Анатолий Томилин - Рассказы об электричестве

Правило Ома оказалось настоящим законом. Все теоретические и опытные проверки показали его точность. И сегодня закон Ома, который гласит, что в замкнутой цепи сила тока прямо пропорциональна ЭДС и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи, является одним из трех китов, на которых стоит электротехника.

Когда преподаватели начинают читать студентам курс «Теоретических основ электротехники», то на самых первых лекциях главное внимание всегда уделяется четкому доказательству трех законов: закона Ома и двух законов Кирхгофа. Они просты, их сегодня нетрудно понять, но лишь к концу курса, который продолжается полтора года (три семестра), студенты постигают всю глубину этих несложных соотношений. Это действительно те три кита, на которых держатся все расчеты электрических цепей.

Студенту Густаву Роберту Кирхгофу только-только исполнился двадцать один год, когда он, получив доступ в лабораторию физики, приступил к самостоятельным исследованиям. Густава Роберта занимал вопрос о том, как течет ток по проводникам различной конфигурации, как распределяется электричество по участкам электрической цепи и какие правила позволят находить распределение токов в разветвляющихся проводниках?..

Нельзя сказать чтобы это были такие уж сложные исследования. Важно было правильно сформулировать и поставить задачу. А потом, обобщив результаты экспериментов, попытаться увидеть закономерности и вывести обобщенное правило — закон. Было бы неверным считать, что до Густава Роберта Кирхгофа эта задача никому не приходила в голову. Для некоторых частных случаев ее решали еще Ом, Ленц и Уитстон. Брались за нее и другие физики и по мере надобности делали требуемые выводы. Но в общем виде ее в 1845 году решил Кирхгоф. Он написал, что «если через систему проволок, связанных между собой произвольным образом, проходят гальванические токи, то:

1. В случае, если проволоки 1,2….,n сходятся в одной точке и токи, направленные к ней, считать положительными, то сумма всех токов будет равна нулю.

2. В случае же, если проволоки 1,2…,n образуют замкнутую фигуру, то сумма произведения тока в каждой из них на собственное сопротивление проволоки должна быть равна сумме всех электровозбудительных сил на всем пути 1, 2…,n».

Окончив Кенигсбергский университет, Кирхгоф примерно через год сформулировал окончательно эти закономерности, и оба его правила совместно с законом Ома легли в «математические основания динамического электричества».

С тех пор прошло больше полутораста лет, и сегодня на экзаменах на вопрос о законах Кирхгофа большинство студентов браво отвечают: «Первый закон: „Сумма токов, притекающих к узлу, равна сумме токов утекающих“. А второй: „В замкнутом контуре сумма падений напряжения равна сумме ЭДС“». Просто, правда? Но это — через сто пятьдесят лет…

Что же касается дальнейшей научной судьбы самого Густава Роберта, то она была вполне благоприятной. Следующий цикл его работ касался главным образом исследований в области теории деформаций, движения и равновесия упругих тел, а также течения жидкостей. Кирхгоф показал себя знающим механиком, защитил докторскую диссертацию и перешел в знаменитый Гейдельбергский университет ординарным профессором. Там он совместно с Робертом Бунзеном положил начало спектральному анализу. А в пятьдесят пять лет возглавил кафедру математической физики в Берлине и написал обширный четырехтомный труд «Лекции по математической физике». Эта книга сыграла большую роль в развитии науки.

23 мая 1825 года на заседании Британского общества искусств за длинным столом, заставленным различными электрическими приборами и внушительной батареей из вольтовых столбов, сидел высокий джентльмен с военной выправкой и благородным, хотя и несколько грубоватым лицом. Лет ему было за сорок. Скорее всего, его можно было принять за отставного военного.

Когда члены общества собрались, председатель коротко представил гостя: «Мистер Уильям Стёрджен — эсквайр», — и сказал, что мистер Стёрджен любезно согласился показать обществу ряд своих приборов для электромагнитных экспериментов и познакомить со своим изобретением…

После открытия Эрстеда опыты с электричеством и с магнитами вновь стали популярны среди образованной публики. Поэтому собравшиеся не без интереса следили за ловкими руками экспериментатора, демонстрировавшего по большей части знакомые всем и лишь слегка усовершенствованные приборы. Но вот Стёрджен сделал паузу и с некоторой торжественностью открыл большой футляр. Там лежал согнутый подковой черный лакированный стержень из мягкого железа, обмотанный блестящей медной проволокой.

Изобретатель положил прибор на весы. Английская система мер всегда отличалась замысловатостью, и я не стану перечислять фунты и унции, поставленные на другую чашку весов. Общий вес прибора составил что-то около двухсот граммов. Экспериментатор подвесил прибор на штатив и подключил к вольтовой батарее. Концы подковы, обретя магнитную силу, притянули к себе железную полосу. Стерджен стал нагружать полосу гирями: одна, другая, третья… — полоса держится: пятая, десятая… Лишь когда вес притянутого железа в 18 раз превзошел вес самого магнита, груз оторвался.

Это было неслыханно! Как удалось Стерджену так увеличить подъемную силу? Ведь ни один естественный магнит не в состоянии поднять и пятой доли такого груза… И вообще, кто такой этот джентльмен?

Люди становятся чрезвычайно предприимчивыми, если их любопытство задето. К сожалению, не всегда такой интерес направлен на должное.

Прошло всего несколько дней, и ученый Лондон узнал все подробности об изобретателе электромагнита. Оказалось, что Уильям Стерджен родился в семье сапожника. До девятнадцати лет он был практически малограмотен, находясь в обучении у коллеги родителя по цеховой принадлежности. По-видимому, предначертанная судьба не устраивала Уильяма. И в один прекрасный день, улучив момент, парень удрал от благодетеля в Вест-Морленд, где поступил в армию.

Рядовому Стерджену определенно повезло. Сержант, у которого он оказался в подчинении, был начитанным и добрым человеком. Видя тягу молодого солдата к знаниям, он принялся снабжать Стерджена книжками, которые тот читал в свободное время. По-видимому, последнего оказывалось достаточно, потому что Уильям Стерджен не только приохотился к чтению, но и научился ставить немудреные опыты по химии и физике. Более того, со временем он научился разбираться в различных механизмах и в дальнейшем всю жизнь обожал ремонтировать часы.