Столетов - В. Болховитинов

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 динамомашин — машин, способных превращать механическую энергию различных двигателей — гидравлических, ветряных и паровых — в энергию электрическую.

К началу семидесятых годов было создано уже много типов динамомашин. 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, динамомашина 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 чудесный 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.

Ключ к разрешению этой загадки давала гипотеза выдающегося французского физика Ампера (1775–1836).

Ампер высказал предположение, что молекулярный магнетизм является следствием того, что в молекулах текут круговые, вечные электрические токи.

По Амперу получалось, что, собственно говоря, магнетизм даже не существует как некое отдельное явление, что магнитное действие всегда вызывается электрическим током.

Ампер высказал очень проницательное соображение. Современная физика установила, что магнитные свойства вещества определяются движением электрически заряженных частиц, из которых состоят атомы.

Как мы знаем, в веществе в самом деле есть вечные токи, о существовании которых догадывался Ампер.

Вращающийся вокруг атомного ядра электрон, несущий в себе отрицательный заряд, — ведь это и есть вечный электрический ток.

Электрон вращается не только вокруг ядра, он вращается и вокруг своей оси, ведет себя подобно Земле, обращающейся вокруг Солнца. Вращение электрона вокруг своей оси также подобно электрическому току, также создает магнитное поле.

Магнетизм железа и других ферромагнитных металлов — никеля, кобальта — и объясняется в основном как раз вращением электронов атомов вокруг своей оси.

Гипотезы Вебера и Ампера, пытавшихся дать объяснение намагничению железа, давали только качественнее объяснение этому явлению. Для количественных расчетов эти гипотезы, в то время недостаточно разработанные, не ставшие еще законами, конечно, не годились.

Как именно происходит поворот молекулярных магнитиков под действием магнитного поля, как зависит способность железа намагничиваться от величины этого поля — оставалось неизвестным. Это было громадным пробелом в электротехнике.

Создатели динамомашин и электромоторов уже издавна пользовались железом. Этот металл — сердцевина всех электрических машин. Недаром инженеры назвали сердечниками железные части моторов, электромагнитов, динамомашин. Но, то и дело применяя железо, электротехники работали кустарно, почти вслепую.

Мало что было известно ученым о процессе намагничения железа, о том, через какие стадии проходит, намагничиваясь, железо, зависит ли, и если зависит, то как именно, способность железа «впитывать» магнетизм от силы магнитного поля, в котором оно находится, и от способности к намагничению различных сортов железа.

Обматывая сердечники своих машин проволокой, электротехники руководствовались простым соображением: чем больше намотать витков, тем сильнее будет магнитное поле, создаваемое катушкой. А о железе, помогающем усиливать это поле, они и не думали. В выгодные или невыгодные условия будет поставлено железо, в надлежащем ли режиме придется работать сердечнику — мысль об этом в те времена никого не беспокоила. Не было у электротехников и критерия, которым можно было бы руководствоваться при выборе сорта железа, формы и размеров сердечников.