У истоков электротехники
Двести лет назад, в 1821 году, тридцатилетний Майкл Фарадей закончил работу над «Опытом истории электромагнетизма» и приступил к собственным экспериментам, результаты которых представил в статье «О некоторых новых электромагнитных движениях и о теории магнетизма». Эту статью считают началом промышленной электротехники, так как в ней описан простейший электродвигатель - несовершенный, но вполне работоспособный.
Мотор раздора
Установка, считающаяся ныне первым электромотором, состояла из наполненной ртутью ёмкости с постоянным магнитом в середине и свободно висящего тонкого металлического стержня, конец которого был погружён в ртуть. При включении тока стержень начинал вращаться. Можно было сделать и наоборот, чтобы магнит, закреплённый на шарнире, вращался вокруг неподвижного проводника. Фарадей назвал это явление электромагнитным вращением. Как сообщает Википедия, конструкцию Фарадея часто воспроизводят на школьных уроках физики, заменив токсичную ртуть концентрированным соляным раствором. Честно говоря, ни я, ни мои знакомые таких уроков не помнят, но может быть, нам просто не повезло. А поставить этот опыт действительно очень просто.
Увы, статья об электромагнитном вращении не только принесла молодому учёному заслуженную славу, но и навлекла на него несправедливое обвинение в плагиате, что, как предполагают биографы, отрицательно повлияло на ход дальнейших исследований Фарадея в области электромагнетизма. Дело в том, что, спеша опубликовать результаты своего эксперимента, Фарадей не упомянул в статье о другом (неудачном) опыте - эту идею обсуждал с его учителем Хэмфри Дэви химик Вильям Волластон. Возмущённый Волластон заявил, что Фарадей приписал себе его открытие, Дэви поддержал Волластона, и возник конфликт, который Фарадею удалось уладить лишь отчасти. Он сравнительно быстро объяснился и полностью примирился с Волластоном, но прежние тёплые отношения с Дэви исчезли - как оказалось, навсегда. В 1823 году Дэви резко выступил против избрания Фарадея в члены Королевского общества (британский аналог академий наук в странах континентальной Европы) и требовал, чтобы тот снял свою кандидатуру. Фарадей отказался и был избран (при одном-единственном голосе против). После избрания он занимался главным образом вопросами химии, а в 1825 году вошел в комиссию по усовершенствованию производства оптического стекла и состоял в ней до 1830-го. По электромагнетизму за всё это время он почти ничего не опубликовал.
Но на самом деле интерес к теме у Фарадея вовсе не пропал. В 1822 году, думая, что недоразумение с Волластоном полностью исчерпано, он записал в своём дневнике список задач, над которыми собирался работать в ближайшее время, и первая из них была «превратить магнетизм в электричество». Как рассказывают очевидцы, с тех пор он носил в кармане жилетки кусок магнита, чтобы постоянно напоминать себе о поставленной задаче, и не переставал о ней думать. Периодически ставил опыты - правда, вплоть до 1831 года результатов они не приносили. А в 1831-м отказался продолжать работу над оптическим стеклом и провёл серию новых опытов - «чтобы получить электричество от магнетизма», - увенчавшихся полным успехом.
Индукция
В первом эксперименте, 29 августа 1831 года, Фарадей изготовил железное кольцо с двумя обмотками из покрытого изоляцией провода, подсоединив одну из них (первичную, как сказали бы мы сейчас) к сильной гальванической батарее, а другую (вторичную) - к чувствительному гальванометру. Стрелка гальванометра никак не реагировала на наличие или отсутствие постоянного тока в первичной обмотке, но слегка отклонялась при его включении и выключении - так было открыто явление электромагнитной индукции.
Кольцо с двумя обмотками иногда называют «трансформатором Фарадея», но это не значит, что он открыл возможности трансформации тока и напряжения: источников переменного тока тогда не существовало, да и число витков в обмотках у Фарадея не различалось.
Семнадцатого октября учёный провёл ещё один важнейший опыт, пятый по счёту. Он подключил к гальванометру соленоид и быстро внёс в середину катушки цилиндрический магнит. В этот момент стрелка отклонилась, а когда Фарадей быстро убрал магнит, она отклонилась вновь. Таким образом, задача «превращения магнетизма в электричество» была решена и стала понятной главная причина, по которой не удавались предыдущие эксперименты: чтобы под действием магнита в проводнике возник ток, нужно движение одного относительно другого.
Энергия вращения
В девятом эксперименте, 28 октября, учёный подсоединил к гальванометру ось и край медного диска, помещённого между полюсами подковообразного магнита, и придал ему вращательное движение. Гальванометр показал наличие тока, но вот что любопытно: как только диск начинал вращаться в другую сторону, сразу и ток менял своё направление на противоположное. Созданный таким образом диск Фарадея был первым электромагнитным генератором, превращавшим механическую энергию вращения в электричество, - не очень эффективным, поскольку по тому же диску протекали противотоки, но демонстрирующим принципиальную возможность «получения постоянного электрического тока посредством обычных магнитов».
Заключительный опыт, проведённый 4 ноября, интересен тем, что в связи с ним Фарадей впервые употребил выражение «линии магнитной силы». Значительно позднее молодой математик Джеймс Максвелл (в 1831 году он только родился) выразил концепцию силовых линий Фарадея на языке математических уравнений, а затем создал теорию электромагнитного поля (см. «Энерговектор», №6/2021, с. 8).
По итогам проделанной работы Фарадей составил доклад для Королевского общества, который он прочитал 24 ноября 1831 года, а позднее опубликовал как серию статей, первую в многотомных «Опытных исследованиях по электричеству». Поскольку между докладом и публикацией прошло значительное время, Фарадей, наученный горьким опытом, постарался внести ясность в вопрос о научном приоритете. Но электромагнитную индукцию независимо от Фарадея и примерно в то же время обнаружил американец Джозеф Генри, - впрочем, результаты своих опытов Генри опубликовал позже, и в Европе они тогда прошли незамеченными.
Читайте другие наши материалы
