ФАРАДЕЙ, НЬЮТОН И ПОДВОДНЫЕ КАБЕЛИ
ФАРАДЕЙ, НЬЮТОН И ПОДВОДНЫЕ КАБЕЛИ
Хотя Фарадей часто использовал Библию, находя в ней утешение и вдохновение, он получил некоторое подобие одобрения своих революционных теорий о полях из одного письма. По иронии судьбы, его написал Исаак Ньютон — ученый, в трудах которого находили столько поводов для критики теорий Фарадея.
В 1693 году, когда Ньютон уже превратился в старика, он написал молодому кембриджскому теологу Ричарду Бентли, признаваясь ему, что, возможно, пустота на самом деле не является такой пустой, как он сам утверждал. Вероятно, писал ученый, гравитационные силы тянут свои невидимые щупальца к телам. Эта идея Ньютона не получила известности, потому что казалась несколько крамольной для той эпохи, в том числе на теологическом уровне: неужели Бог недостаточно могуществен, чтобы беспрепятственно пересекать пространство? Ньютон пишет:
«Идея о том, чтобы тело могло воздействовать на другое через пустоту на расстоянии, без участия чего-то такого, что переносило бы действие и силу от одного тела к другому, представляется мне столь нелепой, что нет, как я полагаю, человека, способного мыслить философски, кому она пришла бы в голову».
Бентли написал Ньютону ответ, в котором заинтересовался этой идеей, но Ньютон не захотел более подробно обсуждать ее, указывая, что это всего лишь его старческие измышления.
Фарадей осознал, что такой гений, как Ньютон, предлагает теории, подобные его собственной, и почувствовал, что должен идти дальше, несмотря на недоверие коллег. Он был уверен, что однажды кто-нибудь найдет практическое применение для его догадок, и почти в 70 лет стал свидетелем этого. Кроме первых электрогенераторов и начала Эры электричества, которые смог увидеть Фарадей, он также участвовал в первых революционных преобразованиях сферы телекоммуникаций. Он писал своему молодому другу, шотландскому физику Джеймсу Клерку Максвеллу, 13 ноября 1857 года:
«На дне моря должна была совершиться гигантская инженерная авантюра. Она должна принести новые доказательства правильности моих теорий о полях с невидимыми силами».
Гравюра, на которой Фарадей показывает своей жене Саре Барнард открытый им электродвигатель в Рождество 1821 года.
Индуктор, хранящийся в Королевском институте, с помощью которого Фарадей открыл закон индукции в 1831 году.
Фарадей читает лекцию о своих открытиях в области магнетизма и свойств света в 1846 году в Королевском институте.
Эта подводная авантюра, которая подтвердила догадки постаревшего Фарадея, началась с человека по имени Сайрус Уэст Филд (1819–1892). В середине 1850-х он предложил изготовить кабель, который можно было бы проложить по дну океана, чтобы пересечь Атлантику и соединить две великие империи — британскую и американскую. Для этого невероятного проекта требовались не только научно-технические знания, но и поддержка предприятий и промышленности. Длина кабеля должна была составлять 4000 километров, а вес — примерно 2200 тонн. Для изготовления требовалось не менее 800 тонн меди.
Для реализации проекта Филд попросил о помощи главного специалиста по теории электричества в Великобритании, шотландца Уильяма Томсона (1824–1907). Название изобретению дал Сэмюэль Морзе, он же отправил первое в мире телеграфное сообщение: «Чудны дела твои, Господи!» Придуманный им язык повлиял даже на журналистскую прозу, сжатый стиль которой стал напоминать телеграфные сообщения. Однако при использовании телеграфа имелось немаловажное техническое затруднение: передача сообщений по наземным линиям не вызывала затруднений, но при использовании подводных кабелей из-за постоянных потрескиваний и шумов сами сообщения было невозможно разобрать.
Томсон, очень серьезно относившийся к теориям Фарадея, верил, что существуют силовые поля и их помехи перемещаются частично внутри кабеля и снаружи него. По мнению Томсона, проблема была простой: когда телеграфист нажимал на клавишу, поле начинало перемещаться по кабелю длиной 1000 км, но также оно перемещалось вокруг электрического изолятора и железной оплетки, теряясь в водах океана.
* * *
Электромагнитный телеграф
Прямым результатом открытия электромагнита Эрстедом, Ампером и Араго стал телеграф, позволивший людям быстро получать и отправлять сообщения. Патент на изобретение получил американский художник Сэмюэль Финли Морзе в 1832 году. Когда отправитель нажимал клавишу, он подключал электрический ток, перемещающийся по кабелю до получателя, у которого запускался маленький электромагнит.
Электромагнит при пропускании через него тока с щелчком притягивал к себе железный язычок. Если отправитель отпускал клавишу, электрический ток прерывался, язычок возвращался в обычное положение. Морзе разработал код на основе прерывистых щелчков язычка, так что стало возможным передать любую букву алфавита со скоростью 150 знаков в минуту при условии прохождения работником телеграфа специального обучения. Эрстед, Ампер и Aparo умерли раньше и не увидели работающего телеграфа, а Майкл Фарадей, хотя уже был болен, смог присутствовать при рождении телекоммуникаций.
Морзе с прототипом телеграфа
* * *
В наземных линиях такой проблемы не возникало, потому что кабель проходил высоко на столбах (и не контактировал с проводником-землей). Кроме того, наземные кабели имели более толстый слой изолятора, а для океана изолятор был более тонким из-за экономии как по весу, так и по цене (материал изолятора назывался гуттаперчей, он был открыт в 1850-х годах, добывался из определенных видов деревьев в Индии и был похож на каучук). Также воздушные провода не имели железной оплетки, а в океане она использовалась для исключения повреждения кабеля и чтобы его не унесло течением. Однако железная оплетка рассеивала сигнал, поскольку железо не является надежным изолятором. Все эти факторы свидетельствовали о необходимости более сильного — в 20 раз — заряда для подводного кабеля по сравнению с наземным. По расчетам Томсона, выраженным в его законе квадратов, при десятикратном увеличении длины кабеля скорость сигнала сокращалась в 100 раз.
Существовало два варианта решения данной проблемы. Первый, предложенный Томсоном, предусматривал увеличение диаметра жилы проводника. Но Филд верил во второй вариант, он хотел подключить кабель к источнику высокого напряжения для увеличения сигнала, компенсируя, таким образом, потери рассеивания. Однако здесь имелась другая проблема: при работе с высоким напряжением кабель быстро портился.
Филд считал объяснение Томсона слишком непонятным и заключил контракт с Эдвардом Уайтхаусом (1816–1890), который не верил в смехотворные силовые поля. Чтобы убедить инвесторов, Уайтхаус должен был всячески скрывать перед публикой свои колебания и неуверенность. Была проведена работа и с учеными, поддерживающими Томсона, чтобы они не задавали лишних вопросов. На публичную конференцию пригласили уже пожилого Майкла Фарадея и подсунули ему фальшивые отчеты с экспериментальными данными, якобы подтверждающими ошибки в расчетах Томсона.
Умственные способности Фарадея к этому времени ослабли (вероятно, из-за длительного вдыхания паров ртути, растекшейся на полу его лаборатории), и он дал неоднозначную оценку, которую можно было понять как неполное согласие с гипотезой Томсона. Поддержка Фарадеем проекта, хоть и не безоговорочная, стала решающим фактором для инвесторов. Но Томсон догадался, что Фарадея обманули и вынудили дать такое заключение практически силой, ведь он знал истинное мнение ученого, полученное после осмотра кабелей с использованием гуттаперчи, о том, что на передачу сигналов негативно влияют проводник, окружающий его изолятор и морская вода.
Кабель был изготовлен, но проект провалился, как и предсказывал Томсон: сигналы так искажались, что после пересечения Атлантики их было невозможно расшифровать. Применение высокого напряжения для передачи сигнала изнашивало кабель, поэтому отправка сообщений требовала все больше времени. Из-за недостаточной изоляции энергия рассеивалась: если телеграфист отпускал клавишу между одним сигналом и следующим за ним немного быстрее, поле, установившееся на протяжении кабеля, рассеивалось до начала передачи следующего сигнала; если телеграфист нажимал клавиши слишком быстро, новое поле накладывалось на предыдущее, все еще находившееся вокруг меди, железа и воды. Неудивительно, что, согласно документам, чаще всего передавались сообщения: «Передавайте медленнее» или «Повторите».
* * *
Магнитное поле земли
Немецко-американский физик Вальтер Мориц Эльзассер (19041991) в 1939 году высказал предположение о том, что вращение Земли создает в ядре из расплавленного металла медленные вихри, текущие с запада на восток. Эти вихри вызывают электрический ток, также проходящий с запада на восток. То есть электрический ток, циркулирующий в ядре Земли, создает магнитные линии по такому же принципу, как катушка проводника Фарадея.
Внутренний магнит
Сегодня нам известно, что у Земли есть внутренний магнит, отвечающей за магнитное поле планеты. Линии этого поля выходят из Южного полушария и входят в Северное. Причину магнетизма нужно искать в ядре Земли, разделяющемся на внутреннее твердое ядро из никеля и железа и внешнюю оболочку из тех же металлов, но в жидком состоянии. Движение жидкого металла создает магнитное поле благодаря так называемому динамо-эффекту. Оно представляет собой более сложный процесс, чем считалось раньше. Он связан не только с направлением вращения планеты, но и, как считается, стал причиной того, что в прошлом Земля сменила полярность своего магнита. Возможно, смена полюсов связана со скоростью вращения планеты или с тем, что линии поля пересекаются и перепутываются из-за перемещений жидкого металла во внешней оболочке ядра.
Почему вольты не назвали фарадами
Многие исследователи электричества и магнетизма вписаны в историю культурного наследия, их фамилиями названы различные единицы измерения величин, связанных с электричеством, хотя, например, один из основных ученых в данной области, Бенджамин Франклин, этой чести не удостоился. Именем Шарля Огюстена Кулона названа величина заряда, Георга Ома — единица измерения сопротивления, Джеймса Уатта — единица измерения мощности, Джеймса Джоуля — энергия, Алессандро Вольты — единица измерения электрического потенциала, разности потенциалов и электродвижущей силы, Андре Ампера — сила тока. Почему выбрали фамилию Вольты, а не Фарадея?
Англичанин, не публикующийся на французском
Уильям Томсон был убежден, что производство электричества в будущем станет одной из самых важных отраслей промышленности, а значит, необходимо. чтобы люди могли точно знать, какое количество побуждающей силы от невидимого поля они покупают. Вероятно, он хотел дать этой единице измерения имя Фарадея, которым восхищался, но вмешались французские чиновники, в руках которых в течение всего XIX века находилась научная номенклатура. Основной проблемой Фарадея стала его национальность: он был англичанином, а не французом. Также ученый не слишком хорошо владел французским языком и не публиковал на нем свои открытия.
После длительных политических разбирательств на конференции в Париже было объявлено, что официальным названием для единицы силы невидимого поля будет вольт, выбранный в честь Алессандро Вольты, который имел публикации на французском, а также оказывал всемерную поддержку Наполеону. Вольта был первым изобретателем батарейки постоянного тока, но никогда до конца не понимал механизма ее работы. В итоге потенциал электрической силы измеряется в вольтах, а не в фарадах. Если указано, что электрический аппарат работает при напряжении в 120 вольт, это означает, что для нормальной эксплуатации необходимо получать 120 джоулей энергии на каждый кулон циркулирующего электрического заряда.
Алессандро Вольта
* * *
В конце концов Сайрус Филд вынужден был согласиться, что Томсон и Фарадей правы и невидимые силовые поля, способные переносить электрические заряды, все же существуют. То есть решение состояло не в том, чтобы запустить больше электронов в подводный кабель, а в том, чтобы превратить кабель в водяную трубку. Как и говорил Томсон, питание кабеля от батареи большей мощности вызывало возникновение более мощного поля, следовательно, увеличивалось взаимодействие с оплеткой и водой; часть поля подталкивала свободные электроны к перемещению по центральной медной жиле кабеля, но другая часть электронов проходила через изолятор и создавала быстро распространяющийся электрический ток в железе. По этой причине нагревались центральная медная жила и внешняя железная оплетка, а каучук, находившийся между ними, на некоторых участках даже плавился. Таким образом, при каждой передаче кабель портился все больше.
В 1866 году с помощью крупнейшего парохода той эпохи «Гpeйm Истерн» был проложен новый кабель, сделанный согласно инструкциям Томсона. «Грейт Истерн» мог перевозить 5800 километров кабеля и 500 человек. Претерпев несколько аварий, например разрыв кабеля на расстоянии 1900 километров, 27 июля 1866 года он прибыл из Ирландии на остров Ньюфаундленд, где произошли первые успешные передачи сообщений. Кабель работал отлично и практически бесперебойно со скоростью передачи до восьми слов в минуту. Стоимость сообщения из 20 слов была равна 150 долларам — немалые деньги в те годы. Фарадей был болен и состарился, но считается, что Томсон сам сообщил ему об успехе проекта и подтверждении его теорий.