Покоренный электрон

Разлуку со школой Михаил Фарадей переживал очень тяжело. Он всячески старался пополнить свое образование, читал книги, которые приносили переплетать.

По вечерам, а также в воскресные дни, будущий ученый посещал публичные лекции по физике. Однажды ему удалось попасть на лекцию одного из крупнейших английских ученых того времени — Гемфри Дэви. Эта лекция произвела на Фарадея очень сильное впечатление.

Чтобы углубить свои знания по физике и химии, молодой переплетчик поступил слугой в лабораторию Дэви; там он мыл посуду, подметал пол и заменял Дэви в тех опытах, которые грозили взрывом.

Спустя некоторое время Фарадей начал сам производить опыты. В 1816 году он опубликовал свою первую научную работу.

В 1824 году Гемфри Дэви — президент Королевского общества (английская Академия наук) с возмущением узнал, что его бывший слуга выдвинут кандидатом в академики. Дэви потребовал, чтобы Фарадей снял свою кандидатуру. Фарадей отказался, и его единодушно избрали в члены Королевского общества при одном только голосе против. Этот единственный голос «против» принадлежал по всей вероятности Дэви.

В своей научной деятельности Фарадей развивал и углублял идеи, высказанные гениальным русским ученым — М. В. Ломоносовым.

Одной из самых любимых книг Фарадея, оказавшей большое влияние на его творчество, была книга русского академика Леонарда Эйлера: «Письма к немецкой принцессе». История этой книги такова.

В пятидесятых годах XVIII столетия Эйлер жил за границей. Между ним и Ломоносовым завязалась дружеская переписка. Взгляды Ломоносова и Эйлера во многом совпадали. Эйлер горячо поддерживал Ломоносова во всех его научных начинаниях.

В 1766 году Эйлер вернулся в Петербург и вскоре подготовил к печати книгу, высказав в ней те взгляды на природу, которые возникли у него в результате переписки с Ломоносовым и своих собственных исследований. Эта книга называлась «Письма о разных физических и философических материях, писанные к некоторой немецкой принцессе».

Читала ли какая-нибудь принцесса «Письма» Эйлера, поняла ли она в них что-нибудь — неизвестно. Но Фарадей их не только читал, но и внимательно изучал.

Эйлер, разделяя материалистические взгляду Ломоносова, предлагал решительно изгнать из науки всякие вздорные представления об «электрических жидкостях», «флюидах» и «теплородах».

Как и Ломоносов, Эйлер был убежден, что все тела, все вещества состоят из мельчайших «нечувствительных» частичек — корпускул или атомов. Следуя Ломоносову, он пришел к мысли о единстве явлений: механической силы, теплоты, света электричества, магнетизма.

Фарадей также был убежден в единстве магнитных и электрических явлений и решил доказать это на опыте.

Единство магнитных и электрических явлений

Еще задолго до Фарадея было известно, что молния может намагничивать и размагничивать стальные предметы. Например, в июле 1681 года молния ударила в корабль. Кроме обычных повреждений, причиненных ею, было замечено, что все три корабельных компаса испортились: два— размагнитились, у третьего северный конец стрелки стал показывать юг.

Однажды молния ударила в лавку торговца металлическими изделиями и разбила ящик, в котором лежали ножи и вилки. Некоторые ножи и вилки оплавились, другие оказались намагниченными.

Следовательно, электрический разряд способен придавать стали магнитные свойства и отнимать их.

Несколько важных наблюдений сделали ученые, искавшие связь между магнитными и электрическими явлениями. Один из них — датский физик Эрстед заметил, что электрический ток влияет на магнитную стрелку. Эрстед натянул провод от батареи в направлении с севера на юг. Под проводом он положил компас и пропустил по проводу ток. Стрелка компаса немедленно отклонилась в сторону.

Эрстед записал свое наблюдение: «гальваническое электричество, идущее с севера на юг над свободно подвешенной магнитной иглой, отклоняет ее северный конец к востоку, а, проходя в том же направлении под иглой, отклоняет ее к западу».

Известие об этом открытии Эрстед опубликовал 21 июля 1820 года.

Два месяца спустя — 25 сентября 1820 года — французский ученый Араго намотал на стеклянную трубочку несколько витков проволоки и положил в трубочку стальную иглу.

Когда по проволоке пропустили сильный электрический ток, игла намагнитилась.

Одновременно с Араго другой французский ученый — Ампер показал, что электрический ток, текущий по проводам, обладает магнитными свойствами. Он изобрел особый прибор, устройство которого показано на рис. 21: два прочных проводника разной длины изогнуты в виде буквы Г и укреплены вертикально.

Рис. 21. Прибор Ампера.

В верхней части этих Г-образных стоек сделаны чашечки. Обе стойки укреплены в приборе так, чтобы чашечки находились одна над другой.

В чашечки Ампер налил ртуть и опустил в них иголки, служившие опорой для проволочной четырехугольной рамки. Ртуть обеспечивала надежный контакт, а на иголках рамка могла вращаться очень легко, почти без всякого трения.

Перед опытом рамка была повернута так, чтобы один ее край находился против стойки, соединенной с плюсом батареи. Как только Ампер включил ток, рамка тотчас повернулась. Ее край отодвинулся от стойки, присоединенной к плюсу батареи, и приблизился к стойке, соединенной с минусом батареи. Сколько Ампер ни поворачивал рамку, она неизменно и упорно возвращалась к стойке, соединенной с минусом батареи.

Ампер установил, что электрический ток обладает магнитными свойствами: рамка, по которой течет ток, становится как бы магнитом. Токи, текущие в одном направлении, взаимно притягиваются, а токи, текущие в противоположных направлениях, отталкиваются.

Эрстед, Араго и Ампер неопровержимо доказали существование связи между магнитными и электрическими явлениями.

Фарадей же был убежден в большем. Он считал, что электричество и магнетизм, — как орел и решка из монете, — две стороны одного и того же явления. А чтобы доказать это — требовалось «превратить электричество в магнетизм и магнетизм в электричество». Так и было записано в 1821 году в дневнике Фарадея.

Через неудачи к победе

Вот как Фарадей выполнил свою задачу. Он намотал на деревянный барабан кусок медной проволоки длиной около 8 метров; чтобы витки не соприкасались между собой, Фарадей изолировал их тонким шнурком, который он наматывал вместе с проволокой (изолированных проводников тогда делать не умели).

Первый слой своей катушки ученый обернул коленкоровой лентой и поверх нее стал наматывать второй слой. Надежно изолировав второй слой, Фарадей намотал третий. Так была изготовлена проволочная катушка из 12 слоев, изолированных один от другого.

Первый, третий, пятый… — все нечетные слои Фарадей соединил последовательно, и они составили одну общую катушку. Точно так же были соединены вторая, четвертая, шестая — все четные слои обмотки. В результате у Фарадея получились как бы две катушки, намотанные одна внутри другой и надежно изолированные друг от друга. Концы проводов от одной катушки были присоединены к чувствительному гальванометру, а концы другой катушки — к батарее.

Из опытов Ампера Фарадей знал, что наибольшим магнитным действием обладает проводник, свернутый спиралью или намотанный катушкой.

Поэтому он предполагал, что ток, пройдя по одной катушке, окажет свое действие на другую, причем настолько сильное, что в ней возникнет ток, который отклонит стрелку гальванометра.

Присоединив катушку к батарее, Фарадей посмотрел на стрелку гальванометра, она стояла на нуле.

Ток шел по одной катушке и на другую катушку никакого влияния не оказывал (рис. 22).

Рис. 22. Прибор для повторения опыта Фарадея. В момент включения или выключения рубильника во внешней катушке проходит кратковременный ток.