Как Фарадей заставил провод вращаться вокруг магнита: начало истории электродвигателя

В сентябре 1821 года Майкл Фарадей собрал прибор, который сегодняшнему инженеру показался бы почти игрушкой. Стеклянный сосуд, немного ртути, кусок медной проволоки, постоянный магнит и батарея. Никаких катушек ротора, коллектора, подшипников или стального корпуса. Но когда цепь замыкалась, проволока начинала непрерывно кружить вокруг магнита. Впервые электричество не просто дёрнуло стрелку прибора или притянуло кусочек металла, а заставило предмет двигаться по кругу и продолжать движение, пока через цепь шёл ток.

До этого открытия оставался всего год после другого знаменитого опыта. В 1820 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед заметил, что провод с током отклоняет магнитную стрелку. Событие вызвало настоящий всплеск интереса: стало ясно, что электричество и магнетизм, которые раньше изучали почти как отдельные явления, каким-то образом связаны. Француз Андре-Мари Ампер быстро продолжил исследования и начал описывать силы между проводниками с током. Но сама геометрия нового явления выглядела необычно: магнитная стрелка не просто стремилась к проводу или от него, а поворачивалась поперёк. Вокруг проводника будто существовало круговое действие, и именно это особенно заинтересовало Фарадея.

В то время он уже работал в лондонском Королевском институте. Сын кузнеца, получивший лишь самое простое школьное образование, начинал переплётчиком и самостоятельно читал научные книги, проходившие через мастерскую. После знакомства с лекциями Гемфри Дэви ему удалось попасть в Королевский институт помощником лаборатории. К 1821 году Фарадей был уже опытным экспериментатором, хотя ещё не тем знаменитым учёным, каким его запомнит история. Редактор журнала попросил его подготовить обзор исследований по электромагнетизму, и для этого Фарадей начал самостоятельно повторять чужие опыты. Постепенно он пришёл к вопросу, который оказался важнее самого обзора: если действие тока вокруг провода имеет круговой характер, нельзя ли превратить его в настоящее круговое движение?

3 сентября 1821 года Фарадей устроил опыт в подвальной лаборатории Королевского института. В стеклянный сосуд он поместил магнит так, чтобы один его полюс выступал вверх. В сосуд налили ртуть — жидкий металл одновременно позволял проводить ток и не мешал движению. Рядом висел медный провод. Его нижний конец касался ртути, а верхний был закреплён так, чтобы проволока сохраняла электрический контакт, но могла свободно двигаться в сторону. Батарея замыкала цепь через провод и ртуть.

После подачи тока проволока пошла вокруг магнитного полюса. Это не был короткий толчок: пока сохранялся ток и ничто механически не мешало движению, провод продолжал описывать круг. Фарадей получил то, что назвал electromagnetic rotations — электромагнитными вращениями. На следующий день он стал переделывать установку, пытаясь сделать эффект заметнее и надёжнее. В одной версии двигалась проволока вокруг неподвижного магнита, в другой можно было добиться противоположного: магнит вращался вокруг проводника с током.

В современном объяснении ничего мистического здесь нет. Ток создаёт вокруг провода магнитное поле. Оно взаимодействует с полем постоянного магнита, а проводник оказывается под действием силы, направленной в сторону. Поскольку геометрия установки позволяет ему свободно двигаться вокруг магнитного полюса, возникает вращение. Но для физики 1821 года такая картина была далеко не очевидной, и особенно важно, что в конструкции не было привычного нам вращающегося вала. Провод словно преследовал магнит по кругу, поэтому устройство Фарадея правильнее считать не готовым электродвигателем, а первым убедительным доказательством того, что электрическую энергию можно непрерывно превращать в механическое движение.

Сам Фарадей сразу почувствовал значение результата. В лабораторной записи он отметил, что получил вращение провода вокруг полюса магнита, а затем добавил почти буднично, что следует сделать более наглядный аппарат. Один из таких приборов, изготовленный им в 1822 году, сохранился и сегодня находится в коллекции Королевского института. Небольшая конструкция из стекла, меди, железа, дерева, воска и ртути выглядит несоразмерно своему историческому значению: высота прибора — всего около четверти метра.

История открытия, впрочем, имела неприятное продолжение. До Фарадея проблемой вращения занимался Уильям Хайд Волластон. После публикации работы появились обвинения, будто молодой исследователь воспользовался его идеей без должного упоминания. Фарадей писал Волластону, объясняя обстоятельства. Сам Волластон в итоге не стал поддерживать обвинения, однако спор испортил отношения Фарадея с частью научного окружения, включая Дэви.

Практического мотора из ртутного стакана, конечно, не получилось. Установка была неудобной, слабой и совершенно непригодной для вращения заводского станка. Ртуть токсична, провод описывает орбиту вместо того, чтобы вращать обычный вал, а механическую мощность такого аппарата трудно использовать. Между опытом Фарадея и промышленными электродвигателями оставались десятилетия работы других изобретателей. Но главная задача уже изменилась: до 1821 года нужно было ещё доказать, что постоянное вращение от электричества вообще возможно, а после опыта Фарадея вопрос стал другим — как сделать его сильнее, удобнее и полезнее?

В последующие десятилетия появились электромагниты, вращающиеся якоря, коммутаторы и конструкции, способные поддерживать движение обмоток в нужном направлении. Мориц Якоби в 1830-х создал двигатель, достаточно мощный для практических демонстраций. Другие инженеры шаг за шагом превращали физический эффект в машину. Сам Фарадей через десять лет совершил открытие будто с обратной стороны той же задачи. В 1831 году он показал электромагнитную индукцию: если электричество способно создавать движение через магнитное поле, то изменение магнитного поля способно, в свою очередь, создавать электрический ток. Из этой работы выросли генераторы и трансформаторы.

Получилась удивительная симметрия. Опыт 1821 года показал путь от электричества к движению, а опыт 1831-го — от движения и магнетизма обратно к электричеству. На этой паре превращений в значительной степени и строится современная энергетика. На электростанции генератор превращает механическое вращение в электрический ток. В электромобиле, вентиляторе или стиральной машине двигатель делает противоположное — возвращает электричеству форму движения.

А начиналось всё с крайне простой установки. В стеклянной чашке находилась ртуть, из неё торчал магнит, а тонкий провод кружил вокруг него. Для наблюдателя 1821 года это был странный лабораторный фокус. Для истории техники — момент, когда электричество впервые научилось вращать.