Коллектив авторов - 100 великих научных открытий

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.

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.

Далее Ом сравнил поведение тока в проводниках, находящихся в огне и в воде со льдом, и заключил: чем жарче, тем сопротивление больше; чем холоднее, тем сопротивление меньше. Кроме того, ученый ввел понятия электропроводности (характеристики вещества, противоположной сопротивлению) и электродвижущей силы — способности источника тока поддерживать определенное напряжение на входе и на выходе из цепи. Открытия Ома сыграли такую значимую роль в развитии физики, что немецкий ученый О. Ломмель назвал их ярким факелом, который озарил ранее темную сферу электричества.

В 1879 г. американский ученый Э. Холл обнаружил любопытный эффект — возникновение электрического напряжения на нижней и верхней кромках тонкой золотой пластины, установленной вертикально между двумя магнитами. Это можно было объяснить только тем, что магнитный поток «разгоняет» на края пластины некие крошечные частицы, которые несут в себе заряд. Существование таких частиц, входящих в состав атомов, было подтверждено опытами английского физика Дж. Дж. Томсона 18 лет спустя, и впоследствии носители заряда получили название электронов. Перед учеными встала задача объяснить явление сопротивления с позиции атомного строения вещества, и решить ее вызвался немец Пауль Друде (1863–1906).

Согласно его теории, структура металлического проводника представляет собой решетку из атомов. Каждый атом окружен внешней оболочкой из свободных электронов, которыми можно обмениваться с «соседями». Некоторые из этих электронов отправляются в вольное плавание и превращаются в нечто похожее на идеальный газ. Когда в проводнике возникает напряжение — то есть при замыкании цепи, — электроны сразу же выстраиваются и начинают упорядоченно разгоняться. Но по пути они натыкаются на кристаллическую атомную решетку и тормозят до скорости примерно 2 мм в секунду — так и возникает сопротивление. Со своей стороны, атомы от столкновений слегка раскачиваются, из-за чего проводник нагревается. Несмотря на медлительность электронов, свет в лампах зажигается сразу, поскольку при нажатии на кнопку выключателя частицы срываются с места одновременно.

Описывая свободные электроны, Друде разработал формулу, где проводимость вещества определяется концентрацией, массой, зарядом электронов и средним временем их движения между столкновениями. Эта теория смогла объяснить многие процессы, касающиеся электропроводности, и развивать ее взялся немецкий ученый Карл Рикке (1845–1915). Пропуская электрический заряд через металлы, Рикке установил, что, в отличие от жидких проводников, они не меняют своих химических свойств, то есть их молекулы не распадаются на заряженные атомы — ионы.