«Маяки истории. Том 14: Новая эра»

Обязанности юного ассистента были весьма приятными. Они заключались в том, чтобы содержать в чистоте любимые приборы лекторов и помогать им в демонстрациях. Новый мир, открывшийся таким образом, был полон блестящих перспектив. Он остро чувствовал недостатки своего раннего образования и делал все возможное, чтобы расширить свои знания, дабы иметь возможность максимально использовать свои возможности. Но что он, пожалуй, ценил больше всего, так это вдохновение, полученное от великого учителя Дэви, который был тогда профессором химии и директором лаборатории Королевского института; ибо Фарадей ассистировал на лекциях Дэви и в скромной манере даже помогал его исследованиям, разделяя опасности, возникающие при взрыве нестабильного вещества, хлористого азота, который Дэви тогда исследовал. Фарадей неоднократно признавал долг перед вдохновением этого учителя. Дэви также в более поздние годы великодушно признал в своем бывшем ассистенте философа, превосходящего его самого. Как знаменитый астроном Тихо Браге обнаружил в одном из своих учеников, Иоганне Кеплере, астронома, превосходящего учителя, и как Бергман, шведский химик, подобным же образом обнаружил великого химика Шееле, так и когда Дэви в последующие годы спросили, что он считает своим величайшим открытием, он кратко ответил: «Майкл Фарадей».

Задача научного историка, который стремится честно зафиксировать прогресс исследований и проследить влияние работы того или иного человека на времена, в которые он жил, отнюдь не легка; ибо в научной работе одно открытие часто настолько незаметно переходит в другое, что зачастую трудно понять, где одно заканчивается и другое начинается, и постоянно возникает большая трудность в том, кому следует отдать должное, когда, как это слишком часто бывает, эти открытия сделаны разными людьми. Только тогда, когда какое-то великое открытие стоит особняком, подобно гигантскому горному пику на фоне ясного неба, сравнительно легко определить масштаб и характер его влияния на другие открытия и справедливо отдать должное тому, кому оно принадлежит. Такие открытия образуют готовые ориентиры на интеллектуальном горизонте и знаменуют собой особые эры в прогрессе мира. Это верно для всей работы в области физической науки, но особенно верно для области электричества и магнетизма, в которой Фарадей был выдающимся деятелем. Область каждой из этих наук настолько обширна, число исследователей настолько велико, а применение в практических искусствах почти бесчисленно, что зачастую отнюдь не легкая задача — правильно проследить их надлежащий рост и развитие.

Исследования Фарадея охватывали обширные области химии, электричества и магнетизма. Здесь будет сделана ссылка только на последние две. Жизненный труд Фарадея в области электричества и магнетизма практически начался в 1831 году, когда он сделал свое бессмертное открытие прямого получения электричества из магнетизма. Свои лучшие работы в области электричества и магнетизма он выполнил в период между 1831 и 1856 годами, охватив, таким образом, период около двадцати пяти лет, хотя не отрицается, что хорошая работа велась и после 1856 года. Следовательно, большая часть работы Фарадея была проделана в столь сравнительно недавнее время, что некоторые из выдающихся электриков мира, начавшие свои исследования в последние годы жизни Фарадея, еще живы. Трудности прослеживания, по крайней мере в некоторой степени, влияния, которое мастерские исследования Фарадея оказали на нынешнее состояние электрических искусств и наук, будут, таким образом, значительно уменьшены.

Масштаб исследований и открытий Фарадея в области магнетизма и электричества был настолько велик, что будет невозможно в обязательно ограниченном пространстве краткого биографического очерка отметить что-либо, кроме наиболее выдающихся. Также не будет предпринято никаких попыток, за исключением случаев, когда характер исследования или открытия представляется целесообразным, следовать какому-либо строгому хронологическому порядку; ибо наше исследование здесь направлено не столько на простой вопрос истории, сколько на влияние, которое исследование или открытие оказало на жизнь и цивилизацию века, в котором мы живем.

Существует одно открытие Фарадея, которое резко выделяется среди всех его других открытий, какими бы великими они ни были, и настолько важно по своим далеко идущим результатам, что оно одно сделало бы его философским исследователем высочайшего достоинства, даже если бы он больше ничего не сделал. Это было его открытие способа получения электричества непосредственно из магнетизма. Оно было сделано 29 августа 1831 года и должно рассматриваться как вдохновленное великим открытием, сделанным Эрстедом в 1820 году, о соотношениях, существующих между вольтовым столбом и электромагнетизмом. В том же году Ампер провел то памятное исследование взаимных притяжений и отталкиваний между цепями, по которым текут электрические токи, что привело к теории электромагнетизма и, наконец, к созданию самого электромагнита. Ампер показал, что катушка проволоки, или спираль, через которую проходит электрический ток, действует практически как магнит, а Араго намагнитил железный стержень, поместив его внутрь такой спирали.

Подобно другим ученым своего времени, Фарадей полагал, что, поскольку поток электрического тока неизменно создает магнетизм, то и магнетизм, в свою очередь, должен быть способен создавать электричество. Многие исследователи до Фарадея пытались решить эту проблему, но только Фарадею суждено было добиться успеха. Поскольку успех в этом исследовании стал результатом некоторых экспериментов, которые он провел, пытаясь получить индуктивное действие на неподвижную цепь от соседней цепи, по которой протекал электрический ток, мы сначала кратко рассмотрим этот эксперимент. Все его эксперименты в этом направлении поначалу были безуспешными. Он пропускал электрический ток через цепь, расположенную близко к другой цепи, содержащей гальванометр — устройство для обнаружения присутствия электрического тока и измерения его силы, — но не смог получить никакого результата. Он искал такие результаты только тогда, когда ток был полностью установлен в активной цепи. Не обескураженный неудачей, он рассудил, что, вероятно, эффекты присутствуют, но они слишком малы, чтобы их можно было наблюдать из-за слабого индуцирующего тока. Поэтому он увеличил силу тока в активном проводе, но все еще безрезультатно.

Снова и снова он вопрошает природу, но безуспешно. Наконец он замечает, что стрелка гальванометра слегка отклоняется в момент замыкания и размыкания цепи. Тщательно повторяя свои эксперименты в свете этого наблюдения, он обнаруживает важный факт: только в момент увеличения или уменьшения силы тока — в момент замыкания или размыкания цепи — активная цепь способна создавать ток в соседней неактивной цепи путем индукции. Это было важное открытие, и в свете его последующих знаний оно было справедливо расценено как решение проблемы получения электричества из магнетизма.

Наблюдая, что стрелка гальванометра кратковременно отклоняется в одном направлении при замыкании цепи и в противоположном направлении при размыкании, он устанавливает факт, что ток, индуцированный при замыкании, течет в направлении, противоположном индуцирующему току, а ток, индуцированный при размыкании, течет в том же направлении, что и индуцирующий ток.

Установив таким образом факт индукции тока, он делает шаг по замене активных цепей магнитами; простой шаг в свете наших нынешних знаний, но гигантский скачок в то время. Помня, что индукция тока, или, как он ее называл, индукция вольтова тока, происходит только тогда, когда какой-либо эффект, производимый током, либо увеличивается, либо уменьшается, он перемещает катушки изолированной проволоки к полюсам магнита или от них, или полюса магнита к катушкам проволоки или от них, и показывает, что электрические токи генерируются в катушках, пока катушки или магниты находятся в движении, но перестают производиться, как только движение прекращается. Более того, эти магнитно-индуцированные токи ничем не отличаются от других токов — например, тех, что производятся вольтовым столбом, — поскольку, подобно последним, они производят искры, намагничивают стальные стержни или отклоняют стрелку гальванометра. Таким образом Фарадей решил великую проблему. Он получил электричество непосредственно из магнетизма!

За, пожалуй, единственным исключением открытия Эрстеда в 1820 году неизменной связи, существующей между электрическим током и магнетизмом, это открытие Фарадея можно справедливо считать величайшим в этой области физической науки. Эти два великих ума в научных исследованиях удивительно дополняли друг друга. Эрстед показал, что электрический ток неизменно сопровождается магнитными эффектами; Фарадей показал, что магнитные изменения неизменно сопровождаются электрическими токами. До этих открытий электричество и магнетизм неизбежно рассматривались как отдельные отрасли физической науки и изучались отдельно как отдельные явления. Теперь, однако, их следует рассматривать как сосуществующие явления. Невежество научного мира невольно разделило то, что природа соединила вместе.

Ввиду огромной важности открытия Фарадея мы будем оправданы, если исследуем, пусть и несколько кратко, некоторые из приборов, использованных в этом историческом исследовании. Обратите внимание на их крайнюю простоту. В одном из своих первых успешных экспериментов он обматывает катушку изолированной проволоки вокруг стержня из мягкого железа, который образует якорь или держатель постоянного магнита подковообразного типа, и соединяет концы этой катушки с гальванометром. Он обнаруживает, что всякий раз, когда якорь прикладывается к полюсам магнита и, следовательно, намагничивается при контакте с ними, отклонение стрелки гальванометра показывает, что через намотанную на якорь проволоку проходит электрический ток; что всякий раз, когда якорь удаляется от полюсов магнита и, следовательно, теряет свой магнетизм, стрелка гальванометра снова отклоняется, но теперь в противоположном направлении, показывая, что электрический ток снова течет через намотанную на якорь проволоку, но в обратном направлении. Он также замечает, что эти эффекты происходят только тогда, когда происходят изменения в силе магнетизма в якоре или когда магнитный поток проходит через катушки; ибо стрелка гальванометра приходит в состояние покоя и остается в покое до тех пор, пока контакт между якорем и полюсами остается неразорванным.

В другом эксперименте он использует простую полую катушку, или спираль, из изолированной проволоки, концы которой соединены с гальванометром. При внезапном введении одного конца прямого цилиндрического магнита в ось спирали отклонение стрелки гальванометра показало наличие электрического тока в спирали. Когда магнит был оставлен в спирали, стрелка гальванометра пришла в состояние покоя, тем самым показывая отсутствие тока. Когда стержневой магнит был внезапно извлечен из спирали, стрелка гальванометра снова отклонилась, но теперь в противоположном направлении, показывая, что направление тока в спирали изменилось на обратное.

Предыдущие результаты — это лишь некоторые из тех, что Фарадей получил с помощью своих экспериментальных исследований прямого получения электричества из магнетизма. Давайте теперь кратко рассмотрим, что именно он делал и какими средствами он получал электрические токи из магнетизма. Мы рассмотрим этот вопрос с позиций сегодняшнего дня, а не с позиций Фарадея, хотя разница между ними в большинстве аспектов несущественна.

Фарадей знал, что пространство или область вокруг магнита пронизаны или пересекаются тем, что он называл магнитными кривыми, или линиями магнитной силы. Эти линии до сих пор называют «линиями магнитной силы», или, по мнению некоторых, «магнитными потоками», «магнитным потоком» или просто «магнетизмом». Они невидимы, хотя их присутствие легко проявляется с помощью железных опилок. Они присутствуют в каждом магните, и хотя мы не знаем, в каком направлении они движутся, для того чтобы говорить о них определенно, принято считать, что они выходят из каждого магнита на его северном полюсе (или полюсе, который указывал бы на магнитный север, если бы магнит мог свободно двигаться как стрелка) и, пройдя через пространство, окружающее магнит, снова входят на его южном полюсе, тем самым завершая то, что называется магнитной цепью. Любое пространство, пересекаемое линиями магнитной силы, называется магнитным полем.

Но не только магнит окружен таким образом линиями магнитной силы или эфирными потоками. То же самое верно для любого проводника, через который течет электрический ток, и их присутствие может быть показано с помощью железных опилок. Если активный проводник — проводник, передающий электрический ток, как, например, медная проволока, — пропустить вертикально через кусок картона или стеклянную пластину, железные опилки, рассыпанные на картоне или пластине, расположатся концентрическими кругами вокруг оси проволоки. Требуется затрата энергии как для создания, так и для поддержания этих линий силы. Именно взаимодействие их линий силы вызывает притяжения и отталкивания в активных подвижных проводниках. Эти линии магнитной силы действуют на магнитные стрелки подобно другим линиям магнитной силы и стремятся установить подвижные магнитные стрелки под прямым углом к проводящей проволоке.

Создание электрического тока в проводящей проволоке, следовательно, эквивалентно созданию концентрических магнитных вихрей вокруг оси проволоки, и все, что может это сделать, создаст электрический ток. Например, если неактивная проводящая проволока перемещается через магнитное поле, вокруг нее возникнут концентрические круговые вихри; или, другими словами, в результате такого движения в ней будет генерироваться ток. Но для создания этих вихрей недостаточно того, чтобы проводящая проволока перемещалась вдоль линий силы в поле. В таком случае вокруг проводника не создается никаких вихрей. Проводник должен перемещаться так, чтобы пересекать или проходить сквозь линии магнитной силы. Каков именно механизм, посредством которого пересечение линий силы проводником создает вокруг него круговые магнитные вихри, никто не знает больше, чем он знает, что именно представляет собой электричество; но мы знаем следующее: для создания круговых вихрей или токов в ранее неактивном проводнике линии силы какого-либо уже существующего магнитного поля должны быть заставлены пройти через проводник, и сила тока, полученного таким образом, пропорциональна количеству линий магнитной силы, пересеченных за данное время, скажем, в секунду; или, другими словами, прямо пропорциональна силе магнитного поля, а также скорости и длине движущегося проводника.

Или, кратко резюмируя: Эрстед показал, что электрический ток, пропущенный через проводящую цепь, создает концентрические круговые вихри вокруг своей оси; то есть электрический ток неизменно создает магнетизм; Фарадей показал, что если линии магнитной силы, или магнетизм, заставить пересечь или пройти через неактивный проводник, вокруг проводника возникнут концентрические круговые вихри; то есть линии магнитной силы, проходящие через проводник, неизменно создают электрический ток в этом проводнике.

Об удивительной полноте исследований Фарадея по получению электричества из магнетизма можно судить по тому факту, что все известные сегодня формы магнитоэлектрической индукции — а именно самоиндукция, или индукция активной цепи на саму себя; взаимная индукция, или индукция активной цепи на соседнюю цепь; и электромагнитная индукция, и магнитоэлектрическая индукция, или индукция, создаваемая в проводниках, через которые заставляют проходить магнитный поток от электромагнитов и постоянных магнитов соответственно, — были открыты и исследованы им. И эти исследования не проводились в беспорядочной, неуклюжей, ощупью манере, которая, к сожалению, слишком часто характеризует исследователя в чужой стране; напротив, они были удивительно ясными и прямыми, показывая, насколько полным было мастерство великого исследователя над предметом, который он изучал. Это правда, что частые неудачи нередко встречали его, но, несмотря на разочарования и неудачи, он продолжал, пока полностью не прошел вдоль и поперек неизвестную область, которую он первым исследовал.

Давайте теперь кратко рассмотрим многие другие открытия и изобретения Фарадея. Хотя ни одно из них не было равно его великому открытию, многие были чрезвычайно ценными. Некоторые были использованы почти сразу; некоторые ждали много лет своего использования; а некоторые так и не были использованы. Мы должны, однако, избегать распространенной ошибки — невысоко ценить те части работы Фарадея, которые не привели непосредственно ни к созданию практических аппаратов, ни к ценным применениям в искусстве и науке, или те, которые до сих пор не оказались плодотворными. Некоторые открытия и устройства настолько опережают время, в которое они созданы, что часто проходят целые жизни, прежде чем мир будет готов их использовать. Подобно незрелым или недозрелым плодам, они склонны к преждевременной смерти, и иногда случается любопытная вещь: спустя несколько поколений после их появления последующий изобретатель или первооткрыватель, в честном неведении об их прежнем существовании, предлагает их миру как абсолютно новые. Когда время созревает, они переходят в немедленное и широкое общественное использование, так что более позднему изобретателю приписывают все заслуги первооткрывателя, а истинный первый и оригинальный изобретатель остается непризнанным.

Мы сначала рассмотрим открытие Фарадеем отношений, существующих между светом и магнетизмом. Хотя это открытие до сих пор не принесло плодов в каком-либо прямом практическом применении, оно оказалось чрезвычайно ценным с теоретической точки зрения. В этом исследовании Фарадей доказал, что световые колебания вращаются под действием магнитного поля. Он использовал свет обычной лампы Арганда и поляризовал его путем отражения от стеклянной поверхности. Он заставил этот поляризованный свет пройти через пластину из тяжелого стекла, изготовленную из боросиликата свинца. При обычных обстоятельствах это вещество не оказывало необычного действия на свет, но когда оно было помещено между полюсами мощного электромагнита и свет проходил через него в том же направлении, что и магнитный поток, плоскость поляризации света вращалась в определенном направлении.

Фарадей обнаружил, что другие твердые вещества, помимо стекла, оказывают аналогичное действие на луч поляризованного света. Даже непрозрачные твердые тела, такие как железо, обладают этим свойством. Керр доказал, что луч света, проходящий через чрезвычайно тонкую пластину сильно магнитного железа, имеет свою плоскость поляризации слегка повернутой. Фарадей показал, что способностью вращать луч поляризованного света обладают также некоторые жидкости. Но что наиболее интересно, как в твердых телах, так и в жидкостях направление вращения света зависит от направления, в котором проходит магнетизм, и поэтому может быть изменено путем изменения полярности электромагнита.

Фарадей, по-видимому, не до конца понимал это явление. Он говорил так, как будто думал, что линии магнитной силы стали светящимися под действием световых лучей; ибо он объявил о своем открытии в статье под названием «Намагничивание света и освещение линий магнитной силы». Действительно, это открытие настолько опередило время, что только позже результаты были более полно развиты, сначала Кельвином, а затем Клерком Максвеллом. В 1865 году, за два года до смерти Фарадея, Максвелл предложил электромагнитную теорию света, показав, что свет — это электромагнитное возмущение. Он указал, что как оптические, так и электромагнитные явления требуют среды для своего распространения и что свойства этой среды, по-видимому, одинаковы для обоих. Более того, скорость, с которой распространяется свет, известна путем фактического измерения; скорость, с которой распространяются электромагнитные волны, может быть рассчитана на основе электрических измерений, и эти две скорости точно совпадают. Оригинальный эксперимент Фарадея относительно связи между светом и магнетизмом, таким образом, снова экспериментально продемонстрирован; и, поскольку электромагнитная теория света Максвелла теперь опирается на экспериментальный факт, оптика становится отраслью электричества. Любопытное следствие было указано Максвеллом как результат его теории: а именно, что существует необходимая связь между непрозрачностью и проводимостью, поскольку, как он показал, электромагнитные возмущения не могут распространяться в веществах, которые являются проводниками электричества. Другими словами, если свет — это электромагнитное возмущение, все проводящие вещества должны быть непрозрачными, а все хорошие изоляторы — прозрачными. Мы знаем, что это факт: металлические вещества, лучшие проводники, непрозрачны, в то время как стекло и кристаллы прозрачны. Даже такие кажущиеся исключения, как вулканит, отличный изолятор, подпадают под этот закон, поскольку, как недавно показал Грэм Белл, это вещество удивительно прозрачно для определенных видов лучистой энергии.

В 1778 году Бругманс из Лейдена заметил, что если кусок висмута удерживать рядом с любым полюсом сильного магнита, происходит отталкивание. Другие наблюдатели заметили тот же эффект в случае сурьмы. Эти факты, по-видимому, были неизвестны Фарадею, который в 1845 году, используя мощные электромагниты, переоткрыл их и, кроме того, показал, что практически все вещества обладают способностью притягиваться или отталкиваться, будучи помещенными между полюсами достаточно мощных магнитов. Помещая тонкие иглы исследуемых веществ между полюсами мощных подковообразных магнитов, он обнаружил, что все они либо притягиваются, как железо, останавливаясь своей наибольшей длиной между полюсами; либо, как висмут, по-видимому, отталкиваются полюсами, останавливаясь под прямым углом к положению, занимаемому железом. Он рассматривал первый класс веществ как притягиваемые, а второй класс как отталкиваемые, и называл их соответственно парамагнитными и диамагнитными веществами. Другими словами, парамагнитные вещества, такие как железо, останавливались аксиально (простираясь от полюса к полюсу), а диамагнитные вещества, такие как висмут, — экваториально (простираясь поперечно между полюсами). Он зарезервировал термин «магнитные вещества» для охвата явлений как пара-, так и диамагнетизма. Он сообщил о результатах этого исследования Королевскому обществу в статье о «Магнитном состоянии всей материи» 18 декабря 1845 года.

Свойства парамагнетизма и диамагнетизма присущи не только твердым телам, но существуют также в жидкостях и газах. При экспериментировании с жидкостями их помещали в подходящие стеклянные сосуды, такие как часовые стекла, поддерживаемые на полюсных наконечниках, правильно сформированных для их приема. В этих условиях парамагнитные жидкости, такие как соли железа или кобальта, растворенные в воде, претерпевали любопытные искажения формы, стремясь расположить большую часть своей массы в направлении, в котором проходил поток; а именно, непосредственно между полюсами. Диамагнитные жидкости, такие как растворы солей висмута и сурьмы, подобным же образом располагали большую часть своей массы в положениях под прямым углом к этому направлению, или экваториально.

Сначала Фарадей приписывал отталкивание диамагнитных веществ полярности, отдельной и отличной от обычной магнитной полярности, для которой он предложил название «диамагнитная полярность». Он полагал, что когда диамагнитное вещество приближается к северному полюсу магнита, на его приближенном конце развивается северный полюс и поэтому происходит отталкивание. Впоследствии он отверг этот взгляд, хотя он был принят Вебером и Тиндалем, последний из которых провел обширную серию экспериментов по этому вопросу. Большинство физиков, однако, в настоящее время не верят в существование диамагнитной полярности. Они указывают, что кажущееся отталкивание диамагнитных веществ объясняется тем, что они менее парамагнитны, чем кислород воздуха, в котором они взвешены.

Во время этого исследования Фарадей наблюдал некоторые явления, которые привели его к убеждению в существовании другой формы силы, отличной как от парамагнитной, так и от диамагнитной силы, которую он назвал магнетокристаллической силой. Он экспериментировал с несколькими тонкими иглами висмута, подвешивая их горизонтально между полюсами электромагнита. Взяв несколько этих цилиндров наугад из большего числа, он был весьма озадачен, обнаружив, что они не все останавливаются экваториально, как должны делать хорошо ведущие себя стержни диамагнитного висмута, хотя, если их подвергнуть действию одного магнитного полюса, они действительно проявляли этот диамагнитный характер своим заметным отталкиванием. После многих экспериментов он приписал это явление кристаллическому состоянию цилиндра. Экспериментируя с тщательно отобранными группами кристаллов висмута, он полагал, что может проследить причину явления до действия силы, которую он назвал магнетокристаллической силой.

Расширенные эксперименты, проведенные Плюккером по влиянию магнетизма на кристаллические вещества, привели его к убеждению, что существует тесная связь между конечными формами частиц материи и их магнитным поведением. Этот предмет до сих пор далек от полного понимания.

Была еще одна серия исследований, проведенных Фарадеем в период между 1831 и 1840 годами, которая была удивительно использована и может быть по праву отнесена к числу его великих открытий. Мы имеем в виду его исследования законов, которые управляют химическим разложением сложных веществ под действием электричества. Тот факт, что электрический ток обладает способностью разлагать сложные вещества, был известен еще в 1800 году, когда Карлайл и Николсон разделили воду на ее составные элементы путем пропускания вольтова тока. Дэви также в 1806 году прочитал свою знаменитую лекцию «О некоторых химических воздействиях электричества», а в 1807 году объявил о своем великом открытии разложения фиксированных щелочей.

Фарадей показал, что количество химического действия, производимого электричеством, является фиксированным и определенным. Чтобы иметь возможность измерить количество этого действия, он изобрел прибор, который назвал вольтаметром, или вольта-электрометром. Он состоял из простого устройства для измерения количества водорода и кислорода, выделяемых при прохождении электрического тока через воду, подкисленную серной кислотой. Он показал многочисленными экспериментами, что производимое разложение неизменно пропорционально количеству проходящего электричества; что изменения в размере электродов, в давлении или в степени разбавления электролита не имеют никакого отношения к результату, и что поэтому вольтаметр может быть использован для определения количества электричества, проходящего в данной цепи. Он также продемонстрировал, что когда ток пропускается через различные электролиты (сложные вещества, разлагаемые при прохождении электричества), количества разложений химически эквивалентны друг другу.

О масштабе работы Фарадея в электрохимической области можно судить, рассмотрев некоторые из терминов, которые он предложил для ее явлений, большинство из которых, за некоторыми незначительными исключениями, используются до сих пор. Именно он дал название электролиз разложению под действием электрического тока; он также предложил называть провода или проводники, соединенные с батареей или другим источником электричества, электродами, назвав тот, который соединен с положительным полюсом, анодом, а тот, который соединен с отрицательным полюсом, — катодом. Он назвал отдельные атомы или группы атомов, на которые разделяются тела, подвергающиеся электролизу, радикалами, или ионами, и назвал электроположительные ионы, которые появляются на катоде, катионами, а электроотрицательные радикалы, которые появляются на аноде, — анионами.

Было много других исследований, проведенных Фарадеем, таких как его эксперименты с разрушительными электрическими разрядами, его исследования электрического угря, его многочисленные исследования явлений как фрикционного электричества, так и вольтова столба, его исследования контактных и химических теорий вольтова столба, а также исследования химического разложения с помощью фрикционного электричества; это лишь некоторые из наиболее важных из них. Те, которые мы уже обсудили, однако, будут вполне достаточны, чтобы показать ценность его работы. Вместо того чтобы браться за какие-либо другие, давайте спросим, какое влияние, если таковое имеется, оказали различные группы открытий, которые мы уже обсудили, на электрические искусства и науки в наше время. Какие практические результаты сопровождали эти открытия? Какие фактические, полезные, коммерческие машины были основаны на них? Какие полезные процессы или отрасли промышленности выросли из них?

И, во-первых, что касается фактических коммерческих машин. Эти исследования не только привели к созданию динамо-электрических машин, но, по сути, Фарадей фактически создал первое динамо. Динамо-электрическая машина, как известно, — это машина, с помощью которой механическая энергия преобразуется в электрическую энергию путем заставления проводников пересекать линии магнитной силы или быть пересеченными ими; или, кратко, это машина, с помощью которой электричество легко получается из магнетизма.

Изобретение Фарадеем первого динамо интересно тем, что в то же время, когда он сделал это изобретение, он решил проблему, которая до его времени была отчаянием самых способных физиков и математиков. Это было явление вращающегося диска Араго. Оно заключалось вкратце в следующем: если медный диск вращается над магнитом, стрелка стремится следовать за пластиной в ее вращении; или, если медная пластина помещена в покое над или под колеблющимся магнитом, она стремится ограничить его колебания и быстро привести стрелку в состояние покоя. Фарадей исследовал эти явления и вскоре обнаружил, что в медном диске, вращающемся под двумя полюсами магнита, генерируются электрические токи, которые текут радиально через диск между его окружностью и центром. Поместив один конец проводящей цепи на ось диска, а другой конец на его окружность, он преуспел в получении непрерывного электрического тока, генерируемого из магнетизма, и таким образом создал первое динамо. Это было в 1831 году. Фарадей создал много других динамо-машин, помимо этой простой дисковой машины.

Хотя дисковое динамо в своей первоначальной форме было непрактичным как коммерческая машина, тем не менее оно было не только предшественником динамо, но, по сути, было первой машиной, когда-либо созданной, которая имеет право называться динамо. Он великодушно оставил тем, кто мог прийти после него, возможность воспользоваться своим удивительным открытием. «Я, однако, — говорит он, — скорее стремился открыть новые факты и новые отношения, зависящие от магнитоэлектрической индукции, чем возвеличивать силу уже полученных, будучи уверенным, что последние найдут свое развитие в будущем». Как глубоко пророчески! Если бы прославленный исследователь мог увидеть сотни тысяч динамо-машин, которые сегодня во всех частях мира заняты преобразованием миллионов лошадиных сил механической энергии в электрическую энергию, он бы оценил, как удивительно его преемники «возвеличили силу» некоторых эффектов, которые он так умело показал миру, как получать.

Фарадей дожил до того, чтобы увидеть свое младенческое динамо, первое в своем роде, развившееся в машину, не только достаточно мощную для поддержания электрических дуговых ламп, но и в форму, достаточно практичную, чтобы непрерывно заниматься производством такого света в одном из маяков на английском побережье. Холмс создал такую машину в 1862 году, или за несколько лет до смерти Фарадея. Она была установлена под присмотром Тринити-хаус на маяке Дандженесс в июне 1862 года и продолжала использоваться около десяти лет. Когда эта машина была показана Фарадею ее изобретателем, ветеран-философ заметил: «Я дал вам ребенка, а вы приносите мне гиганта».

Трансформатор переменного тока — еще один дар Фарадея коммерческому миру. Как известно, этот прибор является устройством для повышения или понижения электрического давления. Название происходит от того факта, что прибор способен принимать электрическую энергию, подаваемую на него при одном давлении, и выдавать ее при другом давлении, тем самым трансформируя ее. Фарадей создал первый трансформатор во время своих исследований индукции вольтова тока. Современный трансформатор переменного тока, хотя и заметно отличающийся в мелких деталях от примитивного прибора Фарадея, тем не менее в общих деталях по существу идентичен ему. Огромное использование как повышающих, так и понижающих трансформаторов — трансформаторов, которые соответственно индуцируют токи более высоких и более низких электродвижущих сил в своих вторичных обмотках, чем те, которые проходят через их первичные обмотки, — показывает большую практическую ценность этого изобретения. Удивительный рост коммерческого применения переменного тока за последние несколько десятилетий был бы невозможен без использования трансформатора переменного тока.

Интересен тот факт, что открытие Фарадеем индукции вольтова тока было впервые использовано не в форме понижающего трансформатора переменного тока, а в форме повышающего трансформатора, или того, что тогда обычно называли индукционной катушкой. Еще в 1842 году Массон и Бреге сконструировали индукционную катушку, с помощью которой можно было получать крошечные искры со вторичной обмотки в вакууме. В 1851 году Румкорф сконструировал индукционную катушку, настолько улучшенную благодаря тщательной изоляции ее вторичной цепи, что он мог получать от нее потоки длинных искр в обычном воздухе. Индукционная катушка Румкорфа в последние годы была значительно улучшена как Теслой, так и Элиу Томсоном, которые отдельно и независимо друг от друга создали отличные формы высокочастотных индукционных катушек.

Индукционные катушки давно используются для исследовательских целей, а в последние годы применяются при производстве как рентгеновских лучей, используемых в фотографии невидимого, так и электромагнитных волн, используемых в беспроводной телеграфии.

Открытие Рентгена было опубликовано в 1895 году. Оно стало возможным благодаря предшествующей работе Гейслера и Крукса над световыми явлениями, возникающими при прохождении электрических разрядов через высокий вакуум в стеклянных трубках. Рентген обнаружил, что невидимые лучи, или излучение, испускаемые из определенных частей высоковакуумной трубки, когда через них проходят высоковольтные разряды от индукционных катушек, обладают любопытным свойством проходить через определенные непрозрачные вещества так же легко, как свет через стекло или воду. Он также обнаружил, что эти лучи способны возбуждать флуоресценцию в некоторых веществах — то есть заставлять их испускать свет и становиться светящимися, — и что эти лучи, подобно лучам света, способны воздействовать на фотопластинку. Из этих свойств возникли две любопытные возможности: а именно, видеть сквозь непрозрачные тела и фотографировать невидимое. Рентген назвал эти лучи X, или неизвестными лучами. Сейчас их почти неизменно называют именем их выдающегося первооткрывателя.

Давайте кратко исследуем, как возможно как видеть, так и фотографировать невидимое. Вскоре после открытия Рентгена Эдисон, с той удивительной способностью находить практическое применение почти всем открытиям, изобрел флуороскоп — экран, покрытый особым химическим веществом, которое становится светящимся при воздействии рентгеновских лучей. Предположим теперь, что между лучами и таким экраном помещено вещество, непрозрачное для обычного света, как, например, человеческая рука. Ткани руки, такие как плоть и кровь, позволяют лучам легко проходить сквозь них, но кости непрозрачны для лучей и поэтому препятствуют их прохождению; следовательно, экран вместо равномерного освещения покажет тени костей, так что глазу, рассматривающему экран, будет казаться, будто он смотрит сквозь плоть и кровь прямо на кости. Подобным же образом, если вместо экрана использовать фотопластинку, будет получено отчетливое фотографическое изображение.

Как флуороскоп, так и фотокамера оказались неоценимой помощью хирургу, который теперь может смотреть прямо сквозь человеческое тело и исследовать его внутренние органы, и, таким образом, быть в состоянии обнаружить такие инородные тела, как пули и иглы в его различных частях, или поставить правильный диагноз переломов или вывихов костей, или даже исследовать действие таких органов, как печень и сердце.

Около 1886 года Герц обнаружил, что если небольшая лейденская банка разряжается через короткую и простую цепь, снабженную искровым промежутком подходящей длины, создается серия электромагнитных волн, которые, двигаясь через пространство во всех направлениях, способны возбуждать в аналогичной цепи эффекты, которые можно легко распознать, хотя две цепи находятся на довольно значительном расстоянии друг от друга. Здесь у нас есть простой базовый эксперимент в беспроводной телеграфии, который, кратко рассмотренный, состоит из средств, с помощью которых колебания или волны, созданные в свободном пространстве с помощью разрушительных разрядов, заставляются пересекать пространство и производить различные эффекты в подходящим образом сконструированных приемных устройствах, которые приводятся в действие волнами, когда они падают на них.

Поначалу выдающиеся ученые выражали сомнение в практичности успешной передачи беспроводных сообщений на большие расстояния, поскольку эти волны, распространяясь во всех направлениях, вскоре стали бы слишком ослабленными, чтобы производить понятные сигналы; но когда из теоретических соображений было показано, что эти волны при прохождении больших расстояний практически ограничены пространством между поверхностью земли и верхними разреженными слоями атмосферы, возможность беспроводной телеграфной передачи на большие расстояния была признана. Чтобы увеличить расстояние, было необходимо либо увеличить энергию волн на передающей станции, либо увеличить чувствительность приемных инструментов, либо и то, и другое.

Прошло совсем немного времени с тех пор, как как научный, так и финансовый миры были поражены фактической передачей понятных беспроводных сигналов через Атлантику, и имя Маркони войдет в историю как имя того, кто первым совершил этот великий подвиг.

Основной предел дальности передачи заключается в чувствительности приемных инструментов. Наиболее чувствительными являются те, в которых телефонный приемник является частью приемного аппарата. Почти невероятно малое количество электрической энергии, необходимое для воспроизведения понятной речи в обычном телефонном приемнике Белла, почти не поддается воображению. Работа, затраченная на поднятие такого инструмента с его крючка к уху слушателя, если бы она была преобразована в электрическую энергию, была бы достаточной для поддержания слышимого звука в телефоне в течение 240 000 лет! Даже чрезвычайно ослабленные волны могут поэтому производить слышимые сигналы в таком приемнике.

Электрический двигатель был еще одним даром Фарадея коммерческой науке, хотя в этом случае есть и другие, кто, возможно, справедливо может претендовать на то, чтобы разделить с ним эту честь. Ранний электрический двигатель Фарадея состоял по существу из устройства, с помощью которого подвижный проводник, подвешенный так, чтобы иметь возможность вращаться вокруг полюса магнита, заставлялся вращаться за счет взаимного взаимодействия магнитных полей активного проводника и магнита. Магнит, который состоял из стержня из закаленной стали, был закреплен в пробковой пробке, которая полностью закрывала конец вертикальной стеклянной трубки. Небольшое количество ртути было помещено в нижний конец трубки, чтобы сформировать жидкий контакт для нижнего конца подвижной проволоки, подвешенной так, чтобы иметь возможность вращаться своим нижним концом вокруг оси трубки. При прохождении электрического тока через проволоку в ней создавалось непрерывное вращательное движение, направление которого зависит как от направления тока, так и от полярности конца магнита, вокруг которого происходит вращение.

Огромная ценность электродвигателя для мира слишком очевидна, чтобы нуждаться в доказательствах. Количество целей, для которых в настоящее время используются электродвигатели, настолько велико, что фактическое число двигателей, находящихся в ежедневном пользовании, почти невероятно, и с каждым годом это число стремительно растет.

Выше перечислены наиболее важные машины или устройства, которые были непосредственно созданы благодаря великому исследованию Фарадея, посвященному получению электричества из магнетизма. Давайте теперь кратко выясним, какие полезные процессы или отрасли промышленности стали возможны благодаря существованию этих машин.

По-видимому, одним из наиболее заметных требований нашей цивилизации двадцатого века является то, что человек должен иметь возможность легко продлевать день далеко в ночь. Он больше не может ложиться спать с заходом солнца и при этом идти в ногу со своими конкурентами. Из всех искусственных источников света, используемых до сих пор, дуговые и лампы накаливания, несомненно, являются лучшими, будь то с санитарной, эстетической или сугубо экономической точки зрения. Хотя общеизвестно, что как дуговые лампы, так и лампы накаливания были изобретены задолго до времен Фарадея, ни одна из них не стала коммерчески доступной до тех пор, пока не был изобретен источник электричества, превосходящий вольтов столб как по экономичности, так и по удобству. Такой электрический источник был дан миру Фарадеем через его изобретение динамо-электрической машины, и только после того, как эта машина была достаточно развита и усовершенствована, стало возможным коммерческое электрическое освещение. Энергия сжигаемого угля, преобразуемая паровой машиной для работы динамо-машины, гораздо дешевле и эффективнее для производства электричества, чем потребление металлов в вольтовом столбе.

Для скромности Фарадея характерно то, что когда в более поздние годы он слышал, как изобретатели говорят о своих электрических лампах, он воздерживался от того, чтобы называть электрический свет своим собственным, хотя без машины, которую он научил мир строить, коммерческое освещение было бы невозможно.

Удивительная активность в электрических искусствах и науках, последовавшая как естественный результат того, что Фарадей дал миру дешевый электрический источник в виде динамо-электрической машины, естественно, приводит к вопросу о том, не может ли в более позднее время произойти еще большая революция после создания еще более дешевого источника электричества. На самом деле такое открытие отнюдь не является невозможным. Когда динамо-электрическая машина вырабатывает электрический ток с помощью паровой машины, преобразование энергии, происходящее из энергии угля в электрическую энергию, является крайне неэффективным. Если бы удалось открыть практический метод, с помощью которого сжигание угля высвобождало бы электрическую энергию вместо тепловой, был бы открыт электрический источник, который по экономичности намного превзошел бы лучшую из существующих динамо-машин. Каковы были бы результаты такого открытия, никто не может сказать; одно можно утверждать наверняка: это, среди прочего, отправило бы паровую машину на свалку и решило бы проблему воздухоплавания.

То, что справедливо считается одним из величайших достижений современности, — это передача электроэнергии на сравнительно большие расстояния. У какого-либо дешевого источника энергии, скажем, у водопада, используется водяное колесо для привода динамо-машины или генератора, тем самым преобразуя механическую энергию в электрическую. Это электричество передается по проводящей линии на удаленную станцию, где оно либо непосредственно используется для целей освещения, отопления, химического разложения и т. д., либо косвенно используется для получения механической энергии для привода машин путем пропускания его через электродвигатель. Электрическая передача энергии была успешно осуществлена в Калифорнии на расстояние около 220 миль при напряжении на линиях электропередачи 50 000 вольт.

Высокое напряжение, необходимое для экономичного использования линий электропередачи, требует применения трансформаторов на каждом конце линии; а именно, повышающих трансформаторов на передающем конце для увеличения напряжения, выдаваемого генераторами, и понижающих трансформаторов на приемном конце для его снижения для использования в различных преобразующих устройствах. Эти трансформаторы используются в сочетании с генераторами переменного тока. Фарадей не только дал миру первый электрический генератор, но и первый трансформатор, а также один из первых электродвигателей, и без этих даров электрическая передача энергии на большие расстояния, которая справедливо считается одним из самых удивительных достижений нашего века, была бы невозможна.

В высоковольтных цепях, по которым передается напряжение 50 000 вольт, возникает немало трудностей из-за утечки и последующей потери энергии. Эта утечка происходит как между линейными проводниками, так и на изоляторах, установленных на опорах, образующих линейную цепь. Изоляторы изготавливаются из стекла или фарфора и имеют особую форму, известную как «тройная юбка». Потери на таких линиях из-за утечки между проводами больше, чем потери на изоляторах опор, и их можно уменьшить, располагая провода цепи как можно дальше друг от друга.

В ранней истории этой области электрическая передача энергии осуществлялась с помощью генераторов и двигателей постоянного тока — генераторов и двигателей, через которые ток всегда проходил в одном направлении. Однако такие генераторы и двигатели обладали неудобствами, которые препятствовали широкой коммерческой передаче энергии, поскольку, как мы видели, для эффективности такой передачи требовалось высокое напряжение, а коллекторные щетки и коммутаторы, используемые во всех генераторах и двигателях постоянного тока для снятия тока с машины или подачи его на двигатель, были постоянным источником проблем и опасности.

Когда двигатель переменного тока впервые вошел в широкое употребление, он использовался в сочетании с генератором переменного тока в системах электрической передачи; но такие двигатели также обладают неудобством, заключающимся в том, что они нелегко запускаются из состояния покоя с полной вращательной силой, или крутящим моментом, и поэтому непригодны там, где двигатель требует частых остановок или пусков. Если бы эти трудности остались нерешенными, электрическая передача энергии на большие расстояния, столь успешная в работе сегодня и обещающая стать еще более успешной в ближайшем будущем, была бы невозможна. К счастью, эти трудности были преодолены гением Николы Теслы при изобретении многофазного двигателя переменного тока, или асинхронного двигателя, как его сейчас обычно называют. Хотя Бэйли, Депре и Феррарис достигли многого до времен Теслы, именно исследованиям и открытиям, сделанным Теслой в период между 1887 и 1891 годами, мы обязаны появлением современного асинхронного двигателя.

Еще одним требованием нашей цивилизации двадцатого века является быстрое сообщение, городское или пригородное, и это обеспечивается различными системами электрических уличных железных дорог или электрической тягой в целом, включая электрические локомотивы и электрические автомобили. Удивительный рост в этом направлении, который наблюдался в последние несколько десятилетий, был бы невозможен без электрического генератора и двигателя — обоих даров Фарадея миру. Их применение в этой области должно, следовательно, увеличить долг, которым наша цивилизация обязана трудам этого великого исследователя.

В системе электрического движения уличных трамваев, очень широко используемой сегодня, для снятия движущего тока с подвесного проводника, подвешенного над улицей, используется одно троллейное колесо. Троллейное колесо поддерживается троллейной штангой и поддерживается в хорошем электрическом контакте с троллейным проводом, или подвесным проводником. Таким образом, ток проходит от провода вниз по проводнику, соединенному с троллейной штангой, затем через двигатели, расположенные под кузовом вагона, и от них через рельсы или заземление обратно на электростанцию. Небольшая часть тока используется для питания электрических ламп в вагоне. В некоторых системах используется подземный троллей.

Важное устройство, называемое последовательно-параллельным контроллером, используется во всех системах электрического движения уличных трамваев. Оно состоит из средств, с помощью которых пуск и остановка вагона, а также изменения его скорости и направления находятся под контролем вагоновожатого. Отдельный контроллер установлен на обеих площадках вагона. Последовательно-параллельный контроллер по существу состоит из переключателя, с помощью которого несколько двигателей, используемых во всех уличных трамваях, могут быть по-разному соединены друг с другом или с различными электрическими сопротивлениями, либо могут быть последовательно выключены или введены в цепь, так что скорость вагона может регулироваться по желанию, когда рукоятка контроллера перемещается вагоновожатым по различным пазам на верхней части корпуса контроллера. Как правило, скорость увеличивается от первого паза или пускового положения до последнего паза, а движения в противоположном направлении меняют соединения в обратном порядке, тем самым замедляя ход вагона. Однако нет определенной скорости, соответствующей каждому пазу, поскольку она будет варьироваться в зависимости от нагрузки на каждый вагон и от уклона, по которому он может двигаться.

Но есть еще один ценный дар, полученный миром в результате этого великого открытия Фарадея, а именно: самый удивительный инструмент современности — говорящий телефон. Этот инструмент был изобретен в 1861 году Филиппом Рейсом, а впоследствии независимо переизобретен в 1876 году Элишей Греем и Александром Грэмом Беллом.

Как известно, по телефонной цепи передаются электрические токи, а не звуковые волны. Магнитоэлектрический телефон в простейшем виде состоит из пары инструментов, называемых соответственно передатчиком и приемником. Мы говорим в передатчик и слушаем через приемник. И передатчик, и приемник состоят из постоянного магнита из закаленной стали, вокруг одного конца которого помещена катушка изолированной проволоки. Перед этой катушкой диафрагма, или тонкая пластина, из мягкого железа поддерживается таким образом, чтобы иметь возможность свободно вибрировать по направлению к полюсу магнита и от него.

Принцип работы передающего инструмента легко понять в свете открытия Фарадея. Это просто динамо-электрическая машина, приводимая в действие голосом говорящего. Когда звуковые волны от голоса говорящего ударяются о диафрагму, которая стала магнитной из-за близости к полюсу магнита, в катушке проволоки, окружающей этот полюс, генерируются электрические токи, поскольку движения туда-сюда заставляют линии электромагнитной силы проходить через проволоку в движущейся катушке. Работа принимающего инструмента также легко понятна. Он действует как электродвигатель, приводимый в действие токами туда-сюда, генерируемыми передатчиком. По мере того как эти токи передаются по проводу, они проходят через катушку проволоки на принимающем инструменте и воспроизводят в нем точные движения передающей диафрагмы, поскольку, усиливая или ослабляя магнетизм полюса, они вызывают аналогичные движения диафрагмы, расположенной перед ним. Следовательно, тот, кто слушает у принимающей диафрагмы, услышит все, что произносится в передающую диафрагму. Таким образом, благодаря комбинации динамо-машины и двигателя, которые Фарадей дал миру, мы получили этот бесценный инструмент, который оказал столь мощное влияние на цивилизацию двадцатого века.

Электрический телеграф зародился задолго до времен Фарадея. Еще в 1847 году Уотсон установил линию длиной около двух миль, протянув ее над крышами домов в Лондоне, и управлял ею с помощью разрядов от обычной электростатической машины трения. В 1774 году Лесаж установил в Женеве электрический телеграф, состоящий из нескольких металлических проводов, по одному на каждую букву алфавита. Эти провода были тщательно изолированы друг от друга. Когда сообщение нужно было отправить по этой ранней телеграфной линии, электрический разряд пропускался через конкретный провод, представляющий букву алфавита, которую нужно было отправить; этот разряд, достигая другого конца, заставлял бузинный шарик отталкиваться, и таким образом, с большим трудом, буква за буквой, сообщение передавалось. Насколько нелепо громоздким был такой инструмент по сравнению с электромагнитным телеграфом Морзе сегодняшнего дня, который требует лишь одного провода; или с гармоническим телеграфом Грея, который позволяет одновременно передавать восемь или более отдельных сообщений по одному проводу; или с удивительной квадруплексной телеграфной системой Эдисона, которая позволяет одновременно передавать четыре отдельных и различных сообщения по одному проводу, два в одном направлении и два в противоположном направлении одновременно; или с еще более удивительным мультиплексным телеграфом Делани, который способен одновременно передавать до семидесяти двух отдельных сообщений по одному проводу, тридцать шесть в одном направлении и тридцать шесть в противоположном. Эти достижения стали возможны только благодаря исследованиям и открытиям Эрстеда, Фарадея и множества других выдающихся деятелей; ибо именно электромагнит, ставший возможным благодаря Эрстеду, вместе с великолепными открытиями Фарадея и других ученых после него, сделали возможными эти удивительные успехи в электротелеграфной передаче информации.

Прежде чем завершить этот краткий обзор некоторых последствий, которые работа Фарадея оказала на прикладные искусства и науки, давайте кратко рассмотрим генерирующие установки, которые либо работают, либо строятся на Ниагарском водопаде.

Некоторое представление о размерах генерирующей установки на Ниагарском водопаде с американской стороны можно получить из того факта, что там уже установлено одиннадцать отдельных генераторов мощностью 5 000 лошадиных сил каждый. Оставшаяся пропускная способность туннеля позволит установить дополнительные 50 000 лошадиных сил, или всего 105 000 лошадиных сил.

На канадской стороне водопада вскоре будет построена еще одна крупная установка с конечной мощностью в несколько сотен тысяч лошадиных сил. Здесь, однако, размер генерирующего блока будет вдвое больше, чем на американской стороне, то есть 10 000 лошадиных сил. Эти генераторы будут рассчитаны на создание электрического напряжения в 12 000 вольт, повышаемого с помощью повышающих трансформаторов до 22 000, 40 000 и 60 000 вольт, в зависимости от расстояния передачи. Каждая из вращающихся частей этих машин будет весить 141 000 фунтов. До каких гигантских размеров выросла маленькая динамо-машина Фарадея за это короткое время с момента своего рождения!