Максвелл

Почему ток возбуждается только во время движения магнита или изменения тока в обмотке?

Этого не понимал никто. Даже сам Фарадей. Понял это через семнадцать лет двадцатишестилетний армейский хирург захолустного гарнизона в Потсдаме Герман Гельмгольц. В классической статье «О сохранении силы» он, формулируя свой закон сохранения энергии, впервые доказал, что электромагнитная индукция должна существовать именно в этом «уродливом» виде.

Независимо к этому пришел и старший друг Максвелла, Вильям Томсон. Он тоже получил электромагнитную индукцию Фарадея из закона Ампера при учете закона сохранения энергии.

Так «мимолетная» электромагнитная индукция приобрела права гражданства и была признана физиками.

Но она никак не укладывалась в понятия и аналогии статьи Максвелла «О фарадеевских силовых линиях». И это было серьезным недостатком статьи. Практически ее значение сводилось к иллюстрации того, что теории близко– и дальнодействия представляют различное математическое описание одних и тех же экспериментальных данных, что силовые линии Фарадея не противоречат здравому смыслу. И это все. Все, хотя это было уже очень много.

МЕХАНИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ

Статья «О фарадеевских силовых линиях» требовала продолжения. Электрогидравлические аналогии дали многое – с их помощью удалось записать полезные дифференциальные уравнения. Но не все отражали электрогидравлические аналогии. Никак не укладывался в их рамки важнейший закон электромагнитной индукции.

Как можно наглядно представить себе то, что при изменении магнитного поля возникает поле электрическое?

Нужно было придумать новый, облегчающий понимание процесса вспомогательный механизм, отражающий одновременно и поступательное движение токов, и вращательный, вихревой характер магнитного поля.

И то, что придумал для замены Максвелл, поражало.

Поражало грубой механичностью. Громоздкостью, неповоротливостью. Новая модель была вызывающе одиозной. Но работоспособной!

Она давала механическую модель явления электромагнитной индукции и «электротонического состояния» [35] Фарадея, состояния, которое нельзя было обнаружить ни одним из известных способов, пока оно оставалось неизменным.

Новая модель Максвелла – это среда, охваченная вихревым движением. Вихри так малы, что умещаются внутри молекул. Вращающиеся «молекулярные вихри» производят магнитное поле. Направление осей вихрей совпадает с силовыми линиями, а сами они могут быть представлены как тоненькие вращающиеся цилиндрики. Скорость вращения вихрей определяет величину магнитной силы.

И тут возникала трудность. Трудность чисто механического порядка. Внешние, соприкасающиеся части вихрей должны двигаться в противоположных направлениях! То есть препятствовать взаимному движению.

Это напоминало такое положение, как если бы конструктор механизма поместил в непосредственной близости две шестеренки, вращающиеся в одну сторону. У них непременно должны были бы переломаться все зубья!

Чтобы избежать этого, Максвелл, подружившийся с шестеренками и часовыми колесиками еще в детстве, решил использовать «холостые колеса».

Как можно обеспечить вращение двух рядом расположенных шестеренок в одну сторону? Нужно поместить между ними небольшие передаточные шестеренки, «холостые колеса»!

Максвелл предположил, что между рядами молекулярных вихрей помещен слой мельчайших шарообразных частичек, способных к вращению. Теперь вихри могли вращаться в одном направлении – «смазка» давала себя знать. Вихри взаимодействовали между собой, но вращались в одном направлении.

Роль «паразитных шестеренок» оказалась впоследствии куда более важной, чем ожидалось вначале, и вообще едва ли не важнейшей во всей этой модели. Во-первых, Максвелл осознанно называет эти «холостые колеса», «смазочные шарики» между цилиндрами – «частичками электричества», а движение их – «поток частичек электричества» – признает электрическим током. (Уже само упоминание в те времена о «частичках электричества», представляющих собой электрический ток, было прозрением гения, предсказанием грядущих электронов. Но это была лишь частность теории. Не главное. Главное было в другом.)

«Холостые колеса», вращаясь и двигаясь поступательно, оказались способными к объяснению многих действий электричества и магнетизма.

Если к шарикам приложена некая внешняя сила – электрическое поле, она заставит их двигаться поступательно – возникает электрический ток. Тогда придут во вращение и цилиндрики – появится магнитное поле. Так подтвердилась на модели гипотеза Ампера – токовая природа магнитных явлений. Так утверждалась мысль Эрстеда об их вихреобразном характере.

Цилиндры всегда вращались в направлении, перпендикулярном направлению движения шариков, и это свидетельствовало о том, что магнитное поле действует под прямым углом по отношению к направлению тока.

Сенсационная перпендикулярность направлений тока и создаваемого им магнитного поля, перпендикулярность, выражаемая введенным Максвеллом «правилом буравчика», впервые получила в этой модели механическое истолкование.

Дело в том, что опыт Эрстеда нес не только связь между электричеством и магнетизмом. Не напрасно Эрстед в своем мемуаре перечисляет свидетелей опыта: то, что открылось ему, не лезло в рамки ньютоновских законов и прямо нарушало третий из них: направления возмущающей силы – электричества (определяемого направлением провода) и силы реакции – магнетизма (определяемого направлением магнитной стрелки) были у Эрстеда перпендикулярны. Впервые физики, сгрудившиеся у лабораторного стола Эрстеда, видели «противодействие», по направлению не противоположное «действию».

Эрстед неправильно объяснил свой опыт, но он заронил глубокую мысль – мысль о вихревом характере электромагнитных явлений.

«Вихреобразность» процесса, вызывающего в памяти водоворот, вихрь, спираль, долго не находила сторонников, и даже Фарадей поначалу не оценил эту мысль. Он долго был убежден в том, что силы, действующие между проводниками с током и магнитной стрелкой, – это силы притяжения и отталкивания, подчиняющиеся законам Ньютона.

Модель Максвелла наглядно отражала подмеченный Эрстедом вихреобразный характер поля.

Вращательное движение в модели передается от частиц вихрям и от вихрей – частицам. Но это противоречит ранее принятому Максвеллом предположению, что между вихрями и частицами нет иного взаимодействия, кроме трения качения! Понимая условность, вспомогательный характер модели, Максвелл не останавливается на этой «мелочи» – модель раскрывает все новые и новые свои стороны, оборачивается открытием новых захватывающих свойств электромагнетизма, и вряд ли стоит на этом прекрасном фоне искать способ преодоления чисто механического противоречия!

Механическая громоздкая модель могла демонстрировать и такие электромагнитные явления, как электрическое отталкивание и притяжение.

Но эти эффекты уже не были во главе угла. Они были низведены с пьедестала, куда вознесли их Ампер и Вебер, построившие именно на взаимодействии токов всю свою электродинамику. Притяжение и отталкивание стали «рядовыми» электромагнитными явлениями.

Зато почетное место в новой модели заняла электромагнитная индукция.

Первоначальная цель, которую поставил Максвелл при построении своей механической модели, – проиллюстрировать электромагнитную индукцию Фарадея – была достигнута.

Но и с блеском перекрыта.

Джеймс Клерк Максвелл понял это, когда начал изучать поведение своей механической модели в случае проводников и изоляторов-диэлектриков.

«Тела, которые препятствуют протеканию сквозь них электрического тока, называются изоляторами. Но хотя сквозь них не течет электричество, сквозь них распространяются электрические эффекты, причем уровень этих эффектов зависит от природы тела...»