Никто, кроме самых близких людей, не догадывался, что умом Майкла все сильнее овладевала загадка магнита, впервые вставшая перед ним несколько лет назад, когда Дэви сообщил ему о стрелке Эрстеда. Модель электромагнита служила Майклу наглядным напоминанием о предмете его неустанных размышлений.
Когда в 1821 году тридцатилетний Фарадей осуществил электромагнитное вращение, он отчетливо понимал, что главные открытия в этой области еще впереди. Он был убежден, что взаимодействие электрических и магнитных сил таит в себе много неожиданностей. Размышляя относительно возможности превратить магнитные силы в электрические, Фарадей все чаще обращался мысленным взором к знаменитому опыту Араго.
В 1822 году французский ученый заказал лучшему в Париже мастеру точных инструментов Гамбею особенно чувствительный компас и сам наблюдал за его изготовлением. Он потребовал, чтобы для лучшей устойчивости прибора стержень, на котором вращается маленькая магнитная стрелка, был вставлен в массивную оправу из сверхчистой красной меди. Тогда физики были твердо уверены, что между медью и магнитом нет никакого взаимодействия: ни притяжения, ни отталкивания.
«В тот самый день, когда Араго получил, наконец, свой долгожданный компас, — вспоминал впоследствии химик Дюма, — он шумно ворвался в мою лабораторию, которая находилась в здании Политехнической школы, недалеко от аудитории, где он только что читал лекцию.
— Что это такое! — закричал он, едва переступив порог. — Химики не умеют распознать присутствие примеси железа в куске красной меди?
— Да что вы? — удивился я. — Это самое пустячное дело.
— А я вам говорю, что магнитная стрелка обнаруживает присутствие меди в железе, которого не замечает химия!
Мы пришли с Араго в его физический кабинет, находившийся в обсерватории. Мой коллега, профессор Бертье, произвел анализ меди, прежде чем Гам-бей применил ее к устройству оправы компаса, и убедился, что в ней нет ни малейшей примеси железа. И тем не менее магнитная стрелка в этом с такой тщательностью устроенном компасе вела себя самым неожиданным образом.
Если в обычном, достаточно чувствительном компасе вывести стрелку из состояния покоя, то она начинает долго колебаться в ту и другую сторону и возвращается в свое первоначальное положение только после двух или трех сотен постепенно ослабевающих качаний. Не так вела себя стрелка в компасе Гамбея. После данного ей толчка она совершала как бы нехотя всего три или четыре коротких качания и внезапно успокаивалась. Можно было подумать, что самый воздух вокруг стрелки становился вязким, препятствуя ее движениям.
Араго передал мне несколько образцов той меди, из которой Гамбей изготовил оправу компаса. Я легко и с несомненностью установил, как и Бертье, что эта медь не содержит никакой примеси железа».
Но Араго не сдавался. На лекциях в Политехнической школе профессор не упускал случая поговорить о бессилии химии и о поразительной чувствительности магнитной стрелки к железу.
Однако одно случайное наблюдение заставило и Араго изменить свое мнение. Он заметил, что поворачивание оправы компаса увлекало за собой и магнитную стрелку. Ученый немедленно сделал отсюда вывод, что при вращательном движении стрелки в медном круге возникают какие-то магнитные силы. Он так и назвал это явление: «магнетизм вращения».
Открытие Араго еще более усложнило загадку магнита.
Ампер также бился над разгадкой этой тайны. Ему приходило в голову то, до чего не додумался Араго.
Возбуждение одной силы другою на расстоянии называется индукцией. Если поднести натертую шерстяной тряпкой стеклянную палочку к электроскопу[14], то его листочки начнут расходиться, прежде чем мы прикоснемся стеклом к шарику электроскопа, Это явление было известно еще в XVIII веке и называлось электризацией через влияние, или через индукцию. «Магнетизм вращения», обнаруженный Араго, он объяснял именно индукцией. Он считал, что магнетизм и электричество — это не две разные, а одна и та же сила природы. Таким образом, Ампер подходил очень близко к решению загадки электромагнитной индукции. Некоторые его опыты, которые он показывал в 1822 году Деляриву в Женеве, казалось, должны были наглядно подсказать ему правильное решение. Но разгадка не давалась в руки…
Вот почему Фарадей, не боясь казаться смешным, носил с собой в кармане модель электромагнита.
Ему чудилось, что задача, над которой он бьется, может быть разрешена каким-то ему неизвестным сочетанием витка проволоки и брусочка железа. Не было дня, чтобы Фарадей не задумывался над своей игрушкой. Не было года, чтобы в его лабораторном журнале не появлялась запись серии опытов под заголовком: «О возбуждении электричества посредством магнетизма». Но всякий раз протокол опытов заканчивался неутешительным выводом: никакого результата.
Наконец осенью 1831 года настойчивость, терпение и неустанный труд получили свою награду. Задача, о которой Фарадей думал уже десять лет, была, наконец, им решена.
29 августа 1831 года — памятный день в истории науки. Вот что записано под этим днем на страничке лабораторного журнала, который он всегда вел:
«Я изготовил железное кольцо из мягкого круглого железа толщиной в 7/8 дюйма. Внешний диаметр кольца был 6 дюймов[15]. Я намотал на одну половину кольца много витков медной проволоки, изолированных шнуром и коленкором. Всего на этой половине было намотано три куска проволоки, каждый длиной около 24 футов. Концы проволоки можно было соединить в одну обмотку или применить раздельно. Испытание показало, что каждый из кусков проволоки вполне изолирован от двух других. Эту сторону кольца я обозначу буквой А. На другую половину кольца, отступив на некоторый промежуток от стороны А, я намотал еще два куска той же проволоки общей длиной около 60 футов. Направление витков было то же, что и на половине А. Эту сторону кольца я обозначу буквой В.
Я зарядил батарею из десяти пар пластинок, в 4 квадратных дюйма каждая. На стороне В я соединил оба конца проволоки в общую цепь и приключил ее к гальванометру[16], который был удален от моего кольца на 3 фута. Тогда я включил концы одной из проволок на стороне А в ток батареи, и тотчас же произошло заметное действие на стрелку гальванометра. Она заколебалась и затем вернулась в свое первоначальное положение.
Когда я прервал контакт стороны А с батареей, немедленно же произошел новый бросок стрелки».
Мгновенные броски стрелки поразили исследователя. Это было нечто совершенно новое. За десять лет в ходе сотен неудачных опытов стрелка гальванометра ни разу не шелохнулась, Отчего же сегодня она вдруг бросается в сторону, чтобы через мгновение вновь успокоиться?
Повторяя вновь и вновь свой опыт с кольцом, Фарадей убедился с совершенной несомненностью, что короткий бросок стрелки гальванометра приходится только на то мгновение, когда ток батареи замыкается или размыкается. Пока же ток течет в витках стороны А, гальванометр не отмечает в витках проволоки на стороне В никаких электрических явлений.
Весь этот вечер Фарадей был очень задумчив и молчалив. Ночью он обдумывал неразгаданный опыт Араго и наутро записал в лабораторном журнале такое соображение:
«Нет ли какой-нибудь связи между этими мимолетными толчками тока и теми взаимодействиями, какие возникают между вращающимся магнитом и медным кругом в опыте Араго?»
Эта догадка послужила путеводной нитью, которая, хотя и не сразу, вывела Фарадея из лабиринта загадочных взаимодействий электрических и магнитных сил.
30 августа было вторым днем лабораторной работы в серии опытов осени 1831 года. До третьего рабочего дня, когда Фарадей снова принялся за опыты, прошел почти месяц. Все это время ученый провел в напряженном размышлении о замеченном новом факте.
Фарадею была почти ясна причина бросков стрелки гальванометра. Сторона А его железного кольца, в сущности, представляла собой электромагнит. Витки медной проволоки, через которые проходит ток, намагничивают железный сердечник, то есть кольцо А. Магнитные силы железного кольца возбуждают в витках стороны В электрический ток.
14
Электроскоп — простой прибор, с помощью которого легко обнаружить, наэлектризовано ли тело. Изобрел электроскоп Вольта. Его электроскоп состоял из стеклянной бутылки, закупоренной каучуковой пробкой, сквозь которую был пропущен медный стержень. На верхний, наружный конец стержня был насажен медный же шарик, а к нижнему концу подвешены две соломинки. При соприкосновении шарика с наэлектризованным телом соломинки расходятся (как тела, наэлектризованные одноименным зарядом). Это дает возможность судить о наличии или отсутствии электрического заряда в исследуемом теле. Теперь строят более чувствительные электроскопы, у которых вместо соломинок применяются тонкие золотые пластинки. Позади них помещается шкала, разделенная по градусам окружности, С ее помощью измеряется угол расхождения золотых пластинок. Чем сильнее заряд, тем больше этот угол. Такой электроскоп называется электрометром,