Сидней Уитингтон - История инженерного дела. Важнейшие технические достижения с древних времен до ХХ столетия

А тем временем Майкл Фарадей (1791–1867), английский химик и физик, доказал, что подвешенная проволока, один конец которой опущен в сосуд с ртутью, будет вращаться вокруг постоянного магнита в ртути, пока проволока и ртуть будут соединены с разными полюсами электрической батареи. Это открытие электричества, производящего движение, со временем привело к созданию электродвигателя. В 1826 году немец Георг Симон Ом (1787–1854) сформулировал фундаментальный закон, который теперь носит его имя. Его открытие было не менее важным, чем установление Ампером различия между электрическим потенциалом и током, и таким же необходимым для инженерии. Ом провел много точных экспериментов, прежде чем объявил, что сила тока в цепи прямо пропорциональна разности потенциалов и обратно пропорциональна сопротивлению.

Фарадей был убежден, что, если электричество может порождать магнетизм, как утверждает Эрстед, значит, справедливо и обратное, то есть магнетизм может порождать электричество. В течение нескольких лет он вел эксперименты и в 1831 году открыл принцип магнитной индукции. В этом же году он впервые осознал, что ток индуцируется в проводнике, в то время как интенсивность магнитного поля или увеличивается, или уменьшается, когда проводник двигается в магнитном поле. Фарадей также выяснил, что можно производить электрический ток в одном или двух витках, двигая их друг к другу или отодвигая друг от друга, в то время как ток течет во втором витке. Тогда он заменил проводник витком проволоки с током и получил то же самое. Используя два витка, намотанные на отдельные части замкнутого железного кольца, Фарадей заметил, что, когда он замыкает цепь ко второму витку, стрелка гальванометра дергается в одном направлении, а потом возвращается к нулю. Когда он размыкает цепь, стрелка отклоняется примерно на такое же расстояние в другом направлении и потом тоже возвращается к нулю. В 1831 году Фарадей также продемонстрировал, что, поворачивая медный диск между магнитными полюсами, он может генерировать постоянный ток. На этих открытиях основано механическое производство электричества. Таким образом, Майкл Фарадей открыл не только базовый принцип электродвигателя, но также базовый принцип генератора, индукционной катушки и трансформатора.

Честь открытия индукции Фарадей должен разделить с американским физиком Джозефом Генри (1797–1878). Приоритет, разумеется, принадлежит Фарадею, который первым опубликовал результаты в апреле 1832 года. Генри, работавший независимо, обнаружил индукцию раньше Фарадея, однако опубликовал результаты позже. Обнаружение индукции завершило великие открытия, сделанные сразу после установления Эрстедом электромагнетизма. Следующий важный прорыв был сделан в 1865 году, когда шотландец Джеймс Максвелл (1831–1879) опубликовал работу «Динамическая теория электромагнитного поля». В ней Максвелл вывел уравнения, описывающие явления, которые связывают электрическую проводимость, диэлектрические константы и магнитную проницаемость вещества с электрическим и магнитным полями и механической силой. Один из интересных выводов Максвелла, сделанный на основе его анализа, заключался в следующем: колебательное или переменное электромагнитное возмущение породит электромагнитные волны, имеющие скорость света.

Экспериментальные доказательства этого чудесного предсказания были получены только в 1887 году, когда молодой немецкий физик Рудольф Герц (1857–1894) объявил, что сумел получить и обнаружить волны «эфирной силы», колеблющиеся в «проникающем всюду эфире», которые имеют электромагнитные свойства. Герц использовал «электрический осциллятор», состоящий из двух металлических шаров, разделенных воздушным промежутком и соединенных с концом индукционной катушки так, чтобы между шарами пролетала искра. Его детектором послужил отрезок проволоки длиной около 7 футов с небольшим металлическим шариком на каждом конце. При установке нужного расстояния искра проскальзывала по воздушному пространству в детектор, когда осциллятор искрил. Герц сумел показать, что эти новые волны – волны Герца – подвержены отражению и рефракции, так же как световые и тепловые волны. Позже Герц подсчитал, что скорость его электромагнитных волн оказалась равной скорости света, тем самым подтвердив блестящее предсказание Максвелла. Сегодня волны Герца называют радиоволнами. Радиосвязь и телевидение напрямую основаны на знании свойств волн, которые Герц обнаружил в 1887 году, а Максвелл предсказал их существование двумя десятилетиями раньше.

Пока совершались открытия в области электромагнитных волн, образовались еще два поля для исследований, которые должны были дать важные знания для их применения в радио и телевидении. Одно из них – катодные лучи, иными словами, лучи, исходящие от катода, или отрицательного полюса вакуумной трубки, через которую течет ток. Юлиус Плюккер (1801–1868), физик из Боннского университета, открыл катодные лучи в 1859 году. Другое направление исследования – так называемый эффект Эдисона, открытый в 1883 году Томасом Эдисоном (1847–1931).

Через десять лет после открытия Плюккером катодных лучей его ученик Иоганн Вильгельм Гитторф (1824–1914) показал, что эти лучи распространяются по прямой. А магнитное поле под прямым углом к линии разряда будет их отклонять. К 1879 году английский физик и химик Уильям Крукс (1832–1919) продемонстрировал, что катодные лучи имеют импульс и энергию. В 1897 году английский физик Джозеф Джон Томсон (1856–1940) убедительно доказал, что катодные лучи есть отрицательно заряженные частицы, подобные атомам, которые он назвал корпускулами, а сегодня их называют электронами. Открытие Томсоном электрона явилось первым физическим свидетельством того, что такие частицы существуют в природе. Вместе с открытием Антуаном Анри Беккерелем (1852–1908) годом раньше радиоактивности это явилось отправной точкой для удивительных достижений атомной физики в двадцатом веке.

Открытие Томсона позволило ему объяснить эффект Эдисона. Эдисон обнаружил, что слабый ток идет от нити его недавно изобретенной лампы накаливания, из которой выкачан воздух, на электрод, запечатанный в лампу, если электрод заряжен положительно. Если электрод заряжен отрицательно, тока не будет. Два британских исследователя Уильям Генри Прис (1834–1913) в 1885 году и Джон Амбруаз Флеминг (1849–1945) в 1890 и 1896 годах подробно изучили эффект Эдисона. В 1903 году Томсон доказал, что электроны являлись переносчиками тока в эффекте Эдисона. Применение этого знания было очень важным в области электроники. Радиолампа и электрический клапан использовали это явление, фундаментальное для коммуникационной инженерии.