Анатолий Томилин - Мир электричества
Характер Ампера был крайне неуравновешенным, а диапазон интересов – широким. Часто из одной крайности он кидался в другую. Так, уже став профессором математики в Бурге, он написал интересное рассуждение о будущем химии. Однако смелые предсказания скоро стали казаться ему греховными. Он впал в мистицизм, начал обвинять себя в преждевременном открытии тайн и бросил свое сочинение в огонь.
В Париже жизнь его текла беспорядочно. Не имея средств, Ампер вынужден был искать работу и получил должность университетского инспектора. Далекий от реальной жизни, он должен был ездить по департаментам, инспектировать и писать длинные отчеты о расходах на мебель, губки, мел и тому подобные мелочи. Ампер не был в состоянии довести даже собственную рукопись до вида, пригодного к набору. А между тем чиновники требовали от него точности и аккуратности в отчетах, в которых он не видел никакого смысла.
И вообще, если не считать занятий наукой, все существование Ампера в Париже было сплошным несчастьем. Умерла его жена, оставив мужу трехлетнего сына Жан Жака. Чтобы дать сыну мать и освободить сестру от забот о малыше, Ампер женился во второй раз. И тут уж ему действительно не повезло. Знаменитый физик, человек в высшей степени интеллигентный, Луи де Бройль в 1940 году, несмотря на свою обычную сдержанность, охарактеризовал мадам Ампер так: «Вторая его жена оказалась мегерой, а ее родители не лучше».
Ампера буквально третировали в доме супруги, пока он не покинул ее кров, найдя убежище в здании Министерства внутренних дел. Лишь купив дом на Фоссе де Сен-Виктор, он почувствовал себя в безопасности.
Не радовал ученого и сын. Ампер ввел двадцатилетнего Жан Жака в модный салон сорокатрехлетней мадам Рекамье – супруги банкира. И молодой человек влюбился без памяти в стареющую красавицу. До самой смерти своей возлюбленной, в течение тридцати с лишним лет, поэт и лингвист Жан Жак Ампер питал к ней нежные чувства и хранил верность. А Андре Ампер так мечтал, чтобы сын завел собственную семью.
Ампер тяжело переносил домашние неурядицы. Постепенно оживление и бурная работоспособность после удачных опытов и создания теории сменились апатией. Прежнее уныние овладевало ученым. Все труднее бывало браться по утрам за перо. Все ненавистнее становился ему задуманный капитальный труд, название которого гласило: «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опытов». Амперу не хотелось даже читать. Насколько в детстве и в юности он любил книги, настолько теперь чувствовал к ним отвращение. Ничто не могло пробудить его интереса, ничто не способно было увлечь. Ко всему прочему добавились еще и страдания от сильной стенокардии. Еле-еле закончив книгу, он оказался неспособен даже разбить текст на главы и параграфы и дать оглавление. Последние годы своей жизни Андре Ампер провел в ужасном состоянии.
В мае 1836 года больной и страдающий Ампер выехал из Парижа на юг, в Марсель, чтобы поправить здоровье. Однако надежды были тщетны. И 10 июля, после приступа жестокой лихорадки, Андре Мари Ампер скончался.
«Термомагнетизм» Зеебека
Прежде чем начать рассказ о первых количественных законах электричества, позволивших перейти к промышленному применению «куриозных» аппаратов и породивших в будущем такую мощную отрасль производства, как электротехника, следует вспомнить еще о некоторых открытиях, совершенных в это же время.
В 1821 году жил в Берлине Томас Иоганн Зеебек – врач по образованию. Врачебной практикой он не занимался и, имея средства к существованию, довольно давно вел физические исследования. Имя его было настолько известно в научном мире, что в 1814 году Берлинская академия наук приняла его в состав своих членов.
Зеебек пытался обнаружить действие на магнитную стрелку замкнутого контура из разнородных металлов без включения в него вольтова столба. Он замыкал медную катушку гальванометра висмутовым диском, и каждый раз, когда его рука нажимала на один из контактов, магнитная стрелка чуть-чуть отклонялась. Почему?.. Может быть, влажные руки создавали условия для возникновения «вольтаического тока»?.. Он подложил под пальцы стекло и снова надавил на контакт. Стрелка не двигалась. Прекрасно!.. Но радоваться было рано. Через некоторое время стрелка все-таки отклонилась. Почему же не сразу, а через некоторое время? Что изменилось, когда он положил под пальцы стекло? Устранен непосредственный контакт спая металлов с пальцами, но там же осталось тепло рук, которое теперь нагревает этот спай с некоторым запозданием из-за стеклянной прокладки. Не тепло ли – причина дополнительного магнетизма, вызывающего отклонение магнитной стрелки?
Через некоторое время Зеебек написал статью, в которой заявил, что «теплота, которая сильнее передается одному из мест контакта металлов, является причиной магнетизма». А посему он и назвал открытое им новое явление термомагнетизмом!
Зеебек обнаружил, что эффект, названный им магнитной поляризацией, усиливается как с увеличением числа «термомагнитных» пар, так и с ростом разности температур. Он сделал вывод, что даже магнетизм Земли должен иметь ту же природу и рождается от нагревания вулканами пояса руд и металлов, опоясывающего Землю.
Как только физики узнали о новом открытии, опыты Зеебека были повторены во многих лабораториях. Ханс Кристиан Эрстед и французский физик и математик Жан Батист Фурье пришли к выводу, что это вовсе не термомагнетизм, а термоэлектричество и что Зеебек, исходя из неправильных представлений, ошибся и в сути явления. Они составили батареи из большого числа металлических пар и вскоре, правда, не без труда, получили от них небольшие электрические искры. Теперь уже сомнений не оставалось: тепло, подведенное к спаю (или контакту) разнородных металлов, рождало не магнетизм, а электричество. И несмотря на то что первооткрыватель еще долго сопротивлялся, стараясь доказать свою правоту, явление получило название термоэлектричества.
Через тринадцать лет после открытия Зеебека парижский часовщик, бросивший свое ремесло, Жан Шарль Атаназ Пельтье обнаружил, что в местах спаев двух разнородных металлов, в зависимости от направления тока, тепло либо выделяется, либо поглощается. Явление получило название «эффект Пельтье».
Так новые открытия все ближе и ближе подталкивали ученых к необходимости признания того, что силы природы могут превращаться одни в другие или переходить из одной формы в другую.
Сегодня пока еще термоэлектрические генераторы используются в качестве маломощных источников электроэнергии. Их устанавливают на навигационных буях, на маяках. Множество полупроводниковых термоэлементов, соединенных между собой, нагреваются солнечным теплом. Тепловая энергия непосредственно переходит в электрическую, но… коэффициент полезного действия таких установок пока слишком мал.
Обратный эффект, открытый Пельтье, используется шире. Но у открытия Зеебека и Пельтье есть будущее. И скорее всего, оно будет сильно отличаться не только от того, каким виделось первооткрывателям явлений, но и от того, каким видим его мы сегодня. Полупроводниковая, криогенная техника в сочетании с термоэлектрическими явлениями еще не сказала своего последнего слова.
Уильям Стёрджен и «магнитные Биллы»
На заседании Британского общества искусств, которое состоялось 23 мая 1825 года, за длинным столом, заставленным различными электрическими приборами и внушительной батареей из вольтовых столбов, сидел высокий джентльмен лет сорока с лишним. Выправка и благородное, хотя и несколько грубоватое лицо выдавали в нем отставного военного.
Когда члены общества собрались, председатель коротко представил гостя: «Мистер Уильям Стёрджен – эсквайр», – и сказал, что мистер Стёрджен любезно согласился познакомить их со своим изобретением и показать ряд приборов для электромагнитных экспериментов.
Уильям Стёрджен (1783–1850)
После открытия Эрстеда опыты с электричеством и с магнитами вновь стали популярны среди образованной публики. Поэтому собравшиеся не без интереса следили за ловкими руками экспериментатора, демонстрировавшего по большей части знакомые всем и лишь слегка усовершенствованные приборы. Но вот Стёрджен сделал паузу и с некоторой торжественностью открыл большой футляр. Там лежал согнутый подковой черный лакированный стержень из мягкого железа, обмотанный блестящей медной проволокой.
Изобретатель положил прибор на весы. Английская система мер всегда отличалась замысловатостью, и я не стану приводить точный вес в английских единицах. Всего прибор потянул граммов на двести. Экспериментатор подвесил его на штатив и подключил к вольтовой батарее. Концы подковы, обретя магнитную силу, притянули к себе железную полосу. Стёрджен стал нагружать полосу гирями: одна, другая, третья… – полоса держалась. Пятая, десятая… Лишь когда вес притянутого железа в восемнадцать раз превзошел вес самого магнита, груз оторвался.
