Экспериментальные исследования по электричеству

Экспериментальные исследования по электричеству. Первая серия Присущее электричеству напряжения свойство создавать вблизи себя противоположное электрическое состояние получило общее название индукции.

Поскольку оно вошло в научный язык, названием этим можно с полным основанием пользоваться в таком же общем смысле и в том случае, если бы электрические токи оказались способными переводить находящуюся в непосредственной близости от них материю в некоторое особое состояние, которое до того было безразличным. В этом именно смысле я и предполагаю употреблять этот термин в настоящем докладе. Целый ряд действий, вызываемых индукцией электрических токов, был найден и описан ранее, как-то: намагничивание, опыты Ампера с поднесением медного диска к плоской спирали, повторение им при помощи электромагнитов замечательных опытов Араго и, может быть, кое-какие другие.

Однако казалось невероятным, чтобы этим исчерпывались все действия, которые может производить индукция токов, тем более, что в отсутствии железа почти все эти явления отпадают, тогда как имеется бесчисленное множество тел, обнаруживающих определенные явления индукции от электричества напряжения, и тела эти до сих пор еще не были подвергнуты действию индукции от электричества в движении.

Далее: примем ли мы прекрасную теорию Ампера или какую-либо другую, или мысленно откажемся от теорий, все же представляется весьма необычайным, чтобы, с одной стороны, всякий электрический ток сопровождался магнитным действием соответствующей интенсивности, направленным под прямым углом к току, и чтобы в то же время в хороших проводниках электричества, помещенных в сферу этого действия, совсем не индуцировался ток, не возникало какое-либо ощутимое действие, эквивалентное по силе такому току. Эти рассуждения и вытекающая из них как следствие надежда получить электричество при помощи обыкновенного магнетизма в разные времена побуждали меня экспериментально изучить индуктивное действие электрических токов.

Недавно я добился положительных результатов, и при этом не только оправдались мои надежды, но я получил в руки ключ, который, как мне кажется, открывает дверь к полному объяснению магнитных явлений Араго, а также к открытию некоторого нового состояния, которое, быть может, играет большую роль в некоторых наиболее важных действиях электрических токов.

Эти результаты я предполагаю описать не в том порядке, в каком они были получены, а таким образом, чтобы дать наиболее сжатое образование их в целом. Около двадцати шести футов медной проволоки диаметром в одну двадцатую дюйма было намотано на деревянный цилиндр в виде спирали; отдельные витки спирали предохранялись от касания проложенным между ними тонким шнурком.

Эта спираль была покрыта коленкором, а затем таким же способом была навита вторая проволока. Этим путем были навиты одна на другую двенадцать спиралей длиной в среднем по двадцать семь футов проволоки каждая, и все в одном направлении. Первая, третья, пятая, седьмая, девятая и одиннадцатая спирали были соединены конец с концом так, что образовали одну общую катушку; остальные были соединены таким же способом; таким образом, получились две основные, тесно переплетенные друг с другом спирали, имеющие одинаковое направление, нигде не соприкасающиеся и содержащие каждая по сто пятьдесят пять футов проволоки.

Одна из этих спиралей была соединена с гальванометром, другая — с хорошо заряженной гальванической батареей из десяти пар пластин в четыре квадратных дюйма каждая, причем медные пластины были двойные; однако не удалось наблюдать ни малейшего отклонения стрелки гальванометра.

Была изготовлена подобная же составная катушка, состоящая из шести отрезков медной проволоки и шести отрезков проволоки из мягкого железа. Полученная таким образом железная катушка содержала двести четырнадцать футов проволоки, а медная — двести восемь; однако, независимо от того, как проходил ток батареи: через медную или через железную катушку,— гальванометром не удавалось обнаружить никакого действия на другую катушку. В этих, как и многих подобных, опытах между железом и другими металлами не было обнаружено никакой разницы в действии.

Двести три фута медной проволоки в одном куске были намотаны на большой деревянный барабан; другие двести три фута такой же проволоки были проложены в виде спирали между витками первой обмотки, причем металлический контакт был везде устранен посредством шнурка. Одна из этих спиралей была соединена с гальванометром, а другая — с хорошо заряженной батареей из ста пар пластин в четыре квадратных дюйма с двойными медными пластинами.

При замыкании контакта наблюдалось внезапное, но очень слабое действие на гальванометр, и подобное же слабое действие имело место при размыкании контакта с батареей. Но в дальнейшем, при прохождении гальванического тока по одной из спиралей, не удавалось обнаружить отклонения гальванометра или иного действия на вторую спираль, похожего на индукцию, хотя мощность батареи и была явно велика, о чем можно было судить по нагреванию всей присоединенной к ней спирали и по яркости разряда, если он пропускался через древесный уголь.

Повторение опытов с батареей из ста двадцати пар пластин не производило других действий; но в этом, как и в предыдущем, случае было установлено, что незначительное отклонение стрелки, получающееся в момент замыкания контакта, всегда имело одно и то же направление и что подобное ему слабое отклонение, вызываемое размыканием контакта, было направлено в обратную сторону, и далее, что эти действия наблюдались и с прежними катушками. Результаты, которые к этому времени были мною получены с магнитами, привели меня к мысли, что ток от батареи при пропускании его через один проводник действительно индуцирует подобный же ток в другом проводнике, но что этот ток длится всего один момент и по природе своей походит скорее на электрическую волну, возникающую при разряде обыкновенной лейденской банки, чем на ток от гальванической батареи, и что поэтому он, быть может, окажется в состоянии намагнитить стальную иглу, хотя на гальванометр действует едва-едва. Это предположение подтвердилось: действительно, когда я, заменив гальванометр небольшой полой спиралью, намотанной на стеклянную трубку, ввел внутрь ее стальную иглу, соединил батарею, как и ранее, с индуцирующим проводом и затем вынул иглу еще до момента размыкания контакта с батареей, то она оказалась намагниченной.

Если сначала включить батарею и уже после этого ввести вовнутрь служившей для наблюдения небольшой спирали ненамагниченную иглу и, наконец, разомкнуть контакт с батареей, то игла оказывается намагниченной и, по-видимому, в такой же степени, как и раньше, но полюсы оказываются противоположного знака.

Такие же действия имели место при опытах с описанными большими составными спиралями.

Если ненамагниченная игла вводилась внутрь испытательной спирали раньше, чем был соединен с батареей индуцирующий провод, и оставалась там до момента размыкания контакта, то она совсем не обнаруживала магнетизма или обнаруживала его лишь в слабой степени; в этом случае первое действие было почти целиком нейтрализовано вторы.

Сила действия тока, индуцируемого при замыкании контакта, оказывалась всегда больше той, которая индуцировалась при размыкании контакта; поэтому, когда контакт замыкался и размыкался много раз подряд, причем игла оставалась внутри испытательной спирали, то она, в конце концов, оказывалась обладающей некоторым намагничением, но намагничивалась таким образом, как будто на нее действовал только ток, индуцированный при замыкании контакта.

Это действие может объясняться так называемой аккумуляцией на полюсах разомкнутой батареи; вследствие этой аккумуляции ток при первоначальном замыкании контакта оказывается более сильным, чем впоследствии при размыкании его. Если цепь между спиралью или подвергаемым индукции проводом и гальванометром, или испытательной спиралью не была замкнута перед тем, как замыкалось или размыкалось соединение между батареей и индуцирующим проводом, то нельзя обнаружить никакого действия на гальванометр.

Таким образом, если сначала сделать соединения в цепи батареи, а затем соединить подвергаемый индукции провод с испытательной спиралью, то намагничивающая способность не проявляется. Но если теперь сохранить эти соединения и размыкать соединения батареи, то в спирали образуется магнит, но второго рода, т.е. с полюсами, указывающими на существование тока того же направления, что и ток батареи, или тока, который всегда индуцируется при прекращении тока батареи. В предыдущих опытах провода были расположены близко друг от друга, и контакт индуцирующего провода присоединялся к батарее на то время, когда требовалось иметь индукционное действие.

Но так как можно было бы предполагать, что это особое действие проявляется только в моменты замыкания и размыкания контакта, то я производил индукцию и другим путем. Несколько футов медного провода были натянуты большими зигзагами, в виде буквы W, на поверхности широкой доски; второй провод был натянут точно такими же зигзагами на второй доске, так что при поднесении ее к первой провода коснулись бы друг друга на всем протяжении, если бы между ними не был проложен лист толстой бумаги.

Один из этих проводов был соединен с гальванометром, а другой — с гальванической батареей. Затем первый провод перемещался по направлению ко второму, и во время его приближения стрелка отклонялась. Во время удаления провода стрелка отклонялась в противоположном направлении. Если заставлять провода сближаться, а затем удаляться друг от друга в такт с колебаниями стрелки, последние скоро становились весьма значительными; однако по прекращении движения проводов по направлению друг к другу или друг от друга стрелка гальванометра в скором времени возвращалась в свое обычное положение. При сближении проводов индуцированный ток имел направление, обратное направлению индуцирующего тока. При удалении друг от друга проводов индуцированный ток имел то же направление, что и индуцирующий ток. Когда провода оставались неподвижными, индуцированного тока не было вовсе.

Когда в цепь между гальванометром и его спиралью или проводом вводилась небольшая гальваническая установка таким образом, чтобы создалось постоянное отклонение стрелки в 30 или 40°, а затем индуцирующий провод соединялся с батареей из ста пластин, то, как и ранее, имело место мгновенное действие; однако стрелка гальванометра немедленно возвращалась обратно и неизменно сохраняла свое положение, несмотря на продолжающийся контакт между индуцирующим проводом и батареей.

Это явление происходит независимо от того, каким способом производился контакт.

Отсюда, по-видимому, следует, что расположенные рядом токи — как одинакового, так и противоположного направления — не обнаруживают способности оказывать друг на друга непрерывное индуцирующее действие, могущее сказаться на их величине или же на их напряжении. Мне не удалось убедиться в прохождении электричества через подвергаемый индукции проводник ни с помощью ощущения на язык, ни посредством искры, ни путем нагревания тонкой проволоки или древесного угля; равным образом я не мог получить никаких химических действий, хотя контакты с растворами металлических и других солей замыкались и размыкались с контактами батареи попеременно, так что второе действие индукции не должно было бы ни противодействовать первому, ни нейтрализовать его. Такое отсутствие действия обусловлено отнюдь не тем, что индуцированный ток электричества не может проходить через жидкости, а, вероятно, его малой продолжительностью и слабой интенсивностью, ибо при введении в цепь на индуцируемой стороне двух больших медных пластин, погруженных в раствор поваренной соли и предохраняемых от соприкосновения проложенной между ними материей, действие на регистрирующий гальванометр или же на испытательную спираль имело место, как и ранее.

Индуцируемое электричество проходило также через гальванический элемент.

Когда, однако, количество промежуточной жидкости было уменьшено до капли, то гальванометр не давал показаний.

Попытки получить аналогичные явления при употреблении проводов, несущих обыкновенное электричество, оказались по своим результатам сомнительными. Была взята составная спираль, сходная с уже описанной и содержащая восемь элементарных спиралей. Подобные концы четырех спиралей были связаны друг с другом проволокой, и полученные таким образом два главных конца были соединены с небольшой намагничивающей спиралью, заключавшей в себе ненамагниченную иглу. Остальные четыре спирали были устроены таким же образом, но концы их были соединены с лейденской банкой.

При пропускании разряда игла становилась магнитом; однако было не лишено вероятности, что часть электричества из лейденской банки прошла в маленькую спираль и таким образом намагнитила иглу. В самом деле, не было оснований ожидать, чтобы электричество от лейденской банки, обладающее, как известно, высоким напряжением, не распространялось через все металлические части, находящиеся между изолирующими прокладками.

Однако же отсюда не следует, что разряд обыкновенного электричества через провод не вызывает явлений, аналогичных тем, которые создаются гальваническим электричеством; но так как представляется невозможным отделить действия, производимые в момент начала разряда, от равных им, но противоположных действий, производимых при его исчезновении, поскольку для обыкновенного электричества эти моменты совпадают, трудно надеяться, чтобы подобного рода опытами можно было эти явления обнаружить.

Таким образом, очевидно, что токи гальванического электричества обнаруживают явления индукции, до некоторой степени аналогичные явлениям, создаваемым электричеством напряжения, хотя, как будет видно далее, между ними существует много различий. Следствием этого является создание других токов (которые однако мгновенны), параллельных или же обнаруживающих стремление быть параллельными индуцирующему току. По расположению полюсов иглы, возникающему в испытательной спирали, и из отклонений стрелки гальванометра во всех случаях было ясно, что индуцируемый ток, производимый первым действием индуцирующего тока, был по направлению противоположен последнему, а ток, производимый прекращением индуцирующего тока, имел одинаковое с ним направление.

Для краткости я предлагаю назвать это действие тока от гальванической батареи вольта-электрической индукцией. Свойства вторичного провода, когда индукция уже произвела первый ток и когда в соседнем индуцирующем проводе еще продолжает течь электричество от батареи, доказывают существование особого электрического состояния, к рассмотрению которого мы вернемся далее.

Все эти результаты были получены с вольтовым прибором, состоявшим из одной пары пластин. Из круглого брускового железа было сварено кольцо; толщина металла была равна семи восьмым дюйма, а наружный диаметр кольца — шести дюймам. На одну часть этого кольца было намотано три спирали, содержавшие каждая около двадцати четырех футов медной проволоки толщиной в одну двадцатую дюйма.

Спирали были изолированы от железа и друг от друга и наложены одна на другую описанным выше способом, занимая приблизительно девять дюймов по длине кольца. Ими можно было пользоваться по отдельности и в соединении; эта группа обозначена буквой А (рис. 1). На другую часть кольца было намотано таким же способом около шестидесяти футов такой же медной проволоки в двух кусках, образовавших спираль В, которая имела одинаковое направление со спиралями А, но была отделена от них на каждом конце на протяжении приблизительно полудюйма голым железом. Спираль В соединялась медными проводами с гальванометром, помещенным на расстоянии трех футов от кольца.

Отдельные спирали А соединялись конец с концом так, что образовали общую спираль, концы которой были соединены с батареей из десяти пар пластин в четыре квадратных дюйма. Гальванометр реагировал немедленно, и притом значительно сильнее, чем это наблюдалось, как описано выше, при пользовании в десять раз более мощной спиралью без железа (10); однако, несмотря на сохранение контакта, действие прекращалось, и стрелка вскоре возвращалась в свое нормальное положение, обнаруживая как бы полное безразличие по отношению к связанной с ней электромагнитной схеме.

При размыкании контакта с батареей стрелка снова сильно отклонялась, но в направлении, противоположном тому, которое индуцировалось в первом случае. Рисунок 1 При таком видоизменении прибора, когда спираль В была включена, а гальванометр был присоединен к одному из трех проводов А, а два остальных были соединены в одну спираль, через которую проходил ток от батареи, действия получались подобные же, но значительно более сильные.

Когда соединение с батареей производилось в одном определенном направлении, стрелка гальванометра отклонялась в одну сторону; при обратном направлении соединений отклонение происходило в противоположную сторону. Отклонение при размыкании контакта батареи было всегда противоположно отклонению, получаемому при замыкании. Отклонение при замыкании контакта батареи всегда указывало на существование индуцированного тока, по направлению противоположного току батареи; при размыкании же контакта отклонение указывало на ток, индуцированный в направлении, совпадающем с направлением тока батареи.

Ни замыкание, ни размыкание контакта па стороне В или же в каком-либо месте цепи гальванометра не оказывало никакого действия на последний. Дальнейшее существование тока от батареи не вызывало никакого отклонения стрелки гальванометра.

Поскольку приведенные выше результаты одинаковы для всех этих и подобных им опытов с обыкновенными магнитами, подробно рассматриваемыми далее, нет необходимости снова их описывать. Когда я пользовался для упомянутого выше кольца силой ста пар пластин, толчок, сообщаемый гальванометру при замыкании и размыкании контакта, был настолько велик, что стрелка начинала вращаться и делала четыре или пять оборотов, прежде чем трение воздуха и земной магнетизм сводили ее движение к простым колебаниям. При поднесении к концам спирали В древесного угля можно было обнаружить искорку при замыкании контакта с батареей в цепи А. Эта искорка не могла быть вызвана ответвлением части тока от батареи через железо в спираль В, так как при сохранении контакта с батареей гальванометр тем не менее возвращался к своему совершенно безразличному состоянию.

При размыкании контакта искра наблюдалась редко. Платиновую проволочку раскалить этим индуцированным током не удавалось; однако есть, по-видимому, все основания думать, что это действие можно было бы получить при пользовании более сильным начальным током или более мощной комбинацией спиралей.

Через спираль В и гальванометр был пропущен слабый гальванический ток таким образом, чтобы стрелка отклонилась на 30 или 40°; после этого к цепи А была присоединена батарея из ста пар пластин; однако по прекращении первого действия стрелка гальванометра возвращалась в положение, строго соответствующее тому слабому току, который проходил по цепи самого гальванометра.

Это имеет место независимо от того, каким путем осуществлять соединение с батареей, и указывает, что и в этом случае не существует постоянного влияния токов друг на друга ни в отношении их величины, ни в отношении их напряжения. Затем было испытано другое устройство, связывающее первые опыты по вольта-электрической индукции с настоящими. Система спиралей, подобная вышеописанной, была навита на полый картонный цилиндр; спирали состояли из восьми отрезков медной проволоки общей длиной в 220 футов; четыре из этих спиралей были соединены концы с концом, а затем с гальванометром; остальные четыре были также соединены конец с концом, н через них разряжалась батарея из ста пар. При таких условиях действие на гальванометр было едва ощутимым, хотя индуцированный ток обладал намагничивающей способностью.

Однако, когда внутрь картонной трубки, окруженной спиралями, вводился цилиндр из мягкого железа, толщиной в семь восьмых дюйма и длиной в двенадцать дюймов, индуцированный ток оказывал на гальванометр очень сильное действие, сопровождающееся всеми вышеописанными явлениями.

Намагничивающая способность, которой он обладал, была, по-видимому, также выше, чем в отсутствие железного цилиндра. Когда железный цилиндр заменялся таким же точно медным цилиндром, то не получалось никакого действия помимо того, какое имело место при наличии одних только спиралей. Устройство с железным цилиндром оказалось менее сильным, чем вышеописанное устройство с кольцом.

Подобные действия были затем получены при помощи обыкновенных магнитов: так, все элементарные спирали только что описанной полой спирали были соединены с гальванометром посредством двух медных проводов длиной по пять футов каждый; во внутрь спирали, по ее оси, был введен цилиндр из мягкого железа; два полосовых магнита длиной по двадцать четыре дюйма каждый были приложены друг к другу разноименными полюсами так, что давали подобие подковообразного магнита; другие два полюса прикладывались к концам железного цилиндра так, что он временно превращался в магнит (рис. 2); при размыкании магнитных контактов или при изменении их на обратные намагничение железного цилиндра можно было по желанию прекращать или изменять на противоположное.

Рисунок 2 В момент образования магнитного контакта стрелка отклонялась; при продолжительном контакте стрелка становилась безразличной и возвращалась в свое первоначальное положение; при нарушении контакта она снова отклонялась, но в направлении, противоположном первому; а затем опять становилась безразличной.

При обращении магнитных контактов отклонения стрелки также обращались. При образовании магнитного контакта отклонение стрелки было таково, что указывало на ток электричества, индуцированный в направлении, обратном тому, которое способно образовать магнит той же полярности, какой получался в действительности при соприкосновении с полосовыми магнитами. Так, когда полюс с меткой * и полюс без метки были расположены, как изображено на рис. 3, ток в спирали проходил в указанном на рисунке направлении, где Р есть конец провода, идущего к положительному полюсу батареи, т. е. тот конец, к которому обращены цинковые пластины, a N — отрицательный провод.

Такой ток намагнитил бы цилиндр в противоположном направлении по сравнению с магнитом, который образуется при соприкосновении с полюсами А и В; а такой ток направлен противоположно токам, которые, согласно прекрасной теории Ампера, образуют такой магнит, какой изображен на рисунке.

Рисунок 3 Однако, поскольку можно было бы предположить, что во всех предыдущих опытах, описанных в этой главе, мгновенный индуцированный ток возбуждался благодаря некоторому особому действию, имевшему место во время образования магнита, а не благодаря самому факту его приближения, то был произведен следующий опыт. Все тождественные концы составной полой спирали были соединены вместе медной проволокой, и образованные таким образом два главных вывода были связаны с гальванометром.

Цилиндр из мягкого железа был заменен цилиндрическим магнитом в три четверти дюйма диаметром и в восемь с половиной дюймов длиной. Один конец этого магнита был введен внутрь спирали по ее оси (рис. 4), а затем, после того как стрелка гальванометра успокоилась, магнит был быстро вдвинут внутрь спирали; стрелка немедленно отклонялась в таком направлении, как если бы магнит был образован посредством одного из двух предыдущих процессов.

При оставлении магнита внутри стрелка возвращалась в свое первоначальное положение, а при вытаскивании его отклонялась в противоположном направлении. Действия эти не были особенно сильны; однако, вдвигая и выдвигая магнит таким образом, чтобы каждый последующий толчок прибавлялся к произведенным уже ранее, удавалось сообщить стрелке колебания размахом в 180° и более. Рисунок 4 Все попытки получить посредством индуцированных токов электричества химические действия оказались неудачными, хотя были приняты не только все описанные выше меры предосторожности, но и всякие другие, какие только можно было вообразить.

Не получалось никакого ощущения на язык; равным образом не обнаруживалось судорожного сокращения конечностей лягушки. Не удавалось также накалить ни древесный уголь, ни тонкую проволоку. Но при повторении на досуге опытов в Королевском институте с оправленным магнитным железняком, принадлежащим проф. Даниэлю (он был способен поднять около тридцати фунтов), наблюдались сильные сокращения мышц лягушки при каждом замыкании магнитного контакта.

Сначала не удавалось вызывать сокращений при разрыве магнитного контакта; однако, предположив, что отсутствие действия обусловлено сравнительной медленностью разъединения, я стал производить это последнее ударом, и тогда лягушка содрогалась весьма сильно. Чем более мгновенно происходит соединение и разъединение, тем сильнее содрогание. Мне показалось также, что я мог заметить ощущение на язык и вспышку перед глазами, но никаких признаков химического разложения я обнаружить не мог. Различные опыты, описанные в этом разделе, подтверждают, я полагаю, с достаточной полнотой получение электричества при помощи обыкновенного магнетизма. Что напряжение его очень слабо, а количество мало, это не будет казаться удивительным, если припомнить, что, подобно термоэлектричеству, оно развивается полностью внутри самого вещества металлов, сохраняющих всю свою проводящую способность.

Но если что-то проходит описанным способом вдоль металлических проводов, если оно проявляет при этом прохождении особые магнитные действия и силу, присущие электрическому току, если оно может приводить в движение конечности лягушки и вызывать их содрогание, если, наконец, оно может производить искру при разряде через древесный уголь, то это что-то может быть только электричеством.

Поскольку все действия могут производиться электромагнитами с железом, то нет сомнения, что для этих опытов пригодны устройства, подобные магнитам профессоров Молля (Moll), Генри (Henry), Тэн-Эйке (Ten Eyke) и др способным поднимать до двух тысяч фунтов, и что в этом случае" не только возможно получить более яркую искру, но можно было бы также раскалить проволоки и, поскольку ток способен проходить через жидкости, произвести и химическое действие.

Вероятность получения таких действий станет еще больше, если силой подобных аппаратов возбуждать магнитоэлектрические устройства, описанные в разделе 4. Доходящее почти до тождества сходство действия обычных магнитов, с одной стороны, и электромагнитов или вольта-электрических токов, с другой, находится в поразительном согласии с теорией г. Ампера, подтверждая последнюю и давая сильные доводы в пользу предположения, что действие в обоих случаях одинаково; однако, поскольку все же требуется различие в наименовании, то я предлагаю называть это действие, обнаруживаемое обыкновенными магнитами, магнитоэлектрической или электрической индукцией.

Единственное, резко бросающееся в глаза различие, существующее между вольта-электрической и магнитоэлектрической индукцией, заключается в том, что первая происходит внезапно, а вторая требует ощутимого времени; однако, даже в настоящей ранней стадии исследований некоторые факты все же как будто указывают на то, что при дальнейшем изучении вопроса это несходство потеряет значение различия в физической природе явлений.