Гениальный подмастерье

Эстафету превращения знаний об электромагнитных явлениях в прикладную науку подхватил не известный среди ученых подмастерье лондонской букинистической лавки Майкл Фарадей. Действительный член Лондонского королевского общества сэр Гэмфри Дэви сделал главное открытие в науке: он открыл Майкла Фарадея и привел его в Академию.

На работу в книжный магазин Фарадей попал двенадцати лет от роду. Здесь и читать доучился. Книг было много, на чтение уходило все свободное время. Его воображение поразили “Британская энциклопедия”, “Беседы о химии”, труды Леонарда Эйлера и его переписка с М. Ломоносовым. Поэтому у Фарадея рано сложилось представление, что в природе все явления едины. Сохранилось его письмо приятелю: ”Первая построенная мною батарея состояла из несметного числа пар пластин (!!!) - из семи пар. Каждая пластина – непомерной величины (!!!) - с полупенсовик. Я, милостивый государь, сам, собственноручно вырезал эти пластины…”

Лавку посещали многие образованные люди. Один из покупателей заметил, что мальчишка читает журнал ”Химическое обозрение”. Это был мистер Денс, член Королевского института. Он и пригласил Фарадея послушать лекции своего друга, сэра Гемфри Дэви. Лекции покорили Майкла. Ему исполнился 21 год, когда он решил посвятить себя науке. Однако письменное обращение к президенту Королевского общества осталось без ответа. Позже он с таким же письмом обращается к Гемфри Дэви, приложил к нему конспекты прослушанных лекций. После нескольких неудачных попыток он был устроен к Дэви лаборантом. Это случилось 1 марта 1813 года. Фарадей вместе с Дэви объехали Францию, Италию, Германию, Бельгию. Это - начало новой эпохи в жизни юноши. В это время он знакомится с Ампером, Гей-Люссаком, Гумбольдтом. В Милане – видел самого Вольта. Он ощутил аромат витающих в воздухе новых открытий об электричестве. Из путешествия Фарадей вернулся зрелым, самостоятельно мыслящим ученым. Первая его научная статья была посвящена исследованию тосканского известняка.

В августе 1820 года Дэви и Фарадей повторяют опыт Эрстеда. Они уже предвидели открытия, но их обогнал Ампер. Дэви занялся другими проблемами. Зимой 1821 года Фарадей упорно ставит опыты один за другим, но результатов, удовлетворяющих его, не было. Толчком к успеху послужило предложение Фарадею написать для научного журнала статью по истории электромагнетизма. Будучи человеком педантичным, он решил лично проделать все опыты, которые привели к пониманию электромагнетизма. Под конец он решил поставить опыт, который они не раз обсуждали с Дэви: проволочка с током должна под действием магнита вращаться вокруг своей оси. Установка состояла из серебряной чаши с ртутью, в центре ее был помещен магнит. Медная проволока была воткнута в пробку, которая плавала на поверхности ртути. По проволоке пропустили ток от вольтового столба, один полюс которого был присоединен к чаше. При включении тока проволочка начала быстро вращаться вокруг магнита. Изменение направления тока в проволочке привело к изменению направления вращения. Возбужденный открытием, Фарадей сделал рисунок прибора, с которого началась вся нынешняя электроэнергетика. Для статьи в журнале была сделана очень эффектная концовка. Фарадей никогда не брал патентов на свои изобретения. Его объяснение: ”Мне хотелось бы отыскать новые факты и новые соотношения, связанные с магнитоэлектрической индукцией, чем увеличить мощность достигнутых эффектов”.

В 1824 году он стал действительным членом Лондонского Королевского общества. Но самые великие открытия Фарадея были впереди. Логика его была на первый взгляд проста: если электричество порождает магнетизм, то, по-видимому, возможно “получить электричество при помощи магнетизма”. Вот он, принцип обратимости, важное свойство практически любой нынешней электрической машины. Такую же задачу ставили Ампер, Араго, но онипосчитали, что решения она не имеет. Фарадей оказался более настойчивым и последовательным. Он ставил опыт за опытом, педантично записывал каждый из них в свой дневник. Последний, описанный в дневнике, опыт имеет номер 16041.

Не раз за эти годы он возвращался к этой проблеме, пока не придумал серию экспериментов, кажущихся крайне незамысловатым по современным меркам. На железную катушку в форме бублика, например, он с одной стороны намотал плотные витки длинного, заизолированного от железного сердечника проводника, подключаемые к сильной электрической батарее, а с другой — плотные витки электрического проводника, подключенного к гальванометру — прибору для обнаружения электрического тока. Железный сердечник был нужен для «поимки» силовых линий образующегося магнитного поля и передачи их внутрь контура второй обмотки.

Первые результаты пришли не сразу. Сначала, сколько Фарадей ни наблюдал за своей установкой, при протекании электрического тока по первичной обмотке тока во вторичной обмотке не возбуждалось. Могло показаться, что предположения Фарадея относительно «преобразования» электричества в магнетизм и обратно ошибочны. И тут на помощь пришел случай: обнаружилось, к полному удивлению Фарадея, что стрелка гальванометра в цепи вторичной обмотки скачкообразно отклоняется от нулевого положения лишь при подключении или отключении батареи. И тогда Фарадея посетило великое прозрение: электрическое поле возбуждается лишь при изменении магнитного поля. Самого присутствия магнитного поля недостаточно. Только к 1831 году он, быстро перемещая магнит в катушке, заметил, что в какой-то момент в ее цепи возникает ток. В отличие от Ампера, Фарадей искал ток в катушке не после перемещения магнита, а во время этого движения.

Повторяя свои опыты и анализируя результаты, Фарадей вскоре пришел к выводу, что протекающий по контуру электрический заряд пропорционален изменению так называемого магнитного потока, проходящего через этот контур. Представьте себе, что замкнутый электропроводящий контур положен на лист бумаги, через который проходят силовые линии магнитного поля. Магнитным потоком называется произведение площади контура на напряженность (условно говоря, число силовых линий) магнитного поля, проходящего через эту площадь перпендикулярно ей. В первоначальной формулировке закон электромагнитной индукции Фарадея гласил, что при изменении магнитного потока, проходящего через контур, по проводящему контуру протекает электрический заряд, пропорциональный изменению магнитного потока, который возбуждается без всякого внешнего источника питания типа электрической батареи. Не будучи до конца удовлетворенным формулировкой, в которой фигурировала столь трудноизмеримая величина, как электрический заряд, Фарадей вскоре объединил свой закон с законом Ома и получил формулу (иногда ее принято называть вторым законом электромагнитной индукции Фарадея) для определения электродвижущей силы, возникающей в результате изменения магнитного потока через контур.

Изменить магнитный поток через контур можно тремя способами:

- изменить площадь контура;

- изменить интенсивность магнитного поля;

- изменить взаимную ориентацию магнитного поля и плоскости, в которой лежит контур

Детально обдумав результат и сделав подробное описание опыта, Фарадей строит первый электрогенератор. Любопытно, что это был униполярный генератор. Он вращал металлический диск между полюсами магнита.

В трудах Фарадея нет математических выкладок. Ему от вращения проволочки вокруг магнита к генератору пришлось идти несколько лет. А первый опыт, принесший удачу, выглядел так. На железное кольцо было намотано изолированным проводом две катушки. Когда первую катушку подключали к источнику, в замкнутый второй катушке наблюдался всплеск электрического тока. Причем, когда ток в первой обмотке выключали, во второй снова возникал всплеск тока.

Через две недели он ввел в катушку магнит – и получил тот же эффект. И сделал вывод: ”Электрическая волна возникает только при движении магнита”. И только еше через две недели он установилмежду полюсами магнита диск и закрутил его. Ток с диска он снял с помощью скользящих контактов: один контакт в центре диска, а второй – на его внешней кромке. В записи от 28 октября 1831 г. говорится: «Заставил медный диск вращаться между плюсами большого подковообразного магнита…, ось и точка на краю диска были соединены с гальванометром. При вращении диска стрелка гальванометра приходила в движение» Так удалось обнаружить индукционные токи в металле и создать первый генератор – колесо Фарадея. Англия гордится именем Фарадея, которое стоит рядом 4с другими именами великих англичан: Ньютон, Резерфорд, Максвелл.

В настоящее время униполярный генератор, прототип которого был построен Фарадеем, широко используется в случаях, когда требуется получить большие токи при малом напряжении. Конструкция его более совершенна по сравнению с моделью автора, однако, основной принцип получения электрической энергии и съема её с вращающегося диска сохранилась практически без изменения.