Мир электричества - Анатолий Томилин

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.

От магнитоэлектрической машины к динамо

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.