причина та же: Генри не нашел физической концепции, охватывающей разнообразные по форме явления.

Для Фарадея самоиндукция была фактом, осветившим дальнейший путь поисков. Обобщая наблюдения, он приходит, к заключениям большого принципиального значения. "Не подлежит сомнению, что ток в одной части провода может действовать путем индукции на другие части того же самого провода, находящиеся рядом... Именно это и создает впечатление, что ток действует на самого себя".

Не зная природы тока, Фарадей тем не менее точно указывает на суть дела: "Когда ток действует путем индукции на рядом с ним расположенное проводящее вещество, то, вероятно, он действует на имеющееся в этом проводящем веществе электричество, - все равно, находится ли последнее в состоянии тока или же оно неподвижно; в первом случае он усиливает или ослабляет ток, смотря по его направлению во втором - создает ток".

Математическое выражение закона электромагнитной индукции дал в 1873 г. Максвелл (см. раздел 1. К истории понятия электромагнитного поля, настоящего издания) в "Трактате по электричеству и магнетизму". Только после этого он стал основой количественных расчетов. Так что закон электромагнитной индукции следует называть законом Фарадея-Максвелла.

Методические замечания. Известно, что возбуждение индукционного тока в проводнике, движущемся в постоянном магнитном поле, и в неподвижном проводнике, который находится в переменном магнитном поле, подчиняется одному и тому же закону Для Фарадея и Максвелла это было очевидно, поскольку они представляли себе линии магнитной индукции как реальные образования в эфире. При включении и выключении тока или изменениях силы тока вокруг проводников, составляющих цепь, линии магнитной индукции перемещаются. При этом они пересекают саму цепь, обусловливая явление самоиндукции. Если около цепи с изменяющимся током находится какой-либо проводник, то линии магнитной индукции, пересекая его, возбуждают ЭДС электромагнитной индукции.

Материализация силовых линий электрического поля и линий магнитной индукции стали достоянием истории. Однако было бы ошибочно придавать силовым линиям лишь формальный характер. Современная физика считает, что силовая линия электрического поля и линия магнитной индукции - это геометрическое место точек, в которых данное поле имеет состояние, отличное от состояния в других точках. Это состояние определяется значениями векторов и в этих точках. При изменениях поля векторы и изменяются, соответственно изменяется конфигурация силовых линий. Состояние поля может перемещаться в пространстве со скоростью света. Если проводник находится в поле, состояние которого изменяется, в проводнике возбуждается ЭДС.

Случай, когда поле постоянно, а проводник перемещается в этом поле, не описывается теорией Максвелла. Впервые на это обратил внимание Эйнштейн. Его основополагающая работа "К электродинамике движущихся тел" как раз и начинается с обсуждения недостаточности теории Максвелла в этом пункте. Явление возбуждения ЭДС в проводнике, движущемся в постоянном магнитном поле, может быть включено в рамки теории электромагнитного поля, если ее дополнить принципом относительности и принципом постоянства скорости света.