Электромагнетизм и электромагнитная индукция: открытие явлений

Тесную связь магнетизма и электричества — точнее, способность этих сил притягивать и отталкивать — заметили еще древние. В то же время люди обращали внимание на то, что янтарь нужно сперва потереть, прежде чем к нему начнут прилипать разные легкие предметы, зато магнетит притягивает тяжелое железо без всякого трения. Со времен Средневековья нередко случалось, что грозовой разряд намагничивал железные кресты на церквях и вращал стрелку компаса. В XVII в. английский физик У. Гильберт предположил, что появление молнии связано с электричеством, а еще через сто лет американский ученый-политик Бенджамин Франклин продемонстрировал, как лейденская банка — стеклянная емкость, оклеенная оловом и накапливающая заряд посредством металлического стержня, — разряжается, словно молния, намагничивая собственный стержень. Тем не менее не все ученые считали, что эти явления как-то связаны; многие утверждали: сходство магнетизма и электричества — простое совпадение.

В 1780 г. итальянский анатом Луиджи Гальвани (1737—1798), препарируя лягушку, заметил, что ее лапка дергается всякий раз, когда к животному прикасается скальпель, а электрическая машина, которую от нечего делать потирал его ассистент, искрит. Поскольку в то время уже было известно, что морские скаты способны обездвижить рыбу ударом тока, Гальвани решил: электричество содержится в самой лягушке и передает сигналы от мозга ко всем частям тела. (Кстати, именно это открытие вдохновило английскую писательницу Мэри Шелли сочинить историю о монстре Франкенштейне.)

Прошло несколько лет, и в один прекрасный день Гальвани заметил, что лягушки, развешенные на балконе на металлических крючках, «пускаются в пляс», стоит только крючьям коснуться железных перил. Ученый стал экспериментировать, прикладывая то к одному, то к другому крюку медные и латунные пластинки, — и движения земноводных стали еще энергичнее. Значит, через тела живых существ постоянно течет электрический ток, заключил Гальвани.

Впрочем, другой итальянский физик, Алессандро Вольта (1745—1827), придерживался иного мнения — что электричество находится именно в металле, а не в живом существе. В доказательство Вольта взял «удвоитель», сконструированный английским изобретателем У. Николсоном, и, вращая размещенные одна на другой, но изолированные пластины из латуни, получил достаточно заметное электричество. Так теория Гальвани рассыпалась в пух и прах.

Решив усовершенствовать «удвоитель», Вольта попробовал использовать пластины из разных металлов и в конце концов выбрал цинк и медь. Диски выкладывались стопкой попарно, перемежевываясь картонками либо кожей с пропиткой из морской воды, и вся эта конструкция, получившая название вольтова столба, производила постоянный ток относительно большой силы. Кроме того, Вольта придумал еще одно устройство для генерации энергии — «корону из чаш»: выставив в ряд чашки, ученый наполнил их соленой водой (а позже попробовал заменить воду кислотой) и соединил полосками, спаянными из двух металлов.

Весть об опытах Вольты быстро разлетелась по всей Европе, и уже в начале XIX в. сам Николсон с помощью вольтова столба смог разложить воду на кислород и водород. После этого устройство стали называть батареей — также как и лейденские банки.

С 1820 г. за влиянием тока на магнитную стрелку наблюдал датский профессор Ханс Христиан Эрстед (1777—1851). Ученый опускал цинковую и медную пластины в раствор серной кислоты, соединял их медной проволокой — и электрическая цепь гальванической батареи замыкалась, вызывая колебания магнитной стрелки. Только когда провод цепи располагался перпендикулярно вертикальной плоскости, проходящей через магнитную стрелку, та не двигалась. Это опровергало заблуждения по поводу равенства магнитного «заряда» и электрического.

В том же году немецкий естествоиспытатель Иоганн Швейггер (1779—1857) продемонстрировал прибор, измеряющий силу тока с помощью магнитной стрелки. Устройство, которое сам изобретатель назвал гальванометром, представляло собой катушку из нескольких витков провода (Швейггер изолировал его сначала воском или сургучом, а позже стал использовать шелк). Когда ток проходил через катушку, стрелка компаса отклонялась, и по степени ее отклонения можно было судить о силе тока.

Вскоре информация об открытиях Эрстеда и Швейггера дошла до французского физика Андре-Мари Ампера (1775—1836), и он во что бы то ни стало решил выяснить, как же связаны электричество и магнетизм. Эрстед полагал, будто электричество намагничивает провод, а тот, в свою очередь, намагничивает стрелку компаса, но Ампер был категорически не согласен. Он первым догадался, что у магнита нет никого заряда, а в намагничивании виноваты заряды электричества, которые движутся вокруг каждого атома и образуют замкнутые контуры («цепи»), превращая атомы в мини-магниты.

Дабы убедиться в своей правоте, Ампер сцепил основаниями две намагниченные иголки, поместил их возле провода с током и увидел, что магнит развернулся перпендикулярно проводу, северным полюсом влево, если стоять лицом по направлению тока. На основании этого эксперимента ученый сформулировал закон, согласно которому два параллельных проводника с однонаправленным током притягиваются, а с разнонаправленным — отталкиваются. Помимо того, Ампер нашел формулу, благодаря которой можно вычислить, с какой силой магнитное поле действует на проводник внутри него.

Опытным путем ученый доказал, что любой предмет, проводящий электричество, создает вокруг себя магнитное поле, которое окружает проводник концентрическими силовыми линиями. Также ученый заметил, что железо после остановки тока теряет магнетизм, тогда как сталь даже в отсутствии электричества долгое время сохраняет притягивающую способность. Исходя из этого, Ампер сконструировал соленоид — очень мощный электромагнит, представляющий собой железные прутья, обмотанные изолированной проволокой с током.

На протяжении следующих 10 лет ученые пытались усовершенствовать соленоид, вследствие чего железные прутья были изогнуты в форме подковы, провод изолирован шелковыми нитями, а сам прибор подключен к батарее. Мощь такого соленоида позволяла поднимать грузы весом в несколько тонн! Это стало веским доказательством того, что электричество возбуждает магнитную силу, — оставалось выяснить, как магнит влияет на электричество. Такое задание оказалось по плечу лишь английскому физику Майклу Фарадею (1791—1867).

Изыскания ученого начались с попытки ответить на вопрос: почему один наэлектризованный предмет передает заряд окружающим предметам, а провод с током не заряжает близлежащие провода? В поисках ответа Фарадей обмотал вокруг деревянного валика две изолированные проволоки и одну присоединил к батарее, состоящей из десяти гальванических элементов, а другую — к гальванометру. Затем ученый несколько раз пропустил через первый провод электричество, постепенно увеличивая силу тока, однако на второй провод это никак не подействовало.

В следующих опытах Фарадей внимательнее пронаблюдал за гальванометром и увидел, что прибор все же реагирует на ток, только длится это одно мгновение — когда цепь замыкается и размыкается. То есть именно в эти моменты во второй проволоке возникал ток. Такие короткие токи — Фарадей назвал их индуктивными — так и остались бы любопытным, но бесполезным открытием, если бы ученый не сконструировал специальный коммутатор, открывающий и закрывающий электрическую цепь. Благодаря этому поток электричества, текущий от батареи по первой проволоке, то прерывается, то возобновляется, беспрестанно возбуждая во втором проводе индуктивные токи и преобразуя их в постоянный. Потому данный вид электроэнергии назвали индукционной.

Не желая останавливаться на достигнутом, Фарадей выяснил, что мгновенный ток в нейтральной закрученной проволоке возбуждается даже при ее приближении к проводу с гальваническим током и отдалении от него. В первом случае индуктивный ток течет в обратную сторону от гальванического, а во втором — в том же направлении. В связи с этим встал вопрос: нельзя ли добиться того же эффекта, намагничивая и размагничивая железо?

Можно, ответил Фарадей, проведя еще серию опытов. Теперь он обматывал две проволоки вокруг железного кольца, возбуждая магнитное поле опять-таки батареей; вокруг железного бруска, который намагничивался стальным магнитом; наконец, вокруг самого магнита. Во всех случаях «включение/выключение» магнитного поля (приближение/отдаление проволоки от магнита) вызывало мгновенные токи.

Далее ученый доказал, что индуктивный ток генерируется не только тогда, когда его источник приближается или отдаляется от магнита, но и просто при переходе через силовые линии (эти линии Фарадей открыл в 1830 г., когда заметил, что железная стружка группируется вокруг магнита по полукруглым кривым). А еще великий физик решил проблему, которая занимала чуть ли не всех ученых того времени: почему магнитная стрелка крутится следом за расположенным под ней диском из металла-немагнетика? Ответ Фарадея был таков: под воздействием магнита диск, обращаясь, генерирует индуктивные токи, а те, в свою очередь, приводят в движение стрелку.

В 1832 г., основываясь на своих наблюдениях земного магнетизма, Фарадей предложил проект телеграфа, а через три года сделал еще одно открытие: во время замыкания и размыкания гальванической цепи в проводнике обычного тока тоже возникают токи индуктивные.

Уже в 1860-е Джеймс Клерк Максвелл (1831—1879) определил магнитное поле как часть пространства, где предметы пребывают в электрическом или магнитном состоянии, а также вывел целую систему уравнений, описывающих взаимосвязи между явлениями электромагнетизма, к которым относится и видимый солнечный свет. Таким образом, Максвелл окончательно связал магнетизм с электрическими токами. А в ХХ в. квантовые физики уточнили, что электромагнитная энергия выделяется порциями-квантами и магнитные свойства есть даже у мельчайших частиц.