Мир электричества - Анатолий Томилин

Два закона студента Кирхгофа

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.

Глава 8. Эпоха Фарадея – Максвелла

Лаборант по имени Майкл Фарадей

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.