Американские ученые и изобретатели

Уилсон Митчел

Джозеф Генри

 

 

Человек, которого не признали современники

Весной 1837 года в одной английской лаборатории ученые попытались поставить опыт, на который они сами не возлагали особых надежд: они хотели проверить, можно ли вызвать электрическую искру из термопары. Один конец термопары был вставлен в кусок льда, другой лежал на раскаленной докрасна печке. Чарльз Уитстон соединил два куска проволоки, замкнув цепь. Искры не получилось. Майкл Фарадей заявил, что Уитстон делает это не так, как нужно, и сам проделал опыт в ином варианте. Но искры все же не было.

Тогда третий ученый — американец, приехавший в Англию — стал наматывать на палец проволоку плотной спиралью. Через несколько минут он объявил, что как только уважаемые коллеги будут готовы, он с удовольствием покажет им, как вызвать искру. Затем он просто присоединил эту маленькую спираль, надетую им на небольшой железный стержень, к одному из проводов термопары. На этот раз при соединении концов проволоки можно было совершенно отчетливо видеть искру.

Фарадей восхищенно зааплодировал и воскликнул:

— Ура эксперименту янки! Но что же вы такое сделали?

И Джозефу Генри пришлось объяснять самоиндукцию ученому, который был известен на весь мир, как человек, открывший индукцию.

Век с четвертью и целая эпоха в области знаний отделяли электростатику Франклина от электродинамики Кларка Максвелла. И большая часть этих знаний была добыта одним человеком — Джозефом Генри за каких-нибудь пятнадцать лет: с 1829 по 1844 год. Большинство современников Генри не могло оценить как следует и малой доли его огромного вклада в науку. И все же теперь его исследования стоят в ряду величайших научных открытий.

Он сам выбрал себе роль чужака среди людей. Его друзья ошибочно принимали его научный идеализм за отсутствие истинно американского духа. Мировая наука не признавала его потому, что он был американцем. И лишь после смерти Генри, когда современников его юности давно уже не было в живых, люди, никогда не знавшие его, наконец поняли, что это был гигант, жизнь, работа и смерть которого прошли незаслуженно незамеченными. Люди поняли, что той славой, которая пришла к нему, он был обязан далеко не самым важным из его работ.

В конце концов наука воздала ему должное и возвела его на самый почетный пьедестал, написав его имя с маленькой буквы: Генри стал генри, наряду с ампером, вольтом, фарадой.

В 1820-х годах люди предполагали, что лучшей иллюстрацией связи электричества и магнетизма может служить следующий пример. Крохотную бумажную лодочку длиной в один дюйм помещали в чашу с водой. В лодке находилась намагниченная игла. В центр сосуда в воду спускался нижний конец подвешенного сверху провода. Когда по проводу пускали электрический ток, бумажная лодка с магнитом начинала медленно плавать вокруг провода, описывая совершенно правильные круги. При усилении электрического тока лодка-магнит двигалась быстрее. Вывод был таков, что постоянный ток создавал вокруг себя концентрическое магнитное поле. О магнитном поле говорили, что оно индуцировано, наведено. Чем сильнее ток, тем интенсивнее индуцированное магнитное поле..

Джозеф Генри, школьный учитель математики в маленьком городишке неразвитой страны, задал себе такой вопрос: если электричество может вызывать магнетизм, то почему бы магнетизму в свою очередь не вызывать электрический ток? Он не только нашел ответ, но и далеко опередил всех предшественников глубиной своих исследований.

В юные годы Генри ничто не указывало на его исключительные способности и интерес к науке. Он вырос в нищете, недалеко от Олбани, богатого тихого городка, который не захватила волна переселения на Запад. Мечтательный мальчик, едва умевший читать, был батраком на ферме, потом учеником в лавке. Однажды, когда ему было тринадцать лет, он в погоне за убежавшим кроликом попал в подземный ход под церковью. Выбравшись наверх, мальчик очутился в запертой комнате, где была целая библиотека увлекательных романов. Он забыл о кролике и принялся читать книги, одну за другой.

Четырнадцатилетний мальчик был настолько увлечен высокими романтическими чувствами, что, попав в следующем году в Олбани, куда его послали зарабатывать себе на жизнь, тотчас же направился прямо в театр Грин Стрит, где в это время великий Джон Бернард руководил своей знаменитой труппой. В течение двух лет Джозеф Генри, необычайно красивый, очень высокий для своего возраста, был старательным, способным учеником «здоровенных детин в саженных париках, которые рвут перед вами страсть в куски и клочья».

В шестнадцать лет он сделал для себя второе великое открытие. Однажды он так заболел, что не смог пойти в театр. Томясь от скуки, он невзначай раскрыл книгу, оставленную другим жильцом. Даже на склоне лет он помнил наизусть абзац, которым начиналась первая страница: «Вы бросаете камень или пускаете стрелу в небо. Почему они не летят все время в том направлении, куда вы их послали? И почему, наоборот, пламя или дым всегда устремляются вверх, хотя к этому их не принуждает никакая внешняя сила?» Джозеф Генри открыл для себя мир науки.

В мелочах Генри никогда не был решительным. Однажды, заказав пару башмаков, он изо дня в день менял фасон, не зная, какой выбрать носок — круглый или квадратный. Выведенный из себя сапожник сделал один носок круглым, а другой квадратным. Однако важные решения Генри принимал, не колеблясь. Без всякой подготовки он решил пойти на сцену. Теперь он внезапно решает стать физиком, будучи еще менее подготовленным в этой области.

Генри пришел в Академию города Олбани и заявил, что хочет стать студентом. К счастью, он был таким талантливым, что все, о чем он мечтал, стало явью. За семь месяцев вечерних лекций и дополнительных занятий он впитал в себя достаточно знаний, чтобы получить место учителя в сельской школе. Теперь он имел средства для того, чтобы учиться дальше. Работа в школе и посещение занятий в Академии поглощали более шестнадцати часов в день, но Генри поистине наслаждался такой жизнью.

Позже он бросил работу в школе и уговорил доктора Бека, профессора химии, взять его в качестве помощника, который демонстрирует опыты во время публичных лекций. В новой работе ему помогала сценическая подготовка: благодаря ей он сумел сделать все опыты доходчивыми, убедительными и даже, насколько это позволяла обстановка, театральными. Здесь он приобрел быстроту и четкость в работе, которыми позднее отличались его собственные опыты.

Закончив курс обучения в Академии, Генри получил место инспектора и инженера на канале Эри. Дни нищеты, казалось, остались позади, и перед ним открылась широкая дорога в будущее. Повсюду — от портов Востока до далеких гор Висконсина — не было места, где бы человек, подготовленный так, как Генри, не мог разбогатеть. Однако он проработал на каналах всего несколько месяцев. Ему предложили должность профессора математики и физики в Олбани. Понимая, что страна нуждается в знающих преподавателях еще более остро, чем в инженерах, Генри нехотя принял этот пост.

За несколько месяцев работы Генри инженером штат Нью-Йорк выплатил ему 2083 доллара. То, что он сберег из этой суммы, и страховой полис на 4000 долларов — вот все, что он оставил после своей смерти в 1878 году, хотя за свою жизнь ему не раз приходилось распоряжаться миллионами долларов из общественных средств.

 

Генри получает электричество с помощью магнетизма

Электромагнит, построенный Генри и способный поднять груз весом в тонну. На подковообразный магнит из мягкого железа было намотано большое количество витков изолированной проволоки, Ток от гальванической батареи Ьс превращал подкову в магнит, и она притягивала плоскую железную плиту, называемую якорем. К якорю была подвешена платформа, на которую можно было поместить известный груз.

Когда в 1826 году Джозеф Генри возвратился в Олбани, самым ценным из того, что он привез с собой, было основное качество великих исследователей — способность воплощать любую идею в простые и ясные формы. Его логика работала со скоростью интуиции.

Генри был загружен преподавательской работой, и единственным временем, которое он мог выкроить для исследований, были каникулы, когда ему разрешалось превратить один из классов в лабораторию. Первое, что он сделал, — приступил к созданию электромагнитов, сконструированных Стодженом и действующих на принципе Араго и Эрстеда. На стержень из ковкого железа, покрытого шеллаком, свободно наматывался голый провод. Когда электрический ток проходил по проводу, стержень намагничивался. Стоджен в своих опытах согнул железный стержень в виде подковы, и когда он включал электрический ток, электромагнит поднимал в воздух 7 фунтов металла. При выключении тока металл столь же эффектно падал.

Однажды летом в классной комнате Генри построил магнит, который мог поднимать груз весом в целую тонну. Эта установка была в 300 раз мощнее, чем у Стоджена. Вместо изоляции железа, как это было у Стоджена, Генри изолировал провод, что позволило ему уместить огромное число витков провода на очень небольшом пространстве. Генри описал установку в «Американском научном журнале», который издавал Силлимэн в Йеле. Но заграницей никто статьи не читал.

Создавая чрезвычайно мощные магниты, Генри задумался над проблемой получения электричества с помощью магнитного поля. Он установил, что все исследователи до него заблуждались, считая, что постоянный электрический ток индуцирует постоянное магнитное поле. Поэтому их поиски и были направлены на то, чтобы с помощью постоянного магнитного поля индуцировать ток. Его предшественники обычно делали один и тот же опыт: наматывали провод на кусок намагниченного железа, а затем соединяли его концы в надежде получить искру.

Генри открыл, что правильное решение состоит в том, чтобы как раз не пользоваться постоянным током, а создать переменное поле. Оказывается, можно вызвать электрический ток в замкнутом витке проводника и просто водя магнитом возле провода.

Он пошел дальше. Сначала, пропустив электрический ток через провод, он создал вокруг провода магнитное поле. Затем, меняя ток, заставил колебаться и магнитное поле. Второй провод, помещенный рядом с первым, таким образом, уже находился в переменном магнитном поле, и в этом проводе индуцировался ток, хотя он и не был подключен к какой-либо батарее. Простым изменением тока в одном проводнике Генри смог индуцировать ток в другом, хотя эти два проводника не соединялись между собой.

Вся эта работа и некоторые другие были проведены в свободные летние месяцы в течение ряда лет вплоть до 1831 года. Однако Генри не хотел публиковать результаты своих работ, пока у него не накопится достаточно большого количества научно подтвержденных фактов. Всю свою остальную жизнь Генри пришлось сожалеть о том, что он не торопился опубликовать результаты своей работы. «Мне следовало напечатать все это раньше, — грустно говорил он своим близким друзьям. — Но у меня было так мало времени! Хотелось свести полученные результаты в какую-то систему. И откуда мне было знать что кто-то другой по ту сторону Атлантического океана занимается той же проблемой?»

Генри обнаружил, что в замкнутой проволочной катушке можно вызвать индуцированный ток, просто двигая рядом с катушкой магнит.

Когда движение магнита прекращалось магнитное поле становилось стационарным, и электрический ток исчезал. Генри предположил, что если движущийся магнит может вызывать ток в проволоке, то и одна катушка проволоки может вызвать ток в другой.

Так был открыт принцип трансформатор сделавший возможным применение электрической энергии.

На рисунке гальванический элемент (справа) питает током верхнюю катушку. Ток, индуцированный в нижней, большей катушке, отклоняет стрелку гальванометра (слева).

В мае 1832 года изобретателю был нанесен тяжелый удар. Будучи еще в полной уверенности, что своей огромной работой он на многие годы опередил научный мир, Генри случайно раскрыл журнал и прочитал два абзаца, которые совершенно подкосили его. Никого он не опередил на годы. Другой человек, совершенно независимо от него, проделал те же самые исследования. Эти два абзаца были напечатаны под рубрикой: «Труды Королевского общества». Они начинались так:

«17-го февраля. Господин Фарадей сделал отчет о первых двух разделах его исследований в области электричества, а именно, о вольта-электрической и магнитно-электрической индукции».

Заканчивалась статья следующими словами: «Если перемещать магнит вблизи проводника, не подключенного к источнику электрической энергии, то в последнем индуцируется электрический ток, который легко обнаружить».

Статья Фарадея, напечатанная в 1832 году, была основана на результатах, полученных им лишь минувшей осенью, и, хотя Генри во многом опередил Фарадея, он решил, что теперь уже нет смысла публиковать результаты своей работы. Он был на грани отчаяния. Однако профессор Силлимэн из Йеля настойчиво уговаривал Генри написать статью для его журнала. Наконец, Генри начал целую серию статей, которые должны были принести ему все, о чем он раньше мог лишь мечтать. Но полное признание пришло к нему только, после смерти.

Первая статья появилась в печати в июле того же года. Она начиналась с утверждения, что, несмотря на открытия Эрстеда, Араго и Ампера, никому не удалось вызвать электрический ток с помощью магнетизма.

«Имея в виду достичь этого, я и начал опыты, — писал он, спрятав глубокое разочарование за подчеркнутой беспристрастностью. — Тем временем цель, к которой я стремился… была достигнута господином Фарадеем из Королевского общества».

Затем он изложил работу Фарадея и описал собственные опыты, ограничившись очень краткими косвенными намеками на то, что первооткрывателем был все-таки он.

Прибор Генри состоял из двух катушек, ничем не соединенных между собой. Одна из них с магнитом внутри была включена в замкнутую цепь с батареей. Другая катушка, для которой первая служила якорем, соединялась лишь с гальванометром. Она не имела никакого источника питания.

«Я встал около гальванометра, и по моему сигналу ассистент… подключил батарею к якорю. Северный конец стрелки гальванометра отклонился на 30 градусов, указывая на наличие тока в катушке, в которую вставлялся якорь…» Иными словами, ток возникал в том проводнике, который не был подключен ни к какому источнику электрической энергии. Однако тут же Генри ожидало разочарование, ибо стрелка гальванометра возвратилась в нулевое положение, хотя в катушке вокруг магнита еще шел ток. Генри дал знак своему ассистенту выключить этот ток. К его великому удивлению, в тот момент, когда ток был выключен, стрелка гальванометра прыгнула опять, но уже в другом направлении.

Теперь, оглядываясь назад, нетрудно объяснить случившееся: когда электрический ток пошел по катушке с магнитом, магнитный поток в якоре изменился от нуля до своего максимального значения. Это мгновенное изменение магнитного потока индуцировало электрический ток в наружной катушке. Когда ток в магнитной катушке внезапно прекратился, величина магнитного потока в якоре опять упала до нуля. И тем самым еще раз был дан импульс току в наружной катушке.

Генри сделал следующий вывод из этого явления: «Мгновенно возникающий в том или другом направлении ток сопровождает каждое изменение степени намагниченности железа…»

 

Телеграф, трансформатор и электрический мотор Генри

Итак, Генри установил, что как только в проводнике возникает напряжение, устремившийся ток создает на какое-то мгновение увеличивающееся магнитное поле. В любом проводнике, помещенном в это изменяющееся магнитное поле, возникает индуцированный ток. И Генри нашел, что в значение слов «любой проводник» обязательно включается и тот самый проводник, который вначале создал поле.

Электрическое реле и первый электромагнитный телеграф Генри создал в 1831 году, опередив Морзе на 6 лет. Приемником у Генри служил звонок. В Принстоне Генри передал сигналы по проводам на расстояние в одну милю и заявил, что его реле позволяют как угодно удлинить цепь.

Еще в 1829 году он наблюдал влияние на ток собственного изменяющегося магнитного потока — явление, названное теперь самоиндукцией.

В статье, опубликованной в 1838 году, Генри впервые описал это явление Друзья его были очень огорчены тем, что вся слава этого открытия досталась Фарадею, а не Генри. Со времен Франклина американской науке не представлялось такой возможности заслужить мировое признание. Молодая республика была особенно чувствительна к мнению европейцев о том, что Америка якобы не способна дать что-либо в области культуры. Вместо того, чтобы сочувствовать Генри, соотечественники во всем винили его. Он был так подавлен, что всерьез подумывал о том, чтобы навсегда оставить науку, но его друзья, стараясь создать ему лучшие условия для исследовательской работы, выхлопотали ему назначение в Принстонский университет.

Еще в Олбани Генри изобрел электрическое реле, которое использовал для создания первой электромагнитной телеграфной системы. В Принстоне он продолжил свои исследования и так наглядно описал взаимную индукцию, что приведенное ниже описание опыта вполне может служить чертежом электрического трансформатора:

«Основные части прибора, применявшегося в опыте, состоят из нескольких плоских витков с намотанной медной лентой… Катушка N 1 подключена к маленькой батарее, а катушка N 2 (с небольшим числом витков) помещается на ней. Полная изоляция обеспечена вставленной между ними стеклянной пластинкой. Как только ток в катушке N 1 прерывается, в катушке № 2 возникает сильный вторичный ток… Однако этот ток едва ощущается пальцами, и удар от него слаб».

Иными словами, сила тока возрастала, а напряжение падало. Такое сочетание катушек представляло собой первый понижающий трансформатор. «Если катушка № 1 остается такой же, а в катушке № 2 увеличивается количество витков, то при таком сочетании намагничивание гораздо слабее… но удары тока намного сильнее».

Генри уменьшил силу тока, но поднял напряжение, т. е. сделал первый образец повышающего трансформатора. Техника постановки опытов была весьма изобретательной, и Генри ясно понимал сущность явлений. Поэтому он смог доказать, что происходит колебательный разряд конденсатора. Это был наиболее важный опыт по исследованию емкости со времени анализа лейденской банки, произведенного Франклином.

Своей последней крупной работой в области электричества Генри опередил Герца. В 1842 году он обнаружил, что иглы, находящиеся в подвале здания, намагничиваются от электрической искры, полученной на втором этаже.

Первый электромотор был создан Генри в 1831 году. Железный прут, обмотанный проволокой, качался на оси, по очереди замыкая контакты гальванических элементов с помощью проволок ор и qr. Это была всего лишь игрушка, но живший по соседству кузнец Девенпорт построил настоящий мотор с вращающимся якорем.

Он ясно понимал, что это явление, так же как и распространение света, объясняется распространением волн. Спустя 25 лет Максвелл изложил все, что открыл Генри, в четырех уравнениях электродинамики.

Правительство Соединенных Штатов искало подходящую кандидатуру на пост директора только что организованного Смитсонианского научного общества. Этот пост был предложен Генри. Ученый понимал, что основание такого общества впервые давало возможность привести американскую науку в стройную систему. Двадцать лет назад чувство долга перед наукой заставило его отказаться от профессии инженера, сулившей ему богатство. Точно так же и теперь он отказался от исследований, став первым государственным администратором по вопросам науки.

Именно в роли директора Смитсонианского научного общества он и был известен своим соотечественникам. Генри знали как советника Авраама Линкольна по вопросам науки в годы войны и как человека, который оказал поддержку молодым изобретателям Морзе, Беллу и другим.

В последние десятилетия своей жизни он был известен всем как человек неподкупной честности, твердый и властный. И еще долго после его смерти для всех, кроме его дочери, оставалось тайной, что этот замкнутый, внешне холодный старик горько сожалел о том, что в прежние годы был обойден вполне заслуженной им славой.