100 великих научных открытий

В следующих опытах Фарадей внимательнее пронаблюдал за гальванометром и увидел, что прибор все же реагирует на ток, только длится это одно мгновение — когда цепь замыкается и размыкается. То есть именно в эти моменты во второй проволоке возникал ток. Такие короткие токи — Фарадей назвал их индуктивными — так и остались бы любопытным, но бесполезным открытием, если бы ученый не сконструировал специальный коммутатор, открывающий и закрывающий электрическую цепь. Благодаря этому поток электричества, текущий от батареи по первой проволоке, то прерывается, то возобновляется, беспрестанно возбуждая во втором проводе индуктивные токи и преобразуя их в постоянный. Потому данный вид электроэнергии назвали индукционной.

Не желая останавливаться на достигнутом, Фарадей выяснил, что мгновенный ток в нейтральной закрученной проволоке возбуждается даже при ее приближении к проводу с гальваническим током и отдалении от него. В первом случае индуктивный ток течет в обратную сторону от гальванического, а во втором — в том же направлении. В связи с этим встал вопрос: нельзя ли добиться того же эффекта, намагничивая и размагничивая железо?

Можно, ответил Фарадей, проведя еще серию опытов. Теперь он обматывал две проволоки вокруг железного кольца, возбуждая магнитное поле опять-таки батареей; вокруг железного бруска, который намагничивался стальным магнитом; наконец, вокруг самого магнита. Во всех случаях «включение/выключение» магнитного поля (приближение/отдаление проволоки от магнита) вызывало мгновенные токи.

Далее ученый доказал, что индуктивный ток генерируется не только тогда, когда его источник приближается или отдаляется от магнита, но и просто при переходе через силовые линии (эти линии Фарадей открыл в 1830 г., когда заметил, что железная стружка группируется вокруг магнита по полукруглым кривым). А еще великий физик решил проблему, которая занимала чуть ли не всех ученых того времени: почему магнитная стрелка крутится следом за расположенным под ней диском из металла-немагнетика? Ответ Фарадея был таков: под воздействием магнита диск, обращаясь, генерирует индуктивные токи, а те, в свою очередь, приводят в движение стрелку.

В 1832 г., основываясь на своих наблюдениях земного магнетизма, Фарадей предложил проект телеграфа, а через три года сделал еще одно открытие: во время замыкания и размыкания гальванической цепи в проводнике обычного тока тоже возникают токи индуктивные.

Уже в 1860-е Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) определил магнитное поле как часть пространства, где предметы пребывают в электрическом или магнитном состоянии, а также вывел целую систему уравнений, описывающих взаимосвязи между явлениями электромагнетизма, к которым относится и видимый солнечный свет. Таким образом, Максвелл окончательно связал магнетизм с электрическими токами. А в ХХ в. квантовые физики уточнили, что электромагнитная энергия выделяется порциями-квантами и магнитные свойства есть даже у мельчайших частиц.

Проводимость металлов и закон Ома

Современным людям (даже не особо разбирающимся в физике) закон Ома кажется простым: чем больше напряжение в проводнике, тем сила тока выше, чем больше сопротивление проводника, тем она ниже. Однако в первой половине XIX в. никто понятия не имел, из чего «сделан» ток, что влияет на его скорость, силу и т. д. До 1840-х ученые полагали, будто проводник никоим образом не участвует в движении тока. Немецкий физик Георг Симон Ом (1789–1854) был первым, кто в этом усомнился и потому решил измерить силу тока.

Поскольку специальных измерительных приборов тогда попросту не было, Ом решил доработать «крутильные весы» — изобретение француза Ш.-О. Кулона, которое представляло собой подвешенное на нити коромысло с двумя грузами по краям. Результатом упорного руда стал прибор, идеально подходящий для измерений тока, и Ом наконец-то начал свои эксперименты.

Для этого он взял термоэлемент — устройство, преобразующее тепловую энергию в электрическую, — в составе медного и висмутового брусков, соединенных между собой. Над термоэлементом на золотой проволоке была подвешена магнитная стрелка, накрытая стеклянным колпаком, защищавшим ее от движения воздуха. Когда место соединения металлических брусков нагревалось, по цепи начинал идти электрический ток — более стабильный, чем ток, который генерировался гальванической батареей и испытывал постоянные скачки напряжения. Под действием тока стрелка отклонялась, но Ом, подкручивая проволоку, возвращал ее в исходную позицию и замерял транспортиром угол поворота. В зависимости от величины этого угла и определялась сила тока.

Ученый поставил еще несколько аналогичных опытов с другими проводниками и в результате убедился: сила тока возрастает пропорционально увеличению напряжения («возбуждающей силы», то есть работы электрического поля, связанной с переносом заряда). Ом даже составил таблицы таких соответствий, а затем попробовал варьировать протяженность проводника и выявил, что с увеличением длины растет сопротивление цепи и уменьшается сила тока.