1831 г. Фарадей, Генри
В 1831 году физик Майкл Фарадей завершил ряд удачных экспериментов, он обнаружил связь между током и магнетизмом и создал первый макет электрогенератора.
«И тем не менее именно Фарадею суждены были великие открытия. Великий реалист, он стихийно рвал путы эмпирики, некогда навязанные ему Дэви, и в эти минуты его осеняло великое прозрение — он приобретал способность к глубочайшим обобщениям. Первый проблеск удачи появился лишь 29 августа 1831 года. В этот день Фарадей испытывал в лаборатории несложное устройство: железное кольцо диаметром около шести дюймов, обмотанное двумя кусками изолированной проволоки. Когда Фарадей подключил к зажимам одной обмотки батарею, его ассистент, артиллерийский сержант Андерсен, увидел, как дернулась стрелка гальванометра, подсоединенного к другой обмотке. Дернулась и успокоилась, хотя постоянный ток продолжал течь по первой обмотке. Фарадей тщательно просмотрел все детали этой простой установки — все было в порядке. Но стрелка гальванометра упорно стояла на нуле. С досады Фарадей решил выключить ток, и тут случилось чудо — во время размыкания цепи стрелка гальванометра опять качнулась и опять застыла на нуле! Фарадей был в недоумении: во-первых, почему стрелка ведет себя так странно? Во-вторых, имеют ли отношение замеченные им всплески к явлению, которое он искал? Вот тут-то и открылись Фарадею во всей ясности великие идеи Ампера — связь между электрическим током и магнетизмом. Ведь первая обмотка, в которую он подавал ток, сразу становилась магнитом. Если рассматривать ее как магнит, то эксперимент 29 августа показал, что магнетизм как будто бы рождает электричество. Только две вещи оставались в этом случае странными: почему всплеск электричества при включении электромагнита стал быстро сходить на нет? И более того, почему всплеск появляется при выключении магнита? На следующий день, 30 августа, — новая серия экспериментов. Эффект ясно выражен, но тем не менее абсолютно непонятен. Фарадей чувствует, что открытие где-то рядом.». [41].
Автор книги о Максвелле называет эксперимент 17 октября 1831 г. триумфальным .
«Эксперимент триумфальный — 17 октября. Фарадей заранее знает, как это будет. Опыт удается блестяще. «Я взял цилиндрический магнитный брусок (3/4 дюйма в диаметре и 8 1/4 дюйма длиной) и ввел один его конец внутрь спирали из медной проволоки (220 футов длиной), соединенной с гальванометром. Потом я быстрым движением втолкнул магнит внутрь спирали на всю его длину, и стрелка гальванометра испытала толчок. Затем я так же быстро вытащил магнит из спирали, и стрелка опять качнулась, но в противоположную сторону. Эти качания стрелки повторялись всякий раз, как магнит вталкивался или выталкивался». Секрет — в движении магнита! Импульс электричества определяется не положением магнита, а движением! Это значит, что «электрическая волна возникает только при движении магнита, а не в силу свойств, присущих ему в покое». Эта идея необыкновенно плодотворна. Если движение магнита относительно проводника создает электричество, то, видимо, и движение проводника относительно магнита должно рождать электричество! Причем эта «электрическая волна» не исчезнет до тех пор, пока будет продолжаться взаимное перемещение проводника и магнита. Значит, есть возможность создать генератор электрического тока, действующий сколь угодно долго, лишь бы продолжалось взаимное движение проволоки и магнита! 28 октября Фарадей установил между полюсами подковообразного магнита вращающийся медный диск, с которого при помощи скользящих контактов (один на оси, другой — на периферии диска) можно было снимать электрическое напряжение. Это был первый электрический генератор, созданный руками человека. После «электромагнитной эпопеи» Фарадей был вынужден прекратить на несколько лет свою научную работу — настолько была истощена его нервная система…». [41].
В 1831 году Джозеф Генри продолжал свою летнюю научную работу. Он построил действующий макет двухпроводной телеграфной линии , которая включала батарею, 2-х проводную линию длиной около мили и электромагнит, между обкладками которого был помещен металлический стержень на оси (это прототип приемного реле ), который своим вторым концом бил по колокольчику. Для передачи сигналов нужно было подавать по 2-х проводной линии ток от батареи на электромагнит. Публикации «о телеграфе» не было.
Не было публикации и об «электродвигателе» Генри образца 1831 года, который представлял собой комбинацию двух магнитов, качающих общее коромысло. Макет «двигателя» Генри напоминает русскую деревянную игрушку «два молотобойца». Преобразователя качающего движения во вращение с помощью шатунного, либо иного механизма Генри не делал, ввиду очевидной легкости этого технического решения. [43].
1832 г. Фарадей, Шиллинг фон Канштадт
В 1832 году, 17 февраля, в журнале «Труды Королевского общества» Майкл Фарадей представил отчет о первых двух разделах исследований «о вольта-электрической и магнито-электрической индукции ». [43]. Тем самым Фарадей закрепил свой приоритет.
В 1832 году русский дипломат барон Шиллинг фон Канштадт , с которым мы расстались в 1812 году, продолжил свои работы по электричеству. Его интересовал телеграф, с 1820 по 1830 год он совмещал свое увлечение со службой, но внимательно следил за последними научными достижениями. Шиллинг решил в качестве приемника сигналов использовать мультипликатор Швейгера (см. 1820 год), и передавать сообщения двоичным кодом по 5 основным и одному обратному проводам, что покрывало передачу 32-х русских букв и цифр (это идея Сальва — см. 1804 год). В 1830–32 г. г. Шиллинг был в Китае, и по возвращении приступил к работе с новой силой. В этом же 1832 году Шиллинг в Берлине демонстрировал свой телеграф императору Николаю I. [44].
Автор допускает, что Шиллинг мог использовать идеи по созданию 2-х проводного телеграфа с прототипом приемного реле американца Генри (1831 год), но последний хотя и опережал всех европейцев, но не делал публикаций. Это привело к тому, что с 1832 года Шиллинг продолжал совершенствовать устаревшую 6-проводную конструкцию телеграфа, в 1836 году была проложена опытная 6-проводная линия телеграфа Шиллинга в Петербурге, в 1837 году одобрен проект 15 км линии — смерть русского изобретателя барона Шиллинга фон Канштадта оборвала его работы. [32].
3-й комментарий — Кук и Витстон, Гаусс и Вебер, Штейнгель
Кратко осветим работу коллег Шиллинга из стран Европы:
Англичанин Вильям Кук был знаком с работами Шиллинга, он привлек Витстона, и в конце 1837 года эта пара получила привилегию на изобретенный телеграф с 5-ю стрелками. 25 июля 1837 года Кук и Витстон пустили в работу 60-км линию телеграфа на Бирмингемской железной дороге. Телеграф Кука и Витстона вскоре приобрел вид часов, в которых стрелка крутилась и показывала на буквы (см. рис.);
Профессор из Геттингена Гаус в 1816 году видел телеграф Земмеринга, он привлек к работам Вебера и в 1833 году ученые протянули над домами проволоки соединяющие лабораторию, астрономическую обсерваторию и магнитную обсерваторию. Сигналы передавались с помощью стрелки гальванометра — более это напоминало телесигнализацию;
Профессор из Мюнхена Карл Штейнгель в 1837 году по предложению Гауса усовершенствовал телеграфную связь, и соединил с помощью проводов на мачтах уже 4 пункта;
Все это время телеграф Морзе «буксовал», но в 1843 году первая американская линия телеграфа Морзе соединила Балтимору и Вашингтон, после чего телеграф Морзе быстро «зашагал» по просторам Америки.
Рис 15. Телеграф компании Кука и Витстона, по [46] /
1832 г. Морзе
В этом же 1832 году художник Сэмюэл Морзе (1791–1872) возвращался из Франции на пакетботе «Сэлли» в Америку. Плавание длилось месяц, и случайно разговор на судне зашел об опытах Фарадея. По легенде Морзе в разговоре с капитаном высказал мысль, что искры, добываемые из катушки, могут служить для передачи сообщений. Художник Морзе так загорелся идеей создания магнитного телеграфа, что якобы сказал капитану: «Если вы услышите когда-нибудь о магнитном телеграфе — знайте, что он изобретен на вашем корабле ». [43]. И это говорил технический дилетант 20 лет изучавший только живопись. Не исключено, что на Сэмюэла Морзе оказал влияние его близкий парижский знакомый художник Луи Дагер (1789–1851), изобретатель «дагеротипии ». [45]. Основная техническая идея художника Морзе состояла в использовании бумажной ленты для записи сообщений — это хорошо видно на его наброске «блок-схемы» телеграфа, сделанном на пакетботе «Сэлли» (см. рис. 16) — это сразу поставило дилетанта Морзе впереди всех физиков-профессионалов его времени. Наброски 1832 года сослужили Морзе хорошую службу — с помощью них он доказал свой приоритет.
Рис 16. Блок-схема аппарата Морзе, сделанная им на пакетботе «Сэлли», по [43].
1833 г. Ленц
В 1833 году уроженец Тарту, Эстония, экстраординарный академик Петербургской академии наук Эмиль Ленц (1804–1865) сформулировал правило для определения направления электродвижущей силы индукции, известный в теории электродинамики как «закон Ленца». В Академию наук Ленц был кооптирован в 24 года (!) по итогам участия в кругосветном плавании, в 1863 году он стал ректором Петербургского университета.
1834 г. Морзе, Пельтье, Фарадей
В 1834 году Сэмюэл Морзе , изобрел окончательный вариант кода для телеграфии, который имеет общепринятое название «код Морзе» . Первый вариант он написал еще в 1832 году на борту пакетбота «Сэлли». Что может сделать художник в области кодирования? Удивительно, но художник Морзе придумал самый удачный код, самый запоминающийся, самый быстрый и самый читаемый.
В 1834 году французский часовщик Жан-Шарль Пельтье (1785–1845), который оставил свою профессию в возрасте 30 лет и увлекся проведением экспериментов по физике, открыл «эффект Пельтье » — обратный термоэлектрическому эффекту Зеебека (см. 1822 год). Пельтье обнаружил, что ток, протекающий по цепи из разнородных металлов, может вызывать большое (на 5–10 градусов) повышение или понижение температуры в материалах цепи, которое зависит от направления тока. Пельтье не был теоретиком, поэтому законы по его эффекту разработали Беккерель и другие физики.
В 1834 году, 18 декабря, великий экспериментатор Майкл Фарадей начал серию опытов, которая привела его к открытию явления самоиндукции.
«Весьма важное значение имела девятая серия „Исследований“ Фарадея. В этой серии, начатой 18 декабря 1834 г., шла речь о явлениях самоиндукции , об экстратоках замыкания и размыкания. Фарадей указывает при описании этих явлений, что хотя им присущи черты инерции, однако от механической инерции явление самоиндукции отличает тот факт, что они зависят от формы проводника. Фарадей отмечает, что „экстраток тождествен с… индуцированным током“. В результате у Фарадея сложилось представление о весьма широком значении процесса индукции.» [42].
1835 г. Морзе
В 1835 году Сэмюэл Морзе, который в 1834 году стал профессором живописи Нью-Йоркского университета и слегка поправил свое материальное положение, решил, наконец, собрать пишущий телеграф по своей схеме. После ряда попыток он обратился к своему коллеге профессору химии Леонарду Гейлу. Гейл изучил «работу» Морзе и помог ему запустить конструкцию. За год с одной батареей (второй просто не было) они добились дальности связи по 2-х проводной линии в тысячу футов. А в это время сторонники 5-проводного телеграфа уже пытались ставить свои конструкции на богатые железные дороги, но мы знаем — победит дилетант Морзе — будем следить за ним.
1836 г. Даниэль
В 1836 году английский химик-самоучка Джон Фредерик Даниель (1790–1845), предложил удачную конструкцию электрической батареи, которая была названа «элемент Даниэля» . В элементе Даниэля было два сосуда и две жидкости: в наружном подкисленная вода и цинковый электрод, а во внутреннем, пористом — раствор медного купороса как деполяризатор и медный электрод. Элемент Даниэля был относительно дешев, не содержал дорогих материалов, имел довольно большой срок службы и давал хороший ток, поэтому широко применялся в слегка измененном виде (т. н. вариант Мейдингера без хрупкого наружного стеклянного стакана) на телеграфе в России.
Рис 17. Элемент Даниеэля, по [10].
1837 г. Морзе, Вейл
В 1837 году конгресс США объявил конкурс на лучший проект семафорного телеграфа, на который профессор живописи Морзе представил свой проект пишущего телеграфа. Профессора Морзе и Гейл 4 сентября 1837 года в Нью-Йоркском университете продемонстрировали свой аппарат и послали сигнал на 1700 футов. Среди приглашенных был бизнесмен Стефен Вейл, который согласился начать финансирование работ Морзе и предоставить ему необходимые площади, если последний возьмет в помощники сына бизнесмена Альфреда Вейла . Вейл младший оказался очень талантливым инженером, Он изобрел впоследствии вариант печатающего телеграфа Морзе, но патент был оформлен на Морзе, согласно условиям контракта 1837 года.
1838 г. Якоби
В 1838 году, 5 октября, на заседании Петербургской Академии наук, немецкий физик Мориц Якоби (1801–1874), работавший в России, сделал сообщение об открытии и технической разработке гальванопластики — технологии создания тонких металлических покрытий на катоде, при пропускании тока через водные растворы солей металлов. Открытие Якоби сразу нашло широчайшее применении в мировой промышленности. По [14].
1839 г. Грове, Якоби
В 1839 году британский физик сэр Уильям Грове (1811–1896) разработал гальванический элемент, пригодный для запитывания силовых цепей. По конструкции элемент Грове был аналогичен элементу Даниэля , но медный купорос в нем был заменен на азотную кислоту, а медь на дорогостоящую платину. В результате элемент Грове был очень дорогим, но развивал напряжение в 1,55 вольта, что было в 1,5 раза выше напряжения у элемента Даниэля. [46].
В 1839 году физик Мориц Якоби построил 28-футовую лодку, приводимую в движение электродвигателем, и в Петербурге катал пассажиров по Неве.
«В 1839 г. Я. построил лодку с электромагнитным двигателем, который от 69 элементов Грове развивал 1 лошадиную силу и двигал лодку с 14 пассажирами по Неве против течения. Это было первое применение электромагнетизма к передвижению в больших размерах.» [4]
Послесловие к 6–8 главам. Предисловие к 9–10 главам
Первые 40 лет 19-й века начались в «Популярной истории» со «столба Вольта» и завершились «телеграфом Морзе». Наша «История» прошла две станции: Электричество и Магнетизм и вплотную подошла к третьей станции с именем Телеграф .
Середина 19-го века — время бурных политических событий и торжества науки. Сорок лет с 1840 года по 1880 год вместили революции 1848–49 годов в Европе, Крымскую войну Европы против России, отмену крепостного права в России, Гражданскую войну в Америке, войну Пруссии и Австрии с Данией, войну Австрии и Пруссии, поражение Франции в войне с единой Германией, Балканскую войну России с Турцией. Телеграф из диковины превратился в часть жизни, появились телефон и фонограф, загорелись первые электрические лампочки. В технике и науке определились лидеры: Америка, Германия, Англия, Франция. Россия обогнала Австрию и Италию и подошла по числу инженерных новаций к Франции — как минимум она стала пятой. Это же время — время расцвета новой литературы, нового изобразительного искусства, архитектуры, драматургии, музыки.
Удивительный — удивительный — удивительный 19-й век!