Ирина Радунская – Квинтэссенция. Книга первая (страница 27)

Лишь в 1841 году англичанин Д. П. Джоуль, бывший пивовар, начал экспериментировать, основываясь на представлении о течении электрического флюида и предполагая, что теплота выделяется при соударении частиц флюида с частицами проводника. Он писал: «… я подумал, что действие тока должно изменяться при изменении силы электрического тока, как квадрат силы тока. Ясно, что в таком случае сопротивление должно изменяться в двойном отношении: из-за увеличения количества проходящего электричества в данный промежуток времени, а также из-за увеличения самой его скорости».

Сколь ни наивным кажется нам это рассуждение, эксперимент подтвердил ожидания Джоуля. Открытый им закон, наряду с проведенными исследованиями процесса выделения тепла за счет механической работы, легли в основу фундаментального закона сохранения энергии.

Этот важнейший физический закон впервые сформулирован немецким врачом Ю. Р. Майером. Непонимание современников оказалось причиной того, что судьба Майера была трагичной.

Участвуя в качестве корабельного врача в плавании на остров Яву, Майер заметил, что цвет венозной крови человека в тропиках значительно светлее, чем в северных широтах. Он понял, что существует связь между реакцией окисления питательных веществ в организме человека и выделением тепла. Он предположил, что теплота и механическая работа, на которую расходуется окисляемая пища, способны к взаимному превращению. Майер в 1845 году впервые установил закон сохранения энергии и вычислил механический эквивалент теплоты.

Выдающееся открытие не получило признания. Брошюра с изложением его исследований, изданная им на собственные средства, осталась почти неизвестной. Первооткрывателем закона стали называть Джоуля.

Попытки Майера защитить свой приоритет привели к недобросовестным нападкам на него, перешедшими в настоящую травлю. Это привело его в сумасшедший дом и к преждевременной смерти.

ПУТЬ ФАРАДЕЯ

В начале плодотворных двадцатых годов позапрошлого века в науку вошел сын кузнеца, переплетчик — самоучка М. Фарадей, лишь в двадцать шесть лет ставший ассистентом знаменитого химика Дэви. Руководящей мыслью Фарадея с самого начала его научной деятельности стала идея единства физических сил. В 1821 году он впервые осуществил вращение магнита вокруг проводника с током и проводника с током вокруг магнита. Это были, по существу, первые модели электрических двигателей. Здесь ясно продемонстрирована взаимосвязь электрических и магнитных сил, электрических и магнитных явлений.

Возродилась и вновь вошла в науку «поворачивающая сила», открытая Эрстедом. Но теперь не только ток поворачивал магнит, но и магнит поворачивал проводник с током. В том же 1821 году Фарадей поставил перед собой цель — превратить магнетизм в электричество.

Иногда говорят, что открытие — результат наития. Бывает и так. Но чаще — открытие возникает из глубокого обдумывания результатов эксперимента. Еще чаще — открытие рождается упорным систематическим трудом, тщательным проведением опытов, сопоставлением получаемых результатов с существующими теориями, выявлением неувязок, настойчивым стремлением к ясности.

Так Фарадей пришел к своему величайшему открытию. Десять лет упорного труда и глубоких размышлений привели его к пониманию явления электромагнитной индукции и получению электричества из магнетизма. Основные результаты получены при помощи простейшего приспособления: спирального проводника, присоединенного концами к гальванометру, и прямого постоянного магнита.

Стоит ввести магнит одним из концов внутрь спирали, как стрелка гальванометра отклонится. Если теперь извлечь магнит из спирали, стрелка гальванометра отклонится в противоположную сторону. Движение магнита порождает в проводнике электрический ток. Направление тока зависит от направления движения магнита.

Можно обойтись без постоянного магнита. Достаточно намотать на сердечник из мягкого железа две проволочные спирали. Концы одной из них нужно присоединить к гальванометру. Стоит присоединить концы второй спирали к электрической батарее, как стрелка гальванометра отклонится. При отключении батареи стрелка отклонится в противоположную сторону.

Здесь нет движущихся частей. Ток, порожденный батареей, проходя по второй спирали, превращает сердечник в магнит. В свою очередь этот магнит порождает электрический ток в первой спирали, о чем свидетельствует отклонение стрелки гальванометра. При отключении батареи сердечник размагничивается. Размагничивание сердечника порождает ток, направленный противоположно возникающему при намагничивании.

В этом случае тоже происходит двойное преобразование: ток, возникающий во второй спирали, намагничивает сердечник. Намагничивание сердечника порождает ток в первой спирали. Двойное преобразование сопровождает и выключение батареи.

Открытие электромагнитной индукции привело Фарадея к пониманию загадочного опыта Араго.

Он пришел к выводу о том, что вращение медного диска в магнитном поле Земли вызывает появление в диске индуктивных электрических токов. Магнитное поле этих токов отклоняет стрелку компаса.

Для доказательства правильности этого объяснения Фарадей поместил вращающийся медный диск между полюсами магнита. Затем присоединил гальванометр одним проводом к оси вращающегося диска, а другим к краю этого диска. Гальванометр показывал наличие электрического тока, величина которого изменялась в зависимости от скорости вращения диска.

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.