Великое открытие

С самого момента открытия Эрстедом влияния электрического тока на магнитную стрелку исследователей стала преследовать мысль: "А нельзя ли решить и обратную задачу: превратить магнетизм в электричество?" Во Франции над этой задачей ломали голову Ампер и Араго, в Швейцарии - профессор механики Женевской Академии Жан Даниель Колладон, в Америке - молодой физик Джозеф Генри, известный как создатель одного из самых сильных электромагнитов в мире. В Англии над этой же проблемой бился Фарадей.

Ампер первым предположил, а потом и доказал, что вокруг проводника с током образуется магнитное поле. Так он объяснил причину эффекта, обнаруженного Эрстедом. Исследователи сразу подумали: если постоянный ток в проводнике наводит постоянное магнитное поле, то почему бы постоянному магнитному полю обыкновенного подковообразного магнита не навести в рядом лежащем проводнике постоянный ток? Надо только найти правильное расположение того и другого и подобрать достаточно сильный магнит...

Сегодня, пожалуй, каждый знает, что, будь это именно так, мы получили бы вечный двигатель, работающий без потребления энергии. А это абсурдно. Из ничего ничего и не бывает. Но это знаем мы с вами сто пятьдесят лет спустя. А тогда закон сохранения энергии казался не столь уж безоговорочным.

Установить в наши дни, кто первым заметил эффект наведения тока в проводнике магнитным полем, довольно трудно. Рассказывают, что Колладон, намотав две обмотки на один каркас и включив во вторую гальванометр, заметил, что стрелка прибора странно дергается при включении в первичную обмотку электрической батареи. "Может быть, что-то трясет прибор?" - подумал Колладон. Он не зря считался искушенным экспериментатором. Швейцарский профессор отнес гальванометр в другую комнату. Теперь, замкнув рубильник, он вынужден был ходить из одного помещения в другое. И когда добирался до прибора, стрелка того всегда стояла на нуле.

Некоторые историки уверяют, что первым, кто заметил, как при движении магнита возле проводника в проволоке появляется электрический ток, был Джозеф Генри. Он даже собирался написать об этом явлении статью. Да все откладывал. Дело в том, что как раз в это время Генри вел переговоры с Принстонским колледжем, где собирался занять место профессора физики, и упустил время. В Америку пришел журнал со статьей Фарадея.

Майкл Фарадей был не только веселым и жизнерадостным человеком. Он поражал окружающих своей аккуратностью. Результаты каждого опыта он подробно записывал в дневник. Еще в 1822 году в его дневнике появилась фраза: "Превратить магнетизм в электричество". С тех пор Фарадей не раз возвращался к этой мысли. Очевидно, он знал, что проблемой интересуются и другие экспериментаторы, и потому с 1831 года работал как одержимый. Каждое утро в одно и то же время он являлся в лабораторию. Его ассистент Андерсон спрашивал: "Будем ли мы сегодня работать, мистер Фарадей?"- и, получив неизменно утвердительный ответ, отправлялся готовить инструменты и приборы.

Он был занятным человеком, этот отставной сержант артиллерии Андерсон. Не раз, ухмыляясь, заявлял во

всеуслышание, что во время Фарадеевых лекций всю работу делает он, Андерсон, Фарадей же калякает... И тем не менее профессор Фарадей относился к своему помощнику с неизменным уважением: "Он помогал мне во всех опытах, которые я делал, и я ему много обязан и благодарен за его заботливость, невозмутимость, пунктуальность и добросовестность, с которыми он выполнял все возложенные на него поручения". Почти сорок лет Андерсон был помощником ученого, его товарищем, коллегой, а временами - заботливой "нянькой" и строгой "матушкой-наставницей".

Очень вспыльчивый по натуре, Фарадей умел быстро овладевать собой и легко укрощал свой характер. Известный физик 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 упрямство. 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 перед собой задачу о "превращении магнетизма в электричество", он девять лет спустя все-таки решил ее.

В то утро 29 августа 1831 года Фарадей, как и раньше, включил батарею в приготовленную Андерсоном катушку и зафиксировал толчок, который испытала стрелка гальванометра, включенного во вторичную обмотку. Толчок - и снова стрелка на нуле. При выключении то же самое. Только теперь стрелка отклоняется при толчке 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. Фарадей убеждается в том, что при наличии железного сердеч-ника толчки стрелки гораздо сильнее. Он снова и снова изменяет условия экспериментов и постепенно приходит к определенному выводу.

17 октября 1831 года он записывает в дневнике: "Я взял цилиндрический магнитный брусок (3/4 дюйма в диаметре и 8 и 1/4 дюйма длиной) и ввел один его конец внутрь спирали из медной проволоки (220 футов длиной), соединенной с гальванометром. Потом я быстрым движением втолкнул магнит внутрь спирали на всю его длину, и стрелка гальванометра испытала толчок. Затем я так же быстро вытащил магнит из спирали, и стрелка опять качнулась, но в противоположную сторону. Эти качания стрелки повторялись всякий раз, как магнит вталкивался или выталкивался".

Теперь Фарадей начинал понимать механизм обнаруженного явления. Понятными становились и многолетние неудачи в попытках получения тока от неподвижного магнита. 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 решение! Полное решение задачи, поставленной 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 в нашу эпоху вряд ли была бы возможна. Давайте забежим немного вперед и поясним значение этого изобретения.

Обычно на мощных электростанциях переменный ток вырабатывается при напряжении не более 22 тысяч вольт. Но для передачи на большие расстояния такое напряжение недостаточно, потому что, чем оно выше, тем меньше потери в проводах линии электропередач. Значит, напряжение нужно повысить. Это и осуществляется с помощью трансформаторов.

Однако потребители электрической энергии могут пользоваться ею только при пониженном напряжении. Это связано и с трудностями изоляции, и с безопасностью людей. После ЛЭП нужны снова трансформаторы, только теперь не повышающие, как на выходе с электростанции, а наоборот, понижающие. С их помощью напряжение электрического тока преобразуется в обычные для нас 127, 220 и 380 вольт.

Напав на верный след, Фарадей форсирует работу. Его эксперименты становятся одни удачнее другого. Теперь мысль ученого работает уже в ином направлении: "Если движение магнита возле проводника может рождать электричество, то и движение проводника возле магнита должно делать то же. А коли так, то нельзя ли из обыкновенного магнита и мотка проволоки соорудить новый источник электричества?" Теперь он вместе с Андерсоном устанавливает между полюсами большого магнита Королевского общества вращающийся медный диск. Два скользящих контакта соединены с гальванометром. Отставной сержант крутит ручку, и гальванометр показывает наличие электрического тока. Фарадей счастлив.

28 октября он записывает в дневнике: "...заставил медный диск вращаться между полюсами большого подковообразного магнита Королевского общества. Ось и точка на краю диска были соединены с гальванометром. Стрелка гальванометра движется при вращении диска..."

Так была создана первая в мире динамо-машина.

Затем наступило, как говорится, "время собирать камни". Все результаты следовало обдумать и сделать надлежащие выводы. Это было очень нелегко. Не существовало в науке ни ясной физической картины явления, ни терминологии. Никто из современников Фарадея и представления не имел о сущности электромагнитных явлений. Все это нужно было создавать впервые. Ученый пытается понять, что же происходит между полюсами магнита. Почему свойства пространства при наличии в нем магнитных полюсов так резко изменяются по сравнению со свойствами того же пространства при отсутствии в нем магнита? Он снова и снова насыпает железные опилки на лист бумаги, помещает лист над полюсами магнита и смотрит на линии, по которым сгущаются опилки в межполюсном пространстве. Именно по этим направлениям действуют магнитные силы. Не являются ли обозначенные опилками линии реальными силовыми линиями, протянувшимися от одного полюса до другого? Он никогда не верил в то, что силы могут действовать через пустоту, на расстоянии, не передаваясь от одной точки к другой.

И Фарадей формулирует закон - Великий Закон электромагнитной индукции. "Явление возникновения в замкнутом проводнике электрического тока при пересечении этим проводником силовых линий магнитного поля называют электромагнитной индукцией" - так звучит этот закон сегодня. Конечно, Фарадей еще не знал такого понятия, как "поле сил". Для создания концепции электромагнитного поля науке понадобится гений Максвелла. Да и после него ученый мир не сразу признает концепцию Максвелла и закон Фарадея. Сколько было истрачено сил понапрасну в стремлении обойти фарадеевский закон, сколько не состоялось изобретений... Например, еще в начале нашего века возникло предложение измерять скорость морских судов по величине электродвижущей силы, которая должна наводиться на натянутом от борта к борту проводнике во время хода корабля. Однако, сколько ни бились изобретатели, ничего у них не получалось. А почему? Не зря в современной формулировке закона Фарадея стоят слова: "в замкнутом проводнике".

Такие же трудности встретились и при определении электродвижущей силы в обмотке, заложенной в паз якоря электрической машины. По идее ЭДС в пазу должна быть совсем незначительной, поскольку магнитная индукция там ничтожно мала. А на опыте получалась величина значительно- большая предполагаемой...

Со временем идеи Фарадея стали надежным основанием науки. Вся современная электротехника зиждется на законе электромагнитной индукции Фарадея. Он лежит в основе действия трансформаторов и электрических машин, всевозможных преобразователей, электромагнитных автоматов и многих измерительных приборов. Как часть электродинамики Максвелла этот же закон явился фундаментом для техники электро- и радиосвязи, радиовещания, телевидения, радиолокации, многочисленных применений радиоэлектроники, радиоастрономии, всевозможных видов измерений и управления на расстоянии. Я уже не говорю, что именно закону об электромагнитной индукции мы обязаны светом, теплом и комфортом современных жилищ.

Сто пятьдесят пять лет тому назад было совершено это великое открытие. Совершено Майклом Фарадеем - сыном кузнеца и учеником переплетчика, великим ученым XIX века.