Удивительная физика

Янтарь с магнитом – братья?

Оказалось, что это близко к истине, и «побратала» их молния. Ведь при электризации янтаря возникают искры, а искры – это маленькие молнии.

Но молния молнией, а при чем же здесь магнит? Как раз молния и оказалась тем, что соединило воедино янтарь и магнит, ранее «разлученные» Гильбертом. Вот три выдержки из описания удара молнии, в которых видна близкая связь между электричеством янтаря и притяжением магнита.

«…В июле 1681 г. корабль „Квик“ был поражен молнией. Когда же наступила ночь, то оказалось по положению звезд, что из трех компасов… два, вместо того, чтобы, как и прежде, указывать на север, указывали на юг, прежний северный конец третьего компаса направлен был к западу».

«…В июне 1731 г. один купец из Уэксфилда поместил в углу своей комнаты большой ящик, наполненный ножами, вилками и другими предметами, сделанными из железа и стали… Молния проникла в дом именно через этот угол, в котором стоял ящик, разбила его и разбросала все вещи, которые в нем находились. Все эти вилки и ножи… оказались сильно намагниченными…»

«…В деревне Медведково прошла сильная гроза; крестьяне видели, как молния ударила в нож, после грозы нож стал притягивать железные гвозди…»

Удары молний, намагничивающие топоры, вилы, ножи, прочие стальные предметы, размагничивающие или перемагничивающие стрелки компасов, наблюдались столь часто, что ученые стали искать связь между электрическими искрами и магнетизмом. Но ни пропускание тока через железные стержни, ни воздействие на них искр от лейденских банок ощутимых результатов не дало – железо не намагничивалось, хотя точные современные приборы, пожалуй, почувствовали бы это.

Чуть-чуть отклонялась стрелка компаса в опытах физика Романьози из города Трента, когда он приближал компас к вольтову столбу – электрической батарее. И то лишь тогда, когда по вольтову столбу шел ток. Но Романьози тогда не понял причины такого поведения стрелки компаса.

Честь открытия связи между электричеством и магнетизмом выпала на долю датского физика Ханса Кристиана Эрстеда (1777—1851), да и то случайно. Произошло это 15 февраля 1820 г. вот как. Эрстед в этот день читал лекцию по физике студентам Копенгагенского университета. Лекция была посвящена тепловому действию тока, иначе говоря, нагреванию проводников, по которым протекает электрический ток. Сейчас это явление используется сплошь и рядом – в электроплитках, утюгах, кипятильниках, даже в электролампах, спираль которых добела раскалена током. А во времена Эрстеда такое нагревание проводника током считалось новым и интересным явлением.

а – батарея отключена, стрелка компаса параллельна проводнику; б – батарея включена, стрелка поворачивается перпендикулярно проводнику

Итак, первая случайность состояла в том, что около одного из нагреваемых проводников оказался компас, совершенно не нужный при такого рода опытах. Затем произошла другая случайность – один из студентов, окружавших Эрстеда, заметил, что стрелка компаса отклоняется, когда проводник подключен к источнику тока – электрической батарее (рис. 362). И третья случайность завершила рождение открытия – студент решился указать именитому профессору на, казалось бы, совершенно постороннее, не имеющее к теме лекции никакого отношения явление, и ученый прислушался к реплике ученика.

Жаль, что мы так и не знаем имени того студента – ведь он полноправный соавтор великого открытия – связи между электричеством и магнетизмом, официальным автором которого стал профессор Эрстед.

Эрстед провел целую серию опытов, поясняющих закономерности поведения магнитной стрелки. Было замечено, что протекание тока по проводнику в разные стороны вызывает изменение направления отклонения стрелки компаса. Эрстед заметил также, что такому поведению стрелки не мешала никакая изоляция. Ученый помещал самые различные изоляционные материалы между проводником и компасом, но стрелка отклонялась все так же, и ее отклонение зависело только от направления и силы проходящего по проводнику тока.

И тогда с большой поспешностью Эрстед опубликовал свой знаменитый «памфлет» – четыре страницы текста на латинском языке, понятном тогда большинству ученых. Этот памфлет произвел ошеломляющее впечатление на ученый мир. Опыты Эрстеда стали повторять во многих лабораториях, причем удивлению и восторгу присутствующих не было предела. Свидетели вспоминают, что один их присутствующих на таком опыте встал и взволнованно произнес: «Господа, происходит переворот…»

Награды и почести так и посыпались на Эрстеда. Его выбирают академиком французской академии и награждают призом, учрежденным в свое время Наполеоном Бонапартом за крупные открытия в области электричества, – 3 тысячи золотых франков, назначают членом Лондонского королевского общества и многих других научных обществ. На родине Эрстеда король Фредерик VI наградил его Большим крестом ордена Даннеброг – высшей наградой Дании и разрешил ему основать Политехнический институт. Эрстед открывает в Дании общество для «поощрения научных занятий» и даже начинает выпускать литературный журнал. Между прочим, любовь маститого ученого к литературе не прошла даром и для самой литературы: Эрстед покровительствовал «маленькому Гансу Христиану» – будущему великому сказочнику Андерсену.

Эрстед становится национальным героем Дании и популярнейшим ученым в Европе. Ханс Кристиан Эрстед скончался в 1851 г. в зените своей славы.

Как электромагнит набирался сил?

Одно открытие порождает другое. Только успел Эрстед заметить связь между электричеством и магнетизмом, как в сентябре того же 1820 г. французский физик Д. Араго заметил, что проволока, по которой течет ток, притягивает железные опилки и намагничивает стальные иголки совсем как магнит. В лабораторию Араго как-то зашел А. М. Ампер – ученый, которого мы все знаем хотя бы по единице силы тока, названной в его честь. Ампер предложил свернуть проволоку в спираль, а иголку поместить внутрь спирали. Ученые тут же не медля осуществили эксперимент и были с лихвой вознаграждены за это – игла намагнитилась намного сильнее, чем раньше. Полученная спираль, или трубка, названная впоследствии соленоидом, теперь хорошо известна любому школьнику. Слово «соленоид» в переводе с греческого и означает – «трубкообразный», «в виде трубки». Но гений Ампера не остановился только на создании прибора. Уловив связь между магнитом и соленоидом, Ампер предположил, что внутри магнита существует огромное количество крошечных колец с током. Сейчас уже доподлинно известно, что идея Ампера была верной – роль колец с током играют электроны, вращающиеся вокруг ядер атомов (рис. 363).

Началась новая эпоха в понимании многих физических явлений и процессов, где главные роли играли ток и магнит. И, пожалуй, эти два понятия нигде так тесно не проявляют свою связь, как в электромагните. Соленоид Ампера еще не был электромагнитом в прямом понимании этого слова – там отсутствовал железный сердечник, который и становился самым настоящим магнитом при пропускании тока по виткам проволоки. Сердечник этот во много раз усиливал действие соленоида, делал электромагнит значительно сильнее лучших природных магнитов.

А для того чтобы просто-напросто ввести сердечник в соленоид, понадобилось 5 лет, и открытие это сделал английский механик Вильям Стерджен (1783—1850) в 1825 г.

Биография Стерджена еще раз показывает, что творческий человек не пропадет, в каких бы условиях ни протекали его детство и юность. Такие примеры широко известны нам как среди писателей, художников, музыкантов, так и среди изобретателей и ученых.