Единство магнитных и электрических явлений

 

Еще задолго до Фарадея было известно, что молния может намагничивать и размагничивать стальные предметы. Например, в июле 1681 года молния ударила в корабль. Кроме обычных повреждений, причиненных ею, было замечено, что все три корабельных компаса испортились: два– размагнитились, у третьего северный конец стрелки стал показывать юг.

Однажды молния ударила в лавку торговца металлическими изделиями и разбила ящик, в котором лежали ножи и вилки. Некоторые ножи и вилки оплавились, другие оказались намагниченными.

Следовательно, электрический разряд способен придавать стали магнитные свойства и отнимать их.

Несколько важных наблюдений сделали ученые, искавшие связь между магнитными и электрическими явлениями. Один из них – датский физик Эрстед заметил, что электрический ток влияет на магнитную стрелку. Эрстед натянул провод от батареи в направлении с севера на юг. Под проводом он положил компас и пропустил по проводу ток. Стрелка компаса немедленно отклонилась в сторону.

Эрстед записал свое наблюдение: «гальваническое электричество, идущее с севера на юг над свободно подвешенной магнитной иглой, отклоняет ее северный конец к востоку, а, проходя в том же направлении под иглой, отклоняет ее к западу».

Известие об этом открытии Эрстед опубликовал 21 июля 1820 года.

Два месяца спустя – 25 сентября 1820 года – французский ученый Араго намотал на стеклянную трубочку несколько витков проволоки и положил в трубочку стальную иглу.

Когда по проволоке пропустили сильный электрический ток, игла намагнитилась.

Одновременно с Араго другой французский ученый – Ампер показал, что электрический ток, текущий по проводам, обладает магнитными свойствами. Он изобрел особый прибор, устройство которого показано на рис. 21: два прочных проводника разной длины изогнуты в виде буквы Г и укреплены вертикально.

Рис. 21. Прибор Ампера.

 

В верхней части этих Г‑образных стоек сделаны чашечки. Обе стойки укреплены в приборе так, чтобы чашечки находились одна над другой.

В чашечки Ампер налил ртуть и опустил в них иголки, служившие опорой для проволочной четырехугольной рамки. Ртуть обеспечивала надежный контакт, а на иголках рамка могла вращаться очень легко, почти без всякого трения.

Перед опытом рамка была повернута так, чтобы один ее край находился против стойки, соединенной с плюсом батареи. Как только Ампер включил ток, рамка тотчас повернулась. Ее край отодвинулся от стойки, присоединенной к плюсу батареи, и приблизился к стойке, соединенной с минусом батареи. Сколько Ампер ни поворачивал рамку, она неизменно и упорно возвращалась к стойке, соединенной с минусом батареи.

Ампер установил, что электрический ток обладает магнитными свойствами: рамка, по которой течет ток, становится как бы магнитом. Токи, текущие в одном направлении, взаимно притягиваются, а токи, текущие в противоположных направлениях, отталкиваются.

Эрстед, Араго и Ампер неопровержимо доказали существование связи между магнитными и электрическими явлениями.

Фарадей же был убежден в большем. Он считал, что электричество и магнетизм, – как орел и решка из монете, – две стороны одного и того же явления. А чтобы доказать это – требовалось «превратить электричество в магнетизм и магнетизм в электричество». Так и было записано в 1821 году в дневнике Фарадея.

 

Через неудачи к победе

 

Вот как Фарадей выполнил свою задачу. Он намотал на деревянный барабан кусок медной проволоки длиной около 8 метров; чтобы витки не соприкасались между собой, Фарадей изолировал их тонким шнурком, который он наматывал вместе с проволокой (изолированных проводников тогда делать не умели).

Первый слой своей катушки ученый обернул коленкоровой лентой и поверх нее стал наматывать второй слой. Надежно изолировав второй слой, Фарадей намотал третий. Так была изготовлена проволочная катушка из 12 слоев, изолированных один от другого.

Первый, третий, пятый… – все нечетные слои Фарадей соединил последовательно, и они составили одну общую катушку. Точно так же были соединены вторая, четвертая, шестая – все четные слои обмотки. В результате у Фарадея получились как бы две катушки, намотанные одна внутри другой и надежно изолированные друг от друга. Концы проводов от одной катушки были присоединены к чувствительному гальванометру, а концы другой катушки – к батарее.

Из опытов Ампера Фарадей знал, что наибольшим магнитным действием обладает проводник, свернутый спиралью или намотанный катушкой.

Поэтому он предполагал, что ток, пройдя по одной катушке, окажет свое действие на другую, причем настолько сильное, что в ней возникнет ток, который отклонит стрелку гальванометра.

Присоединив катушку к батарее, Фарадей посмотрел на стрелку гальванометра, она стояла на нуле.

Ток шел по одной катушке и на другую катушку никакого влияния не оказывал (рис. 22).

Рис. 22. Прибор для повторения опыта Фарадея. В момент включения или выключения рубильника во внешней катушке проходит кратковременный ток.

 

Фарадей повторял опыт несколько раз, менял концы проводов у гальванометра и батарей. Все было безрезультатно.

Ожидания Фарадея не оправдались.

Ученого, который слепо преклоняется перед опытом, эта неудача заставила бы бросить начатую работу. Опыт не удается – ничего не поделаешь! Но Фарадей не принадлежал к таким ученым. «Если опыт не удался, – рассуждал Фарадей, – значит я не сумел его поставить. Ток должен влиять! Ток в одной катушке должен вызвать ответный ток во второй катушке!»

Фарадей упрямо продолжал опыты, кропотливо отыскивая причину неудач. Он продумывал каждую мелочь, каждое свое движение. На опыты ушло несколько лет настойчивого труда. Уже потеряв надежду на успех, Фарадей случайно обратил внимание на то, что он сначала присоединяет провода к батарее, а потом смотрит на гальванометр!

Оплошность!

Фарадей прикрутил провод катушки к одному полюсу батареи, поставил гальванометр так, чтобы можно было одновременно и присоединить второй провод и видеть стрелку гальванометра. Не сводя глаз со стрелки, Фарадей коснулся проводом полюса батареи. В момент соприкосновения стрелка гальванометра едва заметно вздрогнула.

Первый успех!

Фарадей коренным образом изменил свой прибор. Он намотал две медные изолированные спирали не на деревянный цилиндр, а на кольцо, сваренное из мягкого железа. Одна спираль охватывала правую половину кольца, вторая – левую. Между спиралями оставались небольшие промежутки железа. Иначе говоря, он сделал два электромагнита, для которых железное кольцо служило общим сердечником.

Концы проволок от одной спирали Фарадей прикрепил к гальванометру, затем, внимательно глядя на прибор, он подключил батарею ко второй спирали. Стрелка гальванометра не только дрогнула, она прыгнула, заметалась из стороны в сторону, далеко отлетая каждый раз от нуля. Стрелка как бы повторяла движения концов проводника, которые Фарадей держал в руках, и успокоилась только тогда, когда ученый поплотнее скрутил провода.

Это была долгожданная победа – плод беспримерного терпения, настойчивости и глубокого убеждения в правоте своей идеи.

После работ Ломоносова и Петрова открытие Фарадея было крупнейшим успехом науки об электричестве.

Единство магнитных и электрических явлений стало очевидным.

Явление, открытое Фарадеем, получило название электромагнитной индукции, то есть электромагнитного наведения или влияния.