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.

---

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».

* * * Магнитное поле земли

Немецко-американский физик Вальтер Мориц Эльзассер (19041991) в 1939 году высказал предположение о том, что вращение Земли создает в ядре из расплавленного металла медленные вихри, текущие с запада на восток. Эти вихри вызывают электрический ток, также проходящий с запада на восток. То есть электрический ток, циркулирующий в ядре Земли, создает магнитные линии по такому же принципу, как катушка проводника Фарадея.

Внутренний магнит

Сегодня нам известно, что у Земли есть внутренний магнит, отвечающей за магнитное поле планеты. Линии этого поля выходят из Южного полушария и входят в Северное. Причину магнетизма нужно искать в ядре Земли, разделяющемся на внутреннее твердое ядро из никеля и железа и внешнюю оболочку из тех же металлов, но в жидком состоянии. Движение жидкого металла создает магнитное поле благодаря так называемому динамо-эффекту. Оно представляет собой более сложный процесс, чем считалось раньше. Он связан не только с направлением вращения планеты, но и, как считается, стал причиной того, что в прошлом Земля сменила полярность своего магнита. Возможно, смена полюсов связана со скоростью вращения планеты или с тем, что линии поля пересекаются и перепутываются из-за перемещений жидкого металла во внешней оболочке ядра.

Почему вольты не назвали фарадами

Многие исследователи электричества и магнетизма вписаны в историю культурного наследия, их фамилиями названы различные единицы измерения величин, связанных с электричеством, хотя, например, один из основных ученых в данной области, Бенджамин Франклин, этой чести не удостоился. Именем Шарля Огюстена Кулона названа величина заряда, Георга Ома — единица измерения сопротивления, Джеймса Уатта — единица измерения мощности, Джеймса Джоуля — энергия, Алессандро Вольты — единица измерения электрического потенциала, разности потенциалов и электродвижущей силы, Андре Ампера — сила тока. Почему выбрали фамилию Вольты, а не Фарадея?

Англичанин, не публикующийся на французском

Уильям Томсон был убежден, что производство электричества в будущем станет одной из самых важных отраслей промышленности, а значит, необходимо. чтобы люди могли точно знать, какое количество побуждающей силы от невидимого поля они покупают. Вероятно, он хотел дать этой единице измерения имя Фарадея, которым восхищался, но вмешались французские чиновники, в руках которых в течение всего XIX века находилась научная номенклатура. Основной проблемой Фарадея стала его национальность: он был англичанином, а не французом. Также ученый не слишком хорошо владел французским языком и не публиковал на нем свои открытия.

После длительных политических разбирательств на конференции в Париже было объявлено, что официальным названием для единицы силы невидимого поля будет вольт, выбранный в честь Алессандро Вольты, который имел публикации на французском, а также оказывал всемерную поддержку Наполеону. Вольта был первым изобретателем батарейки постоянного тока, но никогда до конца не понимал механизма ее работы. В итоге потенциал электрической силы измеряется в вольтах, а не в фарадах. Если указано, что электрический аппарат работает при напряжении в 120 вольт, это означает, что для нормальной эксплуатации необходимо получать 120 джоулей энергии на каждый кулон циркулирующего электрического заряда.

Алессандро Вольта * * *

В конце концов Сайрус Филд вынужден был согласиться, что Томсон и Фарадей правы и невидимые силовые поля, способные переносить электрические заряды, все же существуют. То есть решение состояло не в том, чтобы запустить больше электронов в подводный кабель, а в том, чтобы превратить кабель в водяную трубку. Как и говорил Томсон, питание кабеля от батареи большей мощности вызывало возникновение более мощного поля, следовательно, увеличивалось взаимодействие с оплеткой и водой; часть поля подталкивала свободные электроны к перемещению по центральной медной жиле кабеля, но другая часть электронов проходила через изолятор и создавала быстро распространяющийся электрический ток в железе. По этой причине нагревались центральная медная жила и внешняя железная оплетка, а каучук, находившийся между ними, на некоторых участках даже плавился. Таким образом, при каждой передаче кабель портился все больше.

В 1866 году с помощью крупнейшего парохода той эпохи «Гpeйm Истерн» был проложен новый кабель, сделанный согласно инструкциям Томсона. «Грейт Истерн» мог перевозить 5800 километров кабеля и 500 человек. Претерпев несколько аварий, например разрыв кабеля на расстоянии 1900 километров, 27 июля 1866 года он прибыл из Ирландии на остров Ньюфаундленд, где произошли первые успешные передачи сообщений. Кабель работал отлично и практически бесперебойно со скоростью передачи до восьми слов в минуту. Стоимость сообщения из 20 слов была равна 150 долларам — немалые деньги в те годы. Фарадей был болен и состарился, но считается, что Томсон сам сообщил ему об успехе проекта и подтверждении его теорий.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОТГОЛОСКИ: МАКСВЕЛЛ И ЭЙНШТЕЙН

Открытие электромагнитной индукции суммировало все последующие эксперименты, проведенные после первого и являющиеся его вариациями. Весной 1832 года Фарадей создал и опробовал в действии самые разные катушки, гальванометры и другие аппараты, разработанные, чтобы проверить весь поток идей, пришедших ему в голову после первого успеха. В следующие месяцы Фарадей установил принципы электромагнитной индукции, на которых основывается современная теория об электричестве.

Это открытие играло решающую роль для развития физики, однако Фарадей до конца не отдавал себе отчет в том, что именно он открыл. У ученого были некоторые довольно туманные идеи о следствиях обнаруженных незначительных отклонений стрелки гальванометра. И действительно, в его дневнике мы можем прочесть о разочаровании, которое он испытал, увидев, что эти импульсы слишком слабы и непродолжительны.

Однако в ноябре 1831 года, когда Фарадей передавал на суд общественности свои знания о силовых магнитных линиях, в Шотландии родился физик Джеймс Клерк Максвелл, который в 1856 году перевел открытия Фарадея на язык математики. Самая важная часть работы Максвелла пришлась на промежуток между 1864 и 1873 годами, когда он привел имеющиеся знания к системе уравнений, объединяющих электричество и магнетизм. Так появилась теория электромагнетизма. Она утверждала, что электричество и магнетизм не существуют по отдельности, а также доказывала, что свет является частью электромагнитной среды, распространяющейся со скоростью 300000 км/с.

* * * Обобщения Максвелла по электромагнетизму

Джеймс Клерк Максвелл использовал для построения своей великой теории электромагнетизма, являющейся обобщением всех электрических и магнетических явлений, три основных элемента:

— эксперимент Эрстеда (1820), сделавший очевидным существование магнетического эффекта, создаваемого движущимися зарядами;

— открытия Фарадея (1831), доказавшие, что магнитные поля при изменении со временем создают движение электрических зарядов, в проводниках (индукцию);

— описание Шарлем Кулоном (1785) за полвека до этого в виде закона способа взаимодействия электрических зарядов: величина каждой отдельной электрической силы прямо пропорциональна произведению величин зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Это обобщение позволило Максвеллу описать электромагнетические явления в виде четырех уравнений, которые называются уравнениями Максвелла. Первое представляет электрическое поле в зависимости от зарядов в состоянии покоя; второе переводит в математическую форму закон о том, что невозможно разделить полюса магнита; третье устанавливает, что электрические токи — это не единственный источник магнитного поля (эксперимент Эрстеда), также им являются электрические поля при изменении со временем; в четвертом обобщенно представлен вклад Фарадея в электромагнетизм.