У истоков электротехники - 2
Работая по разные стороны Атлантики, Майкл Фарадей и Джозеф Генри заложили основы современной электротехники. В 2021 году отмечалось 230-летие Фарадея, а 17 декабря 2022-го исполнилось 225 лет со дня рождения Генри.
Экспериментальная философия
Джозеф Генри родился в 1797 году в Олбани, штат Нью-Йорк; в этом городе получил высшее образование и начал научную карьеру. Родители его были небогаты, отец умер рано, и мальчика взяла к себе бабушка, жившая в городке Голуэй в том же штате. Там будущий великий физик окончил начальную школу (которая теперь носит его имя) и начал работать, сначала в магазине промтоваров, а с тринадцати лет - в мастерских часовщика и ювелира в качестве подмастерья. Подростком он серьёзно увлекался театром и, возможно, стал бы профессиональным актёром, если бы в шестнадцать лет ему не попалась на глаза книга со странным на современный взгляд названием «Популярные лекции по экспериментальной философии». Этот труд возбудил в молодом человеке интерес к науке - пока что общего характера, выбор конкретного направления был ещё впереди.
В 1819 году Генри решил продолжить своё образование и поступил в основанную шестью годами ранее Академию Олбани, где ему предоставили возможность учиться бесплатно. О такой роскоши, как стипендия, речи не было, и себе на жизнь он зарабатывал частными уроками. А поскольку учился он блестяще, преподаватели нередко просили его помогать на занятиях.
Поначалу Генри собирался стать медиком и углубился в изучение химии, анатомии и физиологии. Однако в 1824 году неожиданно для себя он получил место помощника инженера в проекте по прокладке дороги от реки Гудзон до озера Эри и, с энтузиазмом включившись в работу, понял, что ему ближе техника и строительство. Спустя ещё два года 29-летний учёный был избран на должность профессора кафедры математики и естественной философии Академии Олбани, где провёл ряд прославивших его исследований в области электромагнетизма.
Электромагниты
Свою первую значительную работу по электромагнетизму - «О некоторых модификациях электромагнитного аппарата» - Джеймс Генри представил в Академии Олбани во второй половине 1827 года. Вдохновлённый недавними достижениями Уильяма Стерджена, сумевшего значительно поднять эффективность электромагнита, он предлагал для снижения необходимой мощности батареи применять везде, где это возможно, принцип, на котором базируется так называемый мультипликатор Швейггера, то есть одиночный провод, находящийся в магнитном поле, заменять объёмной катушкой.
Далее Генри намотал на катушку с металлическим сердечником провод, изолированный шёлком (Стерджен изоляцию не применял, поэтому провод наматывался в один слой с зазором между витками), и получил компактные электромагниты невиданной до тех пор силы, которые продемонстрировал в Академии Олбани в июне 1828 и марте 1829 года.
При этом Генри показал, что если электромагнит подключается к единственной гальванической батарее, то лучше всего взять несколько катушек и включить их обмотки параллельно. Если же батарей несколько, их стоит соединить последовательно и использовать одну длинную катушку; именно такой вариант подходит для создания телеграфа. Всё это, по-видимому, было опробовано впервые в мире, но Генри не публиковал подробных отчётов о своих экспериментах, а его электромагниты, способные удерживать тяжёлые грузы, появились и прославились уже после того, как он в 1830 году переехал из Олбани в Принстон, а оттуда совершил поездку в Европу и вернулся домой.
Игрушки и не только
В 1831 году Джозеф Генри соорудил в Айронвиле (штат Нью-Йорк) первую в истории коммерческую электроустановку - электромагнитный сепаратор железной руды. Основной её частью был новый электромагнит, способный держать груз весом до 750 фунтов (340 кг). Этот магнит опускали в измельчённую породу, включали ток, и частицы, богатые железом, притягивались, а пустая порода оставалась на месте. В дальнейшем Генри создал электромагнитные краны с грузоподъёмностью 2300 и 3500 фунтов.
В начале того же 1831 года он построил в Академии Олбани прототип телеграфа. На одном конце линии из изолированного провода длиной в милю с небольшим находился источник питания, на другом - колокольчик, язычок которого притягивался якорем электромагнита. Когда на первый конец линии подавали ток, на втором звонил колокольчик.
Около 1835 года Генри сконструировал электромеханическое устройство, коммутирующее цепь. Оно не называлось «реле» (этот термин впервые появился только в патенте Самуэля Морзе на телеграфный аппарат) и использовалось на занятиях в демонстрационных целях. В учебной установке имелись два электромагнита: мощный основной, находясь под током, удерживал на весу массивный груз, а небольшой управляющий замыкал и размыкал цепь основного. Когда в цепь управляющего электромагнита подавался ток, он притягивал тонкую металлическую проволочку, которая размыкала цепь основного электромагнита, и груз, к восторгу студентов, срывался вниз и падал с оглушительным грохотом. Трудно усмотреть прямую преемственность между этой конструкцией и первыми реле телеграфных систем, решавшими задачи, далёкие от подъёма грузов, но идея у них общая: при изменении состояния одной цепи меняется состояние другой.
Джозеф Генри создал свой вариант электродвигателя постоянного тока, который не вращал ротор, а качал якорь, напоминающий коромысло. Шест с двумя катушками и контактами поочерёдно, то одним, то другим плечом, касался электродов гальванических батарей. При каждом соприкосновении полярность электромагнита менялась, так что шест начинал движение в противоположном направлении. Сам Генри считал своё изобретение «физической игрушкой», но надеялся, что при дальнейшем усовершенствовании оно сможет найти практическое применение. Этого не произошло, зато «игрушка» помогла учёному обнаружить явление электромагнитной индукции (термина, как и в случае реле, ещё не существовало - его лишь в 1884 году ввёл Оливер Хевисайд). Одновременно с Генри индукцию исследовал Майкл Фарадей, но учёные, находясь по разные стороны океана, делали открытия независимо друг от друга. Сейчас считается, что Генри открыл самоиндукцию, а Фарадей - взаимоиндукцию; единица измерения индуктивности в системе Си называется генри.
Читайте другие наши материалы
