Еще в середине XVIII века отец русской науки Михаил Васильевич Ломоносов, прозорливо указывая на электрические опыты как на «великую надежду к человеческому благополучию показующие», пророчески предсказал наступление времени, когда электричество станет слугой человека.
Смелые слова Ломоносова, сказанные «в далекие годы свечи и лучины, в годы трепета перед божественной силой молнии» (А. Ферсман), не могли не сбыться. Их произнес не фантазер, а великий ученый, поднявшийся в познании тайны электричества выше всех своих современников, видевший на столетия вперед.
Этот человек, дерзкими опытами доказавший родство грозной молнии с крохотными искрами, выскакивающими из натертого стекла, знал, какие силы скрываются в электричестве. Вот что совершает дикое, неприрученное электричество. Все вокруг ослепительным светом озаряет молния. Плавит камни и железо, падая на них. Раскалывает в щепу вековые дубы. А полярные сияния, стоцветным холодным заревом встающие над северными землями! Ведь это тоже проявление сил электричества — в этом твердо был убежден Ломоносов.
Сам Ломоносов многим помог тому, чтобы приблизить время, предсказанное им, — крупнейшими вкладами обогатил русский ученый науку об электричестве.
Плечо к плечу с Ломоносовым над познанием тайн электричества трудился его друг, петербургский академик Рихман, создатель первого электроизмерительного прибора.
Во время одного из дерзких опытов по исследованию атмосферного электричества Рихман был убит молнией, вылетевшей из металлического прута, которым ученый низводил в свою лабораторию «небесный огонь».
Потрясенный гибелью друга, Ломоносов писал: «Умер господин Рихман прекрасною смертию, исполняя по своей профессии должность. Память его никогда не умолкнет». Трагическая смерть Рихмана не остановила Ломоносова. Он продолжил смелые опыты по исследованию молнии, начатые им вместе с другом.
Намного опережая свое время, Ломоносов создал первую научную теорию происхождения атмосферного электричества. Эта теория в XX веке была полностью подтверждена. Разрабатывал Ломоносов и электрическую теорию происхождения полярных сияний. Он говорил, что эти сияния есть не что иное, как электрические разряды в разреженном газе. Свою гипотезу Ломоносов подкрепил выдающимся опытом. Выкачав из стеклянного шара воздух и наэлектризовав шар, Ломоносов вызвал внутри его свечение. Шар Ломоносова был, по сути дела, прибором для изучения электрического разряда в разреженных газах; своим опытом Ломоносов проложил дорогу в ту область электрических явлений, которая потом так глубоко была изучена Столетовым.
Ломоносов первым начал создавать математическую теорию электричества. Опровергая идеалистические взгляды на электричество как на некую невесомую жидкость, он утверждал, что свет и электричество — сходные явления. Оба они есть особые формы движения материи, говорил он. Прозрение Ломоносова об общности природы электричества и света — одна из основ современной физики. Гипотеза Ломоносова получила впоследствии блестящее подтверждение в трудах Александра Григорьевича Столетова.
Много крупнейших открытий в науке об электричестве совершил младший современник Ломоносова, петербургский академик Т. Эпинус (1724–1802).
Эпинус глубоко исследовал явление электростатической индукции, заключающееся в том, что наэлектризованное тело своим влиянием заставляет электризоваться окружающие его тела.
Первая научная работа Столетова была блестящим продолжением трудов Эпинуса.
Выдающейся победой науки было открытие Эпинусом пироэлектричества. Ученый показал, что электричество может рождаться при нагревании некоторых кристаллов.
Труды Ломоносова, Эпинуса, Рихмана осветили дорогу грядущим исследователям. Русские ученые запомнили слова Ломоносова о благе, которое может принести человечеству сила электричества.
В создании электротехники, этой замечательной науки о практическом использовании электричества, первостепенную роль сыграли труды многих и многих отечественных ученых-изобретателей. Их руками были выкованы важнейшие звенья этой науки, сделавшей электричество слугой человека.
В один из хмурых ноябрьских дней 1802 года стены физического кабинета Петербургской медико-хирургической академии озарились невиданно ярким светом. Этот свет изливало ослепительно белое пламя, сверкающим мостиком перекинувшееся между концами двух угольков, от которых тянулись провода к мощной электрической батарее.
Рождение электрической дуги — первого электрического светильника и мощного источника тепла — было одновременно рождением электротехники, первым шагом к овладению электричеством для практических нужд.
Открыв электрическую дугу, академик Василий Владимирович Петров (1761–1834) предсказал возможность ее применения для освещения, для плавки металлов, для преобразования вещества. Своим открытием В. В. Петров завоевал бесспорное право именоваться отцом электротехники, пионером электрического освещения и электрометаллургии. Благодаря трудам Петрова Россия стала родиной электрического освещения и электрического нагрева, этих важнейших областей электротехники. Петров изучал и электролиз — процесс разложения вещества с помощью электричества. Он же открыл и замечательное явление — соединение азота с кислородом под действием электрической искры. Это явление современник Петрова Василий Назарович Каразин (1773–1842) предлагал использовать для получения азотистых удобрений из воздуха с помощью электричества. Идея Каразина «выкачивать» электричество из атмосферы (Каразин думал делать это с помощью воздушных шаров, оснащенных металлическими остриями) и посейчас волнует электротехников.
Крупнейшие вклады в электротехнику сделали современники Петрова, русские ученые, уроженцы западных областей России X. Гротгус (1785–1822), создавший первую теорию электролиза, и Т. Зеебек (1770–1831), открывший термоэлектричество — способность спая двух разнородных металлов рождать под действием тепла электрический ток. Московский профессор Ф. Ф. Рейсе (1778–1852) обнаруживает явление электрофореза — движение мельчайших частичек, взвешенных в жидкости, под действием идущего через нее электрического тока.
Эти открытия потом нашли широчайшее применение в технике.
Термоэлектрические приборы применяются сейчас для измерения температуры.
Они стали важнейшими частями различных автоматических устройств.
Широко использует техника и явление электрофореза.
Своими открытиями и изобретениями русские ученые положили начало и такой важной области электротехники, как электрическая связь и управление.
Первый электромагнитный телеграф был построен в России, его изобрел в 1832 году Павел Львович Шиллинг (1786–1837).
Все новых и новых энтузиастов борьбы за покорение электричества давала наша родина. Им приходилось преодолевать и косность царских чиновников и враждебность завистливых и наглых иностранцев, стремившихся принизить, замолчать и задушить русскую мысль, а зачастую присвоить и украсть открытия, сделанные нашими учеными.
Проекты русских ученых покрывались пылью в архивах министерств, изобретения русских ученых не находили применения на родине. Но эти люди, веря в свой народ, любя свою родину, продолжали творить.
После смерти Шиллинга, заставшей его в тот момент, когда он проводил телеграфную линию между Кронштадтом и Петербургом, над совершенствованием электрической телеграфии работал академик Борис Семенович Якоби (1801–1874).
Якоби изобрел в 1839 году самопишущий телеграф. В том же году ученый добился практического использования своего изобретения. Аппарат Якоби стоял на линии, связывающей Зимний дворец с Главным штабом. Морзе, как известно, построил свою линию только в 1844 году. Опережая западных электротехников, Якоби в 1850 году создал первый в мире буквопечатающий телеграфный аппарат.
Русским ученым принадлежит первенство и в создании силовой электротехники.
Летом 1838 года петербургские жители, столпившись на берегу Невы, с интересом следили за странной лодкой.
На этой лодке не было ни весел, ни гребцов, не было на ней и паровой машины. Какая-то непонятная сила вращала гребные колеса, и лодка быстро шла против сильного невского течения.
Так сто с лишним лет назад испытывалась первая в мире электрическая лодка, построенная петербургским академиком Б. С. Якоби.
Двигатель, созданный Якоби, был первым практически годным электромотором. Этот мотор питался от батарей гальванических элементов.
Своим изобретением Якоби открыл новую эпоху в электротехнике. Западные изобретатели, пытаясь построить электродвигатель, рабски копировали паровую машину. Рабочими частями их электродвигателей были металлические стержни, двигающиеся возвратно-поступательно, подобно поршню паровой машины. Качания стержней изобретатели с помощью сложных передач преобразовывали в круговое движение. Электродвигатель Якоби действовал иначе: он сразу давал круговое вращение. Этот электродвигатель стал прообразом великой армии электромоторов современности.
Электродвигатель Якоби был обратимой машиной. Он был одновременно и динамомашиной. Он мог вырабатывать ток, если бы его привели во вращение каким-нибудь двигателем.
Якоби создал и гальванопластику, эту замечательную отрасль электротехники. Пользуясь электролизом, можно покрывать металл слоем другого металла, готовить копии с оттисков, очищать металл от примесей.
Сверкающие золотом главы Исаакиевского собора и воспетая Пушкиным «адмиралтейская игла» были покрыты благородным металлом по способу Якоби.
Используя свое изобретение, Якоби изготовил и барельефы для Зимнего дворца и Эрмитажа.
Неоценимую роль сыграла гальванопластика в развитии книгопечатания. Она дала возможность готовить твердые, прочные матрицы с типографских наборов и с произведений искусных мастеров граверного резца.
Празднуя пятидесятилетие открытия гальванопластики, Русское техническое общество справедливо писало:
«В истории образованности открытие гальванопластики должно быть приравнено по своему значению к открытию книгопечатания».
Гальванопластика, о которой горячий патриот Якоби писал, что она «принадлежит исключительно России; здесь она открыта, здесь и развивалась», с каждым годом расширяла область своего применения.
Огромное значение открытия Якоби не исчерпывалось ценностью самой гальванопластики. Электролитические ванны были первыми промышленными потребителями электрического тока. Гальванопластика требовала мощных источников электроэнергии. Она стимулировала работу по конструированию динамомашин. В этом также историческая заслуга Б. С. Якоби.
Сродство электричества с веществом Якоби использовал и по-иному.
В 1860 году, воздействуя током на электролитический раствор, Якоби заставил вещество накапливать электричество, преобразовывать энергию тока в энергию химическую. После такой зарядки его прибор мог служить источником тока. Так был создан первый электрический аккумулятор.
Крупнейший вклад в науку об электричестве внес и друг Якоби, Э. X. Ленц (1804–1865). Ленц вывел один из важнейших законов электромагнетизма. Пользуясь этим законом, инженеры могут установить направление, в котором будет итти ток, возбужденный в каком-нибудь проводнике действием тока, идущего по соседнему проводнику.
В 1843 году Э. X. Ленц открыл закон эквивалентности тепловой и электрической энергии. Он дал формулу, по которой можно, зная напряжение и силу электрического тока, узнать, какое тепло выделит этот ток, проходя по проводнику. Закон Ленца и поныне является основой расчета тепловых действий электрического тока.
Многим обогатил электротехнику и А. И. Шпаковский (1823–1881), создатель регуляторов для дуговой электрической лампы. Он один из первых сделал попытку приспособить дугу Петрова для электрического освещения.
Идеи, открытия и изобретения русских электротехников передавались от поколения к поколению, как великая эстафета. Вклад русских ученых в электротехнику был столь велик, что ее можно считать поистине русской национальной наукой.
Но все же, несмотря на множество открытий и изобретений, электричество продолжало по большей части ютиться в стенах лабораторий.
Электричество может сиять, как солнце, — но на улицах и в домах попрежнему горели тусклые и чадные керосиновые лампы и фонари.
Электричество может греть, раскаливать, плавить, — но нигде и в помине не было электрических печей.
Электричество может вращать валы станков, колеса повозок, гребные винты судов, — но по улицам городов, как и встарь, трусили коняги извозчиков, а на заводах, железных дорогах и судах попрежнему безраздельно царствовала паровая машина.
Что же мешало электрическим аппаратам и машинам завоевать широкий мир, выйти на улицу, прийти на фабрики, заводы, в дома?
Распространению электричества препятствовало в известной степени то, что электрические светильники, нагревательные приборы и моторы были еще недостаточно совершенны по своей конструкции. Электротехникам, например, все еще не удавалось приспособить дугу Петрова для освещения.
Заставить дугу гореть устойчиво было делом трудным. Зазор между углями дуги по мере их сгорания увеличивался, и дуга в скором времени гасла. Чтобы дуга продолжала гореть, надо было обеспечить постоянство зазора между ее углями, сближать угли с помощью ручных регуляторов. Это, конечно, не было решением вопроса об электрическом освещении. У каждого светильника пришлось бы ставить надсмотрщика. Попытки же создать механический регулятор, автоматически управляющий дугой, успеха не приносили. Регуляторы с часовыми механизмами и электрическими моторчиками получались и очень сложными и вместе с тем недостаточно надежными: они были неспособны уследить за капризами дуги, вызываемыми неоднородностью угля, из которого делаются ее электроды. Из-за этой неоднородности разные участки электродов сгорали с разной скоростью, величина зазора изменялась неравномерно.
Бесплодными пока что оставались и попытки сконструировать лампу накаливания, получить свет, раскаляя добела током угольные стерженьки и металлические проволоки. Электротехникам никак не удавалось добиться длительного свечения своих ламп — стерженьки и проволоки быстро перегорали.
И все же, бесспорно, несовершенство аппаратов, потребляющих электроэнергию, не было главной помехой практическому применению электричества. Победа над трудностями, вызываемыми несовершенством конструкции этих аппаратов, вне всякого сомнения, была не за горами.
Главным вопросом, волновавшим тогда злектротехников, был вопрос о том, как получать обильную и дешевую электроэнергию, нужную для питания электрических аппаратов. Было бы вдоволь электроэнергии, а уж использовать ее электротехники смогли бы.
Создание генераторов электроэнергии было узловой проблемой электротехники тех лет. В первые десятилетия XIX века, когда гальванические элементы были единственным источником тока, о практическом применении электричества нечего было и помышлять.
Вырабатывать электроэнергию с помощью громоздких и сложных в обращении батарей, составленных из гальванических элементов, — генераторов маломощных, неэкономичных, недолговечных и расходующих при своей работе ценные химические материалы — было дорогим удовольствием.
Практическое использование гальванические элементы нашли только там, где можно было обойтись слабыми токами и небольшими мощностями, например в телеграфных устройствах. Для питания же электрических дуг, гальванопластических ванн и моторов гальванические элементы не годились.
Создание электротехники сильных токов стало возможным только после изобретения динамомашин — машин, способных превращать механическую энергию различных двигателей — гидравлических, ветряных и паровых — в энергию электрическую.
К началу семидесятых годов было создано уже много типов динамомашин. Перед электротехникой открылись широчайшие перспективы.
Появилась возможность сделать поистине слугами человека законсервированную в топливе энергию, мощь рек и водопадов, вездесущую силу ветра, заставив их вращать электрический генератор, преобразив их в электрический ток, который можно направить по проводам на заводы, фабрики, в дома. Однако эти заманчивые перспективы долгое время не были реализованы, так как, несмотря на усилия многих изобретателей, динамомашина и электромоторы в начале семидесятых годов XIX века были все еще далеки от совершенства.
Что же мешало электротехникам создать хорошие — экономичные, мощные и надежные — генераторы и моторы?
Раздумывая над этим вопросом, Столетов пришел к глубокому выводу: развитие силовой электротехники задерживалось из-за отсутствия подробного знания свойств железа.
Железо — это металл, обладающий удивительными свойствами. Рядом с магнитом или электрическим током железо становится магнитом.
В электрических устройствах железо ведет себя как чудесный усилитель магнитных сил, рождаемых электрическим током. Железный стержень, помещенный в проволочную катушку, по которой идет электрический ток, в тысячи раз усиливает ее магнитное действие. Проволочная катушка, до этого еле-еле отклонявшая стрелку компаса, превращается в электромагнит, способный удерживать на весу тяжелые стальные слитки.
После того как было открыто чудесное свойство железа усиливать магнитное поле, физики попробовали дать этому явлению объяснения. Они предположили, что в железе всегда есть «запасы» магнетизма, готового проявиться, как только железо окажется по соседству с магнитом или электрическим током
Была выдвинута гипотеза, что железо и его собратья, родственные ему металлы — никель и кобальт — состоят из множества мельчайших магнитиков. Когда железо находится в обычном состоянии, то составляющие его магнитики располагаются хаотично, повернуты во все стороны, словно флюгера в безветрие. Действие магнитных полюсов отдельных магнитиков взаимно компенсируется, и поэтому магнетизм молекулярных магнитиков не проявляется снаружи. Но стоит железо поместить в магнитное поле, как все изменится. Магнитики, словно флюгера, когда подует ветер, будут стремиться повернуться вдоль магнитного поля: своими северными полюсами в одну сторону, а южными — в другую. Теперь уже действие их магнитных полюсов не будет взаимно уничтожаться. Весь кусок железа станет магнитом. Магнитное действие железа будет складываться с магнитным полем, превратившим железо в магнит, будет усиливать его.
Правда, такое объяснение намагничения железа, предложенное Вебером, было по сути дела полуобъяснением. Одна большая загадка намагничения железа разбивалась на совокупность множества загадок.
Гипотеза Вебера не давала ответа, в чем же состоит сущность намагничения маленьких магнитиков, составляющих железо.
Ключ к разрешению этой загадки давала гипотеза выдающегося французского физика Ампера (1775–1836).
Ампер высказал предположение, что молекулярный магнетизм является следствием того, что в молекулах текут круговые, вечные электрические токи.
По Амперу получалось, что, собственно говоря, магнетизм даже не существует как некое отдельное явление, что магнитное действие всегда вызывается электрическим током.
Ампер высказал очень проницательное соображение. Современная физика установила, что магнитные свойства вещества определяются движением электрически заряженных частиц, из которых состоят атомы.
Как мы знаем, в веществе в самом деле есть вечные токи, о существовании которых догадывался Ампер.
Вращающийся вокруг атомного ядра электрон, несущий в себе отрицательный заряд, — ведь это и есть вечный электрический ток.
Электрон вращается не только вокруг ядра, он вращается и вокруг своей оси, ведет себя подобно Земле, обращающейся вокруг Солнца. Вращение электрона вокруг своей оси также подобно электрическому току, также создает магнитное поле.
Магнетизм железа и других ферромагнитных металлов — никеля, кобальта — и объясняется в основном как раз вращением электронов атомов вокруг своей оси.
Гипотезы Вебера и Ампера, пытавшихся дать объяснение намагничению железа, давали только качественнее объяснение этому явлению. Для количественных расчетов эти гипотезы, в то время недостаточно разработанные, не ставшие еще законами, конечно, не годились.
Как именно происходит поворот молекулярных магнитиков под действием магнитного поля, как зависит способность железа намагничиваться от величины этого поля — оставалось неизвестным. Это было громадным пробелом в электротехнике.
Создатели динамомашин и электромоторов уже издавна пользовались железом. Этот металл — сердцевина всех электрических машин. Недаром инженеры назвали сердечниками железные части моторов, электромагнитов, динамомашин. Но, то и дело применяя железо, электротехники работали кустарно, почти вслепую.
Мало что было известно ученым о процессе намагничения железа, о том, через какие стадии проходит, намагничиваясь, железо, зависит ли, и если зависит, то как именно, способность железа «впитывать» магнетизм от силы магнитного поля, в котором оно находится, и от способности к намагничению различных сортов железа.
Обматывая сердечники своих машин проволокой, электротехники руководствовались простым соображением: чем больше намотать витков, тем сильнее будет магнитное поле, создаваемое катушкой. А о железе, помогающем усиливать это поле, они и не думали. В выгодные или невыгодные условия будет поставлено железо, в надлежащем ли режиме придется работать сердечнику — мысль об этом в те времена никого не беспокоила. Не было у электротехников и критерия, которым можно было бы руководствоваться при выборе сорта железа, формы и размеров сердечников.
Правда, электротехникам удавалось строить сносные по своим качествам машины и аппараты. Но это достигалось ценой бесконечных опытов, ценой долгого и утомительного подбора конструктивных размеров машин. Электротехника не была еще в те времена в полном смысле техникой. Она сохраняла в себе черты ремесла. Строгий математический расчет был вхож не во все ее области.
Область же электрических явлений, в которых принимает участие железо, была своеобразным медвежьим углом электротехники, заповедником, где царствовало откровенное ремесленничество.
Намагничение железа — вот проблема, которая стоит того, чтобы ею заняться. Узнать во всех подробностях, как, каким образом намагничивается железо — благодарная задача для исследователя. Узнать это — значит разрубить узел, связывающий электротехнику, мешающий ей итти вперед.
Мысль заняться исследованием процесса намагничения железа возникла у Столетова еще в Гейдельберге, незадолго перед возвращением на родину. Тогда он не успел осуществить свой замысел. Вернувшись в университет, Столетов не забыл о проблеме исследования тайн железа, которая увлекала еще Якоби и Ленца. Столетов постоянно проявлял свой интерес к ней: читал научную литературу, пристально следил за работами других ученых.
Но вести экспериментаторскую работу он был лишен возможности.
Листая страницы увесистых фолиантов — «Poggendorf's Annalen», «Philosophical Magazine», «Comptes Rendus» и других иностранных научных журналов, Столетов испытывает и разочарование и раздражение.
С каким олимпийским спокойствием, с какой напыщенной ученостью зачастую повествуется там о кропотливых исследованиях третьестепенных частностей, о никому не нужных проблемах! Какую поразительную глухоту и пренебрежение к голосу жизни, к требованиям практики проявляют многие из авторов этих солидных изданий!
Послушать этих жрецов науки, может и впрямь показаться, что все обстоит благополучно, что все важнейшие проблемы физики уже решены.
А ведь в действительности дело обстоит иначе. С решением скольких необходимейших для техники проблем надо торопиться ученым!
Процесс намагничения железа!
С каждым годом все отчетливее назревает необходимость изучения его!
Но что смогут найти по этому вопросу в научных журналах конструкторы электрических машин?
Практически ничего, убеждается, внимательно читая журналы, Столетов. Дело, начатое Якоби и Ленцом, все еще не находит достойного продолжения. Правда, нельзя сказать, чтобы исследования магнитных свойств железа совсем никого не интересовали.
Нет, такие исследования ведутся. Однако даже самые лучшие из этих исследований производят впечатление топтания вокруг да около главных, коренных вопросов проблемы намагничения железа. Никто из ученых до сих пор не дал исчерпывающего анализа этого процесса.
Почему? Кто знает? Может быть, виной тому отсутствие у ученых сознания важности, насущности такого анализа; может быть, это происходит и из-за непонимания того, что же является главным в процессе намагничения, а возможно, и просто из-за неумения экспериментировать. Но так или иначе, факт остается фактом. Анализа процесса намагничения железа нет. А время не терпит. Ждать больше нельзя.
Чем сильнее потребность в создании совершенных динамомашин и моторов, тем ощутимее становится неосведомленность электротехников в процессе намагничения.
И Столетов решает прийти на помощь электротехникам. В начале весны 1871 года ученый твердо решает заняться исследованием магнитных свойств железа.
Эту задачу Столетов решает избрать темой своей докторской диссертации.
Его увлекает научная проблема, тесно связанная с интересами практики.
«Едва ли можно сомневаться в том, — писал К. А. Тимирязев, — что русская научная мысль движется наиболее успешно и естественно не в направлении метафизического умозрения, а в направлении точного знания и его приложения в жизни. Лобачевские, Зинины, Ценковские, Бутлеровы, Пироговы, Боткины, Менделеевы, Сеченовы, Столетовы, Ковалевские, Мечниковы — вот те русские люди, повторяю, после художников слова, которые в области мысли стяжали русскому имени прочную славу и за пределами отечества».
Задумав исследовать железо, Столетов еще раз внимательно просматривает научную литературу за последние годы: может быть, он прежде что-нибудь не заметил, пропустил что-либо существенное из сделанного на Западе, может быть, тайна железа уже кем-нибудь разгадана?
Но нет, все правильно, и за последние три года не появилось ничего, что изменило бы положение дела. Попрежнему лучшими из работ, посвященных интересующей его теме, приходится признать исследования немецких ученых фон Квинтуса-Ицилиуса (1824–1885) и Вебера, исследования, в которых Столетов нашел целый ряд пробелов, слабых мест и промахов.
Взять хотя бы уже то, что оба эти физика даже не сделали попытки выяснить зависимость способности железа намагничиваться — «впитывать» в себя магнетизм — от силы намагничивающего поля.
Поместив испытуемый железный стержень в проволочную катушку и задавая различные значения силе тока, пропускаемого через катушку, Вебер и фон Квинтус-Ицилиус всякий раз определяли только напряженность магнитного поля, создаваемого катушкой, и соответствующую данному значению напряженности степень намагниченности образца.
Оба ученых и не подумали, поделив значения намагниченности образца на соответствующие значения силы магнитного поля, определить соотношение между ними, установить тем самым, как в различных стадиях процесса намагничения отзывается железо на действие магнитного поля. Иными словами, Вебер и фон Квинтус-Ицилиус даже не попытались исследовать функцию намагничения — магнитную восприимчивость, если пользоваться современной терминологией, — эту важнейшую характеристику магнитных свойств вещества.
Большим недостатком исследований Вебера и фон Квинтуса-Ицилиуса была и отрывочность их наблюдений. Каждый из ученых охватил своими исследованиями очень узкие области. Фон Квинтус-Ицилиус работал только со слабыми магнитными полями, Вебер же только с сильными. Ни один из ученых не рассмотрел процесса намагничения на всем его протяжении — от самых слабых до очень сильных полей.
Готовясь к исследованию процесса намагничения железа, Столетов внимательно анализирует и методы, которыми пользовались в своих опытах его предшественники.
Все они действовали по старинке. Исследуя магнитные свойства образцов, ученые пользовались магнитометром — прибором, похожим на компас: главной, рабочей частью магнитометра является висящая на нитке чувствительная магнитная стрелка.
Чтобы узнать, насколько намагничен образец, его приближают к магнитометру. Под магнитным действием образца стрелка поворачивается. Замерив угол, на который она повернулась, и расстояние между ею и образцом, можно вычислить степень его намагниченности.
Работать с магнитометром — дело очень хлопотное и кропотливое. Обращаться с прибором надо с большой осторожностью. Магнитная стрелка капризна — не терпит ни малейшей тряски.
Чтобы защитить ее от сотрясений почвы, магнитометры приходится ставить в подвале, водружая их там на специальные фундаменты. Но, несмотря на такие меры, прибор остается изрядной недотрогой.
Процесс измерений с помощью магнитометров тогдашних конструкций протекал медленно до утомительности.
Устанавливать образец всякий раз нужно очень точно; делая замеры, необходимо учитывать много посторонних факторов, вводить поправки на действие магнитного поля Земли, на присутствие в лаборатории железных предметов и т. д.
Обработка результатов измерений тоже утомительна и громоздка. Для вычисления каждого из значений намагниченности образца приходится исписывать цифрами и замысловатыми уравнениями страницы.
Но недостатки магнитометрического метода не исчерпываются тем, что работа с магнитометром сложна и кропотлива.
Есть у этого метода недостаток и посерьезнее.
Работая с магнитометром, трудно найти истинные данные о магнитных свойствах испытуемого материала.
В этом виновен даже не сам прибор; причина ошибок, возникающих при использовании магнитометрического метода, коренится в природе самих испытуемых образцов.
Ошибки возникают вследствие любопытной особенности намагниченных брусков и стержней.
Магниты, как известно, создают вокруг себя силовое поле, превращают окружающее их пространство в область, где проявляется действие магнитных сил.
Всякий железный предмет по соседству с магнитом тоже становится магнитом.
Но магнит действует не только на окружающие предметы. Ведь и сам он находится в зоне, где действуют порожденные им магнитные силы.
Магнит действует и на самого себя!
Это кажется парадоксальным, чем-то напоминающим басню о бароне Мюнхгаузене, поднявшем самого себя за волосы, но тем не менее это неоспоримый факт.
Направление магнитных силовых линий по отношению к породившему их магниту таково, что магнитное поле стремится как бы перемагнитить его, образовать северный магнитный полюс на том конце, где у магнита находится южный, и наоборот.
Один конец магнита действует на другой: северный полюс на южный, южный на северный.
Этим воздействием ослабляется намагниченность образца. Размагничивающее действие проявляется неодинаково у образцов разной формы. Чем короче магнит, чем меньше расстояние между его полюсами и чем он толще, тем больше у него размагничивающий фактор, тем сильнее ослабляет он свою же собственную намагниченность.
В одной и той же намагничивающей катушке, в совершенно одинаковых условиях, образцы, сделанные из одного и того же материала, но отличающиеся своей формой, намагнитятся по-разному.
Действие их на магнитометр будет неодинаковым. Показания прибора зависят от формы, которая придана испытуемому образцу.
Отклонения стрелки прибора говорят о магнитных свойствах не самого железа как вещества. По этим отклонениям можно судить лишь о том, как намагничивается именно этот определенной, характерной формы стержень или брусок.
Для того чтобы по показаниям магнитометра можно было рассчитать магнитные свойства железа, — а именно эти свойства и нужно выяснить, — необходимо знать величину размагничивающего действия для каждого данного образца; только тогда можно будет внести нужные поправки в результаты измерений.
Однако учесть размагничивающее действие очень трудно. Теория говорила, что размагничивающий фактор можно точно рассчитать только для образцов, имеющих форму сложного геометрического тела — правильного эллипсоида.
Изготовить из железа правильные эллипсоиды — дело невероятно трудное, а брать для исследования стержни и бруски, которыми пользовались исследователи, значило заранее обрекать себя на невозможность строгой теоретической обработки результатов измерений.
Существование у магнитов размагничивающего действия давно уже не представляло собой секрета. Предшественники Столетова знали об этой особенности образцов, с которыми они работали.
Пытаясь отделаться от ошибок, возникающих при пользовании магнитометрическим методом, ученые придумывали всяческие ухищрения.
Вебер, например, стремясь ослабить размагничивающее действие, изготавливал образцы в виде очень длинных и тонких цилиндров.
Фон Квинтус-Ицилиус пытался придать своим образцам форму эллипсоидов — тел, для которых можно теоретически рассчитать размагничивающий фактор.
Но всеми этими ухищрениями можно только уменьшить ошибки, исключить же их целиком, действуя такими способами, нельзя. Нельзя же до бесконечности удлинять образцы, чтобы свести на нет размагничивающий фактор. Изготавливать эллипсоиды? Но и это тоже не выход. Не говоря уже о том, что сделать точный эллипсоид почти невозможно, метод фон Квиитуса-Ицилиуса тоже не гарантировал от появления ошибок. Анализируя этот метод, Столетов установил: для того чтобы быть вполне уверенным в результатах исследования, нужно брать очень длинные эллипсоиды. В противном же случае малейшая ошибка, допущенная при измерениях, сильно отразится на расчетах, в особенности когда придется иметь дело со слабыми полями.
Что же делать? Как определить истинные магнитные свойства железа?
Все исследователи топчутся в каком-то заколдованном круге. Для исследования магнитных явлений они, как издавна повелось, вооружаются магнитометром. А применение магнитометра неизбежно влечет за собой применение образцов в виде стержней, брусков, эллипсоидов, а значит, и появление ошибок, вызываемых размагничивающим действием, которое производят концы магнитов.
И тем не менее исследователи не пробуют разорвать порочный круг, в который заводит их магнитометрический метод, не пытаются найти какой-нибудь иной способ исследования магнитных явлений.
Какое-то схоластическое преклонение перед установившимися традициями довлеет над этими учеными. Покорно мирятся они с тем, что их образцы обладают размагничивающим фактором.
Выхода, как будто, и быть не может: как же уберечь магнит от действия создаваемого им же самим магнитного поля? Всякий магнит любого известного типа — и прямолинейный и подковообразный — окутывает себя идущими от одного полюса к другому силовыми магнитными линиями.
Но кто сказал, что магниты всегда обязаны иметь концы?
А что, если намагниченный брусок согнуть не в подкову, а смелее — в кольцо? Сомкнуть один полюс магнита с другим?
Разве от этого магнит перестанет быть магнитом? Нет, конечно. Но кольцеобразный магнит не сможет действовать сам на себя! Ведь он не создает вокруг себя магнитного поля!
У кольцеобразного магнита не будет размагничивающего фактора. Намагничение кольцеобразного образца не будет зависеть от размеров и формы сечения образца. Данные о магнитных свойствах кольца будут данными именно о магнитных свойствах материала, из которого оно сделано.
Итак, чтобы ликвидировать действие размагничивающего фактора, надо пользоваться образцами, сделанными в виде кольца, тороида. Кольцо, именно кольцо поможет магнитологам выбраться из порочного круга, в котором они находятся.
Как намагнитить кольцо — это ясно. Его надо обвить проволокой. Когда по обмотке пойдет электрический ток, кольцо намагнитится.
Но как узнать, как сильно оно намагнитилось?
Магнитометр в этом случае ничем не сможет помочь. Ведь у кольца нет концов, оно не создает в окружающем пространстве магнитного поля, в этом его преимущество перед образцами другой формы, но в этом кроется и невозможность применить для исследования кольцеобразных образцов магнитометр.
Кольцо не будет действовать на магнитную стрелку этого прибора.
Как же теперь поступить? Ведь прежний метод исследования магнитных свойств не годится.
Но неужели, исследуя магнитные явления, надо обязательно хвататься за магнитную стрелку, как за якорь спасения, следовать традиционным представлениям о том, что силу магнита надо измерять с помощью магнита же?
Разве нельзя магнитные явления изучать с помощью электрических приборов? Ведь магнетизм и электричество тесно связаны между собою, это уже давно известно.
Если помахать мотком проволоки перед магнитом, в проволоке возбудится электрический ток. То же самое произойдет, если начать двигать магнит перед неподвижным мотком. В обоих случаях соблюдается условие, необходимое для возникновения электрического тока под действием магнитного поля: проволока пересекает магнитные силовые линии.
Замерив силу порожденного в проволоке тока, можно оценить степень намагниченности магнита. Но как воспользоваться явлением электромагнитной индукции для исследования магнитных свойств кольца?
Распилить поперек кольцо и двигать в прорези витки проволоки. Это, конечно, практически неудобно. Кроме того, перед нами будет уже не совсем кольцо.
Но обязательно ли для возникновения электромагнитной индукции движение проволоки относительно магнита? Нет, конечно. Если и магнит и проволока будут неподвижны, но намагниченность образца будет меняться, число магнитных силовых линий будет расти или уменьшаться, то это будет равносильно перемещению магнита и проволоки относительно друг друга.
Когда же меняется намагниченность кольца? В моменты включения или выключения тока, подаваемого в намагничивающую обмотку образца.
При включении тока намагниченность кольца быстро возрастает, пока не достигнет значения, соответствующего данной силе тока и числу витков обмотки. После этого магнитное поле, создаваемое кольцом, остается постоянным. Но ведь оно не сразу стало таким. Оно пусть и короткий срок, но все же менялось. А ведь меняющееся магнитное поле должно индуктировать, порождать ток в проводнике, поставленном на пути магнитных силовых линий. Если на кольцо надеть еще одну обмотку, то в ней в момент включения тока в первичную обмотку должен возникнуть ток. Этот ток будет итти только короткое мгновение: по вторичной обмотке пробегает импульс тока. Ток возникнет и при отключении обмотки кольца от источника тока. Магнитное поле, исчезая, также породит во вторичной обмотке импульс электрического тока. Вот эти-то периоды рождения и исчезновения намагниченности образца и должен подстеречь экспериментатор.
Если замерить количество электричества, протекающее в эти периоды через вторичную обмотку, то можно будет определить теоретически, каково было магнитное поле, вызвавшее этот импульс тока. А узнать магнитное поле, создаваемое кольцом, — это значит узнать и степень намагничения железного образца.
Зарегистрировать импульс тока, измерить количество заряда, прошедшего через вторичную обмотку, — дело нехитрое.
Для этого нужно будет употребить баллистический гальванометр. Обычный гальванометр отзывается только на длительный ток, равномерно текущий по проводнику. А баллистический гальванометр способен улавливать и кратковременные толчки электрического тока. Подвижная система — магнит или проволочная рамка — этого гальванометра делается более тяжелой, чем у обычного. Рамка баллистического гальванометра не сразу отзывается на толчок идущего через нее тока. Обладая большой инерцией, она некоторое время остается почти неподвижной, накапливая энергию, сообщаемую ей толчком тока. Рамка начинает поворачиваться уже после того, как исчез мимолетный, быстрый импульс тока.
Измерив угол, на который повернется рамка, можно узнать, какое количество электричества прошло через нее за время существования импульса тока, а зная это, рассчитать и то, какую намагниченность приобрел образец.
Баллистический гальванометр, работая в паре со вторичной обмоткой, сможет определить намагниченность кольца, сделать то, что недоступно магнитометру.
Вот каким методом надо исследовать магнитные свойства железа.
К концу весны 1871 года у Столетова полностью созревает замечательный план исследований железа. Пора уже перестать чертить схемы установки и заниматься расчетами. Надо приступать по-настоящему к работе, начинать опыты.
Но где это сделать? Ведь в университете все еще нет физической лаборатории.
Снова ехать за границу? Да, видимо, придется. Обидно опять обращаться за помощью к чужой стране из-за того, что нет места, где можно было бы устроить экспериментальную установку, из-за того, что негде достать нужные для нее приборы. Но надо подавить в себе горькое чувство: задача разгадки тайны железа уже не терпит отлагательств.
Столетов списывается со своими товарищами Лаврентьевым и Бостеном, живущими все еще в Гейдельберге, сообщает им план своих исследований и просит разузнать поподробнее, где лучше всего проделать его работу. Друзья зовут его в Гейдельберг.
«Милости просим, приезжайте, драгоценнейший Александр Григорьевич, поскорее, — пишет ему Бостен. — Как видите, Вы нисколько не ошиблись в том, что предположили меня все еще в Гейдельберге, хотя месяц тому назад меня здесь еще не было. Теперь же, в любезном Вам граде Кирхгофа, жительствует не только я, но даже и сам Леонид Иванович Лаврентьев, поручающий мне передать Вам свой привет и искреннее желание поскорей Вас здесь увидеть».
Подробно рассказывая Столетову об условиях работы в гейдельбергских лабораториях, друзья заботятся и о том, где и как ему жить в этом городе.
«Я живу, попрежнему, в Hotel Victoria, — пишет Столетову Бостен, — советую Вам в нем же остановиться до приискания себе частной квартиры. В оных же недостатка не будет, так как студентов еще не много…
Я даже обещал Вас уже моей прачке, frau Marie».
У Столетова никогда не было недостатка в друзьях. Люди всегда тянулись к Столетову, стремились завоевать дружеское расположение этого большого, чистого, открытого и обязательного всегда и во всем человека. Жизнь Столетова протекала в атмосфере товарищества, дружбы, проявляющей себя делами и взаимной поддержкой, основанной на глубоком взаимном уважении, на общности интересов.
Тот, кто близко узнавал Столетова, уже никогда не забывал его. Об этом свидетельствует переписка Столетова. Отношения к нему многих из корреспондентов, хотя бы тех же Лаврентьева и Бостена, можно поистине назвать влюбленностью в ум, талант, силу и большое сердце этого человека.
Надо заметить, что знакомые Столетова часто злоупотребляли его отзывчивостью и обязательностью. Перечитывая письма к Столетову, поражаешься, сколько просьб и поручений приходилось ему выполнять.
Поток благодарностей за уже выполненные просьбы и опять новых просьб проходит через эти письма.
Не говоря уже о серьезных просьбах: просмотреть книгу, помочь напечатать статью, отредактировать рукопись, подсказать тему для диссертации, посодействовать в приискании должности, — как много приходилось Столетову выполнять и мелочных, докучных поручений!
Лаврентьев просит подписать его на «Русский вестник», Бостен — выкупить посланные им в Россию вещи, Рачинский — заказать для него ботинки у излюбленного им сапожника Деева… И Столетов, всегда бесконечно занятый, находил время заглянуть на почту, сходить в таможню, зайти к сапожнику.
Звал в Гейдельберг, в свою лабораторию, Столетова и Кирхгоф, услышавший о планах своего бывшего слушателя.
Закончив лекции и экзамены, Столетов в июне 1871 года тронулся в путь.
Перед самым отъездом ему удалось сдвинуть с мертвой точки вопрос об организации лаборатории: совет факультета постановил вынести вопрос на рассмотрение университетского совета.
И вот Столетов снова в Гейдельберге, в городе, где каждый камень знаком ему еще с магистрантских лет. Радостно встречают своего бывшего однокашника Лаврентьев и Бостен.
Истосковавшиеся по русской речи, соскучившиеся по своему другу, они буквально набрасываются на Столетова с расспросами о Москве, об общих знакомых, с рассказами о себе.
Приветливо встречает Столетова и Кирхгоф. Знаменитый физик с большим интересом выслушивает рассказ Столетова о задуманных им исследованиях, нет-нет да и вставит в разговор свое слово, давая советы, делая замечания по существу работы.
Прихрамывая, опираясь на палку — Кирхгоф недавно сломал себе ногу, — ученый проводит Столетова по комнатам «дворца природы», показывая ему свою лабораторию. Она стала заметно больше и богаче, с завистью замечает Столетов.
В лаборатории тихо, безлюдно. Лето, все студенты разъехались на каникулы. Только лаборанты хлопочут возле приборов и установок. Они готовят практикум к встрече студентов.
В одной из комнат Кирхгоф отводит Столетову место для работы, дает указание лаборантам помогать гостю из Москвы сооружать нужную ему установку.
И работа началась.
Мастерская доктора Мейерштейна получает от Столетова заказ на изготовление железного кольца — сердцевинной части будущей установки.
Столетов не смотрит на заказанный прибор как на нечто совершенно окончательное. Бесспорно, например, что обмотки кольца — первичную и вторичную — число их витков, разбивку витков на отдельные секции придется менять не раз и не два: ведь надо сделать такие обмотки, с помощью которых можно было бы наилучшим, наиточнейшим образом проследить все перипетии намагничения железа.
Пробы неизбежны. Ведь для того, чтобы можно было теоретическими расчетами найти для обмоток наиболее выгодные размеры, надо знать до тонкости свойства железа, для намагничения и исследования которого предназначаются эти обмотки. А ведь это неизвестно. Узнать эти свойства — и есть цель задуманных опытов.
Для этого нужно, чтобы образец был сделан аккуратно, чтобы размеры сечения образца были строго выдержаны по всей длине кольца и чтобы кольцо было как следует отожжено в печи. Кольцо надо обязательно прокаливать несколько часов! Нужно, чтобы железо стало, как говорят электрики, «мягким» в магнитном отношении, потеряло бы способность сохранять остаточный магнетизм, сразу становилось бы опять ненамагниченным после выключения тока из намагничивающей обмотки.
Заказчик вникает во все детали исполнения заказа.
Он дает механикам советы, как проще, быстрее и точнее всего выполнить заказ. Не стоит возиться над тем, чтобы пытаться придать сечению кольца круглую или овальную форму. Эта форма, конечно, удобна для того, чтобы наматывать на кольцо провод, но сделать из железа «баранку» — дело очень затруднительное. Проще поступить так. Пусть кольцо будет иметь прямоугольное сечение, будет похожим на кусок толстостенной трубы. Кольцо такой формы изготовить просто, ведь всю обработку его можно будет теперь вести на токарном станке быстро и точно. А чтобы удобнее было на железное кольцо наматывать провод, к кольцу сверху и снизу нужно будет приклеить деревянные кольца, округленные наружу так, чтобы сечение всего сборного кольца стало овальным.
Такой способ изготовления кольца даст большой выигрыш во времени, да и в точности тоже.
Заказывая приборы механикам и задавая работу лаборантам, Столетов неустанно настаивает: «все должно быть сделано как можно проще». В простоте и точность и надежность. Никаких выкрутасов и украшательств, мешающих делу и крадущих время. Делать все проще и быстрее — и пусть переглядываются механики и лаборанты, думающие, очевидно, что у господина из России, столь упорно ратующего за простоту, не хватает, должно быть, не только времени, но и денег.
Денег, по правде сказать, конечно, маловато. Во всяком случае, денег не столько, чтобы можно было позволить себе, в угоду доктору Мейерштейну, растрачивать их на ненужные красоты. Время же надо расходовать еще экономнее. В запасе есть только четыре месяца — растягивать свою отлучку из Москвы на больший срок он не имеет права.
А работы непочатый край. Надо собрать установку. Надо ее испытать и наладить. Надо произвести множество предварительных измерений, отградуировать приборы и составить таблицы расчетных данных. И только после всей этой большой работы можно будет приступить к самым ответственным опытам — исследованию магнитных свойств железного кольца.
Не дожидаясь, пока механики доставят все заказанные им приборы, Столетов на большом лабораторном столе уже начинает сооружать свою установку.
Он работает неутомимо, упоенно. Придя в лабораторию ранним утром, он уходит из нее намного позже того, как во всем институте остаются одни сторожа.
Трудится он без суетливости, размеренно, но работа так и горит в его руках. Помогающие ему лаборанты только диву даются, как умно, ловко, совсем как заправский механик, действует отвертками, молотками, плоскогубцами этот не гнушающийся «черной работы» приезжий ученый, как, уверенно делая всевозможные переключения, орудует он во все усложняющемся лабиринте из проводов и приборов.
Установка растет быстро, несмотря на то, что многое для нее приходится создавать заново.
У стенки напротив стола Столетов помещает баллистический гальванометр.
Этот прибор пришлось приготовить самому — подходящего прибора в лаборатории Кирхгофа не нашлось.
Подвижная часть гальванометра — тяжелый фунтовый магнит, подвешенный на тонкой металлической нити к потолку. Магнит висит между двух проволочных катушек. Провода от катушек идут к столу. К ним будут присоединены концы вторичной обмотки железного кольца.
Над магнитом, к нити, на которой он висит, прикреплено маленькое круглое зеркальце. В него нацелена зрительная труба, укрепленная на штативе, стоящем на столе. К штативу приделана длинная линейка с делениями. Эта шкала той стороной, на которой нанесены деления, обращена к гальванометру.
Труба и шкала расположены относительно друг друга так, что в трубу видны отражающиеся в зеркале деления шкалы.
Зеркальце, труба и шкала нужны для замера углов поворота подвижной системы гальванометра. При поворотах магнита вместе с ним поворачивается и зеркальце. Вращаясь, зеркальце как бы «оглядывает» шкалу — в поле зрения трубы попадают все новые и новые ее участки. Когда зеркальце займет новое положение, визирная черта трубы, пересекающая светлый круг ее поля зрения, будет совпадать с другим делением шкалы. Заметив, какие деления пересекает визирная черта при первоначальном и при отклоненном положениях зеркальца, можно определить расстояние между этими делениями. А зная эту величину и расстояние от зеркальца до шкалы, легко вычислить, на какой угол повернулся магнит.
Некоторая громоздкость зеркального способа отсчета с лихвой окупается необыкновенной чувствительностью этого метода. Он дает возможность замерять чрезвычайно слабые токи. Так как труба устанавливается на большом расстоянии от гальванометра, то даже ничтожно малые повороты зеркальца сопровождаются заметным смещением изображения шкалы в поле зрения.
Нечто подобное происходит, когда мы, бросая зеркалом солнечный «зайчик» на далекую стену, чуть-чуть поворачиваем, зеркало: «зайчик» при этом отпрыгивает на значительное расстояние, тем большее, чем дальше стена отстоит от зеркала.
Для питания током установки Столетов сооружает под столом батарею из гальванических элементов. Провода от батареи поднимаются на стол, один из них подходит к выключателю, другой к реостату — прибору для регулирования силы тока в цепи. Концы, идущие дальше от выключателя и реостата, будут подключены к первичной обмотке железного кольца.
Для измерения силы тока в первичной цепи также необходим гальванометр. Испытав гальванометры, выбранные лаборантами из числа не занятых в практикуме приборов, Столетов остался недовольным. Гальванометры эти оказались приборами довольно-таки грубоватыми. Раздумывая, как выйти из создавшегося трудного положения, Столетов находит остроумный выход. Он решает приспособить для измерения силы тока в первичной цепи тот же самый гальванометр, который предназначен для работы в цепи вторичной обмотки. Удобнее, конечно, было бы, чтобы первичная цепь имела свой отдельный, независимый прибор. Но раз его нет, то надо изворачиваться. Не тратить же в самом деле время, которое так дорого, на изготовление еще одного гальванометра!..
Уже изготовленный гальванометр нельзя попросту включить в первичную цепь. Ведь в ней будут течь токи несравненно более сильные, чем токи в цепи вторичной, для измерения которых рассчитан прибор.
Но Столетов находит хитрый способ сделать возможным для гальванометра работу и в первичной цепи. Он конструирует устройство, ответвляющее к гальванометру лишь малую определенную долю тока, идущего в этой цепи. Замерив силу ответвленного тока, можно будет вычислить силу тока и в главной магистрали.
Концы проводов, идущие от гальванометра, Столетов подводит к переключателю. Действуя этим переключателем, прибор можно включать попеременно то во вторичную, то в первичную цепь, а то и вовсе отключать гальванометр от установки.
Переключатель устроен так, что, отключая гальванометр, он в то же время замыкает накоротко провода, присоединенные к обмоткам прибора. Это
дает возможность быстрее «успокоить» гальванометр-, погасить колебания его магнита, с тем чтобы скорее можно было начать следующее измерение. Замыкание обмоток создает электрическое торможение подвижной системы гальванометра. При каждом повороте магнит своим полем породит в цепи обмоток гальванометра ток. Пробегая по обмоткам, ток будет создавать свое магнитное поле, притом направленное так, что, действуя на магнит, оно будет препятствовать его движению. После замыкания накоротко цепи гальванометра колеблющийся магнит будет вести себя так, как будто бы его погрузили в вязкую среду.
Столетов переживает пору подлинного счастья. Наконец-то он может вести бой с природой! Работается легко и весело, радуют даже встречающиеся трудности. Как приятно побеждать их остроумными маневрами.
Решения находятся быстро, ум работает безостановочно, уверенно и сильно, замыслы и идеи неудержимым потоком рождаются в мозгу.
Неудовлетворенность ищущая, жаждущая, творческая ведет Столетова вперед.
Он не хочет мириться даже с небольшими неточностями.
Как рассчитывать магнитное поле, создаваемое обмоткой? Теория дает ответ, как рассчитать магнитное поле тока, текущего по замкнутому кольцу. Но ведь обмотка — это не совокупность множества проволочных колец. Каждый виток обмотки все-таки нельзя рассматривать как замкнутое кольцо. Ведь начало и конец каждого витка смещены относительно друг друга на толщину провода. Правда, ошибка, даваемая смещением проволоки, будет невелика, но Столетов не хочет мириться и с такой ошибкой. И он находит простое и замечательное решение, как сделать так, чтобы в своих расчетах витки обмотки можно было бы считать замкнутыми кольцами.
Оказывается, это смещение можно скомпенсировать, — надо только провод, идущий от конца обмотки, не сразу вывести наружу, а, проложив его по окружности образца, вернуть к началу обмотки. Ток, текущий по обратному проводу, уничтожит искажение, вносимое в магнитное поле смещением витков в обмотке.
Работа спорится. В эту быструю работу вовлечены и механики и лаборанты.
Им теперь приходится расплачиваться за свои усмешки.
Столетов работает так, что за ним едва поспевают его помощники.
Русский ученый умеет думать и экспериментировать быстро. Он не задерживается с опробованием приборов и деталей установки, принесенных из мастерской. От его внимательного, острого взгляда не укрывается и малейшая погрешность. Он тотчас же находит средство, как избавиться от этих погрешностей, и приборы возвращаются опять механикам.
Неуемно и широко творит Столетов. Лаборанты посматривают с беспокойством на рабочий стол ученого. Сплетение проводов, нагромождение то и дело передвигаемых приборов — все это кажется им беспорядком. Похаживая вокруг стола Столетова, они так и нацеливаются на то, чтобы сделать в конце концов все неподвижным, привинтить приборы, прикрепить провода к столу. Им кажется, что пора бы и остановиться. Ведь установка уже дает возможность намагничивать образец и измерять его намагниченность. Уже работает гальванометр, и при включении и выключении тока в первичной обмотке перед глазом экспериментатора, смотрящего в зрительную трубу, начинают смещаться деления шкалы.
Казалось, можно уже было бы начать основные опыты. Но Столетов еще недоволен. И попрежнему на столе творится то, что кажется лаборантам «беспорядком». О, этот «беспорядок»! «Беспорядок» рабочих столов Ломоносова, Менделеева, Фарадея, всех путешественников в незнаемое, жадно и неукротимо ищущих разгадок тайн природы!
Что видно со стороны? Человек, роющийся в приборах, переключающий провода, — и только. А на самом деле на этом столе развертываются сложнейшие драматические события: идет разведка боем, идет налаживание оружия штурма, идут маневры с целью занять наивыгоднейшие позиции для генерального сражения.
Столетов придирчиво исследует свою установку. Он все еще не приступает к основным опытам, не начинает генерального сражения.
В первичной цепи стоит выключатель. С помощью его можно либо давать в нее ток, либо отключать ее от источника тока.
При выключении тока зеркальце поворачивается в сторону, противоположную той, в которую оно поворачивается при включении тока. Смещения в правую и левую сторону при каждом измерении должны быть равны. Изображение шкалы должно смещаться и в правую и в левую сторону на одинаковое число делений. Но этого не происходит. Оказывается, что при выключении тока изображение шкалы смещается на меньшее число делений, чем в момент включения.
Столетов находит причину этого неравенства отклонений. Видимо, при отклонении тока железо не возвращается к первоначальному, вненамагниченному состоянию. Несмотря на то, что железо отожжено, оно все же сохранило, хотя и очень небольшую, способность к остаточному магнетизму.
Ликвидировать отжигом эту способность железа оказалось практически невозможным.
Что же делать? Как же точно измерить намагниченность образца, несмотря на то, что железо не становится окончательно мягким и это дает неоднозначность отчетов при измерениях? Задача трудная. Но Столетов ее все же побеждает.
Лаборантам дается задание разыскать для установки переключатель. Столетов удаляет из первичной цепи выключатель, вместо него он ставит переключатель — прибор, с помощью которого можно менять направление тока в первичной цепи. Перекидывая рукоятку переключателя из одного положения в другое, экспериментатор, выключив ток из цепи, немедленно же включает в нее снова ток, но уже текущий в обратную сторону.
— Ток, идущий по обмотке в обратную сторону, заставляет железо перемагничиваться в другом направлении. При переключении тока железо от состояния намагниченности в первоначальном направлении проходит путь до намагниченности с той же силой, что и первоначально, но в направлении обратном. При таком процессе сохранившаяся у железа способность к остаточной намагниченности проявиться не может.
Отклонение изображения шкалы при переключении тока получается вдвое больше против того отклонения, которое получилось бы при испытании отлично отожженного железа методом отключения или включения тока.
Столетов экономит время на всем — и на упрощении установки и на своем отдыхе, но он не согласен экономить время за счет недоделок, за счет снисходительного отношения к погрешностям. И, несмотря на то, что времени для основных опытов остается все меньше и меньше, он все еще не переходит к ним, все еще совершенствует установку.
Но, наконец, наступает день, когда Столетов отходит от стола. Теперь лаборанты, так жаждавшие все прикрепить намертво, могут осуществить свое желание.
Времени на совершенствование установки ушло немало, но как велика победа! В любой электротехнической лаборатории мира сейчас можно встретить установки, подобные той, которую создал Столетов в незабываемое лето 1871 года.
Характеризуя Столетова как исследователя, Д. А. Гольдгаммер писал: «Работы Столетова часто не блещут внешностью: но они, даже и самые мелкие из них, являются гвоздями, вбитыми в стену. Результатов, добытых Столетовым, нельзя опровергнуть, его метод выше критики».
Когда в листве гейдельбергских парков появилась первая желтизна и лаборатория стала заполняться вернувшимися после каникул студентами, Столетов начал главные опыты.
Зажжена лампочка, освещающая шкалу. Приготовлены разлинованные листы бумаги для записи измерений.
Столетов включает в обмотку ток. Реостат полностью введен: через обмотку течет очень слабый ток. Столетов подключает к первичной обмотке гальванометр и замечает, на сколько делений смещается изображение шкалы.
В протоколе измерений появляется первая запись. По этой записи можно будет вычислить силу тока, протекавшего через первичную обмотку во время этого измерения, а потом и напряженность магнитного поля, создававшегося обмоткой.
Столетов отключает гальванометр и, замкнув его накоротко, успокаивает колебания его подвижной системы. Вот снова визирная черта встала на исходном нулевом делении. Теперь Столетов подключает гальванометр к вторичной цепи. Положив руку на рукоятку переключателя первичной цепи, он вновь приникает глазом к объективу зрительной трубы. Быстрым движением он перебрасывает рукоятку переключателя в противоположное направление. Всплеск индуктируемого во вторичной обмотке тока мчится через обмотку гальванометра.
И вот уже перед глазом экспериментатора поплыло изображение шкалы. Оно сместилось на несколько делений и вновь пошло обратно.
Рядом с первой записью в соседней графе появляется еще одна запись — величина отброса гальванометра при переключении тока в первичной цепи. По этому отбросу можно будет узнать количество электричества, протекшего через гальванометр в момент переключения, а потом и намагниченность образца, соответствующую данному значению напряженности магнитного поля.
Первое измерение сделано, гальванометр отключен от вторичной цепи и успокоен. Теперь Столетов немного сдвигает движок реостата, увеличивая силу тока, идущего в обмотке образца. Производится второе измерение. Снова измеряется сила тока, снова измеряется отброс гальванометра.
Удивительное явление обнаруживает Столетов. Сила тока возросла в обмотке совсем на немного, а отброс гальванометра стал значительно больше, чем при первом измерении. Намагниченность образца обогнала возрастание напряженности магнитного поля обмотки.
Столетов производит еще одно измерение, на немного увеличивая силу тока в обмотке. И опять отброс гальванометра вырастает быстрее, чем растет магнитное поле обмотки. Железо жадно «впитывает» магнетизм, точно сухая губка воду.
Столетов производит одно измерение за другим, все время увеличивая силу тока. Намагниченность образца все сильнее и сильнее обгоняет рост магнитного поля.
Магнитная восприимчивость (функция намагничения, как говорил Столетов), характеризующая способность железа намагничиваться, возрастает.
Но вот рост намагниченности начинает замедляться, магнитная восприимчивость уменьшается.
«В самом начале исследования, — писал потом Столетов, — я был поражен результатами. Оказалось, что при слабых силах функция намагничения не только не убывает, не только не остается постоянной, но возрастает весьма быстро и при некоторой величине намагничивающей силы достигает maximum'a; около него функция намагничения представляет цифры, в четверо, в пятеро превышающие все найденные для нее до сих пор. Такой результат не мог не приковать к себе внимания, и работа мало-помалу разрослась».
Измерения следуют за измерениями. Все увеличивая силу тока в первичной обмотке, Столетов определяет намагниченность железа, соответствующую различным значениям магнитного поля обмотки. Железо намагничивается все с большим трудом. Намагничение растет все медленнее. Железо постепенно как бы насыщается магнетизмом.
Наконец наступает такой момент, когда увеличение магнитного поля уже не может увеличить намагничения образца. Намагниченность достигает насыщения. Все молекулярные магнитики, из которых состоит железо, заняли положение строго вдоль магнитного поля.
Столетов делает предварительную обработку результатов измерений. Он вычисляет значение магнитного поля и намагниченности образца, соответствующие каждому измерению. Он вычерчивает графики изменения намагниченности образца.
Кривая, изображающая изменение намагниченности образца, вначале, при слабых магнитных полях, резко взмывает кверху. Затем она отклоняется в сторону, сгибается все сильнее и, наконец, переходит в линию, идущую параллельно горизонтальной оси графика.
Для каждого измерения Столетов вычисляет и значение функции намагничения, разделив величину намагниченности образца на соответствующее значение напряженности магнитного поля. Для функции намагничения он также вычерчивает график. Кривая этого графика похожа на очертания дюны. Крутая со стороны, соответствующей измерениям, произведенным в слабых полях, она полого спускается в области сильных полей.
С интересом следит за опытами Столетова Кирхгоф. Результаты опытов русского ученого опрокидывают существовавшие в физике взгляды. Опыты Столетова разбивают впрах теорию Пуассона, французского физика, предполагавшего, что намагничение железа растет прямо пропорционально величине намагничивающего поля, что магнитная восприимчивость есть величина постоянная.
Нет, все идет совершенно по-иному, убедительно показывают опыты Столетова.
Магнитная восприимчивость очень быстро растет в начале процесса намагничения, а затем начинает медленно уменьшаться.
К концу октября Столетов заканчивает свои исследования. Полную теоретическую обработку результатов измерений он откладывает до возвращения в Москву, а сейчас уже надо спешить с отъездом.
Четыре месяца, четыре коротких месяца провел Столетов в Гейдельберге, но как богаты они событиями, какого вдохновенного творчества исполнены!
В Гейдельберге Столетов задумал еще одну научную работу. Незадолго перед тем английский ученый Джемс Клерк Максвелл (1831–1879) создал новую теорию электричества. Отобразив в математических уравнениях известные физикам электрические и магнитные явления, Максвелл, анализируя эти уравнения, обнаружил, что они содержат в себе большее, чем в них было первоначально вложено. Подробно исследуя уравнения, Максвелл нашел, что электрические явления не исчерпываются явлениями электростатики и электрическим током.
Теория Максвелла предсказывала, что электрические процессы могут проявляться в виде особых электромагнитных волн.
В пространстве, окружающем заряженное тело, действуют электрические силы. Заряженное тело создает вокруг себя, как говорят, электрическое поле. Электрическое поле, создаваемое заряженным телом, — это как бы незримые крылья, раскинутые электрическим зарядом в окружающее его пространство.
Но что будет в окружающем пространстве, если заряженное тело будет колебаться или если величина заряда будет меняться? Ясно, что электрическое поле также будет претерпевать изменения!
Уравнения Максвелла отчетливо показывали, что эти изменения не будут происходить одновременно во всех участках пространства, окружающего заряженное тело. Изменения будут распространяться с определенной скоростью. В более отдаленных от тела участках изменения произойдут позже, чем в участках более близких. Уравнения убедительно показывали, что от колеблющегося заряженного тела в пространство как бы побежит рябь, побегут электромагнитные волны. Эти волны должны быть родственными световым волнам, убеждала теория. То, о чем догадывался еще Ломоносов, прозревавший родство света и электричества, вытекало теперь из математических уравнений.
Теория Максвелла долгое время была не признана. Большинство физиков не сумело ее оценить. Только немногие ученые поняли сразу же огромное значение новой теории.
Высокую оценку дал ей Фридрих Энгельс.
К числу сторонников электромагнитной теории принадлежали Столетов и немецкий физик Людвиг Больцман.
Проверить теорию Максвелла, доказать ее справедливость было заманчивой задачей.
Прямой путь был недоступен. Электромагнитные волны, существование которых предсказывала теория, еще не были обнаружены на опыте.
Но можно было пойти косвенным путем. В уравнения Максвелла входит некая величина, представляющая собой коэфициент пропорциональности между двумя системами измерения электрических и магнитных величин — системами электромагнитной и электростатической. Этими двумя системами физики пользовались, да пользуются и сейчас, для измерения силы тока, напряжения, электрического заряда и других величин. Одна и та же величина измерения в разных системах выражается по-разному, подобно тому, как одно и то же расстояние выражается различно, смотря по тому, измерим ли мы его метрами или, скажем, футами. Расстояния, выраженные в метрах, легко перевести в футы. Ведь нам известно соотношение между метром и футом. Подобное же соотношение— коэфициент пропорциональности — есть и между каждой электромагнитной и соответствующей электростатической единицей. Но здесь дело обстоит сложнее, чем в случае перехода от метров к футам, от килограммов к фунтам и т. п. Коэфициент пропорциональности между электрическими единицами не есть какое-то отвлеченное число. Этот коэфициент — число именованное, это некоторая скорость.
Электромагнитная теория говорила, что этот коэфициент пропорциональности должен иметь величину, равную скорости света в пустоте — 300 000 километров в секунду.
Если бы удалось точно определить его величину, то тем самым можно было бы получить сильное подтверждение в пользу гипотезы о единстве света и электричества.
Поставить опыт по определению коэфициента пропорциональности, опыт, имеющий глубоко принципиальное значение, и задумал Столетов.
Задача определения этого коэфициента уже привлекала многих физиков. Пробовали измерять его и Вебер и Кольрауш, но их методы были недостаточно точны, результаты их опытов еще не давали возможности неопровержимо утверждать правильность гипотезы о единстве света и электричества.
Столетов придумывает необыкновенно простой и изящный метод измерения. Он надеется определить этот неуловимый, ускользнувший от стольких исследователей коэфициент пропорциональности. Молодой ученый заказывает гейдельбергским механикам некоторые детали для будущей своей установки, план которой у него уже складывается.
Много, хорошо поработал Столетов в Гейдельберге!
И вот наступают дни отъезда. Последние дни в Гейдельберге Столетов безотлучно проводит со своими товарищами — Лаврентьевым и Бостеном. Наконец-то друзьям удается как следует побыть вместе: во время опытов встречи были редкими. Друзья бродят по окрестностям, посещают развалины старого замка, устраивают пирушки, обсуждают литературные новинки. В одном из своих писем к Столетову Бостен, возвращаясь к прошлым беседам, пишет о повести «Вешние воды» Тургенева. Пристрастие писателя к изображению «лишних людей» возмущает друзей Столетова. «Допускаю, что в повести этой нет ни малейшей клеветы, — пишет Бостен, — что существуют у нас и Полозовы и Санины в изобилии, но разве нет у нас и много других, гораздо лучших типов, — хотя бы и за границею. Как не надоест Тургеневу постоянно возиться с этими господами!.. Отчего не познакомился он за границею хоть бы с Вами, с Леонидом Ивановичем, со мною?..»
В ноябре Столетов вернулся в Москву.
20 ноября 1871 года, в первые же дни после возвращения, Александр Григорьевич выступает в Московском математическом обществе с докладом о своих исследованиях.
Отдавая должное своим предшественникам — Веберу и Квинтусу-Ицилиусу, он с удивлением замечает, что эти физики не сумели правильно истолковать своих опытов. Подробно проанализировав результаты, полученные Вебером и Квинтусом-Ицилиусом, Столетов заметил, что Вебер и Квинтус-Ицилиус, если бы они разделили полученное ими значение для намагничения своих образцов на соответствующие значения магнитного поля, могли бы заметить, что магнитная восприимчивость отнюдь не постоянна, как это утверждала теория Пуассона.
Правда, даже в этом случае опыты Вебера и Квинтуса-Ицилиуса не дали бы точных и правильных результатов для характеристики магнитных свойств железа. Ведь эти исследователи работали с образцами, имеющими концы, а следовательно, они определили магнитное свойство не самого вещества, а именно того или иного образца, сделанного из этих веществ.
Кроме того, ни Квинтус-Ицилиус, ни Вебер не смогли проследить, как меняются магнитные свойства железа в широком диапазоне — от слабых до сильных полей.
Столетов рассказывает о своих исследованиях без ложной скромности. Кому, как не ему, так глубоко проникшему в сущность исследованных им вопросов, вскрыть смысл полученных результатов, показать перспективу, открываемую этими исследованиями, дать им должную оценку. Он говорит, что физикам-теоретикам придется теперь потрудиться над усовершенствованием гипотезы Вебера о молекулярных магнитах. Эта гипотеза нуждается в усовершенствовании и уточнении. Надо будет детальнее разработать теорию механизма поворота молекулярных магнитов под действием внешнего поля, чтобы согласовать эту теорию с результатами найденных им опытных данных.
Столетов говорит, что его работа поможет пролить свет на те процессы, которые происходят внутри железа, когда оно намагничивается.
Столетов рассказывает слушателям и о том большом практическом значении, которое сулит его исследование. Он понимает, что победа, одержанная им, это победа и практической электротехники.
Столетов ясно видел, что его усилиями разорваны узы, мешающие дальнейшему развитию электротехники. В последующем сообщении о своей работе он отчетливо сформулировал значение его исследования для практики.
«С другой стороны, — писал Столетов, — изучение функции намагничения железа может иметь практическую важность при устройстве и употреблении как электромагнитных двигателей, так и тех магнитно-электрических машин нового рода, в которых временное намагничение железа играет главную роль. Знание свойств железа относительно временного намагничения также необходимо здесь, как необходимо знакомство со свойствами пара для теории паровых машин. Только при таком знании мы получим возможность обсудить a priori [заранее] наивыгоднейшую конструкцию подобного снаряда и наперед рассчитать его полезное действие».
Из закономерностей, установленных Столетовым, электрики смогли сделать для себя важные практические выводы.
Стало ясным, например, что если нужно, чтобы намагниченность сердечника конструируемого прибора резко изменялась при колебаниях силы тока, текущего по обмотке, то нет смысла стремиться сильно намагничивать сердечники, пускать по обмотке сильный ток. Силу тока в обмотке нужно подбирать, исходя из того, чтобы напряженность магнитного поля обмотки равнялась такому значению, которому соответствует максимальная величина магнитной восприимчивости.
Совершенно ясным стало также, что бессмысленно стремиться что есть силы намагничивать сердечники. Ведь после того, как намагниченность железа достигнет максимально возможного значения своего «насыщения», дальнейшее увеличение намагничивающего поля абсолютно бесполезно.
Столетов показал также, как рассчитывать магнитные цепи, цепи, образуемые железными сердечниками.
Через некоторое время Столетов публикует еще одну статью. Лишенный возможности продолжить опыты, он в этой статье ставит перед учеными широкую задачу: исследовать магнитные свойства различных сортов стали и других магнитных материалов.
Известие об опытах Столетова разнеслось по всему миру.
Во многих странах исследователи начинают повторять и продолжать опыты Столетова.
В Америке этим занялись физики Роулаид и Юинг, в Германии начал изучать магнитные материалы Баур. Все они в своих исследованиях пользовалась методами Столетова. Исследователи и для стали получают результаты, сходные с результатами, полученными Столетовым.
Торжество научной победы русского физика было полным.
Тотчас же методы Столетова стали внедряться в технику.
Вооружась его методами, инженеры начали исследовать магнитные свойства различных сортов железа и стали. В электротехнических справочниках появились таблицы и графики, дающие ценные сведения о магнитных материалах для строителей электрических машин.
Bo-время, необыкновенно во-время пришел Столетов на помощь электротехникам. Скоро спрос на создание электрических генераторов резко усилился.
Всего лишь через полтора года после завершения Столетовым своих исследований в петербургских газетах появилось сообщение: «В воскресенье, одиннадцатого сего июля 1873 года, господин Лодыгин демонстрировал на Песках Преображенского плаца великому множеству собравшегося народа изобретенные им лампы накаливания. Публика восторженно любовалась этим невиданным светом без огня».
Великому русскому изобретателю-электротехнику Александру Николаевичу Лодыгину первому удалось решить задачу, над которой безуспешно билось столько изобретателей, — создать практически пригодную электрическую лампу накаливания.
А еще через три года, в 1876 году, во всем мире прогремело имя товарища Столетова по Обществу любителей естествознания, антропологии и этнографии, отставного поручика Павла Николаевича Яблочкова. Расположив угли дуги Василия Петрова параллельно друг другу, Яблочков гениально просто решил проблему регулирования дуги. Преобразив дугу, изобретатель создал свою знаменитую электрическую свечу.
«Свеча» Яблочкова быстро завоевала мировое признание.
Шествие ее было торжественно. Она освещает театры и улицы Парижа, развалины Колизея, улицы Лондона. Свет ее вспыхивает во дворце короля Камбоджи и в Персии. «Свет приходит к нам из России», «Россия — родина света», — восторженно восклицали газеты на десятках языков.
Многим помог утверждению электрического света и другой товарищ Столетова по Обществу любителей естествознания — Владимир Николаевич Чиколев, который изобрел автоматический регулятор для электрической дуги.
Теория Столетова помогла пионерам электрического освещения. Когда созданные ими светильники предъявили счет на широкое производство электроэнергии, в руках конструкторов динамомашин уже были методы Столетова. Они помогли создать мощные и экономичные электрические генераторы.
Исследование магнитных свойств железа — вторая работа Столетова — поставило русского ученого в первые ряды корифеев современной ему науки.