• Главная
• Контакты
• Нашёл ошибку
• Прислать материал
• Добавить в избранное

Если в XVII веке большинство необъяснимых явлений природы, наблюдаемых на Земле, пытались отнести на счет воздушного давления, то сто лет спустя место давления заняло электричество. Ведь до Франклина представления большинства исследователей о природе электричества были чрезвычайно смутными.

Действию новой электрической силы пытались приписать, например, землетрясения. «Разве не могут пустоты и полости внутри Земли, заполненные водой, играть роль усилительных лейденских банок?» – спрашивали сторонники этой гипотезы. «Землетрясения происходят при выравнивании электричества между земной корой и атмосферой!» – утверждали другие. Третьи видели в электричестве причины испарения воды и выпадения дождя. Одна за другой возникло несколько теорий электричества, построенных на основе механических представлений.

Электрическое притяжение пытались объяснить истечением особых частиц. Потом вездесущий аббат Нолле изобрел чисто умозрительную теорию одновременного оттока и притока электрической материи. Его измышления не в состоянии были объяснить ни разницы между «смоляным» и «стеклянным» электричеством, ни работы электрической машины и лейденской банки. Англичанин Уильям Уотсон, обнаруживший, что кожаную подушку, натирающую стеклянный диск электрической машины, следует заземлять, заявил, что электричество рождается вовсе не от трения, а получается из земли и переходит с помощью натирающей поверхности на стеклянный диск.

Сам же Франклин предполагал, что «в природе существует особая «электрическая субстанция», отличная от обыкновенной материи в том отношении, что частицы последней взаимно притягиваются, а частицы первой взаимно отталкиваются друг от друга». Он полагал, что субстанция состоит «из чрезвычайно малых частиц, так как они способны проникать в обыкновенную материю, даже в самые плотные металлы, с большой легкостью и свободой, как бы не встречая при этом сколько-нибудь заметного сопротивления».

При этом распределяется электричество только по поверхности тела, как растекающаяся жидкость, образуя в окружающем пространстве «электрическую атмосферу».

Против взглядов Франклина выступили аббат Нолле и многие его сторонники. Французам не нравилось появление в теории американца сил притяжения и отталкивания. Это придавало теории ньютонианский характер. Франция же в те годы воевала с англичанами в Индии, и все английское было на континенте мало популярным. Французские естествоиспытатели предпочитали видеть сущность электричества не в процессах, которые зарождаются и происходят в самих телах, а в том, что делается в окружающем эти тела пространстве.

Неожиданную поддержку теория Франклина получила в работе Франца Ульриха Теодора Эпинуса. В Берлине профессор астрономии и доктор медицины Эпинус вместе со своим учеником Иоганном Вильке исследовал турмалин и открыл его необычные электрические свойства. Так было открыто еще одно проявление загадочных электрических сил.

В начале XVIII века в брошюре с забавным названием «Курьезные спекуляции (или умозрения) любителя, который охотно всегда размышляет в бессонные ночи» появилось сообщение о том, что голландцы привезли с острова Цейлон камень турмалин, который, будучи нагрет, притягивает и отталкивает частички золы. Силу притяжения турмалина считали магнитной.

После серии опытов Эпинусу и Вильке удалось выяснить, что при неравномерном нагреве минерала на его противоположных сторонах возникают разноименные электрические заряды. Это означало, что притяжение турмалина имеет электрическую природу, а не магнитную.

Пройдут годы, и эффект, наблюдавшийся в турмалине, будет открыт еще раз в других веществах и получит название пироэлектричества от греческого слова «пиро» – «огонь».

В 1756 году уже в Петербурге, куда перебрался Эпинус, заняв после гибели Рихмана должность заведующего физическим кабинетом Академии наук, вышел его трактат «Опыт теории электричества и магнетизма». Во введении автор рассказывает, как открытый им эффект в турмалине натолкнул его на мысль о глубоком сходстве электрических и магнитных явлений. Ведь до этого только магнит имел всегда два полюса, а теперь и нагретый турмалин оказался обладателем дипольного эффекта. Вот только почему? В чем причина обнаруженного явления?

Ученый отказывался даже от обсуждения природы сил притяжения и отталкивания. Он ссылался на Ньютона, который также не занимался выяснением причин всемирного тяготения. Однако при более внимательном прочтении из текста «трактата» можно было понять, что силы притяжения и отталкивания, действующие на расстоянии, являются универсальным свойством электрических зарядов, точно так же как притяжение – универсальное свойство тел в механике Ньютона. За субстанцию, обладающую свойствами электрического притяжения и отталкивания, Эпинус принимал некую единую электрическую жидкость, предложенную Франклином.

По аналогии с гипотезами, высказанными в теории электричества, Эпинус строил и теорию магнетизма. Он предполагал существование магнитной жидкости, частицы которой взаимно отталкиваются. Все тела он делил на безразличные к частицам магнитной жидкости и притягивающие магнитную жидкость.

Правда, закон Ньютона утверждал, что все тела природы связаны друг с другом силами притяжения. По теории же Эпинуса частицы должны отталкиваться друг от друга. Это обстоятельство смущало всех, включая и самого автора теории.

Работы Эпинуса сразу же стали широко известны и оказали влияние как на взгляды физиков его времени, так и на дальнейшее развитие науки об электричестве. Эпинус едва ли не первым применил математику для описания электрических и магнитных явлений. И это позволило ему сделать много очень интересных предположений, предвосхитивших будущие открытия. На его выводы ссылались Кавендиш и Кулон, о его теории писали французские академики Лаплас, Кузен и Лежандр. О нем упоминали Вольта и Фарадей.

До появления работы Эпинуса физики были уверены, что взаимодействие наэлектризованных тел с ненаэлектризованными вполне возможно. Эпинус же утверждал, что лишь после того, как заряд одного тела вызовет появление заряда на другом, они приходят во взаимодействие. Это было совершенно новым представлением, которое пришлось весьма кстати впоследствии, когда были открыты явления электрической и магнитной индукции и поляризации тел.

Интересно и его утверждение о том, что электрическая материя существует только в телах и отсутствует в пространстве, где действуют электрические силы. Здесь Эпинус довольно близко подходит к понятию электрического и магнитного поля, которое возникло и получило развитие в физике следующего столетия в работах Максвелла.

Сам Эпинус недолго занимался в России научной деятельностью. По желанию Екатерины II он в 1765 году принял на себя заботу о воспитании великого князя Павла Петровича. И с тех пор занимался государственной деятельностью в столичном бюрократическом аппарате.

Занятый придворными интригами, участник множества начинаний, Эпинус мало внимания уделял своей должности профессора физики в академии. Это приводило его к частым столкновениям с Ломоносовым. Взаимоотношения обоих ученых оставляли желать лучшего на протяжении всего их совместного существования в академии.

Когда люди знают мало, они придумывают гипотезы. А если впереди гипотезы шествует еще и теория, то, значит, люди об этом вопросе знают еще меньше. Справедливости ради нужно рассказать о возникновении еще одной теории электричества, очень сходной с теорией Дюфе, но родившейся независимо и не во Франции, а в Англии. Эта теория сыграла немаловажную роль в установлении взглядов на природу электричества.

Случилось это так. Во время одного из заседаний Лондонского королевского общества сэр Роберт Симмер показал коллегам вовсе не значительный опыт: электрической искрой он пробил бумагу. Края отверстия оказались загнутыми в обе стороны. Почему?

Джентльмены пожали плечами. Что же, по-видимому, это еще одна загадка таинственного электричества. Многие явления пока что не находят толкований, а если и объясняются как-то существующими теориями, то настолько туманно, что даже сами авторы теорий пишут эти объяснения неохотно.

– Я могу вполне ясно объяснить любое из указанных явлений, джентльмены, – спокойно ответил сэр Роберт, поднимаясь со своего места и подходя к столу. – Но сначала еще один опыт…

Он взял стул и поставил его на стол. После этого естествоиспытатель с великим кряхтением, ибо был он человеком уже немолодым, взобрался туда же, утвердился на стуле и попросил погасить свечи.

Заинтересованные члены общества столпились вокруг. Сэр Роберт снял башмаки. А когда он начал стягивать с ног чулки, кое-кто из присутствующих подался назад. Странное чудачество? Впрочем, англичане уважают чудаков. Даже считают, что чудаки движут прогресс.

Сэр Роберт носил две пары шелковых чулок. На одной ноге у него было два белых чулка, а на второй под белым скрывался черный. Присутствующие не без удивления заметили, что при стаскивании одного чулка с другого между ними пробегали электрические искорки. Впрочем, что же удивительного? Ведь сэр Роберт трением наэлектризовал свою одежду. Но вот чулки сняты!…

– Прошу свет!

Свечи были зажжены и поставлены на стол. И все увидели, что снятые чулки надулись, как бычьи пузыри, так что их можно было поставить стоймя. Но главное было не в этом. Симмер поднес два белых чулка друг к другу. Они оттолкнулись и стремительно разошлись в разные стороны.

– Точно так же отталкиваются друг от друга и черные чулки, – лаконично поведал он присутствующим.

Однако стоило ему поднести белый чулок к черному, как тот к нему немедленно притянулся.

– В чем причина различного поведения чулок, отличающихся только цветом, джентльмены?

Ошеломленные джентльмены молчали. Тогда сэр Роберт продолжил:

– По-видимому, в составе краски?.. Но кто не знает, что черную краску получают красильщики из чернильных орешков и железного купороса? Где же здесь причина притяжения и отталкивания?.. А вот не означает ли продемонстрированный опыт, что в своем естественном (ненаэлектризованном) состоянии все тела содержат в себе два рода электричества – положительное и отрицательное, которые и переходят при трении с тела на тело. И если на теле скопился избыток одного из видов электричества, оно проявляет действия наэлектризованного.

– Браво, сэр Роберт! Это предположение действительно объясняет причины притяжения и отталкивания наэлектризованных разными родами электричества тел.

Так возникла еще одна теория о существовании двух противоположных и нейтрализующих друг друга видах электричества – положительном и отрицательном. Ведь Роберт Симмер не знал, что за двадцать лет до него французский естествоиспытатель Жан Дюфе уже выдвигал подобную гипотезу.

Вначале ученые считали, что унитарная и дуалистическая гипотезы примерно одинаково объясняют наблюдаемые электрические явления. Но скоро обнаружилось, что с помощью взглядов Дюфе-Сим-мера легче объяснить целый ряд явлений, не поддающихся теории единой жидкости. Легче оказалось понять индукцию, то есть электризацию через влияние. А растолковать непонятное до сих пор отталкивание отрицательно заряженных тел с помощью двух видов электричества просто ничего не стоило. Нет, нет, определенно очень многое из того, что являлось непреодолимым для унитарной гипотезы, дуалистическая гипотеза объясняла запросто. Были и другие проблемы, разрешившиеся с введением новых взглядов.

Однако время гипотез закончилось. Все острее ощущали исследователи необходимость научиться измерять и рассчитывать силы, определяющие взаимодействие между наэлектризованными телами. «Современные теории, – писал известный английский ученый Джозеф Пристли в 1767 году в своей ранней работе «История электричества», – не могут дать нам ничего лучшего, как лишь навести нас на новые эксперименты». Для того чтобы двигаться дальше, нужно было открыть количественные законы, которым бы подчинялись электрические силы. Нужно было научиться считать!..

Шарль Огюстен Кулон был военным инженером. Родился он в 1736 году в Ангулеме. Учился в Париже. Окончив учебу, поступил на военную службу и, прослужив несколько лет в разных гарнизонах, вышел по нездоровью в отставку. Следует отметить, что все годы службы он не оставлял научных занятий, интересуясь исследованиями в области механики, магнетизма и электричества. За свои научные работы, послужившие улучшению устройства компаса, Кулон получил премию Парижской академии наук. А два года спустя – вторую премию за «теорию простых машин». В 1781 году его избрали членом академии. И скоро он стал одним из генерал-инспекторов министерства народного просвещения.

Изучив явление кручения как деформацию упругих тел, Кулон в 1784 году изобрел крутильные весы – необыкновенно чувствительный прибор, с помощью которого можно было измерять совсем слабые взаимодействия. Состояли они из тоненькой не проводящей электричество палочки, подвешенной горизонтально на конце проволочного волоска. Палочка заканчивалась крохотным бузинным шариком. Рядом находился еще один такой же шарик, насаженный на неподвижный вертикальный изолированный стержень. Наэлектризованные одинаково, шарики взаимно отталкивались. При этом подвижный шарик закручивал проволочный волосок. Законы круче ния, найденные Кулоном, позволяли измерять как силу отталкивания, так и силу притяжения заряженных шариков, а потом и магнитов. Проделав множество раз одни и те же измерения, чтобы избавиться от возможной ошибки, Кулон обобщил их и вывел закон, по которому следовало, что электрические заряды взаимодействуют с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

Шарль Огюстен Кулон (1736–1806)

Раньше Кулона предположение о том, что сила взаимодействия двух наэлектризованных тел должна быть обратно пропорциональна квадрату расстояний между ними, уже высказывал Джозеф Пристли в «Истории электричества», написанной по настоянию Франклина. В один из своих приездов в Англию Франклин в беседе с Пристли обратил его внимание на то, что пробковые шарики, подвешенные внутри металлического сосуда, не обнаружили никакого воздействия со стороны стенок наэлектризованного сосуда. Сам Франклин не смог объяснить причины наблюдаемого явления. Пристли в конце 1766 года повторил опыт Франклина и высказал предположение: «Нельзя ли заключить из этого опыта, что электрическое притяжение подчиняется такому же закону, как и тяготение, то есть оно изменяется пропорционально квадратам расстояния».

Это предположение не обратило на себя внимания современников. И к тому же оно было только предположением. Доказал же его Кулон!..

В качестве гипотезы о природе электрической материи Кулон принял существование двух электрических жидкостей – положительной и отрицательной. Эту же гипотезу он распространил и на магнитные тела. Его теоретические выводы позволили ученым в дальнейшем вычислять распределение электричества по поверхности тел правильной формы и дали направление применению математического анализа в науке об электричестве.

Так и вошел в науку закон о взаимодействии электрических зарядов под названием закона Кулона.

Крутильные весы Кулона

На первых порах могло показаться, что открытие Кулоном закона взаимодействия электрических зарядов не внесло никаких кардинальных изменений в развитие учения об электричестве. Лишь двадцать пять лет спустя, когда французский ученый Пуассон с помощью этого закона решил математическую задачу о распределении заряда по поверхности проводника, исследователи должным образом смогли оценить его значение. Сегодня, оглядывая путь, пройденный человеческим познанием за два с лишним столетия, мы видим, что именно на период работ Кулона приходится начало новой эпохи в развитии науки об электричестве – эпохи количественных соотношений.

Спустя более полувека после того, как закон Кулона получил официальное признание, английский физик Джеймс Клерк Максвелл разбирал рукописи Генри Кавендиша. Среди пожелтевших от времени бумаг он случайно наткнулся на прекрасное опытное доказательство выдвинутой Пристли гипотезы. Относились эти опыты примерно к 1773 году, то есть на двенадцать лет опережали работу Кулона. Кем же был Генри Кавендиш, оставивший неопубликованным великое открытие века? Его фигура необычна и примечательна, а его труды достойны того, чтобы о них рассказать подробнее.

В 1731 году в семье лорда Карла Кавендиша, герцога Девонширского, родился второй сын. Ребенок увидел свет в благословенной Ницце, где его молодая мать пыталась вернуть себе здоровье, потерянное на берегах туманного Альбиона. Увы, два года спустя, когда ее маленький сын, получивший имя Генри, только начинал говорить, она умерла. Мальчика ждала незавидная судьба младших детей из английских аристократических фамилий. Генри не мог наследовать герцогский титул. А в связи с тем, что волей судьбы он оказался младшим в роду, ему не приходилось рассчитывать и на фамильное состояние. Усвоив это, юный Кавендиш раз и навсегда отказался от честолюбивых мыслей, сосредоточив весь свой интерес на естествознании.

Генри Кавендиш (1731–1810)

Генри рос нелюдимым, замкнутым ребенком, с недетским взглядом глубоко посаженных глаз. На каждое замечание он реагировал болезненно, подозревая покушение на свою независимость, самостоятельность и гордость.

Он получил хорошее домашнее воспитание. Отец, увлекавшийся вопросами метеорологии, много времени уделял младшему сыну. Привлекая его к своим опытам, учил строить приборы.

Поздно по сравнению с окружающими подростками поступил он в Питерхаус – один из колледжей Кембриджского университета. Но проучился там недолго. Не желая из гордости подвергаться экзаменам, Генри покинул Питерхаус. Он уединился в своем доме, свел до минимума потребности, чтобы прожить на имеющийся небольшой доход, и полностью отдался науке. Примерно с 1764 года он провел серию исследований газов. Однако и здесь, не желая признавать чей-либо авторитет, полный безразличия к окружающему обществу, не публиковал своих результатов.

В эти годы сложился окончательно его характер. Современники рассказывают, что с домашними Кавендиш объяснялся по преимуществу жестами. Так было короче. Он не выносил присутствия женщин и старался не заводить вообще никаких новых знакомств.

В сорок один год он получил огромное наследство от умершего дяди, но это ни на йоту не изменило его привычек. Разве что он стал тратить без оглядки деньги на постановку экспериментов и на пополнение своей библиотеки.

История не оставила нам подлинного портрета этого ученого. Существует только рисунок, являющийся собственностью Британского музея. Он, правда, больше похож на шарж…

В. П. Карцев в биографии Максвелла приводит любопытное описание Генри Кавендиша:

«Странная нелюдимость, паническая боязнь женщин, угрюмый характер, молчаливость. Визгливый голос, с каким-то великим трудом исторгающийся из горла. Друзья злоупотребляли его доверием в пользовании его библиотекой. Незнакомцы не могли и думать о приглашении в дом. Все, что он делал, он, казалось, делал с великим трудом: писал, ходил.

Странной казалась его походка, быстрая, но вместе с тем какая-то болезненная и искусственная, нелегкая. Ходил он, чтобы ни с кем не здороваться, посредине мостовой, между экипажами. Ко всему, что не касалось науки, Кавендиш был холодно-безразличен, никогда не слышали, чтобы он о чем-то отозвался более или менее положительно».

Такова характеристика этого человека – воплощения английской эксцентричности и чудачества. И вместе с тем Кавендиш был блестящим ученым. В его манускриптах Максвелл нашел описание удивительных по тонкости, оригинальности замысла и по выполнению экспериментов. Целый ряд великолепных открытий был сделан им за закрытыми дверями домашней лаборатории. Открытий, о которых он и не подумал оповестить ученый мир.

«В своих рукописях, – пишет Максвелл, который пять лет разбирал рукописный архив Кавендиша, готовя 25 пакетов манускриптов к изданию, – он обнаруживает знакомство с законами параллельного и последовательного соединения проводников, однако, для того чтобы пролить свет на смысл его слов, нужно обратиться к его опубликованной статье (о скате-торпедо). Он провел весьма обширные исследования в области проводимости солевых растворов в трубках, которые можно уподобить проволокам из разных металлов. Создается впечатление, что он достоин еще больших почестей, так как он превзошел Ома задолго до того, как были открыты постоянные токи. Его измерения емкости заставляют нас попотеть в кавендишской лаборатории, прежде чем мы достигнем точки, где он остановился…»

Удивительно, что все его открытия были сделаны до того, как в руках экспериментаторов появился первый электрический элемент – вольтов столб, дающий, хоть и кратковременно, постоянный ток. Источниками электричества Кавендиша были легко бегущие облака, несущие в себе едва уловимые заряды, и ненадежная электрическая машина. «Его единственным несчастьем, – добавляет Максвелл, – было то, что он не имел электрометра Томсона. И тем не менее. Он нашел диэлектрические постоянные для стекла, смолы, воска и т. п.».

Опыт Кавендиша, показывающий, что электричество распределяется только по поверхности проводника

Тончайшие измерения были проделаны Кавендишем фактически без контрольных приборов – их еще просто не изобрели. Единственным регистрирующим прибором ученого был он сам и его столь же молчаливый слуга Ричард – «физиологический гальванометр».

Фактически он предвосхитил открытие закона Кулона и раньше Фарадея нашел влияние диэлектрика на емкость конденсатора. Кроме физических опытов, Кавендиш много занимался химией. В 1766 году он получил водород и углекислый газ и измерил их плотность. В 1789 году определил количество кислорода в воздухе, нашел состав воды. Дитя своего века, он был тем не менее сторонником теории флогистона и именно с этих позиций объяснял результаты многих химических экспериментов.

Закончив одну работу, Кавендиш занимался следующей проблемой, ни словом публично не обмолвившись о сделанных открытиях. Удивительный характер! Впрочем, мизантропия и оригинальность не столь уж уникальные качества гениев – героев истории науки.

Кавендиш никогда не болел. Лишь на восьмидесятом году жизни, впервые почувствовав недомогание, он понял, что умирает. Потребовал, чтобы никто из слуг не входил в его комнату, а врачу, прибывшему к нему, запретил помогать себе.

Таков был этот удивительный человек, гениальный ученый, во многом опередивший свое время.

А теперь путешествие по времени приводит нас в итальянский город Болонью. На календаре дата: 26 сентября 1786 года. Мы идем по узким и кривым улочкам вдоль бесчисленных и, увы, обветшавших палаццо XIII и XIV веков – времени расцвета города. Многочисленные портики и аркады, зубчатые стены и башенки, выкрашенные в серый и розоватый цвета, придают окружающему определенный колорит. Улицы ведут к центральной площади, но наша цель – знаменитый Болонский университет. За время своего существования, с XI века, он не раз менял местонахождение, так что лучше спросить, как пройти. Благо в студентах на улицах недостатка нет… Итак: «Где находится помещение медицинского факультета?» Как же это будет по-итальянски?..

Экспериментальный стол болонского физиолога Луиджи Гальвани

Вот он! Давайте поднимемся на второй этаж, где в лаборатории практической анатомии синьор профессор Гальвани готовит экспериментальный материал к завтрашней лекции.

О, да здесь не только препараторская! На столе, на котором Гальвани препарирует лягушек, стоит электрическая машина и ряд лейденских банок. Трещат искры. Диковатого вида студент крутит ручку, а под ножом препаратора в сумасшедшем танце дергаются отрезанные лапки болотных квакух. Но дадим слово самому синьору профессору. В первой части «Трактата о силах электричества при мышечном движении», вышедшего из печати в 1791 году, он пишет: «Я разрезал и препарировал лягушку и, имея в виду совершенно другое, поместил ее на столе, на котором находилась электрическая машина при полном разобщении от кондуктора последней и довольно большом расстоянии от него. Когда один из моих помощников острием скальпеля случайно очень легко коснулся внутренних бедерных нервов этой лягушки, то немедленно все мышцы конечностей стали так сокращаться, что казались впавшими в сильнейшие тонические судороги. Другой помощник заметил, что это удается тогда, когда из кондуктора машины извлекается искра.

Удивленный новым явлением, он тотчас же обратил на него мое внимание, хотя я замышлял совсем другое и был поглощен своими мыслями. Тогда я зажегся невероятным усердием и страстным желанием исследовать это явление и вынести на свет то, что было в нем скрыто».

Вы скажете: «Случайность! Какой-то итальянский врач препарировал лягушку и натолкнулся на непонятное явление…» Чтобы развеять это заблуждение, познакомимся поближе с синьором Гальвани.

Луиджи Гальвани (1737–1798)

Луиджи Гальвани родился в Болонье 9 сентября 1737 года в семье, имеющей достаточно средств, чтобы в двадцать два года он смог окончить медицинский факультет Болонского университета. В нем он и остался преподавать. В 1763 году синьор Гальвани становится профессором. Он не только хороший лектор, но и анатом. На его счету не одна удачная хирургическая операция. И при всей своей занятости Гальвани не бросает занятий наукой. В 1780 году он начинает исследования по физиологии нервов и мышц.

Но вернемся в лабораторию анатома. Зачем на препараторском столе стоят электрическая машина и лейденские банки?

Заметим – 1786 год, последняя четверть XVIII столетия! Как я уже рассказывал, середина века была отмечена поголовным увлечением электрическими опытами. Их количество должно было дать качественный скачок… Электризацией пытались не только выводить цыплят, но и лечить людей. Врачи электризовали лекарства, пациентов и, независимо от результатов, писали о «безусловно положительном эффекте». Кстати, ведь и лейденскую банку открыли, желая «зарядить» микстуру от кашля.

К описываемому времени появилось немало «целителей», уверявших, что они обладают особенно сильным электрическим воздействием и потому могут излечивать больных. Возникли даже «методики лечения», согласно которым расслабленных (парализованных) людей надо заряжать для излечения положительным электричеством, а безумных – отрицательным.

Опыты Гальвани с разнородными металлами

Думаю, теперь понятно, почему на столе у Гальвани оказался такой модный прибор, как электрическая машина. Она была ему необходима для медицинских опытов.

Обнаружив влияние электричества на лягушачьи лапки, Гальва-ни предположил, что все дело в электрических искрах. Но если слабая искра электрической машины заставляет лягушачью лапку дергаться, то что должно произойти во время грозы, при блеске молнии?.. Надо только дождаться грозы. И когда желанная погода наступила, ассистенты синьора профессора тотчас же отправились к соседнему пруду, откуда обычно черпали материал для экспериментов. Правда, злые языки утверждали, что после демонстрации студентам мясистые лапки частенько шли в кастрюльку, обеспечивая не только духовную пищу достопочтенному экспериментатору и его болезненной супруги. Но чего не говорят люди…

Так или иначе, но к началу грозы на железной ограде балкона лаборатории висела впечатляющая гирлянда лягушачьих лапок, нанизанных на медные проволочки. Наконец подул ветер. Забарабанил дождь, и блеснула первая молния. Отрезанные лапки исправно задергались, правда, не сильнее, чем в лаборатории, и вовсе не в такт с разрядами небесного электричества. Тем не менее эксперимент удовлетворил Гальвани.

«После успешных опытов во время грозы я пожелал обнаружить действие атмосферного электричества в ясную погоду. Поводом для этого послужило наблюдение, сделанное над заготовленными лапками лягушки, которые, зацепленные за спинной нерв медным крючком, были повешены на железную решетку забора моего сада: лапки содрогались не только во время грозы, но иногда, когда небо было совершенно ясно. Подозревая, что эти явления происходят вследствие изменения атмосферы в течение дня, я предпринял опыты. В различные часы в продолжение ряда дней я наблюдал нарочно повешенную на заборе лапку, но не обнаружил каких-либо движений в ее мускулах. Наконец, утомленный тщетным ожиданием, я прижал медный крюк, который был продет в спинной мозг, к железной решетке, желая посмотреть, не возникнут ли благодаря этому приему мышечные движения и не обнаружат ли они в чем-нибудь отличия и изменения, смотря по различному состоянию атмосферы и электричества». Лапка задергалась. Но ее сокращение никак не удавалось соотнести с «переменами в электрическом состоянии атмосферы».

Гальвани перенес опыты в помещение. Он укладывал лягушачьи лапки на подставки из разных металлов. В одних случаях сокращения были сильнее, в других – слабее. Он пробовал экспериментировать с деревянной дощечкой в качестве подложки, со стеклом, смолой. Эффект не наблюдался. Казалось бы, все подталкивало к тому, чтобы изучить роль разнородных металлов в обнаруженном явлении. Но Гальвани по этому пути не пошел. Анатом и физиолог, он решил, что лягушачьи лапки сами являются не чем иным, как источником особого вида электричества, неким подобием лейденской банки. В своем дневнике Гальвани записал: «Это было несколько неожиданно и заставило меня предположить, что электричество находится внутри животного». Металлы же в его понимании были просто проводниками открытого им нового «животного электричества».

Утверждая, что он открыл именно новый вид электричества, Галь-вани приводил в пример электрических рыб. Их способность наносить чувствительные удары была известна с глубокой древности. Есть свидетельства, что уже римские врачи помещали парализованных больных с целью излечения в бассейны с электрическими скатами. А когда испанские мореплаватели достигли берегов Америки и худо-бедно познакомились с природой Нового Света, то в XVII веке появились описания электрического угря.

Естественно, что в те времена никто этих рыб «электрическими» не называл. Сам термин появился лишь после работ Гильберта. Но когда выяснилось, что электрический удар от разряда лейденской банки такой же, как от прикосновения к электрическому скату, французский ботаник Марсель Адансон предположил, что и то и другое имеет одинаковую природу.

Проверяя высказанную гипотезу, английский физик Дж. Уолш выяснил, что «удар» электрического ската передается по проводнику, но не передается через стекло, дерево и другие изоляторы. Он даже наблюдал искры, проскакивающие между полосками фольги, наклеенными на теле ската, при разряде, и повторил опыт аббата Нолле, пропустив разряд (теперь уже не удар, а разряд) электрической рыбы через нескольких добровольцев. Этим была почти доказана электрическая природа явления.

Занимался электрическими рыбами и Гальвани. (Одна из них даже носит ныне его имя – «торпедо Гальвани».) Эти опыты лишь утвердили его в мнении, что если скаты могут вырабатывать электричество, то его должны давать и мышцы любого другого животного. При этом болонский профессор подчеркивал в своем «Трактате…», что считает электричество, возникающее при трении, так же как атмосферное и электричество скатов, сходным с «животным электричеством», которое открыл он. Это важно отметить, поскольку еще и пятьдесят лет спустя находилось немало ученых, считавших, что «животное электричество» должно иметь какие-то признаки, отличающие его от обычного. И лишь серия специальных работ Фарадея, показавшего, что все известные науке виды электричества ничем не отличаются друг от друга, смогла положить конец этому заблуждению.

Еще за десять лет до опытов Гальвани гениальный ученый-одиночка Кавендиш присоединил проволочки к брюху и спине ската и с помощью электроскопа с бузинными шариками измерил заряд на теле рыбы. Но Кавендиш никогда не публиковал результаты своих опытов.

Опыты Гальвани повторяли буквально во всех странах. Лягушки гибли тысячами во славу новой науки. Современники писали: «В течение целых тысячелетий хладнокровное племя лягушек беззаботно совершало свой жизненный путь, как его наметила природа, зная только одного врага, господина аиста, да еще, пожалуй, терпя урон от гурманов, которые требовали для себя жертвы в виде пары лягушачьих лапок со всего несметного рода. Но на исходе XVIII столетия наступил злосчастный век для лягушек. Злой рок воцарился над ними, и вряд ли когда-либо лягушки от него освободятся. Затравлены, схвачены, замучены, скальпированы, убиты, обезглавлены – но и со смертью не пришел конец их бедствиям. Лягушка стала физическим прибором, отдала себя в распоряжение науки. Срежут ей голову, сдерут кожу, расправят мускулы и проткнут спину проволокой, а она все еще не смеет уйти к месту вечного упокоения; повинуясь приказаниям физиков или физиологов, нервы ее придут в раздражение и мускулы будут сокращаться, пока не высохнет последняя капля «живой воды». И все это лежит на совести у Алоизо Луиджи Гальвани».

Опыты Гальвани

Со временем от лягушачьих лапок экспериментаторы перешли к конечностям кроликов и овец, пробовали действие электричества на ампутированной человеческой ноге. Английский врач из Глазго на публичной лекции приложил электроды от батареи лейденских банок к нервам и мышцам трупа повешенного и воспроизвел у него дыхательное движение грудной клетки. А когда покойник под действием электрического разряда открыл глаза и лицо его стало подергиваться, многие из присутствующих лишились сознания от ужаса.

«Гальвани – воскреситель мертвых!» – кричали заголовки газет. Казалось, оставалось совсем немного до исполнения вековечной мечты человечества. Для этого надо было только тщательно изучить «животное электричество Гальвани», найти его источник в теле и научиться заряжать этот источник, когда он иссякает со смертью.

Сначала Гальвани вел только дневники своих опытов. Но через десять лет он решил объединить результаты исследований и выпустил «Комментарий о силах электричества в мускульном движении». Книга вызвала большой интерес среди физиков и врачей, наперебой повторявших описанные опыты. Уже давно было известно, что электрические разряды от машин и лейденских банок вызывают конвульсии у людей, подвергавшихся их ударам. И хотя природа таких явлений оставалась неисследованной, медики-практики широко пользовались «электрической жидкостью» для лечения своих пациентов от всевозможных болезней.

Гальвани сравнивал мышцу с лейденской банкой, предполагая, что ее внешняя и внутренняя части заряжаются противоположным электричеством. Именно потому, что нерв – кондуктор этой банки соединяли с поверхностью мышцы, соответствовавшей внешней обкладке, происходил разряд, результатом которого было сокращение мышцы.

«Волнение, вызванное появлением книги Гальвани, среди физиков, физиологов и врачей, – писал историк науки Эмиль Дюбуа-Реймон, – можно сравнить лишь с бурей, появившейся в то же самое время на политическом горизонте Европы. Повсюду, где только имелись лягушки и где можно было раздобыть два куска разнородного металла, всякий хотел собственными глазами убедиться в чудесном воскрешении отрезанных членов».

В самый разгар триумфа гальванизма появилась в итальянском «Физико-медицинском журнале» статья профессора физики Павийского университета Алессандро Вольты. Тот утверждал, что для объяснения опытов Гальвани не нужно предполагать существование какого-то особенного «животного электричества». Дело совсем не в несчастной лягушке и не в ее отрезанной ноге. Просто Гальвани, сам того не подозревая, привел во взаимодействие два разных металла. Они и породили электрическую силу. А лягушка послужила только проводником. «Я давно убедился, – писал Вольта в письме к профессору Вассали, – что все действие возникает первоначально вследствие прикосновения металлов к какому-нибудь влажному телу или к самой воде. В силу такого соприкосновения электрический флюид гонится в это влажное тело или в воду от самих металлов, от одного больше, от другого меньше (больше всего от цинка, меньше всего от серебра). При установлении непрерывного сообщения между соответствующими проводниками этот флюид совершает постоянный круговорот. И вот, если в состав этого проводящего круга или в какую-нибудь его часть входят в качестве соединительного звена бедренные нервы лягушки, рассеченной таким образом, что только по одним этим нервам должен пройти весь или почти весь электрический ток, или если таким звеном является какой-нибудь другой нерв, служивший для движения того или иного члена тела какого-либо другого животного, пока и поскольку такие нервы сохраняют остаток жизнеспособности, то тогда, управляемые такими нервами, мышцы и члены тела начинают сокращаться, как только замыкается цепь проводников и появляется электрический ток; и они сокращаются каждый раз, когда после некоторого перерыва эта цепь снова замыкается».

В этих строчках фактически изложена идея самого Вольты о новом «металлическом электричестве» как источнике «постоянного кругооборота» электрического флюида, то есть электрического тока, и полностью отрицается гипотеза Гальвани о «животном электричестве».

Вольта был к этому времени довольно известен своими исследованиями газов, а также несколькими выдающимися экспериментальными работами по электричеству, являлся членом Лондонского королевского общества. Сначала он, как и все, был убежден в правильности взглядов Гальвани. Но, повторяя опыты коллеги, стал испытывать сомнения. Гальвани, считая, что именно в мышце, как в лейденской банке, накоплено «животное электричество», всегда прикладывал металлический проводник одним концом к мышце, а другим к нерву и наблюдал сокращение лягушачьей лапки как результат «разряда».

Вольта обнаруживает, что еще лучше сокращение происходит, когда проволока, состоящая из двух разнородных металлов, замыкает не мышцу и нерв, а два участка препарированного нерва… Не значит ли это, что вовсе не в мышце накапливается «животное электричество», а сам нерв передает в мышцу «электрический флюид»! (В те времена электричество считалось некой невесомой жидкостью – флюидом.) И почему замыкающий проводник должен состоять из двух разнородных металлов? Не в них ли дело? Вольта начинает исследовать сочетания разных пар металлов и приходит к выводу, что не мышца лягушки, а два металла «являются в настоящем смысле слова возбудителями электричества, между тем как нервы играют чисто пассивную роль».

Естественно, что Гальвани не мог оставить такой выпад без внимания. В присутствии свидетелей он препарировал лягушек железным ножом, положив их на железную же подставку, соединял мышцу и нерв проводом из одного металла. Лапки все равно сокращались! «Если это происходит и при одном металле, значит, источник электричества находится в животном!» – утверждал Гальвани.

«Отнюдь! – возражал Вольта. – Даже единый кусок проволоки нельзя считать абсолютно однородным. В нем могут быть примеси. Он может быть по-разному закален по длине». И показывал электричество, которое рождалось вообще без участия животных, из одних лишь разнородных металлов. Вольта назвал его «металлическим электричеством».

Весь мир физиков разделился на два лагеря. Одни поддерживали Гальвани и назывались сторонниками гальванизма. Другие придерживались взглядом Вольты. И трудно сказать, чем бы закончился этот спор в XVIII веке, однако Гальвани из поединка выбыл.

В 1796 году в Северную Италию под предлогом войны с Австрией вторглись французские войска под командованием генерала Бонапарта. Французы предполагали разгромить австро-сардинские войска, двинуться на Австрию и захватить Вену. Италия была им нужна как источник продовольствия, денег и удобный путь на Балканы.

Захватывая территорию, французская администрация перекраивала страну. Болонья вошла в состав новой Цезальпинской республики. Все профессора университета должны были принести присягу на верность новому правительству. Подавляющее большинство так и сделало. Те же, кто не сумел вовремя «проявить гибкость», были уволены. Остался без работы и Гальвани, который не смог заставить себя принести присягу на верность новому политическому строю. Потеряв за несколько лет до этого жену, брошенный учениками, он остался совсем одиноким, без средств к существованию. Говорили даже, что он терпел нужду и на шестьдесят первом году жизни умер от истощения. Другими словами – от голода, увы. И это тоже отнюдь не исключительный случай, когда общество забывает тех, кто весь свой талант, счастье и саму жизнь приносил на алтарь науки во имя людей.

Ошибался ли Гальвани в своих взглядах на «животное электричество»? Ни в коем случае! Итальянский ученый по праву считается одним из основоположников учения об электричестве. И его опыты с «животным электричеством» составляют фундамент нового научного направления – электрофизиологии, изучающей электрические явления в живом организме. Электрические процессы лежат в самой основе жизни. Тут и возбуждение нейронов, например в процессах зрения, и передача нервного импульса, электрические процессы в мозге – энцефалография, и так хорошо знакомое нашему веку электрическое исследование работы сердечной мышцы – электрокардиография. Нет, лягушки болонского профессора, как и собаки Павлова, вполне заслужили памятник. А сам Луиджи Гальвани навсегда останется в памяти человечества.

Прав был и Вольта. Ибо сегодня нам хорошо известно понятие контактной разности потенциалов. Именно в результате контакта разнородных металлов возникает электродвижущая сила, и это явление используется в технике.

Однако пришло время более подробно познакомиться со вторым героем баталии по поводу «животного электричества», а именно с Алессандро Вольтой.

Недалеко от Милана, у городка Комо, лежит деревня Камнаго. Здесь находилось родовое имение семейства Вольта. В 1745 году на рассвете в господском доме увидел мир хилый младенец, нареченный отцом-капелланом именем Алессандро.

У аристократической четы, состоящей из Филиппе Вольты и Маддалены де Конти Инзаи, было семеро детей. Алессандро считался самым «неудачным». Он был слаб здоровьем и сильно отставал от своих сверстников в развитии. Кроме того, он был упрям. Отданный на воспитание почтенной женщине – супруге мастера физических приборов, мальчик до четырех лет не произносил ни слова. И окружающие уже приготовились считать его немым. Как вдруг маленький Алессандро заговорил.

Некоторые биографы уверяют, что первым словом, которое он выпалил, было отрицание: «Нет!» Ну что ж, «se non e vero, e ben trovato», – как говорят сами итальянцы («если это и неправда, то все же хорошо придумано»).

По-видимому, в доме своей ранней наставницы будущий физик познакомился впервые и с физической аппаратурой. И как это часто бывает, впечатления детства определили направление всей жизни. Ему еще не было и восемнадцати лет, когда, поставив ряд опытов по электричеству, он пришел к выводу, что многие из результатов можно объяснить законами Ньютона. Окрыленный этой идеей, он написал письмо «самому аббату Нолле» во Францию. Тот ответил, одобряя начинания молодого человека.

Это одобрение послужило немалым стимулом для Вольты. В двадцать четыре года он написал диссертацию, основанием которой послужили опыты с лейденской банкой. А через десять лет стал профессором физики в университете города Павии.

Алессандро Вольта (1745–1827)

Вольта увлекся экспериментированием. Недюжинный изобретательский талант позволяет ему совершенствовать свои и чужие «придумки», доводить их до такого изящества, которое вызывало восхищение бедного на физические приборы времени. Так, усовершенствуя смоляной прибор Эпинуса, предназначенный для изучения электрической индукции, Вольта изобрел электрофор, что означало в буквальном переводе «электроносец». Сегодня может показаться удивительным, насколько он прост: смоляная лепешка и металлический диск со стеклянной ручкой. Да еще нужна была шкура кошки. Шкурой натиралась смоляная лепешка и заряжалась при этом отрицательно. В поднесенном медном диске, на стороне, обращенной к смоле, возникало в результате индукции положительное электричество. На стороне противоположной – отрицательное. Этот излишек отрицательного электричества можно было легко отвести в землю. И диск полностью оказывался заряженным положительно. Теперь этот заряд можно было переносить и переводить на другие тела или отправлять в лейденские банки. А сам диск, приблизив к натертой смоле, вновь зарядить…

Нехитрый прибор вызвал восторг среди экспериментаторов. Многие пытались усовершенствовать его и дальше. И в конце концов электрофор Вольты дал в руки исследователей электрофорную машину.

А Вольта тем временем изобрел очень чувствительный соломенный электроскоп и сделал ряд выдающихся изобретений в области химии. Все обширнее становилась его переписка. Вольта много путешествовал, знакомился с выдающимися учеными своего времени. Научные общества наперебой избирали его своим членом. Еще бы: богатый, знатный, хорошо образованный, в детстве без труда получивший все то, что выходцам из низов приходилось выбивать себе в зрелом возрасте, тратя на это и силы, и время.

Электрофор Вольты

Современники утверждают, что Вольта был высок ростом и хорош собой. Правильное античное лицо его освещалось спокойным взглядом красивых глаз. Говорил он просто и ясно. При необходимости легко переходил к красноречию, но оставался всегда скромным и делал это необыкновенно изящно. Его речь и манера говорить отличались искренностью и убеждали собеседников даже раньше, чем те вникали в содержание его слов. В Фернее он беседовал с Вольтером, в Англии виделся с Пристли, во Франции – с Лавуазье и Лапласом…

Трактат Гальвани поразил Алессандро. И первое время, проверяя все описанные соотечественником опыты, Вольта был вполне на стороне болонского профессора. Однако большой собственный опыт экспериментирования мешал ему полностью признать позиции Гальвани. А тут еще как-то попалась ему книжка швейцарского врача Жан-Жака Зульцера, который писал: «Если два куска металла, один оловянный, другой серебряный, соединить таким образом, чтобы оба края их были на одной плоскости, и если приложить их к языку, то в последнем будет ощущаться некоторый вкус, довольно похожий на вкус железного купороса, в то же время каждый кусок металла в отдельности не дает и следа этого вкуса.»

Но ведь такой же вкус производит и действие электричества. Это Вольта знал хорошо.

И вот он поставил «решающий эксперимент»: четырех своих помощников он водрузил на смолу, чтобы изолировать от земли. Первому из стоящих велел взять в мокрую правую руку цинковую пластинку, а левой коснуться языка своего соседа. Тот, в свою очередь, должен был мокрым пальцем коснуться глазного яблока следующего. Третий и четвертый держали в руках свежепрепарированную лягушку. И кроме того, у четвертого в свободной мокрой руке была зажата серебряная пластинка…

Первый вольтов столб

Когда серебро касалось цинка, язык второго ощущал кислый вкус, в глазу у третьего вспыхивало световое пятно, лапки лягушки между третьим и четвертым начинали дергаться…

Прекрасный результат! Разве не доказывает он, что никакого «животного электричества» не существует? Все дело в контакте разнородных металлов.

Старая истина гласит, что если своего идейного противника нельзя убедить, то надо постараться его пережить. Вольта так и сделал. После смерти Гальвани количество сторонников «животного электричества» резко пошло на убыль. Но главный удар по гальванизму был впереди.

Предоставим слово современнику той поры – известному французскому ученому Араго, написавшему биографию Вольты: «В начале 1800 года вследствие теоретических соображений знаменитый профессор придумал составить длинный столб из кружков: медного, цинкового и мокрого суконного. Чего ожидать заранее от такого столба? Это собрание, странное и, по-видимому, бездействующее, этот столб из разнородных металлов, разделенных небольшим количеством жидкости, составляет снаряд, чуднее которого никогда не изобретал человек, не исключая даже телескопа и паровой машины». Эти слова не были преувеличением. Я уже рассказывал, какое впечатление на ученых произвело изобретение лейденских банок. «Но банка действует только один раз, – продолжает Араго, – после каждого удара ее надобно снова заряжать: столб же, напротив, действует беспрерывно. Итак, столб есть лейденская банка, сама собою заряжающаяся. Я осмелился бы сказать, что вольтов столб есть чудеснейший снаряд из всех человеческих изобретений». Так заканчивает Араго свое описание.

20 марта 1800 года профессор естественной философии Алессандро Вольта отправил письмо президенту Лондонского королевского общества сэру Джозефу Бэнксу, баронету. Путь от Павии до Лондона неблизкий, а почтовые кареты по дорогам Европы катились неспешно. Поэтому точно сказать, когда послание прибыло в столицу Британского королевства, трудно. Но в конце концов сэр Джозеф получил запечатанный пакет, вскрыл его и прочитал. Письмо было озаглавлено: «Об электричестве, возбуждаемом простым соприкосновением различных проводящих веществ», а главным его содержанием являлось описание «…прибора, сходного по эффектам, то есть по сотрясению, вызываемому в руках и т. д., с лейденскими банками или с такими электрическими слабо заряженными, но беспрерывно действующими батареями, где бы заряд после каждого взрыва восстанавливался сам собой.»

Хотя президент общества являлся доктором юридических наук и членом королевского тайного совета, а главным событием в его жизни было кругосветное путешествие, совершенное с капитаном Куком, и главной заслугой считалось основание Африканского общества, он не был чужд и проблем естествознания, волновавших его современников.

Не очень разобравшись в излагаемых Вольтой проблемах, сэр Джозеф показал письмо друзьям – лондонскому врачу сэру Энтони Карлейлю и бывшему чиновнику Ост-Индской компании, инженеру и любителю естествознания Уильяму Никольсону.

Весна способствует осуществлению творческих планов. 30 апреля Никольсон и Карлейль соорудили по описаниям Вольты столб из семнадцати пластинок и сразу же принялись за опыты. Налив каплю воды в углубление цинковой пластинки для осуществления лучшего контакта с проволокой, экспериментаторы заметили, что, когда цепь замыкалась, в воде появлялись пузырьки. Никольсон понюхал и сказал, что похоже на запах водорода. Он взял стеклянную трубку, налил в нее свежей ключевой воды и заткнул пробками, сквозь которые пропустил латунные проволоки. Затем присоединил обе проволоки к противоположным полюсам вольтова столба. И тотчас от конца одной из проволок побежали в воде пузырьки газа, а вторая проволочка на глазах стала темнеть и покрываться налетом. Непонятно, но интересно. Джентльмены смешали полученный газ с равным количеством воздуха и подожгли. Раздался взрыв. Водород! Безусловно водород. Ведь это один из газов, входящих в состав воды.

26 июня того же года, несмотря на лето, сэр Джозеф Бэнкс на собрании членов общества огласил письмо Вольты. А Карлейль с Никольсоном продемонстрировали опыт по разложению воды. Их работа произвела сенсацию. Ученые и до того знали о возможности разложения воды электрической искрой. Но здесь процесс шел непрерывно! А сделать «снаряд» Вольты было так просто!..

С быстротой молнии разлетелась новость по научным кругам Европы. Все уважающие себя физики принялись за сооружение вольтовых столбов и за их испытание. Еще бы, такая новость – «снаряд» итальянского изобретателя непрерывно вырабатывал электричество совсем не так, как это делали электрические машины. Там его нужно было накапливать, а здесь оно тихо текло и текло непрерывным потоком.

В сентябре того же года мюнхенский физик Иоганн Вильгельм Риттер сообщил, что выделил из воды оба газа по отдельности: кислород и водород – и что из медного купороса с помощью итальянского снаряда легко осаждается медь.

Прибор Риттера для разложения воды

Экспериментаторы писали о разложении с помощью электричества многих растворов солей с выделением металлов на отрицательном полюсе вольтова столба.

20 октября 1800 года князь Дмитрий Алексеевич Голицын, чрезвычайный русский посланник в Гааге, написал на имя президента Петербургской академии наук Генриха Людвига Николаи письмо. В нем он сообщал: «Гальванисты открыли весьма любопытное электрическое явление. Цинковые и серебряные пластинки, положенные попеременно друг на друга и отделенные друг от друга слегка смоченной фланелью, производят толчок и даже электрические искры». Сам Николаи не интересовался физикой. Но письмо нашло своего адресата. Потому что ровно через год произошло в русской столице событие, о котором сохранилась запись в «Санкт-Петербургских ведомостях» за 1 октября 1801 года. В них сообщалось, что на заседании конференции Академии наук вице-президент Берг-коллегии и член Лондонского королевского общества граф Аполлос Аполлосович Мусин-Пушкин, известный своими трудами в области химии, минералогии и физики, показал немало «куриозных опытов с вольтовым столбцом, состоявшим из 150 элементов». По тем временам это была весьма внушительная батарея. Присутствовавшие немало дивились искусству экспериментатора.

Осенью 1800 года профессору Алессандро Вольте прибыло приглашение из Парижа прочесть курс лекций перед виднейшими физиками Франции. И Вольта, весьма сочувственно относившийся к политическим взглядам Бонапарта, немедленно решил ехать. Путь от Павии до Парижа не слишком длинен. Но эта поездка превратилась в сплошной триумф. Каждый город, в который он приезжал, стремился выразить ему свое восхищение. Ученых волновал вопрос: можно ли считать эффекты, производимые вольтовым столбом, собственно электрическими? Или, может быть, следует предположить существование еще одного нового вида «тихого электричества» от вольтова столба?

В Женеве в Обществе естествоиспытателей приезжий прочитал доклад о «тождестве гальванизма с обыкновенным электричеством». «Обыкновенным» в ту пору называли электричество, получаемое в процессе трения. А ведь были еще опыты с турмалином. Было «животное электричество» морских скатов и американских угрей, «атмосферное электричество». И теперь еще этот странный вольтов столб… Тут было от чего прийти в сомнение!

В Парижской академии наук создали специальную комиссию по изучению гальванизма. В нее вошли самые известные ученые. «Бессмертные» – так называли французы своих академиков – соорудили по описаниям вольтов столб и повторили все опыты итальянского исследователя перед его приездом. Погрузив один из концов «электродвигательного прибора» в воду и присоединив к другому его концу металлическую проволоку, академики совали руку в чашку с водой и одновременно прикладывали второй электрод к языку, к веку, к кончику носа или на лоб. В момент замыкания цепи следовал такой удар, что некоторые едва не лишались языка. Но. наука требует жертв. Ощущения были столь неожиданными! При наложении проволоки на веко создавалось впечатление вспышки. А когда два электрода от противоположных полюсов батареи вводили в уши, в голове раздавался шум… «Это было нечто вроде треска или лопанья, как если бы кипело какое-то масло или вязкое вещество», – писал сам Вольта. Он предполагал, что в дальнейшем его прибор сможет послужить медикам для излечения болезней. Другого применения гальваническому электричеству он не видел.

Вольта объясняет действие электрического столба первому консулу Наполеону Бонапарту в Париже

Четыре недели понадобилось триумфатору, чтобы добраться до Парижа. Встреча со знаменитостями превзошла все ожидания: было устроено торжественное заседание Академической комиссии, впрочем, правильнее ее называть специальной комиссией Национального института, поскольку после революции национальный конвент постановил упразднить все академии «как учреждения аристократического характера, позорящие науки и ученых». И 25 октября 1795 года Директория учредила Национальный институт наук и искусств, объединивший под своей эгидой представителей всех отраслей знаний. Членом института состоял и первый консул Бонапарт, который весьма гордился этим званием.

После заседания, на котором Вольта читал доклад о тождестве «обыкновенного электричества» и гальванизма, Бонапарт увидел в библиотеке института лавровый венок с надписью: «Великому Вольтеру». Первый консул снял его, стер окончание так, что получилась надпись: «Великому Вольте», – и протянул венок ученому.

Не было, кажется, таких наград, которые не получил бы в Париже итальянский исследователь. Наполеон оказывал ему такое подчеркнутое внимание, что это вызвало немалую ревность со стороны французских коллег. И Вольта, умный и дальновидный Вольта, заспешил домой.

В 1815 году он перешел в Падуанский университет, в котором принял пост директора философского факультета.

Последние годы своей жизни Вольта прожил скромно. Ничего существенно нового для науки не сделал. В 1819 году вышел в отставку и удалился на покой в родной Комо.

Вольта был не особенно силен в области теории. Тем не менее причины, вызывающие электрический ток в вольтовом столбе, он должен был объяснить. И он выдвинул так называемую контактную теорию, которая утверждала, что электрический ток возбуждается в результате контакта металлов. Достаточно одного лишь соприкосновения разнородных металлов, утверждал Вольта, чтобы родилась «электродвигательная сила», которая разделяет соединенные положительное и отрицательное электричества и гонит их в виде токов в противоположных направлениях.

Многие ученые видели недостатки этой слабой гипотезы. Многие пытались доказать, что электрический ток возбуждается в результате химических процессов в вольтовом столбе. Но должно было пройти более тридцати лет, понадобился приход в науку Фарадея, чтобы в этот вопрос была внесена ясность. Однако к тому времени итальянский исследователь Алессандро Вольта уже покоился в фамильном склепе на кладбище того же города, где и увидел свет.

Профессор физики Петербургской медико-хирургической академии Василий Владимирович Петров возвращался с заседания конференции домой затемно. Недалекий сегодня путь от Васильевского острова до Выборгской стороны был в те годы сложным и долгим путешествием. Впрочем, дальняя дорога тоже имела свои преимущества. Под ровный цокот копыт и потряхивание извозчичьих дрожек хорошо думалось. И к тому времени, когда под колесами экипажа застучали доски наплавного моста, ведущего на Выборгскую сторону, и заплескалась вода, Петров пришел к мысли о совершенной необходимости ходатайствовать перед своим начальством о постройке вольтова столба для нужд физического кабинета. Это было детище, созданное им самим из ничего и всей жизнью своею и славою обязанное ему, Василию Петрову.

«Никто не знает, как он выглядел. Его портретов не осталось, – так начинает свое эссе «Размышление перед портретом, которого нет» писатель Даниил Гранин. – Не сохранилось его писем, дневников, его личных вещей. Нет воспоминаний о нем. Есть только его труды. Есть его послужной список, всякие докладные записки, отчеты, отзывы – то, что положено хранить в архивах, тот прерывистый служебный след, какой остается от каждого служивого человека».

Василий Владимирович Петров (1761–1834)

Предполагаемый портрет

Это он, Василий Петров, создал небывалый до того физический кабинет для исследований при Медико-хирургической академии. Он написал замечательное сочинение, посвященное доказательству несостоятельности учения о флогистоне: «Собрание физико-химических новых опытов и наблюдений». И, не имея систематического образования, к сорока годам прошел путь от провинциального учителя до столичного профессора. Его имя, по выражению петербургского журнала «Северный вестник», было известно просвещенной публике, «ибо… он беспрестанно возвышает физику своими открытиями…». Да, батарея была Петрову необходима! Он даже знал, кому можно было заказать ее изготовление. Существовало в столице механическое заведение некоего Медхера, выдававшего себя за англичанина и поставлявшего физические приборы любителям и научным учреждениям Санкт-Петербурга. Оставалось добиться согласия начальства.

Вряд ли стоит фантазировать, представляя себе хлопоты Петрова и его войну с администрацией. Все это, скорее всего, немногим отличалось от хлопот, требуемых и в наши дни для аналогичных целей. Важно, что в конце концов на длинном лабораторном столе физического кабинета водворился ящик с «вольтовым столбцом», составленным из шестидесяти элементов. Правда, с первых же экспериментов Петрова охватило чувство разочарования. Он мог только повторять уже известные опыты Вольты и других экспериментаторов. К этому времени «итальянские снаряды» появились в домах и частных лабораториях множества любителей науки. И каждый день приносил сообщения о новых открытиях.

С помощью своей батареи Петров повторил опыты по разложению воды, осадил медь из медного купороса. Попробовал произвести электролиз винного спирта. Ну а дальше? Может быть, если бы удалось построить более мощную батарею, электрическая сила ее расщепила бы и другие вещества? И тогда он, Василий Петров, узнает, из чего они состоят.

Так возникла у него мысль о другой батарее, значительно более мощной, чем у Медхера. И Василий Владимирович взялся за ее реализацию. По делам организации физического кабинета медико-хирургической академии ему пришлось поехать в Москву. Там, в Лефортове, на берегу Яузы, в усадьбе Бутурлина, находилась музейная коллекция редких физических приборов, собранных ее владельцем во время поездок по Европе. Хозяина усадьбы уже не было в живых. Наследники же запросили двадцать восемь тысяч рублей. Сумма огромная – не по средствам академии. Но как хотелось-то… Петров предпринял титанические усилия и добился санкции самого императора Александра I на покупку.

Санкт-Петербург – научная столица России

А в это время в Санкт-Петербурге по записке Петрова перестраивалось здание для физического кабинета. В нем должны были быть несгораемый пол и плавильная печь, темная комната для оптических экспериментов и приспособления на потолке для подвешивания предметов на шелковых нитях. Он требовал устройства вентилятора в особом «театре для физики» и ледника, балкона для проведения опытов на открытом воздухе и комнаты с эллиптическим водоемом. Короче говоря, это должен был быть кабинет, предназначенный не для хранения научной аппаратуры, а для исследовательской работы. Такого новшества еще не знала отечественная наука.

Но вот все, кажется, готово. Плотники сколотили и принесли четыре ящика общей длиной в двенадцать метров. Петров сам покрыл их внутренние стенки сургучным лаком, уложил четыре тысячи двести металлических кружков, проложив между каждой цинково-медной парой бумагу, пропитанную нашатырем. Две тысячи сто элементов! Такой батареи не было еще ни у кого из исследователей во всем мире!

Разделенный вольтов столб

При этом Петров работал в одиночку, без помощников. По сегодняшним представлениям напряжение его батареи равнялось примерно 1700 В. Она могла давать довольно большой ток и… быть опасной. Ведь в ту пору почти не существовало никаких измерительных приборов, кроме ненадежных электроскопов да собственных пальцев экспериментатора. Петров срезал с них кожу, чтобы усилить чувствительность. А тут – 1700 В!

Знал ли он о грозной силе, дремлющей в длинных ящиках, поставленных на деревянный лабораторный стол? Возможно, и не знал. Но интуиция ученого-экспериментатора должна была подсказать ему о ней.

Все приходилось делать своими руками. Он «свивал серебряную книпель для получения снурка в одну лишь линию толщиной», подбирал проводники и покрывал их изобретенной тут же изоляцией из сургучного лака с воском.

Еще не было понятия о напряжении и силе тока, никто не говорил о сопротивлении. Ни Ом, ни Кирхгоф еще не вывели своих фундаментальных законов, а Петров опытным путем пришел к параллельному соединению сначала проводников, а потом и потребителей «электрической силы».

Он произвел электролиз серного и селитряного эфиров, мятного и гвоздичного масел и обнаружил в составе всех этих жидкостей кислород, потому что электроды батареи при проведении опытов окислялись. Под стеклянным колпаком воздушного насоса он наблюдал явление тлеющего разряда. А погрузив электроды в масло, следил за возникновением искр, которых никогда не бывало в воде. Не значит ли это, что масло хуже проводит электрическую жидкость?.. И Петров ввел термин «электрическое сопротивление».

Он задумал целую серию опытов по исследованию проводимости различных веществ. Холодно было в физическом кабинете. Зябли пальцы, замерзала вода в стаканах. Прекрасно! Он исследовал проводимость льда. И попутно обнаружил, что в холодном помещении сила батареи иссякает быстрее. Но зато потом восстанавливается в тепле. Он решил испытать угольные электроды.

Уголь – традиционный материал в физических исследованиях. Ничего удивительного. Но…

Весной 1802 года, поздним вечером, когда глаза уже устали от беспрерывного мерцания свечей и просились на отдых, в темной лаборатории под руками ученого вспыхнуло солнце!

Электрическая дуга между двумя углями

«Если на стеклянную плитку или скамеечку со стеклянными ножками будут положены два или три древесных угля, способные для произведения светоносных явлений посредством гальвани-вольтовской жидкости, и если потом металлическими изолированными направлениями, сообщенными с обоими полюсами огромной батареи, приближать оные один к другому на расстояние от одной до трех линий, то является между ними весьма яркий, белого цвета свет или пламя, от которого оные угли скорее или медлительнее загораются и от которого темный покой довольно ясно освещен быть может».

Одна – три линии – это 2,5–7,5 мм. Расстояние пустячное, а ослепительное пламя, вспыхнув, раздулось солнечным лучом, зашипело и ударило в темные окна, вызвав страх у случайного прохожего. Что за свет? Откуда свет? Почему «гальвани-вольтовская жидкость» из батареи превращается в огонь?.. Все эти вопросы, несомненно, возникали у первооткрывателя электрической дуги и требовали объяснения. А что он мог ответить на них? Нам сегодня может показаться: подумаешь – открытие! Источник электричества – под руками, нужно только сдвинуть угли… Жестокое заблуждение! Во-первых, батарея была хоть и велика, но очень ненадежна. Во-вторых, угли – обыкновенные древесные угли – далеко не лучшие электроды для дуги. И в-третьих, наконец, сама дуга была очень капризным явлением. Чтобы заставить ее гореть от первой проскочившей искры, нужно было обладать величайшим мастерством экспериментатора.

Титульные листы научных трудов В. В. Петрова

Быть первым всегда и везде сложно. Сделать первый шаг в науке, опережая все человечество, не просто трудно. Он возможен только в результате упорной работы, работы порой опасной, часто без поддержки… В общем, это настоящий подвиг – жизнь ради прогресса, жизнь для людей. Не забудьте, пожалуйста, и того, что происходило все то, о чем я сейчас пишу, в век свечи и лучины, когда электрические опыты рассматривались как «куриозные явления», не имевшие в большинстве своем никакого объяснения.

Открытие Петрова не привлекло большого внимания. А описание опыта, изложенное в «Известиях Академии» на русском языке, скорее всего, осталось неизвестным большинству европейских ученых. Совсем иная судьба у повторившегося открытия той же дуги в Англии. Несколько лет спустя очень удачливый и, безусловно, талантливый ученый Гемфри Дэви, чьим учеником потом станет Майкл Фарадей, независимо от Василия Петрова обнаружил то же явление и продемонстрировал его коллегам по Лондонскому королевскому обществу. Вот тут недостатка во внимании и восхищении не было…

В характере Василия Владимировича Петрова поражает не только бескорыстие, но и полнейшее отсутствие всякого тщеславия – черты весьма распространенной для его времени. А он, узнав о повторении своего открытия Дэви, ни словом даже не обмолвился о приоритете. Может быть, он худо владел иностранными языками и не мог свободно изъясняться? Отнюдь. Современники утверждают, что Петров одинаково хорошо знал латынь, немецкий, английский и французский языки – читал, писал и говорил. Правда, иноземцев, как и Ломоносов, Василий Владимирович не жаловал, больно много их было вокруг в столице, да все с привилегиями, да все хотели, чтобы их считали умнее. Может быть, поэтому все свои статьи писал он только на русском языке. И его труд «Известия о гальвани-вольтовских опытах, которые производил профессор физики Василий Петров, посредством огромной наипаче батареи, состоявшей иногда из 4200 медных и цинковых кружков и находящейся при Санкт-Петербургской медико-хирургической академии» явился едва ли не первой научной работой по электричеству, написанной на русском языке.

По отзывам современников, Петров был не только великолепным лектором, но и талантливым учителем, профессором-руководителем. Он оставил после себя учеников, ставших гордостью нашей науки. Сам же Василий Владимирович по праву считается первым русским электротехником и примером для тех, кто идет нелегким путем служения науке и своему народу.

Петров был ученым-профессионалом, и вся его жизнь, все его интересы связывались с наукой и научной деятельностью. Я думаю, что он был чужд мизантропии – свойства в общем-то мало распространенного среди русских людей. И наверное, втайне страдал, наблюдая безразличие окружающих к своим трудам. Не зря же в конце описания опытов поставил он скромную, но весьма знаменательную фразу: «Я надеюсь, что просвещенные и беспристрастные физики, по крайне мере некогда, согласятся отдать трудам моим ту справедливость, которую важность сих последних опытов заслуживает…»

Исследования Василия Владимировича Петрова побудили многих русских исследователей обратиться к опытам с электричеством. Одна за другой в печати появляются интересные работы. Тут и диссертация Александра Воинова о молнии и громе, и рассуждение Василия Телепнева «о способах возбуждения электричества в телах», и компиляционный труд Афанасия Стойковича «О соломенных и разных других отводах молнии и града». Были работы и других авторов. Не все они оказывались равноценными, немало в них встречалось наивных утверждений. Но уже само обилие работ говорит о том, что русская научная мысль начала XIX века шла в ногу с изысканиями европейских ученых.

В 1803 году в Санкт-Петербурге из-под печатного пресса вышла очень любопытная книга, озаглавленная «Краткие и на опыте основанные замечания об електрицизме и о способности електрических махин к помоганию от различных болезней», принадлежащая перу первого русского агронома и писателя Андрея Тимофеевича Болотова.

Эту работу можно еще вполне отнести к «догальваническому» и «довольтовскому» периоду. Болотову было в ту пору уже шестьдесят пять лет. Познакомившись с действием лейденской банки, он увлекся идеей лечения различных болезней с помощью электрического «потрясения». Это был едва ли не последний отголосок всеобщего увлечения лечением электричеством, которое переживала Европа в середине XVIII столетия. Тогда врачи ожидали от новых методов лечения чуда.

Идея применения электричества против нервных болезней уходит в глубокую древность. Есть сведения, что и римские врачи высказывали мнение о полезности ударов животного электричества. Еще в середине XVIII столетия многие видели в электричестве панацею от всех болезней. Но по прошествии полувека мода на него прошла. И работа Болотова внимания на себя не обратила. С работами же В. В. Петрова Болотов, скорее всего, знаком не был.

Можно отметить, что в своей работе Андрей Тимофеевич большое внимание уделял построению «електрических махин вообще и устроению простейших особенно». Он дал конструкцию своей электрической машины, получающей электричество трением, подробно описал ее, «чтобы в случае оказавшейся полезности можно было по примеру моему многим и у себя дома, без прибежища к махинистам, а при помощи простейших мастеровых, как, например, столяра и слесаря, их делать и без больших издержек снабжать себя оными».

В 1818 году основатель Харьковского университета Василий Назарович Каразин, человек беспокойного просветительского склада характера и выдающийся общественный деятель, написал мемуары «О возможности приложить электрическую силу верхних слоев атмосферы к потребностям человека». Он предлагал поднимать на аэростатах «электроатмосферные снаряды», которые собирали бы там электричество и доставляли его на землю для практического использования.

В ту пору Каразин жил у себя в поместье Кручик в Харьковской губернии. Со свойственной ему страстностью и энергией предавался он научным занятиям и опытам. У него в имении были прекрасная библиотека, химическая лаборатория и метеорологическая станция, на которой он в течение десятков лет вел наблюдения. Тут же рядом располагалось опытное поле, с делянками, засеянными различными сортами пшеницы. Вообще, надо сказать, это был удивительный, интереснейший человек, каких немало в русской истории. Жизнь его – настоящий роман…

Понимая, как нужны удобрения для повышения урожайности почв, Каразин задумался над способом извлечения азотистых соединений из воздуха электрическим путем. Он хорошо представлял себе ничтожность силы существующих источников – вольтовых столбов. И посему решил поставить на службу человеку молнию.

Составив свой проект, Каразин подал его на высочайшее рассмотрение. Бумаги попали на отзыв в Академию наук. Там должным порядком они прошли рецензирование. Проект Каразина рассматривали в Академии, но никто не нашел в поданных предложениях ничего достойного внимания. И лишь Петров написал положительный отзыв.

К сожалению, ни наука, ни тем более техника не готовы были к принятию подобных идей.

Рождение электротехники началось с изготовления первых гальванических элементов – химических источников электрического тока Алессандро Вольтой.

Рассказывают, что при раскопках египетских древностей археологи обратили внимание на странные сосуды из обожженной глины с изъеденными металлическими пластинами в них. Что это?.. «А уж не банки ли это химических элементов?» – пришла кому-то в голову «сумасшедшая» мысль. Но так ли она безумна? Ведь получение постоянного электрического тока химическим путем действительно очень просто. Соленой воды на Земле хоть отбавляй, как и необходимых металлов – цинка и меди. Вместо меди можно было применять серебро и золото… Но оставим эти догадки фантастам.

Первые элементы имели один общий недостаток. Они давали ток лишь несколько минут, затем «требовали отдыха». Почему это происходило, никто сначала не понимал. Но с такими «быстроутомляющимися» источниками нечего было и думать затевать какую-то промышленность. И потому усилия исследователей сконцентрировались на проблеме продления работоспособности химических элементов. Их было много – изобретателей новых источников электрического тока. И каждый, патентуя свое детище, давал ему собственное имя.

Оказалось, что цинк, соединяясь с кислотой, вытесняет из нее водород. Пузырьки газа оседают на металлических пластинках и затрудняют прохождение тока. Физики назвали это явление поляризацией элементов и объявили ему войну.

Примерно в начале 30-х годов XIX столетия англичане Кемп и Уильям Стёрджен (изобретатель электромагнита, о котором речь еще впереди) выяснили, что цинковая пластинка, покрытая амальгамой – раствором цинка в ртути, – действует не хуже чистого цинка, но при этом не растворяется в кислоте, когда элемент не работает, то есть когда он не дает тока. Это стало существенным достижением. Следом за ними французский физик, основатель ученой династии Антуан Сезар Беккерель высказал мысль, что хорошо бы попробовать опускать пластинки в разные сосуды так, чтобы выделяющийся водород тут же химически соединялся с кислородом, образуя воду. Идея понравилась. Но как ее реализовать? Изобретатели всех стран принялись за опыты. И надо прямо сказать, что если в XVIII веке едва ли не каждый образованный человек строил электрические машины, чтобы добывать таинственную силу электричества трением, то теперь всякий исследователь считал своим долгом подарить миру и человечеству новый химический элемент.

На первом этапе наибольший успех выпал на долю профессора химии Лондонского королевского колледжа Даниэля. В стеклянную банку с медным купоросом он поместил согнутый в цилиндр металлический лист. Внутрь вставил глиняный сосуд с пористыми стенками, заполненный разбавленной серной кислотой. В кислоту был помещен цинк. Водород проходил через поры глиняного сосуда, вытеснял медь из купороса. Несколько синих кристалликов, брошенных на дно банки, пополняли убыль меди.

Поляризация была побеждена! Однако у элемента Даниэля нашлись другие недостатки. Так, он имел пониженную электродвижущую силу. Часть электрической энергии тратилась внутри самого элемента на разложение медного купороса.

Гальванические элементы Лекланше и Даниэля

Соотечественник Даниэля Уильям Грове решил заменить медный купорос азотной кислотой. А чтобы она не разъедала медный электрод, заменил медь платиной. Все получилось в соответствии с ожиданиями: электродвижущая сила возросла. К сожалению, возросла и стоимость такого источника тока: платина – металл дорогой. Правда, Грове и его последователи делали электроды из тончайших листков, согнутых для прочности буквой S. Несмотря на высокую стоимость, элементы Грове нашли довольно широкое распространение в лабораториях многих стран.

Сегодня может показаться странным, что никто не додумался заменить платину углем. Принципиальная возможность такой замены была уже известна. Но тут мы не учитываем уровня технологии начала XIX столетия. Тогда никто не умел делать плотных углей. А обычный древесный уголь слишком пористый. Прошло несколько лет, прежде чем немецкий химик Роберт Бунзен описал способ изготовления угольных стержней из прессованного молотого графита, который выделялся при сгорании светильного газа на раскаленных стенках реторт. Стержни стали прекрасным заменителем платины.

Элемент Бунзена приняли «на ура» не только лаборатории физики, но и первые электротехнические предприятия (в частности, по гальванопластике). И это несмотря на то, что при работе элемент Бунзена выделял немало удушливых паров азотной кислоты. Иоганн Поггендорф заменил азотную кислоту хромовой, не выделявшей вредных испарений. Но ее производство было довольно дорогим делом.

Гальванические элементы Грове, Калло и Бунзена

Изобретатели старались вовсю. На страницах научных журналов одно за другим появлялись описания все новых и новых элементов. Ими занимались специалисты, ими занимались любители, ими занимались… В качестве курьеза можно упомянуть, что последний французский император Наполеон III, прежде чем навсегда подарить свою корону Республике, тоже «осчастливил» мир конструкциями двух источников электрического тока.

Впрочем, во второй половине XIX столетия химические источники тока стали изготавливать в специальных мастерских. Главный их потребитель – телеграф – требовал простоты устройства, дешевизны, устойчивости и надежности в работе. За все это телеграфисты соглашались на самые «слабые» токи.

Можно рассказать еще о многих более или менее удачных попытках изобретательства. Наибольший успех выпал на долю парижского химика Жоржа Лекланше. Он наполнил глиняную банку смесью перекиси марганца с кусочками угля из газовых реторт и поместил туда же прямоугольную угольную призму, которая должна была служить положительным электродом. Эта система заливалась сверху варом или смолой и вставлялась в стеклянную четырехугольную банку, заполненную раствором нашатыря, с цинковым электродом. При этом хлор из нашатыря (хлористого аммония), соединяясь с цинком, давал хлористый цинк. Аммоний распадался на растворяющийся аммиак и водород. Вот тут-то и была ахиллесова пята этого превосходного элемента. Перекись марганца окисляла водород медленно и небольшими порциями. А выделение этого газа зависело от силы тока, который отбирается от элемента. Больше ток – больше выделяется и водорода. Водород же поляризует элемент, и последний быстро «устает». Правда, после некоторого «отдыха» он исправно работает снова. Однако лучше всего им было пользоваться при «малых токах» в телеграфии или в системе сигнализации, где между моментами работы существуют значительные перерывы.

Гальванические элементы Грене и Флейшера и сухой элемент фирмы «Симменс и Гальске»

Большое неудобство при использовании элементов Лекланше создавали стеклянные банки с жидкостью. Особенно сетовали на этот недостаток компании пассажирских перевозок. Океанские корабли снабжались сложной и разветвленной системой сигнализации, стараясь не уступать в этом отношении большим отелям. Но корабли подвергались качке… Сначала, чтобы не расплескать жидкость из элементов, банки с электролитом наполняли опилками, заливая сверху тем же варом. Но под такой «крышкой» образовывались газы, и элементы стали взрываться. Не скоро научились люди изготавливать «сухие элементы», ставшие в наше время такими обычными. Да, бесчисленные батарейки, работающие сегодня в самых разных электрических и электронных устройствах, не что иное, как многократно усовершенствованный и упрощенный «элемент Лекланше». Впрочем, наряду с ним работают и другие системы – миниатюрные и не очень, они обслуживают цепи, в которых используются «слабые токи».

Великим достижением XIX века, связанным с исследованием работы тех же элементов, явилось открытие возможности последовательного и параллельного их соединения, когда в первом случае удавалось получить от них суммарное напряжение, а во втором – суммарный ток.

Сегодня эти «чудеса» изучают ребята в школьном курсе физики, и они никого не удивляют.

Давайте еще раз вернемся ко времени, когда Алессандро Вольта построил свою первую батарею. Для большинства это было чудо, которое привлекло еще больше любителей физики к электрическим экспериментам. Год или два спустя учитель музыки в Париже, некто Готеро, проводящий эксперимент по разложению воды на кислород и водород с помощью вольтова столба, обнаружил, что две золотые проволочки нехитрого прибора, соединенные вместе по окончании опыта и приложенные к языку, дают такое же ощущение, как и батарея Вольты, только значительно слабее. Объяснить это незначительное явление никто не мог, да оно было и не очень-то впечатляющим. Но несколько лет спустя к его опыту вернулся немецкий формацевт Иоганн Вильгельм Риттер, ставший позже за смелость мысли и широту взглядов членом Мюнхенской академии. Он построил столбик из сорока только медных кружков, проложенных суконками, которые были смочены подкисленной водой. Соединил полюса столбика с вольтовой батареей и через некоторое время убедился, что его конструкция зарядилась электричеством. Теперь вторичные, или заряжаемые, столбы привлекли к себе внимание многих. Тем более что имеющиеся гальванические элементы очень быстро утрачивали свою силу из-за поляризации. В 1839 году Грове изобрел газовый «вторичный элемент», который давал ток лишь после зарядки его от какого-нибудь постороннего источника. Однако из-за неудобства пользования «газовый элемент» Грове распространения не получил.

Примерно в 1859–1860 годах в лаборатории Александра Беккереля – второго представителя славной династии французских физиков – работал в качестве ассистента Гастон Планте. Молодой человек решил заняться совершенствованием вторичных элементов, чтобы сделать их надежными источниками тока для телеграфии.

Аккумуляторы XIX века

Сначала он заменил платиновые электроды «газового элемента» Грове свинцовыми. А после многочисленных опытов и поисков вообще перешел к двум тонким свинцовым пластинкам. Он их проложил суконкой и навил этот «сэндвич» на деревянную палочку, чтобы он влезал в круглую стеклянную банку с электролитом. Затем подключил обе пластины к батарее. Через некоторое время «вторичный элемент» зарядился и сам оказался способен давать достаточно ощутимый постоянной ток. При этом, если его сразу не разряжали, способность сохранять электродвижущую силу оставалась в нем на довольно длительное время. Это было настоящее рождение накопителя электрической энергии, или аккумулятора.

Слово «аккумулятор» происходит от латинского accumulator, что означает «собиратель». В технике так называют устройства, позволяющие накапливать энергию с целью ее дальнейшего использования. При этом аккумулятор может быть не только электрическим. Самым простым видом можно считать сжатую или растянутую пружину, в которой запасается механическая энергия, или тяжелый маховик, раскрученный до большого числа оборотов и запасающий таким образом кинетическую энергию. На гидроаккумулирующих станциях избыток электроэнергии используется для подъема воды из нижнего резервуара в верхний. Есть пневматические аккумуляторы, тепловые и, наконец, электрические.

Первые электрические аккумуляторы Гастона Планте имели очень незначительную емкость, то есть запасали совсем немного электричества. Но соединив несколько банок последовательно, напряжение батареи можно было увеличить, а при параллельном их включении увеличивалась емкость. При этом ток прибора оказывался тем сильнее, чем большая поверхность пластин соприкасалась с раствором электролита.

Свинцовые пластины аккумуляторов разных конструкций

Затем изобретатель заметил, что если заряженный первоначально прибор разрядить, затем пропустить через него ток в обратном направлении, да еще проделать эту операцию не один раз, то возрастает слой окисла на электродах и емкость вторичного элемента увеличится. Этот процесс получил название формовки пластин и занял у изобретателя Камилла Фора около трех месяцев…

Камилл Фор с юных лет увлекался техникой. Но он был беден и не получил образования. Вынужденный зарабатывать на жизнь, Камилл сменил множество специальностей. Был рабочим, чертежником, техником, химиком на английском пороховом заводе, работал и у Планте. Разносторонние практические знания сослужили самоучке добрую службу.

После Парижской выставки 1878 года Фору пришла идея нового способа формовки пластин. Он попробовал заранее покрывать их оксидом свинца, свинцовым суриком. При зарядке сурик на одной из пластин превращался в перекись, а на другой соответственно раскислялся. При этом слой окисла приобретал очень пористое строение, а значит, площадь его поверхности значительно увеличивалась. Процесс формовки протекал значительно быстрее. Аккумуляторы Фора при том же весе запасали значительно больше электрической энергии, чем аккумуляторы Планте. Другими словами, их энергоемкость была больше. Это обстоятельство особенно привлекало к ним симпатии электротехников. Но главная причина их возросшей популярности заключалась в другом.

В конце столетия во многих странах на улицах и в домах появилось электрическое освещение. Лампы накаливания питались энергией пока еще маломощных машин постоянного тока. Ранним утром и поздним вечером, когда энергии требовалось больше, на помощь машинам приходили аккумуляторы. Это было значительно дешевле, чем устанавливать дополнительные генераторы. Тем более что в спокойные дневные и ночные часы аккумуляторы могли заряжаться, поглощая излишки вырабатываемой машинами энергии.

Дальнейшее совершенствование свинцово-кислотных аккумуляторов шло по пути улучшения их конструкции и изменения технологии изготовления пластин.

Несмотря на широкое распространение, свинцовый аккумулятор – довольно капризное детище электротехники. Он требует очень чистого электролита. Аккуратные мотоциклисты и автолюбители это хорошо знают и доливают «банки» с электролитом только дистиллированной водой. Аккумулятор не терпит перегрузок. Если ток разряда чересчур сильный, пластины разрушаются. Не любит свинцовый аккумулятор перегрева, переохлаждения, глубокого разряда и частых перезарядов. Корпуса свинцово-кислотных аккумуляторов, изготовленные из стекла или пластмассы, хрупки. А кислотный электролит на зарядных станциях создает совершенно неприемлемую экологическую обстановку.

В 80-х годах XX столетия был предложен проект создания гигантского свинцово-кислотного аккумулятора весом более двух тысяч тонн. Предполагалось, что он займет площадь около пятой части гектара и будет предназначен для подключения к электросети в часы пиковой нагрузки. Проектная мощность – порядка сорока пяти мегаватт. Заряжать его можно в ночное время, когда потребление энергии падает.

Применение такого супераккумулятора позволило бы выровнять работу тепловых электростанций, особенно страдающих от неравномерности нагрузки, и дало экономию нефтяного топлива. Однако проект реализован не был.

Недостатки кислотных аккумуляторов еще на заре их развития заставляли изобретателей искать замену свинцу. Попыток было много. Большинство безуспешных. Удача выпала на долю Томаса Алвы Эдисона. После множества опытов американский изобретатель построил железо-никелевый щелочной аккумулятор, который широко используется в наши дни. В нем отрицательный электрод выполнен из пористого железа или кадмия с большой рабочей поверхностью. Положительный электрод – никелевый, окруженный окисью трехвалентного никеля. В качестве электролита используется 20 %-ный раствор едкого кали или едкого натра. Корпус чаще всего изготавливается из стали.

Томас Алва Эдисон (1847–1931)

Правда, электродвижущая сила щелочного аккумулятора немного ниже, чем у свинцового. Коэффициент полезного действия тоже меньше (примерно в два раза). Да и стоит щелочной аккумулятор дороже. Но… Он хорошо переносит перегрузки. Нечувствителен к избыточному заряду и сильному разряду, прочен, легко переносит перегрев и не нуждается в ремонте. А поскольку из щелочных аккумуляторов не выделяются газы, их можно делать герметично закрытыми. Согласитесь, что преимущества впечатляющие.

Но не менее впечатляющи и недостатки. И прежде всего недостаточная емкость. Вот почему во всех промышленно развитых странах внимание многих научно-исследовательских коллективов направлено на разработку новых типов аккумуляторов и супераккумуляторов. Главная задача – повысить энергоемкость: увеличить количество запасаемой энергии на единицу веса аккумулятора.

Проблема создания энергоемких аккумуляторов приобретает особое значение в связи с бурным развитием транспорта. Автомобили пожирают запасы дорогостоящего горючего и загрязняют атмосферу. В 1898 году француз Ж. Шасслу-Лоба достиг на электромобиле скорости 63 км/ч. А через год гонщик К. Иенатци установил мировой рекорд скорости на суше – почти 160 км/ч на машине, снабженной аккумуляторной батареей массой около 2 т.

Между тем в Чикаго в начале XX века количество электромобилей примерно вдвое превосходило количество машин с бензиновыми двигателями. В чем же дело? Почему до сих пор автомобилестроители не перешли на экологически безвредную электроэнергию? Увы, главная проблема как раз и заключается в аккумуляторах. Ведь современный свинцово-кислотный аккумулятор весом пять с половиной килограммов, который стоит на автомобиле, способен накопить и удержать в себе столько энергии, сколько ее заключено. в рюмке бензина! Сорок литров бензина – емкость бака обычной легковой машины – по заключенной в них энергии эквивалентны энергии аккумуляторных батарей весом четыре с половиной тонны. А время заряда-заправки? Сорок литров бензина вы зальете за пять, ну, за десять минут. Перезарядка же аккумуляторов длится часами.

Электромобили не вписываются и в общий темп существующего дорожного движения. Они медленно разгоняются и трудно берут подъемы. Их максимальная скорость и дальность пробега между перезарядками аккумулятора незначительны. Так что пока эта техника, на радость нефтегазовым «королям», не конкурентоспособна.

Существуют серно-натриевые и хлорно-литиевые аккумуляторы с удельной емкостью раз в десять, а то и в двенадцать большей, чем у свинцово-кислотных аккумуляторов. Натрий – металл, обладающий высокими энергетическими свойствами. В рабочем состоянии и натрий и сера нуждаются в подогреве, чтобы перейти в расплавленное состояние. Их разделяет сосуд из пористой керамики, изготовленной на основе алюминия. Главное свойство сосуда – его способность пропускать только ионы натрия. Для ионов серы и для атомов обоих химических элементов керамическая мембрана – непреодолимый барьер. Таким образом, керамика играет роль как бы твердого электролита. Но хотя натрий и сера плавятся при температуре 97-119 °C, для успешного протекания электрохимической реакции их нужно нагреть до 300 °C, не меньше. Правда, серно-натриевый аккумулятор требует постороннего источника тепла только для начала работы. Потом необходимая температура поддерживается за счет тепла, выделяющегося в ходе химической реакции.

Серно-натриевый элемент дешев. Применяемые в нем материалы не дефицитны. Во время работы из него не выделяются газы, значит, его можно герметизировать. А если добавить к этому еще и простоту заряда, то может показаться, что решение проблемы у нас в кармане. Но попробуем перечислить и недостатки. Сера и натрий – огнеопасны. А перед работой аккумулятор необходимо подогревать. Едкие вещества легко разъедают герметическую оболочку. И натрий так активно соединяется с водой, что эта реакция подобна взрыву. Да и расплавленная сера при контакте с воздухом образует ядовитый сернистый газ. Так что, несмотря на герметичность, такой аккумулятор требует большой осторожности при эксплуатации.

Похож и хлорно-литиевый аккумулятор, удельная энергоемкость которого еще выше. Но у него серьезным недостатком является ядовитость хлора. А ну как прорвется он где-нибудь!.. Конечно, бензин тоже не такое уж безобидное вещество, особенно если поблизости есть открытый огонь. Но к свойствам бензина все привыкли. А вот к характеру натрия и лития, хлора и серы мы относимся пока настороженно.

Тем не менее созданы очень любопытные «электрические консервы». Вот, например, литиево-никельгалоидный аккумулятор. В нем работает уже знакомый нам металл литий и неядовитое неорганическое фтористое соединение никеля. Этот аккумулятор не требует подогрева, не выделяет газ, что позволяет сделать его полностью герметичным. Энергоемкость его – на уровне супераккумуляторов, описанных выше, а процесс зарядки длится всего несколько минут. Прекрасно, не правда ли? Вот мощность его невелика. Но не будем забывать, что и современная техника сильно миниатюризировалась.

Существуют воздушно-цинковые аккумуляторы, в которых кислород атмосферы окисляет цинковый анод. В них запас энергии определяется количеством цинка, способного вступить в реакцию. Но у них пока мал срок службы. Идея использовать воздух в качестве одной из составляющих системы накопителя энергии очень заманчива, хотя реализовать ее нелегко.

Интересное и перспективное направление – разработка топливных элементов. Правда, некоторые исследователи считают, что эти системы, занимающие промежуточное положение между гальваническими элементами и аккумуляторами, относятся скорее к электрическим машинам. Они их так и называют: электрохимические генераторы (ЭХГ). В топливных элементах свободная энергия электрохимической реакции переходит непосредственно в электрическую энергию. Вот, например, как работает водородно-кислородный топливный элемент: газ водород поступает из баллона-термоса, где хранится в сжиженном состоянии, к отрицательному электроду-катализатору. Здесь он ионизуется. Точно так же к положительному электроду поступает кислород. Ионы водорода проходят через ионообменную мембрану, соединяются с ионами кислорода. Образовавшаяся в результате реакции вода – единственный «выхлоп» такого элемента-генератора. Заманчивая перспектива, не так ли? Тем более что в качестве топлива может применяться не только сжиженный водород, но и другие вещества.

Потребность в разработке новых аккумуляторов особенно остро проявилась в 70-е годы XX века в связи с внедрением в космической технике солнечных батарей. Для налаживания выпуска специальных серебряно-цинковых аккумуляторов технологам пришлось создать не только новые конструкции, но и новые материалы, и электролиты.

В серебряно-цинковых аккумуляторах отрицательный электрод, как и полагается, сделан из цинка, а положительный – из окиси или перекиси серебра. Электролитом служит едкое кали. Энергоемкость таких аккумуляторов раз в шесть больше, чем у свинцовых. Кроме того, они могут работать при достаточно низких (до -60 °C) температурах, давать сильные токи и долгое время находиться в разряженном состоянии.

В результате были получены аккумуляторы, которые могут работать длительное время, в том числе в буферном режиме и в весьма жестких условиях космоса. В 80-е годы XX века для межпланетной станции «Венера» и программы спускаемого аппарата «Союз» потребовались герметичные буферные батареи, устойчивые не только к условиям открытого космоса, но и способные выдерживать серьезную ударную нагрузку. Еще более жесткие требования были предъявлены к аккумуляторам для обеспечения питания аппаратуры на космических станциях «Союз» и на спутниках серии «Космос». Эти работы велись как в Советском Союзе, так и в США. Велись параллельно и примерно в едином темпе. В долгосрочных космических программах «Венера», «Марс», «Молния», «Салют», равно как и в американских: «Маринер», «Пионер», «Эксплорер», – использовались в основном герметичные никель-кадмиевые аккумуляторы со сроком службы в несколько лет, что особенно важно для межпланетных полетов.

Огромную работу проделали наши специалисты по энергообеспечению космической системы «Энергия-Буран». Ракетчики потребовали от электриков создания аккумуляторов рекордной емкости до 130–140 А · ч при удельной энергии до 150 В · ч на килограмм веса. Таких параметров мировая практика раньше не знала. И тем не менее подобные аккумуляторы были созданы на Государственном научно-производственном предприятии «Квант».

На космических аппаратах «Радуга» и «Горизонт» прошли испытания новые никель-водородные аккумуляторы со сроком службы до пяти лет, и специалисты «Кванта» работают над созданием еще более долгодействующих никель-водородных и никель-металлгидридных аккумуляторов.

Интересным направлением современной научно-технической мысли является возможность использования в сверхпроводящих катушках больших значений электрического тока, а следовательно, и впечатляющего запаса электроэнергии.

Компасные мастера XVII века не раз замечали, что у кораблей, пришедших из дальних плаваний и побывавших в жестоких грозовых бурях, компасные стрелки оказывались перемагниченными. Северный конец указывал на юг, а южный – на север. «Что за чудо?» – удивлялись они, перекрашивая или меняя испорченные стрелки на «правильные». Никому, конечно, и в голову не приходило связать «болезнь перемагничивания компасной стрелки» с атмосферным явлением, а точнее – с молнией. Но вот жарким грозовым днем в июне 1731 года молния ударила в дом почтенного купца города Уэкфилда. Услышав грохот, испуганный негоциант вбежал в комнату и обнаружил, что громовая стрела разбила ящик со столовыми приборами. Стальные ножи и вилки разлетелись по всей столовой. Когда прислуга принялась их подбирать и складывать в буфет, оказалось, что ножи и вилки намагничены. И случай явно указывал на то, что причиной явления могла быть… только молния. А что такое молния? На дворе, слава богу, XVIII век. Просвещенные люди увлекаются науками и знают, что молния – это всего-навсего огромная электрическая искра.

7 сентября 1753 года в Санкт-Петербургской императорской академии профессор Эпинус прочел на конференции трактат «О сходстве электрической силы с магнитною». В своем фундаментальном труде «Опыт теории электричества и магнетизма», изданном шесть лет спустя, господин Эпинус утверждал, что между электрическими и магнитными явлениями существует непременная связь и силы взаимодействия электрических и магнитных зарядов изменяются обратно пропорционально квадрату расстояния между ними…

Сам Алессандро Вольта высоко оценил работы петербургского академика. А уж кому бы этого не знать… Интресно, что английский химик Гемфри Дэви, соорудив гигантский вольтов столб, состоящий из двух тысяч пар пластин, и получив электрическую дугу, обнаружил, что пламя дуги отклоняется магнитом. Правда, это было не совсем то. Пламя есть пламя. А вот подтвердить строгим физическим опытом подозреваемую связь электричества с магнетизмом не удавалось никому из физиков.

Уже были найдены связи электричества со светом, электричества со звуком – треск электрической искры, даже связь между электричеством и теплом – тонкие проводники нагревались, когда по ним проходил электрический ток от вольтова столба. А вот убедительно показать, что существует связь электричества с магнетизмом, никак не удавалось. Мюнхенский физик Иоганн Вильгельм Риттер утверждал, что всякий вольтов столб есть магнит, поскольку ток от него, пропущенный через серебряную проволоку, делает ее магнитной. Риттер пользовался славой гениального, но сумасбродного человека, и к его словам не очень-то прислушивались. Директор Политехнического института в Вене Иоганн Иозеф Прехтль, желая изучить магнитные свойства вольтова столба, подвешивал его на шелковых нитях. Он писал: «…В природе все явления имеют значение или притягательных, или химических действий электричества. так что в сущности магнетизм и химизм суть главные ветви общей науки, электрицизма».

Сегодня даже удивительно читать столь проницательные суждения, во многом соответствующие нашим воззрениям. Но в те времена это было лишь мнением, лишенным экспериментального подтверждения.

В 1802 году Джан Доменико Романьози – падуанский адвокат, увлекавшийся электрическими опытами, обнаружил отклонение магнитной стрелки током, проходившим по серебряному проводнику. Романьози хотел было описать открытое явление в подробном мемуаре, но так и не собрался.

Ханс Кристиан Эрстед (1777–1851)

Опыты, сопровождавшиеся странными магнитными проявлениями электрического тока, продолжались до 15 февраля 1820 года. В тот день в Копенгагенском университете должен был читать лекцию о связи электричества с теплотой профессор Эрстед. Сорокатрехлетний ученый был довольно известной фигурой в Дании.

Ханс Кристиан Эрстед родился в семье аптекаря. Окончив медицинский факультет Копенгагенского университета, он получил диплом фармацевта. В двадцать два года стал доктором философии, затем профессором и принялся учить студентов в alma mater.

Его научные интересы были широки и разносторонни. За работы по получению хлористого и металлического алюминия Эрстед был принят в члены Датского королевского научного общества и стал его непременным секретарем. Он много ездил по европейским государствам и был знаком с учеными разных стран.

Эрстед был хорошим лектором и умелым популяризатором науки. Немудрено, что на его лекции собиралось достаточно много студентов. В те годы свободного посещения лекций студенты попросту игнорировали тех профессоров, которые читали плохо или худо знали предмет.

Сегодня, рассказывая о нагревании проволоки под действием протекающей в ней электрической жидкости, профессор Эрстед подошел к столу, чтобы показать опыт. Он хотел подключить к полюсам вольтова столба платиновую проволочку и дать желающим потрогать, чтобы убедиться в том, что она стала горячей. В те времена подобный результат вызывал настоящий восторг очевидцев.

Как случилось, что на столе рядом с нагреваемой проволокой оказался компас, сказать сегодня невозможно. Сей прибор отношения к теме лекции не имел. И его присутствие здесь было чистой случайностью. Но это была великолепная случайность!

Компас, сыгравший роль «великолепной случайности» в опытах Эрстеда

Не менее удачным было и то, что один из студентов, которого, по-видимому, не слишком интересовали электрические чудеса с нагреванием, заметил, что при замыкании цепи магнитная стрелка почему-то дергается. И надо же было этому студенту задать вопрос о причине «дерганья». Он был, по-видимому, все-таки любознательным молодым человеком, и жаль, что в истории не осталось его имени… Эрстед даже растерялся от неожиданности вопроса.

– Я не понимаю, господин студент, о чем вы говорите.

– Я говорю, герр профессор, о том, что видел собственными глазами. В момент замыкания цепи стрелка компаса отклонилась.

– Вы уверены, что это было так? – медленно переспросил Эрстед, оглядывая демонстрационный стол. Он сразу заметил, что один из проводов, идущий от батареи, образовал петлю и лежал на компасе почти параллельно стрелке.

– Я могу поклясться, что все было именно так! – воскликнул возмущенный недоверием студент и стал продвигаться к столу сквозь группу товарищей.

– Не двигайтесь! – закричал Эрстед. – Сейчас мы повторим опыт, ничего не изменяя. Господа, я прошу всех следить за стрелкой и сказать мне, что вы увидите.

Он снова замкнул цепь и едва не оглох от дружного крика студентов: «Отклонилась!»

Сколько времени Эрстед ждал этого момента! На какие только ухищрения не шел, чтобы обнаружить связь электричества с магнетизмом. А все оказалось так просто…

Эрстед демонстрирует отклонение магнитной стрелки под действием электрического тока

– Отклонение магнитной стрелки, господа, может быть вызвано единственной причиной, – голос его дрожал от волнения и прерывался, – электрическим конфликтом, то есть воздействием на магнитную стрелку электрической жидкости, которая движется в проводнике.

Пять месяцев спустя из печати вышли небольшие мемуары Эрстеда, озаглавленные «Опыты, касающиеся действия электрического конфликта на магнитную стрелку». В них он излагал правило, уже похожее на закон: «Гальваническое электричество, идущее с севера на юг над свободно подвешенной магнитной стрелкой, отклоняет ее северный конец к востоку, а проходя в том же направлении под стрелкой, отклоняет ее на запад». Однако почему все происходило именно так, а не иначе, Эрстед объяснить не мог.

Свой труд, напечатанный на латинском языке, Эрстед разослал во все известные научные общества, в редакции физических журналов и физикам, занимающимся вопросами электричества.

Интересно отметить, что, по мнению Эрстеда, магнитные свойства проводник с током проявлял лишь в том случае, когда находился в нагретом состоянии. Заблуждался он, полагая, что в проводнике происходит встречное движение положительной и отрицательной «электрической материи». Была ли это ошибка или ограниченность мышления, привычка просто следовать букве эксперимента и существующему общему мнению в науке?.. Сам Эрстед писал в своих мемуарах: «Этот конфликт образует вихрь вокруг проволоки». И сегодня мы понимаем, что этим «вихрем» было не что иное, как магнитное поле вокруг проводника.

Следом за мемуарами Эрстеда появился целый поток сообщений об исследовании нового явления. Условия его опыта изменяли, исследовали со всех сторон. Немецкий физик Иоганн Швейггер предложил использовать открытый эффект отклонения магнитной стрелки электрическим током для создания первого измерительного прибора – индикатора тока. Другие экспериментаторы обнаружили, что холодный проводник, по которому течет электрическая жидкость, так же хорошо отклоняет стрелку, как и нагретый. В разных странах физики стали вспоминать, что о сродстве вольтова столба и магнита уже давно велись разговоры и открытие Эрстеда вовсе не так уж и ново. Потом, как всегда, нашлись ученые, которые утверждали, будто бы они также проделывали аналогичный опыт и не раз получали сходный результат, но не обратили, дескать, на него внимания.

Но в том-то и заключается величие подлинного таланта. Мало поставить удачный опыт и обнаружить неизвестный до того эффект. Нужно еще осознать важность своей находки!

Доминик Франсуа Жан Араго был удивительным человеком. На его долю выпало столько приключений, что их хватило бы на толстый роман. И вместе с тем Араго был серьезным ученым.

Он родился в 1786 году в семье скромного адвоката. Уже в поместье отца все удивлялись необычайной одаренности ребенка в точных науках. И поскольку французы всегда умели не мешать, а помогать природе, воспитывая своих детей, Доминик был отправлен в Тулузу, в Политехническую школу. Блестяще закончив ее, молодой человек получил назначение в Испанию, где проводились измерения меридиана. Но там началась война за независимость, и его приняли за шпиона. Раненого ученого бросили в тюрьму, где он беспокоился лишь о том, чтобы спасти под одеждой рукопись с результатами измерений.

Он дважды бежал из плена, но попал в руки пиратов. Однако все несчастья когда-нибудь да кончаются. Добрался Араго и до Парижа. Драгоценные бумаги были переданы в Академию наук, а героя избрали ее членом.

Тангенс-гальванометр, прибор для измерения силы тока, изобретенный Пуйе и усовершенствованный Вебером

Дальше он занимался оптикой и электричеством, астрономией, геофизикой и артиллерией. Став секретарем Парижской академии наук, Араго написал трехтомную монографию о выдающихся геометрах, астрономах и физиках.

В 1820 году в Женеве Араго увидел на собрании натуралистов повторение опытов Эрстеда. И конечно, тут же решил познакомить с ними своих соотечественников, используя новоизобретенные приборы. Вернувшись домой, он собрал нехитрую установку с вольтовым столбом и продумал программу экспериментов.

Чтобы стрелка компаса легче вращалась, понадобилось подпилить железную опорную иглу. Вот цепь была замкнута, и магнитная стрелка послушно отклонилась от проводника, подключенного к вольтову столбу. Но что это? На блестящий проводник налипло столько железных опилок, что они могли исказить картину опыта. Экспериментатор тщательно протер серебряный проводник, однако стоило ему положить его на стол, как опилки вновь налипли. Но ведь серебро – металл немагнитный! Араго выключил ток, и опилки осыпались с проволоки. Включил – и они снова облепили ее, будто серебро стало магнитом. Серебро – магнитом! Чудо!

Араго сразу же осознал важность счастливого открытия. Немагнитный серебряный проводник, подключенный к вольтову столбу, становился магнитом! Очень интересно! Но почему?..

В то время многие физики стремились выяснить природу таинственного электромагнетизма. Что является носителем электрических и магнитных сил? В учении о теплоте в архив были сданы взгляды о теплороде – материальной субстанции, переносящей тепло. В оптике исследователи сошлись на признании наитончайшего всепроникающего эфира – светоносного невесомого вещества, не оказывающего никакого сопротивления движениям планет. А в учении об электричестве все еще господствовали таинственные электрические и магнитные жидкости с их неясными свойствами и противоречивыми ролями…

Большинство ученых старались вообще не задумываться о природе наблюдаемых явлений, уверяя, что нужно заниматься вопросами только количественной оценки результатов, как это делал Ньютон, и не «выдумывать» причин.

В дверь лаборатории постучали. У порога стоял плохо одетый человек. Обвисшие поля шляпы, мятый камзол… Между тем это был академик Андре Мари Ампер – самый гениальный и самый рассеянный из друзей Араго. Пыль на его башмаках – доказательство того, что он уже давно вышел из дома на улице Фоссе де Сен-Виктор и бродил по Парижу или предместьям, не разбирая дороги, как всегда, погруженный в свои мысли.

Андре Мари Ампер (1775–1836)

– Входите, входите, мой друг! – в голосе Араго звучала неподдельная нежность. Он искренне любил этого нескладного и такого несчастного человека, вечного отшельника и глубокого мудреца. – Входите и давайте вашу шляпу. Я ее положу здесь отдельно от других, чтобы вы не спутали.

Араго вспомнил тот случай, когда после бурных споров по вопросам метафизики в одном из парижских домов Ампер схватил по рассеянности треуголку присутствовавшего священника и ушел в ней домой, оставив духовному отцу свою круглую шляпу. Ампер тоже помнил это.

– Вы жестоки, – сказал он, слабо улыбаясь. – А я-то бежал к вам, чтобы рассказать, к каким замечательным выводам пришел, обдумывая опыты Эрстеда. Его открытие знаменует начало новой эпохи в электричестве – электричестве не статическом, неподвижном, а, наоборот, движущемся, выливающемся из гальванических батарей подобно потокам.

Араго проводил друга наверх в лабораторию и усадил в кресло.

– Я вижу, что и вам не чужды гальванические увлечения? – спросил Ампер, кивая на приборы и вольтов столб, приготовленные на столе.

Ампер и Араго наблюдают взаимодействие электрического тока с магнитной стрелкой

– Вы правы. Я воспроизвел опыт Эрстеда и, как мне кажется, обнаружил новое, никем доселе не замеченное явление. Может быть, оно заинтересует и вас?..

Он замкнул цепь, и тотчас же опилки облепили серебряные проводники. Араго выключил ток, и опилки легким дождем ссыпались ему в ладонь.

– Прекрасно! – Ампер вскочил с места. – Это лучше всего доказывает, что я прав. Покоящиеся заряды не взаимодействуют с магнитной стрелкой. Но стоит им прийти в движение, и они превращают серебряный проводник в магнит. Серебро – в магнит! Превосходно! – Он на мгновение задумался. – А как вы полагаете, не станут ли взаимодействовать два провода с текущими в них потоками зарядов как магниты?

Ампер уже не ждал ответа. Глубоко внутри началась та таинственная, никому не ведомая работа, результатом которой бывает озарение и новые идеи.

Выслушав на заседании Академии сообщение Араго об опытах Эрстеда, Ампер решил немедленно их повторить. С помощью добровольных помощников он соорудил простую установку – вольтов столб и провод, замыкающий его полюса. Ампер подносил магнитную стрелку то к батарее, то к проводу и отмечал в обоих случаях отклонение стрелки. При этом стоило цепь разомкнуть, как эффект тут же пропадал… Это подтверждало те смутные мысли, которые уже давно бродили в его голове, – мысли о связи магнитных явлений с электрическими. Именно это открытие стало в будущем основой его электродинамики, сводящей магнетизм к замкнутым круговым токам.

Следующий опыт Ампера был еще более впечатляющим. Получив возможность пользоваться более мощным вольтовым столбом, он пропустил ток по двум проволочным спиралям, превратив их в магниты. Они послушно притягивались разноименными концами и отталкивались одноименными, то есть вели себя как настоящие магниты. И здесь не было места для «магнитных жидкостей», все объяснялось только протекающим по спиралям электрическим током.

18 сентября 1820 года на заседании Академии наук Ампер начал свою знаменитую серию докладов по электромагнетизму.

В комнате, где происходило заседание академиков, стоял гул голосов. Открытие Ампера было так просто и, как все простое, гениально. Оно вызвало разные чувства у присутствующих. Араго гордился своим другом. Био слушал с неослабевающим интересом, изредка поглядывая на молодого Савара, с которым его связывала дружба. Семидесятилетний Лаплас дремал. Однако было здесь немало и тех, кого с первых же слов Ампера начала съедать зависть.

– Подумаешь, открытие! – говорили они. – Притяжение и отталкивание токов – это не более чем видоизмененное притяжение и отталкивание заряженных тел, известное еще со времен Дюфе.

Ампер живо реагировал на это возражение:

– Одинаково наэлектризованные тела взаимно отталкиваются, два же одинаковых тока притягиваются и, соприкоснувшись, остаются соединенными, как магниты.

– Но позвольте, – говорили завистники, – в чем же новизна открытия коллеги Ампера? Эрстед доказал действие тока на магнитную стрелку. Но если два тела способны действовать на третье, то они должны действовать и друг на друга. Не означает ли это, что взаимное притяжение и отталкивание проводов суть следствие, вытекающее из опытов все того же Эрстеда?

Опыт Ампера с параллельными токами

И они садились на место, внутренне торжествуя, внешне же притворно сожалея, что слава поспешного открытия их коллеги исчезает, как дым. И снова вскакивал Ампер. Он предлагал сомневающимся теоретически вывести из результатов Эрстеда направление взаимодействия токов. А когда сделать это его противникам не удавалось, садился на место удовлетворенный.

Четыре понедельника подряд в октябре 1820 года выступал Ампер с трибуны академии, докладывая о результатах своих исследований. Потом он выступал еще и еще. Он свернул провод в спираль и, пропустив по нему ток, обнаружил, что получившийся соленоид по своим свойствам не отличается от обыкновенного магнита.

– Каждый магнит, я в этом уверен, – с жаром говорил Ампер коллегам, – представляет собой множество естественных соленоидов, по которым текут крошечные круговые токи. Именно гальванический ток, циркулирующий в каждой частице вещества, создает ее природный магнетизм. Электрический ток определяет магнитные свойства тела.

Опытный станок Ампера

Пока оси этих круговых токов ориентированы беспорядочно внутри тела, магнитные свойства не могут себя проявить, ибо в среднем они компенсируют друг друга. Но стоит всем осям по какой-то причине стать параллельными, выстроившись по ранжиру, – железо и сталь становятся магнитами.

Это была настоящая революция во взглядах на природу магнетизма. Фактически Ампер предлагал отбросить всякое представление о невесомых магнитных субстанциях и заменить их действием электрического тока. Резюмируя сказанное, Ампер писал: «Я свел явления, наблюденные г. Эрстедом, к двум общим фактам. Я показал, что ток, существующий в самом вольтовом столбе, действует на магнитную стрелку так же, как и ток соединительного провода. Я описал опыты, при помощи которых я установил притяжение или отталкивание всей магнитной стрелки под действием соединяющей проволоки.

Я описал приборы, которые предполагал соорудить, и, между прочим, гальванические винты и спирали. Я указал, что последние будут производить во всех случаях те же действия, что и магниты.

Затем я коснулся некоторых подробностей относительно своего воззрения на магниты, согласно которому они обязаны своими свойствами единственно электрическим токам, расположенным в плоскостях, перпендикулярных их оси.

Я коснулся также некоторых подробностей относительно подобных же токов, предполагаемых мною в земном шаре. Таким образом, все магнитные явления я свел к чисто электрическим действиям».

Ну, это уж он зря! Да еще так безапелляционно! В зале академии было немало сторонников и убежденных приверженцев гипотезы «магнитной жидкости», легко объясняющей природу магнетизма. Первым со своего места поднялся Жан Батист Био. Он ожесточенно напал на высказанные Ампером предположения и предложил опытом, только опытом доказать истинность новой гипотезы. Био грудью встал на защиту «магнитной жидкости», такой привычной и удобной, а главное, наглядной.

Дело заключалось в том, что в то время, когда Ампер занимался изучением взаимодействия проводников с током, Био вместе с двадцатидевятилетним военным хирургом Феликсом Саваром, увлекшимся физикой, исследовал законы воздействия тока на магнитную стрелку. Результатом этих исследований явился важный закон электродинамики, сформулированный, естественно, в привычных терминах представлений о «магнитных жидкостях», или «магнитных субстанциях». Вот каким он был в первой редакции: «Если неограниченной длины проводник с проходящим по нему вольтовым током действует на частицу северного или южного магнетизма, находящуюся на известном расстоянии от середины провода, то равнодействующая всех сил, исходящих от провода, и общее действие провода на любой – южный или северный – магнитный элемент обратно пропорциональны расстоянию последнего от провода». Трудная формулировка, согласен. Не вдруг и запомнишь. А уж применять ее и того труднее. Но она была первой. И Био ее защищал.

Правда, старый и мудрый Лаплас проанализировал этот обобщенный, интегральный закон и показал, что в случае не бесконечно длинного проводника, а конечного – так называемого элемента тока – сила этого воздействия убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. Получился тот самый дифференциальный закон Био – Савара – Лапласа, который изучают сегодня в школе. Амперу трудно было возражать, поскольку он во многих своих выводах опирался на интуицию. Экспериментальных данных по-прежнему не хватало. Био торжествовал.

Пройдет сорок лет, прежде чем Максвелл сумеет подтвердить правоту Ампера теоретически. А потом уже в ХХ веке американские физики Сэмюэл Джексон Барнетт, Альберт Эйнштейн и нидерландский физик Вандер Йоханнес де Гааз найдут пути экспериментального подтверждения тех выводов, которые сформулировал Максвелл.

Месяц спустя Ампер опять выступил на очередном академическом заседании с сообщением о результатах своих новых опытов. Тем временем немецкий физик Швейггер, использовав открытие Ампера, сконструировал мультипликатор, прибор, в котором магнитная стрелка подвешивалась внутри широкой катушки из изолированной проволоки. Теперь даже слабый ток, проходящий по виткам мультипликатора, позволял экспериментатору наблюдать «эффект Эрстеда». На базе этого прибора капитан итальянской армии, физик Леопольдо Нобили соорудил в 1825 году первый в мире чувствительный гальванометр.

В 1821 году, устав от изнурительных опытов, которые он проводил в собственной квартире на улице Фоссе де Сен-Виктор, за столиком, сделанным своими руками, и с приборами, изготовленными сельским слесарем, Ампер заявил, что переходит к составлению теории. В ней он хотел в ясной математической форме описать и привести к единству все многочисленные результаты опытов и электродинамические явления.

Нельзя сказать, чтобы теория Ампера, несмотря на ее математическую строгость, вызвала всеобщее воодушевление среди физиков и была сразу и повсеместно принята как руководство к дальнейшим исследованиям. Отнюдь! Прежде всего путаные описания Ампера сильно уступали в строгости его математическим выводам. Но главной причиной было то, что Ампер отбрасывал такие привычные для всех понятия, как магнитные жидкости, заполняющие тела. Он сводил все явления взаимодействия магнитных тел только к «вольтаическим токам». Эти токи окружали, по его мнению, частицы металла чуть ли не наподобие декартовых вихрей, что в эпоху Ньютона было отринуто большинством ученых…

Андре Мари Ампер родился 22 января 1775 года в городе Лионе, в семье Жан Жака Ампера и Жанны Антуанетты Сарсей де Сютьер и с детства не обладал завидным здоровьем. Отец его вскоре переселился в небольшое имение близ Лиона. И здесь у Андре стали одна за другой раскрываться способности. Например, он считал, не зная цифр и не умея писать. При этом он пользовался камешками, бобами. А когда у него их отнимали – сухариками…

Многим может показаться удивительной игра ребенка в арифметические вычисления. Но Араго в биографии Ампера пишет: «Я знаю, правда, не школьника, но отличного ученого, который в наших академических заседаниях часто перемножает большие числа; однажды я удивился его занятиям, и мой товарищ сказал: «Вы забываете удовольствие, которое я испытываю, когда деление не открывает ошибки в моем умножении».

В конце концов такое занятие ничем не отличается от разгадывания кроссвордов, пасьянса или рисования квадратиков на листе бумаги. Разве что требует чуть большего воображения.

Научившись читать, Ампер обнаружил в отцовской библиотеке двадцатитомную «Энциклопедию» и прочел все статьи в алфавитном порядке, от корки до корки. Детская память крепка. Много лет спустя, уже в зрелом возрасте, Ампер часто поражал друзей своей эрудицией и осведомленностью в самых разных областях знаний.

Прочитав в «Энциклопедии» легенду о Вавилонской башне, о том, как Бог смешал языки, чтобы люди перестали понимать друг друга и никогда бы не достроили башню до неба, Ампер решил восстановить единый язык человечества и «изобрел» некий всеобщий язык, написал его грамматику и словарь и даже сочинил поэму на этом языке. Причем многие, слышавшие ее, утверждали, что новый язык Ампера отличался благозвучием и красотой.

В 1793 году Амперов постигло несчастье. Глава семейства, занимавший должность мирового судьи в Лионе, был в ходе революционных событий казнен как аристократ и враг народа. Восемнадцатилетний сын его тяжко переживал смерть отца. Казалось, он потерял рассудок. Более года он был абсолютно безучастным ко всему происходящему вокруг него. Оставаясь немым, «смотрел на окружающее без глаз и без мысли».

Но однажды в руки Ампера попала книга Жан Жака Руссо «Письма о ботанике» и несколько стихов Горация, и он вдруг ожил. В юноше пробудилась задремавшая было любознательность. С прежней страстью принялся он за изучение латинского языка, античных поэтов и. ботаники. Впрочем, продолжалось это увлечение недолго, и скоро Андре Мари снова вернулся к математике. В Лионе образовался дружеский кружок из любознательных молодых людей, собиравшихся для того, чтобы обсудить волновавшие умы научные проблемы.

Ампер был чрезвычайно близорук. Даже близкие предметы казались ему размытыми тенями и красота окружающего мира была недоступна. Так продолжалось до того момента, пока однажды в дорожной карете он, по рассеянности, не взял в руки очки случайного спутника и не водрузил их себе на нос… Неожиданно они оказались ему впору. Трудно описать восторг, охвативший молодого человека. Немало неприятностей доставляла Амперу его рассеянность. Так, однажды, прогуливаясь по берегу реки и размышляя над тем, как определять направление отклонений магнитной стрелки протекающим током, он заметил веселую компанию мальчишек, купавшихся в Сене. Двое из них плыли по течению рядом, переговариваясь друг с другом. И Амперу пришла вдруг в голову мысль о простом правиле. Пловец, направляясь по течению, имеет справа соответственно правый берег, а если тот же пловец повернет обратно… «Прекрасная идея! – подумал ученый. – Назовем это «правилом пловца» и применим к нашим токам. Если смотреть по направлению тока, стрелка компаса должна отклоняться вправо. Если стать с компасом навстречу току, то – наоборот… Браво Андре!.. Вот только как это будет выглядеть математически? Хорошо бы прямо сейчас это и записать… Ампер близоруко огляделся, очки он, как обычно, забыл куда положил. И вдруг увидел рядом свою черную доску, на которой обычно дома делал математические выкладки. Он тут же забыл о том, что гуляет. Парижане – сдержанная публика, они готовы понять и простить чудачества. Но не тогда, когда это наносит ущерб чьей-то собственности. А тут – пожилой, плохо одетый господин, не обращая ни на кого внимания, самозабвенно пачкает заднюю стенку чьей-то кареты мелом, расписывая ее формулами.

Характер Ампера был крайне неуравновешенным, а диапазон интересов – широким. Часто из одной крайности он кидался в другую. Так, уже став профессором математики в Бурге, он написал интересное рассуждение о будущем химии. Однако смелые предсказания скоро стали казаться ему греховными. Он впал в мистицизм, начал обвинять себя в преждевременном открытии тайн и бросил свое сочинение в огонь.

В Париже жизнь его текла беспорядочно. Не имея средств, Ампер вынужден был искать работу и получил должность университетского инспектора. Далекий от реальной жизни, он должен был ездить по департаментам, инспектировать и писать длинные отчеты о расходах на мебель, губки, мел и тому подобные мелочи. Ампер не был в состоянии довести даже собственную рукопись до вида, пригодного к набору. А между тем чиновники требовали от него точности и аккуратности в отчетах, в которых он не видел никакого смысла.

И вообще, если не считать занятий наукой, все существование Ампера в Париже было сплошным несчастьем. Умерла его жена, оставив мужу трехлетнего сына Жан Жака. Чтобы дать сыну мать и освободить сестру от забот о малыше, Ампер женился во второй раз. И тут уж ему действительно не повезло. Знаменитый физик, человек в высшей степени интеллигентный, Луи де Бройль в 1940 году, несмотря на свою обычную сдержанность, охарактеризовал мадам Ампер так: «Вторая его жена оказалась мегерой, а ее родители не лучше».

Ампера буквально третировали в доме супруги, пока он не покинул ее кров, найдя убежище в здании Министерства внутренних дел. Лишь купив дом на Фоссе де Сен-Виктор, он почувствовал себя в безопасности.

Не радовал ученого и сын. Ампер ввел двадцатилетнего Жан Жака в модный салон сорокатрехлетней мадам Рекамье – супруги банкира. И молодой человек влюбился без памяти в стареющую красавицу. До самой смерти своей возлюбленной, в течение тридцати с лишним лет, поэт и лингвист Жан Жак Ампер питал к ней нежные чувства и хранил верность. А Андре Ампер так мечтал, чтобы сын завел собственную семью.

Ампер тяжело переносил домашние неурядицы. Постепенно оживление и бурная работоспособность после удачных опытов и создания теории сменились апатией. Прежнее уныние овладевало ученым. Все труднее бывало браться по утрам за перо. Все ненавистнее становился ему задуманный капитальный труд, название которого гласило: «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опытов». Амперу не хотелось даже читать. Насколько в детстве и в юности он любил книги, настолько теперь чувствовал к ним отвращение. Ничто не могло пробудить его интереса, ничто не способно было увлечь. Ко всему прочему добавились еще и страдания от сильной стенокардии. Еле-еле закончив книгу, он оказался неспособен даже разбить текст на главы и параграфы и дать оглавление. Последние годы своей жизни Андре Ампер провел в ужасном состоянии.

В мае 1836 года больной и страдающий Ампер выехал из Парижа на юг, в Марсель, чтобы поправить здоровье. Однако надежды были тщетны. И 10 июля, после приступа жестокой лихорадки, Андре Мари Ампер скончался.

Прежде чем начать рассказ о первых количественных законах электричества, позволивших перейти к промышленному применению «куриозных» аппаратов и породивших в будущем такую мощную отрасль производства, как электротехника, следует вспомнить еще о некоторых открытиях, совершенных в это же время.

В 1821 году жил в Берлине Томас Иоганн Зеебек – врач по образованию. Врачебной практикой он не занимался и, имея средства к существованию, довольно давно вел физические исследования. Имя его было настолько известно в научном мире, что в 1814 году Берлинская академия наук приняла его в состав своих членов.

Зеебек пытался обнаружить действие на магнитную стрелку замкнутого контура из разнородных металлов без включения в него вольтова столба. Он замыкал медную катушку гальванометра висмутовым диском, и каждый раз, когда его рука нажимала на один из контактов, магнитная стрелка чуть-чуть отклонялась. Почему?.. Может быть, влажные руки создавали условия для возникновения «вольтаического тока»?.. Он подложил под пальцы стекло и снова надавил на контакт. Стрелка не двигалась. Прекрасно!.. Но радоваться было рано. Через некоторое время стрелка все-таки отклонилась. Почему же не сразу, а через некоторое время? Что изменилось, когда он положил под пальцы стекло? Устранен непосредственный контакт спая металлов с пальцами, но там же осталось тепло рук, которое теперь нагревает этот спай с некоторым запозданием из-за стеклянной прокладки. Не тепло ли – причина дополнительного магнетизма, вызывающего отклонение магнитной стрелки?

Через некоторое время Зеебек написал статью, в которой заявил, что «теплота, которая сильнее передается одному из мест контакта металлов, является причиной магнетизма». А посему он и назвал открытое им новое явление термомагнетизмом!

Зеебек обнаружил, что эффект, названный им магнитной поляризацией, усиливается как с увеличением числа «термомагнитных» пар, так и с ростом разности температур. Он сделал вывод, что даже магнетизм Земли должен иметь ту же природу и рождается от нагревания вулканами пояса руд и металлов, опоясывающего Землю.

Как только физики узнали о новом открытии, опыты Зеебека были повторены во многих лабораториях. Ханс Кристиан Эрстед и французский физик и математик Жан Батист Фурье пришли к выводу, что это вовсе не термомагнетизм, а термоэлектричество и что Зеебек, исходя из неправильных представлений, ошибся и в сути явления. Они составили батареи из большого числа металлических пар и вскоре, правда, не без труда, получили от них небольшие электрические искры. Теперь уже сомнений не оставалось: тепло, подведенное к спаю (или контакту) разнородных металлов, рождало не магнетизм, а электричество. И несмотря на то что первооткрыватель еще долго сопротивлялся, стараясь доказать свою правоту, явление получило название термоэлектричества.

Через тринадцать лет после открытия Зеебека парижский часовщик, бросивший свое ремесло, Жан Шарль Атаназ Пельтье обнаружил, что в местах спаев двух разнородных металлов, в зависимости от направления тока, тепло либо выделяется, либо поглощается. Явление получило название «эффект Пельтье».

Так новые открытия все ближе и ближе подталкивали ученых к необходимости признания того, что силы природы могут превращаться одни в другие или переходить из одной формы в другую.

Сегодня пока еще термоэлектрические генераторы используются в качестве маломощных источников электроэнергии. Их устанавливают на навигационных буях, на маяках. Множество полупроводниковых термоэлементов, соединенных между собой, нагреваются солнечным теплом. Тепловая энергия непосредственно переходит в электрическую, но… коэффициент полезного действия таких установок пока слишком мал.

Обратный эффект, открытый Пельтье, используется шире. Но у открытия Зеебека и Пельтье есть будущее. И скорее всего, оно будет сильно отличаться не только от того, каким виделось первооткрывателям явлений, но и от того, каким видим его мы сегодня. Полупроводниковая, криогенная техника в сочетании с термоэлектрическими явлениями еще не сказала своего последнего слова.

На заседании Британского общества искусств, которое состоялось 23 мая 1825 года, за длинным столом, заставленным различными электрическими приборами и внушительной батареей из вольтовых столбов, сидел высокий джентльмен лет сорока с лишним. Выправка и благородное, хотя и несколько грубоватое лицо выдавали в нем отставного военного.

Когда члены общества собрались, председатель коротко представил гостя: «Мистер Уильям Стёрджен – эсквайр», – и сказал, что мистер Стёрджен любезно согласился познакомить их со своим изобретением и показать ряд приборов для электромагнитных экспериментов.

Уильям Стёрджен (1783–1850)

После открытия Эрстеда опыты с электричеством и с магнитами вновь стали популярны среди образованной публики. Поэтому собравшиеся не без интереса следили за ловкими руками экспериментатора, демонстрировавшего по большей части знакомые всем и лишь слегка усовершенствованные приборы. Но вот Стёрджен сделал паузу и с некоторой торжественностью открыл большой футляр. Там лежал согнутый подковой черный лакированный стержень из мягкого железа, обмотанный блестящей медной проволокой.

Изобретатель положил прибор на весы. Английская система мер всегда отличалась замысловатостью, и я не стану приводить точный вес в английских единицах. Всего прибор потянул граммов на двести. Экспериментатор подвесил его на штатив и подключил к вольтовой батарее. Концы подковы, обретя магнитную силу, притянули к себе железную полосу. Стёрджен стал нагружать полосу гирями: одна, другая, третья… – полоса держалась. Пятая, десятая… Лишь когда вес притянутого железа в восемнадцать раз превзошел вес самого магнита, груз оторвался.

Электромагнит конструкции Стёрджена

Один из первых электромагнитов

Это было неслыханно! Как удалось Стёрджену настолько увеличить подъемную силу? Ведь ни один естественный магнит не в состоянии поднять и пятой доли такого груза… И вообще, кто такой этот джентльмен?

Прошло всего несколько дней, и Лондон узнал все подробности об изобретателе. Оказалось, что Уильям Стёрджен родился в семье сапожника. И хотя с детства тянулся к книгам, до девятнадцати лет был практически малограмотен, находясь в обучении у коллеги родителя по цеховой принадлежности. Предначертанная судьба, по-видимому, не устраивала подмастерье. И в один прекрасный день парень удрал от благодетеля в Вест-Морленд, где поступил в армию.

Рядовому Стёрджену определенно повезло. Сержант, у которого он оказался в подчинении, был начитанным и добрым человеком. Видя тягу молодого солдата к знаниям, он принялся снабжать Стёрджена популярными книжками, которые тот читал в свободное время. Последнего оказывалось достаточно, потому что Уильям скоро научился ставить несложные опыты по химии и физике. Благодаря им молодой человек понял, что знаний его слишком мало, чтобы разобраться даже в простых описаниях. И тогда с той же настойчивостью, с какой делал все, он стал учиться.

Через пятнадцать лет со дня побега из отчего дома Уильям Стёрджен стал отличным механиком, умелым экспериментатором и образованным человеком. Он был знаком с латынью и естествознанием, немного – с математикой и физикой. Выйдя в отставку, он купил токарный станок, инструменты и принялся за изготовление приборов для любителей научных развлечений. В этом деле он добился определенного успеха, а вместе с успехом – и заказов. Заказы вели к полезным знакомствам.

Благодаря поддержке одного из влиятельных лиц Стёрджен получил место лектора в Военной академии Ост-Индской компании.

И вот его первое публичное выступление в Лондоне с изобретенным электромагнитом. Солдат-ученый! Даже для невозмутимого английского общества это не могло остаться незамеченным.

Но что, собственно говоря, открыл Стёрджен, что изобрел? Однорядная катушка, которая проявляла магнитные свойства, стоило пропустить по ней электрический ток, являлась не чем иным, как «соленоидом Ампера». А усиление силы магнитов в присутствии мягкого железа тоже не являлось особой новостью. Получалось, что объединение одного известного с другим известным в целом заслуживает славы изобретения? Именно так! В объединении частей известного для получения нового качества лежит суть изобретательства. И Стёрджен – подлинный изобретатель электромагнита. Ему первому в голову пришла мысль согнуть железный прут подковой. Сколько с тех пор прошло времени, а подковообразные магниты мы знаем до сих пор.

Со временем его имя становилось все более и более известным. О нем говорили ученые. О его магните писали физики. В доме Стёрджена появились первые ученики. И среди них Джеймс Прескотт Джоуль, сын богатого манчестерского пивовара, в будущем – один из первооткрывателей закона сохранения энергии, не питавший склонности к профессии отца.

Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889)

Стёрджен написал несколько статей и был немало раздосадован, когда снобы из «Философикл трансэкшенс» отказались их опубликовать. Он заявил себя издателем нового научного журнала «Анналы электричества Стёрджена», где, к слову сказать, появились и первые статьи Джоуля. Джеймс Прескотт Джоуль был талантливым учеником, и его учитель был счастлив этим обстоятельством. Продолжая работы учителя, Джоуль, например, сконструировал многополюсное электромагнитное устройство массой 5,5 кг, которое удерживало более тонны груза. Это не могло не поражать окружающих.

Подъемный магнит для железа

В 1840 году, когда Стёрджену было уже под шестьдесят, манчестерцы предложили ему пост директора своего музея. Место почетное, но не прибыльное. А изобретатель по-прежнему тратил большую часть дохода на электрические и магнитные опыты. Десять лет спустя он умер, так и не дождавшись ни признания, ни почестей. Многим из англичан сегодня даже имя его не знакомо. И только старая надпись на могильной плите напоминает: «Здесь лежит изобретатель электромагнита».

Электромагниты захватили воображение людей и стали модой. Правил для расчетов и конструирования не существовало. Изобретатели стали опытным путем увеличивать их притягивающую силу. Врачи использовали электромагниты для лечения, шарлатаны – для предсказаний судьбы, фокусники и любители научных развлечений – для показа чудес.

Одно из первых применений мощных электромагнитов на практике началось с конструированием подъемных кранов на сталелитейных заводах. Это нововведение вызвало сначала целую бурю, поскольку предприниматели тут же уволили рабочих, занятых раньше переноской железа.

Правда, со временем кое-кого из уволенных удалось приспособить к делу. И тоже не без помощи электромагнита. В цехах и на проезжих дорогах появились люди с тяжелыми батареями за спиной и с электромагнитами в руках. «Магнитные Биллы», – называли их обыватели. В обязанность «магнитных Биллов» входила очистка улиц и помещений от железного мусора. Особенное значение это стало иметь, когда по дорогам, теряя болты и гайки, побежали первые автомобили.

Стали применять электромагниты и на мельницах для очистки зерна, на рудниках – для разделения полезной и пустой породы.

Подъемный кран XIX века с электромагнитным захватом

Во второй половине XIX века свойства электромагнита привлекли внимание военных. В Соединенных Штатах Америки в военном ведомстве проходили опробирование два электромагнитных проекта. Один из них заключался в создании сверхсильного магнита для защиты крепостных стен прибрежных фортов от артиллерийского обстрела. Сверхмощный магнит должен был притягивать к себе вражеские снаряды и отклонять траектории их полета. Сегодня такая идея кажется смешной. Но сто лет назад на одном из фортов ее пытались воплотить в жизнь. Под командой бравого офицера матросы соединили рельсами казенные части двух старых осадных орудий, получив внушительную раму в форме буквы «П». Стволы пушек имели не меньше полуметра в диаметре и около пяти метров в длину. На них намотали обмотки из многих миль торпедного кабеля и пропустили по кабелю ток…

Очевидцы рассказывали, что «уже за десять миль в открытом море стрелки корабельных компасов теряли уверенность». Однако для того, чтобы притягивать снаряды противника, сила гигантского электромагнита была все же недостаточной.

Второй проект касался создания магнитного корабля-ловушки. Для этой цели кабелем обмотали целый броненосец и пустили по кабелю ток. Получился плавающий электромагнит со стальным сердечником, который должен был «сбивать с толку» магнитные стрелки компасов на судах противника. Однако и эта затея потерпела фиаско. Магнитная защита компасов на кораблях легко компенсировала влияние корабля-ловушки.

Много было всевозможных попыток приспособить магнитные силы для службы человеку. И многое получилось. Оглянитесь вокруг, сколько электромагнитов работает в самых обычных домашних приборах. Тут и телефон, и магнитофон, даже простой дверной звонок… Нет, Уильям Стёрджен вполне достоин того, чтобы мы сохранили в своей памяти его славное имя.

Во второй половине XX века, в годы первых космических полетов, снова вспыхнул интерес к электромагнитным устройствам, предназначенным для ускорения макроскопических тел. Космическим ракетам при запуске приходится тащить с собой наверх огромную массу топлива. Полезный груз составлял всего несколько процентов от стартового веса. А нельзя ли придумать устройство, способное поднимать тот же груз в космос без «накладных расходов»?

Читатель наверняка помнит идею Жюля Верна: послать на Луну корабль с людьми, выстрелив им из огромной пушки. Идея неприемлемая в связи с гигантскими перегрузками, которые не вынесет человек. А если без людей? Расчеты показывают, что в принципе такая установка может быть создана, если заменить пороховую пушку электромагнитной.

И вот в Канберре лаборатория национального Австралийского университета, работая совместно с американскими лабораториями в Лос-Аламосе и Ливерморе (Калифорнийский университет), а также совместно с фирмой «Вестингауз», построила «рельсовую пушку». Это некое подобие простейшего электромагнитного ускорителя, состоящего из двух проводящих ток рельсов, вмонтированных в трубу, напоминающую артиллерийский ствол. В систему посылаются импульсы электрического тока. Между рельсами быстро движется плазменный разряд – электрическая дуга, подталкивающая вперед «снаряд» из непроводящего материала. Последнее достижение – выталкивание «снаряда» (им являлся пластмассовый кубик массой 3 г) со скоростью до 10 км/с. Этого уже достаточно, чтобы вывести груз на орбиту. К сожалению, выйдя из канала ствола, «снаряд» мгновенно разрушился под воздействием силы, создающей ускорение, которое в миллионы раз превзошло ускорение свободного падения.

В 1974 году изобретатели предложили электрическую пушку – «Массовый ускоритель» для доставки на Землю с Луны минералов, руд, богатых алюминием. Позже теоретики предложили построить подобные же «массовые ускорители» на Земле и использовать их для запуска космических аппаратов. Только длина таких «пушек» должна быть несколько километров.

В широко известном сочинении конца XIX века «Очерк истории физики» Фердинанда Розенбергера в одном из примечаний написано: «Георг Симон Ом (не смешивать с его братом Мартином Омом, знаменитым математиком)…» Прекрасный пример исторической несправедливости современника. Кто из нас знает сегодня «знаменитого математика» Мартина Ома, получившего известность в первой половине XIX века в связи с построением арифметики натуральных чисел? Пожалуй, только специалисты. Тогда как имя Георга Ома знакомо всем.

В Кёльне, на одной из боковых улочек, отходящих от площади перед знаменитым собором, на глухой стене бывшей церковной школы, выкрашенной пронзительной охрой, висит металлическая плита с барельефом и надписью, гласящей, что здесь учительствовал Г. С. Ом. Скромная черная доска на глухой стене. Между тем именно Георг Симон Ом дал в руки ученым один из первых количественных законов электричества.

Что мы называем законом природы? Прежде всего устойчивое, повторяющееся и очень существенное соотношение между наблюдаемыми явлениями. Законы природы независимы от нашего желания и вообще от сознания людей. Они определяют, как одно явление взаимодействует с другим, и какой результат при этом должен получиться. Все в нашем устойчивом мире детерминировано, все подчинено определенным правилам. Мы их еще далеко не все знаем. И вот открытие (точнее – познание) законов природы является главной задачей естествознания.

В физике электрических явлений нужда количественной оценки разнообразных действий гальванизма ощущалась давно, и многие пытались найти непреложные правила – законы. Это и сумел сделать Ом.

Георг Симон Ом родился 16 марта 1787 года в городе Эрлангене, в семье ремесленника-слесаря. Отец его был достаточно умным человеком, чтобы внушить своим сыновьям любовь к учению. Поэтому, окончив гимназию, Георг поступил в Эрлангенский университет.

Георг Симон Ом (1787–1854)

Биографы туманно намекают на то, что учебу он оставил, не закончив курса. Но с другой стороны, он вроде бы некоторое время был приват-доцентом в том же университете и преподавал математику… Тут есть какая-то неувязка. Но оставим ее на совести историков.

Доподлинно же известно, что позже, до 1817 года, он был школьным учителем и кочевал из школы в школу, из одного города в другой. В промежутках между уроками учитель математики Георг Симон Ом занимался весьма увлекательным делом – физическими исследованиями, в том числе опытами с гальваническими батареями.

В то время многие физики пытались выяснить, как зависит действие гальванической батареи от качества и от рода металла, из которого сделана проволока, замыкающая ее полюсы. Сделать это было нелегко, поскольку электродвижущая сила любой гальванической батареи быстро падала. Восстанавливалась она лишь постепенно. Такая неустойчивость в работе очень мешала исследователям. И потому, как только Зеебек сконструировал термоэлемент, дававший ток постоянной силы, проблема была решена. Ому о термоэлементе рассказал немецкий физик Иоганн Поггендорф – издатель журнала «Аннален дер фюзик», бывший в курсе всех научных новостей своего времени.

В 1826 году в своей крохотной лаборатории в Кёльне Георг Ом соорудил элемент, состоящий из висмутового стержня, впаянного между двумя медными проволоками. Опустив один из спаев в кипящую воду, а другой в мелко наколотый лед, он приступил к опытам. Скоро Ом пришел к выводу, что электрический ток ведет себя подобно водному потоку в наклонном русле: чем больше перепад уровней и свободнее путь, тем поток сильнее. Так же и с током: чем больше электродвижущая сила батареи и меньше сопротивление току на его пути, тем больше сила тока. Применяя в своих опытах проводники из разных материалов, разной длины и поперечного сечения, Ом установил, что сила тока в цепи при постоянном источнике электродвижущей силы (он называл это «разностью электро-скопических сил») обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

В 1827 году из печати вышла большая монография Ома «Гальваническая цепь, разработанная математически доктором Омом». Однако местные физики не слишком благосклонно отнеслись к результатам его работ, поскольку в опытах с вольтовым столбом применение простого правила Ома не согласовывалось с результатами эксперимента.

В других странах его работы пока известны не были. Профессор прикладной физики Парижской школы искусств и ремесел Клод Серве Пуйе в октябре 1831 года сообщил Парижской академии, что открыл количественное соотношение между электродвижущей силой, силой тока и сопротивлением. При этом он ни словом не упомянул Ома. Правда, позже вынужден был признать, что читал сочинение немецкого физика о гальванической цепи и, пожалуй, согласен с тем, что Георг Ом сформулировал этот закон первым. Благодаря этой довольно скандальной истории о работах Ома узнали и другие французские физики. Узнали о его работах и в Англии.

В 1842 году Лондонское королевское общество наградило Ома почетной золотой медалью Коплея и избрало его своим членом. Георг Ом оказался вторым немцем, удостоенным этой чести. Чарлз Уитстон, изобретатель широко распространенного измерительного прибора, «моста сопротивлений», а также другой измерительной аппаратуры, писал, что «наконец-то столь долго господствовавшие туманные представления количества и напряженности уступили место определенным понятиям сил и сопротивлений, установленным Омом».

В 1849 году, когда Ому уже исполнилось шестьдесят два года, его пригласили в Мюнхенский университет на должность экстраординарного профессора. И лишь за два года до смерти произвели в ординарные профессоры. Всю жизнь Ом был великим тружеником. И всю жизнь его преследовали неудачи. Он сделал ряд прекрасных работ по акустике и установил важный закон о восприимчивости человеческим ухом простых гармонических колебаний, но труды эти признания не получили. Лишь через восемь лет после смерти Ома Гельмгольц смог доказать справедливость его выводов. В конце 40-х годов Георг Симон Ом задумал создать теорию молекулярной физики, но успел написать и издать всего один том. В 1853 году его наградили орденом Максимилиана «За выдающиеся достижения в области науки». Наконец-то признание пришло к нему. Но в 1854 году внезапный удар лишил его возможности насладиться почестями, исследовать и жить.

Правило Ома оказалось настоящим законом. Все теоретические и опытные проверки показали его точность. И сегодня закон Ома, гласящий, что в замкнутой цепи сила тока прямо пропорциональна электродвижущей силе и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи, является одним из трех китов, на которых стоит электротехника.

Через двадцать семь лет после смерти Ома Электротехнический съезд в Париже предложил назвать его именем общепринятую единицу сопротивления.

Студенту Кёнигсбергского университета Густаву Кирхгофу только-только исполнился двадцать один год, когда он, занимаясь в семинаре у профессора Франца Неймана, получил доступ в лабораторию физики. Он хотел проверить некоторые теоретические предположения, которые высказывал в своей научной работе, и приступил к самостоятельным исследованиям. Нельзя сказать, что это были такие уж сложные исследования. Важно было правильно сформулировать и поставить задачу. А потом, обобщив результаты экспериментов, попытаться увидеть закономерности и вывести обобщенное умозаключение. Кирхгоф исследовал, как течет ток через плоскую пластинку, как при этом распределяется электричество по участкам электрической цепи и какие правила позволят находить распределение токов в разветвляющихся проводниках.

Густав Роберт Кирхгоф (1824–1887)

Было бы неверным считать, что до него о подобных задачах никто не думал. Для некоторых частных случаев их решали Ом и Уитстон. Брались за эти проблемы и другие физики и по мере надобности делали выводы. Но в общем виде их не решал никто.

В 1845 году Кирхгоф написал, что «если через систему проволок, связанных между собой произвольным образом, проходят гальванические токи, то:

1. В случае если проволоки 1, 2… n сходятся в одной точке и токи, направленные к ней, считать положительными, то сумма всех токов будет равна нулю.

2. В случае же если проволоки 1, 2… n образуют замкнутую фигуру, то сумма произведения тока в каждой из них на собственное сопротивление проволоки должна быть равна сумме всех электровозбудительных сил на всем пути 1, 2… n».

Удивительно просто и абсолютно верно. А главное, что эти два правила в будущем, наряду с законом Ома, лягут в основу всей теории электрических цепей. Вот вам и студент!

Надо сказать, что его успехи были оценены должным образом. По окончании университета Кирхгоф получил очень редко предоставляемую стипендию для поездки во Францию.

Густав Роберт Кирхгоф родился 12 марта 1824 года в семье советника юстиции. Проявив уже в отрочестве незаурядные математические способности, он поступил в Кёнигсбергский университет и там сделал работу, с которой я начал рассказ о его законах.

Дальнейшая научная судьба Кирхгофа была вполне благополучной. Он показал себя знающим физиком и защитил докторскую диссертацию. Стал приват-доцентом Берлинского университета и членом Берлинского физического общества. После недолгой службы в Бреслау перешел в знаменитый Гейдельбергский университет ординарным профессором, где проработал более двадцати лет и сделал почти все свои важнейшие открытия. Там, в 1859 году, совместно с химиком Робертом Вильгельмом Бунзеном, он положил начало спектральному анализу. И это открытие принесло обоим мировую славу. Кирхгоф стал действительным членом Берлинской академии наук и членом-корреспондентом Петербургской академии наук.

Научные интересы Кирхгофа были чрезвычайно разнообразны. Он занимался электричеством и гидродинамикой, излучением, спектрами, спектральным анализом и вопросами упругости. В науку об электричестве он ввел понятие электрического потенциала и установил закономерности для электрического тока в разветвленных цепях. В пятьдесят пять лет Густав Роберт Кирхгоф возглавил кафедру математической физики в Берлине и написал обширный четырехтомный труд «Лекции по математической физике». Книга сыграла большую роль в развитии науки.

Можно добавить, что Кирхгоф был и неплохим преподавателем. Студенты любили его лекции, которые почти всегда сопровождались оригинальными экспериментами. Недаром среди его учеников немало выдающихся физиков.

Сегодня вряд ли найдется человек, не слыхавший имени Фарадея. О его открытиях написано много книг. Известны и основные этапы его жизненного пути: от ученика переплетчика к лаборанту, а затем ассистенту профессора Гемфри Дэви и, наконец, к члену Лондонского королевского общества, профессору и директору лаборатории Британского королевского института. И все-таки о жизни самого ученого сказать можно немногое. Внешне она была не очень примечательна. «Великие события, – как писал когда-то австрийский физик, профессор в Граце и Вене Людвиг Больцман по поводу «тихой» биографии Фарадея, – совершались исключительно в его голове». Вот, например, что писал в своих воспоминаниях известный французский химик Жан Батист Андре Дюма:

«Фарадей был среднего роста, жив, весел, глаз всегда наготове, движения быстры и уверенны: ловкость в искусстве экспериментирования невероятная. Точен, аккуратен, весь – преданность долгу… Он жил в своей лаборатории, среди своих инструментов; он отправлялся в нее утром и уходил вечером с точностью купца, проводящего день в своей конторе. Всю свою жизнь он посвятил постановке все новых и новых опытов, находя в большинстве случаев, что легче заставить говорить природу, чем ее разгадать.

Моральный тип, явившийся в лице Фарадея, поистине явление редкое. Его живость, веселость напоминают ирландца; его рефлектирующий ум, сила его логики напоминают шотландских философов; его упрямство напоминало англичанина, упорно преследующего свою цель…»

Майкл Фарадей (1791–1867)

Я не стану пересказывать биографию Фарадея, что потребовало бы многих страниц и явилось бы простым повторением книг, написанных ранее. Приведу лишь несколько фактов из его детства и юности. Фактов, сыгравших, как мне кажется, важную роль в жизни этого ученого, поучительных и в наши дни для тех, кто хотел бы заниматься наукой.

«Мое образование, – рассказывал Майкл Фарадей, – было самым заурядным и включало в себя начальные навыки чтения, письма и арифметики, полученные в обычной дневной школе. Свободное время я проводил дома и на улице». Когда Майклу исполнилось двенадцать лет, его школьные годы кончились. Так было принято в той среде, к которой принадлежал Фарадей. Вопросы образования вряд ли беспокоили его родителей. Не могли помочь в этом деле советами и дяди Майкла. Один из них был кровельщиком, другой – сапожником, третий – фермером, четвертый – мелким торговцем.

Неподалеку от дома Фарадеев в Лондоне находилась небольшая книжная лавка и переплетная мастерская Жоржа Рибо. Сюда и поступил учеником переплетчика Майкл.

Трудно сегодня сказать, когда именно и по какой причине юный подмастерье переплетчика заинтересовался содержанием книг, над которыми работал ножницами и клеем. Явление это не исключительное. Среди старых переплетчиков было немало книгочеев и знатоков книги. Но Фарадей, начав читать, вскоре оставил без внимания романы и описания путешествий – естественное «чтиво» для человека его возраста и образования. Больше всего его привлекали статьи из Британской энциклопедии с описаниями опытов и аппаратов для экспериментирования.

Однажды кто-то сдал в переплетную Рибо популярную книжку «Беседы по химии», написанную некой госпожой Марсе. Кажется, она была супругой врача. Книжка попала к Фарадею. Непритязательные опыты, описанные простым и доступным языком, возбудили воображение юноши. Самостоятельный характер и недоверчивость, свойственные возрасту, побудили проверить то, о чем говорилось в книге. Особенно важно это было сделать, когда результат описанного опыта выходил за рамки привычного ожидания. Здесь его мог убедить только факт. «Пожалуйста, не думайте, чтобы я был глубоким мыслителем или отличался ранним развитием, – писал он. – Верил столько же в «Тысячу и одну ночь», сколько в «Энциклопедию». Но факты были для меня важны, и это меня спасло. Факту я мог доверяться, но каждому утверждению я мог всегда противопоставить возражение. Так проверил я и книгу г-жи Марсе с теми небольшими опытами, на производство которых у меня были средства, после чего мне пришлось убедиться, что книга соответствует фактам, насколько я их понимал». Так оценивал сам Фарадей значение этой немудреной книжки в своей жизни.

Как важно вовремя найти и получить именно ту духовную поддержку, которой жаждет сердце. Открыть для себя то, что поможет перевести юношеский нигилизм в жажду познания, покажет роль Его Величества Факта и научит добывать факты самостоятельно. Проверить слова учителя на опыте почти равноценно собственному открытию. Это не значит, конечно, что каждый проделавший дюжину домашних экспериментов к тридцати пяти годам станет членом Королевского общества. Но то, что в будущем он более критично отнесется к чужому мнению, проявит независимость и самостоятельность убеждений, – на это, пожалуй, надеяться можно.

Майкл Фарадей не был исключительным ребенком. Живой и общительный, он отличался от других мальчиков его возраста, может быть, только несколько большей любознательностью, недоверчивостью к словам и упорством самостоятельного характера.

«Мой хозяин, – писал Фарадей, – позволял мне иногда посещать вечерние лекции физики, которые читал господин Татум в своем собственном доме. Я узнал об этих лекциях по объявлениям, вывешенным в окнах лавок, недалеко от его дома. Плата за вход была 1 шиллинг. Брат Роберт дарил мне деньги на лекции».

Фарадей побывал на лекциях блестящего исследователя и талантливого лектора, профессора химии Королевского института сэра Гемфри Дэви и остался в полном восторге от того, что увидел и услышал. К этому времени в его жизни наступила пора больших перемен. Срок ученичества в переплетной мастерской подошел к концу. Майкл перешел к другому хозяину, стал самостоятельным двадцатилетним рабочим парнем и должен был трудиться без всяких скидок и послаблений. Работа не оставляла ему времени на посторонние дела. И Майкл с тоской смотрел, как химические приборы и электрическая машина, сделанные его руками, покрываются пылью. Он уже не представлял себе жизни без экспериментов. Надо было что-то решать.

В переплетную часто заходил мистер Дэнс – член Королевского института. Это он снабдил Фарадея билетами на лекции Дэви. Наблюдая за тем, как мается молодой человек, Дэнс посоветовал обратиться с просьбой к профессору Дэви: не найдет ли тот для него работу в лаборатории? Майкл с радостью ухватился за эту идею. Для подкрепления своей просьбы и доказательства серьезности намерений Фарадей переписал начисто прослушанные им лекции Дэви, красиво переплел и приложил к письму. Потянулись дни ожидания. Может быть, важный сэр и не ответит на послание переплетчика, как не отвечали другие, раньше. Но вот однажды вечером Фарадея, который уже спал после работы, разбудил стук. Он вскочил с постели, отворил дверь и увидел лакея. Тот подал ему записку. Это было приглашение посетить сэра Гемфри на следующее утро.

Он предложил Майклу временно поработать у него переписчиком, а спустя некоторое время Фарадей стал его ассистентом.

В том же году, собираясь в Европу, Дэви позвал Майкла поехать с ним в качестве секретаря. Майкл согласился, хотя его несколько смущало, что на первых порах ему пришлось бы выполнять обязанности камердинера сэра Гемфри, поскольку старый слуга ехать отказался. Но в конце концов это были мелочи по сравнению с возможностями интересных встреч и множеством блестящих экспериментов, которые производил Дэви в лучших лабораториях Европы. Надо сказать, что, несмотря на мелкие неприятности, путешествие необыкновенно обогатило Майкла Фарадея, расширило его кругозор. Он познакомился со многими выдающимися представителями европейской науки и получил неплохую выучку как экспериментатор.

Фарадей в своей лаборатории в Лондоне

В Лондоне Фарадей некоторое время продолжал работать в лаборатории Дэви, а затем стал ассистентом профессора Бранда. Современники отмечали: «…он так покойно, ловко и скромно исполнял на лекциях свою работу, что лекции Бранда текли как по маслу». Именно к этому времени относится одно знаменательное событие в жизни Фарадея, сыгравшее большую роль в его дальнейшей деятельности.

Исследователи давно заметили, что пламя зажженного газа или даже обыкновенной свечи подчас начинает мигать в такт со звуком. Более того, в определенных условиях пламя само начинает звучать в тон музыке. Это явление долгое время оставалась необъясненным, пока профессор Август Деларив не дал ему своего теоретического объяснения. И вот, проверяя выводы Деларива, Фарадей рядом простых, но очень убедительных опытов доказал ошибочность его теории.

«Открытие ошибки в работе опытного исследователя, – пишет в своих воспоминаниях Джон Тиндаль, друг и сотрудник Фарадея, – составляет эпоху в жизни молодого ученого; и когда это обстоятельство, как в случае с Фарадеем, порождает уверенность в себе, оно неизбежно влечет за собою прекрасные последствия».

Фарадей поверил в себя. С этого момента его самостоятельные работы, анализы и исследования по оригинальности замысла и по виртуозности выполнения превосходят все, что делалось в Королевском институте. Его авторитет экспериментатора начинает беспокоить даже самого сэра Гемфри Дэви. Стареющий ученый испытывает невольное чувство зависти к успехам своего бывшего ассистента.

Можно предположить, что начало интереса Фарадея к исследованию электрических явлений положило загадочное «электромагнитное вращение», которое после Эрстеда наблюдали многие ученые. Все видели взаимодействие электрического тока с магнитной стрелкой. Но четкого объяснения явление не находило и весьма занимало умы ученых.

Однажды в лабораторию Дэви, бывшего в ту пору уже президентом Королевского общества, зашел вице-президент доктор Уильям Хайд Волластон. Его занимала мысль о способе превратить замеченное Эрстедом отклонение электрическим током магнитной стрелки в ее непрерывное вращение. Волластон полагал, что можно получить и обратное действие, то есть вращение проводника с током около магнита. Однако ни один из поставленных им опытов не привел пока к успеху.

Фарадей с интересом слушал беседу ученых и предложил подвесить иглу к магниту на чувствительном подвесе. Волластон высказал сомнение в успехе. А Дэви, как обычно, сказал: «Попробуйте…» И Фарадей стал пробовать.

Задача, поставленная Волластоном, оказалась труднее, чем думалось сначала. Но в конце концов Фарадей придумал идею эксперимента. Нужно было сделать конструкцию прибора, в котором ток проводника действовал бы только на один полюс магнита. Тогда силы взаимодействия заставят проволоку с током совершать вращательное движение.

Тем временем наступили рождественские каникулы. Джентльмены по традиции разъехались из Лондона. Фарадей остался едва ли не один в институте. Этим летом он женился на сестре своего приятеля и получил от администрации квартиру больше той, в которой жил раньше. Там у него был свой кабинет.

Рождение электродвигателя в лаборатории Фарадея

Утром первого рождественского дня после посещения церкви молодая чета вернулась домой. Сара направилась на кухню поколдовать над индейкой и пудингом, а Майкл остался в столовой протирать бокалы и накрывать на стол. Впрочем, он был чрезвычайно доволен, когда пришедший в гости кузен жены сменил его за этим занятием. Он тут же отправился к себе в кабинет. Там, на столе, на деревянной подставке с медным штативом был укреплен наполненный ртутью бокал, унесенный из хозяйства супруги. В нем лежал кусочек воска, в который был вставлен вертикально небольшой магнитный стержень. Один из его полюсов на полдюйма выдавался над поверхностью ртути. От шарнира в конце поперечины на штативе шел прямой медный проводник, достаточно длинный, чтобы погрузиться в ртуть тоже на полдюйма. Для придания плавучести проводник был проткнут сквозь пробку. Рядом с установкой стоял вольтов столб. Фарадей подключил один полюс батареи к сосуду с ртутью, а другой – к медному проводнику. Тот дрогнул и стал медленно вращаться вокруг полюса магнита.

Прекрасно, замысел Волластона наконец осуществился! Фарадей перевернул магнитный стержень и снова замкнул цепь. Проволока послушно стала крутиться в другую сторону.

– Сара! Роберт! Посмотрите, посмотрите! – закричал он.

Ни супруга Фарадея, ни ее кузен не знали физики. Но оба с затаенным дыханием смотрели, как по поверхности ртути, налитой в обычный бокал, без всяких усилий со стороны Майкла бесшумно вращалась тоненькая проволочка.

Вряд ли и сам Фарадей в ту минуту полностью осознавал все значение содеянного. Но он, безусловно, понимал, что впервые превратил электрическую энергию в механическую.

Не теряя ни минуты, рискуя съесть пережаренную индейку и пригоревший пудинг, он тут же написал сообщение о своем открытии и отослал его в редакцию. Скоро его сообщение в том виде и в той редакции, в какой написал его Фарадей, появилось на страницах журнала.

Чертеж Фарадея

Майкл Фарадей занимается то химией, то физикой, и везде ему сопутствует удача. В 1824 году наступил момент, когда он вплотную подошел к исполнению заветной мечты – вступлению в члены Лондонского королевского общества. Однако вступить в ряды этой почтенной организации Фарадею было не просто. Лишь после многих хлопот и волнений он получил рекомендацию. Текст ее гласил:

«М-р Майкл Фарадей, джентльмен, замечательно сведущий в химических науках, и автор нескольких статей, опубликованных в «Трудах Королевского общества», выражает желание стать членом общества; мы, нижеподписавшиеся, на основании личного знакомства рекомендуем его как человека, в высшей степени заслуживающего этой чести, человека, который, вероятно, станет полезным и ценным членом общества». Рекомендацию подписали более двадцати человек. Теперь Фарадей мог писать перед своим именем буквы «F. R. S.» – «член Королевского общества».

Майкл Фарадей поражал окружающих своей аккуратностью. Каждый опыт он подробно описывал в дневнике, рисовал схему и составлял выводы, которые удавалось сделать. Записав еще в 1822 году: «Превратить магнетизм в электричество», Майкл не раз возвращался к этой мысли, придумывал то один опыт, то другой. Каждое утро он в одно и то же время являлся в лабораторию. Его ассистент, отставной сержант артиллерии Андерсон, спрашивал: «Будем ли мы сегодня работать, мистер Фарадей?» – и, получив неизменно утвердительный ответ, отправлялся готовить инструменты и приборы.

Джон Тиндаль, многие годы друживший с Фарадеем, писал о качествах характера ученого: «Самым выдающимся из них была любовь к порядку. Самые запутанные и сложные вещи в его руках располагались гармонически. Кроме того, в прилежании к труду он выказывал немецкое упорство. Это была порывистая натура, но каждый импульс давал силу, не позволявшую ни шагу отступить назад. Если в минуты увлечения он решался на что-нибудь, то этому решению оставался верен и в минуты спокойствия». Наверное, потому, поставив однажды перед собой задачу «превратить магнетизм в электричество», он девять лет спустя все-таки ее решил.

Утром 29 августа 1831 года он, как и раньше, включил батарею в приготовленную Андерсоном катушку и зафиксировал толчок, который испытала стрелка гальванометра, включенного во вторичную обмотку. При выключении стрелка также дрогнула, но отклонилась в другую сторону. В чем тут дело?

Прибор для опыта Араго

Вместе с Андерсоном он тщательно проверил установку. Но никаких причин для странного поведения стрелки не обнаружил. Тогда он решил изменить условия опыта. Заменил батарею заряженной лейденской банкой. А обмотки Андерсон намотал на кольцо из мягкого железа. При наличии железного сердечника толчки стрелки стали гораздо сильнее. Фарадей снова и снова изменял условия экспериментов и постепенно пришел к определенному выводу. Причина наведения – индукции – тока во вторичной обмотке заключается в движении магнита. Именно в движении! Он бросился к дневнику: «Электрическая волна возникает только при движении магнита, а не в силу свойств, присущих ему в покое». Это было решение! Решение задачи, поставленной без малого десять лет назад. А железное кольцо с двумя обмотками явилось прообразом будущих трансформаторов, без которых вообще вся электрификация нашей эпохи вряд ли была бы возможна.

Между тем Фарадей форсировал работу в лаборатории. Его эксперименты становились удачнее, а результаты – понятнее. Он вспомнил опыт Доминика Араго, показанный в 1824 году, и глубоко задумался…

«Если вращать медный диск вблизи магнитной стрелки или магнита, подвешенного таким образом, что он может вращаться в плоскости, параллельной плоскости диска, то магнит стремится следовать движениям диска; при вращении магнита диск следует за его движением».

Записывая эти строчки в журнал своих «экспериментальных исследований», Фарадей уже прикидывал, какой практический выход может из него следовать. «Получив электричество из магнита вышеописанным образом, я полагал, – пишет он дальше, – что опыт г-на Араго может стать источником получения электричества, и надеялся, что путем использования электрической индукции земного магнетизма мне удастся сконструировать новую электрическую машину…»

Воодушевленный этим намерением, он вместе с помощником Андерсоном установил между полюсами большого магнита Королевского общества вращающийся медный диск. Соединил два скользящих контакта с гальванометром и велел отставному сержанту крутить ручку, заставляющую диск вращаться. Гальванометр показал наличие электрического тока. Фарадей был счастлив. Он создал прообраз первого в мире электрического генератора.

Фарадей прекрасно понимал значение сделанного им открытия. Он заключил, что, когда постоянный ток проходит по первичной обмотке, сама она, как и вторичная обмотка, приходит в особое «электротоническое» состояние.

Не удивляйтесь туманности терминологии. Эффект, наблюдаемый ученым, был ему вовсе не так ясен, как сегодня.

Девять лет спустя Фарадей на опыте убедился, что возбужденные и первичные токи имеют противоположные направления. И к тому же возникают они в виде короткого импульса. Сколько мучений доставили Майклу Фарадею попытки сформулировать общее правило для направления индуцированных токов! Но в конце концов он вывел два правила:

1. Гальванический ток вызывает в приближаемой к нему параллельной проволоке ток противоположного направления, а в удаляемой – ток того же направления.

2. Магнит вызывает в перемещающемся возле него проводнике ток, зависящий от направления, в котором проводник в своем движении пересекает магнитные линии.

С момента открытия Эрстедом влияния электрического тока на магнитную стрелку исследователей стала преследовать мысль: а нельзя ли решить и обратную задачу – превратить магнетизм в электричество? Во Франции над этой задачей ломали себе голову Ампер и Араго. В Швейцарии – профессор механики Женевской академии Жан Даниэль Колладон. В Америке – молодой физик Джозеф Генри, известный как создатель одного из самых сильных электромагнитов в мире. В Англии той же проблемой занимался Фарадей.

Сегодня, когда мы читаем, что крупнейшие ученые бились над тем, что так легко получается в школе на уроках физики, в душу проникает сначала недоумение, а потом может родиться и пренебрежение к тем, кто за постановку простого школьного опыта был удостоен звания великого ученого. Здесь имеет смысл объяснить, что в те времена поставить дюжину опытов вовсе не означало двенадцать раз взять необходимые приборы, катушки с проводом и магниты, составить нужную электрическую цепь и записать значения отклонений стрелок на приборах. А потом на основании известных законов рассказать, что в этой цепи происходит.

Во времена Фарадея все обстояло не так. Мало того, что экспериментатор должен был придумать сам опыт. У него не было никаких приборов. Их тоже предстояло изобрести. В лабораториях мира не существовало даже изолированной проволоки. И никто ни малейшего представления не имел о тех законах, по которым должно развиваться электрическое воздействие и реакция электрической цепи. Все это предстояло еще открыть.

Ампер первым предположил, а потом и доказал, что вокруг проводника с током образуется магнитное поле. Так он объяснил причину эффекта, обнаруженного Эрстедом. Исследователи сразу подумали: если постоянный ток в проводнике наводит постоянное магнитное поле, то почему бы постоянному магнитному полю не навести в проводнике постоянный ток? Надо только найти правильное расположение того и другого и подобрать достаточно сильный магнит.

Сегодня, пожалуй, каждый знает, что, будь это именно так, мы получили бы вечный двигатель, работающий без потребления энергии, что абсурдно.

Опыт, демонстрирующий явление магнитной индукции

Установить же в наши дни, кто первым заметил эффект наведения тока в проводнике магнитным полем, довольно трудно. Рассказывают, что швейцарский профессор Колладон, намотав на один каркас две обмотки и включив во вторую гальванометр, заметил, что стрелка прибора дергается при включении в первичную обмотку электрической батареи. «Может быть, что-то трясет прибор?» – подумал Колладон и… отнес гальванометр в другую комнату. Теперь, замкнув рубильник, он вынужден был ходить из одного помещения в другое. И когда доходил до прибора, стрелка всегда стояла на нуле.

Некоторые историки науки уверяют, что американец Джозеф Генри первым заметил, как при движении магнита возле проводника в проволоке появляется электрический ток. Он даже собирался написать об обнаруженном явлении статью. Да все откладывал, поскольку именно в это время вел переговоры с Принстонским колледжем, где собирался занять место профессора физики. И упустил время. В Америку пришел журнал со статьей Фарадея. Тем не менее Джозеф Генри был, бесспорно, очень способным исследователем. Год спустя он открыл явление самоиндукции и экстратоки. Сделал и несколько интересных исследований разряда конденсаторов.

Возвратившись 26 июля 1832 года после выходных в Лондон, Фарадей нашел в почтовом ящике письмо. Открыв конверт, ученый посмотрел на подпись. Там стояли лишь две буквы: «Р. М.». Ну что же, он не раз получал послания от незнакомых людей. И Фарадей углубился в чтение.

«Сэр! – писал неизвестный. – Прочитав в отчетах института Ваш интересный доклад о магнетизме, я сделал попытку провести эксперимент, который удался мне сверх моих ожиданий, и я думаю, что если его провести в более широком масштабе, то он дал бы много интересного.» Дальше анонимный экспериментатор описывал техническую модель магнитоэлектрической машины переменного тока, с помощью которой ему удалось получать искры и разложить воду на кислород и водород.

Фарадей был поражен. Основные принципы машины были абсолютно правильны, а ее конструкция настолько продуманной, что становилось ясно: автор письма, видимо, не только знающий человек, но и недюжинный конструктор. Уже на следующий день ученый отправил полученное письмо в редакцию журнала, сопроводив его собственной припиской:

«Джентльмены! – писал Фарадей. – Вчера по возвращении в город я нашел закрытое письмо. Оно анонимное, и я не имею возможности назвать его автора. Осмелюсь думать, что лицо, написавшее письмо, ничего не имеет против его опубликования; со своей стороны я не хотел бы быть исключительным обладателем этого анонимного научного сообщения из опасения, чтобы в свое время, в будущем, из этого не возникло недоразумения касательно даты сообщения. Однако, если вы опубликуете письмо, то соблаговолите передать от меня благодарность его автору.

Примите и пр., М. Фарадей Королевский институт 27 июля 1832 г.».

Оба письма были опубликованы вместе. И вскоре уже в издательство пришло письмо, подписанное все теми же инициалами «Р. М.». В нем выражалась благодарность Фарадею и содержались предложения по совершенствованию первоначальной модели.

Судя по рисунку и описанию «Р. М.» все его мысли имели удивительно правильное направление. Но кто же был конструктором и таинственным автором писем?..

Всякая тайна привлекает к себе внимание людей. И загадка имени «Р. М.» отчасти также послужила тому, что проблемой создания магнитоэлектрической машины заинтересовалось большее количество изобретателей и ученых.

Модель усовершенствованного генератора «Р. М.»

Магнитоэлектрическая машина Пикси

В том же 1832 году в Падуе профессор физики и механики местного университета построил магнитоэлектрическую машину переменного тока, основанную на принципе возвратно-поступательного движения. Он предполагал, что подобное устройство «может сделаться подходящим взрывным аппаратом», поскольку ему «удавалось извлекать из него изрядные электрические искры». Были предложены и другие, схожие конструкции, однако возвратно-поступательный принцип поршня паровой машины распространения не получил. Первенство осталось за вращающимся якорем.

Общим «недостатком» предложенных генераторов считалось то, что они дают переменный ток, тогда как для современного практического применения, как-то телеграфии, электрохимии и первых двигателей, ток нужен был постоянный. Поэтому когда два французских изобретателя, братья Пикси, в том же 1832 году применили так называемое «коромысло Ампера» для превращения переменного тока в пульсирующий, но постоянного направления, их предложение удостоилось двух заседаний Парижской академии наук.

Машина Пикси поражала современников своими размерами – один только подковообразный магнит ее весил около ста килограммов. Имела она и приспособление для выпрямления тока.

Некоторые историки считают, что, несмотря на свою кажущуюся примитивность, конструкция Пикси является прообразом вообще всех будущих динамо-машин, то есть устройств, которые служат для превращения механической энергии (энергии движения) в энергию электрическую.

Схема устройства первых генераторов

Похожую в принципе машину сконструировал в Лондоне профессор Уильям Риччи. И вообще с этого момента началась работа многих изобретателей над созданием магнитоэлектрических генераторов, в которых генерация тока происходила либо за счет движения катушек в поле постоянных магнитов, либо, наоборот, – перемещения магнитов относительно неподвижно установленных катушек.

Все первые машины были уникальными конструкциями. Каждый изобретатель старался внести в них что-то свое, что-то новое. Да и возможностей для этого поначалу было предостаточно. Однако со временем сумма технических знаний, необходимых для постройки телеграфа, гальванотехнических устройств, электрогенераторов и первых ламп дугового освещения, начала складываться в особую отрасль – электротехнику. Она быстро обрастала новыми открытиями и законами, превращаясь в техническую науку.

Постепенно изобретатели перешли от вращения тяжелых магнитов к неподвижному их закреплению, а вращать стали более легкие катушки. Но все это до начала сороковых годов были лишь лабораторные модели. Первый магнитоэлектрический генератор, пригодный для практического использования, предложил в 1842 году Борис Семенович Якоби. Он назвал его «магнитоэлектрической батареей» и предполагал использовать для дистанционного воспламенения минных запалов. Есть сведения, что такими «машинками» были оснащены несколько «гальванических команд» русской армии.

Магнитоэлектрическая батарея Б. С. Якоби

Изобретатели, естественно, искали те направления, где магнитоэлектрические генераторы могли бы быть использованы на практике. Но любая техника требовала повышения мощности, получаемой от машины. Наиболее простым способом для этого являлось наращивание количества постоянных магнитов. И вот в Париже организовалась «Компания Альянс», которая специализировалась на выпуске магнитоэлектрических генераторов для питания дуговых ламп на маяках. На массивной чугунной станине в несколько рядов неподвижно укреплялись подковообразные магниты, между которыми на вращающихся дисках были укреплены катушки-якоря. Для привода каждого такого генератора требовалась паровая машина мощностью до десяти лошадиных сил. Опыт эксплуатации французских машин показал те недостатки, которые были присущи магнитоэлектрическим машинам вообще. Тут и сильный нагрев катушек, из-за которого нарушалась изоляция провода, и то, что машины были громоздкими, тяжелыми и дорогими, а постоянные магниты быстро размагничивались.

Конечно, Фарадей занимался не только опытами. Он много работал, но умел со вкусом и отдыхать, время от времени отправляясь с женой по традиции в Бат или Брайтон на модные курорты.

«Он не любил светского общества, но театр привлекал его и приводил в лихорадочное опьянение, – пишет французский физик Дюма. – Закат солнца в деревне, буря на морском берегу, альпийские туманы возбуждали в нем живейшие ощущения; он понимал их, как художник, бывал взволнован, как поэт, или анализировал их, как ученый. Взгляд, слово, жест – все выдавало в таких случаях тесную связь его души с душой природы».

Машина французской компании «Альянс»

Фарадей был чужд зависти и самомнения, нередко встречавшихся в среде ученых. Не получив систематического образования, он всю жизнь стремился к самосовершенствованию. И «его совершенство, – как говорил тот же Дюма, – которое, как я думал, было у него врожденным, было плодом постоянного самонаблюдения и непреклонной душевной твердости». Когда его назначили директором лаборатории в Королевском институте и ему, как профессору, предстояло читать лекции, Фарадей целый год учился ораторскому искусству, учился четко и ясно излагать свои мысли. Он просил друзей указывать ему на неточности и ошибки, которые допускал на лекции. А его ассистент обязан был не только следить за ходом его изложения, но и время от времени класть на кафедру перед ним картонки с надписью «Помедленнее», если он начинал торопиться, или «Заканчивайте», когда он увлекался. «Зачем столько подготовки к тому, чего лучше вас не знает никто из слушателей?» – спрашивали его. «Мало самому знать, – кротко отвечал Фарадей, – нужно уметь передать свои знания другим».

Фарадей любил читать лекции. Для детей он вел рождественский цикл, рассказывал о химии, физике, об электричестве и о теплоте. Его книжка «История свечи» – непревзойденный шедевр научно-популярной литературы. Именно при Фарадее рождественские лекции для детей в Королевском институте стали традицией. Ученый рассказывал о простых вещах: о свече и лампе, о печной трубе и о золе. Может быть, в этом и заключался их успех? Ведь это так важно: определить, что именно должно быть интересно человеку в его возрасте, сегодня, и что будет ему впору понять и усвоить завтра.

В последние годы жизни память Фарадея стала ослабевать, острый ум притуплялся. Он сам обнаружил у себя признаки подступившей старости и постепенно отказался от всех занимаемых должностей. Он отклонил предложение королевского двора о возведении его в рыцарское достоинство и дважды отказывался от высокой чести стать президентом Королевского общества.

В пятницу 20 июня 1862 года Фарадей на середине прервал свою лекцию в Королевском институте. Он внимательно вгляделся в зал и неожиданно поделился со слушателями мыслью о том, что, пожалуй, слишком долго находится здесь… Присутствовавшие поднялись и долго аплодировали старому ученому. Больше Фарадей не читал, не входил в лекционный зал и не поднимался на кафедру. Дома в дневнике он так объяснил причину своего ухода: «Здесь я провел счастливые годы, но настало время уйти из-за потери памяти и усталости мозга. Причины: 1) колебания и неопределенность в доказательствах, на которых лектор должен настаивать; 2) неспособность извлечь из памяти ранее накопленные сокровища знаний; 3) тускнеют и забываются прежние представления о своих правах, чувстве собственного достоинства и самоуважения; 4) сильная потребность поступать справедливо по отношению к другим и неспособность сделать это. Удалиться».

Какую силу духа и стойкость надо было иметь для такого вывода и поступка! Фарадею было в то время семьдесят лет.

«Ученый должен быть человеком, который выслушивает любое предположение, но определяет его справедливость сам. Внешние признаки явлений не должны связывать суждений ученого, у него не должно быть излюбленной гипотезы, он обязан быть вне школ и не иметь авторитетов. Относиться почтительно он должен не к личностям, а к предметам. Истина должна быть главной целью его исследований. Если к этим качествам еще добавится трудолюбие, то он может надеяться приподнять завесу в храме природы», – писал Майкл Фарадей.

Эти слова Альберта Эйнштейна относятся к Джеймсу Клерку Максвеллу, гениальному ученому, создавшему теорию электродинамики.

В середине XIX столетия наука об электромагнетизме пребывала в довольно путаном состоянии. По-прежнему в представлениях о природе электричества и магнетизма существовали предположения о двух видах неких невесомых жидкостей, подчиняющихся, подобно силам тяготения в ньютоновой философии, принципу дальнодействия. Если каждая масса оказывала мгновенное действие через пустое пространство на другую массу, то как же надо смотреть на электрические и магнитные тела? Ведь закон Кулона по своему виду – аналогия закона Ньютона…

Ампер построил свою математическую теорию электродинамики, приняв ньютоновскую концепцию. И все было хорошо. Правда, кое у кого временами возникали некоторые недоумения, ну хотя бы по такому поводу: известно, что электрический ток может идти только по замкнутому пути. Между тем математические выражения для взаимодействующих токов в теории Ампера выводились для изолированных и незамкнутых элементов токов.

Или наивный вопрос Фарадея: почему железные опилки выстраиваются между полюсами магнитов по неким линиям сил?

Согласно принципу дальнодействия, сила притяжения магнита – это просто свойство материи. Притяжение магнита, как и всемирное тяготение, должно было мгновенно преодолевать любое расстояние. Но почему же тогда образуются силовые линии между магнитными полюсами? Ведь они явно показывают, что пространство между полюсами не есть пустота, через которую мгновенно распространяется сила притяжения… Поневоле напрашивалось сомнение: может быть, для магнита неверен сам принцип дальнодействия?.. Если согласиться с этим, все становится на свои места. Невесомая магнитная жидкость действует в пространстве между полюсами, выстраивая железные опилки от одной к другой по пути, заданному средой. Сторонники дальнодействия возражали: какая среда может быть в пустоте? Силовые линии – это просто направления равнодействующих магнитных сил в пространстве.

Ученых, несогласных с новой постановкой вопроса, было много. И среди них – очень авторитетные исследователи. Силовые линии Фарадея, не владеющего математическим языком, были, конечно, наглядны. Но их грубый качественный материализм отталкивал сторонников сложной, но тонкой и изящной математики Ампера.

Спор становился сложнее, когда возникал другой вопрос: почему одни и те же пластины, разделенные диэлектриком (сегодня мы назвали бы их конденсатором), заряжаемые от одной и той же электрической машины, накапливают разный заряд при разных диэлектриках?.. Разве это не означает, что в промежутке между пластинами, в диэлектрике, в том числе и в вакууме, происходит некое смещение?

«О каком токе смещения в пустоте может идти речь?» – возражали оппоненты. Теоретики писали новые уравнения, громоздили сложные формулы друг на друга… Но в результате, когда речь заходила о промежуточной среде, оказывались в тупике. Получалось, что для объяснения накапливающихся противоречий нужен был новый физический подход к наблюдаемым явлениям, возможно, – новая модель среды или пространства, в котором действуют магнитные силы.

Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879)

Молодой профессор Маришаль-колледжа в шотландском городе Абердине, Джеймс Клерк Максвелл, тоже не мог принять грубые железные опилки Фарадея за материальные аналогии линий сил, заполнявших пространство. Ему больше импонировала гипотеза о том, что они лишь указывают направление, по которому среда испытывает определенное напряжение.

Напряжение же это создается, как позже предположил Максвелл, токами смещения. Ведь уже Ампер, говоря о том, что каждый ток в проводе порождает вокруг себя магнитные силы, фактически уходил от понятия пустого «ничто» и от принципа дальнодействия, хотя и не признавал этого…

И Максвелл решительно порывает с дальнодействием. Он задумывает так описать математически линии магнитных сил, чтобы это не противоречило основным электромагнитным идеям. В 1857 году в «Трудах Кембриджского философского общества» появляется его статья «О фарадеевских линиях сил» – 56 страниц математики. Максвелл разослал свою статью по списку всем британским физикам, занимающимся вопросами электродинамики. Однако надо признать, что эта работа, по сути, – программа его исследований в области электричества на всю жизнь, особого внимания не привлекла. Разве что друг семьи и старший коллега Максвелла профессор Уильям Томсон (будущий лорд Кельвин) поздравил его с успехом. Большинство же коллег, признавая за автором виртуозное владение математическими методами, недоумевали. «Почему бы профессору Максвеллу, – говорили они, – не применить свои математические способности для уточнения и совершенствования уже существующей теории? Чего ради он бьется над измышлениями бывшего переплетчика, не владеющего языком науки?» (Так, несмотря на признание, кое-кто из снобов от науки называл Фарадея.) Но Максвелл и не надеялся особенно на отзывы. И тем больше была его радость, когда почтальон принес ему письмо от самого Фарадея. Старый ученый благодарил молодого коллегу за его работу, добавив в конце послания: «Я поначалу испугался, увидев, какая мощная сила математики приложена к предмету, а затем удивился тому, насколько хорошо предмет ее выдержал.» Фарадей прислал Максвеллу и свою статью, из которой тот понял, что мэтр сам не полностью уверен в идее близкодействия. Его силовые линии не подходили для описания природы тяготения. Неясной была и скорость распространения «электротонического состояния», как называл Фарадей магнитное поле.

В ответном письме Максвелл писал:

«Дорогой сэр. Сейчас, насколько мне известно, Вы являетесь первым человеком, у которого возникла идея о том, что тела действуют друг на друга на расстоянии посредством обращения окружающей среды в состоянии напряжения, идея, в которую действительно следует поверить. У нас были когда-то потоки крючочков, летающих вокруг магнитов, и даже картинки, на которых изображены окруженные ими магниты; но нет ничего более ясного, чем Ваше описание всех источников силы, поддерживающих состояние энергии во всем, что их окружает, состояние, усилением или ослаблением которого можно измерить проделанную в системе работу. Мне кажется, что Вы ясно видите, как силовые линии огибают препятствия, гонят всплески напряжения в проводниках, сворачивают вдоль определенных направлений в кристаллах и несут с собой везде все то же самое количество способности к притяжению, распределенной более разреженно или густо, в зависимости от того, расширяются эти линии или сжимаются. Но когда мы встречаемся лицом к лицу с вопросом о гравитации. имеет ли она какое-нибудь отношение к электричеству? Или она покоится в самых глубинных фундаментах материи, массы или инерции? – тогда мы ощущаем необходимость экспериментов.

Я только попытался сейчас показать Вам, почему я не считаю гравитацию опасным объектом в смысле применения Ваших методов. Вполне возможно и на нее пролить свет, воплощая те же идеи, которые математически выражаются функциями Лапласа и сэра В. Р. Гамильтона в планетарной теории.

Искренне Ваш Джеймс Клерк Максвелл».

Фарадей был благодарен молодому математику за его слова, поскольку мало кто из окружающих понимал и принимал его идеи. Он тут же ответил: «Профессор Фарадей – проф. Максвеллу. Альбермарл-стрит, Лондон, 13 ноября 1857.

…Ваше письмо для меня – это первый обмен мнениями о проблеме с человеком Вашего образа мышления. Оно очень полезно для меня, и я буду снова и снова перечитывать его и размышлять над ним.

Есть одна вещь, о которой я хотел бы Вас спросить. Когда математик, занятый исследованием физических действий и их результатов, приходит к своим заключениям, не могут ли они быть выражены общепонятным языком так же полно, ясно и определенно, как и посредством математических формул?

Я думаю, что это так и должно быть, потому что я всегда обнаруживал, что Вы могли донести до меня абсолютно ясную идею Ваших выводов, которые даже без понимания шагов Вашего математического процесса дают мне результаты не выше и не ниже правды, причем настолько ясные в своей основе, что я могу над ними думать и с ними работать».

Максвелл понимал, что для пояснения его математических описаний он должен придумать некую наглядную модель окружающей среды, которая способна приходить в «электротоническое состояние» и передавать свое воздействие на расстояние по линиям сил. Он пишет еще несколько статей и в конце концов приходит к созданию модели. Среда, в которой распространялись магнитные силовые линии, представлялась ему как совокупность множества крохотных вихревых токов, непрерывно вращающихся в одном направлении. Они и создавали магнитное поле.

Механический аналог среды состоял из вращающихся шестеренок, аналогичных вихревым молекулярным токам, с промежуточными сателлитами.

Вихревые токи Максвелла довольно долго не находили сторонников. Даже Фарадей сомневался в их правомерности.

Но условная «грубая» модель Максвелла демонстрировала электрическое притяжение и отталкивание, убедительно показывала, что магнитное поле должно действовать перпендикулярно движению тока. Более того, она требовала, с изменением электрических сил, появления магнитного поля, то есть явления, симметричного индукции, открытой Фарадеем.

Разумеется, Максвелл не считал свою модель реальным отражением действительности. В одной из статей он писал, что модель ему была нужна только для того, чтобы «вывести математические соотношения между электротоническим состоянием, магнетизмом, электрическими токами и электродвижущей силой, используя механические иллюстрации для того, чтобы помочь воображению, но не в качестве объяснения явлений».

Механическая модель Максвелла для объяснения электромагнитных явлений

К этому времени постепенно к Максвеллу приходит признание. В 1860 году он из провинциального Абердина по конкурсу переходит в Кингс-колледж Лондонского университета на кафедру натуральной философии (сегодня мы сказали бы – на кафедру физики). Он занимается не только электродинамикой. Максвелл исследует свет, пишет прекрасную работу «Теория трех основных цветов» и в 1861 году демонстрирует в Королевском институте результаты своих опытов. За эти работы ему присуждают почетную медаль Румфорда.

В том же году, за неделю до своего тридцатилетия, Джеймс Клерк Максвелл не без волнения надевает мантию члена Лондонского королевского общества.

В то же время его математическая теория среды, пронизанной электрическими и магнитными силами (не будем забывать, что Максвелл был физиком-теоретиком и блестящим математиком), открывала ему все новые свои стороны. Так получалось, что попеременное возникновение электрического и магнитного поля в среде должно описываться волновыми уравнениями. А это очень близко соприкасалось с его исследованиями световых явлений.

В октябре 1861 года он писал Фарадею, что если свет действительно является волновым процессом, то многие его свойства и оптические явления можно и объяснить по-новому. А это могло бы значительно облегчить расчеты и создание оптических приборов…

В 1864 году Максвелл выпускает в свет последнюю из трех основных статей по электромагнетизму – «Динамическая теория электромагнитного поля». В ней он уже уверенно пишет, что изменение электрического поля вызывает в окружающей среде токи смещения, которые, в свою очередь, порождают магнитное поле. Таким образом, он вводит в научный обиход термин «электрическое и магнитное поле».

В 1866–1870 годах Максвелл завершает свои основные теоретические исследования по теории электромагнитного поля. Его уравнения легли в основу электромагнитной теории света – величайшего открытия в физике. Фактически Максвеллу удалось объединить две разнородные области науки – электричество и свет – в одну и подарить человечеству, кроме известного с древнейших времен вещества, новый вид материи – электромагнитное поле.

В марте 1871 года его назначили профессором кафедры экспериментальной физики в Кембридже, а через два года из печати вышел главный труд Максвелла «Трактат об электричестве и магнетизме». Автор вложил в него все, что знал, что передумал и к чему пришел за годы работы над электромагнитной теорией.

Правда, многие были разочарованы. Работа Максвелла оказалась чрезвычайно трудной для восприятия. Стиль его изложения был сложным, а уравнения, ради которых все было задумано, тонули в промежуточных выкладках и дополнительном материале.

Позже Генрих Герц и Оливер Хэвисайд «очистили» их и из двенадцати уравнений оставили только четыре.

Однако и по сей день в электродинамике нет ни одного явления, которое бы противоречило или не укладывалось в эту систему из четырех равенств. Вряд ли имеет смысл писать их математические выражения. Читатель легко найдет их в любом учебнике по электродинамике. А вот физический смысл, возможно, стоит напомнить. Наиболее просто и лаконично он описан в книге В. П. Карцева «Максвелл» (М.: Мол. гвардия, 1974).

«Первое уравнение означает, что электрическое поле образуется зарядами, и силовые линии этого поля начинаются и кончаются на зарядах.

Второе уравнение постулирует замкнутость магнитных силовых линий, отсутствие свободных магнитных зарядов. Магнитные силовые линии нигде не начинаются, нигде не кончаются – они замкнуты.

Третье уравнение говорит о том, что магнитное поле создается током, включающим в себя открытый Максвеллом ток смещения. Это обобщение и дополнение всей электродинамики Ампера.

Четвертое уравнение отражает закон электромагнитной индукции Фарадея – возникновение электрического поля за счет изменения индукции магнитного поля. Любые изменения магнитного поля

Время законов приводят в соответствии с этим уравнением к возникновению в пространстве особого вихревого электрического поля.

Два последних уравнения привели Максвелла к представлению существования электромагнитных волн. Вокруг магнитных силовых линий возникают тут же электрические силовые линии, вокруг которых, в свою очередь, создаются магнитные, – и за счет этого в пространстве от точки к точке передается электрическое возбуждение».

Джеймс Клерк Максвелл прожил всего сорок восемь лет. 5 ноября 1879 года в Кембридже, в доме на Скруп-Террас, его не стало. Но сколько бы ни прошло лет, имя великого ученого всегда будут произносить с благоговением.

Познакомившись с работами Фарадея, многие исследователи занялись конструированием электродвигателей. Сначала это были модели, совершающие возвратно-поступательное движение, как в паровой машине, затем появились малоперспективные двигатели с качающимися якорями. Ни для кого не секрет, что главными промышленными процессами, распространенными в мире, являются процессы механические. А следовательно, задача обратного превращения электрической энергии в механическую была весьма актуальной. Именно ее решение могло вывести электричество из стен лабораторий и превратить из физической забавы в подлинную и столь необходимую человечеству силу. Для этого требовалось совсем «немногое» – изобрести электрический двигатель. Для промышленного использования электродвигателя в различных станках и механизмах желательно было получить вращательное движение якоря.

Летом 1839 года праздношатающиеся гуляки облепили набережную Невы, ибо узрели чудо. От Петропавловской крепости удалялась двенадцативесельная шлюпка с единственным пассажиром. На корме сидел плотный невысокий господин в цивильном костюме. Тонкие губы крепко сжаты, брови насуплены. Несколько дружных гребков – и шлюпка на середине реки. По команде матросы осушили весла. Пассажир, сказав несколько слов с сильным немецким акцентом, нагнулся и стал колдовать над ящиком, уставленным стеклянными банками, от которых тянулись толстые провода к машине, соединенной с большими колесами, наподобие мельничных, спущенными с бортов в воду. Шлюпку уже изрядно снесло течением, когда под руками пассажира раздался негромкий треск и колеса завертелись. Повернувшись носом против течения, шлюпка пошла, разрезая свинцовую невскую волну. Пошла сама, против течения!..

Борис Семенович Якоби (1801–1874)

Так состоялось первое в мире практическое испытание электрического двигателя, который был сконструирован и построен в России и питался от батареи гальванических элементов Грове. Изобретателем двигателя и был тот самый господин на корме. Звали его Борисом Семеновичем Якоби.

Идею российского изобретателя сразу же подхватили многие зарубежные электротехники.

Исследователи обычно разбивают весь путь технической эволюции электродвигателя на несколько этапов. Самый первый – от опыта Фарадея в 1822 году и до практического образца «магнитной машины» Якоби, так описанного изобретателем в «Известиях Парижской академии наук»: «В мае 1834 года я построил свой первый магнитный аппарат, дающий постоянное круговое движение…» Первый электродвигатель состоял из двух наборов стержневых электромагнитов. Один из них неподвижно закреплялся на доске двигателя, другой – на противоположной раме, которая могла вращаться. Для питания электромагнитов использовалась батарея гальванических элементов. А для изменения полярности подвижных электромагнитов был предложен коммутатор. Казалось бы, коммутатор – небольшая и не главная деталь двигателя. Между тем он представлял собой глубоко продуманную конструкцию из четырех разрезанных металлических колец, изолированных от машины и установленных на валу ротора. По кольцам скользил рычажок, к которому подводился ток от батареи. За один оборот вала направление тока в катушках электромагнитов восемь раз менялось, соответственно менялась и полярность электромагнитов. И они поочередно то притягивались, то отталкивались от неподвижных магнитов статора, установленных на деревянной раме.

Мощность первого двигателя была, конечно, ничтожной. Но через четыре года напряженного труда Якоби создал другой, который можно было уже испытать в деле.

Первый электродвигатель Б. С. Якоби

В 1837 году изобретателю был предоставлен бот, рассчитанный на десять гребцов. На нем и установили двигатель. Это и был тот первый опыт, с которого начался наш рассказ.

Мориц Герман Якоби родился в Потсдаме в 1801 году и учился в Геттингенском университете по специальности архитектура. В 1835 году Якоби переехал в Россию на должность профессора гражданской архитектуры в Дерптском (ныне Тартуском) университете. Однако герра профессора более архитектуры привлекали изыскания в области «приложения электромагнетизма к движению машин». И потому, он не колеблясь, принял предложение Петербургской академии наук и был прикомандирован к комиссии для «исследования электромагнитных притяжений и законов намагничивания железа».

Якоби сразу и навсегда связал свою судьбу с Россией. Он сменил подданство, принял более привычное для русского слуха имя Бориса Семеновича и женился на русской – Александре Григорьевне Кохановской. Тридцать девять лет оставшейся жизни отдал Якоби служению России, считая ее вторым отечеством, «будучи связанным с нею не только долгом подданства и тесными узами семьи, но и личными чувствами гражданина». Так писал он, отвечая на неизбежные вопросы со стороны властей к натурализовавшемуся иностранцу.

В России Якоби встретился с Эмилием Ленцем. Это был счастливый случай в жизни обоих.

Эмилий Христианович Ленц (1804–1865)

Генрих Фридрих Эмиль Ленц, или Эмилий Христианович Ленц, как его называли позже в Петербурге, родился в 1804 году в городе Дерпте (ныне Тарту). Шестнадцати лет он поступил в Дерптский университет, но учебу не закончил, поскольку в 1823 году был приглашен принять участие в кругосветной экспедиции на шлюпе «Предприятие» под командованием капитан-лейтенанта Отто Евстафьевича Коцебу. Экспедиция вначале предназначалась для «открытий», но перед самым отправлением Коцебу получил приказание доставить на Камчатку разные грузы, а затем приступить к охране североамериканских российских берегов.

За время путешествия Ленц сумел сделать ряд важных географических исследований, за которые по возвращении получил степень доктора в Гейдельбергском университете. После чего стал преподавать физику в петербургских военных училищах. Уже через год Эмилия Ленца избрали адъюнктом Петербургской академии наук, и он принял предложение участвовать в новой экспедиции, на этот раз на Кавказ «для магнитных, термометрических, барометрических и геогностических наблюдений и исследований в окрестности Эльбруса». Затем вместе с астрономом Карлом Христофоровичем Кнорре, директором Николаевской обсерватории, производил геофизические наблюдения на берегу Каспийского моря.

В 1830 году Ленц опубликовал результаты своих исследований и отчет о работах во время путешествия. Решением академического совета он был назначен экстраординарным академиком и директором физического кабинета при Академии наук. Здесь он и познакомился с Борисом Семеновичем Якоби. К этому времени относится начало работ Ленца в области электричества и магнетизма.

Общность научных интересов сблизила его с Якоби, связав ученых на всю жизнь тесной дружбой. Они бок о бок трудились в новой, развивающейся области науки об электричестве. Ленц был, как сказали бы мы сегодня, теоретиком. Якоби – экспериментатором и очень изобретательным человеком.

Вместе с Якоби Ленц установил, что любая магнитоэлектрическая машина, которая служит для производства электрического тока, может быть использована в качестве электродвигателя, если через ее якорь, или «арматуру», как тогда говорили, пропускать ток от постороннего источника.

Схема электрической машины Пачинотти-Грамма

Малый двигатель Сименса и Гальске

Первые идеи устройства электродвигателя изложил сам Якоби. Он писал: «…Я не мог сначала отрешиться от идеи получить возвратно-поступательное движение, производимое последовательным притягивающим и отталкивающим действием магнитных стержней, а затем уже превратить это возвратно-поступательное движение в постоянное круговое известным в технике способом…» То есть в основу будущего двигателя он положил сначала возвратно-поступательное движение поршня паровой машины. Идея такого движения отнюдь не плоха, она не умерла и в наше время в области так называемых линейных двигателей. Но подлинную техническую революцию в мире совершили, конечно, машины с вращательным движением якоря.

В 40-60-е годы XIX века, несмотря на то что инженеры для превращения электроэнергии в энергию механическую использовали более знакомые генераторы постоянного тока, изобретатели создали немало конструкций именно электродвигателей. Со временем в них стали появляться механические особенности в соответствии с назначением машин, отличающие их от генераторов.

Казалось бы, после такого блестящего начала, каким явилось испытание двигателя на Неве, от Якоби следовало ожидать дальнейшего совершенствования его двигателя. Тем более что слава о нем прокатилась по всей Европе. Однако, подробно описав конструкцию и принцип ее работы, Якоби проанализировал экономическую эффективность своего детища и… пришел к выводу о нецелесообразности его применения. Паровая машина пока что побеждала машину электрическую.

Тем не менее многие конструкторы занимались созданием различных электродвигателей.

Двигатель фирмы «Dentsche Elektricitatswerke»

В 1837 году американский техник Томас Девенпорт тоже построил электродвигатель с вращающимся якорем. Принцип действия его практически ничем не отличался от двигателя Якоби. Только на место неподвижных электромагнитов Девенпорт поставил постоянные магниты и сделал свою конструкцию более компактной. Построили электродвигатели французские конструкторы Пэдж и Штэрер… Нельзя не отметить конструкцию студента Пизанского университета Антонио Пачинотти. В 1860 году он предложил новый тип якоря с непрерывной обмоткой и коллектор, сохранившийся практически неизменным до настоящего времени. Четыре года спустя, став профессором физики Пизанского университета, Антонио Пачинотти придумал оригинальный электродвигатель с кольцевым зубчатым якорем и самостоятельно обнаружил явление обратимости электродвигателя в генератор. Но он не знал о возможности самовозбуждения и поставил на свою модель слабые постоянные магниты. И на его изобретение – кольцевой зубчатый якорь – особого внимания тогда никто не обратил. Сам же Пачинотти был человеком, далеким от предпринимательства.

Время Якоби и Ленца было сложным для науки об электричестве. Экспериментаторы накопили множество разнообразных сведений о явлениях, а объяснения им не находили. В ту пору большинство электромагнитных явлений объяснялось наличием «невесомых жидкостей». Так, тепловые явления кое-кто еще принимал за действие сомнительного «теплорода», способного переливаться из одного тела в другое, а проявление магнетизма и электрических сил – за действие «магнитной» и «электрической» жидкостей. При этом физиков все еще смущало то обстоятельство, что электричество можно было «добывать» механически – трением, а также при помощи гальванических элементов, то есть химическим путем. В 1821 году к существовавшим «видам электричества» добавилось еще и термоэлектричество, открытое Томасом Зеебеком. Затем Фарадей показал, что можно получать электричество индукционным способом.

Большой электродвигатель фирмы «Эрликон»

Многочисленные, плохо поставленные непрофессионалами опыты давали разноречивые результаты и приводили к неверным выводам. Так, одно время считалось, что к токам, полученным путем фарадеевской индукции, не применимы законы, выведенные для гальванических токов от химических элементов. В свою очередь, «гальванические явления» считались отличающимися от «истинно электрических», которые создавались трением и накапливались в лейденских банках. Возникало впечатление, что явления разных электрических сил обусловливаются разными причинами. Одни происходили от «электрического флюида» и «гальванической жидкости», другие – от «индукционной электрической жидкости». В условиях такой путаницы следовало прежде всего проникнуться идеей о единой природе и единых законах для любого электрического тока, подтвердив это экспериментами. Сделать это впервые удалось Ленцу.

Он заметил, что Фарадей дал два правила для одного и того же явления. «Сейчас же по прочтении статьи Фарадея, – писал ученый, – я пришел к мысли, что все опыты по электродинамической индукции могут быть легко сведены к законам электродинамических движений, так что если эти последние считать известными, то этим самым будут определены и первые. Мое представление оправдалось на ряде опытов».

Токарный станок с электродвигателем

И дальше Ленц формулирует свое правило: «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».

Сегодня это замечательное правило, сыгравшее огромную роль в истории электричества, формулируется проще: «Индукционный ток имеет такое направление, что его магнитное поле препятствует изменению того магнитного поля, которое вызвало появление индукционного тока».

«Тотчас же по просматривании мемуара Фарадея, – писал Ленц в докладе Петербургской академии наук 29 ноября 1833 года, – мне показалось, что все без исключения опыты электродинамического распространения (индукционных токов. – А. Т.) могут быть очень простым способом сведены обратно к законам электродинамических движений, так что ежели эти законы известны, то и все явления электродинамических распределений (индукционных токов. – А. Т.) могут быть выведены из них».

После убедительных экспериментов Ленц дал обобщенный закон индукции, о котором речь шла выше, то есть, размышляя о фи зической сущности исследованного явления, он пришел к обобщению: «Ежели мы хорошо уясним себе приведенный выше закон, то мы сможем вывести заключение, что каждому явлению движения под действием электромагнитных сил должен соответствовать определенный случай электромагнитной индукции». Выражаясь современным языком, можно сказать: каждому электромагнитному явлению соответствует определенное магнитоэлектрическое явление.

Электрический лифт

Многие достижения Ленца опережали время, и о них забывали. А через полвека – открывали вновь, называя краеугольными камнями нарождающейся электротехники.

Когда в 1831 году Фарадей открыл новое явление, которое мы сегодня называем электромагнитной индукцией, современники вполне оценили огромное значение открытия. Многие тут же включились в работу, черпая первые сведения из перепечатанных во многих журналах фарадеевских «Исследований по электричеству». Другие горестно сетовали по поводу того, что великий экспериментатор «на самую малость» опередил их собственные работы на ту же тему. Находились и такие, кто пытался представить себя соучастниками события… Между тем строгого понимания сути нового явления не было ни у кого. Даже сам Фарадей делил открытое им явление на два вида – на «магнитоэлектрическую» и «вольтаэлектрическую» индукцию. И для определения направления индуцируемого тока давал существенно разные правила в обоих случаях.

Я уже говорил, что многие ученые позволяли себе снисходительно относиться к теоретическим построениям своего английского коллеги. И потому многочисленные эпигоны, не открывая ничего нового, до бесконечности переиначивали формулировки Фарадея и давали свои, подчас совершенно неверные правила для токов.

Двойной эскалатор

Ленц подошел к актуальному вопросу со свойственной ему немецкой строгостью и пунктуальностью и вывел свое знаменитое правило, которое и сегодня наизусть заучивают школьники, а потом повторяют студенты электротехнических вузов.

Кроме работ по электромагнитной индукции Эмилий Христианович Ленц занимался еще множеством других исследований. Все его фундаментальные открытия и труды находились на самых главных направлениях развития молодой науки об электричестве.

Трудолюбие Ленца и разносторонность его интересов невероятны. Он был еще геофизиком и океанографом, университетским профессором и администратором, преподавал во множестве учебных заведений, являлся академиком и непрерывно вел научную работу. Он написал несколько учебников и руководств, которые пользовались большой популярностью и выдержали не одно издание. При этом Ленц никогда не искал выгоды, не наживался на своем таланте. Его лекции и учебники, его научная работа отличались замечательной ясностью и строгой систематичностью. Опыты его были всегда точны, результаты многократно проверены и убедительны. «Приемы, какие Ленц употреблял при своих опытах, – говорили о нем современники, – должны служить нормою для всех других подобных исследований».

Малый электродвигатель фирмы «Allgemeine Electricitats-Gesellschaft»

Он преподавал в Морском кадетском корпусе, в Михайловском артиллерийском училище, читал лекции в Главном педагогическом институте и возглавлял кафедру физики и физической географии в Петербургском университете. Везде вокруг Ленца теснились молодые люди – ученики и помощники. Все знали независимость его мнений и поступков от внешних влияний. За эти качества характера Эмилия Христиановича часто назначали в комиссии по разным щекотливым вопросам. Избранный сначала деканом физико-математического факультета, он был в 1863 году избран ректором университета. Но пробыл в этой должности недолго. Получив в 1864 году отпуск для лечения, Ленц уезжает за границу и 10 февраля 1865 года скоропостижно умирает в Риме.

Из школы Ленца вышли замечательные ученые, сыгравшие видную роль в развитии физической науки. А сам Эмилий Христианович Ленц в истории физики, в истории науки занимает видное место не только по своим научным результатам, но и по нравственному облику, являясь примером честного и беззаветного служения России.

В начале все двигатели получали питание от гальванических батарей. А поскольку химические источники тока обладали чрезвычайно малой энергоемкостью, то для практического двигателя требовалось их много. Например, на лодке Якоби было установлено триста двадцать цинково-медных элементов. Позже их удалось заменить шестьюдесятью четырьмя элементами Грове. Но и этого было, конечно, слишком много. Чтобы совершить промышленный переворот, нужны были более мощные источники тока.

Следующей задачей конструкторов стало изобретение достаточно мощных генераторов, способных обеспечить бесперебойную работу электродвигателей.

Сегодня кажется, что очень просто заменить постоянные магниты уже хорошо известными электромагнитами. Но так думаем мы в XXI веке.

Идею подобной машины примерно в одно и то же время выдвинули немецкий полковой врач Вильгельм Зинстеден, предложивший питать обмотки возбуждения от гальванической батареи, и, независимо от него, датский судебный чиновник Серено Хиорт, изобретатель-любитель. Датчанин, соединив генератор с самовозбуждением и электромагнитный двигатель, заявил, что так может получиться нечто вроде вечного двигателя. Его идею едва не подняли на смех. Еще в 1775 году Парижская академия наук постановила никогда не рассматривать проекты вечных двигателей, объявив их химерой.

Один из первых электрогенераторов с самовозбуждением

В 1856 году к возможности создать генератор с самовозбуждением пришел профессор Пештского университета и действительный член Венгерской академии наук Иштван Аньош Йёдлик. Через три года ему удалось построить действующую модель такого генератора. Но работа носила слишком академический характер да и была, возможно, несколько преждевременной.

Но само предложение построить генератор с электромагнитными обмотками звучало весьма заманчиво на фоне несовершенных постоянных магнитов. И проблема самовозбуждения привлекла внимание конструкторов.

В 1866 году в Манчестере был построен электрогенератор с электромагнитами, заменившими постоянные магниты. Обмотки самовозбуждения питались током от маленькой магнитоэлектрической машины.

Постепенно принцип самовозбуждения завоевывал изобретательскую мысль в разных странах. И чем больше изобретателей занимались конструированием этих машин, тем больше споров и судебных процессов разгоралось вокруг проблем приоритета.

Эрнст Вернер фон Сименс (1816–1892)

В середине XIX столетия в Германии заработало крупное электротехническое объединение, которое начинало с выпуска телеграфных аппаратов и немудреных деталей к ним, а затем, когда во главе предприятия встал талантливый изобретатель и предприниматель Эрнст Вернер фон Сименс, занялось изготовлением различного электротехнического оборудования.

Эрнст Вернер фон Сименс был старшим из четырех братьев-инженеров, внесших существенный вклад в новую отрасль электротехнической промышленности.

Эрнст получил образование в артиллерийской инженерной школе в Берлине и до 1849 года служил в германской армии. Именно там впервые проявилась его изобретательская жилка. И в двадцать пять лет Эрнст Вернер получил привилегию на способ гальванического золочения и серебрения. Для реализации изобретения он в компании с товарищем основывает в Берлине свой первый завод. Дела инженера-предпринимателя Эрнста Вернера фон Сименса пошли весьма успешно. В 1843 году Сименс отправляет двадцатилетнего брата Карла Вильгельма, также инженера, в Англию для организации там отделения берлинского предприятия. Затем к Карлу Сименсу присоединяются и остальные братья – Ганс и Фридрих, также получившие инженерное образование в Германии. Став со временем самостоятельными предпринимателями, все они отличались смелой изобретательской мыслью и предпринимательской хваткой.

В 1844 году правительство командировало Эрнста Вернера фон Сименса в артиллерийские мастерские для совершенствования взрывной техники. Затем его ввели в состав комиссии по строительству телеграфных линий в Пруссии. Это послужило толчком для целого ряда его изобретений, в частности, широко распространенной машины для изолирования проводов гуттаперчей. Вместе с механиком Иоганном Георгом Гальске Сименс основал в Берлине еще один завод по производству телеграфных аппаратов. За последующие годы телеграфные линии фирмы «Сименс и Гальске» связали многие города не только Западной Европы, но и России.

Кольцевой якорь и коллектор Грамма

Обладая прекрасным чутьем, старший Сименс сразу оценивает значение принципа самовозбуждения для электрических машин и создает один из первых подобных генераторов. Он закрепляет за собой право на изобретение и распоряжается, чтобы его брат Карл Вильгельм взял английский патент. В письме брату он пишет: «…машина будет готова через несколько дней. Сделай и ты изыскания, чтобы Уайльд, который также близок к той же цели, не опередил нас. Магнитное электричество сделается дешевым, станет доступным и применимым для освещения, гальванометаллургии и т. д., и даже малые электромагнитные машины, получающие силу от больших, станут весьма полезны.

Берлин, 4 декабря 1866 г.»

И месяц спустя «английский» Сименс представляет в Королевское общество доклад о новом принципе конструирования электрогенераторов.

Барабанный якорь фирмы «Сименс и Гальске»

17 января 1867 года от имени Эрнста Вернера Сименса профессор Магнус читает в Берлинской академии наук доклад о принципе самовозбуждения. В целях закрепления приоритета Сименс дает новому принципу название динамоэлектрического, а самовозбуждающийся генератор называет динамо-машиной. Название приживается, и скоро вообще все генераторы постоянного тока начинают называть «динамо». Сименс всячески торопит сборку первого генератора. До него доходят сведения, что почти одновременно патенты на динамо-машины получили и несколько изобретателей в Англии, где еще в 1863 году интересную конструкцию предложил Генри Уайльд. П-образный электромагнит его генератора питался от отдельного небольшого электромагнитного возбудителя.

Динамо-машина Грамма с кольцевым якорем

Динамо-машина фирмы «Сименс и Гальске» с барабанным якорем

Чтобы представить себе гонку новых изобретений, напомним, что на том же заседании члены Королевского общества выслушали еще один доклад на электротехническую тему. Их коллега Чарлз Уитстон профессор физики Лондонского Королевского колледжа рассказал о параллельном соединении обмоток электромагнитов с цепью якоря. Позже такой генератор получит название шунтовой машины и будет признан более совершенным, но это произойдет лишь лет через десять…

Одним из недостатков первых электрических машин являлась сильная пульсация вырабатываемого тока и быстрый перегрев. Не свободен был от этих недостатков и генератор Сименса и Гальске с двух-Т-образным якорем. Сименс понимал это и поставил перед своими сотрудниками задачу усовершенствовать конструкцию якоря.

В то время во Франции на заводе уже знакомой нам «Компании Альянс» работал столяром Зекоб Теофил Грамм. Занимался он работами по изготовлению электрогенераторов для питания осветительных установок и был, как выяснилось позже, весьма предприимчивым человеком. В июне 1870 года вместе с техником той же фирмы Эрдлем Луи Шарлем д'Ивернуа Грамм выправил патент на генератор с самовозбуждением, имеющий кольцевой якорь, но без зубцов. На кольцевой сердечник наматывалась замкнутая обмотка, соединенная с коллекторными пластинами.

Слово «коллектор» взято из латыни и означает «собиратель». Коллектор электрической машины не что иное, как совокупность изолированных друг от друга пластин, расположенных на якоре машины. Пластины присоединены к катушкам обмоток ротора, и по ним скользят токосъемные щетки, обеспечивая неподвижный контакт с подвижным якорем.

Машина Грамма оказалась весьма удачной. Пульсация вырабатываемого тока стала меньше. Кроме того, изобретатель писал, что сердечник якоря может быть сплошным, а может набираться из отдельных проволок, что уменьшит потери мощности на его нагревание. Эти преимущества были настолько явными, что вскоре динамо-машины Грамма сильно потеснили на рынке генераторы других типов.

Чтобы выдержать конкуренцию новых генераторов Грамма, Сименсу следовало внести в свою конструкцию какие-то усовершенствования, но так, чтобы оградить себя от патентных исков. Это удалось сделать главному инженеру его фирмы Фридриху Гефнер-Альтенеку. Известно, что чем большая поверхность якоря проходит под полюсом электромагнита, тем индукционный ток в нем больше. Гефнер-Альтенек вытянул кольцо Грамма в цилиндр, сделал его в виде барабана, внес еще некоторые изменения, и… предприятие «Сименс и Гальске» приступило к выпуску новых «собственных» генераторов.

Серьезной проблемой для электротехников являлось конструирование магнитной цепи электрической машины. Большинство делали ее «на глазок». Никаких методов расчета не существовало. Но использование большого количества железа означало значительные потери на нагрев вихревыми токами. А если железа оказывалось мало – страдал магнитный поток.

Александр Григорьевич Столетов (1839–1896)

В 1872 году доцент Московского университета Александр Григорьевич Столетов представил для защиты докторскую диссертацию «Исследование о функции намагничения мягкого железа». Работая в лаборатории Густава Кирхгофа в Гейдельберге и у Вильгельма Вебера в Геттингене, Столетов проделал множество опытов. В 1872 году он впервые показал, что при увеличении намагничивающего поля магнитная восприимчивость железа сначала возрастает, а потом начинает уменьшаться, и снял кривую магнитной проницаемости ферромагнетика (так называемую «кривую Столетова»).

Вильгельм Эдуард Вебер – немецкий физик, член-корреспондент Берлинской академии наук. Его основные работы посвящены электромагнетизму.

В 1833 году он вместе с Карлом Гауссом построил первый в Германии электромагнитный телеграф. Затем сделал несколько чрезвычайно важных и интересных теоретических работ. И в 1854 году выдвинул теорию магнитных диполей – элементарных магнитов. В 1871 году Вебер построил первую электронную модель атома и предположил его планетарную структуру.

В 1880 году немецкий физик, член Берлинской академии наук Эмиль Габриэль Варбург открыл явление магнитного гистерезиса.

Гистерезис – термин происходит от греческого слова «отставание». Магнитный гистерезис – это явление запаздывания намагниченности вещества от вызывающей его напряженности магнитного поля. При циклическом изменении напряженности магнитного поля изменение намагниченности изображается петлей гистерезиса.

Вильгельм Эдуард Вебер (1804–1891)

Он доказал, что циклическое перемагничивание железа связано с потерями механической, а следовательно, и электромагнитной энергии. А проявляются эти гистерезисные потери в нагреве. В 1881 году Варбург нашел связь между этими потерями и площадью гистерезисной петли. А американский электротехник Чарлз Протеус Штейнмец предложил эмпирическую формулу для определения этих потерь. Теперь конструкторы смогли перейти хотя бы к примерному расчету, а следовательно, и к более строгому проектированию. До того конструирование электромагнитов за рамки интуиции изобретателей не выходило. И это, естественно, сдерживало развитие новой техники.

В 1880 году американский промышленник Хайрам Максим, изобретатель автоматической винтовки, скорострельной пушки и станкового пулемета, а также известной модели самолета, предложил усовершенствовать зубчатый якорь Пачинотти, просверлив в нем внутренние каналы для вентиляции. А американский электротехник Томас Алва Эдисон в том же году запатентовал якорь, набранный из отдельных пластин, изолированных друг от друга листами бумаги.

Петля гистерезиса для ферромагнетика

Динамо-машина Эдисона с нижним расположением якоря

Так, к концу 80-х годов динамо-машина получала все более и более совершенную конструкцию. В дальнейшем электрические машины постоянного тока в основном наращивали мощность и увеличивали диапазон регулирования частоты вращения. Принципиальных изменений в их конструкции уже не происходило. Строили их в основном по индивидуальным проектам или незначительными партиями. И это тормозило их распространение.

В 1932 году в нашей стране были разработаны и построены первые серии машин постоянного тока мощностью свыше 200 кВт. Изготовление крупных машин постоянного тока было сосредоточено в Ленинграде на заводе «Электросила» и на Харьковском электромашиностроительном заводе.

На заводе «Электросила» с 70-х годов выпускался и генератор постоянного тока мощностью 9,5 МВт и с напряжением 930 В, превосходивший по своим техническим данным генераторы постоянного тока во всем мире. Было разработано и испытано оборудование для линии электропередачи постоянного тока протяженностью 2400 км: Экибастуз-Центр с напряжением 750 кВ и мощностью 6300 МВт.