Квинтэссенция. Книга первая - Ирина Львовна Радунская

Фарадей изменял направление тока, вращая диск в противоположную сторону или меняя расположение полюсов магнита при неизменном направлении вращения диска. Главный вывод из этих опытов: механическая работа, затрачиваемая на вращение диска, превращается в электрический ток.

Кто же открыл возможность преобразовывать механическую энергию в электрический ток, — Араго, поставивший свой опыт, повинуясь интуиции, или Фарадей, превративший комбинацию постоянного магнита и вращающегося диска в источник электрического тока?

Несомненно, что изобретение первого механического генератора электрического тока принадлежит Фарадею, создавшему свою модель на основе ясного понимания сущности электромагнитной индукции.

Из этого опыта Фарадей вывел знаменитое правило, позволяющее определить направление тока в прямолинейном проводнике, движущемся перед полюсом магнита. Но, об этом позже.

ЕДИНСТВО СИЛ

Фарадей настойчиво продвигался к цели, поставленной в начале научной деятельности. Его целью была проверка интуитивно возникшей у него идеи об единстве физических сил. На этом пути он не мог обойти вопроса о воздействии сил на вещество.

Один из важнейших шагов в этом направлении было введение в науку представления о магнитных кривых:

«Под магнитными кривыми, — писал Фарадей, — я понимаю линии магнитных сил… Эти линии вырисовываются железными опилками; к ним касательно располагались бы весьма малые магнитные стрелочки».

Известно, что Фарадей не изучал математики и почти не пользовался ею. Тем удивительней его способность умозрительно проникать в глубинную суть эксперимента, извлекать из нее наглядные понятия и строить на их основе теоретические представления, позволяющие предсказывать неизвестные явления. И он умел при помощи дополнительных опытов обнаруживать и изучать эти явления.

Так, по-своему, Фарадей трансформировал триаду Галилея: опыт — теория — опыт. Он отвергал каждое теоретическое построение, не имеющее предсказательной силы. Он не возлагал на других проверку правильности своих предвидений. Он брал эту обязанность на себя.

Вот как он это делал.

Исходный опыт:

«Когда через провод проходит электрический ток, этот провод во всех своих точках окружен магнитными кривыми, интенсивность которых убывает с расстоянием».

Рассуждение:

«Мысленно можно уподобить их кольцам, расположенным в плоскостях, перпендикулярных проводу, или, вернее, к протекающему в нем току. Хотя и отличные по форме, эти кривые являются совершенно аналогичными тем, которые существуют между двумя обращенными друг к другу разноименными полюсами» — (магнитов, Р.Ж.).

Вывод:

«Когда второй провод, параллельный тому, который несет ток, приближают к последнему, то он проходит через магнитные кривые точно такого же рода, которые он пересекал бы при своем перемещении в некотором направлении между противоположными полюсами».

Но Фарадей уже знает, что относительное перемещение проводника и магнитных кривых вызывает в проводнике появление электрического тока.

Контрольный опыт: Перемещение проводника относительно магнитных кривых, окружающих второй проводник, несущий ток, действительно вызывает в первом проводнике появление тока.

Последующие опыты показывают полную аналогию магнитных кривых, порождаемых током, и магнитных кривых, порождаемых магнитом.

Опыт: если нет перемещения одного проводника относительно другого проводника, несущего ток, то ток в первом проводнике не возникает.

Объяснение: в этом случае магнитные кривые не пересекают проводник.

Опыт: Если проводник удаляют от проводника с током, то ток в первом проводнике течет в противоположном направлении, чем при его приближении.

Объяснение: магнитные кривые пересекаются в противоположном направлении.

Наконец, еще один опыт: оба проводника неподвижны; при включении тока в одном из них, ток возникает и в другом проводнике. При выключении тока в первом проводнике, во втором возникает ток противоположного направления.

Объяснение: при включении тока возникают и развиваются магнитные кривые, окружающие ток. «Они как бы распространяются в стороны от провода и, следовательно, оказываются по отношению к неподвижному, индуцируемому проводу в том же положении, как если бы он двигался в противоположном направлении поперек них или по направлению к несущему ток проводу».

Здесь впервые описано магнитное поле как объективная реальность, проявляющая себя магнитными кривыми. Показано, что электрический ток появляется в проводнике, если проводник и магнитные кривые смещаются друг относительно друга. Ток появляется независимо от того, что вызвало появление магнитных кривых (магнитного поля) и их пересечение проводником.

Слово «поле» еще не введено в описание картины, но установлена суть дела. Существенно относительное смещение проводника и промежуточного агента, представленного магнитными кривыми.

Фарадей, мысливший конкретно, представлял себе магнитные силовые линии особыми натяжениями эфира. Тесная связь между электрическими и магнитными явлениями побудило его к тому, чтобы связать и электрические взаимодействия с электрическими натяжениями в эфире. При этом он опирался на возможность «обнаружения» магнитных силовых линий при помощи мелкого порошка железа, а электрических силовых линий — при помощи сухой пыльцы растений.

Так возник и остался без ответа вопрос: могут ли эти натяжения, эти силовые линии возникать в «старом» эфире или, наряду с ними, существует особый, электромагнитный эфир?

ЕДИНСТВО СИЛ

Теперь можно возвратиться к тому, как Фарадей определил направление тока в проводнике. Для каждого частного случая ему приходилось рассуждать о том, как пересекаются магнитные кривые.

В 1833 году петербургский академик Э. Х. Ленц показал, что условия, определяющие в правилах Фарадея направления пересечения магнитных кривых, можно объединить одним правилом. Оно известно теперь каждому, как закон Ленца: индуцируемый ток направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует тому изменению магнитного поля, которое вызывает этот ток.

Это правило относится ко всем случаям электромагнитной индукции. Если индукцию вызывает движение магнита, то направление индуцируемого тока оказывается таким, что магнитное поле этого тока препятствует движению магнита. Если индукцию вызывает перемещение или деформация проводника с током, то магнитное поле индуцируемого тока препятствует перемещению или деформации проводника.

Точнее: магнитное поле наведенного тока препятствует изменению первоначального магнитного поля.

Открытие электромагнитной индукции поставило перед Фарадеем новый вопрос. Электричество возникает в различных процессах: при трении, при помощи химических реакций (электрическая батарея Вольта и ее потомки), при помощи электростатической индукции и при помощи электромагнитной индукции. Вопрос, сформулированный Фарадеем, таков: обладает ли электричеством единой природой, независимо от способа его получения?

Целым рядом опытов Фарадей доказал идентичность всех видов электричества. С этой целью он впервые применил баллистический гальванометр. Такой гальванометр специально предназначен для измерения количества электричества, протекающего по проводам за короткое время. Мы теперь говорим — короткими импульсами. Так происходит, например, при разряде лейденской банки или другого конденсатора.

Баллистический гальванометр отличается от обычного утяжеленной рамкой, несущей обмотку гальванометра и стрелку. Легкая рамка обычного гальванометра, обладающая малой инерцией, позволяет его стрелке следовать за изменениями силы тока, указывая силу тока в данный момент. Мощный кратковременный импульс тока, проходя через обмотку легкой рамки, заставит стрелку такого гальванометра почти мгновенно дойти до упора, находящегося в конце шкалы. Даже если при