Открытие электромагнитной индукции

Новый период в развитии физической науки начинается с гениального открытия Фарадеем электромагнитной индукции. Именно в этом открытии ярко проявилась способность науки обогащать технику новыми идеями. Уже сам Фарадей предвидел на основе своего открытия существование электромагнитных волн. 12 марта 1832 г. он запечатал конверт с надписью "Новые воззрения, подлежащие в настоящее время хранению в запечатанном конверте в архивах Королевского общества". Этот конверт был вскрыт в 1938 г. Оказалось, что Фарадей вполне ясно представлял, что индукционные действия распространяются с конечной скоростью волновым способом. "Я считаю возможным применить теорию колебаний к распространению электрической индукции",- писал Фарадей. При этом он указывал, что "на распространение магнитного воздействия требуется время, т. е. при воздействии магнита на другой отдаленный магнит или кусок железа влияющая причина (которую я позволю себе назвать магнетизмом) распространяется от магнитных тел постепенно и для своего распространения требует определенного времени, которое, очевидно, окажется весьма незначительным. Я полагаю также, что электрическая индукция распространяется точно таким же образом. Я полагаю, что распространение магнитных сил от магнитного полюса похоже на колебание взволнованной водной поверхности или же на звуковые колебания частиц воздуха".

Фарадей понимал всю важность своей идеи и, не имея возможности проверить ее экспериментально, решил с помощью этого конверта "закрепить открытие за собой и, таким образом, иметь право, в случае экспериментального подтверждения, объявить эту дату датой своего открытия". Итак, 12 марта 1832 г. человечество впервые пришло к идее существования электромагнитных волн. С этой даты начинается история открытия радио.

Но открытие Фарадея имело важное значение не только в истории техники. Оно оказало огромное влияние и на развитие научного миропонимания. С этого открытия в физику входит новый объект - физическое поле. Таким образом, открытие Фарадея принадлежит к тем фундаментальным научным открытиям, которые оставляют заметный след во всей истории человеческой культуры.

Майкл Фарадей

Сын лондонского кузнеца переплетчик Майкл Фарадей родился в Лондоне 22 сентября 1791 г. Гениальный самоучка не имел возможности даже закончить начальную школу и проложил путь в науку сам. Во время учения переплетному делу он читал книги, в особенности по химии, сам проделывал химические опыты. Слушая публичные лекции знаменитого химика Дэви, он окончательно убедился в том, что его призвание - наука, и обратился к нему с просьбой принять на работу в Королевский институт. С 1813 г., когда Фарадей был принят в институт лаборантом, и до самой смерти (25 августа 1867 г.) он жил наукой. Уже в 1821 г., когда Фарадей получил электромагнитное вращение, он поставил своей целью "превратить магнетизм в электричество". Десять лет поисков и напряженного труда увенчались открытием 29 августа 1871 г. электромагнитной индукции.

"Двести три фута медной проволоки в одном куске были намотаны на большой деревянный барабан; другие двести три фута такой же проволоки были изолированы в виде спирали между витками первой обмотки, причем металлический контакт был 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 пластинами. При замыкании контакта наблюдалось временное, но очень слабое действие на гальванометр, и подобное же слабое действие имело место при размыкании контакта с батареей". Так описал Фарадей свои первый опыт по индукции токов. Он назвал этот вид индукции вольта-электрической индукцией. Далее он описывает свой основной опыт с железным кольцом - прототипом современного трансформатора.

"Из круглого брускового мягкого железа было сварено кольцо; толщина металла была равна семи восьмым дюйма, а наружный диаметр кольца - шести дюймам. На одну часть этого кольца были намотаны три спирали содержащие каждая около двадцати четырех футов медной проволоки, толщиной в одну двадцатую дюйма. Спирали были изолированы от железа и друг от друга..., занимая приблизительно девять дюймов по длине кольца Ими можно было пользоваться по отдельности и в соединении; эта группа обозначена буквой А. На другую часть кольца было намотано таким же способом около шестидесяти футов такой же медной проволоки в двух кусках, которая образовывала спираль В, имевшую одинаковое направление со спиралями А, но отделенную от них на каждом конце на протяжении приблизительно полудюйма голым железом.

Спираль В соединялась медными проводами с гальванометром, помещенном на расстоянии трех футов от железа. Отдельные спирали соединялись концы с концами так, что образовывали общую спираль, концы которой соединялись с батареей из десяти пар пластин в четыре квадратных дюйма. Гальванометр реагировал немедленно, и притом значительно сильнее чем это наблюдалось, как описано выше, при пользовании в десять раз более мощной спиралью, но без железа; однако, несмотря на сохранение контакта, действие прекращалось. При размыкании контакта с батареей стрелка снова сильно отклонялась, но в направлении, противоположном тому, которое индуцировалось в первом случае".

Фарадей исследовал далее непосредственным опытом влияние железа, внося внутрь полой катушки железный стержень, в этом случае "индуцированный ток оказывал на гальванометр очень сильное действие". "Подобное действие было затем получено при помощи обыкновенных магнитов". Фарадей назвал это действие магнитоэлектрической индукцией, полагая, что природа вольта-электрической и магнитоэлектрической индукции одинакова.

Все описанные опыты составляют содержание первого и второго разделов классического труда Фарадея "Экспериментальные исследования по электричеству", начатого 24 ноября 1831 г. В третьем разделе этой серии "О новом электрическом состоянии материи" Фарадей впервые пытается описать новые свойства тел, проявляемые в электромагнитной индукции. Он называет это обнаруженное им свойство "электротоническим состоянием". Это первый зародыш идеи поля, сформировавшейся позднее у Фарадея и впервые точно сформулированной Максвеллом. Четвертый раздел первой серии посвящен объяснению явления Араго. Фарадей правильно причисляет это явление к индукционным и пытается с помощью этого явления "получить новый источник электричества". При движении медного диска между полюсами магнита он получил ток в гальванометре при помощи скользящих контактов. Это была первая динамомашина. Фарадей резюмирует результаты своих опытов следующими словами: "Этим было показано, таким образом, что можно создать постоянный ток электричества при помощи обыкновенного магнита". Из своих опытов по индукции в движущихся проводниках Фарадей вывел зависимость между полюсностью магнита, движущимся проводником и направлением индуцированного тока, т. е. "закон, управляющий получением электричества посредством магнитоэлектрической индукции". В результате своих исследований Фарадей установил, что "способность индуцировать токи проявляется по окружности вокруг магнитной равнодействующей или силовой оси точно так, как расположенный по окружности магнетизм возникает вокруг электрического тока и им обнаруживается"^*.

^* (М. Фарадей, Экспериментальные исследования по электричеству, т. I, Изд. АН СССР, 1947, стр. 57.)

Другими словами, вокруг переменного магнитного потока возникает вихревое электрическое поле, подобно тому как вокруг электрического тока возникает вихревое магнитное поле. Этот фундаментальный факт был обобщен Максвеллом в виде его двух уравнений электромагнитного поля.

Изучению явлений электромагнитной индукции, в особенности индукционного действия магнитного поля Земли, посвящена также вторая серия "Исследований", начатая 12 января 1832 г. Третью серию, начатую 10 января 1833 г., Фарадей посвящает доказательству тождества различных видов электричества: электростатического, гальванического, животного, магнитоэлектрического (т. е. получаемого посредством электромагнитной индукции). Фарадей приходит к выводу, что электричество, получаемое различными способами, качественно одинаково, разница в действиях только количественная. Этим был нанесен последний удар концепции различных "флюидов" смоляного и стеклянного электричества, гальванизма, животного электричества. Электричество оказалось единой, но полярной сущностью.

Весьма важна пятая серия "Исследований" Фарадея, начатая 18 июня 1833 г. Здесь Фарадей начинает свои исследования электролиза, приведшие его к установлению знаменитых законов, носящих его имя. Исследования эти были продолжены в седьмой серии, начатой 9 января 1834 г. В этой последней серии Фарадей предлагает новую терминологию: полюса, подводящие ток в электролит, он предлагает называть электродами, положительный электрод называть анодом, а отрицательный - катодом, частицы отлагаемого вещества, идущие к аноду он называет анионами, а частицы, идущие к катоду,- катионами. Далее, ему принадлежат термины электролит для разлагаемых веществ, ионы и электрохимические эквиваленты. Все эти термины прочно удержались в науке. Фарадей делает правильный вывод из найденных им законов, что можно говорить о каком-то абсолютном количестве электричества, связанном с атомами обычной материи. "Хотя мы ничего не знаем о том, что такое атом,- пишет Фарадей,- но мы невольно представляем себе какую-то малую частичку, которая является нашему уму, когда мы о ней думаем; правда, в таком же или в еще большем неведении мы находимся относительно электричества, мы даже не в состоянии сказать, представляет ли оно собою особую материю или материи, или же просто движение обыкновенного вещества, или еще вид какой-то силы или агента; тем не менее имеется огромное количество фактов, заставляющих нас думать, что атомы материи каким-то образом одарены электрическими силами или связаны с ними и им они обязаны своими наиболее замечательными качествами, а в том числе своим химическим сродством друг к другу"^*.

^* (М. Фарадей, Экспериментальные исследования по электричеству, т. I, Изд. АН СССР, 1947, стр. 335.)

Таким образом, Фарадей отчетливо высказал идею "электрификации" материи, атомного строения электричества, причем атом электричества, или, как выражается Фарадей, "абсолютное количество электричества", оказывается "столь же определенным по своему действию, как любое из тех количеств, которые, оставаясь связанными с частицами материи, сообщают им их химическое сродство". Элементарный электрический заряд, как показало дальнейшее развитие физики, действительно может быть определен из законов Фарадея.

Весьма важное значение имела девятая серия "Исследований" Фарадея. В этой серии, начатой 18 декабря 1834 г., шла речь о явлениях самоиндукции, об экстратоках замыкания и размыкания. Фарадей указывает при описании этих явлений, что хотя им присущи черты инерции, однако от механической инерции явление самоиндукции отличает тот факт, что они зависят от формы проводника. Фарадей отмечает, что "экстраток тождествен с... индуцированным током"^*. В результате у Фарадея сложилось представление о весьма широком значении процесса индукции. В одиннадцатой серии своих исследований, начатой 30 ноября 1837 г., он утверждает: "Индукция играет самую общую роль во всех электрических явлениях, участвуя, по-видимому, в каждом из них, и носит в действительности черты первейшего и существенного начала"^**. В частности, по мнению Фарадея, всякий процесс зарядки есть процесс индукции, смещения противоположных зарядов: "вещества не могут быть заряжены абсолютно, а только относительно, по закону, тождественному с индукцией. Всякий заряд поддерживается индукцией. Все явления напряжения включают начало индукций"^***. Смысл этих утверждений Фарадея тот, что всякое электрическое поле ("явление напряжения" - по терминологии Фарадея) обязательно сопровождается индукционным процессом в среде ("смещением" - по позднейшей терминологии Максвелла). Этот процесс определяется свойствами среды, ее "индуктивной способностью", по терминологии Фарадея, или "диэлектрической проницаемостью", по современной терминологии. Фарадей опытом со сферическим конденсатором определил диэлектрическую проницаемость ряда веществ по отношению к воздуху. Эти эксперименты укрепили Фарадея в мысли о существенной роли среды в электромагнитных процессах.

^* (М. Фарадей, Экспериментальные исследования по электричеству, т. I, Изд. АН СССР, 1947, стр. 445.)

^** (М. Фарадей, Экспериментальные исследования по электричеству, т. I, Изд. АН СССР, 1947, стр. 478.)

^*** (М. Фарадей, Экспериментальные исследования по электричеству, т. I, Изд. АН СССР, 1947, стр. 487.)

Эмилий Христианович Ленц

Закон электромагнитной индукции был существенно развит русским физиком Петербургской Академии Эмилием Христиановичем Ленцем (1804-1865). 29 ноября 1833 г. Ленц доложил Академии наук свое исследование "Об определении направления гальванических токов, возбуждаемых электродинамической индукцией". Ленц показал, что магнитоэлектрическая индукция Фарадея теснейшим образом связана с электромагнитными силами Ампера. "Положение, посредством которого магнитоэлектрическое явление сводится к электромагнитному, заключается в следующем: 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"^*.

^* (Э. X. Ленц, Избранные труды, Изд. АН СССР, 1950, стр. 148-149.)

Этот принцип Ленца раскрывает энергетику индукционных процессов и сыграл важную роль в работах Гельмгольца по установлению закона сохранения энергии. Сам Ленц из своего правила вывел хорошо известный в электротехнике принцип обратимости электромагнитных машин: если вращать катушку между полюсами магнита, она генерирует ток; наоборот, если в нее послать ток, она будет вращаться. Электродвигатель можно обратить в генератор и наоборот. Изучая действие магнитоэлектрических машин, Ленц открывает в 1847 г. реакцию якоря.

В 1842-1843 гг. Ленц произвел классическое исследование "О законах выделения тепла гальваническим током" (доложено 2 декабря 1842 г., опубликовано в 1843 г.), начатое им задолго до аналогичных опытов Джоуля (сообщение Джоуля появилось в октябре 1841 г.) и продолженное им несмотря на публикацию Джоуля, "так как опыты последнего могут встретить некоторые обоснованные возражения, как это было уже показано нашим коллегой г-ном акад. Гессом"^*. Ленц измеряет величину тока с помощью тангенс-буссоли - прибора, изобретенного гельсингфорским профессором Иоганном Нервандером (1805-1848), и в первой части своего сообщения исследует этот прибор. Во второй части "Выделение тепла в проволоках", доложенной 11 августа 1843 г., он приходит к своему знаменитому закону:

^* (Э. X. Ленц, Избранные труды, Изд. АН СССР, 1950, стр. 361.)

^** (Э. X. Ленц, Избранные труды, Изд. АН СССР, 1950, стр. 441.)

Закон Джоуля - Ленца сыграл важную роль в установлении закона сохранения энергии. Все развитие науки об электрических и магнитных явлениях подводило к идее единства сил природы, к идее сохранения этих "сил".

Почти одновременно с Фарадеем электромагнитную индукцию наблюдал американский физик Джозеф Генри (1797-1878). Генри изготовил большой электромагнит (1828), который, питаясь от гальванического элемента с малым сопротивлением, поддерживал груз в 2000 фунтов. Об этом электромагните упоминает Фарадей и указывает, что с его помощью можно при размыкании получить сильную искру.

Генри впервые (1832) наблюдал явление самоиндукции, и его приоритет отмечен наименованием единицы самоиндукции "генри".

В 1842 г. Генри установил колебательный характер разряда лейденской банки. Тонкая стеклянная игла, с помощью которой он исследовал это явление, намагничивалась с различной полярностью, тогда как направление разряда оставалось неизменным. "Разряд, какова бы ни была его природа,- заключает Генри,- не представляется (пользуясь теорией Франклина.- П. К.) единичным переносом невесомого флюида с одной обкладки на другую; обнаруженное явление заставляет нас допустить существование главного разряда в одном направлении, а затем несколько странных действий назад и вперед, каждое из которых является более слабым, чем предыдущее, продолжающееся до тех пор, пока не наступит равновесие".

Индукционные явления становятся ведущей темой в физических исследованиях. В 1845 г. немецкий физик Франц Нейман (1798-1895) дал математическое выражение закона индукции, обобщив исследования Фарадея и Ленца.

Электродвижущая сила индукции выражалась у Неймана в виде производной по времени от некоторой функции, индуцирующей ток, и взаимной конфигурации взаимодействующих токов. Эту функцию Нейман назвал электродинамическим потенциалом. Он нашел также выражение для коэффициента взаимной индукции. В своем сочинении "О сохранении силы" в 1847 г. Гельмгольц выводит неймановское выражение для закона электромагнитной индукции из энергетических соображений. В этом же сочинении Гельмгольц утверждает, что разряд конденсатора представляет собой "не... простое движение электричества в одном направлении, но ... течение его то в одну, то в другую сторону между двух обкладок в виде колебаний, которые делаются все меньше и меньше, пока, наконец, вся живая сила не будет уничтожена суммою сопротивлений".

В 1853 г. Уильям Томсон (1824-1907) дал математическую теорию колебательного разряда конденсатора и установил зависимость периода колебаний от параметров колебательного контура (формула Томсона).

В 1858 г. П. Блазерна (1836-1918) снял экспериментально резонансную кривую электрических колебаний, изучая действие индуцирующего разрядкой контура, содержащего батарею конденсаторов и замыкающий проводники на побочный контур, с переменной длиной индуцируемого проводника. В том же 1858 г. Вильгельм Феддерсен (1832-1918) наблюдал искровой разряд лейденской банки во вращающемся зеркале, а в 1862 г. он сфотографировал изображение искрового разряда во вращающемся зеркале. Тем самым колебательный характер разряда был установлен с полной очевидностью. Вместе с тем экспериментально была проверена формула Томсона. Так шаг за шагом создавалось учение об электрических колебаниях, составляющее научный фундамент электротехники переменных токов и радиотехники.