Загадка как основа открытия

Можно предположить, что начало интереса Фарадея к исследованию электрических явлений положило загадочное «электромагнитное вращение», которое после Эрстеда наблюдали многие ученые. Все видели взаимодействие электрического тока с магнитной стрелкой. Но четкого объяснения явление не находило и весьма занимало умы ученых.

Однажды в лабораторию Дэви, бывшего в ту пору уже президентом Королевского общества, зашел вице-президент доктор Уильям Хайд Волластон. Его занимала мысль о способе превратить замеченное Эрстедом отклонение электрическим током магнитной стрелки в ее непрерывное вращение. Волластон полагал, что можно получить и обратное действие, то есть вращение проводника с током около магнита. Однако ни один из поставленных им опытов не привел пока к успеху.

Фарадей с интересом слушал беседу ученых и предложил подвесить иглу к магниту на чувствительном подвесе. Волластон высказал сомнение в успехе. А Дэви, как обычно, сказал: «Попробуйте…» И Фарадей стал пробовать.

Задача, поставленная Волластоном, оказалась труднее, чем думалось сначала. Но в конце концов Фарадей придумал идею эксперимента. Нужно было сделать конструкцию прибора, в котором ток проводника действовал бы только на один полюс магнита. Тогда силы взаимодействия заставят проволоку с током совершать вращательное движение.

Тем временем наступили рождественские каникулы. Джентльмены по традиции разъехались из Лондона. Фарадей остался едва ли не один в институте. Этим летом он женился на сестре своего приятеля и получил от администрации квартиру больше той, в которой жил раньше. Там у него был свой кабинет.

Рождение электродвигателя в лаборатории Фарадея

Утром первого рождественского дня после посещения церкви молодая чета вернулась домой. Сара направилась на кухню поколдовать над индейкой и пудингом, а Майкл остался в столовой протирать бокалы и накрывать на стол. Впрочем, он был чрезвычайно доволен, когда пришедший в гости кузен жены сменил его за этим занятием. Он тут же отправился к себе в кабинет. Там, на столе, на деревянной подставке с медным штативом был укреплен наполненный ртутью бокал, унесенный из хозяйства супруги. В нем лежал кусочек воска, в который был вставлен вертикально небольшой магнитный стержень. Один из его полюсов на полдюйма выдавался над поверхностью ртути. От шарнира в конце поперечины на штативе шел прямой медный проводник, достаточно длинный, чтобы погрузиться в ртуть тоже на полдюйма. Для придания плавучести проводник был проткнут сквозь пробку. Рядом с установкой стоял вольтов столб. Фарадей подключил один полюс батареи к сосуду с ртутью, а другой – к медному проводнику. Тот дрогнул и стал медленно вращаться вокруг полюса магнита.

Прекрасно, замысел Волластона наконец осуществился! Фарадей перевернул магнитный стержень и снова замкнул цепь. Проволока послушно стала крутиться в другую сторону.

– Сара! Роберт! Посмотрите, посмотрите! – закричал он.

Ни супруга Фарадея, ни ее кузен не знали физики. Но оба с затаенным дыханием смотрели, как по поверхности ртути, налитой в обычный бокал, без всяких усилий со стороны Майкла бесшумно вращалась тоненькая проволочка.

Вряд ли и сам Фарадей в ту минуту полностью осознавал все значение содеянного. Но он, безусловно, понимал, что впервые превратил электрическую энергию в механическую.

Не теряя ни минуты, рискуя съесть пережаренную индейку и пригоревший пудинг, он тут же написал сообщение о своем открытии и отослал его в редакцию. Скоро его сообщение в том виде и в той редакции, в какой написал его Фарадей, появилось на страницах журнала.

Чертеж Фарадея

Майкл Фарадей занимается то химией, то физикой, и везде ему сопутствует удача. В 1824 году наступил момент, когда он вплотную подошел к исполнению заветной мечты – вступлению в члены Лондонского королевского общества. Однако вступить в ряды этой почтенной организации Фарадею было не просто. Лишь после многих хлопот и волнений он получил рекомендацию. Текст ее гласил:

«М-р Майкл Фарадей, джентльмен, замечательно сведущий в химических науках, и автор нескольких статей, опубликованных в «Трудах Королевского общества», выражает желание стать членом общества; мы, нижеподписавшиеся, на основании личного знакомства рекомендуем его как человека, в высшей степени заслуживающего этой чести, человека, который, вероятно, станет полезным и ценным членом общества». Рекомендацию подписали более двадцати человек. Теперь Фарадей мог писать перед своим именем буквы «F. R. S.» – «член Королевского общества».

Майкл Фарадей поражал окружающих своей аккуратностью. Каждый опыт он подробно описывал в дневнике, рисовал схему и составлял выводы, которые удавалось сделать. Записав еще в 1822 году: «Превратить магнетизм в электричество», Майкл не раз возвращался к этой мысли, придумывал то один опыт, то другой. Каждое утро он в одно и то же время являлся в лабораторию. Его ассистент, отставной сержант артиллерии Андерсон, спрашивал: «Будем ли мы сегодня работать, мистер Фарадей?» – и, получив неизменно утвердительный ответ, отправлялся готовить инструменты и приборы.

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.

Утром 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. При выключении стрелка также дрогнула, но отклонилась в другую сторону. В чем тут дело?

Прибор для опыта Араго

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 изменял условия экспериментов и постепенно пришел к определенному выводу. Причина наведения – индукции – тока во вторичной обмотке заключается в движении магнита. Именно в движении! Он бросился 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 назад. А железное кольцо с двумя обмотками явилось прообразом будущих трансформаторов, без которых вообще вся электрификация нашей эпохи вряд ли была бы возможна.

Между тем Фарадей форсировал работу в лаборатории. Его эксперименты становились удачнее, а результаты – понятнее. Он вспомнил опыт Доминика Араго, показанный в 1824 году, и глубоко задумался…

«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».

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 помощником Андерсоном установил между полюсами большого магнита Королевского общества вращающийся медный диск. Соединил два скользящих контакта с гальванометром и велел отставному сержанту крутить ручку, заставляющую диск вращаться. Гальванометр показал наличие электрического тока. Фарадей был счастлив. Он создал прообраз первого в мире электрического 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.

Не удивляйтесь туманности терминологии. Эффект, наблюдаемый ученым, был ему вовсе не так ясен, как сегодня.

Девять лет спустя Фарадей на опыте убедился, что возбужденные и первичные токи имеют противоположные направления. И к тому же возникают они в виде короткого импульса. Сколько мучений доставили Майклу Фарадею попытки сформулировать общее правило для направления индуцированных токов! Но в конце концов он вывел 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.

С 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 себе голову Ампер и Араго. В Швейцарии – профессор механики Женевской академии Жан Даниэль Колладон. В Америке – молодой физик Джозеф Генри, известный как создатель одного из самых сильных электромагнитов в мире. В Англии той же проблемой занимался Фарадей.

Сегодня, когда мы читаем, что крупнейшие ученые бились над тем, что так легко получается в школе на уроках физики, в душу проникает сначала недоумение, а потом может родиться и пренебрежение к тем, кто за постановку простого школьного опыта был удостоен звания великого ученого. Здесь имеет смысл объяснить, что в те времена поставить дюжину опытов вовсе не означало двенадцать раз взять необходимые приборы, катушки с проводом и магниты, составить нужную электрическую цепь и записать значения отклонений стрелок на приборах. А потом на основании известных законов рассказать, что в этой цепи происходит.

Во времена Фарадея все обстояло не так. Мало того, что экспериментатор должен был придумать сам опыт. У него не было никаких приборов. Их тоже предстояло изобрести. В лабораториях мира не существовало даже изолированной проволоки. И никто ни малейшего представления не имел о тех законах, по которым должно развиваться электрическое воздействие и реакция электрической цепи. Все это предстояло еще открыть.

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 не навести в 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, что абсурдно.

Опыт, демонстрирующий явление магнитной индукции

Установить же в наши дни, кто первым заметил эффект наведения тока в проводнике магнитным полем, довольно трудно. Рассказывают, что швейцарский профессор Колладон, намотав на один каркас две обмотки и включив во вторую гальванометр, заметил, что стрелка прибора дергается при включении в первичную обмотку электрической батареи. «Может быть, что-то трясет прибор?» – подумал Колладон и… отнес гальванометр в другую комнату. Теперь, замкнув рубильник, он вынужден был ходить из одного помещения в другое. И когда доходил до прибора, стрелка всегда стояла на нуле.

Некоторые историки науки уверяют, что американец Джозеф Генри первым заметил, как при движении магнита возле проводника в проволоке появляется электрический ток. Он даже собирался написать об обнаруженном явлении статью. Да все откладывал, поскольку именно в это время вел переговоры с Принстонским колледжем, где собирался занять место профессора физики. И упустил время. В Америку пришел журнал со статьей Фарадея. Тем не менее Джозеф Генри был, бесспорно, очень способным исследователем. Год спустя он открыл явление самоиндукции и экстратоки. Сделал и несколько интересных исследований разряда конденсаторов.