Очерки по истории электротехники
Главная   >>   Очерки по истории электротехники

Очерки по истории электротехники

ГЛАВА 4 ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ. «ПИОНЕРСКИЙ» ПЕРИОД ИСТОРИИ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

4.1. Открытие электромагнитной индукции

Истоки современной электротехники восходят к замечатель­ным трудам английского ученого Майкла Фарадея, которые, в свою очередь, были подготовлены предшествовавшими работами по изучению электрических и магнитных явлений.

Есть нечто символическое в том, что в год рождения Фарадея (1791 г.) был опубликован трактат Луиджи Гальвани с первым описанием нового физического явления — электрического тока, а в год его смерти (1867 г.) была изобретена «динамомашина» — самовозбуждающийся генератор постоянного тока, т.е. появился на­дежный, экономичный и удобный в эксплуатации источник электрической энергии. Жизнь великого ученого и его неповтори­мая по своим методам, содержанию и значению деятельность не только открыли новую главу физики, но и сыграли решающую роль в рождении новых отраслей техники: электротехники и радиотехники.

Вот уже более ста лет многие поколения учащейся молодежи на уроках физики и из многочисленных книг узнают историю замечательной жизни сына английского кузнеца, разносчика газет и переплетчика в юности и самого знаменитого ученого, члена 68 научных обществ и академий в его зрелые годы. Обыч­но имя Майкла Фарадея связывают с самым значительным и потому наиболее известным открытием — явлением электро­магнитной индукции, сделанным им в 1831 г. Но еще за год до этого, в 1830 г., за исследования в области химии и электромаг­нетизма Фарадей был избран почетным членом Петербургской Академии наук, членом же Лондонского Королевского общества (Британской Академии наук) он был избран еще в 1824 г. Начи­ная с 1816 г., когда увидела свет первая научная работа Фарадея, посвященная химическому анализу тосканской извести,' по 1831 г., когда стал публиковаться знаменитый научный дне»' ник «Экспериментальные исследования но электричеству», Фарадеем было опубликовано свыше 60 научных трудов.

Огромное трудолюбие, жажда знаний, прирожденный ум и наблюдательность позволили Фарадею достичь выдающихся результатов во всех тех областях научных исследований, к которым обращался ученый. Признанный «король эксперимен­таторов» любил повторять: «Искусство экспериментатора состо­ит в том, чтобы уметь задавать природе вопросы и понимать ее ответы».

Каждое исследование Фарадея отличалось такой обстоя­тельностью и настолько согласовывалось с предыдущими ре­зультатами, что среди современников почти не находилось критиков его работ. Любопытно свидетельство автора «Экспе­риментальных исследований по электричеству», содержащее­ся в предисловии к первому тому: «Да будет мне позволено выразить мое глубокое удовлетворение тем, что различные части, написанные с перерывами на протяжении 7 лет, оказа­лись столь согласующимися друг с другом. В этом не было бы ничего особенного, если бы факты, к которым эти части име­ют отношение, были хорошо известны до написания каждой из них; но так как каждая часть претендует на то, что содер­жит какие-либо оригинальные открытия или исправление об­щепринятых взглядов, то даже я, при всем моем возможном пристрастии, удивлен тем, в какой степени они, на мой взгляд, оказываются взаимно согласующимися и вообще точ­ными».

Если исключить из рассмотрения химические исследования Фа­радея, которые в своей области также составили эпоху (достаточ­но вспомнить об опытах сжижения газов, об открытии бензола, бутилена), то все прочие его работы, на первый взгляд иногда раз­розненные, как мазки на полотне художника, взятые вместе5 об­разуют изумительную картину всестороннего исследования двух проблем: взаимопревращений различных форм энергии и физиче­ского содержания среды.

Работам Фарадея в области электричества положило начало ис­следование так называемых электромагнитных вращений. Из се­рии опытов Эрстеда, Араго, Ампера, Био, Савара, проведенных 182Q г., стало известно не только об электромагнетизме, но и о своеобразии взаимодействий тока и магнита: здесь действовали не привычные для классической механики центральные силы, а силы иные, стремившиеся установить магнитную стрелку перпендику­лярно проводнику. Фарадей поставил перед собой вопрос: не стре­мится ли магнит к непрерывному движению вокруг проводника с током? Опыт подтвердил гипотезу. В 1821 г. Фарадей дал описание физического прибора, схематически представлен­ного на рис. 4.1. В левом сосуде с ртутью находился стержневой постоянный магнит, закрепленный шарнирно в нижней части. При включении тока его верхняя часть вращалась вокруг неподвижного проводника.

В правом сосуде стержень магнита был неподви­жен, а проводник с током, свободно подвешенный на кронштейне, скользил по ртути, совершая вращение вокруг по­люса магнита. Поскольку в этом опыте впервые фигурирует магнитоэлектричес­кое устройство с непрерывным движением, то вполне правомер­но начать именно с этого устройст­ва историю элект­рических машин вообще и элект­родвигателя, в частности. Обра­тим также внимание на ртутный контакт, нашед­ший впослед­ствии примене­ние в электромеханике.

Именно с этого момента, судя по всему, у Фарадея начинают складываться представления о всеобщей «взаимопреврашаемости сил»- Получив при помощи электромагнетизма непрерывное ме­ханическое движение, он ставит перед собой задачу обратить явление или, по терминологии Фарадея, превратить магнетизм в электричество.

Только абсолютная убежденность в справедливости гипотезы о «взаимопревращаемости» может объяснить целеустремленность и настойчивость, тысячи опытов и 10 лет напряженного труда, затраченные на решение сформулированной задачи. В августе 1831 года был сделан решающий опыт, а 24 ноября на заседании в Ко­ролевском обществе была изложена сущность явления электро­магнитной индукции.

В качестве примера, характеризующего ход мыслей ученого и формирование его представлений об электромагнитном поле,рас­смотрим исследование Фарадеем явления, получившего тогда название «магнетизма враще­ния». За много лет до работ Фарадея мореплаватели заме­чали тормозящее влияние мед­ного корпуса компаса на колебания магнитной стрелки. Как уже отмечалось (см. пара­граф 3.5), в 1824 г. Араго опи­сал явление «магнетизма вращения», удовлетворительно объяснить которое ни он, ни другие физики не могли. Сущ­ность явления состояла в следу­ющем (рис. 4.2). Подковообраз­ный магнит мог вращаться вок­руг вертикальной оси, а над его полюсами находился алюмини­евый диск, который также мог вращаться на оси, совпадаю­щей по направлению с осью вращения магнита. В состоя­нии покоя никаких взаимодей­ствий между диском и Магнитом не наблюдалось. Но стоило начать вращать магнит, как диск устремлялся вслед за ним и наоборот. Чтобы исключить возможность увлечения диска пото­ками воздуха, магнит и диск были разделены стеклом.

Открытие электромагнитной индукции помогло Фарадею объ­яснить явление Араго и уже в самом начале исследования запи­сать: «Я надеялся сделать из опыта г-на Араго новый источник электричества.»

Открытие электромагнитной индукции — это яркий пример для иллюстрации диалектической и материалистической оценки случайного и неизбежного в науке, в научном поиске, в изобрета­тельстве, Фарадей, убежденный сторонник утверждавшегося тогда взгляда на взаимные превращения сил (термин энергия появился позднее), был уверен в том, что если электрический ток создает, магнетизм и механические движения, то и сам ток может быть получен «от магнетизма». Десять лет изо дня в день он ставил сот­ни и сотни опытов. Вот, например, в записной книжке Фарадея имеется такая запись, датированная 28 ноября 1825 года: «Опыты над индукцией путем замыкающего провода вольтовой батареи»: «батарея из четырех банок ..., полюсы соединены проводом около 4 футов длиной, параллельно которому идет другой такой же про­вод, отделенный от первого сложенным вдвое листом бумаги; кон­цы второго провода прикреплены к гальванометру, действия не наблюдались...»

Как просто нам сейчас увидеть, чего недоставало в этом опыте! Но в то время понадобились еще годы труда н. экспериментатор­ский гений Фарадея, чтобы обнаружить появление индуктирован­ного тока.

Любой из множества опытов Фарадея, к которым ученый шел тернистой, порой мучительной и долгой тропой первооткрывате­ля, в наше время легко воспроизводится в школьном физическом кабинете. Однако известно, что исторические заслуга оценивают в зависимости от того, что ученый внес нового по сравнению со сво­ими предшественниками. Конечно, сам августовский опыт Фара­дея носил элементы случайности: наблюдение тока во вторичной цепи именно в момент замыкания (или размыкания) первичной цепи. Более того, опыт был настолько прост, что даже признанный великий физик не избежал борьбы за приоритет: многим тогда ка­залось, что они экспериментировали с такими же схемами, и только случай не позволил им сделать главного наблюдения. Однако случай чаще всего идет навстречу тому, кто его упорно ищет: вся предшествующая десятилетняя работа Фарадея подготовила этот «случай». Известно также, что само открытие обычно происходит тогда, когда все необходимые для него научно-технические пред­посылки уже существуют. Одновременно с Фарадеем электромаг­нитную индукцию наблюдал американский физик Джозеф Генри (1797—1878 гг.). Нетрудно себе представить переживания учено­го, будущего президента американской Национальной Академии наук, когда он, собираясь опубликовать свои наблюдения, узнал о публикации Фарадея. Год спустя Генри открыл явление самоин­дукции и экстратоки, а также установил зависимость индуктивно­сти цепи от свойств материала и конфигурации сердечников катушек. В 1838 г. Генри изучал «токи высшего порядка», т.е. то­ки, индуцированные другими индуцированными токами. В 1842 г. продолжение этих исследований привело Генри к открытию коле­бательного характера разряда конденсатора (позднее, в 1847 г., это открытие повторил Г. Гельмгольц).

Обратимся к главным опытам фарадея. Первая серия опытов за­кончилась экспериментом, демонстрировавшим явление «вольта- Электрической» (по терминологии Фарадея) индукции (рис. 4.3 а-г). Обнаружив возникновение тока во вторичной цепи 2 при замыкании или размыкании первичной J, Фарадей поставил эксперимент для выяснения свойств индуктированного тока: внутрь спирали б, вклю­ченной во вторичную цепь, помещалась стальная игла 8 (рис. 4.3 б), которая намагничивалась индуктированным током. Результат гово­рил о том, что индуктированный ток подобен току, получаемому не­посредственно от гальванической батареи J.

Заменяя деревянный или картонный барабан 4, на который на­матывались первичная и вторичная обмотки," стальным кольцом (рис. 4.3 г), Фарадей обнаружил более интенсивное отклонение стрелки гальванометра 5. Данный опыт указывал на существен­ную роль среды в электромагнитных процессах. Здесь Фарадей впервые применяет устройство, которое можно назвать прототи­пом трансформатора.

Вторая серия опытов иллюстрировала явление электромагнит- вой индукции, возникавшее при отсутствии источника напряже­ния в первичной цепи. Исходя из того, что катушка, обтекаемая током, идентична магниту, Фарадей заменил источник напряже­ния двумя постоянными магнитами (рис. 4.3 д) и наблюдал ток во вторичной обмотке при замыкании и размыкании магнитной це­пи.

Это явление он назвал «магнитоэлектрической индукцией»; позднее им было отмечено, что никакой принципиальной разницы между «вольта-электрической» и «магнитоэлектрической» индук­цией нет. Впоследствии оба эти явления были объединены терми­ном «электромагнитная индукция». Один из заключительных экспериментов (рис. 4.3 е, ж) демонстрировал появление индукти­рованного тока при движении постоянного магнита или катушки с током внутри соленоида. Именно этот опыт нагляднее других про­демонстрировал возможность превращения «магнетизма в элект­ричество» или, точнее выражаясь, механической энергии в электрическую.

На основе новых представлений Фарадей и дал объяснение фи­зической стороне опыта с диском Араго. Кратко ход его рассужде­ний можно изложить следующим образом. Алюминиевый (или любой другой проводящий, но немагнитный) диск можно предста­вить себе в виде колеса с бесконечно большим числом спиц — ра­диальных проводников. При относительном движении магнита и диска эти спицы — проводники «перерезают магнитные кривые» (терминология Фарадея), и в проводниках возникает индуктиро­ванный ток. Взаимодействие же тока с магнитом было уже извест­но. В объяснении Фарадея обращает на себя внимание терминология и способ объяснения явления. Для определения на­правления индуктированного тока он вводит правило ножа, пере­резающего силовые линии. Это еще не закон Ленца, для которого свойственна универсальность характеристики явления, а только попытки каждый раз путем подробных описаний установить, бу­дет ли ток протекать от рукоятки к кончику лезвия или наоборот. Но здесь важна принципиальная картина: Фарадей, в противовес сторонникам теории дальнодействия, заполняет пространство, в котором действуют различные силы, материальной средой, эфи­ром, развивая эфирную теорию Эйлера, находившегося в свою очередь под влиянием идей Ломоносова.

Фарадей придавал магнитным, а затем при исследовании ди­электриков и электрическим силовым линиям физическую реальность наделял их свойством упругости и находил очень правдоподобные объяснения самым различным электромагнитным явлениям, пользуясь представлениями об этих упругих линиях, похожих на резиновые нити.

Прошло 160 лет, а мы до сих пор не нашли более наглядного способа и схемы объяснения явлений, связанных с индукцией ц электромеханическими действиями, чем знаменитая концепция фарадеевских линий, которые и поныне нам представляются вещественно ощутимыми. Из диска Араго Фарадей дей­ствительно сделал новый ис­точник электричества. Заставив вращаться алюминиевый или медный диск между полюсами магнита, Фарадей наложил на ось диска и на его периферию щетки. Таким образом, была сконструирована электрическая машина, полнившая поз- дне« наименование унипо­лярного генератора (рис. 4.4).

" Для характеристики взглядов Фарадея достаточно привести только названия некоторых из статей: «Опыт истории электро­магнетизма» (1821—-1822 гг.), «Об индукции электрических то­ков» (1831 г.), «Идентичность электричеств, получаемых из различных источников» (1833 г.), «Количественное соотношение между обыкновенным н вольтовым электричествами» (1833 г.), «Об электрохимическом разложении» (1834 г.), «Невероятность гипотезы контактной силы» (1839 г.), «О магнетизации света и об освещении магнитных силовых линий» (1845 г.), «О возможной связи тяготения и электричества» (1850 г.), «О соотношении фи­зических сил» (1859 г.). Даже в этом далеко не полном перечне работ Фарадея отчетливо проявляется генеральная идея, кото­рая разрабатывалась великим ученым всю его творческую жизнь. Читая Фарадея, трудно отделаться от впечатления, что он занимался только одной проблемой взаимопревращений раз­личных форм энергии, а все его открытия свершались между делом и служили лишь целям иллюстрация главной идеи. Он исследует различные виды электричества (животное, гальваниче­ское, статическое, «магнитное», термоэлектричество) и, доказы­вая их качественную тождественность, открывает закон электролиза. При этом электролиз, как и вздрагивание мышц препарированной лягушки, служил первоначально лишь доказатель­ством того, что все виды электричеств проявляются в одинаковых действиях.

Исследования статического электричества и явления электро­статической индукции привели Фарадея к формированию пред­ставлений о диэлектриках, к окончательному разрыву с теорией дальнодействия, к замечательным исследованиям разряда в газах (открытие фарадеева темного пространства). Дальнейшее иссле­дование взаимодействий и взаимопревращения «сил» привели его к открытию магнитного вращения плоскости поляризации света, к открытию диамагнетизма и парамагнетизма. Убежденность во всеобщности взаимопревращений заставила Фарадея даже обра­титься к исследованию связи между магнетизмом и электричест­вом, с одной стороны, и силой тяжести, с другой. Правда, остроумные опыты. Фарадея не дали положительного результата, но это не поколебало его уверенности в наличии связи между эти­ми явлениями.

Биографы Фарадея любят подчеркивать тот факт, что Фарадей избегал пользоваться математикой, что на многих сотнях страниц его «Экспериментальных исследований по электричеству» нет ни одной математической формулы. В связн с этим уместно привести высказывание соотечественника Фарадея, великого физика Джемса Кларка Максвелла (1831—1879 гг.): «Приступив к изуче­нию труда Фарадея, я установил, что его метод понимания явле­ний был также математическим, хотя и не представленным в форме обычных математических символов. Я также нашел, что этот метод можно выразить в обычной математической форме и, таким образом, сравнить с методами профессиональных матема­тиков...».

«Когда я переводил то, что я считал идеями Фарадея, в матема­тическую форму, продолжал Максвелл, я нашел, что в большин­стве случаев результаты обоих методов совпадали, так что ими объяснялись одни и те же явления и выводились одни и те же зако­ны действия, но что методы Фарадея походили на те, при которых

начинаем с целого и приходим к частному путем анализа, в to время как обычные математические методы были основаны на Принципе «движения от частностей и построения целого путем

синтеза».

«Математичность» мышления Фарадея можно иллюстрировать его законами электролиза или, например, формулировкой закона электромагнитной индукции: «количество приведенного в движе­ние электричества прямо пропорционально числу пересеченных силовых линий». Достаточно представить себе последнюю формулировку в виде математических символов, и мы немеделенно пату, чаем формулу, из которой очень быстро следует знаменитое dty/dt.

Д. К. Максвелл, родившийся в год открытия явления электро­магнитной индукции, очень скромно оценивал свои заслуги перед наукой, подчеркивая, что он лишь развил и облек в математиче­скую форму идеи Фарадея. Максвеллову теорию электромагнит­ного поля по достоинству оценили ученые конца прошлого в начале нынешнего веков, когда на почве идей Фарадея — Макс­велла начала развиваться радиотехника.

Для характеристики прозорливости Фарадея, его умения мыс­ленным взором проникать в глубь сложнейших физических явле­ний важно напомнить здесь то, что еще в 1832 г. гениальный ученый рискнул предположить, что электромагнитные процессы носят волновой характер, причем «магнитные колебания» и элект­рическая индукция распространяются с конечной скоростью.

В конце 1938 г. в архивах Лондонского Королевского общества было обнаружено запечатанное письмо М. Фарадея, датированное 12 марта 1832 г. Оно пролежало в безвестности более ста лет, а в нем были такие строки:

«Некоторые результаты исследований ... привели меня к за­ключению, что на распространение магнитного воздействия требуется время, т.е. при воздействии одного магнита на другой отдаленный магнит или кусок железа влияющая причина (кото­рую я позволю себе назвать магнетизмом) распространяется от магнитных тел постепенно и для своего распространения требу­ет определенного времени, которое, очевидно, окажется весьма незначительным.

Я полагаю также, что электрическая индукция распространя­ется точно таким же образом. Я полагаю, что распространение магнитных сил от магнитного полюса похоже на колебания взволнованной водной поверхности или же на звуковые колеба­ния частиц воздуха, т.е. я намерен приложить теорию колебанийк магнитным явлениям, как это сделано по отношению к звуку и является наиболее вероятным объяснением световых делений.

По аналогии я считаю возможным применять теорию колеба­ний к распространению электрической индукции. Эти воззрения я хочу проверить экспериментально, но так как мое время занято исполнением служебных обязанностей, что может вызвать про­дление опытов ... я хочу, передавая это письмо на хранение Коро­левскому обществу, закрепить открытие за собой определенной датой..."

Поскольку эти идеи Фарадея оставались неизвестными, нет никаких оснований отказывать великому его соотечественни­ку Максвеллу в открытии этих же идей, которым он придал строгую физико-математическую форму и фундаментальное значение.

Один из величайших ученых всех времен и народов, Фарадей был человеком исключительной скромности и высоких нравствен­ных принципов. Ему были чужды тщеславие и заботы о матери­альном благополучии, он с исключительной сердечностью относился к простым людям и представителям того класса, выход­цем из которого был сам. Знаменитые фарадеевские общедоступ­ные лекции, лекции для детей (вспомним неповторимую «Историю свечи») являлись штрихами, дополнившими цельную натуру гениального и простого человека.

В год смерти Фарадея Максвелл написал: «Мы ... рассматриваем Фарадея как наиболее полезный и одновременно наиболее благо­родный тип ученого. Тот факт, что Фарадей существовал, делает более великой и сильной всю нацию, и нация была бы еше более великой и сильной, если бы среди нас было бы больше Фарадеев». Признаем, что в этих фразах Максвелла можно усмотреть при­уменьшение значения Фарадея: его имя делает честь и принадле­жит всему человечеству.

 



BoomLive