В. Болховитинов - Столетов

• Название: Столетов
• Автор: В. Болховитинов
• Жанр: Биографии и Мемуары

Книга посвящена выдающемуся русскому физику Александру Григорьевичу Столетову (1839–1896). Основные исследования Столетова посвящены электричеству и магнетизму. Столетов первым показал, что при увеличении намагничивающего поля магнитная восприимчивость железа сначала растет, а затем, после достижения максимума, уменьшается. В подтверждение теории Максвелла Столетов жразработал точный и надежный метод измерения скорости электромагнитных процессов, получив значение, близкое к скорости. Он создал первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, и стал основоположником количественных методов исследования фотоэффекта… Обнаружил постоянство отношения напряженности электрического тока к давлению газа при максимальном токе (константа Столетова). Много сил Столетов уделял также научно-организаторской и педагогической деятельности. При его активном участии возникла физическая школа Московского университета, из которой вышли многие известные русские физики.

---

Зависимость силы фотоэффекта от света проявляется и в другом опыте. Ученый меняет теперь не яркость луча, а величину освещаемой площади. Он ставит перед конденсатором непрозрачные экраны. Он оставляет освещенной половину диска, четверть его, восьмую часть…

И ток в гальванометре послушно уменьшается вполовину, вчетверо, в восемь раз.

Опыт с прерывистым лучом позволил установить основной закон явления. Но мысль исследователя стремится дальше. Опыт натолкнул его на новые искания.

Столетов убедился: свет действует на металл быстро. Ведь при вращении диска конденсатор озарялся короткими вспышками. При наибольшей скорости вращения каждая вспышка длилась не более одной стопятидесятой доли секунды.

Но сказать, что свет действует на металл быстро, — это еще не ответ. Насколько именно быстро реагирует металл на свет? Возможно, что конденсатор мгновенно отзывается на свет рождением тока с силой, соответствующей силе этого света. Если это так, то ток в цепи состоит из отдельных электрических толчков, мгновенно возникающих в момент освещения и исчезающих тотчас же, как оно окончилось.

Но, возможно, все происходит по-иному. Может быть, конденсатор обладает своеобразной инерцией? В начале освещения он как бы «раскачивается», сила тока в цепи, вырастая постепенно, лишь через некоторое, хотя бы и очень короткое, время достигает своего наибольшего значения. Когда же наступает затемнение электродов, ток исчезает не сразу, сила его пропадает постепенно. Если все это так, может статься, что и прерывистый свет породит ток непрерывный, не прекращающийся ни на миг, только слегка пульсирующий.

Где же истина? Что происходит в действительности?

Прежний опыт с вращением диска — Столетову ясно — эту дилемму решить не может. На пути стоит инерция гальванометра: какой бы ток ни шел в цепи — пульсирующий или прерывистый, — «зайчик» гальванометра будет показывать некоторое среднее значение: ведь подвижная рамка гальванометра не сможет угнаться за быстрыми изменениями тока.

Инерция присуща всем приборам, снабженным механическим указателем, — значит, непосредственно исследовать no-ведение фототока ни одним из них нельзя.

Такого же безинерционного индикатора, как катодный осциллограф, в котором указателем служит пучок летящих электронов, мгновенно отзывающийся на изменения в электрической цепи, во времена Столетова не было. Тогда еще не был открыт и сам электрон.

Но Столетов не стал в тупик, гениальный экспериментатор сумел так поставить опыт, придумать такое устройство, что даже неповоротливый гальванометр оказался способным принять участие в этой погоне за сверхъестественно быстрым явлением.

Главной частью новой установки попрежнему служил диск с прорезанными в нем окошками — секторами. Но теперь с этим диском был скреплен коммутатор: эбонитовый кружок с восемью металлическими накладками по окружности. Коммутатора касались три металлические кисточки. Две из них соединялись с отрицательным полюсом батареи, одна непосредственно, другая через гальванометр. Они были расположены так, что когда одна из них касалась металлической накладки, другая находилась в промежутке между накладками.

Третья кисточка скользила по кольцу, соединенному со всеми накладками коммутатора. Провод от нее тянулся к цинковому диску конденсатора.

Сетка, как и всегда, была соединена с положительным полюсом батареи.

При вращении коммутатора первые две кисточки попеременно то включали гальванометр в цепь, то пропускали ток по проводу мимо него.

Повернув нужным образом коммутатор относительно картонного диска, экспериментатор мог обеспечить такие включения гальванометра, чтобы он измерял ток от момента, когда электрод затемнен наполовину и освещенная часть его убывает, до момента, когда он тоже открыт лучам наполовину, но его освещенная часть растет.

Можно было установить коммутатор и так, чтобы ток измерялся в промежутке между «полнолунием» электрода до момента полного его затемнения и т. д.

Во всех этих случаях гальванометр в силу инерции будет показывать среднее значение силы тока за измеряемый промежуток времени.

Но теоретические расчеты говорили, что эти средние значения должны быть разными, в зависимости от того, какой ток течет в цепи: прерывистый или пульсирующий.

Если в цепи при освещении конденсатора возникает пульсирующий ток, то-есть конденсатор обладает некоторой инерцией, то показания гальванометра должны сначала расти, потом уменьшаться и снова расти по мере увеличения скорости вращения.

Если же идет ток прерывистый, то скорость вращения никак не должна сказаться на показаниях гальванометра. Они определятся только относительным смещением щеток коммутатора и диска.

Первые опыты показали Столетову, что «запаздывание» тока как будто имеется. Но он не принял на веру первых данных. От его внимательного глаза не ускользнули «побочные» влияния, исказившие результат опыта. Дело в том, что быстро крутящийся диск коммутатора и кисточки, трущиеся о него, — все это вместе представляло собой род электростатической машины — коммутатор сам становился источником токов. Правда, очень маленьких, слабых, но ведь и ток, рождаемый светом, тоже был мал и слаб.

Ток коммутатора искажал картину опыта.

Ученый постарался уменьшить вредное действие коммутатора, смазывая его диск маслом. Но все же полностью исключить его не удалось.

Тогда экспериментатор стал отдельно измерять силу тока, порождаемого коммутатором, и вводить соответствующие поправки в расчеты.

Не забыл он и такой, казалось бы, мелочный фактор — ветер, рождаемый крутящимся диском, способный исказить пламя электрической дуги. Он отгородил от фонаря этот своеобразный вентилятор пластинкой из селенита, прозрачной для ультрафиолетовых лучей.

Так исключительный талант экспериментатора позволил русскому ученому преодолеть все препятствия, очистить опыт от всяких посторонних влияний.

И вот, наконец, наступил день, после которого Столетов с полным правом мог записать;

«Тщательно принимая в расчет источники ошибок, я пришел к заключению, что, помимо их, никакого заметного влияния скорости на величину тока в гальванометре не замечается и что запаздывание тока, если оно и есть, не превышает 1/1000 доли секунды. То-есть, практически говоря, ток появляется и исчезает одновременно с освещением, и, следовательно, при прерывистом освещении ток — также прерывистый, с тем же периодом».

Он был глубоко прав.

Современные нам исследования с применением новейшей измерительной техники показывают, что если и есть запаздывание, то оно, во всяком случае, меньше одной десятимиллиардной секунды. Свет рождает фототок практически мгновенно.

Прошли всего лишь месяцы после памятного дня 26 февраля. Уже близились вакации. Уже лучи электрической дуги, вырываясь из окна, трепетали не на голых сучьях мартовских деревьев, а на клейкой зелени мая. Не раз уже, засидевшись за опытами, видел Столетов с Иваном Филипповичем: золотом начинает лосниться орел на Троицкой башне, и медленно спускается свет по шатру ее — всходит солнце.

Сколько позади выигранных сражений!

Но кампания еще не кончена.

Столетов ставит новые опыты.

Как зависит сила фототока от расстояния между электродами? Как влияет на нее электродвижущая сила батарей? Эти вопросы волнуют теперь исследователя.

Усагин начинает делать конденсатор, в котором сетка могла бы передвигаться. Чтобы эти перемещения сетки можно было точно измерить, конденсатор снабжается шкалой.

Экспериментаторы устанавливают сетку на определенном расстоянии.

Затем начинают менять электродвижущую силу батареи.

Включают один элемент, два, три…

Батарея вырастает до ста элементов. Все показания гальванометра записываются. Растут колонки цифр. Они говорят: чем больше элементов включено в цепь, тем более сильный ток течет по цепи.

Затем сетка устанавливается на другом расстоянии. Повторяется серия таких же измерений.

Цифры говорят: при малых напряжениях и небольшом расстоянии между пластинами ток растет соответственно с ростом напряжения. Воздушный слой ведет себя так же, как обычный проводник: явление подчиняется закону Ома.

Но чем больше растет напряжение, тем медленнее растет сила тока — воздушный слой как бы все сильнее сопротивляется прохождению тока. Наконец наступает такой момент, когда сила тока перестает расти, несмотря на то, что напряжение продолжает увеличиваться. Наступает как бы некое «насыщение».

На графике, изображающем результаты опыта, из начала координат выходит наклонная прямая линия Но дальше она начинает загибаться и становится более пологой.

Чем меньше расстояние между сеткой и пластинкой цинка, тем раньше происходит это искривление и тем больших значений достигает сила тока при той же электродвижущей силе. На графике у Столетова кривые вырисовали фигуру, подобную изогнутому кометному хвосту.