Текст книги "Мир электричества"

Студенту Кёнигсбергского университета Густаву Кирхгофу только-только исполнился двадцать один год, когда он, занимаясь в семинаре у профессора Франца Неймана, получил доступ в лабораторию физики. Он хотел проверить некоторые теоретические предположения, которые высказывал в своей научной работе, и приступил к самостоятельным исследованиям. Нельзя сказать, что это были такие уж сложные исследования. Важно было правильно сформулировать и поставить задачу. А потом, обобщив результаты экспериментов, попытаться увидеть закономерности и вывести обобщенное умозаключение. Кирхгоф исследовал, как течет ток через плоскую пластинку, как при этом распределяется электричество по участкам электрической цепи и какие правила позволят находить распределение токов в разветвляющихся проводниках.

Густав Роберт Кирхгоф (1824–1887)

Было бы неверным считать, что до него о подобных задачах никто не думал. Для некоторых частных случаев их решали Ом и Уитстон. Брались за эти проблемы и другие физики и по мере надобности делали выводы. Но в общем виде их не решал никто.

В 1845 году Кирхгоф написал, что «если через систему проволок, связанных между собой произвольным образом, проходят гальванические токи, то:

1. В случае если проволоки 1, 2… n сходятся в одной точке и токи, направленные к ней, считать положительными, то сумма всех токов будет равна нулю.

2. В случае же если проволоки 1, 2… n образуют замкнутую фигуру, то сумма произведения тока в каждой из них на собственное сопротивление проволоки должна быть равна сумме всех электровозбудительных сил на всем пути 1, 2… n».

Удивительно просто и абсолютно верно. А главное, что эти два правила в будущем, наряду с законом Ома, лягут в основу всей теории электрических цепей. Вот вам и студент!

Надо сказать, что его успехи были оценены должным образом. По окончании университета Кирхгоф получил очень редко предоставляемую стипендию для поездки во Францию.

Густав Роберт Кирхгоф родился 12 марта 1824 года в семье советника юстиции. Проявив уже в отрочестве незаурядные математические способности, он поступил в Кёнигсбергский университет и там сделал работу, с которой я начал рассказ о его законах.

Дальнейшая научная судьба Кирхгофа была вполне благополучной. Он показал себя знающим физиком и защитил докторскую диссертацию. Стал приват-доцентом Берлинского университета и членом Берлинского физического общества. После недолгой службы в Бреслау перешел в знаменитый Гейдельбергский университет ординарным профессором, где проработал более двадцати лет и сделал почти все свои важнейшие открытия. Там, в 1859 году, совместно с химиком Робертом Вильгельмом Бунзеном, он положил начало спектральному анализу. И это открытие принесло обоим мировую славу. Кирхгоф стал действительным членом Берлинской академии наук и членом-корреспондентом Петербургской академии наук.

Научные интересы Кирхгофа были чрезвычайно разнообразны. Он занимался электричеством и гидродинамикой, излучением, спектрами, спектральным анализом и вопросами упругости. В науку об электричестве он ввел понятие электрического потенциала и установил закономерности для электрического тока в разветвленных цепях. В пятьдесят пять лет Густав Роберт Кирхгоф возглавил кафедру математической физики в Берлине и написал обширный четырехтомный труд «Лекции по математической физике». Книга сыграла большую роль в развитии науки.

Можно добавить, что Кирхгоф был и неплохим преподавателем. Студенты любили его лекции, которые почти всегда сопровождались оригинальными экспериментами. Недаром среди его учеников немало выдающихся физиков.

Глава 8. Эпоха Фарадея – Максвелла

Сегодня вряд ли найдется человек, не слыхавший имени Фарадея. О его открытиях написано много книг. Известны и основные этапы его жизненного пути: от ученика переплетчика к лаборанту, а затем ассистенту профессора Гемфри Дэви и, наконец, к члену Лондонского королевского общества, профессору и директору лаборатории Британского королевского института. И все-таки о жизни самого ученого сказать можно немногое. Внешне она была не очень примечательна. «Великие события, – как писал когда-то австрийский физик, профессор в Граце и Вене Людвиг Больцман по поводу «тихой» биографии Фарадея, – совершались исключительно в его голове». Вот, например, что писал в своих воспоминаниях известный французский химик Жан Батист Андре Дюма:

«Фарадей был среднего роста, жив, весел, глаз всегда наготове, движения быстры и уверенны: ловкость в искусстве экспериментирования невероятная. Точен, аккуратен, весь – преданность долгу… Он жил в своей лаборатории, среди своих инструментов; он отправлялся в нее утром и уходил вечером с точностью купца, проводящего день в своей конторе. Всю свою жизнь он посвятил постановке все новых и новых опытов, находя в большинстве случаев, что легче заставить говорить природу, чем ее разгадать.

Моральный тип, явившийся в лице Фарадея, поистине явление редкое. Его живость, веселость напоминают ирландца; его рефлектирующий ум, сила его логики напоминают шотландских философов; его упрямство напоминало англичанина, упорно преследующего свою цель…»

Майкл Фарадей (1791–1867)

Я не стану пересказывать биографию Фарадея, что потребовало бы многих страниц и явилось бы простым повторением книг, написанных ранее. Приведу лишь несколько фактов из его детства и юности. Фактов, сыгравших, как мне кажется, важную роль в жизни этого ученого, поучительных и в наши дни для тех, кто хотел бы заниматься наукой.

«Мое образование, – рассказывал Майкл Фарадей, – было самым заурядным и включало в себя начальные навыки чтения, письма и арифметики, полученные в обычной дневной школе. Свободное время я проводил дома и на улице». Когда Майклу исполнилось двенадцать лет, его школьные годы кончились. Так было принято в той среде, к которой принадлежал Фарадей. Вопросы образования вряд ли беспокоили его родителей. Не могли помочь в этом деле советами и дяди Майкла. Один из них был кровельщиком, другой – сапожником, третий – фермером, четвертый – мелким торговцем.

Неподалеку от дома Фарадеев в Лондоне находилась небольшая книжная лавка и переплетная мастерская Жоржа Рибо. Сюда и поступил учеником переплетчика Майкл.

Трудно сегодня сказать, когда именно и по какой причине юный подмастерье переплетчика заинтересовался содержанием книг, над которыми работал ножницами и клеем. Явление это не исключительное. Среди старых переплетчиков было немало книгочеев и знатоков книги. Но Фарадей, начав читать, вскоре оставил без внимания романы и описания путешествий – естественное «чтиво» для человека его возраста и образования. Больше всего его привлекали статьи из Британской энциклопедии с описаниями опытов и аппаратов для экспериментирования.

Однажды кто-то сдал в переплетную Рибо популярную книжку «Беседы по химии», написанную некой госпожой Марсе. Кажется, она была супругой врача. Книжка попала к Фарадею. Непритязательные опыты, описанные простым и доступным языком, возбудили воображение юноши. Самостоятельный характер и недоверчивость, свойственные возрасту, побудили проверить то, о чем говорилось в книге. Особенно важно это было сделать, когда результат описанного опыта выходил за рамки привычного ожидания. Здесь его мог убедить только факт. «Пожалуйста, не думайте, чтобы я был глубоким мыслителем или отличался ранним развитием, – писал он. – Верил столько же в «Тысячу и одну ночь», сколько в «Энциклопедию». Но факты были для меня важны, и это меня спасло. Факту я мог доверяться, но каждому утверждению я мог всегда противопоставить возражение. Так проверил я и книгу г-жи Марсе с теми небольшими опытами, на производство которых у меня были средства, после чего мне пришлось убедиться, что книга соответствует фактам, насколько я их понимал». Так оценивал сам Фарадей значение этой немудреной книжки в своей жизни.

Как важно вовремя найти и получить именно ту духовную поддержку, которой жаждет сердце. Открыть для себя то, что поможет перевести юношеский нигилизм в жажду познания, покажет роль Его Величества Факта и научит добывать факты самостоятельно. Проверить слова учителя на опыте почти равноценно собственному открытию. Это не значит, конечно, что каждый проделавший дюжину домашних экспериментов к тридцати пяти годам станет членом Королевского общества. Но то, что в будущем он более критично отнесется к чужому мнению, проявит независимость и самостоятельность убеждений, – на это, пожалуй, надеяться можно.

Майкл Фарадей не был исключительным ребенком. Живой и общительный, он отличался от других мальчиков его возраста, может быть, только несколько большей любознательностью, недоверчивостью к словам и упорством самостоятельного характера.

«Мой хозяин, – писал Фарадей, – позволял мне иногда посещать вечерние лекции физики, которые читал господин Татум в своем собственном доме. Я узнал об этих лекциях по объявлениям, вывешенным в окнах лавок, недалеко от его дома. Плата за вход была 1 шиллинг. Брат Роберт дарил мне деньги на лекции».

Фарадей побывал на лекциях блестящего исследователя и талантливого лектора, профессора химии Королевского института сэра Гемфри Дэви и остался в полном восторге от того, что увидел и услышал. К этому времени в его жизни наступила пора больших перемен. Срок ученичества в переплетной мастерской подошел к концу. Майкл перешел к другому хозяину, стал самостоятельным двадцатилетним рабочим парнем и должен был трудиться без всяких скидок и послаблений. Работа не оставляла ему времени на посторонние дела. И Майкл с тоской смотрел, как химические приборы и электрическая машина, сделанные его руками, покрываются пылью. Он уже не представлял себе жизни без экспериментов. Надо было что-то решать.

В переплетную часто заходил мистер Дэнс – член Королевского института. Это он снабдил Фарадея билетами на лекции Дэви. Наблюдая за тем, как мается молодой человек, Дэнс посоветовал обратиться с просьбой к профессору Дэви: не найдет ли тот для него работу в лаборатории? Майкл с радостью ухватился за эту идею. Для подкрепления своей просьбы и доказательства серьезности намерений Фарадей переписал начисто прослушанные им лекции Дэви, красиво переплел и приложил к письму. Потянулись дни ожидания. Может быть, важный сэр и не ответит на послание переплетчика, как не отвечали другие, раньше. Но вот однажды вечером Фарадея, который уже спал после работы, разбудил стук. Он вскочил с постели, отворил дверь и увидел лакея. Тот подал ему записку. Это было приглашение посетить сэра Гемфри на следующее утро.

Он предложил Майклу временно поработать у него переписчиком, а спустя некоторое время Фарадей стал его ассистентом.

В том же году, собираясь в Европу, Дэви позвал Майкла поехать с ним в качестве секретаря. Майкл согласился, хотя его несколько смущало, что на первых порах ему пришлось бы выполнять обязанности камердинера сэра Гемфри, поскольку старый слуга ехать отказался. Но в конце концов это были мелочи по сравнению с возможностями интересных встреч и множеством блестящих экспериментов, которые производил Дэви в лучших лабораториях Европы. Надо сказать, что, несмотря на мелкие неприятности, путешествие необыкновенно обогатило Майкла Фарадея, расширило его кругозор. Он познакомился со многими выдающимися представителями европейской науки и получил неплохую выучку как экспериментатор.

Фарадей в своей лаборатории в Лондоне

В Лондоне Фарадей некоторое время продолжал работать в лаборатории Дэви, а затем стал ассистентом профессора Бранда. Современники отмечали: «…он так покойно, ловко и скромно исполнял на лекциях свою работу, что лекции Бранда текли как по маслу». Именно к этому времени относится одно знаменательное событие в жизни Фарадея, сыгравшее большую роль в его дальнейшей деятельности.

Исследователи давно заметили, что пламя зажженного газа или даже обыкновенной свечи подчас начинает мигать в такт со звуком. Более того, в определенных условиях пламя само начинает звучать в тон музыке. Это явление долгое время оставалась необъясненным, пока профессор Август Деларив не дал ему своего теоретического объяснения. И вот, проверяя выводы Деларива, Фарадей рядом простых, но очень убедительных опытов доказал ошибочность его теории.

«Открытие ошибки в работе опытного исследователя, – пишет в своих воспоминаниях Джон Тиндаль, друг и сотрудник Фарадея, – составляет эпоху в жизни молодого ученого; и когда это обстоятельство, как в случае с Фарадеем, порождает уверенность в себе, оно неизбежно влечет за собою прекрасные последствия».

Фарадей поверил в себя. С этого момента его самостоятельные работы, анализы и исследования по оригинальности замысла и по виртуозности выполнения превосходят все, что делалось в Королевском институте. Его авторитет экспериментатора начинает беспокоить даже самого сэра Гемфри Дэви. Стареющий ученый испытывает невольное чувство зависти к успехам своего бывшего ассистента.

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.