Вслед за Эрстедом

Весть об опытах, произведенных Эрстедом, за короткий срок облетела мир. Провод с током в то время притягивал не только магнитную стрелку – мысль ученых во всех странах вновь и вновь устремлялась к этому проводу. И не случайно: все понимали, что мир стоит на пороге новых открытий, хотя до конца даже сущность первого и, казалось бы, очень несложного опыта еще никто не мог объяснить.

Что же все-таки заставляет стрелку отклоняться от провода? Сам Эрстед полагал, что она вращается электричеством, которое якобы перемещается не только внутри, но и вокруг проводов. Ампер выдвигает другую гипотезу. Он считает, что ток течет внутри намагниченной стрелки и взаимодействуют тут два тока: ток, текущий по проводу, и ток самой стрелки. Кто из них прав? Может быть ошибаются оба? Нужны были новые эксперименты, чтобы подтвердить или опровергнуть гипотезы, объяснить все до конца.

В Париже, в Лондоне, в Петербурге, во Флоренции, в Мюнхене, в Женеве, в Гейдельберге без конца повторяется опыт Эрстеда: рядом со стрелкой располагается провод, а затем включается ток. И всякий раз стрелка ведет себя неизменно – лишь только ток появляется в проводе, она мгновенно встает поперек. Великий Ампер, вдохновленный открытием Эрстеда, запирается в лаборатории, чтобы исследовать, как воздействуют друг на друга заряды, если они не пребывают в покое, а перемещаются по проводам. Кстати, это совсем не в духе Ампера. До сих пор он все открывал на бумаге, а исследовательской лаборатории всегда предпочитал кабинет. Но тут уж без опыта не обойдешься, любую мысль надо тщательно проверять.

В семи докладах, с блеском прочитанных Андре Ампером на заседаниях Французской академии, нашли отражение все результаты его трудов. Семь докладов Ампера – словно семь столбов на границе двух областей. По одну сторону рубежа – все, что касается неподвижных зарядов, по другую – заряды в движении и те явления, которые рождает электрический ток. Первая область получила название электростатики (статика – неподвижность).

Свойствами неподвижных зарядов интересовался еще Кулон. Вторая область – электродинамика, наука о действии движущихся зарядов, фундамент которой заложил своими трудами Ампер. Попутно он сделал и ряд блестящих открытий, в числе которых знаменитый соленоид Ампера, на базе которого американский ученый Генри вскоре создал электромагниты, поднимавшие тяжести весом до двух тонн.

Куда повернётся стрелка

В Париже блистательный Ампер закладывает фундамент новой науки. А в это время Майкл Фарадей, молодой скромный служащий Королевского института в Лондоне, недавно расставшийся с профессией переплетчика, вслед за Эрстедом тоже помещает провод рядом с магнитной стрелкой и пускает по проводу ток. Удивительным качеством наградила Фарадея природа: он стремится все пощупать своими руками, никаким выводам он не хочет верить до тех пор, пока все не проделает сам.

Да, стрелка действительно поворачивается под действием тока. Но что заставляет ее повернуться? Ток, текущий в пространстве вокруг проводов? Или ток, окружающий стрелку? Нет, это еще надо проверить. Если ток течет с юга на север – северный полюс магнитной стрелки, расположенной под проводом с током, поворачивается на запад (имеется в виду техническое направление тока). А если поместить стрелку над проводом? Тот же полюс будет смотреть на восток. Почему? А если изменить направление тока? Все получится наоборот. Стрелка под проводом повернется на восток. Стрелка над проводом будет смотреть на запад. Чем это все обусловлено?

У Фарадея рождается подозрение: может быть, ток создает магнитное поле? Допустим, что вокруг провода возникают магнитные силы в виде окружающих провод колец. Как будут действовать эти кольца на стрелку? Две намагниченные стрелки притягиваются разноименными полюсами друг к другу. При этом их силовые линии направлены встречно. Может быть, здесь действует тот же закон? Пусть, например, ток течет с юга на север, и при этом магнитные силы провода с током направлены по часовой стрелке. В этом случае магнитные линии тока будут идти навстречу силовым линиям магнитной стрелки, если стрелка помещена ниже провода, а северный полюс стрелки смотрит на запад. Прекрасно, это полностью подтверждается опытом. Ну, а если стрелка будет над проводом? Чтобы линии снова были направлены встречно, тот же полюс магнитной стрелки должен смотреть ….на восток!

Вот она, настоящая истина! Явление, открытое недавно Эрстедом, объясняется взаимодействием двух магнитных полей! Так были открыты причины действия провода с током на магнитную стрелку.

Интуиция Фарадея

Знаменитый опыт Эрстеда подтвердил связь электричества и магнетизма. Было два различных явления: с одной стороны – электричество, с другой – магнетизм. А тут вдруг появился мостик. Но если можно пройти по мостику от левого берега к правому, нельзя ли совершить и обратный путь? Ток рождает магнитное поле. Может быть, магнитное поле способно создать электрический ток? Фарадей ищет путь получения этого тока. Он подключает к проводу гальванометр и помещает рядом магнит. Ток в проводе не возникает. Значит, он ошибается? Нет, тут что-то не так! Безусловно, эти явления обратимы – интуиция Фарадея заставляет его снова и снова проверять эту догадку.

Десять лет Фарадей носит в кармане кусок медного провода и кусок намагниченного железа. В самый неподходящий момент, забыв, где и с кем он находится, Фарадей, словно маньяк, извлекает свои игрушки и начинает различными способами располагать провода и магнит. Время от времени он вновь пытается обнаружить с помощью гальванометра появление тока. Но тока по-прежнему нет. И все десять лет шестое чувство ученого непрестанно подсказывает, что он на верном пути.

Невероятное упорство – десять лет верить в то, что ничем нельзя подтвердить! Успех пришел неожиданно. Как-то раз он подключил батарею к проводу, намотанному в виде спирали на барабан, и вдруг заметил, что гальванометр, подключенный к другой, изолированной обмотке, одно коротенькое мгновение показывал ток! Едва заметный бросок стрелки, и…. Фарадей сразу понял то, что не мог понять десять лет.

Ток индукции не может возникнуть, пока неизменно магнитное поле. Чтобы ток появился, поле нужно менять. Когда он включил батарею, мгновенно возникло магнитное поле, и в момент, когда оно возрастало, Фарадей случайно заметил, что стрелка совершила бросок. Случайно? Хорошая случайность! Ведь на поиски этой случайности ушло десять лет! Зато дальше все пошло как по маслу. Не составляло большого труда догадаться, что ток индукции возникнет еще и в том случае, если ток первичной обмотки останется постоянным, зато магнит будет двигаться относительно провода. Или пусть магнит останется неподвижным, зато будет двигаться провод, пересекая те силовые линии, которые окружают магнит. Во всех этих случаях на провод действует изменяющееся магнитное поле, и под действием этого поля в нем возникает ток.

Ток возникает лишь при движении магнита относительно провода, а не в силу свойств, присущих ему в покое, - записал Фарадей в свой научный дневник. И в этом суть законов электромагнитной индукции – возбуждение магнитными силами электрических сил. На базе установленных Фарадеем законов были созданы новые мощные генераторы тока, где ток возникал в обмотках за счет их вращения в магнитных полях. Затем были созданы трансформаторы тока. Мир был восхищен великим открытием Фарадея. И все же природа индукции не была еще познана до конца. Едва ли в то время кто-нибудь понимал это лучше, чем сам Фарадей. Каким образом одна катушка влияет на другую, если между ними нет проводов? Очевидно, здесь действует поле. А что это поле собой представляет?

Эрстед доказал, что ток рождает магнитное поле. Фарадей доказал, что магнитное поле рождает ток. Эта взаимная обратимость явлений все еще оставалась непознанной, надо было вновь вникать в природу этих явлений, искать между ними какую-то более глубокую связь.

Двуединые волны

Так всегда бывает в науке: сначала накапливаются факты, потом возникает потребность их обобщать. К тому моменту, когда Максвелл задался целью обобщить все, что известно об электричестве и магнетизме, фактов было хоть отбавляй. Наука и практика нашли множество применений рожденному током магнитному полю и знали десятки способов превращения энергии магнитного поля в электрический ток. На этих двух принципах были построены все измерительные приборы.

Всюду использовались те же явления. Ток рождался магнитным полем, магнитное поле влияло на ток. Тут все обратимо, как в динамо-машине: если пустить ток по обмоткам, машина служит электромотором, если вращать машину другим мотором, она начнет вырабатывать ток. Обратимость эта имеет ту же природу: либо магнитное поле тока заставляет вращаться ротор машины, либо, вращая ротор в поле магнита, мы получаем в обмотках ток. Меняя магнитное поле вблизи провода, можно создать в проводе ток, а в пространстве, окружающем провод с током, возникают поля. Ток течет по проводу, а в пространстве взаимодействуют электрические и магнитные силы.

Ну, а если провода нет? Если создать электрическое поле в пространстве и заставить его меняться? Что будет тогда? Джеймс Кларк Максвелл впервые поставил этот вопрос, и он же дал на него ответ. И не просто ответ, а стройную законченную систему математических уравнений – теорию электромагнитных полей. Недоставало лишь одного звена в цепи всех известных явлений, связывающих электричество с магнетизмом, и Максвелл ввел в теорию это звено.

Если в пространстве существует переменное электрическое поле, значит оно порождает поле магнитное. Так, будто есть в этом пространстве воображаемый провод, будто течет по этому проводу воображаемый ток. Этот ток Максвелл назвал током смещения в отличие от обычного тока конвекции – движения обладающих зарядом частиц. Наука не знала такого явления, где бы при отсутствии провода с током взаимодействовали эти поля. Но все известные факты говорили в пользу этой догадки. Тысячи опытов, сотни приборов, основанных на неразрывной связи электрических и магнитных полей, подтверждали это предположение. Правда, в опытах и в приборах неизменно присутствовали провод и ток. Ну что ж, значит, возможности пока ограничены: мы еще просто не научились непосредственно обнаруживать электромагнитное поле, не изучили всех его свойств. Так решил Джеймс Максвелл, и история подтвердила его правоту.

Эта мысль нашла отражение в системе его уравнений, и теория стала удивительно стройной. Все открытые наукой явления стали частными случаями уравнений Максвелла. Словно зеркало, отражали они взаимную связь и обратимость явлений: одно из них говорило о том, как зависит электрическое поле от изменения магнитных потоков; второе показывало, каким образом влияет на магнитное поле изменение действующих в пространстве электрических сил.

Возникнув в том месте, где есть провод с током, электромагнитное поле будет распространяться в пространстве, занимая все больший и больший объем. Можно отделить поле от провода, но нельзя отделить электрические поля от магнитных – они связаны неразрывно в единой электромагнитной волне. В природе нет дальнодействия. Значит, электромагнитное поле не может мгновенно воздействовать на тело, если тело удалено. Волна приближается постепенно. Из формул Максвелла следовало, что скорость ее движения точно равна скорости света.

Ничего себе постепенно! Двигаясь с такой скоростью, волна всего за одну секунду почти восемь раз обежит земной шар (скорость света в пустоте составляет приблизительно 300 000 километров в секунду).

Неожиданный вывод

Заслуга Максвелла огромна. И все же нельзя умолчать о том, что за много лет до открытий Максвелла их предрек Фарадей. Еще в 1832 году, пытаясь вскрыть природу индукции, Фарадей пришел к выводу, что в этих явлениях возбуждение передается на расстояние особыми колебаниями, похожими на колебания взволнованной водной поверхности или же на звуковые колебания частиц воздуха. Кроме того, он писал: ….Влияющая причина (которую я позволю себе назвать магнетизмом) распространяется от магнитных тел постепенно и для своего распространения требует определенного времени, которое, очевидно, будет найдено очень незначительным. Но ведь именно это и доказал Максвелл! Среди многочисленных идей Фарадея эта идея была, пожалуй, единственной, которую он не мог проверить собственными руками. Вероятно, поэтому он не решился высказать ее вслух. Фарадей оставил письмо, которое просил вскрыть только через сто лет.

В 1938 году письмо было прочитано членами Британского королевского научного общества и дало возможность еще раз убедиться, какой потрясающей интуицией обладал Фарадей. Ведь к тому времени эти идеи нашли подтверждение не только в теории, но и в экспериментах Герца и в многочисленных средствах связи, основанных на использовании движущихся с огромной , но все же конечной скоростью (точно по Фарадею!) электромагнитных волн. Максвелл доказал, что скорость эта равна скорости света.

Что это, случайное совпадение? Нет, Максвелл не поверил в случайность. Он стремился в разных явлениях найти взаимную связь. Раз электромагнитные волны движутся со скоростью света, значит свет – это тоже электромагнитные волны. Так в результате исследований связей электричества и магнетизма вдруг обнаружилось совсем неожиданное родство. Десятки ученых изучали связь электрических сил с магнитными. Но кто мог думать, что теми же силами рождается видимый свет!

Смелый гений Максвелла вскрыл это единство. Волны света имеют ту же природу, что и волны, возникающие вокруг провода, в котором есть переменный ток. Они отличаются друг от друга только длиной. Очень короткие волны являются видимым светом. Более длинных, в то время обнаружить еще не могли. Лишь спустя 12 лет после смерти Максвелла Генрих Герц сумел излучить и принять эти волны, подтвердив справедливость идей своего гениального предшественника. А несколько десятилетий спустя тысячи радиостанций уже насыщали околоземное пространство этими волнами, и они несли на себе сообщения со всех концов света и на всех языках.