Страница:
Был август. Потрясенный Араго уже интенсивно работает, развивая опыты Эрстеда, показанные ему молодым де-ля Ривом; он замечает, что не только стрелки компаса, но и железные опилки легко "чувствуют" наличие электрического тока - они облепляют проволочку с током; при выключении тока опилки опадают черными хлопьями...
Был август. Только в сентябре об опытах Эрстеда узнает Ампер, которому суждено первому понять и истолковать их, хотя Дэви и Фарадей узнали обо всем раньше него. Ампер, "этот докучливый умник Ампер", опередил их, развив свою стройную теорию образования магнетизма за счет электричества и потратив всего две недели (плюс, разумеется, всю предыдущую жизнь).
Фарадею и Дэви это не удалось. Все произошло слишком быстро. В августе они узнали об опытах Эрстеда, а уже в сентябре Ампер предложил стройную теорию, объясняющую непонятные опыты.
Нельзя сказать, что Дэви и Фарадей были в восторге от теории Ампера. Но разрушить изящное безупречное здание было трудно: нужны были кропотливые исследования. Шли месяцы, а Дэви и Фарадей не могли предложить ничего, что могло бы заменить теорию Ампера.
Кончилась осень, прошла зима, наступила весна нового 1821 года. Дэви постепенно отдалялся от задач, связанных с электричеством, Фарадей был упорен, но тоже не мог ничего добиться.
Прошла весна, наступило лето, коллеги Фарадея разъехались кто куда. Дэви, как и его друг Волластон, известный химик и физик (он открыл палладий и родий, а также линии, которые впоследствии несправедливо назовут фраунгоферовыми, а не волластоновыми), уехал на курорт, а Фарадей остался в душном Лондоне и упорно работал над новыми проблемами связи электричества. и магнетизма.
В то время произошло важное для Фарадея и его открытий событие. Редактор научного журнала "Философские анналы" доктор Филиппс предложил Фарадею написать обзорный очерк истории электромагнетизма. Предложение было весьма почетным и в какой-то мере, по-видимому, объяснялось и тем, что Дэви и Волластона в Лондоне в то время не было.
Фарадей с жаром принялся за дело. Будучи, как уже говорилось, человеком пунктуальным, привыкшим все делать с исчерпывающей полнотой, привыкшим проверять всех и вся - "люди склонны ошибаться" - он решает лично проделать все опыты, которые привели к пониманию электромагнетизма. Он стал возвращаться домой еще на два часа позже, чтобы суметь выполнить многочисленные эксперименты. Под занавес (хочется говорить театральным языком: история возвышения Фарадея пока еще напоминает жизнеописания великих актеров и актрис, завоевавших сцену после того, как их случайно выпускали на публику из-за того, что "кумир" заболел, потерял голос, напился "до положения риз" и т. п. Сколько их было!) Фарадей решил осуществить опыт, о котором как-то, пару месяцев назад, говорили в его присутствии Дэви и Волластон. Идея опыта была, по-видимому, ими. еще недостаточно отработана - речь шла о том, что проволока, через которую пропущен ток, как будто должна под действием магнита вращаться вокруг своей оси.
В самом указании на возможность электромагнитного вращения нового ничего не было - о нем говорил еще Ампер. Но идея эксперимента была новой, и Фарадей решил осуществить его.
Установка была проста: посреди серебряной чаши со ртутью был поставлен на торец брусковый магнит. В ртути плавала пробка, проткнутая медной проволокой; другой конец проволоки был шарнирно укреплен над магнитом и подсоединялся к полюсу вольтова столба. Другой полюс столба подсоединялся непосредственно к серебряному сосуду.
Таким образом образовалась электрическая цепь:
"плюс" вольтова столба,
серебряная чаша,
ртуть,
проволочка,
"минус" вольтова столба,
"вольтов столб",
"плюс" вольтова столба.
Когда цепь была замкнута и по ней тек электрический ток, появлялась возможность изучить взаимодействие тока с магнитным полем брускового магнита.
Поскольку проволочка могла легко передвигаться, можно было надеяться, что те "магнитные" силы, которые отклоняют магнитную стрелку в опытах Эрстеда, заставят вращаться и проволочку.
Когда подготовка к опыту была окончена, к Фара-дею в лабораторию зашел Джордж Бернар.
Его сестра Сара Бернар, двадцати одного года, недавно стала женой Фарадея.
Свадьба Фарадея и дочки серебрянщика была скромной - даже ближайшие друзья с удивлением узнали, что их не пригласили. Это было скромное начало прекрасной и неизменной преданности, дружбы и любви Сары и Майкла, любви, которую Майкл ценил выше, чем свои научные успехи. Брак был необыкновенно счастливым, хотя и бездетным.
Именно Джорджу Бернару волей случая пришлось стать первым свидетелем того, как при включении тока проволочка начала быстро вращаться вокруг магнита. Поменяв "плюс" с "минусом" или переставив магнитик "с ног на голову" (выставив из ртути наружу, скажем, северный полюс вместо южного) можно было добиться, чтоб направление вращения изменялось.
Джордж Бернар рассказывал, что никогда еще не видел Майкла в столь возбужденном состоянии, как в тот памятный вечер. Это и понятно. Впервые человек увидел движение, причем не судорожное, а равномерное, постоянное, непрерывное движение, созданное неощутимым взаимодействием великих сил природы - электричества и магнетизма.
Думаем ли мы теперь, глядя на вращающиеся махины электродвигателей прокатных станов, метро и электричек, что все они с их исполинской мощью суть порождение несложного прибора Фарадея, в котором впервые в мире взаимодействие поля и тока дало вращение легчайшей проволочке!
Рисунки из рабочих тетрадей Фарадея:
1 - повторение опыта Эрстеда; 2 - пояснение к электромагнитному вращению; 3 - рисунок первого в мире электродвигателя; 4 - кольцо, на котором была открыта электромагнитная индукция; 5 - катушка, в которую быстро вдвигается магнит! возникновение электричества за счет движения магнита; в - первый в мире электрогенератор! диск, вращаемый между полюсами магнита.
Факсимильное изображение Фарадеем своего изобретения показано на рисунке.
С рисунка, напоминающего детский, ведет свою историю вся электроэнергетика. Этот рисунок - и Братская ГЭС, и двигатели атомохода "Ленин" в самом зародыше. С этого рисунка начинается история электромашиностроения.
Итак, очерк по истории электромагнетизма, заказанный Фарадею, определенно "вытанцовывался" да еще столь эффектным образом! Впрочем, была одна заминка; как быть с тем, что Фарадей идею опыта фактически заимствовал из разговора, при котором случайно присутствовал (хотя, как выяснилось впоследствии, Фарадей понял основную идею опыта неправильно!).
Лучше всего было бы показать статью Дэви, но того не было в Лондоне, Волластон тоже уехал к морю, а редактор срочно требовал статью. И Фарадей сдал статью в номер.
Когда Дэви и Волластон вернулись из отпуска, их ожидал уже номер журнала со статьей Фарадея, где ни словом не упоминалось о Волластоне или Дэви... Статья была подписана одной буквой "М", а добавка, с описанием электромагнитного вращения, - полным именем Фарадея.
Фарадей никогда не брал патентов на свои изобретения и совершенно не предпринимал никаких попыток к доведению их до практического использования. "Мне скорее хотелось бы отыскать новые факты и новые соотношения, связанные с магнитоэлектрической индукцией, чем увеличивать мощность достигнутых эффектов".
По Королевскому институту поползли слухи...
Под угрозу стал не только приоритет Фарадея в осуществлении электромагнитного вращения, но и вся его научная карьера - что может быть страшнее для ученого, чем обвинение в научной недобросовестности!
Фарадей решает поговорить с Волластоном начистоту. Он пишет ему обстоятельное и откровенное послание и через некоторое время получает ответ:
"Сэр! Мне кажется, что Вы находитесь в заблуждении, преувеличивая силу моих чувств по поводу тех обстоятельств, о которых Вы пишете.
Что касается мнения, которое другие лица могут иметь о Ваших поступках, то это дело целиком Ваше и меня не касается, но если Вы считаете, что не заслужили упрека в недобросовестном пользовании чужими мыслями, то Вам, как мне кажется, не следует придавать большого значения всему этому происшествию.
Однако, если Вы, тем не менее, не отказались от желания иметь беседу со мной, и если Вам удобно зайти ко мне завтра утром, между десятью и 10,5 часами, то можете быть уверены, что застанете меня дома.
Ваш покорный слуга
У. X. Волластон".
Встреча состоялась, причем, по-видимому, Волластон принял во внимание обстоятельства, из-за которых его имя не было упомянуто в статье, и с высоты своих научных заслуг решил отказаться от каких-либо претензий к Фарадею, молодому, симпатичному ему ученому, не числящему еще за собой каких-либо серьезных научных заслуг. По-видимому, он так и не понял до конца революционности опыта, считая прибор Фарадея малозначащей игрушкой. А это был первый электродвигатель! Знай это Волластон, он, вероятно, не отказался бы от претензий так легко.
Так или иначе, после встречи отношение Волластона к Фарадею стало очень сердечным - он не упускал случая заглянуть в лабораторию молодого исследователя, замолвить о нем доброе слово.
К сожалению, того же нельзя сказать о Дэви - его отношение к Фарадею становилось все прохладнее. В его отношении - сложный букет чувств: и бесспорное восхищение способностями Фарадея, и ревность по отношению к более удачливому коллеге, гордость за своего ученика и обида за отрицательный отзыв, написанный на одно из изобретений Дэви Фарадеем. Не разобрался Дэви как следует и в случае с открытием электромагнитного вращения, да и леди Дэви вряд ли поминала бывшего "слугу" добрыми словами...
Положение осложнилось тем, что Дэви был президентом Лондонского королевского общества, и поэтому, когда ввиду больших научных заслуг Фарадея встал вопрос об избрании его в Королевское общество (честь, эквивалентная нашему избранию в академики), Дэви не поддержал предложение (кстати сказать, первым подписал предложение Волластон). Потребовалось вмешательство друзей и доброжелателей Фарадея, чтобы сломить сопротивление Дэви и выставить кандидатуру Фарадея на голосование. Протокол общества от 1 мая 1823 года сохраняет для нас заявление тех, кто предложил его кандидатуру:
"Сэр Майкл Фарадей, превосходно знающий основы химии, автор многих сочинений, опубликованных в трудах Королевского общества, изъявляет желание вступить в число членов этого общества, и мы, нижеподписавшиеся, рекомендуем лично нам известного Фарадея, как лицо, безусловно достойное этой чести, и полагаем, что он будет для нас полезным и ценным членом".
После голосования в урне оказался лишь один "черный шар". Многие исследователи полагают, что его бросил Дэви. Трудно через полтора столетия судить об этом с полной определенностью.
Избрание Фарадея состоялось в 1824 году, через одиннадцать лет после назначения его лаборантом.
Звезда Дэви в те годы начала меркнуть. Уже несколько лет он не публиковал научных статей, в 1826 году он в последний раз провел эксперимент в лаборатории Королевского института. Можно предположить, что он ушел на покой, устав от жизни в науке. Видимо, его созидательный гений уже иссяк, он тяжело осознавал это и удалился... Ему было всего лишь сорок восемь лет.
Пятидесяти лет он, тяжело переживая свой творческий кризис, поехал развеяться за границу, где вскоре скончался.
Он сделал много великих открытий, но, по его собственному признанию, самым великим его открытием было то, что он открыл Фарадея.
А ведь о самых великих открытиях Фарадея Дэви знать не мог - они еще впереди.
Одержимый идеями о неразрывной связи и взаимовлиянии сил природы, Фарадей безуспешно пытался каким-то образом показать, что раз уж с помощью электричества Ампер мог создавать магниты, точно так же с помощью магнитов можно создавать электричество.
Логика его была проста: механическая работа легко переходит в тепло; наоборот, тепло можно преобразовать в механическую работу (скажем, в паровозе). Вообще, среди сил природы чаще всего случается следующее соотношение: если А рождает Б, то и Б рождает А.
Если с помощью электричества получают магнетизм, то, по-видимому, возможно "получить электричество из обычного магнетизма". Такую же задачу поставили перед собой Араго и Ампер в Париже, но они вскоре решили, что задача безнадежна.
Фарадей ставит множество опытов, ведет педантичные записи. Каждому небольшому исследованию он посвящает параграф в лабораторных записях (изданы в Лондоне полностью в 1931 году под названием "Дневник Фарадея"). О работоспособности Фарадея говорит хотя бы тот факт, что последний параграф "Дневника" помечен под номером 16041. Блестящее мастерство Фара-дея-экспериментатора и его одержимость дали результат - через одиннадцать лет после Эрстеда, 17 октября 1831 года, он, быстро вдвигая железный сердечник в катушку, убедился в том, что в какой-то момент в цепи катушки возникает ток. Будь прибор Фарадея не на виду у него или у его ассистента в тот самый момент, когда он вставлял сердечник, неизвестно, сколько времени ему пришлось бы биться над своей задачей.
Интересно, что до Фарадея абсолютно такие же опыты проводил Ампер. Чтобы избежать ошибок, связанных с сотрясением приборов, и Фарадей, и Ампер поместили измерительный прибор в другую комнату. Разница, казалось бы, была очень небольшой: Ампер сначала вдвигал сердечник, а потом следовал в соседнюю комнату посмотреть, не появился ли ток. Пока Ампер шел из комнаты в комнату, ток, который возникает лишь во время вдвигания, то есть во время изменения магнитного поля во времени, уже успокаивался и, Ампер, придя в соседнюю комнату, убеждался в том, что "никакого эффекта нет", Фарадей же работал с ассистентом.
Об ассистенте следует, быть может, рассказать поподробнее. Артиллерийский сержант Андерсен был помощником Фарадея в течение сорока лет: "Он помогал мне при всех опытах, и я ему много обязан и благодарен за его заботливость, невозмутимость, пунктуальность и добросовестность". Гельмгольц отмечал впоследствии, что Андерсен отличался интересной чертой - он серьезно считал, что сам выдумывает и исполняет фарадеевские опыты, оставляя на долю того "пустые разговоры".
Когда Фарадей вдвигал в катушку сердечник, Андерсен заметил отклонение стрелки прибора...
Можно снова и снова повторять за Гельмгольцем: "И от этих случайных обстоятельств зависело великое открытие!".
Через несколько дней после открытия электромагнитной индукции Фарадей набрасывает пером на бумаге и строит первый в мире электрогенератор. Очень интересно, что Фарадей изобрел униполярный генератор, то есть наиболее сложный по принципу действия из всех генераторов, известных на сегодняшний день. Еще интереснее, что точно такой же по принципу действия генератор Фарадей мог получить девять лет назад. Стоило ему самому начать крутить вокруг магнита проволочку своего первого двигателя, а не ждать, пока она закрутится при пропускании тока, и он имел бы электрогенератор! Ведь сейчас каждому школьнику известно, что электродвигатель и электрогенератор обратимы!
Но Фарадей не догадался покрутить проволочку вокруг магнитика...
"И от этой мелочи..." и так далее, по Гельмгольцу.
Итак, Фарадей с интервалом в девять лет сделал два величайших открытия, которые, можно сказать с уверенностью, произвели революцию в жизни человечества, - он изобрел электродвигатель и электрогенератор.
Интересно теперь более подробно проследить, как пришел Фарадей к своему открытию. Кроме интуитивной убежденности во всеобщей связи явлений, его, собственно, в поисках "электричества из магнетизма" ничто не поддерживало. К тому же он, как и его учитель Дави, больше полагался на свои опыты, чем на мысленные построения. Дэви учил его:
"Хороший эксперимент имеет большие ценности, чем глубокомыслие такого гения, как Ньютон".
Все лабораторные записи Фарадея, сделанные на протяжении многих десятилетий и собранные в восьмитомном "Дневнике", не содержат ни одной математической формулы, ни одного логического построения, не подтвержденного опытом.
"...Люди вроде Дэви и даже Фарадей блуждают в потемках (глава об электрической искре и т. д.) и ставят опыты, совершенно напоминающие рассказы Аристотеля и Плиния о физико-химических явлениях. Именно в этой новой науке эмпирики целиком повторяют слепое нащупывание древних. А где гениальный Фарадей нападает на правильный след, там филистер Томсон против этого протестует"12.
К тому же Фарадей не знал математики, и изящные построения блестящих математиков Ампера, Био, Савара и Лапласа были ему попросту непонятны.
И тем не менее именно Фарадею суждены были великие открытия. Дело в том, что Фарадей порой стихийно рвал путы эмпирики, некогда навязанные ему Дэви, и в такие минуты его осеняло великое прозрение - он приобретал способность к глубочайшим обобщениям.
Сейчас даже из соображений симметрии ясно, что если электрический ток (то есть движущийся электрический заряд) создает магнитное поле, то электрическое поле должно создаваться при движении магнита или магнитного поля. Для того чтобы прийти к этому выводу, Фарадею потребовалось одиннадцать лет.
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".
Секрет - в движении магнита! Импульс электричества определяется не положением магнита, а движением!
"Это значит, что электрическая волна возникает только при движении14 магнита, а не в силу свойств, присущих ему в покое".
Идея оказалась плодотворной. Если движение магнита относительно проводника создает электричество, то, видимо, и движение проводника относительно магнита должно рождать электричество! "Электрическая волна" не исчезнет до тех пор, пока будет продолжаться взаимное перемещение проводника и магнита. Значит, есть возможность создать генератор электрического тока, действующий сколь угодно долго, лишь бы продолжалось взаимное движение проволоки и магнита!
Здесь - путь к современным электрогенераторам. И поскольку Фарадей правильно оценил принцип действия нового устройства, оно было им быстро построено и испытано.
Фарадей придавал громадное значение искусству чтения лекций. Он брал уроки ораторского искусства. Его правила при чтении лекций:
Никогда не повторять фразу.
Никогда не возвращаться назад, чтобы уточнить что-либо.
Если не находится подходящего слова, никогда не бормотать: "Э-э-э...", "значит..." и т. п. Нужно остановиться - слова придут сами.
Артиллерийский сержант Андерсон должен был подкладывать читающему лекцию Фарадею на кафедру карточки: "МЕДЛЕННЕЕ" и "ВРЕМЯ".
28 октября Фарадей установил между полюсами подковообразного магнита вращающийся медный диск, с которого при помощи скользящих контактов (один на оси, другой на периферии диска) можно было снимать электрическое напряжение. Это был первый электрический генератор, созданный руками человека.
Кстати, говоря о том, что Фарадеевский генератор вырабатывает электричество, мы никогда не задаемся вопросом, какое? Ответ для нас ясен - на свете есть лишь одно электричество, находящееся обычно в самых различных формах. Это не было ясным во времена Фа-радея, и вопрос "какое" был вполне уместен.
Был август. Только в сентябре об опытах Эрстеда узнает Ампер, которому суждено первому понять и истолковать их, хотя Дэви и Фарадей узнали обо всем раньше него. Ампер, "этот докучливый умник Ампер", опередил их, развив свою стройную теорию образования магнетизма за счет электричества и потратив всего две недели (плюс, разумеется, всю предыдущую жизнь).
Фарадею и Дэви это не удалось. Все произошло слишком быстро. В августе они узнали об опытах Эрстеда, а уже в сентябре Ампер предложил стройную теорию, объясняющую непонятные опыты.
Нельзя сказать, что Дэви и Фарадей были в восторге от теории Ампера. Но разрушить изящное безупречное здание было трудно: нужны были кропотливые исследования. Шли месяцы, а Дэви и Фарадей не могли предложить ничего, что могло бы заменить теорию Ампера.
Кончилась осень, прошла зима, наступила весна нового 1821 года. Дэви постепенно отдалялся от задач, связанных с электричеством, Фарадей был упорен, но тоже не мог ничего добиться.
Прошла весна, наступило лето, коллеги Фарадея разъехались кто куда. Дэви, как и его друг Волластон, известный химик и физик (он открыл палладий и родий, а также линии, которые впоследствии несправедливо назовут фраунгоферовыми, а не волластоновыми), уехал на курорт, а Фарадей остался в душном Лондоне и упорно работал над новыми проблемами связи электричества. и магнетизма.
В то время произошло важное для Фарадея и его открытий событие. Редактор научного журнала "Философские анналы" доктор Филиппс предложил Фарадею написать обзорный очерк истории электромагнетизма. Предложение было весьма почетным и в какой-то мере, по-видимому, объяснялось и тем, что Дэви и Волластона в Лондоне в то время не было.
Фарадей с жаром принялся за дело. Будучи, как уже говорилось, человеком пунктуальным, привыкшим все делать с исчерпывающей полнотой, привыкшим проверять всех и вся - "люди склонны ошибаться" - он решает лично проделать все опыты, которые привели к пониманию электромагнетизма. Он стал возвращаться домой еще на два часа позже, чтобы суметь выполнить многочисленные эксперименты. Под занавес (хочется говорить театральным языком: история возвышения Фарадея пока еще напоминает жизнеописания великих актеров и актрис, завоевавших сцену после того, как их случайно выпускали на публику из-за того, что "кумир" заболел, потерял голос, напился "до положения риз" и т. п. Сколько их было!) Фарадей решил осуществить опыт, о котором как-то, пару месяцев назад, говорили в его присутствии Дэви и Волластон. Идея опыта была, по-видимому, ими. еще недостаточно отработана - речь шла о том, что проволока, через которую пропущен ток, как будто должна под действием магнита вращаться вокруг своей оси.
В самом указании на возможность электромагнитного вращения нового ничего не было - о нем говорил еще Ампер. Но идея эксперимента была новой, и Фарадей решил осуществить его.
Установка была проста: посреди серебряной чаши со ртутью был поставлен на торец брусковый магнит. В ртути плавала пробка, проткнутая медной проволокой; другой конец проволоки был шарнирно укреплен над магнитом и подсоединялся к полюсу вольтова столба. Другой полюс столба подсоединялся непосредственно к серебряному сосуду.
Таким образом образовалась электрическая цепь:
"плюс" вольтова столба,
серебряная чаша,
ртуть,
проволочка,
"минус" вольтова столба,
"вольтов столб",
"плюс" вольтова столба.
Когда цепь была замкнута и по ней тек электрический ток, появлялась возможность изучить взаимодействие тока с магнитным полем брускового магнита.
Поскольку проволочка могла легко передвигаться, можно было надеяться, что те "магнитные" силы, которые отклоняют магнитную стрелку в опытах Эрстеда, заставят вращаться и проволочку.
Когда подготовка к опыту была окончена, к Фара-дею в лабораторию зашел Джордж Бернар.
Его сестра Сара Бернар, двадцати одного года, недавно стала женой Фарадея.
Свадьба Фарадея и дочки серебрянщика была скромной - даже ближайшие друзья с удивлением узнали, что их не пригласили. Это было скромное начало прекрасной и неизменной преданности, дружбы и любви Сары и Майкла, любви, которую Майкл ценил выше, чем свои научные успехи. Брак был необыкновенно счастливым, хотя и бездетным.
Именно Джорджу Бернару волей случая пришлось стать первым свидетелем того, как при включении тока проволочка начала быстро вращаться вокруг магнита. Поменяв "плюс" с "минусом" или переставив магнитик "с ног на голову" (выставив из ртути наружу, скажем, северный полюс вместо южного) можно было добиться, чтоб направление вращения изменялось.
Джордж Бернар рассказывал, что никогда еще не видел Майкла в столь возбужденном состоянии, как в тот памятный вечер. Это и понятно. Впервые человек увидел движение, причем не судорожное, а равномерное, постоянное, непрерывное движение, созданное неощутимым взаимодействием великих сил природы - электричества и магнетизма.
Думаем ли мы теперь, глядя на вращающиеся махины электродвигателей прокатных станов, метро и электричек, что все они с их исполинской мощью суть порождение несложного прибора Фарадея, в котором впервые в мире взаимодействие поля и тока дало вращение легчайшей проволочке!
Рисунки из рабочих тетрадей Фарадея:
1 - повторение опыта Эрстеда; 2 - пояснение к электромагнитному вращению; 3 - рисунок первого в мире электродвигателя; 4 - кольцо, на котором была открыта электромагнитная индукция; 5 - катушка, в которую быстро вдвигается магнит! возникновение электричества за счет движения магнита; в - первый в мире электрогенератор! диск, вращаемый между полюсами магнита.
Факсимильное изображение Фарадеем своего изобретения показано на рисунке.
С рисунка, напоминающего детский, ведет свою историю вся электроэнергетика. Этот рисунок - и Братская ГЭС, и двигатели атомохода "Ленин" в самом зародыше. С этого рисунка начинается история электромашиностроения.
Итак, очерк по истории электромагнетизма, заказанный Фарадею, определенно "вытанцовывался" да еще столь эффектным образом! Впрочем, была одна заминка; как быть с тем, что Фарадей идею опыта фактически заимствовал из разговора, при котором случайно присутствовал (хотя, как выяснилось впоследствии, Фарадей понял основную идею опыта неправильно!).
Лучше всего было бы показать статью Дэви, но того не было в Лондоне, Волластон тоже уехал к морю, а редактор срочно требовал статью. И Фарадей сдал статью в номер.
Когда Дэви и Волластон вернулись из отпуска, их ожидал уже номер журнала со статьей Фарадея, где ни словом не упоминалось о Волластоне или Дэви... Статья была подписана одной буквой "М", а добавка, с описанием электромагнитного вращения, - полным именем Фарадея.
Фарадей никогда не брал патентов на свои изобретения и совершенно не предпринимал никаких попыток к доведению их до практического использования. "Мне скорее хотелось бы отыскать новые факты и новые соотношения, связанные с магнитоэлектрической индукцией, чем увеличивать мощность достигнутых эффектов".
По Королевскому институту поползли слухи...
Под угрозу стал не только приоритет Фарадея в осуществлении электромагнитного вращения, но и вся его научная карьера - что может быть страшнее для ученого, чем обвинение в научной недобросовестности!
Фарадей решает поговорить с Волластоном начистоту. Он пишет ему обстоятельное и откровенное послание и через некоторое время получает ответ:
"Сэр! Мне кажется, что Вы находитесь в заблуждении, преувеличивая силу моих чувств по поводу тех обстоятельств, о которых Вы пишете.
Что касается мнения, которое другие лица могут иметь о Ваших поступках, то это дело целиком Ваше и меня не касается, но если Вы считаете, что не заслужили упрека в недобросовестном пользовании чужими мыслями, то Вам, как мне кажется, не следует придавать большого значения всему этому происшествию.
Однако, если Вы, тем не менее, не отказались от желания иметь беседу со мной, и если Вам удобно зайти ко мне завтра утром, между десятью и 10,5 часами, то можете быть уверены, что застанете меня дома.
Ваш покорный слуга
У. X. Волластон".
Встреча состоялась, причем, по-видимому, Волластон принял во внимание обстоятельства, из-за которых его имя не было упомянуто в статье, и с высоты своих научных заслуг решил отказаться от каких-либо претензий к Фарадею, молодому, симпатичному ему ученому, не числящему еще за собой каких-либо серьезных научных заслуг. По-видимому, он так и не понял до конца революционности опыта, считая прибор Фарадея малозначащей игрушкой. А это был первый электродвигатель! Знай это Волластон, он, вероятно, не отказался бы от претензий так легко.
Так или иначе, после встречи отношение Волластона к Фарадею стало очень сердечным - он не упускал случая заглянуть в лабораторию молодого исследователя, замолвить о нем доброе слово.
К сожалению, того же нельзя сказать о Дэви - его отношение к Фарадею становилось все прохладнее. В его отношении - сложный букет чувств: и бесспорное восхищение способностями Фарадея, и ревность по отношению к более удачливому коллеге, гордость за своего ученика и обида за отрицательный отзыв, написанный на одно из изобретений Дэви Фарадеем. Не разобрался Дэви как следует и в случае с открытием электромагнитного вращения, да и леди Дэви вряд ли поминала бывшего "слугу" добрыми словами...
Положение осложнилось тем, что Дэви был президентом Лондонского королевского общества, и поэтому, когда ввиду больших научных заслуг Фарадея встал вопрос об избрании его в Королевское общество (честь, эквивалентная нашему избранию в академики), Дэви не поддержал предложение (кстати сказать, первым подписал предложение Волластон). Потребовалось вмешательство друзей и доброжелателей Фарадея, чтобы сломить сопротивление Дэви и выставить кандидатуру Фарадея на голосование. Протокол общества от 1 мая 1823 года сохраняет для нас заявление тех, кто предложил его кандидатуру:
"Сэр Майкл Фарадей, превосходно знающий основы химии, автор многих сочинений, опубликованных в трудах Королевского общества, изъявляет желание вступить в число членов этого общества, и мы, нижеподписавшиеся, рекомендуем лично нам известного Фарадея, как лицо, безусловно достойное этой чести, и полагаем, что он будет для нас полезным и ценным членом".
После голосования в урне оказался лишь один "черный шар". Многие исследователи полагают, что его бросил Дэви. Трудно через полтора столетия судить об этом с полной определенностью.
Избрание Фарадея состоялось в 1824 году, через одиннадцать лет после назначения его лаборантом.
Звезда Дэви в те годы начала меркнуть. Уже несколько лет он не публиковал научных статей, в 1826 году он в последний раз провел эксперимент в лаборатории Королевского института. Можно предположить, что он ушел на покой, устав от жизни в науке. Видимо, его созидательный гений уже иссяк, он тяжело осознавал это и удалился... Ему было всего лишь сорок восемь лет.
Пятидесяти лет он, тяжело переживая свой творческий кризис, поехал развеяться за границу, где вскоре скончался.
Он сделал много великих открытий, но, по его собственному признанию, самым великим его открытием было то, что он открыл Фарадея.
А ведь о самых великих открытиях Фарадея Дэви знать не мог - они еще впереди.
Одержимый идеями о неразрывной связи и взаимовлиянии сил природы, Фарадей безуспешно пытался каким-то образом показать, что раз уж с помощью электричества Ампер мог создавать магниты, точно так же с помощью магнитов можно создавать электричество.
Логика его была проста: механическая работа легко переходит в тепло; наоборот, тепло можно преобразовать в механическую работу (скажем, в паровозе). Вообще, среди сил природы чаще всего случается следующее соотношение: если А рождает Б, то и Б рождает А.
Если с помощью электричества получают магнетизм, то, по-видимому, возможно "получить электричество из обычного магнетизма". Такую же задачу поставили перед собой Араго и Ампер в Париже, но они вскоре решили, что задача безнадежна.
Фарадей ставит множество опытов, ведет педантичные записи. Каждому небольшому исследованию он посвящает параграф в лабораторных записях (изданы в Лондоне полностью в 1931 году под названием "Дневник Фарадея"). О работоспособности Фарадея говорит хотя бы тот факт, что последний параграф "Дневника" помечен под номером 16041. Блестящее мастерство Фара-дея-экспериментатора и его одержимость дали результат - через одиннадцать лет после Эрстеда, 17 октября 1831 года, он, быстро вдвигая железный сердечник в катушку, убедился в том, что в какой-то момент в цепи катушки возникает ток. Будь прибор Фарадея не на виду у него или у его ассистента в тот самый момент, когда он вставлял сердечник, неизвестно, сколько времени ему пришлось бы биться над своей задачей.
Интересно, что до Фарадея абсолютно такие же опыты проводил Ампер. Чтобы избежать ошибок, связанных с сотрясением приборов, и Фарадей, и Ампер поместили измерительный прибор в другую комнату. Разница, казалось бы, была очень небольшой: Ампер сначала вдвигал сердечник, а потом следовал в соседнюю комнату посмотреть, не появился ли ток. Пока Ампер шел из комнаты в комнату, ток, который возникает лишь во время вдвигания, то есть во время изменения магнитного поля во времени, уже успокаивался и, Ампер, придя в соседнюю комнату, убеждался в том, что "никакого эффекта нет", Фарадей же работал с ассистентом.
Об ассистенте следует, быть может, рассказать поподробнее. Артиллерийский сержант Андерсен был помощником Фарадея в течение сорока лет: "Он помогал мне при всех опытах, и я ему много обязан и благодарен за его заботливость, невозмутимость, пунктуальность и добросовестность". Гельмгольц отмечал впоследствии, что Андерсен отличался интересной чертой - он серьезно считал, что сам выдумывает и исполняет фарадеевские опыты, оставляя на долю того "пустые разговоры".
Когда Фарадей вдвигал в катушку сердечник, Андерсен заметил отклонение стрелки прибора...
Можно снова и снова повторять за Гельмгольцем: "И от этих случайных обстоятельств зависело великое открытие!".
Через несколько дней после открытия электромагнитной индукции Фарадей набрасывает пером на бумаге и строит первый в мире электрогенератор. Очень интересно, что Фарадей изобрел униполярный генератор, то есть наиболее сложный по принципу действия из всех генераторов, известных на сегодняшний день. Еще интереснее, что точно такой же по принципу действия генератор Фарадей мог получить девять лет назад. Стоило ему самому начать крутить вокруг магнита проволочку своего первого двигателя, а не ждать, пока она закрутится при пропускании тока, и он имел бы электрогенератор! Ведь сейчас каждому школьнику известно, что электродвигатель и электрогенератор обратимы!
Но Фарадей не догадался покрутить проволочку вокруг магнитика...
"И от этой мелочи..." и так далее, по Гельмгольцу.
Итак, Фарадей с интервалом в девять лет сделал два величайших открытия, которые, можно сказать с уверенностью, произвели революцию в жизни человечества, - он изобрел электродвигатель и электрогенератор.
Интересно теперь более подробно проследить, как пришел Фарадей к своему открытию. Кроме интуитивной убежденности во всеобщей связи явлений, его, собственно, в поисках "электричества из магнетизма" ничто не поддерживало. К тому же он, как и его учитель Дави, больше полагался на свои опыты, чем на мысленные построения. Дэви учил его:
"Хороший эксперимент имеет большие ценности, чем глубокомыслие такого гения, как Ньютон".
Все лабораторные записи Фарадея, сделанные на протяжении многих десятилетий и собранные в восьмитомном "Дневнике", не содержат ни одной математической формулы, ни одного логического построения, не подтвержденного опытом.
"...Люди вроде Дэви и даже Фарадей блуждают в потемках (глава об электрической искре и т. д.) и ставят опыты, совершенно напоминающие рассказы Аристотеля и Плиния о физико-химических явлениях. Именно в этой новой науке эмпирики целиком повторяют слепое нащупывание древних. А где гениальный Фарадей нападает на правильный след, там филистер Томсон против этого протестует"12.
К тому же Фарадей не знал математики, и изящные построения блестящих математиков Ампера, Био, Савара и Лапласа были ему попросту непонятны.
И тем не менее именно Фарадею суждены были великие открытия. Дело в том, что Фарадей порой стихийно рвал путы эмпирики, некогда навязанные ему Дэви, и в такие минуты его осеняло великое прозрение - он приобретал способность к глубочайшим обобщениям.
Сейчас даже из соображений симметрии ясно, что если электрический ток (то есть движущийся электрический заряд) создает магнитное поле, то электрическое поле должно создаваться при движении магнита или магнитного поля. Для того чтобы прийти к этому выводу, Фарадею потребовалось одиннадцать лет.
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".
Секрет - в движении магнита! Импульс электричества определяется не положением магнита, а движением!
"Это значит, что электрическая волна возникает только при движении14 магнита, а не в силу свойств, присущих ему в покое".
Идея оказалась плодотворной. Если движение магнита относительно проводника создает электричество, то, видимо, и движение проводника относительно магнита должно рождать электричество! "Электрическая волна" не исчезнет до тех пор, пока будет продолжаться взаимное перемещение проводника и магнита. Значит, есть возможность создать генератор электрического тока, действующий сколь угодно долго, лишь бы продолжалось взаимное движение проволоки и магнита!
Здесь - путь к современным электрогенераторам. И поскольку Фарадей правильно оценил принцип действия нового устройства, оно было им быстро построено и испытано.
Фарадей придавал громадное значение искусству чтения лекций. Он брал уроки ораторского искусства. Его правила при чтении лекций:
Никогда не повторять фразу.
Никогда не возвращаться назад, чтобы уточнить что-либо.
Если не находится подходящего слова, никогда не бормотать: "Э-э-э...", "значит..." и т. п. Нужно остановиться - слова придут сами.
Артиллерийский сержант Андерсон должен был подкладывать читающему лекцию Фарадею на кафедру карточки: "МЕДЛЕННЕЕ" и "ВРЕМЯ".
28 октября Фарадей установил между полюсами подковообразного магнита вращающийся медный диск, с которого при помощи скользящих контактов (один на оси, другой на периферии диска) можно было снимать электрическое напряжение. Это был первый электрический генератор, созданный руками человека.
Кстати, говоря о том, что Фарадеевский генератор вырабатывает электричество, мы никогда не задаемся вопросом, какое? Ответ для нас ясен - на свете есть лишь одно электричество, находящееся обычно в самых различных формах. Это не было ясным во времена Фа-радея, и вопрос "какое" был вполне уместен.