Деятельность А. Г. Столетова развернулась еще шире после защиты им в 1872 году докторской диссертации. Экспериментальную часть диссертации он выполнил во время шестимесячной командировки в 1871 году в Гейдельберг в лабораторию Кирхгофа, который высоко ценил дарования А. Г. Столетова и охотно предоставил ему место в своей лаборатории. В 1873 году А. Г. Столетов был утвержден ординарным профессором.
Настойчивые хлопоты А. Г. Столетова наконец увенчались успехом: в Московском университете наконец появилась физическая лаборатория, где не только выполнялись учебные работы студентов, но и велась экспериментальная научно — исследовательская работа. В ней работали и студенты, и профессор с его помощниками, и молодые ученые. В этой лаборатории А. Г. Столетов осуществил свои замечательные исследования, прославившие его имя.
Он работал по электростатике, магнетизму, электромагнетизму, по критическому состоянию тел, по фотоэлектрическим явлениям.
В последние годы жизни А. Г. Столетова в созданной им лаборатории работал впоследствии прославленный физик П. Н. Лебедев.
Огромную ценность представляли не только добытые А. Г. Столетовым фактические результаты, но и открытые им закономерности и методы экспериментального исследования.
Давно уже было известно, что если поместить железо в соседстве с магнитом или проводником, по которому течет электрический ток, т. е. поместить железо в магнитное поле, то железо намагнитится. Величину, показывающую, как изменяется намагниченность с изменением магнитного поля. А. Г. Столетов назвал функцией намагничения (теперь она называется магнитной восприимчивостью). Чем больше магнитная восприимчивость, тем, при данной величине магнитного поля, будет больше намагничение.
В своем замечательном «Исследовании функции намагничения мягкого железа» А. Г. Столетов поставил себе целью установить зависимость магнитной восприимчивости от величины намагничивающего поля. Он показал, что магнитная восприимчивость непостоянна. С возрастанием магнитного поля она сначала растет медленно, а потом все быстрее и быстрее. Достигнув наибольшей величины, магнитная восприимчивость, несмотря на увеличение намагничивающего поля, начинает убывать. Наличие максимума магнитной восприимчивости, впервые установленного А. Г. Столетовым, оказалось основным свойством сильно магнитных материалов (ферромагнетиков). При исследовании функции намагничения А. Г. Столетов применил особый, разработанный им метод. Испытуемому образцу железа он придал форму кольца. Чтобы намагнитить железо, по катушке, намотанной на это кольцо, пропускали ток. Величина намагниченности железа определялась по силе индукционного тока.
А. Г. Столетов прекрасно понимал практическое значение этой своей работы. Он писал: «Знание свойств железа относительно временного намагничения также необходимо здесь, как необходимо знакомство со свойствами пара для теории паровых машин».
Самой же выдающейся работой А. Г. Столетова стало его исследование влияния света на электрические разряды в газах. А. Г. Столетов построил первый фотоэлемент, который назвал воздушным элементом, он установил важный закон разряда в газах, получивший название закона Столетова.
Опыт, произведенный А. Г. Столетовым, был очень прост. А. Г. Столетов поставил друг перед другом тщательно очищенную цинковую пластинку и металлическую сетку. Пластинку он соединил с отрицательным полюсом электрической батареи, а сетку — с положительным, включив в цепь прибор для измерения электрического тока — чувствительный гальванометр. Все это представляло собой разомкнутую электрическую цепь, через которую ток не мог идти: между пластинкой и сеткой был непроводящий воздушный промежуток. Однако, когда через сетку на цинковую пластинку направлялся свет мощного источника (вольтова дуга), гальванометр показывал наличие тока.
Это явление было названо А. Г. Столетовым актиноэлектрическим. Теперь его называют фотоэлектрическим.
В этом исследовании А. Г. Столетов впервые применил гальванометр для изучения прохождения тока через газ (воздух). Ныне этот прием широко используется во всех исследованиях прохождения электричества через газы.
А. Г. Столетов впервые установил следующий чрезвычайно важный факт. Если при одном и том же освещении пластинки постепенно увеличивать напряжение, вызывающее ток, то электрический ток сначала будет быстро возрастать, затем его величина будет изменяться все медленнее и медленнее, пока не достигнет максимального значения, которое называют током насыщения. Причина этого явления теперь стала совершенно ясной: свет, падающий на металлическую пластинку, вырывает из нее электроны. При одной и той же силе света число вырываемых электронов будет одним и тем же. При увеличении напряжения электроны все быстрее отгоняются к сетке, и ток становится больше. Но если напряжение стало таким, что в каждую секунду к сетке будет отлетать столько электронов, сколько их вылетает из пластинки, то дальнейшее увеличение напряжения силу тока не увеличит, такой ток называется током насыщения. Таким образом, по величине тока насыщения можно судить о том, сколько электронов ежесекундно вырывается из пластинки. Тем самым будет получена возможность исследовать внутренний механизм электрического разряда в газах.
Продолжая свои исследования, А. Г. Столетов пластинку и сетку поместил в стеклянный сосуд, из которого можно было выкачивать воздух. Так был создан первый в мире фотоэлемент. А. Г. Столетов произвел измерения при различных давлениях газа в сосуде, различных расстояниях между сеткой и пластинкой и при различных напряжениях. Закономерности, открытые А. Г. Столетовым, легли в основу современных теорий электрического разряда в газах.
А. Г. Столетов был выдающимся лектором. Лекции А. Г. Столетова отличались обилием материала, строгой системой, ясностью и необыкновенной увлекательностью изложения. Их охотно посещали студенты других курсов и даже других факультетов. Так было с лекциями о фонографе с демонстрацией это — го прибора (1890), о цветной фотографии — на лекции демонстрировались усовершенствованные цветные фотографии.
Много внимания уделял А. Г. Столетов студентам.
Тем, кто выделялся своими способностями и любовью к научным занятиям, ученый оказывал большую научную помощь, заботился об их командировках за границу.
Несмотря на большую научную, педагогическую и организационную работу, которую вел А. Г. Столетов в университете, он все же находил время и силы для большой научно — обществен- ной работы вне стен университета. Он читал научно — популярные лекции для широкого круга. Физик А. П. Соколов так описывает успех лекций А. Г. Столетова: «Публика всякий раз стекалась в изобилии на такие публичные чтения А. Г. Столетова и приходила в восторг от его изящных и увлекательных лекций, обставленных всегда интересными опытами, которые выполнялись с безукоризненной отчетливостью».
По инициативе А. Г. Столетова и с его участием состоялось чествование двухсотлетия памяти Ньютона и ряд лекций по электротехнике, которая, вследствие ее быстрого развития в те годы, пробудила к себе общий интерес, чему отчасти способствовало повсеместное применение свечи Яблочкова.
Будучи директором отдела прикладной физики при Политехническом музее, А. Г. Столетов развивал работу и в этом учреждении. Эту деятельность А. Г. Столетова Общество любителей естествознания высоко ценило: в 1884 году оно присудило ему золотую медаль и в 1886 году избрало его своим почетным членом. Признание заслуг А. Г. Столетова выразилось в учреждении ежегодной премии, выдаваемой начинающим ученым за лучшие работы по физике и химии.
Свои публичные выступления А. Г. Столетов часто посвящал новейшим достижениям науки. На одном из общих собраний VIII съезда естествоиспытателей и врачей в 1889 году по предложению распорядительного комитета съезда он произнес речь на тему, связанную с блестящими работами Герца «О тождестве волн света и электричества». Выступление А. Г. Столетова имело огромный успех. А. П. Соколов о нем писал: «С тех пор слава А. Г. Столетова как блестящего оратора и образцового популяризатора непоколебимо утвердилась во всей интеллигентной России».
С 1892 года А. Г. Столетову пришлось перенести много неприятностей. Они тяжело отразились на его здоровье, настроении и на всей его последующей деятельности. К этому времени относятся печальные события, связанные с избранием А. Г. Столетова в Академию наук: назначенные в 1893 году выборы А. Г. Столетова были отложены на неопределенный срок после чего его кандидатура была снята совсем. В том же 1893 году окончился срок тридцатилетней службы А. Г. Столетова в университете, о чем он получил официальное извещение.
