ШЕСТЬ ОПЫТОВ ФАРАДЕЯ
И. КОПЫЛОВ, ПРОФ., И Я. ШНЕИБЕРГ, КАНД. ТЕХН, НАУК
«Я все время стремился открыть новые явления, и связи между ними» - так начал свой доклад об электромагнитной индукции Майкл Фарадей, автор замечательного открытия, представляя его членам лондонского Королевского общества. Неустанный, огромный труд естествоиспытателя стоит за этими словами; тысячи параграфов с описанием опытов содержит лабораторный журнал Фарадея. «Никогда со времен Галилея свет не видел столь поразительных, и разнообразных открытий, вышедших из одной головы, и едва ли скоро увидит другого Фарадея» - так охарактеризовал заслуги ученого великий русский физик А. Г. Столетов.
Лишь некоторые из многих тысяч опытов Фарадея описаны в этой статье, - те, от которых ведет свою историю электромеханика.
В своих воспоминаниях о Карле Марксе его друг, и соратник Вильгельм Либкнехт рассказывает о том огромном впечатлении, которое произвела на Маркса действующая модель локомотива, приводимая в движение электрическим двигателем, выставленная в Лондоне на Риджен-стрит в 1850 году.
«Маркс иронически говорил о победоносно царящей в Европе реакции, которая воображает, что раздавила революцию, не подозревая, что успехи естествознания подготовляют новую революцию. Я поспешил на Риджен-стрит, чтобы посмотреть модель этого современного троянского коня, которого буржуазное общество в самоубийственном ослеплении, как некогда троянцы и троянки, вводило в свой Илион, и который нес ему с собой верную гибель»
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ВРАЩЕНИЕ
Что заставляет проводник вращаться вокруг магнита! От чего зависит направление вращения! Будет ли магнит вращаться вокруг проводника, как проводник вокруг магнита! Можно ли привести их одновременно во взаимное вращение!
Сто пятьдесят лет назад, в сентябре 1821 года, Фарадей отправил в английский журнал «The Quarterly Journal of Science» статью «О некоторых новых электромагнитных движениях, и о теории магнетизма». Статья была опубликована в двенадцатом номере журнала за 1822 год.
«Когда. я производил опыты по определению положения магнитной стрелки относительно провода вольтаического устройства, - писал Фарадей, - я был приведен к ряду опытов, которые, как мне кажется, открывают некоторые новые виды на электромагнитное действие, и на магнетизм вообще, а также вносят большую определенность, и ясность в уже имеющиеся представления. Из этих фактов можно сделать несколько чрезвычайно важных выводов, как-то что проводник имеет стремление вращаться вокруг магнитного полюса» (Подчеркнуто нами. - Авт.)
Явление, описанное Фарадеем, и вызвавшее огромный интерес в научном мире, получило название электромагнитного вращения.
Объясняя замечательный факт, Фарадей писал (см. рис. 1) «Как только пластинки элемента (аккумуляторной батареи. - А в т.) подключались соответственно к верхней чашечке, и к нижнему сосуду, проводник тотчас же начинал вращаться вокруг полюса, и вращался все время, в течение которого прибор находился в соединении с элементом»
От внимания молодого физика не могла ускользнуть, и такая важная деталь эксперимента от чего зависит направление вращения? Ответ мы находим здесь же «Направление вращения проводника соответствовало способу соединения прибора с пластинками элемента, и полярности данного конца магнита. при перемене соединений на обратное направление вращения менялось». Но если одновременно переменить контакты, и изменить полярность магнита, то направление вращения не изменится. И это заметил Фарадей!
Сегодня каждый школьник, призвав на помощь правило левой руки, без труда определит направление некогда загадочного вращения, и объяснит его причину. Но в те годы, на заре электродинамики, когда еще не были сформулированы ее основные законы, требовались незаурядные способности ученого, вдумчивость, и изобретательность экспериментатора, чтобы не только поставить такой необычный опыт, но, и всесторонне исследовать его.
Продемонстрировав вращение проводника с током в магнитном поле, Фарадей ставит перед собой новую цель.
Из работ Ампера следовало, что проводник с током ведет себя подобно магниту (проводники взаимодействовали друг с другом!). Но если проводник может вращаться вокруг магнита, то, и магнит должен вращаться вокруг проводника! Такова логика явлений!
Но, чтобы утверждать это, нужно было обладать умением мыслить логически, и - что не менее важно - придумать простой, и надежный прибор для демонстрации опыта (рис. 2).
Заслуга Фарадея заключается в том, что он наглядно показал принципиальную возможность построения электродвигателя. Он сумел, выражаясь языком его современников, превратить «электромагнитную силу в движение»
Одним из первых дал высокую оценку открытию Фарадея основоположник электродинамики, выдающийся французский ученый Андре Ампер. В апреле 1822 года в докладе Парижской академии наук, названном «Краткое изложение новых опытов по электромагнетизму, выполненных различными физиками с марта 1821 года», Ампер подчеркнул, что до Фарадея никто другой не наблюдал взаимного вращения магнитов, и проводников. Он предложил включить статью Фарадея в сборник наиболее интересных трудов по электромагнетизму, таких, «которые продвигают вперед это новое направление науки»
ПЕРВЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ
Как претворить «электромагнитное вращение» в конструкцию электрического двигателя! Отчего первые модели электродвигателя не получили практического применения! Какое принципиальное конструктивное отличие обеспечило будущее электромотору Якоби! Почему широкое внедрение электродвигателей началось не ранее семидесятых годов прошлого столетия!
Начало XIX столетия ознаменовалось изобретением первого источника электрического тока - вольтова столба. С его помощью были обнаружены, и исследованы тепловые, световые, химические, а затем, и магнитные действия тока.
Статья об электричестве в «Британской энциклопедии» потрясла четырнадцатилетнего ученика переплетной мастерской Майкла Фарадея. (Сын бедного лондонского кузнеца, он, даже не закончив начального образования, был вынужден сам зарабатывать на жизнь.) Рассказ о чудесной силе природы Майкл изучил досконально, по рисункам к статье соорудил электростатическую машину, и стал воспроизводить простейшие опыты. Так начались его первые шаги экспериментатора.
Фарадей много читает, посещает лекции по естествознанию (шиллинг за вход на лекцию дает ему старший брат, работавший, как, и отец, кузнецом). Он мечтает о научной деятельности. В письме президенту Королевского научного общества он просит помочь ему устроиться в лабораторию, но просьба простого переплетчика остается без ответа.
Только с помощью друзей, и при поддержке известного английского ученого Гэмфри Дэви в 1813 году Фарадей становится лаборантом Королевского института, где ему суждено было пройти весь жизненный путь.
В 1816 году в научном журнале Королевского общества публикуется первая статья Фарадея. Открытие электромагнитного вращения, и оригинальные опыты по сжижению газов заметно повысили научный авторитет молодого ученого. В 1824 году он избирается в члены Королевского общества, а в 1827 году получает профессорскую кафедру в Королевском институте. Последующие открытия, и исследования принесли Фарадею всемирную славу.
После опытов Фарадея по электромагнитному вращению появилось немало разнообразных физических приборов, демонстрирующих непрерывное преобразование электрической энергии в механическую «колесо Барлоу» (1824 г.), электродвигатели Риччи (1833 г.), и Генри (1831 г.), и др. Однако все эти весьма интересные физические приборы не получили, какого-либо практического применения. Небезынтересно отметить, что многие из тех, кто пытался создать первый электродвигатель, настолько преклонялись перед конструктивным совершенством паровой машины, что упорно предписывали подвижной части двигателя (якорю) качательное или возвратно-поступательное движение, предавая забвению саму идею «электромагнитного вращения»
Первый электродвигатель постоянного тока с вращательным движением якоря, получивший практическое применение, разработал русский академик Б. С. Якоби в 1834 - 1838 годах. Двигатель был установлен на лодке, названной «электрическим ботом Якоби». Как сообщала петербургская газета «Северная пчела» (№ 216 за 1839 г.), «катер с двенадцатью человеками, движимый электромеханической силой (в 3/4 лошади), ходил несколько часов противу течения, при сильном противном ветре. Что бы ни было впоследствии, важный шаг уже сделан, и России принадлежит слава первого применения теории к практике»
Правда, испытания «электрического бота» показали крайнюю неэкономичность электродвигателей, которые питались током от гальванических батарей. Новый этап в развитии электродвигателя начался лишь в семидесятые годы прошлого века, после изобретения электромашинного генератора.
И в решении этой важнейшей научно-технической проблемы основополагающую роль сыграло открытие Фара*
явление электромагнитной индукции.
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО ИЗ МАГНЕТИЗМА
Могут ли магнитные действия вызвать электрический ток! Почему стрелка гальванометра отклоняется только при замыкании или размыкании цепи! Что происходит в среде, окружающей проводник с током! Случайно ли был открыт закон электромагнитной индукции! Знал ли Фарадей закон Ома!
Исследования Фарадея неразрывно связаны с его представлениями о закономерностях, и взаимосвязях явлений природы. Он внимательно анализирует результаты многочисленных наблюдений, и опытов, производившихся физиками разных стран уже известны взаимные превращения тепловой и механической, электрической, и химической, электрической и тепловой форм энергии.
В 1822 году в записной книжке Фарадея появилась знаменательная запись «Превратить магнетизм в электричество!» Если, рассуждал Фарадей, существуют взаимосвязь, и взаимопревращения «физических сил», то, поскольку электрический ток вызывает магнитные действия, постольку и магнитные действия должны вызывать электрический ток.
Вот один из тех опытов Фарадея, с которых началась предыстория знаменитого закона (рис. 4).
Отклонение стрелки гальванометра, несомненно, вызвано током в цепи с батареей. Но почему стрелка отклоняется только при замыкании или размыкании цепи? Покуда замкнутый ключ оставался в покое, «не удавалось отметить ни действия на гальванометр, ни вообще, какого-либо индукционного действия на другую спираль», хотя ток в цепи был настолько силен, что проволока нагревалась. Быть может, все дело, и не в токе, а в искре, которая возникает при замыкании или размыкании ключа?
Искрящий проводник заменен постоянными магнитами (замену оправдывает сходство их магнитных свойств). Опыты продолжаются. Наконец Фарадей приходит к замечательным выводам в среде, окружающей проводник с током или магниты, существуют «линии магнитных сил»; при изменении магнитного поля, окружающего замкнутый проводник, в нем возникают индукционные токи. Наиболее наглядно возможность превращения «магнетизма в электричество» была продемонстрирована в одном из заключительных экспериментов (рис. 5).
Итак, в замкнутом проводнике при его перемещении в магнитном поле возникает ток. В этом и заключалась принципиальная возможность генерации электротока, превращения механической энергии в электрическую.
В схеме последнего из описанных опытов, в катушке с двумя обмотками можно усмотреть смутную идею еще одного изобретения - трансформатора. Он был создан значительно позже. В 1876 году трансформация переменных токов была предложена П. Н. Яблочковым, а шесть лет спустя ее практически осуществил И. Ф. Усагин.
Но вернемся к работам Фарадея, к наглядным схемам его опытов, лаконичным формулировкам выводов. Эта поистине гениальная простота весьма характерна для научного стиля Фарадея. Однако такая простота часто становится обманчивой, давая пищу легендам о «простоте» научной работы, о «случайном» рождении великих открытий. Насколько случайно было открыто «возбуждение электричества посредством магнетизма», помогут судить два описанных опыта - первое наблюдение загадочного эффекта, и окончательное решение загадки. Их разделяют годы напряженного труда и размышлений.
Сколько трудностей пришлось преодолеть Фарадею! Электроизмерительных приборов нет (он сам изготовляет гальванометры), нет общепризнанных единиц напряжения, тока, сопротивления (только спустя более четверти века после смерти Фарадея их утвердит Чикагский электротехнический конгресс), да, и сами эти понятия еще не сформулированы, не ясна их взаимосвязь (закон Ома, открытый в 1827 году, долго не получает признания); математикой Фарадей не владеет (на тысячах страниц его лабораторных журналов не встретишь ни одной формулы).
Но, может быть, именно поэтому Фарадей сумел выработать у себя научное воображение необычайной силы, найти удивительно простые и наглядные иллюстрации сложных физических процессов. Он первым представил вихреобразную картину сил вокруг магнита, «увидел», и обрисовал невидимые силовые линии магнитного поля и заложил основы учения об электромагнитном поле.
Позже его выдающийся соотечественник Д. К. Максвелл придал выводам Фарадея строгую математическую форму. Сравнивая методы исследований Фарадея, и Ампера, двух основоположников теории электромагнетизма, Максвелл отдавал предпочтение первому. Он писал, что Ампер, построив очередное совершенное доказательство, снимал затем «все следы лесов, посредством которых он его соорудил», тогда, как «Фарадей, напротив, показывает нам все свои эксперименты - и удачные, и неудачные, все свои идеи, как в стадии наброска, так и в стадии полного развития», он, как бы приглашает читателя в свою творческую лабораторию, делает его соучастником своих логических построений, и рассуждений.
ДИСК ФАРАДЕЯ
Как объяснить взаимодействие магнитной стрелки с медным диском! Способен ли магнит обнаруживать примеси лучше, чем химический анализ! Почему опыт Араго не смог объяснить до 1831 года ни один физик мира! Как превратить генератор постоянного тока в электродвигатель!
Биографы известного французского физика Франсуа Араго рассказывают, что, продолжая свои опыты по электромагнетизму, он в 1822 году заказал лучшему парижскому мастеру точных инструментов компас высокой чувствительности. Для большей устойчивости прибора ось магнитной стрелки была вставлена в массивную оправу из красной меди.
Араго хорошо знал, что в отличие от железа медь не притягивается и не отталкивается магнитом, но, чтобы исключить случайности, поручил мастеру предварительно сделать тщательный химический анализ меди в ней не должно быть примесей железа, способных повлиять на магнитную стрелку.
Однако, испробовав новый компас, Араго, как ему показалось, установил присутствие железа' в материале оправы. И хотя повторный химический анализ показал, что медная оправа железа не содержит, Араго не без гордости заявил коллеге химику, что магнит обнаруживает примеси лучше химиков. Стрелка компаса «доказывала» это своим крайне необычным поведением выведенная из состояния покоя, она внезапно останавливалась после нескольких кратковременных колебаний.
Удивлению Араго не было предела, когда он заметил, что при поворотах медной оправы магнитная стрелка увлекается вслед за ней, но стоило прекратить движение - оправа, и стрелка вновь становились безразличными друг к другу.
Араго был слишком опытным экспериментатором, чтобы оставить это необычное явление без внимания. Для более тщательного исследования примечательного взаимодействия Араго придумал новый прибор (рис. 6).
Теперь уже было очевидно, что примеси железа здесь ни при чем. Араго пришел к выводу, что при вращении магнитной стрелки в медном диске возникают, какие-то магнитные силы неясной природы. А так, как эти силы проявляются только при вращении стрелки или диска, он назвал это явление «магнетизмом вращения»
Шел 1824 год. Об опыте Араго стало известно крупнейшим ученым Европы, но объяснить его они не смогли. Даже Ампер, которого позднее Максвелл назовет «Ньютоном электричества», после нескольких попыток отказался дать объяснение открытию, определив его, как «столь же важное, сколь и неожиданное»
Минуло еще несколько лет.
«Я теперь опять занимаюсь электромагнетизмом, и полагаю, что напал на хорошую мысль. Мне кажется, что я знаю, почему /металлы становятся магнитными, когда они находятся в движении, и почему они не магниты (в общем), когда находятся в покое»
Эта фраза взята из письма Фарадея, датированного 1831 годом - временем, когда был открыт закон электромагнитной индукции. На основе этого закона Фарадей просто, и убедительно объяснил загадочное вращение. Медный диск увлекается магнитной стрелкой потому, что вращающееся магнитное поле вызывает в толще диска индуцированные токи, взаимодействующие с магнитом.
От этих открытий Араго и Фарадея ведут свою родословную индукционные электродвигатели. Наиболее совершенным электродвигателем переменного тока, получившим широчайшее применение, оказался трехфазный асинхронный двигатель, разработанный в 1889 - 1891 годах выдающимся русским электротехником М. О. Доливо-Добровольским, создателем системы трехфазного тока.
Блестящие знания, и чутье экспериментатора подсказали Фарадею еще одно - не менее важное - практическое приложение открытого им явления. В ноябре того же 1831 года в докладе лондонскому Королевскому обществу он указывает «После получения электричества из магнитов уже описанными способами я надеялся сделать из опыта г. Араго новый источник электричества; и. не терял надежды построить новую электрическую машину. С такими побуждениями мною было проделано много опытов с магнитом Королевского общества»
В лабораторном журнале появился рисунок «диска». Фарадея, который демонстрировал «получение постоянного электрического тока посредством обычных магнитов» (рис. 9). Изобретение Фарадея позволило создать четыре десятилетия спустя первую промышленную установку, преобразующую механическую энергию в электрическую, - электромашинный генератор с самовозбуждением (1870 г., 3. Грамм).
Создание промышленного электрического генератора, а вслед за ним - на основе использования принципа обратимости - и электрического двигателя знаменовало собой новую эру в развитии не только электротехники, и энергетики, но, и всей науки, и техники.
С именем Фарадея связаны истоки развития важнейших направлений в электротехнике - электрического генератора, электродвигателей постоянного, и переменного тока, трансформатора.
Разработка, создание, и практическое применение электрических машин стало делом последующих десятилетий. Новые славные имена появились в летописи науки об электричестве. Видное место среди создателей электротехники занимает блестящая плеяда русских ученых, и изобретателей.
Без электрических машин сегодня немыслим прогресс ни в одной области техники. Это объясняется тем, что электрическая машина имеет самый высокий коэффициент полезного действия, самый малый вес на единицу мощности, позволяет регулировать скорость вращения в широких пределах, не отравляет атмосферы.
Электрические двигатели приводят в движение огромный прокатный стан, и искусственное сердце, сложнейшую систему управления современным самолетом, и колеса лунохода. Человек уже не может жить без электрических помощников.
Прошло сто пятьдесят лет с тех пор, как М. Фарадей сделал выдающееся открытие - предвестие будущей электромеханики. За это время электрическая машина преобразила мир. Говоря словами Германа Гельмгольца, до тех пор, пока люди пользуются благами электричества, они всегда будут с благодарностью вспоминать имя Фарадея.
Читайте в любое время
