Покоренный электрон

Фарадей повторял опыт несколько раз, менял концы проводов у гальванометра и батарей. Все было безрезультатно.

Ожидания Фарадея не оправдались.

Ученого, который слепо преклоняется перед опытом, эта неудача заставила бы бросить начатую работу. Опыт не удается — ничего не поделаешь! Но Фарадей не принадлежал к таким ученым. «Если опыт не удался, — рассуждал Фарадей, — значит я не сумел его поставить. Ток должен влиять! Ток в одной катушке должен вызвать ответный ток во второй катушке!»

Фарадей упрямо продолжал опыты, кропотливо отыскивая причину неудач. Он продумывал каждую мелочь, каждое свое движение. На опыты ушло несколько лет настойчивого труда. Уже потеряв надежду на успех, Фарадей случайно обратил внимание на то, что он сначала присоединяет провода к батарее, а потом смотрит на гальванометр!

Оплошность!

Фарадей прикрутил провод катушки к одному полюсу батареи, поставил гальванометр так, чтобы можно было одновременно и присоединить второй провод и видеть стрелку гальванометра. Не сводя глаз со стрелки, Фарадей коснулся проводом полюса батареи. В момент соприкосновения стрелка гальванометра едва заметно вздрогнула.

Первый успех!

Фарадей коренным образом изменил свой прибор. Он намотал две медные изолированные спирали не на деревянный цилиндр, а на кольцо, сваренное из мягкого железа. Одна спираль охватывала правую половину кольца, вторая — левую. Между спиралями оставались небольшие промежутки железа. Иначе говоря, он сделал два электромагнита, для которых железное кольцо служило общим сердечником.

Концы проволок от одной спирали Фарадей прикрепил к гальванометру, затем, внимательно глядя на прибор, он подключил батарею ко второй спирали. Стрелка гальванометра не только дрогнула, она прыгнула, заметалась из стороны в сторону, далеко отлетая каждый раз от нуля. Стрелка как бы повторяла движения концов проводника, которые Фарадей держал в руках, и успокоилась только тогда, когда ученый поплотнее скрутил провода.

Это была долгожданная победа — плод беспримерного терпения, настойчивости и глубокого убеждения в правоте своей идеи.

После работ Ломоносова и Петрова открытие Фарадея было крупнейшим успехом науки об электричестве.

Единство магнитных и электрических явлений стало очевидным.

Явление, открытое Фарадеем, получило название электромагнитной индукции, то есть электромагнитного наведения или влияния.

Магнитное поле электрического тока

Опыт с магнитом и железными опилками известен с давних пор: магнит прикрывают бумажкой, а на бумагу насыпают железные опилки, и они, падая на бумагу, ложатся не бесформенной грудой, а собираются над полюсами магнита, составляя фигуру, слегка напоминающую двух многоногих пауков.

Опилки размещаются между полюсами и вокруг них по каким-то дорожкам. Магнитные силы заставляют частички металла сцепляться, укладываться вдоль магнитных «дорожек» цепочками, образуя симметричные узоры, состоящие из отдельных, правильно изогнутых линий (рис. 23).

Рис. 23. Магнит заставляет железные опилки располагаться вдоль магнитных силовых линий.

Если передвигать магнит под бумажкой с места на место, то и опилки будут перекатываться вслед за ним и располагаться в прежнем порядке вдоль дугообразных линий, окружающих полюсы магнита.

Эти дорожки-линии, по которым выстраиваются железные опилки, указывают направления, по которым действует магнитная сила.

Узор, составленный из опилок, дает наглядное представление о расположении магнитных силовых линий и доказывает, что магнит окружен магнитным полем, подобно тому, как электрический заряд окружен электрическим полем.

Магнитное поле представляет собой как бы продолжение магнита, его невидимую, но совершенно реальную материальную «оболочку». Если к северному полюсу магнита приближать северный полюс другого магнита, то сопротивление магнитных полей становится ощутимым — они пружинят, отталкивают, мешают соприкосновению одноименных полюсов.

Фарадей обнаружил, что не только природные магниты, но и каждый отрезок провода, по которому движутся электрические заряды, окружен со всех сторон кольцевыми силовыми линиями магнитного поля. Ученый доказал, что электрический ток всегда порождает магнитное поле вокруг проводника, по которому течет.

В существовании такого поля можно убедиться на опыте: проколоть кусок плотной бумаги иглой, продеть сквозь прокол провод и пропустить по нему сильный электрический ток (рис. 24).

Рис. 24. Электрический ток заставляет мелкие железные опилки укладываться возле проводника правильными кругами.

Если в это время сыпать на бумагу мелкие железные опилки, то они улягутся вокруг провода правильными концентрическими кольцами.

Теперь становится понятным опыт Эрстеда — магнитная стрелка под проводом, по которому бежит ток, отклоняется в сторону, потому что на нее действует магнитное поле электрического тока.

Магнитные свойства тока можно показать и более эффектным способом. Если к свободно подвешенному проводнику, по которому течет постоянный ток, поднести подковообразный магнит, проводник будет либо- втягиваться в подкову, либо выталкиваться из нее, в зависимости от направления тока и положения полюсов магнита (рис. 25).

Рис. 25. Подковообразный магнит втягивает в промежуток между полюсами проводник с током или выталкивает его в зависимости от положения полюсов магнита.

Открытие магнитного поля вокруг тока навело Фарадея на новую мысль.

Постоянный ток, текущий по проводу, хотя и окружен магнитным полем, но никакого влияния на соседний провод не оказывает. Индуктивного тока в нем не образуется. Он возникает только тогда, когда ток включают или выключают, то есть когда магнитное поле вокруг проводника либо разрастается, либо спадает. Следовательно, индуктивный ток порождается только изменяющимся магнитным полем.

При этом, когда в первичную обмотку включают ток, то во вторичной обмотке возникает «наведенный» индуктивный ток, он всегда течет навстречу току в первичной обмотке.

При размыкании — наоборот: во вторичной обмотке появляется индуктивный ток, текущий в том же самом направлении, что и в первичной обмотке.

Фарадей доказал, что «наведенный», индуктивный ток вторичной обмотки, в свою очередь, тоже влияет на первичную обмотку, он тоже вызывает в ней индуктивный ток. Подобное же явление наблюдается и в том случае, если для опыта возьмем только одну катушку.

Как только присоединим ее к полюсам батареи, по проводу катушки пойдет ток и в ней возникнет магнитное поле, усиливающееся вместе с током.

Усиление магнитного поля внутри катушки должно было бы индуктировать в ней же самой «встречный» ток, то есть противоположного направления. Однако по одному проводу ток одновременно в двух противоположных направлениях течь не может, и индукция будет лишь ослаблять включаемый ток. Значит, при включении тока возникающее магнитное поле замедляет нарастание его. Включенный ток достигает своей наибольшей силы не сразу, а постепенно.

Такое явление — влияние изменений силы тока в проводнике на самого себя — называется самоиндукцией. Самоиндукция имеет большое сходство с инерцией. Инерция препятствует мгновенному изменению скорости тела, а самоиндукция замедляет всякое изменение силы тока.

Особенно сильно проявляется самоиндукция у катушек с железными сердечниками. Когда включают большой электромагнит, ток в нем нарастает очень медленно — в течение нескольких секунд, и поэтому при включении в рубильнике проскакивает совсем маленькая искра, а то и вовсе ее не бывает. Зато когда выключают большой электромагнит, проскакивает сильная яркая искра, так как ток, поддерживаемый самоиндукцией, продолжает идти даже через воздушный промежуток, образующийся при разъединении контактов рубильника (рис. 26).