Сержио Рарра Кастильо - Наука высокого напряжения. Фарадей. Электромагнитная индукция

• Название: Наука высокого напряжения. Фарадей. Электромагнитная индукция
• Автор: Сержио Рарра Кастильо
• Издательство: Де Агостини
• Жанр: Научпоп
• Год: 2015
• ISBN: 2409-0069

Майкл Фарадей родился в XVIII веке в бедной английской семье, и ничто не предвещало того, что именно он воплотит в жизнь мечту об освещенном и движимом электроэнергией мире. Этот человек был, вероятно, величайшим из когда-либо живших гениев экспериментальной физики и химии. Его любопытство и упорство позволили раскрыть множество тайн электричества и магнетизма, а также глубинную связь этих двух явлений. Фарадей изобрел электродвигатель и динамо-машину — два устройства, революционно изменившие промышленность, а также сделал другие фундаментальные открытия. Герой этой книги был самоучкой, он многое постиг экспериментальным путем, поэтому одной из его важнейших задач стало распространение знаний о своих открытиях среди коллег и современников.

---

«По мере изучения Фарадея я осознал, что его подход к пониманию явления тоже является математическим, хотя и не представлен в общепринятой форме через математические символы. Я нашел также, что его методы могут быть выражены в обычных математических формах и, таким образом, сопоставлены с методами признанных математиков. Так, например, Фарадей своим мысленным взором видел пронизывающие все пространство силовые линии там, где математики видели лишь центры сил, притягивающие на расстоянии. Фарадей видел среду там, где они не видели ничего, кроме расстояния. Фарадей усматривал местонахождение явлений в тех реальных процессах, которые происходят в среде»[2].

ФАРАДЕЙ, НЬЮТОН И ПОДВОДНЫЕ КАБЕЛИ

Хотя Фарадей часто использовал Библию, находя в ней утешение и вдохновение, он получил некоторое подобие одобрения своих революционных теорий о полях из одного письма. По иронии судьбы, его написал Исаак Ньютон — ученый, в трудах которого находили столько поводов для критики теорий Фарадея.

В 1693 году, когда Ньютон уже превратился в старика, он написал молодому кембриджскому теологу Ричарду Бентли, признаваясь ему, что, возможно, пустота на самом деле не является такой пустой, как он сам утверждал. Вероятно, писал ученый, гравитационные силы тянут свои невидимые щупальца к телам. Эта идея Ньютона не получила известности, потому что казалась несколько крамольной для той эпохи, в том числе на теологическом уровне: неужели Бог недостаточно могуществен, чтобы беспрепятственно пересекать пространство? Ньютон пишет:

«Идея о том, чтобы тело могло воздействовать на другое через пустоту на расстоянии, без участия чего-то такого, что переносило бы действие и силу от одного тела к другому, представляется мне столь нелепой, что нет, как я полагаю, человека, способного мыслить философски, кому она пришла бы в голову».

Бентли написал Ньютону ответ, в котором заинтересовался этой идеей, но Ньютон не захотел более подробно обсуждать ее, указывая, что это всего лишь его старческие измышления.

Фарадей осознал, что такой гений, как Ньютон, предлагает теории, подобные его собственной, и почувствовал, что должен идти дальше, несмотря на недоверие коллег. Он был уверен, что однажды кто-нибудь найдет практическое применение для его догадок, и почти в 70 лет стал свидетелем этого. Кроме первых электрогенераторов и начала Эры электричества, которые смог увидеть Фарадей, он также участвовал в первых революционных преобразованиях сферы телекоммуникаций. Он писал своему молодому другу, шотландскому физику Джеймсу Клерку Максвеллу, 13 ноября 1857 года:

«На дне моря должна была совершиться гигантская инженерная авантюра. Она должна принести новые доказательства правильности моих теорий о полях с невидимыми силами».

Гравюра, на которой Фарадей показывает своей жене Саре Барнард открытый им электродвигатель в Рождество 1821 года. Индуктор, хранящийся в Королевском институте, с помощью которого Фарадей открыл закон индукции в 1831 году. Фарадей читает лекцию о своих открытиях в области магнетизма и свойств света в 1846 году в Королевском институте. 

Эта подводная авантюра, которая подтвердила догадки постаревшего Фарадея, началась с человека по имени Сайрус Уэст Филд (1819–1892). В середине 1850-х он предложил изготовить кабель, который можно было бы проложить по дну океана, чтобы пересечь Атлантику и соединить две великие империи — британскую и американскую. Для этого невероятного проекта требовались не только научно-технические знания, но и поддержка предприятий и промышленности. Длина кабеля должна была составлять 4000 километров, а вес — примерно 2200 тонн. Для изготовления требовалось не менее 800 тонн меди.

Для реализации проекта Филд попросил о помощи главного специалиста по теории электричества в Великобритании, шотландца Уильяма Томсона (1824–1907). Название изобретению дал Сэмюэль Морзе, он же отправил первое в мире телеграфное сообщение: «Чудны дела твои, Господи!» Придуманный им язык повлиял даже на журналистскую прозу, сжатый стиль которой стал напоминать телеграфные сообщения. Однако при использовании телеграфа имелось немаловажное техническое затруднение: передача сообщений по наземным линиям не вызывала затруднений, но при использовании подводных кабелей из-за постоянных потрескиваний и шумов сами сообщения было невозможно разобрать.

Томсон, очень серьезно относившийся к теориям Фарадея, верил, что существуют силовые поля и их помехи перемещаются частично внутри кабеля и снаружи него. По мнению Томсона, проблема была простой: когда телеграфист нажимал на клавишу, поле начинало перемещаться по кабелю длиной 1000 км, но также оно перемещалось вокруг электрического изолятора и железной оплетки, теряясь в водах океана.

* * * Электромагнитный телеграф

Прямым результатом открытия электромагнита Эрстедом, Ампером и Араго стал телеграф, позволивший людям быстро получать и отправлять сообщения. Патент на изобретение получил американский художник Сэмюэль Финли Морзе в 1832 году. Когда отправитель нажимал клавишу, он подключал электрический ток, перемещающийся по кабелю до получателя, у которого запускался маленький электромагнит.

Электромагнит при пропускании через него тока с щелчком притягивал к себе железный язычок. Если отправитель отпускал клавишу, электрический ток прерывался, язычок возвращался в обычное положение. Морзе разработал код на основе прерывистых щелчков язычка, так что стало возможным передать любую букву алфавита со скоростью 150 знаков в минуту при условии прохождения работником телеграфа специального обучения. Эрстед, Ампер и Aparo умерли раньше и не увидели работающего телеграфа, а Майкл Фарадей, хотя уже был болен, смог присутствовать при рождении телекоммуникаций.

Морзе с прототипом телеграфа * * *

В наземных линиях такой проблемы не возникало, потому что кабель проходил высоко на столбах (и не контактировал с проводником-землей). Кроме того, наземные кабели имели более толстый слой изолятора, а для океана изолятор был более тонким из-за экономии как по весу, так и по цене (материал изолятора назывался гуттаперчей, он был открыт в 1850-х годах, добывался из определенных видов деревьев в Индии и был похож на каучук). Также воздушные провода не имели железной оплетки, а в океане она использовалась для исключения повреждения кабеля и чтобы его не унесло течением. Однако железная оплетка рассеивала сигнал, поскольку железо не является надежным изолятором. Все эти факторы свидетельствовали о необходимости более сильного — в 20 раз — заряда для подводного кабеля по сравнению с наземным. По расчетам Томсона, выраженным в его законе квадратов, при десятикратном увеличении длины кабеля скорость сигнала сокращалась в 100 раз.

Существовало два варианта решения данной проблемы. Первый, предложенный Томсоном, предусматривал увеличение диаметра жилы проводника. Но Филд верил во второй вариант, он хотел подключить кабель к источнику высокого напряжения для увеличения сигнала, компенсируя, таким образом, потери рассеивания. Однако здесь имелась другая проблема: при работе с высоким напряжением кабель быстро портился.

Филд считал объяснение Томсона слишком непонятным и заключил контракт с Эдвардом Уайтхаусом (1816–1890), который не верил в смехотворные силовые поля. Чтобы убедить инвесторов, Уайтхаус должен был всячески скрывать перед публикой свои колебания и неуверенность. Была проведена работа и с учеными, поддерживающими Томсона, чтобы они не задавали лишних вопросов. На публичную конференцию пригласили уже пожилого Майкла Фарадея и подсунули ему фальшивые отчеты с экспериментальными данными, якобы подтверждающими ошибки в расчетах Томсона.

Умственные способности Фарадея к этому времени ослабли (вероятно, из-за длительного вдыхания паров ртути, растекшейся на полу его лаборатории), и он дал неоднозначную оценку, которую можно было понять как неполное согласие с гипотезой Томсона. Поддержка Фарадеем проекта, хоть и не безоговорочная, стала решающим фактором для инвесторов. Но Томсон догадался, что Фарадея обманули и вынудили дать такое заключение практически силой, ведь он знал истинное мнение ученого, полученное после осмотра кабелей с использованием гуттаперчи, о том, что на передачу сигналов негативно влияют проводник, окружающий его изолятор и морская вода.

Кабель был изготовлен, но проект провалился, как и предсказывал Томсон: сигналы так искажались, что после пересечения Атлантики их было невозможно расшифровать. Применение высокого напряжения для передачи сигнала изнашивало кабель, поэтому отправка сообщений требовала все больше времени. Из-за недостаточной изоляции энергия рассеивалась: если телеграфист отпускал клавишу между одним сигналом и следующим за ним немного быстрее, поле, установившееся на протяжении кабеля, рассеивалось до начала передачи следующего сигнала; если телеграфист нажимал клавиши слишком быстро, новое поле накладывалось на предыдущее, все еще находившееся вокруг меди, железа и воды. Неудивительно, что, согласно документам, чаще всего передавались сообщения: «Передавайте медленнее» или «Повторите».