Текст книги "Двустороннее движение электричества. Тесла. Переменный ток"

Автор книги: авторов Коллектив

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 9 страниц)

В биографиях Теслы обычно пишут, что Вестингауз предложил изобретателю миллион долларов, а также процент за права по всем его патентам на переменный ток. Однако, согласно архивам компании Вестингауза, Тесле причиталось 25 000 долларов наличными, 50000 акциями компании и 2, 5 доллара за каждую выработанную лошадиную силу. Лошадиная сила (по-английски hp, от horsepower) – англосаксонская мера электрической мощности, равная 0, 75 киловатта. Как бы то ни было, 7 июля 1888 года Тесла и Вестингауз заключили долгосрочный договор на удовлетворявших друг друга условиях. Тесла переехал на время в Питтсбург, куда часто возвращался в последующие годы, чтобы консультировать команду инженеров Вестингауза, работавшую над созданием двигателей и над переходом от однофазной системы к полифазной.

Новость о соглашении Теслы и Вестингауза дошла до ушей Эдисона. С самого начала, когда Эдисону пришлось столкнуться с газовой олигополией, он умел хорошо работать со СМИ. Он сразу запустил свою информационную машину и поднял волну пропаганды против переменного тока. Эдисон намеревался превратить в глазах общества в недостаток то, что было основным преимуществом переменного тока: для перемещения тока требовалось повысить напряжение до тысяч вольт, что, по его утверждениям, делало этот вид тока более опасным.

Его жесткая кампания шла во всех направлениях: выходили статьи в газетах, распространялись листовки, информация передавалась из уст в уста, даже проводились публичные демонстрации опасности высокого напряжения, на которых действие разрядов переменного тока показывали на животных.

Пресса поддерживала эту игру, находя истории про несчастные случаи, связанные с переменным током, и игнорируя тот факт, что напряжение переменного тока снижалось на входе в дома, так что его бытовое использование не могло никого убить. Переменный ток был абсолютно безопасен.

После обрушившейся волны недоверия мошенники принялись пользоваться патентами, так как в те годы для их утверждения требовалось несколько лет. Кроме того, появились представители конкурентов, уверявших, что их изобретатели придумали систему раньше Теслы. Со временем, но далеко не сразу все эти споры разрешились по большей части в пользу Теслы, но на тот момент общественность была смущена и сбита с толку.

Наука – извращение самой себя, если ее целью не ставится улучшение жизни людей.

Никола Тесла

Война токов достигла апогея, когда произошел следующий зловещий эпизод. С 1886 года штат Нью-Йорк занимался поиском быстрого и безболезненного метода казни, намереваясь заменить чем-либо виселицу, использование которой считалось очень жестоким. С самого начала возникла идея применять для казни электричество, символ всего нового и современного, но, конечно, ни Эдисон, ни Вестингауз не дали разрешения на использование «своих» токов с целью умерщвления людей.

Однако со временем Эдисон поручил своим сотрудникам исследовать возможности казни током.

Тогда соседи в окрестностях лаборатории Эдисона на Вэст– Орандж (Нью-Джерси), куда он переехал в 1887 году, начали замечать пропажу домашних животных. Скоро выяснилось, что изобретатель платил 25 центов мальчишкам, приносившим ему кошек и собак. Запах, который шел от лаборатории, был невыносим, оттуда же слышались ужасающие звуки. Правда обнаружилась, когда разряду тока подвергли слона, а тот задавил трех сотрудников лаборатории. Чтобы испытать смертельный разряд переменного тока, старую и очень раздражительную цирковую слониху Топси подвергли разряду в 6600 вольт.

Наконец, штат Нью-Йорк утвердил в качестве способа казни электрический стул, для которого использовали переменный ток. Уильям Кеммлер, приговоренный к смерти за убийство, 6 августа 1890 года удостоился сомнительной чести стать первым человеком, казненным таким образом. Эдисон позаботился о том, чтобы собрать целую армию журналистов и зевак у входа в тюрьму, но история имела скверный исход. Расчеты техников Эдисона о необходимом для убийства человека напряжении были неверны, казнь пришлось повторять несколько раз, и в итоге заключенный умер после мучительной агонии. Все детали данного происшествия появились в прессе, общественное мнение было против таких мер, оказавшихся гораздо менее гуманными, чем ожидалось.

НЕВЕРНЫЙ ШАГ ТЕСЛЫ

Занятый спорами о патентах, Вестингауз не мог обращать внимание на атаки Эдисона. Его заботила более насущная проблема: адаптация однофазной системы выходила значительно более дорогой, чем было запланировано. Кроме того, Тесла не всегда мог прийти к взаимопониманию с инженерами из Питтсбурга. Его двигатели работали на токе с частотой 60 герц (Гц), а система Вестингауза использовала 133 Гц. Было потеряно несколько месяцев на взаимные обвинения, неудавшиеся дорогостоящие эксперименты, и только потом правоту Теслы признали: нормой для переменного тока в Соединенных Штатах стала частота 60 Гц (в Европе стандартное значение – 50 Гц). Данный эпизод продемонстрировал одно из худших качеств Теслы – неумение работать в команде, что со временем привело его к интеллектуальной изоляции и растрате большей части творческого потенциала.

НЕУМОЛИМЫЙ БАНКИР

Если имя Эдисона вошло в историю как пример гениального изобретателя, то Джон Пирпонт Морган (1837-1913) воплотил в себе легенду о капиталисте, герое своего времени. Морган был одним из самых могущественных банкиров в истории, одним из богатейших людей планеты, контролировавших мировые финансы. Он занимался покупкой убыточных предприятий, решал их проблемы и реорганизовывал для работы в самых передовых отраслях, используя стратегии, ориентированные на уничтожение конкурентов и создание огромных корпораций (существующих и по сей день). Морган контролировал производство стали, железные дороги, нефть и уголь, он усилил свои позиции в области электричества и часто выступал арбитром. Деятельность этого человека всегда сопровождалась ожесточенными финансовыми схватками.

Джон Пирпонт Морган.

Но со стороны финансовых рынков пришел смертельный удар, и Вестингауз оказался не единственным пострадавшим. Не только у него, но и у его соперника возникли проблемы с финансированием своего проекта. Главного акционера компании «Эдисон Электрик» Джона Пирпонта Моргана не слишком заботил вопрос, каким током электрифицировать страну. Великий финансовый воротила думал использовать для рынка электричества свою постоянную стратегию, которая позволила ему добиться гегемонии в важнейших областях: устранить конкурентов, купив или потопив их предприятия. Незадолго до этого он приобрел компанию «Томсон-Хьюстон» и заставил Эдисона присоединиться к ней. Новая компания превратилась в настоящего гиганта и получила название «Дженерал Электрик» (сегодня это транснациональная компания с диверсифицированной сферой интересов). Следующим шагом Моргана должна была стать попытка купить Вестингауза для создания конгломерата. Однако магнат из Питтсбурга имел совсем другие планы и предпочел сохранить независимость.

У ученого нет цели достичь непосредственного результата.

Он не ждет, что его передовые идеи будут легко приняты. Он обязан заложить основы для тех, кто еще должен родиться, указать дорогу.

Никола Тесла

Видя, что Вестингауз не подчиняется, Морган начал вредить ему на рынках, используя биржевые рычаги и необоснованные слухи, так что акции Вестингауза сильно упали. Для магната из Питтсбурга единственной возможностью удержаться на плаву стало слияние с более мелкими компаниями, но даже эта операция выходила для него дорогостоящей. Советники убедили его, что главное препятствие – соглашение, подписанное с Теслой. У изобретателя имелось много основополагающих патентов, а плата в 2, 5 доллара за лошадиную силу должна была превратить его в богатейшего человека планеты. На тот момент, через четыре года после заключения договора, он мог бы получить 12 миллионов долларов. Будущие суммы сложно было даже представить.

С тяжелым сердцем Вестингауз вызвал Теслу на срочное совещание. Магнат защищал его договор, который казался ему соответствующим вкладу ученого в предприятие, но необходимо было объяснить ему ситуацию, так как их совместные обязательства находились под угрозой. Вероятно, он не мог представить, какая удивительная развязка будет у этой встречи – настолько горького и постыдного эпизода его жизни, что он даже не написал о нем в своих воспоминаниях. Тесла рассказал о произошедшем в автобиографии, так что у нас есть только его версия случившегося.

После того как ему рассказали о проблеме, Тесла задумался. Он всегда был погружен в исследования и уделял мало внимания финансовой стороне, хотя знал, что если подаст в суд на Вестингауза, то, без сомнения, выиграет. С другой стороны, он понимал, что если не будет подписано новое соглашение, Вестингауз потеряет контроль над предприятием и бизнесом. Магнат заверил его, что считает изобретение Теслы самым важным в истории электричества и что он не собирается отказываться от мечты сделать его доступным для людей. На самом деле Теслу больше всего заботило, чтобы его система продолжала работать. Вестингауз поверил в него тогда, когда не верил никто, помогал ему в самые тяжелые времена. Вместо того чтобы договориться о понижении процентов, Тесла сказал: «Можете забыть о проблеме моей прибыли». И под удивленным взглядом миллионера разорвал договор.

Тесла отказывался от получения миллионов долларов, которые уже заработал, а также от бесчисленных будущих процентов. Он получил только 216000 долларов за свои патенты без оплаты прав. В свете будущих финансовых проблем, которые помешали его планам, этот поступок можно интерпретировать как самую главную ошибку в его жизни.

Шел 1890 год. В ноябре, удалившись в свою лабораторию от полемики по поводу электрического стула, Тесла сделал фундаментальное открытие, переориентировавшее всю его работу, – беспроводную передачу энергии. Для Теслы переменный ток был вчерашним днем, он хотел открыть новую страницу. Следующие десять лет жизни он посвятил исследованию новых возможностей с перерывом на последний этап войны токов в 1893 году, когда его голова была занята совсем другим.

ЗАВЕРШЕНИЕ ВОЙНЫ ТОКОВ

Вестингауз исполнил то, что обещал. Он не только продолжил работу по внедрению переменного тока, но превратил предприятие в огромную империю, признавая заслуги своего изобретателя. В 1891 году были впервые запущены двигатели и генераторы Теслы, сделанные Вестингаузом в шахтерском городе Теллерайд в Колорадо на гидроэлектростанции Эймс, которая впервые в мире поставляла переменный ток высокого напряжения на большие расстояния. В тот же год изобретатель прочел еще одну лекцию перед AIEE об освещении с использованием высокочастотного переменного тока, также Тесла официально перестал считаться иностранцем, получив американское гражданство; об этом событии он всегда говорил с большой гордостью.

На горизонте замаячили два важных проекта. С одной стороны, в Чикаго готовились к Всемирной выставке, которая должна была пройти в год 400-летнего юбилея открытия Америки: ее планировали как первую выставку в мире, где использовался электрический свет. Был объявлен конкурс проектов на установку электрооборудования. С другой стороны, сформировалась комиссия, которой полагалось присудить права на эксплуатацию Ниагарского водопада. Магнат из Питтсбурга прикладывал все усилия, чтобы получить один из контрактов.

В 1892 году Вестингауз выиграл конкурс на электрификацию Всемирной выставки благодаря системе, разработанной Теслой. Данная система производила в три раза больше энергии, чем потреблял весь город, а также была более дешевой, чем система, представленная «Дженерал Электрик». Наконец-то появилась возможность продемонстрировать переменный ток перед широкой публикой. Однако тот год надежд был также и горестным для Теслы. Когда он отправился в Европу для того, чтобы прочитать цикл лекций о переменном токе и навестить семью, то получил телеграмму, сообщавшую о быстром ухудшении здоровья его матери. Тесла поспешил к ней, а когда приехал, Джука Мандич уже была при смерти. Единственное, что ей удалось сказать своему сыну: «Наконец-то ты приехал, Нико, моя гордость». Через несколько часов она умерла. На следующий день Джуку похоронили рядом с мужем на кладбище Ясиковач. А Никола Тесла заболел.

Всемирная выставка 1893 года в Чикаго.

В павильоне «Электричество» у Теслы был свой стенд для презентаций (его можно увидеть на переднем плане слева), около которого люди выстраивались в длинную очередь.

Он смог поправиться только через три недели в Госпиче, затем поехал в Томингай, где гулял по тем же горам, по которым блуждал когда-то в молодости, обдумывая невозможные проекты. Следующие несколько месяцев Тесла провел на родной земле: читал лекции, консультировал местные власти и даже разработал проект гидроэлектростанции для Плитвицких озер. Когда он приезжал на поезде в новое место, то видел толпы приветствующей его публики. В Белграде с ним пожелал познакомиться молодой сербский король Александр Обренович. После возвращения в США Теслу ждала новая награда – избрание вице-президентом AIEE.

Первого мая 1893 года, с опозданием на год, заработала, наконец, Всемирная выставка в Чикаго. На ее открытии присутствовали короли Испании и Португалии, члены правительств других стран, перед которыми президент США Гровер Кливленд повернул золотой ключ, запускающий электрическую систему Теслы и Вестингауза. Устройства в сети один за другим пришли в действие, и павильоны осветились 180000 лампочек. Толпа, конечно, была поражена масштабом этого чуда.

За четыре месяца выставку посетили более 27 миллионов человек, которым представилась возможность посмотреть в павильоне техники невероятные аппараты. Они работали на переменном токе и были созданы Вестингаузом под руководством Теслы. Там же стояли на всеобщем обозрении генераторы, вырабатывающие 2000 вольт для питания сети выставки. После наступления темноты начиналось шоу с цветными осветительными проекторами, которые, может быть, никого бы не удивили сегодня, но в ту эпоху казались неслыханным чудом. Никто прежде ничего подобного не видел. Пресса назвала павильоны выставки «Белым городом» и протрубила о фантастическом изобретении, которому предстояло изменить будущее человечества, – переменном токе.

В павильоне электричества тысячи людей приходили смотреть на чудеса этого вида энергии, которые демонстрировал Тесла, одетый в белый сюртук и галстук. С помощью Томаса Мартина он открыл в себе ораторские способности и придумал несколько эффектных трюков, позволявших без труда завоевать аудиторию в той стране, где индустрия зрелищ не была богатой. Тесла показывал вращающееся магнитное поле, индукционный двигатель с колумбовым яйцом, а далее переходил к своим последним открытиям. Среди них можно назвать флуоресцентный свет, предшественник современного вида освещения. Питание этих устройств осуществлялось без проводов с помощью высокочастотных полей. Посетители не понимали технических объяснений, но были восхищены и уверены, что переменный ток безопасен, когда видели Теслу, окруженного светящимися лучами.

Выставка в Чикаго была не только зрелищной. Параллельно там проходили более серьезные мероприятия, возможно, куда более важные и полезные для Теслы. Среди них был Конгресс по электричеству, на который приехали ученые и инженеры со всего мира. До его окончания Вестингаузу удалось получить контракт на строительство гидроэлектростанции на Ниагарском водопаде: так детская мечта Теслы приблизилась к своей реализации. Война токов подошла к концу, стало очевидно, что переменный ток предоставлял больше возможностей, а электричеству в целом предстояло произвести радикальную и окончательную революцию в мире энергетики.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ: НОВЫЙ РУБЕЖ

Самым плодотворным периодом в жизни Теслы стали 1890-е годы. Он занимался исследованиями электромагнитных волн и их возможного применения, сделав открытия, значительно опередившие свое время и не понятые современниками. Хотя его гений был востребован, он начал работать в стольких направлениях одновременно, что многие его исследования остались незавершенными – впоследствии их доводили до конца другие люди. Накопленный тогда опыт привел Теслу к главному открытию в его жизни – беспроводной передаче энергии.

В 1889 году, за четыре года до оглушительного успеха в Чикаго его устройств переменного тока, Никола Тесла посетил Всемирную выставку в Париже, на которой провел множество встреч с учеными и исследователями. Немецкий физик и инженер Генрих Рудольф Герц (1857-1894) доказал существование электромагнитных волн, о которых говорил Максвелл, и научное сообщество было взбудоражено этой новостью. Общение в Париже с коллегами и теми, кто познакомился с трудами Герца, подогрело интерес Теслы, и он не мог не приняться за глубокое изучение данной темы. Вернувшись в США, он хотел немедленно провести опыты по обнаружению, генерированию и использованию электромагнитных волн, но некоторые обстоятельства помешали его исследованиям.

Жизнь Теслы сильно изменилась с тех пор, как Томас Мартин представил его Роберту Андервуду Джонсону, директору журнала The Century Magazine, и тот ввел его в высший свет Нью-Йорка. Тесла всегда лелеял мечту попасть в хорошее общество и посещать салоны в европейском стиле. Особняк Джонсонов на престижной Лексингтон-авеню был местом встреч американской богемы, интеллектуалов, блестящих политиков, а также знаменитых гостей из Старого Света. Там бывали писатель Редьярд Киплинг, композитор Антонин Дворжак, будущий президент Теодор Рузвельт, суфражистка и меценат Энн Морган, дочь Джона Моргана, которая, как говорили, долгое время была влюблена в Теслу.

Тесла жил в отелях и там организовывал шумные праздники в ответ на приглашения, которые получал. С каждым годом он перебирался во все более роскошные места. При этом надо сказать, что он попал в кружок беззаботных миллионеров, позволявших себе любые роскошные причуды, как, например, банкеты в «Дельмонико», знаменитом американском элитном ресторане. Тесла понял, что богачей интересует его успех, и он вынужденно посещал их компании, охотясь за инвестициями. Дело в том, что с ноября 1890 года изобретатель был убежден: он создает будущее человечества; а денег, которые заплатил ему Вестингауз, на задуманные проекты не хватало.

Деятельность Теслы в это десятилетие была очень бурной и необыкновенно разнообразной. Кроме проведения опытов в разных областях, он (убежденный в том, что цель науки – совершенствование мира, а знания должны быть доступны людям) начал ездить по главным городам США и научным столицам Европы, чтобы рассказывать о своем взгляде на будущее. Также Тесла занимался трудоемкой подготовкой к Всемирной выставке в Чикаго, что мешало ему продвигаться вперед в исследованиях. Но все-таки основной проблемой был слишком широкий спектр исследований, так как изобретатель занимался одновременно несколькими областями, перескакивая от теории к теории, от одной возможности практического применения к другой, несмотря на советы коллег сконцентрироваться на чем-то одном.

ОТКРЫТИЕ БЕСПРОВОДНОЙ ЭНЕРГИИ

К 1890 году Тесла работал над усовершенствованной лампой, которая должна была превзойти лампу накаливания Эдисона. Для этого он взял за основу трубку Гейслера, названную в честь изобретателя Генриха Гейслера (1814-1879) и представлявшую собой заполненную газом под низким давлением стеклянную трубку, которая начинала светиться, если внутри нее происходил разряд.

ЛАМПА ТЕСЛЫ

Первый вариант лампы накаливания Теслы (первую схему ему удалось запатентовать в июне 1891 года) состоял из стеклянной колбы (b), заполненной разреженным газом, с установленным внутри жестким электродом из углерода (е), подключенным к проводнику, обмотанному изоляцией (k). Шейка лампы состояла из двух частей – проводящего материала (m) и изолирующего материала (n), контактировавших с металлической пластинкой (o). Эта цилиндрическая шейка была заключена в корпус, включающий изолирующий цилиндр (p) с металлической оболочкой (s), который вместе с проводящим цилиндром шейки (m) образовывал конденсатор.

Новая лампа Теслы состояла из проводника, соединенного с приемником, заполненным инертным газом, таким как неон. Подсоединенная к генератору высокочастотного тока, она давала свет совершенно новой и особой природы. Ее свечение было гораздо интенсивнее, чем у обычной лампочки, при этом не происходило нагревания, что было очень важно, так как у ламп накаливания до 95 % энергии уходит в тепло. В первом образце использовалась углеродная нить, которую Тесла заменил на диск из того же материала, а затем убрал вообще. Последние прототипы создавали свет от фосфоресценции разреженного (менее плотного) газа, свет от них был очень ярким, а нить накаливания отсутствовала, они не нагревались. В действительности это были предшественники современных флуоресцентных ламп.

Чтобы его лампы получили практическое применение, Тесла разработал также схему для получения необходимых высоких частот и напряжения, которая могла быть собрана из уже существующих электрических устройств (см. рисунок 1). Основным источником тока был традиционный генератор переменного тока. Напряжение тока увеличивал трансформатор, заряжавший конденсатор. Он производил разряд в цепи, содержавшей разрядник, представлявший собой зазор между двумя направленными друг на друга электродами, где возникал пробойный разряд. Так получался высокочастотный ток. Для увеличения потенциала в цепи был предусмотрен еще один трансформатор, на вторичной обмотке которого индуцировался ток такой же частоты, но значительно отличавшийся по потенциалу. Лампы подключались к выходам этой вторичной обмотки.

РИС. 1

Схема высокочастотной цепи.

В схеме этой цепи использовался базовый принцип электрических осцилляторов (см. рисунок 2), устройств для преобразования и увеличения характеристик тока. Задействованные в ней трансформаторы известны сейчас как трансформаторы Теслы. В ноябре 1890 года после запуска одного из прототипов электрического осциллятора Тесла заметил, что его лампы светятся, даже не подключенные к цепи. Это была реакция газа, вызывающая свет. Анализируя данный факт, он понял, что электромагнитные волны передают электрическую энергию по воздуху без провода, и такой энергии достаточно для того, чтобы заставить гореть лампу. Ключевую роль в данном явлении играло то, что сегодня называют электрическим резонансом. Установив необходимую частоту, Тесла мог зажигать и тушить лампы, находящиеся на расстоянии нескольких метров.

Последствия, которые могла иметь эта находка, попав в руки к человеку, только что приспособившему для домашнего использования электрическую энергию, трудно было предугадать. Сразу же Тесла начал обдумывать возможность передачи электричества беспроводным способом так же эффективно и безопасно, как по проводам. Тогда, в ноябре, он полностью погрузился в область, навсегда захватившую его, – беспроводную передачу электрической энергии.

РИС. 2 Схема электрического осциллятора Теслы.

В своей лаборатории на Пятой авеню Тесла начал ставить опыты с лампами и вакуумными трубками, которые изготавливал специально нанятый на полный рабочий день стеклодув. Он надеялся с их помощью уловить так называемые в то время герцевы волны, то есть электромагнитные волны. Изобретатель начал с изучения проектов освещения, но со временем перешел к исследованиям радиосигналов, а затем, до конца не разобравшись в их природе, к микроволнам и рентгеновским лучам.

Тесла представил 20 мая 1891 года на второй конференции перед AIEE доклад «Эксперименты с переменными высокочастотными токами и их применение для искусственного освещения», в который он включил первоначальные выводы о беспроводной энергии.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕЗОНАНС

Явление электрического резонанса можно объяснить, вспомнив в качестве примера маленький лабораторный эксперимент, показанный на рисунке и позволяющий увидеть, как движение пружины вызывает резонанс другой пружины. Первый магнит, двигающийся внутри катушки, индуцирует электрический ток, который передается на вторую катушку, где приводится в движение второй магнит. Так как две пружины идентичны, то они совершают примерно одинаковое движение, поэтому частота электрического тока, движущего вторую пружину, является частотой резонатора.

На тот момент ему было 35 лет. Под удивленными взглядами ассистентов он зажег беспроводные лампы различной и сложной конструкции, сделанные из трубок, и пронес их по комнате. Он никогда не патентовал и не занимался коммерческим использованием этого изобретения – примитивных флуоресцентных ламп (которые появились на рынке как коммерческий товар только через 50 лет).

Презентация завершилась эффектным моментом: генератор на 20000 Гц испустил мощный импульс, который Тесла направил на свое тело, защищенное заземлением. Изобретатель рассчитал, что разряд должен быть равен 250000 вольт; для сравнения, на электрическом стуле Уильям Кеммлер испытывал на себе разряды около 2000 вольт. «Есть способ получить энергию не только в виде света, но и в виде энергии другого типа напрямую из окружающей среды»,– утверждал Тесла. Когда данное направление будет более развито и появится возможность напрямую пользоваться этой энергией из неисчерпаемого источника, человечество «сделает решающий шаг вперед».

О его лекции очень хорошо отзывалась пресса. Прогрессивный образ будущего с чистой, дешевой, естественной и безграничной энергией очень понравился журналистам и комментаторам. С самого начала Тесла беспокоился о дефиците энергетических ресурсов, который может со временем возникнуть, и говорил о необходимости исследовать новые источники энергии, известные сегодня как возобновляемые (солнце, ветер и геотермальные источники), – подобные идеи были приняты только спустя столетие. В этом смысле Теслу можно считать пионером развития экологической отрасли.

В те годы изобретатель собирал части головоломки, которые приближали его к исполнению цели. До конца не осознавая этого, в 1890-е годы он играл в кошки-мышки с историей науки, порой предвосхищая великие открытия того периода, порой приходя к финишу на секунду позже соперников. Чтобы хорошо понимать правильность выбранного им самостоятельно пути, нужно знать немного больше об одном из последних великих открытий XIX века – электромагнитных волнах.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ

Понятие волны – одна из самых интересных находок физики XIX века. Волна – распространение возмущения, вызванного какой-либо причиной (плотностью, давлением или электрическим и магнитным полями) в среде (воде, воздухе, металле или даже вакууме), предполагающее перемещение энергии без перемещения материи (см. рисунок 3). Материя не перемещается, но происходят ее колебания, передающиеся смежной материи, так что эффект распространения волны проходит некоторое расстояние. Простой пример для понимания волн – подземные толчки. Толчок представляет собой волны, передающиеся со скоростью 20000-30000 км/ч. Когда колебания от толчка ощущаются через несколько минут за пять тысяч километров от эпицентра, очевидно, что это не материя преодолела такое значительное расстояние, то есть колебание не принесло с собой никакой материи из эпицентра землетрясения.

РИС. 3

Колебательное движение частицы, обладающей электрическим или магнитным зарядом, вызывает возмущение вокруг нее, то есть волну. Эта волна зависит от скорости, с которой движется частица, потому что она определяет амплитуду и расстояние между началом и концом волны.

В 1873 году Джеймс Клерк Максвелл опубликовал «Трактат об электричестве и магнетизме», в котором говорилось также о теории силовых линий Фарадея и доказывалось наличие неразрывных связей между этими двумя областями. На самом деле существует только одно поле, объединяющее электрические и магнитные явления, – электромагнитное. Из этого можно сделать несколько важнейших выводов: изменение интенсивности электрического тока вызывает электромагнитное возмущение, распространяющееся в виде волн. Переменное электрическое поле передает свое возмущение магнитному полю, которое, в свою очередь, индуцирует переменное электрическое поле: так, после многочисленных повторений, возмущение распространяется во всех направлениях. Электрические и магнитные волны продвигаются вперед шаг за шагом, перенося энергию, полученную у источника излучения. При появлении нового поля его можно расширить, уменьшить или каким-либо другим способом изменить – в зависимости от того, синхронизированы вершины и ложбины волны или накладываются на другие. Предполагалось наличие широкого спектра электромагнитных колебаний, различающихся по длине волны, то есть по расстоянию между вершинами волны, которые более точно называют «гребнями» (см. рисунок 4).

Максвелл смог рассчитать скорость распространения электромагнитных волн в вакууме и был поражен, обнаружив, что она равна 315300 км/с и совпадает со скоростью света (сейчас принятая величина – 299792 км/с), рассчитанной французским астрономом Ипполитом Физо (1819-1896) в 1849 году. Не могло быть и речи о совпадении. Это означало, что свет является электромагнитной волной, что объединяло оптику с электромагнетизмом. В ту эпоху понять такие вещи было очень трудно.

РИС. 4 Длина волны – это расстояние между двумя вершинами. Амплитуда – максимальное возмущение волны. Частота – количество повторений волны за единицу времени, то есть количество колебаний за секунду.

Эти невидимые волны дразнили исследователей: казалось невероятным, что волна может распространяться в вакууме без какой-либо материальной среды. Тогда ошибочно утверждалось, будто волны являются следствием распространения флюида. Сегодня мы знаем, что механические волны, такие как звук и сейсмическая активность, распространяются в упругой среде, твердой, жидкой и газообразной, но электромагнитным волнам для распространения среда не нужна – они могут распространяться в вакууме. При этом скорость распространения электромагнитных волн в действительности зависит от среды; в вакууме она равна скорости света.

Отец электромагнетизма преждевременно скончался в 1879 году в возрасте 48 лет, не увидев подтверждения своих теорий, хотя это подтверждение было получено довольно скоро – в 1885 году. Когда Герц исследовал длину волны, превышавшую длину волны света, ему удалось получить в лаборатории электромагнитные волны с характеристиками, предсказанными Максвеллом. Герц доказал, что они могут перемещаться со скоростью света даже в вакууме; свет на самом деле был электромагнитной волной. Для своих экспериментов он использовал осциллятор (аппарат, вызывавший периодические колебания электрического тока) и резонатор, улавливавший колебания и присоединявшийся к ним, то есть начинавший колебаться, следуя циклу. Он доказал, что энергия перемещается от одного аппарата к другому через пространство, и даже смог определить форму волны, устанавливая резонатор в разных точках лаборатории. Для эксперимента был использован переменный высокочастотный ток.