В наши дни любой школьник может воспроизвести опыт Эрстеда и продемонстрировать «вихрь электрического конфликта», насыпав на плотный лист бумаги железные опилки, а сквозь центр листа, пропустив провод с электрическим током. Открытие Эрстеда спустя несколько месяцев привело к изобретению индикатора электрического тока: немецкий физик И. Швейггер (1779-1857) предложил использовать отклонение магнитной стрелки электрическим током, создав новый электроизмерительный прибор – «мультипликатор» (1820), представлявший собой магнитную стрелку, помещенную внутри рамки, состоящей из нескольких витков проволоки (рис. 5.1).
Рис. 5.1. Мультипликатор Швейггера
Необычайно «урожайным» в истории электромагнетизма был 1820 г. Выдающиеся открытия следовали одно за другим. В сентябре 1820 г. французский физик, позднее академик, Д.Ф. Араго (1786-1853) обнаруживает намагничивание проводника протекающим по нему током: если медная проволока, соединенная с полюсами вольтова столба, погружалась в железные опилки, то последние равномерно к ней «прилипали», а при выключении тока опилки «отставали». При замене медной проволоки железной она намагничивалась, а кусочек стали при таком намагничивании становился постоянным магнитом. По совету Ампера Араго заменил прямолинейную проволоку спиралью, при этом намагничивание иголки, помещенной внутри спирали, заметно усилилось. Так был создан «соленоид». Опыты Араго наглядно доказали электрическую природу магнетизма и возможность намагничивания стали электрическим током.
«Ньютон электричества»
Наиболее выдающийся вклад в начальное исследование явлений электромагнетизма внес один из крупнейших французских ученых Андре Мари Ампер (1775-1836), заложивший основы электродинамики. Ампер от природы был необыкновенно одаренным человеком. В истории науки не известен случай, чтобы 13-летний мальчик представил в Лионскую академию наук литературы и искусства свою первую математическую работу, в которой высказал серьезные замечания по поводу одного из трудов всемирно известного математика Л. Эйлера. С помощью отца – одного из образованнейших людей своего времени, сотрудников Лионского лицея и главным образом путем неустанного самообразования, к 18 годам познания Ампера в области математики, физики, механики вполне соответствовали курсу университетского образования. В то время как его сверстники еще не перестали играть в детские игры, он все глубже познавал естественные науки.
Но его творческая жизнь была нарушена страшной трагедией: в 1793 г. во время Великой французской революции был казнен его отец. После этого Ампер долго болел, но постепенно заставляя себя продолжать заниматься науками, начал давать частные уроки по физике, математике, химии, которые принесли ему не только денежные средства, но и известность способного педагога. И в 1802 г. он с успехом прошел собеседование и был зачислен на должность профессора в Центральной школе г. Бурга (недалеко от Лиона), а с 1809 г. – Ампер уже профессор математического анализа Политехнической школы в Париже – самой популярной среди технических школ Франции.
Ампера уже много лет интересовали электрические явления, но совмещать исследования этих явлений с математическими работами ему не удавалось.
Но когда Ампер в сентябре 1820 г. увидел на заседании Французской академии наук повторение Араго опытов Эрстеда, он, обладавший необыкновенным чувством научного предвидения, немедленно забросил все дела и с головой погрузился в изучение нового явления. И уже 18 сентября 1820 г. он докладывает в Академии наук о своих первых открытиях в области электромагнетизма. Ампер впервые убедительно показал, что железная проволока, согнутая в кольцо, аналогична «тонкому листку» постоянного магнита – и кольцо и «листок» – оба имеют одноименные полюса – никому до него это – как говорят – не пришло в голову. И еще очень важное наблюдение. (Заметим, что Ампер с поразительной последовательностью выступал еженедельно с сентября по декабрь перед академиками, излагая свои новые открытия, которые позднее были обобщены в его знаменитом труде по электродинамике.) Если «круговой» ток аналогичен магниту, то и взаимодействие кольцевых проводников с током должно быть аналогичным взаимодействию магнитов. Ампер вводит в науку термин «электрический ток» и понятие о направлении электрического тока. Он предложил считать за направление тока направление положительного электричества – «от плюса к минусу». Он также сформулировал важное правило о направлении отклонения магнитной стрелки, зависящего от направления тока в проводнике – «правило пловца».
На основании многочисленных экспериментов Ампер установил закон взаимодействия линейных токов: два параллельных и одинаково направленных тока взаимно притягиваются. Тогда как два противоположно направленных тока взаимно отталкиваются. Для исследования токов он создал так называемый «станок Ампера» (рис. 5.2).
Обнаруженные явления Ампер предложил называть электродинамическими в отличие от известных ранее электростатических. Позднее электродинамика стала одним из важнейших разделов физики и электротехники.
Рис. 5.2. «Станок» Ампера:
1 – подвижная рамка; 2 – неподвижный проводник
Ампер не только дал глубокий анализ наблюдавшихся явлений, но сумел теоретически обобщить их, выведя формулу, позволяющую определить силу взаимодействия токов, а также создал приборы для определения этой силы. В Германском музее шедевров науки и техники хранятся оригиналы этих приборов, как «драгоценнейшие документы музея». Как писал один из биографов, это был «немеркнущий вклад, оставшийся на все времена в сокровищнице науки».
Ампер, несмотря на серьезную сердечную болезнь, неустанно трудился, надеясь претворить в жизнь свои идеи. Одной из наиболее революционных была его идея о молекулярных токах, утверждавшая, что «все магнитные явления… сводятся к чисто электрическим действиям». Теория о круговых молекулярных токах, отвергала наличие «особых» электрических и магнитных жидкостей. Его фундаментальный труд «Теория электрических явлений, выведенная исключительно из опыта», получил высочайшую оценку великого Максвелла, назвавшего Ампера «Ньютоном электричества».
Имя ученого известного всему миру было увековечено в 1893 г. на Международном конгрессе электриков в Чикаго, давшем единице силы тока название «ампер». Он был членом академий все крупнейших стран Европы, в 1830 г. Ампер был избран почетным иностранным членом Петербургской академии наук.
Рис. 5.3. Схема «электромагнитных вращений» (по рисунку Фарадея):
7, 2 – чаши с ртутью; 3 – подвижный магнит; 4 – неподвижный магнит; 5 – неподвижный проводник; 6 – подвижный проводник
Создание прообразов электродвигателя
Первым, кто, проявив незаурядные способности экспериментатора, претворил в жизнь идеи Ампера, был великий английский физик Майкл Фарадей (1791-1867), тогда еще никому неизвестный своими исследованиями. В 1821 г. Фарадей создает оригинальный прибор, демонстрирующий вращение проводника вокруг магнита и магнита вокруг проводника (рис. 5.3). При подключении к источнику тока в левом сосуде со ртутью подвижный магнит 3 вращается вокруг неподвижного провода 5, а в правом – подвижный проводник 6 вращается вокруг неподвижного магнита 4. По признанию Фарадея, думая о своем приборе, «он долго ломал себе голову… даже ночами просыпался и думал». Прибор Фарадея наглядно иллюстрировал возможность создания электродвигателя. По утверждению одного из ученых «…одно лишь открытие Фарадеем «электрического вращения» оставило бы ему мировую известность».
Анализ истории развития электрических машин показывает, что первым практическим устройством был электродвигатель. Это объясняется тем, что в связи с развитием промышленности все более возрастала потребность в компактном и экономичном электродвигателе, вместо широко распространенной паровой машины. Что же касается электрогенератора, то в течение первой трети XIX в было создано много разновидностей электрохимических батарей, которые получили широчайшее практическое применение.
Первый практически пригодный электродвигатель был создан петербургским профессором Борисом Семеновичем Якоби (1801-1874) в 1834 г. Б.С. Якоби принадлежал к числу тех иностранных ученых, которые по приглашению приехали в Россию и связали с ней свою творческую жизнь. Мориц Герман Якоби принял русское имя и прожил в России 39 лет до конца своих дней. Сначала он работал в Дерпте (ныне Тарту), а потом в Петербурге, с 1839 г. «состоял в Петербургской академии наук», а с 1865 г. был избран академиком по физике.
Еще накануне приезда в Россию Якоби в 1834 г. послал в Парижскую академию наук сообщение об изобретенной им «магнитной машине». Первый электродвигатель Якоби работал по принципу притяжения и отталкивания двух комплектов электромагнитов, один из них располагался на неподвижной деревянной раме, другой – на подвижной (рис. 5.4). Источником питания служила батарея гальванических элементов.
