Деятельность его многообразна: университет, занятия в кружке и в математическом обществе, хлопоты по устройству физической лаборатории. Как и Ломоносов, Столетов мог сказать о себе: «Голова много зачинает, да руки одни».
В это время, в 1871 году, в голове Столетова уже зреет план новой научной работы. Она, как и первая, будет посвящена исследованию электричества.
VII. Тайна железа
Еще в середине XVIII века отец русской науки Михаил Васильевич Ломоносов, прозорливо указывая на электрические опыты как на «великую надежду к человеческому благополучию показующие», пророчески предсказал наступление времени, когда электричество станет слугой человека.
Слова Ломоносова, сказанные «в далекие годы свечи и лучины, в годы трепета перед божественной силой молнии» (А. Ферсман), не могли не сбыться. Их произнес не фантазер, а ученый, поднявшийся в познании тайны электричества выше всех своих современников, видевший на столетия вперед.
Огромный вклад в науку об электричестве внесли многие отечественные ученые: Рихман, Эпинус, Петров, открывший электрическую дугу, предсказавший возможность ее применения для освещения, плавки металлов, преобразования вещества, Шиллинг — создатель электромагнитного телеграфа, изобретатель гальванопластики и электромотора Б. С. Якоби, пионеры электрического освещения А. Н. Лодыгин, В. А. Чиколев, П. Н. Яблочков.
Идеи, открытия и изобретения русских электротехников передавались от поколения к поколению, как великая эстафета.
Но все же, несмотря на множество открытий и изобретений, электричество продолжало по большей части ютиться в стенах лабораторий.
Электричество может сиять, как солнце, — но на улицах и в домах по-прежнему горели тусклые и чадные керосиновые лампы и фонари.
Электричество может греть, раскаливать, плавить — но нигде и в помине не было электрических печей.
Электричество может вращать валы станков, колеса повозок, гребные винты судов — но по улицам городов, как и встарь, трусили коняги извозчиков, а на заводах, железных дорогах и судах по-прежнему безраздельно царствовала паровая машина.
Что же мешало электрическим аппаратам и машинам завоевать широкий мир, выйти на улицу, прийти на фабрики, заводы, в дома?
Распространению электричества препятствовало в известной степени то, что электрические светильники, нагревательные приборы и моторы были еще недостаточно совершенны по своей конструкции. Электротехникам, например, все еще не удавалось приспособить дугу Петрова для освещения.
Заставить дугу гореть устойчиво было делом трудным. Зазор между углями дуги по мере их сгорания увеличивался, и дуга в скором времени гасла. Чтобы дуга продолжала гореть, надо было обеспечить постоянство зазора между ее углями, сближать угли с помощью ручных регуляторов. Это, конечно, не было решением вопроса об электрическом освещении. У каждого светильника пришлось бы ставить надсмотрщика. Попытки же создать механический регулятор, автоматически управляющий дугой, успеха не приносили. Регуляторы с часовыми механизмами и электрическими моторчиками получались и очень сложными и вместе с тем недостаточно надежными: они были неспособны уследить за капризами дуги, вызываемыми неоднородностью угля, из которого делаются ее электроды. Из-за этой неоднородности разные участки электродов сгорали с разной скоростью, величина зазора изменялась неравномерно.
Бесплодными пока что оставались и попытки сконструировать лампу накаливания, получить свет, раскаляя добела током угольные стерженьки и металлические проволоки. Электротехникам никак не удавалось добиться длительного свечения своих ламп: стерженьки и проволоки быстро перегорали.
И все же, бесспорно, несовершенство аппаратов, потребляющих электроэнергию, не было главной помехой практическому применению электричества. Победа над трудностями, вызываемыми несовершенством конструкции этих аппаратов, вне всякого сомнения, была не за горами.
Главным вопросом, волновавшим тогда электротехников, был вопрос о том, как получать обильную и дешевую электроэнергию, нужную для питания электрических аппаратов. Было бы вдоволь электроэнергии, а уж использовать ее электротехники смогли бы.
Создание генераторов электроэнергии было узловой проблемой электротехники тех лет. В первые десятилетия XIX века, когда гальванические элементы были единственным источником тока, о практическом применении электричества нечего было и помышлять.
Вырабатывать электроэнергию с помощью громоздких и сложных в обращении батарей, составленных из гальванических элементов, — генераторов маломощных, неэкономичных, недолговечных и расходующих при своей работе ценные химические материалы — было дорогим удовольствием.
Практическое использование гальванические элементы нашли только там, где можно было обойтись слабыми токами и небольшими мощностями, например в телеграфных устройствах. Для питания же электрических дуг, гальванопластических ванн и моторов гальванические элементы не годились.
Создание электротехники сильных токов стало возможным только после изобретения динамо-машин — машин, способных превращать механическую энергию различных двигателей — гидравлических, ветряных и паровых — в энергию электрическую.
К началу семидесятых годов было создано уже много типов динамо-машин. Перед электротехникой открылись широчайшие перспективы.
Появилась возможность сделать поистине слугами человека законсервированную в топливе энергию, мощь рек и водопадов, вездесущую силу ветра, заставив их вращать электрический генератор, преобразив их в электрический ток, который можно направить по проводам на заводы, фабрики, в дома. Однако эти заманчивые перспективы долгое время не были реализованы, так как, несмотря на усилия многих изобретателей, динамо-машина и электромоторы в начале семидесятых годов XIX века были все еще далеки от совершенства.
Что же мешало электротехникам создать хорошие — экономичные, мощные и надежные — генераторы и моторы?
Раздумывая над этим вопросом, Столетов пришел к глубокому выводу: развитие силовой электротехники задерживалось из-за отсутствия подробного знания свойств железа.
Железо — это металл, обладающий удивительными свойствами. Рядом с магнитом или электрическим током железо становится магнитом.
В электрических устройствах железо ведет себя как усилитель магнитных сил, рождаемых электрическим током. Железный стержень, помещенный в проволочную катушку, по которой идет электрический ток, в тысячи раз усиливает ее магнитное действие. Проволочная катушка, до этого еле-еле отклонявшая стрелку компаса, превращается в электромагнит, способный удерживать на весу тяжелые стальные слитки.
После того как было открыто чудесное свойство железа усиливать магнитное поле, физики попробовали дать этому явлению объяснения. Они предположили, что в железе всегда есть «запасы» магнетизма, готового проявиться, как только железо окажется по соседству с магнитом или электрическим током.
Была выдвинута гипотеза, что железо и его собратья, родственные ему металлы — никель и кобальт — состоят из множества мельчайших магнитиков. Когда железо находится в обычном состоянии, то составляющие его магнитики располагаются хаотично, повернуты во все стороны, словно флюгера в безветрие. Действие магнитных полюсов отдельных магнитиков взаимно компенсируется, и поэтому магнетизм молекулярных магнитиков не проявляется снаружи. Но стоит железо поместить в магнитное поле, как все изменится. Магнитики, словно флюгера, когда подует ветер, будут стремиться повернуться вдоль магнитного поля: своими северными полюсами в одну сторону, а южными — в другую. Теперь уже действие их магнитных полюсов не будет взаимно уничтожаться. Весь кусок железа станет магнитом. Магнитное действие железа будет складываться с магнитным полем, превратившим железо в магнит, будет усиливать его.
Правда, такое объяснение намагничения железа, предложенное Вебером, было, по сути дела, полуобъяснением. Одна большая загадка намагничения железа разбивалась на совокупность множества загадок.
Гипотеза Вебера не давала ответа, в чем же состоит сущность намагничения маленьких магнитиков, составляющих железо.