Летопись электричества

Глаза 24. «НЬЮТОН ЭЛЕКТРИЧЕСТВА»

АКАДЕМИК Доминик Араго уже около часа прохаживался по тенистым аллеям парка Елисейских Полей и с наслаждением вдыхал свежий воздух.

«Однако он очень запаздывает», — думал Араго.

Араго выбрал дальнюю, никем не занятую скамейку и сел на нее. Мимо него в парадном цветном сюртуке прошел молодой человек, облик которого пробудил в Араго воспоминания…

…1805 год. Он, — Араго, — молодой, двадцатилетний ученый, вместе с физиком Био уезжает в Испанию для продолжения начатых до него географических измерений.[15] Тысячи лишений терпит Араго в суровых горах Валенсии и на Балеарских островах. В это время началась война между Францией и Испанией.

Испанский лейтенант, чрезвычайно похожий на прошедшего мимо него в парке человека, пришел к нему и прочитал указ: «Французский географ Доминик Араго объявляется военнопленным». Не желая примириться с пленом, Араго бежал в Алжир. На пути из Алжира в Марсель корабль, на котором находился Араго, догнал испанский крейсер и принудил вернуться.

Только в 1809 году Араго удается снова попасть во Францию. За свои научные работы Араго был избран членом Парижской Академии наук и профессором Парижской политехнической школы. Вскоре после избрания он делает доклад в Академии о своих первых научных работах о свете. А ведь до четырнадцатилетнего возраста он был неграмотным! Революция помогла его отцу, мелкому служащему, дать образование Доминику. Учился он блестяще.

В Академии наук Араго встречался со многими учеными, в том числе и с Ампером. Ампер — замечательный математик, прекрасный физик, чудесный человек. Доброта и мягкость — отличительные черты его характера. Но у Андре Ампера много странностей: он очень рассеян, склонен к крайностям, резок в оценках и не любит избранного столичного общества; музыка доводит его до слез.

«Ну вот хотя бы сейчас, — думал Араго, — Ампер опаздывает на условленное свидание, наверное, только по своей рассеянности. Сам же он предложил эту довольно оригинальную встречу и, может быть, первый же забыл о ней…»

Араго хорошо знал Ампера и причины его странностей. У Ампера было много горя в жизни.

Ампер родился 20 января 1775 года в городе Лионе. Еще мальчиком он прочитал все двадцать томов большого энциклопедического словаря Даламбера и Дидро. Очень рано он стал увлекаться литературой, философией и математикой.

Блестящие способности Андре отмечали все родные и знакомые.

«Нет ничего, чего бы нельзя было ждать от Андре», — говорили в доме Амперов.

Молодого Ампера глубоко потрясла трагическая гибель его отца[16]. Целый год после этого события Андре находился в состоянии или крайнего нервного возбуждения, или глубокой душевной апатии. Занятия ботаникой и древней литературой несколько рассеяли его.

Чтобы обеспечить себе существование, Амперу с 1796 года пришлось давать частные уроки. В это же время он много занимался химией. С 1807 года Ампер начал преподавательскую работу в качестве профессора физики и химии.[17]

Вглядываясь в даль, Араго заметил, что на противоположном конце аллеи показалась знакомая фигура. Опустив глаза, медленно шел по аллее долгожданный Ампер.

Араго решил не окликать Ампера до тех пор, пока тот не поравняется с его скамейкой. Ампер шел, не замечая никого и ничего. Вот он уже прошел мимо Араго и идет дальше. Араго осторожно встал, нагнал Ампера и, изменив голос, громко произнес:

— Слово имеет академик Ампер!

Ампер, не оборачиваясь, остановился. Прикрыв одной рукой глаза, он другой поправил сюртук, выпрямился и сказал:

— Хорошо. Я буду краток. Мои исследования…

— Ампер, прекратите ваши исследования! — сказал Араго и дружески обнял его.

Очнувшись от забытья, Ампер обернулся и узнал Араго.

— Представьте, Доминик, к каким замечательным выводам я пришел, продумав открытие Эрстеда. Я занимаюсь этим непрерывно уже целую неделю. Сядем на скамейку…

Ампер поднял с дорожки длинную ветку и продолжал волнуясь:

— Следите как можно внимательнее за ходом моих рассуждений. Я уверен, что уже настал момент решительного пересмотра всех существовавших у нас воззрений об электричестве и магнетизме. И прежде всего, Доминик, я выдвигаю новый раздел в учении об электричестве — электродинамику, которая должна охватить все проявления движущегося электричества. Движущееся электричество мы легко получаем теперь из гальванических батарей. Замкнув цепь, мы получаем течение электрической материи. Это — электрический ток. Не будь электрического тока, ни Эрстед и никто другой никогда бы не обнаружили отклонения магнитной стрелки! Покоящиеся электрические заряды (статическое электричество) не действуют на магнитную стрелку, не отклоняют ее. Это делает только движущееся электричество, электрический ток!

— В непонимании этого кроется причина неудач всех предыдущих опытов Эрстеда? — спросил Драго.

— Конечно! Факт отклонения магнитной стрелки электрическим током есть несомненное доказательство связи или единства сил электричества и магнетизма! Но теперь важно указать и на другое: отклонение электрическим током магнитной стрелки может происходить в одну или другую сторону. Оказывается, все дело в направлении тока. Эрстед очень неудачно изложил это. Я хочу предложить другое, более простое правило…

Низко склонившись, Ампер начал что-то чертить тростинкой на земле.

— Это правило, Доминик, я хочу назвать «правилом пловца».

— Однако при чем здесь пловец? — спросил удивленный Араго, подозревая проявление какой-то новой странности.

— Человек, плывущий по направлению тока, с лицом, обращенным к магнитной стрелке, всегда увидит отклонение северного полюса магнитной стрелки под действием этого тока влево. Вот вам, Доминик, мое «правило пловца». Я это изобразил здесь, на песке дорожки. Видите? Вот направление тока — допустим, от ног к голове пловца; а вот магнитная стрелка: ее ось параллельна направлению тока или направлению движения пловца. При таком расположении северный конец стрелки всегда будет отклоняться влево.

— А если изменится направление тока на обратное?

— Тогда вы должны плыть в новом, обратном, направлении, и та же стрелка повернет свой северный полюс опять же влево.

Смотря на чертеж, Араго молча обдумывал высказанную Ампером идею.

— Как вы думаете, Доминик, — спросил Ампер, — если взять два провода и пустить по ним ток, должно ли проявиться между ними какое-нибудь взаимодействие?

— Мне кажется, Андре, что это произойдет обязательно: ведь два проводника с током обладают магнитными свойствами.

— Жму вашу руку, Доминик. Правильно! А теперь позвольте нарисовать два одинаково направленных тока и спросить вас, как именно проявится их взаимодействие: эти провода с током взаимно притянутся или оттолкнутся?

— Провода оттолкнутся! Два одинаково направленные тока — два одноименных тока. Одноименные заряды и одноименные магниты отталкиваются.

— Но вы, Доминик, забыли, что здесь у вас два тока — два движущихся электричества. Вы ошиблись: на самом деле провода должны притянуться! Нетрудно убедиться и в том, что провода с разно направленными токами должны оттолкнуться. Сначала я ставил опыты с прямыми проводами, по которым пропускал ток в разных направлениях. Потом я исследовал магнитные свойства провода, свернутого в круг. При этом мне пришло в голову, что можно значительно усилить магнетизм провода, если последовательно связать несколько круговых токов. И вот я свернул провод в виде винтообразной спирали. Получился трубообразный провод, который я называю соленоидом (по-гречески «соленоид» — трубообразный). Магнитное действие соленоида, по которому я пропускал ток, было более значительным, чем действие одного его кольца. Я сразу уже обнаружил с каждой стороны соленоида магнетизм определенной полярности. Это легко было установить приближением к концам соленоида магнитной стрелки. Один конец соленоида притягивал северный конец магнитной стрелки, что означало, что этот конец соленоида проявляет южный магнетизм; другой конец соленоида притягивал южный конец магнитной стрелки, а это означает, что сам соленоид в этом конце действует как северный полюс магнита. В дальнейшем я убедился, что южный полюс соленоида всегда образуется на том его конце, глядя на который мы видим направление тока совпадающим с направлением вращения часовой стрелки, а северный полюс соответствует направлению тока против часовой стрелки. Размышления над соленоидом и его свойствами привели меня к одному очень важному предположению. Можете считать это моей гипотезой, Доминик, но я уверен, что опыты с соленоидом вскрывают истинную природу магнетизма!

Я твердо уверен в том, что каждый магнит, как бы он ни был мал, является собранием естественных соленоидов. В каждой отдельной молекуле магнитного тела, по-видимому, есть круговой ток. Можно поэтому сказать, что магнетизм какого-либо тела есть результат общего действия всех гальванических токов в каждой частице вещества. Вот какова природа магнетизма всего данного тела! Отсюда общий вывод: токи создают магнитные свойства тел.

Ампер начертил на земле прямоугольник, изображавший конец стержневого магнита, и внутри него много маленьких кружков. Они обозначали молекулы тел. Внутри каждого кружка он нарисовал стрелку по движению стрелки часов — это изображало направление движения тока в молекуле. А вокруг всего прямоугольника — в том же направлении — четыре прямые стрелки, параллельные граням.

— Вот моя схема, Доминик. В этом сущность магнетизма! Согласитесь с тем, что неверно и даже просто чудовищно представлять себе земной магнетизм, как результат действия какого-то зарытого в недрах земли огромного постоянного магнита. Гораздо правильнее представить себе, что вокруг земли, как и в соленоиде, протекают токи. Эти токи создают земной магнетизм, воздействующий известным образом на наши магнитные стрелки. Такова природа земного магнетизма!

— Андре! Ваши гипотезы потрясли меня. Отныне домашняя лаборатория Ампера на улице Фоссе-сен-Виктор по праву должна стать исторической!

Франция, мир Вас не забудут, Андре. Вы пролили свет на одну из самых темных сторон современной науки об электричестве. Все это так. Но скажите, Андре, всегда ли в металлах имеются молекулярные токи, или они возникают в момент намагничивания?

— Можно допустить, что в железе или стали постоянно существуют молекулярные круговые токи, но их оси беспорядочно разбросаны внутри тела. Поэтому и не проявляются магнитные свойства этих металлов. Железо или сталь становятся магнитами только тогда, когда все молекулярные токи будут параллельны друг другу и направлены в одну и ту же сторону. Этого можно добиться либо воздействием тока, либо воздействием естественных или искусственных магнитов. Это пока все, к чему я пришел. Сейчас я занят математическим оформлением закона взаимодействия токов.

18 сентября 1820 года было «большим днем» в Парижской Академии наук: Андре Ампер начал серию докладов по электромагнетизму. И именно с этого времени французы с гордостью стали называть его «наш великий Ампер».

«Теория и опыт как будто в полной силе и законченности вылились сразу из головы этого „Ньютона электричества“», — так много позднее оценил работу Ампера другой математический гений электричества, Джемс Максвелл.

Через месяц после доклада Ампера в Парижской Академии физики Био и Савар установили на опыте закон действия гальванического тока на магнит.

Открытие Эрстеда и гениальные исследования Ампера нашли живейший отклик в работах ряда физиков.

Уже через год молодой английский физик Майкл Фарадей на построенном им приборе наблюдал беспрерывное вращение провода с током вокруг магнита. Электричество во взаимодействии с магнетизмом давало движение!

В марте 1825 года Доминик Араго сообщил Парижской Академии наук о вращении магнитной стрелки под влиянием вращения медного диска, помещенного под стрелкой.

Около этого же времени были сделаны и другие важные открытия в области электричества.

Томас Зеебек, друг Эрстеда, сообщил, что им в 1821 году открыт новый источник тока, возникающий при соприкосновении двух разных металлов (например, меди и висмута, сурьмы и висмута) при подогревании места их соприкасания (спая). Этот источник тока назвали термоэлементом, так как возбудителем электрического тока здесь являлось тепло. «Термос» — по-гречески значит теплый. Теплота давала электричество!

С другой стороны, стали известны многие интересные наблюдения, подтверждающие возможность превращения электричества в другие виды энергии: в тепло и свет (вольтова дуга, открытая Петровым и Дэви), в химическую энергию (разложение воды и различных растворов), в звуковую энергию (гром и другие шумы при электрических разрядах). Это были годы бурного расцвета основ науки об электричестве. Открытия следовали одно за другим.