Майкл Фарадей: индукция электрических токов

«Он чует правду», — сказал о Фарадее Кольрауш. Майкл Фарадей, сын кузнеца, учившийся на переплетчика, был волею счастливого случая «открыт» сэром Хэмфри Дэви; злословили, что это было самое крупное открытие Дэви. (Фарадей прослушал курс лекций Дэви в Лондоне, аккуратно записал, дополнил и сам переплел их в книгу, а затем послал эту книгу Дэви с просьбой дать ему любую работу в своей лаборатории. После того как Дэви не удалось отговорить Фарадея, он нанял его. Так начался путь одного из наиболее выдающихся людей в истории науки.)

Переплетчик, не очень глубоко знавший математику, Фарадей был вынужден объяснять свои мысли с помощью картинок, которые особенно раздражали математиков. Но со временем оказалось, что со своими жалкими картинками он превзошел всех математиков своего поколения. Он писал: «К своему спокойствию, я обнаружил, что эксперимент может не бояться математики, а успешно с ней соперничать в процессе открытия». О Фарадее можно сказать, что он смотрел природе в лицо и что его мозг был всегда начеку, так что любые явления, которые он наблюдал в своей лаборатории и которые могли произойти даже случайно, фиксировались с первого раза.

К концу 1820-х годов работами Кулона, Эрстеда и Ампера было установлено, что неподвижные заряды возбуждают электрические поля, а, следовательно, и силы, действующие на другие неподвижные заряды, и что движущиеся заряды возбуждают магнитные поля, т. е. силы, действующие на другие движущиеся заряды. Однако, как писал Фарадей:

«…представляется весьма необычным, чтобы, с одной стороны, всякий электрический ток сопровождался магнитным действием соответствующей интенсивности, направленным под прямым углом к току, и чтобы в то же время в хороших проводниках электричества, помещенных в сферу этого действия, совсем не индуцировался ток, не возникало какое-либо ощутимое действие, эквивалентное по силе такому току».

Фарадей чувствует отсутствие симметрии, это его и удивляет. Поскольку электричество порождает магнетизм, он надеется, что магнетизм должен каким-то образом вызывать электричество. Он продолжает:

«Эти рассуждения и вытекающая из них как следствие надежда получить электричество при помощи обыкновенного магнетизма в разные времена побуждали меня экспериментально изучить индуктивное действие электрических токов. Недавно я добился положительных результатов, … которые … как мне кажется… сыграют… большую роль в некоторых наиболее важных действиях электрических токов».

Вероятно, чтобы лучше оценить те практические применения, которые вытекают из связи между магнетизмом и электричеством и которые лежат в основе всей нашей современной промышленности, следует вспомнить, что во времена Фарадея единственными источниками электрического тока были либо механические накопители зарядов, работающие на трении, либо разного рода батареи. Для получения же постоянного тока существовал только один доступный источник — батарея. Именно с помощью батарей Ампер, Фарадей и другие получали свои гальванические токи. Но батареи тех времен, как и все остальное, были гораздо менее эффективными, чем современные батареи. Ясно, что открытие нового способа получения электрического тока должно было иметь огромное практическое значение.

Сначала Фарадей попытался обнаружить, не вызывает ли ток в одном проводе ток в другом близлежащем проводе. Он рассуждал так: ток возбуждает магнитное поле, тогда, если поместить в это магнитное поле другой провод, в последнем может возбудиться ток. Он сконструировал проволочные катушки, наматывая две спирали одну на другую так, чтобы эти спирали находились очень близко друг к другу, но были электрически разъединены с помощью какого-нибудь изолятора, например, бумаги. Идея состояла в следующем: пропускать ток через одну из спиралей и одновременно проверять, не течет ли ток через вторую спираль, изолированную от первой. (Такую проверку можно осуществлять, наблюдая, например, за отклонением магнитной стрелки, помещенной на достаточно большом расстоянии от первого тока, чтобы он не оказывал на стрелку ощутимого воздействия.)

Фарадей был огорчен, когда установил, что ток в одном проводе не возбуждает никакого заметного тока в близлежащем втором проводе. Он соединил одну из своих спиралей с чувствительным гальванометром (прибор для регистрации тока), а другую — «с хорошо заряженной гальванической батареей из десяти пар пластин в четыре квадратных дюйма каждая, причем медные пластины были двойные; однако, — пишет Фарадей, — не удалось наблюдать ни малейшего отклонения стрелки гальванометра».

Однако затем, работая с медным проводом длиной в 203 фута, намотанным на большой деревянный барабан, и поместив между витками другой такой же провод длиной в 203 фута, изолированный от первого, с помощью диэлектрика («металлический контакт был везде устранен посредством шнурка»), Фарадей соединил одну из спиралей с хорошо заряженной батареей из ста пар пластин в четыре квадратных дюйма с двойными медными пластинами, а другую — с гальванометром. Результат поразил Фарадея. Он писал: «При замыкании контакта наблюдалось внезапное, но очень слабое действие на гальванометр, и подобное же слабое действие имело место при размыкании контакта с батареей». Но когда ток устанавливался, эффект исчезал.

Гальванометр в принципе состоит из магнитной стрелки и одного или нескольких витков провода, по которому может протекать ток. Если в витках течет ток, он создает магнитное поле, которое отклоняет стрелку (фиг. 326). Поскольку во второй спирали Фарадея ток протекал только во время замыкания или размыкания цепи, Фарадей наблюдал лишь «внезапное, но очень слабое действие на гальванометр».

Далее Фарадей осуществил поразительный опыт, заменив гальванометр размагниченной железной стрелкой, которую он поместил внутрь соленоида, образованного второй спиралью. Когда через соленоид протекал ток, он возбуждал магнитное поле, которое намагничивало железную стрелку. Так он получил новое надежное средство для обнаружения тока вместо мгновенного отклонения стрелки гальванометра. Более того, он смог доказать, что в момент замыкания цепи ток во второй спирали протекал в противоположном направлении, так как магнитное поле стрелки оказалось противоположной полярности (направление от северного к южному полюсу).

Открытие, совершенное Фарадеем, витало тогда в воздухе. Об этом свидетельствует тот факт, что-то же открытие сделал почти одновременно с Фарадеем американский физик Джозеф Генри. Работая со спиралями, мало отличавшимися от спиралей, которые использовал Фарадей, Генри также обнаружил, что его магнитная стрелка отклонялась в момент замыкания контактов, а затем возвращалась в исходное положение:

«…хотя гальваническое действие батареи, а, следовательно, и действие магнитной силы по-прежнему продолжалось. Однако я был чрезвычайно удивлен, обнаружив, что стрелка неожиданно отклонялась от исходного положения, … когда я вынимал пластины батареи из кислоты, и снова отклонялась к западу, когда я их погружал. Я повторил эту операцию несколько раз и постоянно получал один и тот же результат…»

И почти в то же самое время русский ученый Э. X. Ленц (1804— 1865), изучавший это явление, открыл и сформулировал принцип, известный теперь под названием правила Ленца (устанавливающий зависимость между направлением тока, наведенного во второй спирали, и направлением скорости изменения тока в первой спирали), который мы обсудим более подробно позже.

Это было волшебное явление. Переменный ток или переменное магнитное поле вызывали ток во вторичной цепи. Когда ток в первичной цепи нарастал (при замыкании контактов) или, когда он спадал (при размыкании контактов), во вторичной цепи наблюдался ток. В промежуточный же период, т. е. когда в первичной цепи протекал постоянный ток и его магнитное поле не менялось, никакого тока во вторичной цепи не было. Таким образом, именно переменное магнитное поле вызывало силу, действующую на неподвижный заряд. Фарадей приступил к подробному изучению открытого им явления и начал обследовать все его проявления и все особенности, которые могли бы объяснить электрический эффект переменных магнитных полей.