Фарадей. Электромагнитная индукция

Как уже говорилось, в начале XIX века электричество больше связывалось с химией, чем с физикой, поэтому исследования Фарадея в области химии привели его к экспериментам с электричеством. В действительности ученый первым начал отделять электричество от химии, подчеркивая его фундаментальную связь с физикой.

Термин электричество происходит от древнегреческого слова «янтарь» — elektron. Этот материал, потертый о шерсть, притягивает волокна соломы. В 1600 году Уильям Гильберт (1544–1603) выяснил, что этим странным свойством обладает не только янтарь, но также стекло, сера, соль и другие материалы, которые мы называем диэлектриками. Век спустя Стивен Грей (1666–1736) провел эксперименты, доказавшие, что электричество переходит с одних тел на другие, если они соединены металлом. В 1773 году Шарль Дюфе (1698–1739) открыл два вида электростатического взаимодействия — смоляное и стеклянное. Разные виды взаимно притягиваются, одинаковые — отталкиваются. Позднее Бенджамин Франклин сделал вывод о том, что каждое тело обладает определенным количеством электрического флюида: при трении одного тела о другое нарушается равновесие, у одного из тел возникает нехватка флюида (-) (эквивалентно смоляному электричеству), а у другого — избыток (+) (эквивалентно стеклянному электричеству). К 1760-м годам Даниил Бернулли, Пристли и Кавендиш пришли к выводу о том, что электростатическое взаимодействие изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния, как и в случае с гравитационным взаимодействием. В 1785 году Шарль Кулон измерил данную зависимость, представив ее в виде закона, который сейчас носит его имя.

И все же, несмотря на некоторые достижения, электричество оставалось абсолютной загадкой. По словам нобелевского лауреата по физике Леона Ледермана (р. 1922), в эпоху, когда жил Фарадей, электричество вызывало столько же вопросов, сколько сегодня вызывают кварки — мельчайшие неуловимые частицы, входящие в состав протонов и нейтронов. Ни одна из имевшихся тогда обоснованных научных формул не могла объяснить явление, при котором ток проходит по медной проволоке и притягивает металлические опилки, несмотря на то что между ними только пустое пространство.

Уже в 1812 году Фарадей, проявляя склонность к экспериментаторству, заинтересовался этой загадкой и изготовил гальваническую батарею из семи монеток по одному пенни, семи цинковых дисков и шести листов бумаги, смоченных в растворе соляной кислоты. К сожалению, юношу отвлекли от собственных исследований задания, полученные от Дэви, так что Фарадей вернулся к собственной линии экспериментов спустя многие годы — после смерти Дэви в 1829 году. Ученый приступил к работе по данной теме, что привело к революции в существующих взглядах на электричество и магнетизм.

После открытия в 1821 году датским химиком Хансом Кристианом Эрстедом магнитного поля, образуемого электрическим током, Фарадей еще раз обратился к практике и создал серию аппаратов для получения, как он это называл, электромагнитного вращения. Так впервые появились электрический двигатель и динамо-машина. В 1831 году благодаря экспериментам, поставленным совместно с изобретателем и членом Королевского общества Чарльзом Уитстоуном (1802–1875), Фарадей начал изучать явление электромагнитной индукции и открыл, что при движении магнита в катушке индуцируется электрический ток. Это позволило математически описать закон, согласно которому магнит может производить электричество.

Однако работу Фарадея нарушило неожиданное препятствие — любовь. Это была 23-летняя дочь одного из членов общины сандеманиацнев, Сара Барнард (1800–1879). Она сразу же привлекла внимание ученого, но поставленные им цели в науке были так высоки, что он считал любую другую деятельность, в том числе любовь, лишь отвлекающим от работы фактором. Фарадей даже написал стихотворение, в котором обвинял любовь в том, что она отвлекает мужчин от важных дел. По иронии судьбы, именно это стихотворение стало причиной сближения Майкла и Сары: девушка очень обиделась на текст, и Фарадею пришлось объясниться с ней, чтобы восстановить хорошие отношения. В результате 12 июня 1821 года Майкл Фарадей, сын кузнеца-сандеманианца, заключил брак с Сарой Барнард, дочерью серебрянщика и сандеманианского пастора.

Одержимый научной работой, он попросил у жены разрешения вместо свадебного путешествия посвятить время, которое они должны были провести вместе, написанию статьи по истории электричества и магнетизма. Его жена, терпеливая и хозяйственная, как все женщины в общине сандеманианцев, не возражала против этой необычной просьбы.

Тогда Фарадей принялся читать все книги из библиотеки Королевского института об электричестве и магнетизме, воспроизводя описанные в них эксперименты. К концу августа 1821 года он провел уже более сотни опытов, но один никак не выходил из его головы, даже когда статья была уже сдана в Annals of Philosophy. Это был эксперимент Ханса Кристиана Эрстеда, проведенный в 1819 году и ставший первым в истории опытом по электромагнетизму.

ПРЕВРАТИТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО В ДВИЖЕНИЕ

Фарадей заметил в опытах Эрстеда одну маленькую деталь, которая, как казалось, содержала ключ к пониманию проблемы.

Он догадался, что магнетизм электрического тока всегда отклоняет стрелку компаса в одну сторону. Например, если положить компас на стол, а электрический ток будет проходить от пола к потолку, стрелка компаса всегда будет вращаться против часовой стрелки и никогда — по часовой. Фарадей был не просто великим экспериментатором: он уделял большое внимание незначительным деталям, а не великим следствиям — возможно, эта привычка к скрупулезности была приобретена за годы работы переплетчиком. Как бы то ни было, ученый непрестанно думал об этой детали: почему стрелка компаса в опыте Эрстеда при определенном направлении тока всегда поворачивается только в одну сторону?

Тогда в голове Фарадея созрел образ, который помог ему сформулировать гипотезу, объясняющую это явление. Он представил себе, что как поток теплого воздуха иногда превращается в вихрь, так и восходящий электрический ток создает спиральные магнитные потоки, вызывающие отклонение стрелки компаса. Для проверки своей догадки Фарадей разработал эксперимент, который показал бы, что магнитные вихри могут двигать любой намагниченный предмет, а не только стрелку, как у Эрстеда.

Через несколько недель Фарадей достиг своей цели. В начале сентября он опустил в сосуд с ртутью намагниченный на одном конце стержень: он плавал вертикально, как маленький поплавок. Затем ученый вертикально поместил в сосуд проволоку, по которой сверху вниз шел электрический ток. Намагниченный поплавок начал двигаться вокруг проволоки против часовой стрелки, как будто влекомый невидимым вихрем (см. схему). Таким образом, его догадки подтверждались, а кроме того, в результате получился первый в мире примитивный электрический двигатель. Фарадей превратил электричество в движение, которое могло выполнять работу. Произошло это 3 сентября 1821 года.

Описание эксперимента Фарадея было опубликовано в октябре 1821 года в Quarterly Journal of Science под ничем не примечательным заголовком, принимая во внимание следствия, которые повлекло за собой это открытие:

«О некоторых новых электромагнитных движениях и о теории магнетизма». Статья стала очень популярной и была переведена на более чем десяток языков.

Довольно скоро ученые всего мира повторяли эксперимент скромного сына кузнеца, поднявшегося до высоты Эрстеда, Ампера, Aparo и других знаменитых экспериментаторов.

МЕРТВАЯ ТОЧКА

Казалось, что Фарадею предназначено судьбой стать революционером в области электромагнетизма. Ему даже удалось избавиться от ограничений брака и полностью посвятить себя науке, но на пути ученого возникло новое препятствие. Разочарование пришло со стороны, откуда Фарадей его ожидал меньше всего, — от наставника и покровителя Гемфри Дэви. По-видимому, за несколько дней до публикации статьи, прославившей Фарадея на весь мир, Дэви в приступе ревности распустил слухи, что идея изобретения электрического двигателя была украдена у одного из членов правления Королевского института, Уильяма Хайда Волластона.

Фарадей сразу же захотел опровергнуть слухи и договорился с Волластоном о встрече, чтобы тот мог осмотреть его оборудование, использованное для эксперимента. Волластон вынужден был признать, что хотя его собственное оборудование было схожим, Фарадей не совершал плагиата: просто обоих ученых озарила одна и та же идея с разницей в несколько дней. В конце концов Волластон сдался перед скромностью и простотой, с которой защищал себя Фарадей, и публично оказал коллеге поддержку. Скромный Фарадей отказывался даже подумать, что распустить слухи мог Дэви, хотя в то же время он чувствовал себя крайне смущенным из-за того, что его покровитель не выразил ему своей поддержки в этом инциденте.

Подозрения подтвердились через два года: после того как Фарадей открыл способ сжижения хлора, он позволил Дэви прочесть его статью до публикации. Дэви не только внес свои исправления, но и изменил работу таким образом, что можно было подумать, будто идеи открытия принадлежали ему. Последние 20 лет Дэви сам пытался найти способ сжижения хлора, и он не хотел, чтобы открытие полностью принадлежало его молодому ученику. Фарадей, частично желая избежать нового скандала, подобного тому, который произошел с Волластоном, частично из-за своей сандеманианской скромности, решил уступить наставнику:

Несмотря на все препятствия, карьера Фарадея продолжала развиваться, и он поднялся до вершин, о которых не мог и мечтать: через два месяца он стал кандидатом в члены Королевского общества, старейшего научного общества Соединенного Королевства и одного из старейших в Европе. И снова Дэви поддался чувству ревности к своему ученику и не только не поддержал его кандидатуру, но начал активную кампанию против Фарадея, вытащив старую историю о «плагиате» у Волластона. Для того чтобы очистить свое имя от подозрений, Фарадей опубликовал статью с описанием всех событий, связанных с открытием электродвигателя, и снова получил поддержку Волластона. После этого Дэви прекратил свои нападки. В итоге 8 июля 1824 года Майкл Фарадей практически единогласно был избран членом Королевского общества. Единственный голос против, несмотря на секретность выборов, небезосновательно приписывают Дэви.

В 1825 году Фарадей стал директором Королевского института. Но эти повышения никак не способствовали его работе в области электромагнетизма. Отсутствие новых открытий было связано с нехваткой времени: Дэви решил нагрузить Фарадея рутинной работой, чтобы тот не имел возможности проявить свои прекрасные способности. Например, он попросил Фарадея заняться совершенствованием качества стекла для телескопов и других оптических инструментов. Вместе с астрономом Джоном Гершелем (1792–1871) из Кембриджа и создателем оптических приборов Джорджем Долландом (1774–1852) Фарадей изучал образцы стекла, которые должны были быть отшлифованы в форме линзы.

Так как он с трудом продвигался в новой области, то попросил Королевское общество и Королевский институт построить ему печь, чтобы самому заняться выплавкой стекла. Два года Фарадей напряженно трудился, отойдя от собственных исследований, но не высказывая никаких жалоб. Кроме того, новая работа помогла ему углубить знания в областях, на которые в другой ситуации он бы не обратил внимания. Например, Фарадей изготовил образцы стекла, которые в 1845 году помогли ему открыть магнитооптический эффект.

Ученый освободился от ревности Дэви совершенно неожиданно: его покровитель умер 29 мая 1829 года. Теперь он мог, не отвлекаясь, заняться электромагнетизмом.

Всего за 12 лет, попав в Королевский институт как простой помощник в лаборатории, Фарадей достиг ослепительных высот, недоступных никакому другому ученому в этом учреждении. Но Фарадей совершенно не был тщеславен и продолжал упорно работать над вопросами, возникшими у него после открытия электродвигателя. Например, если электричество порождает магнетизм, возможно ли, чтобы и магнетизм создавал электричество? Этим вопросом задавались многие другие ученые той эпохи, но никто, даже Эрстед, не мог найти ответ.

Фарадей был настолько одержим задачей, что принял решение посвятить себя исключительно связанным с ней исследованиям, и это пробивало ощутимую брешь в его бюджете. Большая часть доходов ученого, позволявших ему содержать семью, была связана с работой технического консультанта. Но так же как в юности Фарадей отказался от работы переплетчиком ради того, чтобы стать простым помощником Дэви, сейчас он снизил свои доходы (по примерным подсчетам, на две трети), чтобы понять, как Создатель предписал функционировать природе.

ПРЕВРАТИТЬ МАГНЕТИЗМ В ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Однажды, когда Фарадей, погруженный в размышления о религии, плыл на маленькой лодке по озеру в Швейцарии, на него снизошло озарение. Перед ним на фоне водопада появилась радуга. Это было почти мистическое явление, которое развеялось с первым порывом ветра, разогнавшим водяную взвесь. Но затем ветер подул в другую сторону, и радуга появилась вновь. Фарадей долго смотрел, как радуга то появлялась, то исчезала, покорная капризам ветра. Он понял, что на самом деле радуга никуда не исчезала, даже когда ее место оставалось пустым. Получалось, что пустота могла что-то содержать в себе, в том числе и пустота, описанная в уравнениях Ньютона, которые так поддерживали все члены Королевского института. Как мы уже говорили, буквальное прочтение Библии сандеманианцем Фарадеем повлияло на его взгляды. Пустота на самом деле не была пустотой. Вещи связаны невидимой паутиной.

В течение 1830 года и наиболее интенсивно — в 1831-м Фарадей добросовестно пытался найти доказательства для своих догадок. Он был настолько одержим идеей, что находил все больше свидетельств существования невидимой матрицы. Словно сам Бог вел ученого по правильному пути. Вера Фарадея в собственную концепцию пустоты была непоколебима, и он пристально рассматривал мир вокруг себя в поисках следов Создателя.

Возможно, было и другое объяснение, подстегивавшее жажду Фарадея к открытиям. Несмотря на то что он отказывался от званий и наград, многие считали его мыслителем второго сорта, и это мнение стало достоянием общественности. И в самом деле, у Фарадея не было академических исследований, он был профаном в математике и к 39 годам не сделал ни одного существенного открытия, несмотря на покровительство Гемфри Дэви. По этой причине Фарадей с головой погрузился в исследования, оставив преподавательскую деятельность и все раньше приходя в свою холодную лабораторию в подвале Королевского института. Даже две племянницы, иногда заходившие навестить его, знали, что пока дядя работает, они должны тихо играть в куклы.

ПЕРВЫЙ ТРАНСФОРМАТОР

В августе 1831 года Фарадею пришло в голову расположить две обмотки на противоположных сторонах железного кольца, что представляло собой примитивный вариант трансформатора. Изобретение напоминало две половины железной баранки, стороны которой были обмотаны длинным куском проволоки. Половины ученый расположил друг напротив друга. Фарадей пропустил ток по проводу одного полукольца 29 августа 1831 года.

Чтобы углубиться в технические детали данного варианта трансформатора, использованного для получения электромагнитной индукции, можно изучить «Дневник» Фарадея, опубликованный Королевским институтом в 1932 году. В нем сказано, что было использовано кольцо из мягкого металла с внешним диаметром, равным шести дюймам, с обмотками из проволоки, спирали которой были разделены индийским хлопком. Затем Фарадей зарядил батарею из десяти пар пластин по четыре квадратных дюйма.

Ученый догадывался, что это произведет завихрения на первом полукольце, что-то вроде магнитной бури. А если на втором полукольце возникнет электрический ток, будет подтверждено, что магнетизм может создавать электричество. Использование стрежня из мягкого металла должно было усилить магнитное поле первого полукольца. Этот эксперимент был не очень сложным, и Фарадей решил, что другие ученые не обнаруживали описанного явления, потому что величина электрического тока была слишком маленькой, практически незаметной. По этой причине он разместил на проволоке второго полукольца чувствительное устройство для измерения тока, способное отмечать даже небольшие колебания, — гальванометр, основанный на движущей силе электричества, описанной Фарадеем в 1821 году.

Наконец, ученый пропустил электрический ток через проволоку первого полукольца, подключив ее к батарейке, и увидел, как стрелка гальванометра, измерявшего ток на втором полукольце, дрогнула. Фарадей испытал такую же надежду, как в юности, когда он мечтал найти следы Создателя в мире и решил глубже проникнуть в тайну электричества, заставлявшего шевелиться мертвых лягушек. Увиденное ошеломило ученого, и за эти несколько секунд он осознал масштаб своего открытия и то, как оно может изменить мир.

Фарадей, как всегда, очень скрупулезно подошел к своему открытию, он всю ночь подключал и отключал ток на металлическом кольце, чтобы удостовериться в постоянстве результатов. Он понял, что измерительное устройство улавливало электрический ток, когда интенсивность тока, проходящего по первому полукольцу, увеличивалась или уменьшалась, в момент когда контур замыкался или размыкался. И напротив, если ток был постоянным, ничего не происходило, и это объясняло, почему никто раньше не заметил данное явление: колебание стрелки было мгновенным и прекращалось при стабилизации электрического тока.

Фарадей открыл явление, связывавшее механическое движение и магнетизм с появлением электрического тока, — электромагнитную индукцию. Это явление было обратно тому, которое открыл Эрстед.

Тогда уже было известно, что статическое электричество обладает силой индукции, то есть электрически заряженное тело может передать заряд другому телу при приближении, заряд индуцируется от первого тела ко второму. Однако никто еще не смог доказать, что электрический ток ведет себя аналогично, то есть индуцирует электричество на ближайший контур. Фарадей смог доказать эту теорию, но совершенно неожиданным образом: индукция проявлялась не только при течении индукционного тока, но и при его изменении.

За несколько дней до своего 40-летия Фарадей отправил записку одному из своих лучших друзей, Ричарду Филлипсу:

Благодаря систематическим экспериментам Фарадей рассмотрел все виды индукции. Он доказал, что существует несколько способов индуцировать ток на провод: подключая и отключая ток на соседнем кабеле; приближая и удаляя проволоку, по которой проходит стационарный ток; приближая и удаляя магнит и кабель; вращая магнит рядом с кабелем или кабель рядом с магнитом и так далее (см. схему).

Если магнит вводить в витки свернутого кабеля и вынимать из них, эффект тем сильнее, чем более мощный магнит, чем больше зона, ограниченная кабелем, чем быстрее вводится и вынимается магнит. В случае если ток индуцируется с одного кабеля на другой, эффект усиливается при более сильном индуцирующем токе и при большей скорости его изменения.

Все явления электромагнитной индукции резюмированы Фарадеем в простом законе, связывающем индукционный ток с силовыми магнитными линиями вокруг кабеля. Закон Фарадея гласит, что величина индуцированной на кабель электродвижущей силы, или способности заряда к движению, тем больше, чем больше изменение магнитного потока, проходящего через контур, то есть количество линий поля, проходящих через кабель. Иными словами, создание электрического тока — динамический процесс, требующий изменения интенсивности тока или положения магнита.

Шел октябрь 1831 года, то есть прошло всего несколько месяцев, как Фарадей решил направить все свои силы на понимание электромагнетизма.

ОБОБЩЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

Обобщая, мы можем разделить эксперименты, которые привели Фарадея к открытию электромагнитной индукции, на две категории: с токами и с магнитами.

Для опытов первой категории Фарадей подготовил два соленоида (цилиндрические обмотки из провода), расположенные друг напротив друга и изолированные между собой. Один из них он соединил с батарейкой, другой — с гальванометром. После переключения выключателя в первом контуре можно было наблюдать перемещение стрелки гальванометра во втором, при этом через несколько мгновений стрелка возвращалась обратно на ноль. Гальванометр обнаруживал ток, со временем исчезающий, только при переключении выключателя (рисунок 1).

Для второй категории опытов Фарадей использовал магнит и катушку, соединенную с гальванометром. Он быстро помещал магнит в катушку и мог наблюдать отклонение стрелки; если магнит внутри катушки не двигался, стрелка возвращалась в начальное положение. При вынимании магнита стрелка снова двигалась, только в обратном направлении. При повторении процесса стрелка колебалась в одну и другую сторону, при этом ее перемещения были тем значительнее, чем более быстрым было движение, вводящее и вынимающее магнит из катушки (рисунок 2). Tе же результаты наблюдались, когда магнит был неподвижным в катушке, а сама катушка двигалась.

Без сомнений, концепция поля облегчила Фарадею дальнейшие открытия. Она объясняет взаимодействие двух тел, не находящихся в физическом контакте: поле — участок пространства, к которому относятся величины, зависящие от напряжения тела, вступившего во взаимодействие. Таким образом, могут существовать, например, электрические поля (со статическими зарядами) и магнитные поля (с естественными магнитами или движущимися зарядами).

Электрическое поле определяется как участок пространства, которое может быть обнаружено благодаря его силовому воздействию на заряженные тела. Силовое воздействие происходит вследствие наличия в поле как минимум одного другого заряженного тела. Величина, используемая для характеристики напряженности этого поля, — интенсивность электрического поля. Присутствие электрического поля в том или ином месте можно обозначать с помощью силовых линий, или линий поля (рисунок 3). Эти линии имеют определенные свойства: если они расположены близко друг к другу, это говорит об интенсивности поля, и наоборот; линии изображаются исходящими от положительных зарядов и входящими в отрицательные. Количество линий, изображенных исходящими от положительного заряда и входящими в отрицательный, пропорционально абсолютной величине заряда; две линии не могут сходиться в точке, где нет заряда; кроме того, линии не могут быть замкнутыми.

На первый взгляд не существует связи между магнитными и электрическими полями, за исключением того, что одинаковые заряды отталкиваются, а разные — притягиваются (в электрических полях), и одинаковые поля отталкиваются, а разные — притягиваются (в магнитных полях). В магнитных полях механизм притяжения и отталкивания аналогичен механизму в электрических полях. Однако создание батарейки показало, что возможно с помощью проводника соединить два противоположных электрических поля. В этом случае вокруг проводника можно наблюдать магнитное поле.

ПЕРВЫЕ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРЫ

Фарадей продолжал методично изучать имевшиеся в его эпоху научные догадки и шаг за шагом подтверждал свои новые идеи.

После того как ему удалось доказать, что электричество может индуцироваться магнетизмом, следующим шагом была попытка создать электричество в продолжительных промежутках времени, а не мгновенно. Для этого Фарадей изменил опыт Франсуа Aparo (1786–1853), доказавшего, что при вращении медного колеса можно отклонить подвешенную над ним магнитную стрелку. При вращении колеса силовые магнитные линии пересекались, и таким образом создавались электрические токи. Из-за этих токов возникало магнитное поле, заставлявшее отклоняться магнитную стрелку. Но Фарадей не надеялся получить магнитное поле из электрического тока, он хотел, чтобы магнитное поле создавало электрический ток.

Таким образом, ученый создал униполярный генератор — электродвигатель, основанный на силе Лоренца (сила, с которой электромагнитное поле действует на точечный электрический заряд, при его прохождении по полю), — для превращения электрической энергии в движение. Устройство называется униполярным, так как не требует изменения полярности для вращения; оно обладает магнитным полем с единым направленным потоком. Для создания такого генератора Фарадей использовал медный диск, вращавшийся между полюсами магнита в форме подковы, — так был создан источник слабого постоянного тока. При вращении колеса его край проходил между полюсами магнита. Два токосъемника обеспечивали контакт при скольжении: один на краю диска, другой — на оси. Оба полюса были подсоединены к гальванометру для замыкания цепи. Пока колесо вращалось, согласно показаниям гальванометра, вырабатывался постоянный электрический ток. Этот ток мог использоваться для выполнения работы. Так Фарадей создал первый электрический генератор. Это произошло 28 октября 1831 года.

Направление электрического поля в каждой точке диска перпендикулярно плоскости вращения диска и магнитному полю, поэтому электрическое поле перемещается из центра диска к его наружному краю, радиальные движения электронов диска вызывают разницу потенциалов между центром и краем диска. Этот примитивный вид динамо-машины основывается на том же принципе, который используется и сейчас: например, в динамо-машинах на некоторых велосипедах благодаря ему зажигается фара, за исключением случаев, когда магнит вращается вокруг закрученного провода.

Изменение магнитного потока может быть вызвано механическими движениями магнита и изменениями тока в другом контуре. Было известно со времени эксперимента Эрстеда, что ток другого контура создает магнитное поле. Если ток меняется, то меняется и поле, и магнитный поток второго контура.

Позднее на основе принципов Фарадея Ипполит Пикси (1808–1835), французский механик и производитель инструментов, создал первую динамо-машину в Париже в 1832 году. Эта было так называемое динамо Пикси, ставшее первым электрогенератором для промышленного использования. В аппарате был использован магнит, вращавшийся с помощью рукоятки. Северный и южный полюса магнита были соединены железным фрагментом, вокруг которого была навита проволока (см. рисунок). Пикси заметил, что магнит передает импульс электрического тока на кабель, когда один из полюсов проходит мимо катушки; каждый полюс индуцировал ток в обратном направлении, то есть возникал переменный ток.

При переменном токе электроны — отрицательные заряды — не перемещаются от одного полюса к другому, но колеблются в своей позиции, фиксированной на проводнике, с определенной частотой. Добавив электрический коммутатор (коллектор в виде металлического разделителя на оси магнита), Пикси превратил переменный ток в постоянный, то есть ток от постоянного потока электронов в одном направлении. Этот коммутатор, или механический переключатель, поддерживающий одно направление тока, выполняет то же действие, что и щетки, трущие брусок, на который наводится ток (часть аппарата, превращающая электрическую энергию в механическую и наоборот)генератора.

В конечном итоге Фарадей открыл постоянно изменяющуюся силу, создающую электрический ток, и благодаря этому возникли различные устройства, гораздо более эффективные, чем батарейка Вольты. В них постоянно изменяющаяся магнитная сила возникала при простом вращении магнита. Таким образом, при поддержании вращения динамо-машины по закону Фарадея (который, как мы уже говорили, не уточнял этого) гарантировалось постоянное производство электроэнергии. Поэтому возникала новая задача, связанная с достижением максимальной эффективности динамо-машин; необходимо было разработать такую модель, в которой вращение магнита не вызывало бы затруднений. Инженеры в 1830-е годы начали использовать для этого электродвигатели: сам двигатель постоянно вращался, используя часть электричества, полученного от динамо-машины. То есть частично динамо-машина обеспечивала энергией сама себя.

Позднее были разработаны более совершенные модели, в некоторых за движение отвечали лопастные механизмы. Лопасти колес крутились при помощи падающей воды — так возникли первые гидроэлектростанции. Другой вариант предполагал использование для движения лопастей пара от кипящей воды, эта идея широко применялась и в XX веке. Источниками тепла для кипячения воды были ядерная энергия, нефть, уголь, дерево, экскременты животных.

Динамо-машины стали настолько мощными, что в 1865 году возникли гигантские дуговые лампы, которые использовались на большинстве маяков. Пыхтящие паровые машины, характерные для промышленной революции, постепенно заменили гораздо более тихими и эффективными электродвигателями. Эти двигатели использовались в телефоне Александра Грэхема Белла, лампочках Томаса Алвы Эдисона, радио Гульельмо Маркезе Маркони. В конце концов электричество стало достоверным показателем роста или падения внутреннего валового продукта стран мира: чем больше было производство электричества, тем более процветающей была страна, в ней становилось больше рабочих мест, продукции и потребителей.

Майкл Фарадей был свидетелем больших успехов в развитии общества, хотя самые передовые идеи ученого не были до конца признаны научным сообществом. Он видел, как Лондон постепенно становится все более освещенным, как начала исчезать постоянно висящая в воздухе дымка смога — возможно, романтическая, но при этом весьма вредная для здоровья.

Электричество и магнетизм неразрывно связаны, одно не существует без другого, поэтому возник единый термин — электромагнетизм.

Первые предпосылки для такого слияния возникли в 1785 году, когда Шарль-Огюстен Кулон подвесил намагниченные бруски и описал, как они взаимодействовали, когда он раздвигал их на разные расстояния. Сила притяжения между брусками уменьшалась пропорционально квадрату расстояния между ними. Если расстояние между магнитами удваивалось, сила притяжения уменьшалась в четыре раза. Если расстояние увеличивалось в три раза, сила притяжения уменьшалась в девять раз, и так далее. Особенно интересным в экспериментах Кулона было то, что если на нитях подвешивались электрически заряженные предметы, электричество подчинялось тем же законам, что и магнетизм. Иными словами, в этот момент наука изучала возможность сходства между этими двумя силами природы. Свои догадки Фарадей подкрепил новыми эмпирическими доказательствами.

Сын скромного кузнеца, уделом которого, казалось бы, мог быть только изнурительный труд в эпоху промышленной революции, открыл Эру электричества. Фарадей стал искрой во мраке, которая вызвала еще одну революцию, не такую очевидную в социальном плане, но имеющую то же значение: наука перестала быть занятием богатых людей и превратилась в профессию для развитых умов.

ПЕРЕВОД ИДЕЙ ФАРАДЕЯ НА МАТЕМАТИЧЕСКИЙ ЯЗЫК

Электричество не могло быть жидкостью, проходящей по проводу, оно должно было генерироваться невидимой силой, как и линии магнитного поля, однако в данном случае линии шли от одного заряда к другому. Это невидимое поле, по расчетам Фарадея, должно было бесконечно растягиваться, пересекая тела и выходя во внешнее пространство. Ученый сообщил о полученных результатах на первой сессии «Экспериментальных исследований» 24 ноября 1831 года в Королевском обществе.

Его идеи звучали потрясающе революционно для той эпохи, потому что они предполагали, что мир наполнен невидимыми силовыми полями. Это было то же самое, что утверждать, будто существует иной мир, параллельный нашему измерению. Как можно было ожидать, коллеги Фарадея из Королевского института сочли такие теории совершенно безосновательными и вежливо отвергли их. По этой причине ученый всегда медлил перед тем, как сделать свои теории достоянием общественности. Это колебание перед распространением новых научных парадигм, способных изменить установленные научные принципы, было свойственно и многим другим ученым, например Чарльзу Дарвину с его теорией естественного отбора. Фарадей 12 марта 1831 года составил записку с изложением своих новых теоретических идей, запечатал ее в конверт, подписанный свидетелями, и положил на хранение в сейф Королевского общества с точными инструкциями, когда вскрыть конверт после его смерти. Приведем отрывок из этой записки:

Научные опасения Фарадея имели причину. Шел только 1832 год, а ученый уже предполагал, что магнитным силам требуется время для перемещения в пространстве, что противоречило ньютоновой концепции мгновенного действия на расстоянии. Также Фарадей говорил о волновом движении и даже обнаружил некоторую поверхностную связь электромагнетизма со светом.

Наконец, применив физические аналогии, восполнившие пробелы в его математических знаниях, 19 января 1844 года, в возрасте 52 лет Фарадей представил свои теории на суд публики. Возможно, одной из причин, подтолкнувших его к такому решению, стал нервный кризис, который ученый пережил в 1830-х годах. Он был связан с переутомлением от постоянной интеллектуальной работы, которой Фарадей изнурял свой организм: он осознал, что может умереть в любой момент, и единственным его наследием станет запечатанная записка, хранящаяся в архиве Королевского общества. Темой его выступления, сделанного в Королевском институте в рамках Вечерних лекций по пятницам, стала природа атомов. Атомы он представлял в виде сгустков на силовых линиях, составляющих силовую подструктуру: силовые магнитные, электрические и даже гравитационные линии распространяются в пространстве и соединяют между собой все тела во Вселенной. Несмотря на то что данные аналогии достаточно четко отражают современное описание мира с позиции теоретической физики, в 1844 году это звучало очень странно и поэтому не впечатлило аудиторию.

Фарадей усовершенствовал первый электромагнитный генератор, повторил свой эксперимент и сформулировал открытие одной фразой: «При увеличении или уменьшении магнитной силы всегда возникает электричество; чем выше скорость увеличения или уменьшения, тем большее количество электричества образуется».

Это было очень красноречиво, однако научное сообщество отвергло это открытие, поскольку оно было выражено словами. С тех пор как Ньютон в XVII веке ввел в науку формулы, считалось, что такого рода заявления должны выражаться на однозначном и универсальном языке математики. Фарадей плохо знал математику, гораздо важнее для него были результаты экспериментов, которые обеспечили ему блестящую карьеру в Королевском институте. Фарадей решил, что коллеги не воспринимают его идеи из-за снобизма, считая его всего лишь бедным выходцем из села без академического образования. Фарадей упорно защищал свою позицию, согласовывающуюся с его поэтическим и религиозным миропониманием, и говорил о том, что наука должна выражаться на языке, понятном для обычных людей.

Наконец, молодой шотландский физик Джемс Клерк Максвелл (1831–1879) через три десятилетия перевел открытие Фарадея на язык математики в виде элегантного и точного уравнения, опубликованного в статье «Динамическая теория электромагнитного поля». Уравнение было следующим:

Знак минус поставлен согласно закону Ленца: индукционный ток всегда имеет такое направление, что он ослабляет действие причины, возбуждающей его.

Максвелл выразил отношение к трудам Фарадея, которого он называл Ньютоном электричества, в предисловии к первому изданию своего «Трактата об электричестве и электромагнетизме» (1873, A treatise on electricity and magnetism):

ФАРАДЕЙ, НЬЮТОН И ПОДВОДНЫЕ КАБЕЛИ

Хотя Фарадей часто использовал Библию, находя в ней утешение и вдохновение, он получил некоторое подобие одобрения своих революционных теорий о полях из одного письма. По иронии судьбы, его написал Исаак Ньютон — ученый, в трудах которого находили столько поводов для критики теорий Фарадея.

В 1693 году, когда Ньютон уже превратился в старика, он написал молодому кембриджскому теологу Ричарду Бентли, признаваясь ему, что, возможно, пустота на самом деле не является такой пустой, как он сам утверждал. Вероятно, писал ученый, гравитационные силы тянут свои невидимые щупальца к телам. Эта идея Ньютона не получила известности, потому что казалась несколько крамольной для той эпохи, в том числе на теологическом уровне: неужели Бог недостаточно могуществен, чтобы беспрепятственно пересекать пространство? Ньютон пишет:

Бентли написал Ньютону ответ, в котором заинтересовался этой идеей, но Ньютон не захотел более подробно обсуждать ее, указывая, что это всего лишь его старческие измышления.

Фарадей осознал, что такой гений, как Ньютон, предлагает теории, подобные его собственной, и почувствовал, что должен идти дальше, несмотря на недоверие коллег. Он был уверен, что однажды кто-нибудь найдет практическое применение для его догадок, и почти в 70 лет стал свидетелем этого. Кроме первых электрогенераторов и начала Эры электричества, которые смог увидеть Фарадей, он также участвовал в первых революционных преобразованиях сферы телекоммуникаций. Он писал своему молодому другу, шотландскому физику Джеймсу Клерку Максвеллу, 13 ноября 1857 года:

Эта подводная авантюра, которая подтвердила догадки постаревшего Фарадея, началась с человека по имени Сайрус Уэст Филд (1819–1892). В середине 1850-х он предложил изготовить кабель, который можно было бы проложить по дну океана, чтобы пересечь Атлантику и соединить две великие империи — британскую и американскую. Для этого невероятного проекта требовались не только научно-технические знания, но и поддержка предприятий и промышленности. Длина кабеля должна была составлять 4000 километров, а вес — примерно 2200 тонн. Для изготовления требовалось не менее 800 тонн меди.

Для реализации проекта Филд попросил о помощи главного специалиста по теории электричества в Великобритании, шотландца Уильяма Томсона (1824–1907). Название изобретению дал Сэмюэль Морзе, он же отправил первое в мире телеграфное сообщение: «Чудны дела твои, Господи!» Придуманный им язык повлиял даже на журналистскую прозу, сжатый стиль которой стал напоминать телеграфные сообщения. Однако при использовании телеграфа имелось немаловажное техническое затруднение: передача сообщений по наземным линиям не вызывала затруднений, но при использовании подводных кабелей из-за постоянных потрескиваний и шумов сами сообщения было невозможно разобрать.

Томсон, очень серьезно относившийся к теориям Фарадея, верил, что существуют силовые поля и их помехи перемещаются частично внутри кабеля и снаружи него. По мнению Томсона, проблема была простой: когда телеграфист нажимал на клавишу, поле начинало перемещаться по кабелю длиной 1000 км, но также оно перемещалось вокруг электрического изолятора и железной оплетки, теряясь в водах океана.

В наземных линиях такой проблемы не возникало, потому что кабель проходил высоко на столбах (и не контактировал с проводником-землей). Кроме того, наземные кабели имели более толстый слой изолятора, а для океана изолятор был более тонким из-за экономии как по весу, так и по цене (материал изолятора назывался гуттаперчей, он был открыт в 1850-х годах, добывался из определенных видов деревьев в Индии и был похож на каучук). Также воздушные провода не имели железной оплетки, а в океане она использовалась для исключения повреждения кабеля и чтобы его не унесло течением. Однако железная оплетка рассеивала сигнал, поскольку железо не является надежным изолятором. Все эти факторы свидетельствовали о необходимости более сильного — в 20 раз — заряда для подводного кабеля по сравнению с наземным. По расчетам Томсона, выраженным в его законе квадратов, при десятикратном увеличении длины кабеля скорость сигнала сокращалась в 100 раз.

Существовало два варианта решения данной проблемы. Первый, предложенный Томсоном, предусматривал увеличение диаметра жилы проводника. Но Филд верил во второй вариант, он хотел подключить кабель к источнику высокого напряжения для увеличения сигнала, компенсируя, таким образом, потери рассеивания. Однако здесь имелась другая проблема: при работе с высоким напряжением кабель быстро портился.

Филд считал объяснение Томсона слишком непонятным и заключил контракт с Эдвардом Уайтхаусом (1816–1890), который не верил в смехотворные силовые поля. Чтобы убедить инвесторов, Уайтхаус должен был всячески скрывать перед публикой свои колебания и неуверенность. Была проведена работа и с учеными, поддерживающими Томсона, чтобы они не задавали лишних вопросов. На публичную конференцию пригласили уже пожилого Майкла Фарадея и подсунули ему фальшивые отчеты с экспериментальными данными, якобы подтверждающими ошибки в расчетах Томсона.

Умственные способности Фарадея к этому времени ослабли (вероятно, из-за длительного вдыхания паров ртути, растекшейся на полу его лаборатории), и он дал неоднозначную оценку, которую можно было понять как неполное согласие с гипотезой Томсона. Поддержка Фарадеем проекта, хоть и не безоговорочная, стала решающим фактором для инвесторов. Но Томсон догадался, что Фарадея обманули и вынудили дать такое заключение практически силой, ведь он знал истинное мнение ученого, полученное после осмотра кабелей с использованием гуттаперчи, о том, что на передачу сигналов негативно влияют проводник, окружающий его изолятор и морская вода.

Кабель был изготовлен, но проект провалился, как и предсказывал Томсон: сигналы так искажались, что после пересечения Атлантики их было невозможно расшифровать. Применение высокого напряжения для передачи сигнала изнашивало кабель, поэтому отправка сообщений требовала все больше времени. Из-за недостаточной изоляции энергия рассеивалась: если телеграфист отпускал клавишу между одним сигналом и следующим за ним немного быстрее, поле, установившееся на протяжении кабеля, рассеивалось до начала передачи следующего сигнала; если телеграфист нажимал клавиши слишком быстро, новое поле накладывалось на предыдущее, все еще находившееся вокруг меди, железа и воды. Неудивительно, что, согласно документам, чаще всего передавались сообщения: «Передавайте медленнее» или «Повторите».

В конце концов Сайрус Филд вынужден был согласиться, что Томсон и Фарадей правы и невидимые силовые поля, способные переносить электрические заряды, все же существуют. То есть решение состояло не в том, чтобы запустить больше электронов в подводный кабель, а в том, чтобы превратить кабель в водяную трубку. Как и говорил Томсон, питание кабеля от батареи большей мощности вызывало возникновение более мощного поля, следовательно, увеличивалось взаимодействие с оплеткой и водой; часть поля подталкивала свободные электроны к перемещению по центральной медной жиле кабеля, но другая часть электронов проходила через изолятор и создавала быстро распространяющийся электрический ток в железе. По этой причине нагревались центральная медная жила и внешняя железная оплетка, а каучук, находившийся между ними, на некоторых участках даже плавился. Таким образом, при каждой передаче кабель портился все больше.

В 1866 году с помощью крупнейшего парохода той эпохи «Гpeйm Истерн» был проложен новый кабель, сделанный согласно инструкциям Томсона. «Грейт Истерн» мог перевозить 5800 километров кабеля и 500 человек. Претерпев несколько аварий, например разрыв кабеля на расстоянии 1900 километров, 27 июля 1866 года он прибыл из Ирландии на остров Ньюфаундленд, где произошли первые успешные передачи сообщений. Кабель работал отлично и практически бесперебойно со скоростью передачи до восьми слов в минуту. Стоимость сообщения из 20 слов была равна 150 долларам — немалые деньги в те годы. Фарадей был болен и состарился, но считается, что Томсон сам сообщил ему об успехе проекта и подтверждении его теорий.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОТГОЛОСКИ: МАКСВЕЛЛ И ЭЙНШТЕЙН

Открытие электромагнитной индукции суммировало все последующие эксперименты, проведенные после первого и являющиеся его вариациями. Весной 1832 года Фарадей создал и опробовал в действии самые разные катушки, гальванометры и другие аппараты, разработанные, чтобы проверить весь поток идей, пришедших ему в голову после первого успеха. В следующие месяцы Фарадей установил принципы электромагнитной индукции, на которых основывается современная теория об электричестве.

Это открытие играло решающую роль для развития физики, однако Фарадей до конца не отдавал себе отчет в том, что именно он открыл. У ученого были некоторые довольно туманные идеи о следствиях обнаруженных незначительных отклонений стрелки гальванометра. И действительно, в его дневнике мы можем прочесть о разочаровании, которое он испытал, увидев, что эти импульсы слишком слабы и непродолжительны.

Однако в ноябре 1831 года, когда Фарадей передавал на суд общественности свои знания о силовых магнитных линиях, в Шотландии родился физик Джеймс Клерк Максвелл, который в 1856 году перевел открытия Фарадея на язык математики. Самая важная часть работы Максвелла пришлась на промежуток между 1864 и 1873 годами, когда он привел имеющиеся знания к системе уравнений, объединяющих электричество и магнетизм. Так появилась теория электромагнетизма. Она утверждала, что электричество и магнетизм не существуют по отдельности, а также доказывала, что свет является частью электромагнитной среды, распространяющейся со скоростью 300000 км/с.

Позднее исследования Фарадея лягут в основу развития специальной теории относительности Альберта Эйнштейна, сформулированной в 1905 году. Если быть более точными, специальная теория относительности возникла на основе критики интерпретации Максвелла закона Фарадея об электромагнитной индукции.

Две великие концептуальные революции в физике начала XX века — теория относительности и квантовая физика — нашли вдохновение в электромагнетизме, хотя, конечно, в большей степени это касается теории относительности.

Специальная теория относительности была опубликована Альбертом Эйнштейном (1879–1955) в 1905 году, в ее основе лежит констатация факта, что скорость света в вакууме равна во всех инерциальных системах отсчета, то есть не зависит от их состояния покоя или постоянного прямолинейного движения по отношению к телу, на которое не действует никакая сила.

Согласно законам Ньютона, описание движения возможно только при указании на то, как тело перемещается во времени: для каждого пункта траектории устанавливается момент времени, в который в нем находится тело. При этом нужно принимать во внимание то, как наблюдатели в двух инерциальных системах отсчета сравнивают количественные показатели одного события. Отношения для сравнения параметров называется преобразованиями Галилея.

Некоторые физики уже доказали, что уравнения Максвелла, управляющие электромагнетизмом, не соответствуют преобразованиям Галилея. Для Эйнштейна все физические законы одинаковы для всех наблюдателей в одной системе инерциального отсчета, то есть невозможно отличить одну инерциальную систему от другой; также скорость света в вакууме постоянна и равна для всех инерциальных систем отсчета. Поэтому было необходимо найти другие уравнения преобразования между инерциальными системами, отличные от преобразований Галилея, согласно которым скорость света была бы всегда одинаковая.