Наука высокого напряжения. Фарадей. Электромагнитная индукция
Шрифт:
Фарадей читает лекцию о своих открытиях в области магнетизма и свойств света в 1846 году в Королевском институте.
Эта подводная авантюра, которая подтвердила догадки постаревшего Фарадея, началась с человека по имени Сайрус Уэст Филд (1819–1892). В середине 1850-х он предложил изготовить кабель, который можно было бы проложить по дну океана, чтобы пересечь Атлантику и соединить две великие империи — британскую и американскую. Для этого невероятного проекта требовались не только научно-технические
Для реализации проекта Филд попросил о помощи главного специалиста по теории электричества в Великобритании, шотландца Уильяма Томсона (1824–1907). Название изобретению дал Сэмюэль Морзе, он же отправил первое в мире телеграфное сообщение: «Чудны дела твои, Господи!» Придуманный им язык повлиял даже на журналистскую прозу, сжатый стиль которой стал напоминать телеграфные сообщения. Однако при использовании телеграфа имелось немаловажное техническое затруднение: передача сообщений по наземным линиям не вызывала затруднений, но при использовании подводных кабелей из-за постоянных потрескиваний и шумов сами сообщения было невозможно разобрать.
Томсон, очень серьезно относившийся к теориям Фарадея, верил, что существуют силовые поля и их помехи перемещаются частично внутри кабеля и снаружи него. По мнению Томсона, проблема была простой: когда телеграфист нажимал на клавишу, поле начинало перемещаться по кабелю длиной 1000 км, но также оно перемещалось вокруг электрического изолятора и железной оплетки, теряясь в водах океана.
* * *
Электромагнитный телеграф
Прямым результатом открытия электромагнита Эрстедом, Ампером и Араго стал телеграф, позволивший людям быстро получать и отправлять сообщения. Патент на изобретение получил американский художник Сэмюэль Финли Морзе в 1832 году. Когда отправитель нажимал клавишу, он подключал электрический ток, перемещающийся по кабелю до получателя, у которого запускался маленький электромагнит.
Электромагнит при пропускании через него тока с щелчком притягивал к себе железный язычок. Если отправитель отпускал клавишу, электрический ток прерывался, язычок возвращался в обычное положение. Морзе разработал код на основе прерывистых щелчков язычка, так что стало возможным передать любую букву алфавита со скоростью 150 знаков в минуту при условии прохождения работником телеграфа специального обучения. Эрстед, Ампер и Aparo умерли раньше и не увидели работающего телеграфа, а Майкл Фарадей, хотя уже был болен, смог присутствовать при рождении телекоммуникаций.
Морзе с прототипом телеграфа
* * *
В наземных линиях такой проблемы не возникало, потому что кабель проходил высоко на столбах (и не контактировал с проводником-землей). Кроме того, наземные кабели имели более толстый слой изолятора, а для океана изолятор был более тонким из-за экономии как по весу, так и по цене (материал изолятора назывался гуттаперчей, он был открыт в 1850-х годах, добывался из определенных видов деревьев в Индии и был похож на каучук). Также воздушные провода не имели железной оплетки, а в океане она использовалась для исключения повреждения кабеля и чтобы его не унесло течением. Однако железная оплетка рассеивала сигнал, поскольку железо не является надежным изолятором. Все эти факторы свидетельствовали о необходимости более сильного — в 20 раз — заряда для подводного кабеля по сравнению с наземным. По расчетам Томсона, выраженным в его законе квадратов, при десятикратном увеличении
Существовало два варианта решения данной проблемы. Первый, предложенный Томсоном, предусматривал увеличение диаметра жилы проводника. Но Филд верил во второй вариант, он хотел подключить кабель к источнику высокого напряжения для увеличения сигнала, компенсируя, таким образом, потери рассеивания. Однако здесь имелась другая проблема: при работе с высоким напряжением кабель быстро портился.
Филд считал объяснение Томсона слишком непонятным и заключил контракт с Эдвардом Уайтхаусом (1816–1890), который не верил в смехотворные силовые поля. Чтобы убедить инвесторов, Уайтхаус должен был всячески скрывать перед публикой свои колебания и неуверенность. Была проведена работа и с учеными, поддерживающими Томсона, чтобы они не задавали лишних вопросов. На публичную конференцию пригласили уже пожилого Майкла Фарадея и подсунули ему фальшивые отчеты с экспериментальными данными, якобы подтверждающими ошибки в расчетах Томсона.
Умственные способности Фарадея к этому времени ослабли (вероятно, из-за длительного вдыхания паров ртути, растекшейся на полу его лаборатории), и он дал неоднозначную оценку, которую можно было понять как неполное согласие с гипотезой Томсона. Поддержка Фарадеем проекта, хоть и не безоговорочная, стала решающим фактором для инвесторов. Но Томсон догадался, что Фарадея обманули и вынудили дать такое заключение практически силой, ведь он знал истинное мнение ученого, полученное после осмотра кабелей с использованием гуттаперчи, о том, что на передачу сигналов негативно влияют проводник, окружающий его изолятор и морская вода.
Кабель был изготовлен, но проект провалился, как и предсказывал Томсон: сигналы так искажались, что после пересечения Атлантики их было невозможно расшифровать. Применение высокого напряжения для передачи сигнала изнашивало кабель, поэтому отправка сообщений требовала все больше времени. Из-за недостаточной изоляции энергия рассеивалась: если телеграфист отпускал клавишу между одним сигналом и следующим за ним немного быстрее, поле, установившееся на протяжении кабеля, рассеивалось до начала передачи следующего сигнала; если телеграфист нажимал клавиши слишком быстро, новое поле накладывалось на предыдущее, все еще находившееся вокруг меди, железа и воды. Неудивительно, что, согласно документам, чаще всего передавались сообщения: «Передавайте медленнее» или «Повторите».
* * *
Магнитное поле земли
Немецко-американский физик Вальтер Мориц Эльзассер (19041991) в 1939 году высказал предположение о том, что вращение Земли создает в ядре из расплавленного металла медленные вихри, текущие с запада на восток. Эти вихри вызывают электрический ток, также проходящий с запада на восток. То есть электрический ток, циркулирующий в ядре Земли, создает магнитные линии по такому же принципу, как катушка проводника Фарадея.
Внутренний магнит
Сегодня нам известно, что у Земли есть внутренний магнит, отвечающей за магнитное поле планеты. Линии этого поля выходят из Южного полушария и входят в Северное. Причину магнетизма нужно искать в ядре Земли, разделяющемся на внутреннее твердое ядро из никеля и железа и внешнюю оболочку из тех же металлов, но в жидком состоянии. Движение жидкого металла создает магнитное поле благодаря так называемому динамо-эффекту. Оно представляет собой более сложный процесс, чем считалось раньше. Он связан не только с направлением вращения планеты, но и, как считается, стал причиной того, что в прошлом Земля сменила полярность своего магнита. Возможно, смена полюсов связана со скоростью вращения планеты или с тем, что линии поля пересекаются и перепутываются из-за перемещений жидкого металла во внешней оболочке ядра.