В.В. Петров. Гравюра XIX в.
Что же это были за опыты? Если коротко, уникальные и преждевременные. Наука и экспериментальная база еще не были готовы к ним. Посему исследователь действовал больше по наитию, но ведомый своим гением.
«Отец русской электротехники», как любят называть сейчас Петрова историки науки, прекрасный педагог, в стенах Медико-хирургической академии, где он заведовал кафедрой, оборудовал лучший в России (да и, быть может, в мире) физический кабинет, оснастил его приобретенными у графа Д.П. Бутурлина, а также в Лондоне физическими приборами, и по 14 часов в день с упоением занимался физическими и химическими опытами.
Эксперименты давали физику ответ на многие вопросы теории, почерпнутые им в том числе и из книг и журнальных статей европейских ученых, после чего он демонстрировал их студентам на занятиях. Собственно, это «хобби» и привело ученого к его открытиям. Одним из постоянных увлечений Петрова было электричество. Заинтересовавшись открытиями Л. Гальвани и А. Вольта, особенно вольтовым столбом – гальванической батареей, сооруженной Вольта в 1800 г., представлявшей собой прибор из нескольких десятков чашек, заполненных соленой водой и объединенных металлическими дугами из меди и цинка, Петров решил сконструировать такую же. Что и сделал, но воистину в российских масштабах – увеличил число элементов батареи сразу на два порядка!
Соединив последовательно 2100 пар медных и цинковых кружков, которые изолировались друг от друга бумажными кружками, смоченными электролитом – водным раствором нашатыря, физик собрал огромную гальваническую батарею, электродвижущая сила которой достигала 1700 вольт, и получил на ней мощный источник электрического тока.
Если эти тысячи элементов выстроить в столб, как их собирал Вольта, они достигли бы длины 12 метров, и с ними вряд ли можно было бы проводить какие-либо опыты. Однако ученый сумел уложить все эти «кружочки» в достаточно компактный трехметровый ящик, явивший собою воистину инженерное чудо. (Через 150 лет в Московском энергетическом институте была воссоздана 1/20 часть гальванической батареи, на которой повторили эксперимент, давший точные характеристики аппарата Петрова. – Я.А. Шнейберг. )
Проводя на батарее разнообразные эксперименты, Петров прикрепил к ее полюсам две проволоки с прикрученными кусочками древесного угля, соединил электроды, потом развел их – и получил ослепительную вспышку белого пламени. Это и была электрическая дуга, названная позднее «вольтовой».
Многократно повторив опыты, ученый издал в 1803 г. великолепную во всех смыслах книгу «Известие о гальвани-вольтовских опытах», не нашедшую, к сожалению, должного сочувствия к ней в Министерстве просвещения и в научных кругах. В этом труде, написанном «наипаче для пользы тех читателей, которые… живут в отдаленных от обеих столиц местах и которые не имели случая приобрести нужные понятия в сих предметах», ученый описал свою уникальную батарею и обстоятельно изложил исследования свойств электрической дуги. Петров убедительно показал, что действие дуги основано на химических процессах, происходящих между металлами и электролитом, а также предложил использовать электрическую дугу для освещения, плавления и варки металлов, восстановления металлов из их окислов.
На этой и других установках академик изучал электропроводность и физико-химические свойства разных веществ – древесного угля, льда, фосфора, серы; исследовал электрические явления в различных газовых средах; впервые произвел опыты электролиза (разложения посредством электрического тока) жидкостей – воды, алкоголя, растительных масел, окислов металлов (ртути, свинца, олова); вел изучение «действия Гальвани-Вольтовской жидкости на тела живых, особливо животных», а также свечение фосфоров животного и минерального царства (люминесценцию); впервые применил изоляцию сургучом проволочного проводника и параллельное соединение электрических цепей; первым в мире исследовал электрические явления с наэлектризованными телами в разреженном пространстве (электрический разряд в вакууме, статическое электричество, электризация тел); за 25 лет до Г.С. Ома установил зависимость силы постоянного тока от площади поперечного сечения проводника, чем «предвосхитил закон Ома»; ввел в электротехнику термин «сопротивление»…
Надо сказать, что многие труды Петрова стали не только фактом истории, но и по сию пору представляют научный интерес. Академик С.И. Вавилов, например, относил работы Петрова по люминесценции чуть ли не к последнему слову науки. Президент АН вообще отвел Василию Владимировичу не оспариваемое никем место: «В истории русской физики до половины XIX в. В.В. Петров не только хронологически, но и по своему значению непосредственно следует за М.В. Ломоносовым».
Физик, геофизик, геодезист, электротехник, географ, путешественник, педагог; профессор Морского кадетского корпуса, Михайловской артиллерийской академии, Главного педагогического института, Михайловского артиллерийского училища; профессор, заведующий кафедрой физики и физической географии, декан физико-математического факультета, ректор Санкт-Петербургского университета; академик императорской Санкт-Петербургской АН, член ряда зарубежных АН и научных обществ Европы; основатель научной школы физиков; один из учредителей Русского географического общества; создатель учебников физики для средних школ; тайный советник, Эмилий Христианович Ленц, настоящее имя Генрих Фридрих Эмиль Ленц (1804–1865), является автором фундаментальных законов электродинамики. Ленц установил факт обратимости магнитоэлектрической машины и электродвигателя, совместно с академиком Б.С. Якоби разработал методы расчета электромагнитов.
Помимо главного закона сохранения и превращения в каждом разделе физики есть еще несколько основных законов. Скажем, в механике это закон Архимеда, закон всемирного тяготения, законы Ньютона и т. д. В электричестве и магнетизме – законы Ома, Кулона и др. Среди них два принадлежат Э.Х. Ленцу: закон его имени (его часто называют правилом) и закон Джоуля – Ленца, открытый в начале 1840-х гг. экспериментальным путем независимо друг от друга обоими учеными. Ленц получил и интерпретировал результаты раньше Дж. Джоуля, и благодаря более совершенному методу они у него были точнее, но английский физик опередил русского с публикацией. Тут уж ничего не поделаешь – такова планида у русских ученых! Есть у Ленца и два «довесочка»: в законе электромагнитной индукции Фарадея по закону Ленца определяется знак электродвижущей силы (ЭДС); а еще Эмилий Христианович первым обратил внимание на закон Ома и всячески содействовал его признанию.
Э.Х. Ленц
После открытия датским ученым Х.К. Эрстедом в 1820 г. электромагнетизма (электродинамики), ученые разных стран – А. Ампер, М. Фарадей, Д.К. Максвелл, Г. Герц и др. – добились в новой области науки впечатляющих достижений. Однако из-за отсутствия точных приборов, а также методов измерения электрических и магнитных величин в формулах и теориях зачастую не было и однозначных трактовок. В частности, отсутствовала количественная характеристика электромагнитной индукции (явления возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него), не было правила (исключая несколько мнемонических), определяющего направление индуктированных токов, и др. Большую часть этих сложных физических проблем разрешил один из лучших экспериментаторов своего времени Э.Х. Ленц.
В 1833 г. ученый представил Петербургской АН доклад «Об определении направления гальванических токов, возбуждаемых электродинамической индукцией», в котором указал на различное толкование Фарадеем индуцируемых токов в случае вольта-электрической и в случае магнитоэлектрической индукции и объявил, что в обоих случаях действует один и тот же индукционный процесс, подчиняющийся общему правилу: «Если металлический проводник движется поблизости от гальванического тока или магнита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направления, что если бы данный проводник был неподвижным, то ток мог бы обусловить его перемещение в противоположную сторону; при этом предполагается, что покоящийся проводник может перемещаться только в направлении движения или в противоположном направлении».
Теоретические выкладки подкреплялись блестящими экспериментами, показывающими, что индукционный ток всегда противодействует изменению, порождающему его. С тех пор правило Ленца, предписывая направление движения индукционного тока, действует в электромагнитной индукции, как правила уличного движения на городских улицах.
Выводя свое правило, Ленц впервые обосновал и справедливость закона сохранения и превращения энергии при взаимных превращениях механической и электромагнитной энергии. Перемещая магнит или проводник с током вблизи замкнутого проводника, ученый показал, что механическая энергия этого перемещения превращается в электромагнитную энергию тока индукции. «Работа перемещения первого проводника превращается в электрическую энергию во втором проводнике», – заметил физик. Закон сохранения и превращения энергии в его современном виде был открыт лишь через восемь лет после доклада Ленца немецким физиком Р. Майером.
