Приключение великих уравнений
Шрифт:
За многие годы Фарадей перебрал множество комбинаций проводников, спиралей, сердечников и магнитов. Говорят, он в течение всего этого времени таскал в кармане магнит и кусок проволоки, чтобы в любое время исследовать, что произойдет при новом их взаимном расположении.
Нельзя сказать, чтобы искал он совсем уж вслепую. Фарадей опирался на аналогию с электростатической индукцией. (Если к телу поднести заряд, то поверхность тела, близкая к заряду, тоже зарядится, но только электричеством другого знака). А Фарадей искал индукцию электрического тока (движущихся зарядов), полагая, что она может быть вызвана магнетизмом.
Первый проблеск удачи появился лишь через одиннадцать лет после начала опытов.
29 августа 1831 года он собрал в лаборатории следующую несложную установку: на железное кольцо диаметром около шести дюймов он намотал изолированной проволокой две обмотки. Когда Фарадей подключил к зажимам одной обмотки батарею, артиллерийский сержант увидел, как дернулась стрелка гальванометра, подсоединенного к другой обмотке.
Дернулась и успокоилась, хотя постоянный ток продолжал течь по первой обмотке. Фарадей тщательно просмотрел все детали простой установки - все было в порядке.
Но стрелка гальванометра упрямо стояла на нуле. С досады Фарадей решил выключить ток, и тут случилось чудо - во время размыкания цепи стрелка гальванометра, показывающего электрическое напряжение в другой обмотке, опять качнулась и опять застыла на нуле! Вот как описывал сам Фарадей события великого дня:
Оригинальные приборы Фарадея - кольцо и катушка с вдвигаемым в нее магнитом. Трудно поверить, что с помощью именно этих "кусков проволоки и небольшого количества железа" Фарадей сделал поистине гениальное открытие!
"Я изготовил железное кольцо из мягкого круглого железа толщиной в 7/8 дюйма. Внешний диаметр кольца был 6 дюймов. Я намотал на одну половину кольца много витков медной проволоки, изолированных шнуром и коленкором. Всего на этой половине было намотано три куска проволоки, каждый длиной около 24 футов. Концы проволоки можно было соединить в одну обмотку или применять раздельно.
Испытание показало, что каждый из кусков проволоки вполне изолирован от двух других. Эту сторону кольца я обозначу буквой А. На другую половину кольца, отступив на некоторый промежуток от стороны А, я намотал еще два куска той же проволоки общей длиной около 60 футов. Направление витков было то же, что и на половине А. Эту сторону кольца я обозначу буквой В.
Я зарядил батарею из десяти пар пластинок, 4 квадратных дюйма каждая. На стороне В я соединил оба. конца проволоки в общую цепь и приключил ее к гальванометру, который был удален от моего кольца на 3 фута. Тогда я подключил концы одной из проволок на стороне А к батарее, и тотчас же произошло заметное действие на стрелку гальванометра. Она заколебалась и затем вернулась в свое первоначальное положение. Когда я прервал контакт стороны А с батареей, немедленно же произошел новый бросок стрелки".
Фарадей был в недоумении: во-первых, почему стрелка ведет себя так странно? Во-вторых, имеют ли отношение замеченные им всплески к явлению, которое он искал?
Вот тут-то и открылись Фарадею во всей ясности великие идеи Ампера - связь между электрическим током и магнетизмом. Ведь первая обмотка, в которую он подавал ток, сразу становилась магнитом. Если рассматривать ее как магнит, то эксперимент 29 августа показал, что магнетизм как будто бы рождает электричество. Только две вещи оставались странными: почему всплеск электричества при включении электромагнита стал быстро сходить на нет? И более того, почему всплеск появляется при выключении магнита?
На следующий день 30 августа новая серия экспериментов, Эффект ясно выражен, но тем не менее абсолютно непонятен.
Фарадей чувствует, что открытие где-то рядом.
23 сентября он пишет своему другу Р. Филиппсу13: "Я теперь опять занимаюсь электромагнетизмом и думаю, что напал на удачную вещь, но не могу еще утверждать это. Очень может быть, что после всех моих трудов я в конце концов вытащу водоросли вместо рыбы".
К следующему утру, 24 сентября, Фарадей подготовил много различных устройств, в которых основными элементами были уже не обмотки с электрическим током, а постоянные магниты. И эффект тоже существовал! Стрелка отклонялась и сразу же устремлялась на место. Легкое движение происходило при самых неожиданных манипуляциях с магнитом, иной раз казалось - случайно. Нет, не может того быть! Разгадка где-то рядом. Но где?
Следующий эксперимент - 1 октября. Фарадей решает вернуться к самому началу - к двум обмоткам: одной с током, другой - подсоединенной к гальванометру. Различие с первым экспериментом - отсутствие стального кольца сердечника. Всплеск почти незаметен. Результат тривиален. Ясно, что магнит без сердечника гораздо слабее магнита с сердечником. Поэтому и эффект выражен слабее. (Тривиально и ясно для нас, уже знающих, в чем тут дело. Но для Фарадея роль железного сердечника ясна отнюдь не была).
Фарадей разочарован. Две недели он не подходит к приборам, размышляя о причинах неудачи.
В записках Фарадея была найдена "шкала научных заслуг". Вот она:
Четыре ступени:
Открытие нового факта.
Сведение его к известным принципам.
Открытие факта, не сводимого к известным принципам.
Сведение всех фактов к ещеболее общим принципам.
Если воспользоваться этой шкалой, то можно увидеть, что открытия самого Фарадея - высшая ступень. Открытие Герцем электромагнитных волн - это вторая ступень, открытие радиоактивности Беккерелем - третья ступень. Заслуга Эйнштейна - четвертая, высшая ступень.
Эксперимент триумфальный - 17 октября.
Фарадей заранее знает, как это будет. Опыт удается блестяще.
"Я взял цилиндрический магнитный брусок (3/4 дюйма в диаметре и 8 1/4 дюйма длиной) и ввел один его конец в просвет спирали из медной проволоки (220 футов длиной), соединенной с гальванометром. Потом я быстрым движением втолкнул магнит внутрь спирали на всю его длину, и стрелка гальванометра испытала толчок. Затем я так же быстро вытащил магнит из спирали, и стрелка опять качнулась, но в противоположную сторону. Эти качания стрелки повторялись всякий раз, как магнит вталкивался или выталкивался".