[Перевод] История реле: гальванизм
В прошлый раз мы пропустили описание нескольких десятилетий истории электрического телеграфа. Демонстрации его работы были захватывающими, он был многообещающей диковинкой, но ему ещё предстояло доказать свою пригодность как практического инструмента. Но к 1830-м электрики всё-таки сделали несколько критически важных открытий, сделавших известную нам версию электрического телеграфа возможным. Всё началось с лягушки.
Животное электричество
В ноябре 1780 года Луиджи Гальвани, врач и анатом из Болонского университета препарировал лягушку своим скальпелем с ручкой из слоновой кости. Недалеко от него его помощник игрался с электрической машиной (с тем, что мы бы назвали электростатическим генератором). Внезапно лапа лягушки дёрнулась. Гальвани поразился — неужто он задел нерв? Он проделал несколько экспериментов и выяснил, что конвульсии происходили только тогда, когда электрическая машина искрилась, в то время, как его палец касался металлического лезвия скальпеля, дотрагивавшегося в этот момент до лягушки.
Натурфилософы к тому времени уже знали о том, что животные могут производить электричество. Электрические скаты [научное название отряда лат. Torpediniformes происходит от слова torpere — «быть в оцепенении» — прим. перев.] и их возможность лишать чувствительности рыб и человека были известны с древних времён и описаны ещё Аристотелем. Но источник их энергии в течение тысячелетий был неизвестен. К XVIII веку некоторые электрики начали подозревать, что их воздействие было электрическим, когда они увидели тот же самый эффект оцепенения, оказываемый лейденской банкой. Серия экспериментов, проведённых в 1770-х годах, убедительно доказала, что скат шокировал живых существ электротоком.
Но эксперименты Гальвани привели к более основательным выводам: вся животная жизнь в каком-то смысле основана на электричестве. «Электричество было величайшей жизненной силой, благодаря которой определения понимания и веления воли передавались от органов мозга к покорным членам тела». Эта связь, установленная открытиями Гальвани, покорила всю Европу, и самым известным из результатов этого увлечения стал роман «Франкенштейн, или Современный Прометей» Мэри Шелли.
Но для наших целей наиболее важно то, что Гальвани открыл шесть лет спустя. Племянник Гальвани развешивал лягушек на металлических крюках, свисавших с балкона снаружи лаборатории его дяди, и обнаружил кое-что странное. Когда крюки прикасались к перилам, у лягушек начинались постоянные конвульсии, точно так же, как от стимуляции электрическими искрами. Старший Гальвани сначала отмёл эту аномалию, но затем обнаружил, что одновременным прикосновением в лягушкам различных металлов, к примеру, железа, меди или латуни, можно добиться ещё большего эффекта. Этот постоянный электрический поток, чья причина была пока ещё неясна, назвали гальванизмом.
Экспериментальный аппарат Гальвани
Гальвани считал, что обнаружил «животное электричество» — что металл соединял два отдельных резервуара электрической жидкости в мускулах и нервах, позволял ей течь и приводил к активности нервов. Его земляк Алессандро Вольта думал иначе. Вольта, профессор физики в Павийском университете недалеко от Милана, считал, что причиной течения электричества был металл, а не животное, и вознамерился доказать это.
Но пока что единственным инструментом, способным обнаружить это «слабое электричество» от контакта с металлом, были лягушки и человеческий язык. Чтобы доказать свою мысль, Вольту требовался датчик неживотного происхождения. Он обратился к недавно изобретённому Уильямом Николсоном, английским натурфилософом, «удвоителю». Поворачивая изолированные латунные диски, расположенные рядом, удвоитель мог превращать небольшой изначальный заряд в большой. Используя удвоитель, Вольта смог нарастить слабое электричество от металлического контакта до такого состояния, которое он смог обнаружить обычным электрометром, и опроверг гипотезу Гальвани. Что более интересно, он обнаружил, что после достаточного количества поворотов и сам удвоитель начинал генерировать поддающееся обнаружению количество электричества, даже без необходимости в начальном заряде.
Вскоре Вольта уже экспериментировал со стопками спаренных дисков из разных металлов. Его вдохновила другая работа Николсона, в которой описывалось препарирование электрического органа ската. Николсон нашёл в этом органе массу из столбиков, каждый из которых состоял из стопки небольших круговых слоёв. Николсон считал, что можно построить машину, симулирующую работу этого органа, возможно, при помощи слюдяных плёнок. Вольта согласился с принципом действия, но не с материалами. К 1799 году он остановился на стопках из цинковых дисков, спаренных с медными, и кусочках пропитанных морской водой кожи или картона, проложенных между дисками каждой пары. Это устройство могло генерировать значительный и постоянный электрический ток. Второй вариант схемы, названный им «короной из чаш», состоял из чашек с кислотой или солёной водой, соединённых пластинами, состоящими из двух разных металлов, спаянных вместе.
После того, как Вольта объявил о своём открытии в Королевском обществе в Лондоне в марте 1800 года, оно распространилось по Европе со скоростью пожара. Уже к маю устройство Вольта привело к важному открытию — разложению воды при помощи электричества — которое сделал не кто иной, как Николсон, работавший с хирургом Энтони Карлайлом. По-английски его стали называть «батареей», термином, уже вовсю использовавшимся для описания комбинации лейденских банок.
К этому времени Гальвани уже скончался. В 1797 году Наполеон реорганизовал северо-восточную Италию в Цизальпинскую республику, дочернее государство-сателлит Первой Французской республики. Вольта принял новый порядок вещей, получил Орден Почётного легиона, сделался графом и сенатором. Гальвани, отказавшись присягнуть на верность республиканскому правительству, был изгнан со своего поста в университете и умер в нищете годом позже. Но изучение гальванизма процветало и расширялось — с помощью батареи Вольта.
Электромагнетизм
Батарея позволила впервые тщательно изучить электричество в движении. Лейденские банки или другие статические устройства выдавали один мгновенный разряд. Но теперь исследователь мог настроить батарею, соединить её с любым экспериментальным устройством и спокойно изучать эффекты динамического электричества.
Вскоре исследователи применили новое устройство к исследованию связи электричества и магнетизма. С древних времён некоторые подозревали наличие глубокой связи между этими «оккультными» притягивающими силами, но между ними были и загадочные различия. К примеру, наэлектризованный янтарь притягивал любой лёгкий объект, а магнетит — только железо.
В XVII веке появились новые свидетельства, когда философы заметили отчёты о том, как молния намагнитила железные объекты (вроде крестов на колокольнях церквей) и обратила корабельные компасы. Бен Франклин показал, что лейденские банки могли намагнитить или обратить полярность магнита — и это было неудивительно, поскольку к тому моменту он и другие исследователи показали, что молния по своей натуре была электрической. Но доказательства не были однозначными. Какова же была реальная связь электричества и магнетизма? К концу XVIII века мнения разделялись. Некоторые считали, что видимая схожесть случайна, другие были уверены, что оба явления объясняла одна первопричина.
После открытий Гальвани и Вольты фиолософы начали изучать возможные взаимодействия гальванизма и магнита. Самые важные результаты появились в 1820 году, когда Ханс Кристиан Эрстед, профессор физики в Копенгагенском университете, во время лекции заметил, что гальванический ток отклоняет намагниченную стрелку. После последующих экспериментов он опубликовал свои открытия — ток, текущий с севера на юг над иголкой, отталкивает её конец к западу; текущий под ней — к востоку.
Когда Андре-Мари Ампер прочёл об этом открытии в Париже, он немедленно начал углубляться в этот вопрос. Ампер был профессором математики в Политехнической школе Парижа. Эта высшая школа инженеров, как и оптический телеграф, стала продуктом Французской революции, и должна была выпускать военных инженерах, с лёгкостью ориентировавшихся в передовой математике и физике. Эрстед увидел эффект явления, а Ампер искал его первопричину, применяя значительные навыки в математике и экспериментальной физике. Ему удалось устранить влияние магнитного поля Земли на эксперимент, склеив вместе две разнонаправленные намагниченные иголки. Он обнаружил, что такая двойная игла образует идеально прямой угол с проводом. Заинтересовавшись этим, он выдвинул теорию, что магнетизм вызывается крохотными замкнутыми электротоками, текущими под прямым углом к оси магнита, направленной с севера на юг.
За последовавшие десять лет такая модель прекрасно себя показала — другие учёные начали экспериментировать со спиральными катушками провода для симуляции этих круговых токов. Первым был его коллега Франсуа Араго, показавший, что при помощи такой катушки можно намагнитить иголку.
Через несколько лет Уильям Стёрджен улучшил результат Араго. Он пытался добиться ярких и наглядных проявлений электромагнитных сил при помощи небольшой батареи, чтобы ему легче было демонстрировать электромагнитные явления студентам и заинтересованной публике. Тогда даже для небольших магнитных эффектов, видимых только наблюдателям, стоящим неподалёку, требовалось получить огромное количество гальванической энергии при помощи огромных, дорогих и сложных в обслуживании батарей.
Стёрджен обнаружил, что если обернуть провод вокруг покрытого лаком железного стержня, и присоединить его к небольшой батарее, можно сделать мощный электромагнит, сохранявший магнитные свойства, пока по проводу тёк электрический ток. Магнит становился ещё сильнее, если согнуть стержень в виде подковы — тогда он мог поднять груз весом до 4 кг.
Джозеф Генри, учитель в Академии Олбани, штат Нью-Йорк, отслеживал работы европейских физиков по электричеству и магнетизму благодаря журналам, таким, как «Анналы философии», где Стёрджен опубликовал описание своего электромагнита.
Генри тоже пытался построить улучшенное экспериментальное оборудование для демонстраций в педагогических целях, но он считал, что может превзойти Стёрджена, доведя до совершенства модель замкнутых токов Ампера. Генри создал гибрид электромагнита Стёрджена и «умножителя» Джулиана Швайгера, использовавшего плотно намотанный провод в шёлковой изоляции для значительного усиления эффекта эксперимента Эрстеда.
Умножитель Швайгера, позже названный гальванометром
Использование изолированного шёлком провода позволило Генри плотно намотать провод вокруг железного сердечника, не рискуя получить замыкания, и лучше приблизиться к модели замкнутых токов Ампера, чем это удавалось плохо намотанной спирали Стёрджена. После такого усовершенствования он обнаружил, что может поднимать сотни, а потом и тысячи килограмм при помощи обычной батареи.
Возможность электричества генерировать магнетизм и притягивать металл — о чём давно подозревали, потом это доказал Эрстед и довели до совершенства его последователи — окажется чрезвычайно важным для последующих создателей электрического телеграфа.
Теория контуров
В этот период было уже не так сложно представить себе телеграф нового типа, использующий гальваническую батарею в качестве источника энергии и электромагнитный эффект в качестве детектора. Сам Ампер указывал на это ещё в 1820-м.
К 1824 году Питер Барлоу, прославленный профессор математики в Королевской военной академии близ Лондона решил изучить, может ли описанный Ампером телеграф работать на больших расстояниях. К своему разочарованию он обнаружил, что сила электромагнитного эффекта резко падала даже на таком небольшом расстоянии, как 60 метров, из-за чего он убедился, что электромагнитный телеграф не имеет практического применения. Благодаря репутации Барлоу этого было достаточно, чтобы остановить эксперименты с телеграфом в Англии более, чем на десятилетие.
Почему же некоторые эксперименты с электрическим телеграфом проваливались так сильно, как у Барлоу, а другие (как у Фрэнсиса Рональда) успешно работали с проводами длиною в километры? Учёным требовалась интеллектуальная платформа, модель для понимания электричества в движении, что позволило бы определить, какое устройство будет работать, а какое — нет.
И тут снова вступает Джозеф Генри. Экспериментируя в конце 1820-х с электромагнитами, он обнаружил, что в какой-то момент потеря силы тока из-за длины провода превосходила все попытки добавления новых витков вокруг сердечника. Это само по себе подтвердило выводы Барлоу.
Джозеф Генри
Но его эксперименты пошли дальше. Сначала он обнаружил, что разделяя длинный провод на несколько проводов, каждый из которых обмотан вокруг железного сердечника, а затем отдельно соединён с батареей — то, мы назвали бы параллельными контурами — он мог обойти ограничения и создавать чрезвычайно мощные электромагниты. Затем он вернулся к своему магниту с одним проводом и попробовал соединить его с другой батареей. Вместо одной ячейки из двух больших металлических пластин, погружённых в кислоту, он использовал деревянное корыто с 25 маленькими ячейками, соединёнными друг с другом последовательно. К своему удивлению он обнаружил, что такой вариант поднимал даже больший вес, будучи подсоединённым к проводу длиной в 300 м, чем магнит, непосредственно соединённый с батареей!
Интуитивно он догадался, что тут играли роль два разных свойства электричества, количество и интенсивность. Количественная батарея с одной большой ячейкой и количественным магнитом, обёрнутым несколькими проводами, выдавала большую механическую силу. Интенсивная батарея со множеством мелких ячеек вместе с интенсивным магнитом со спиралью из одного провода наоборот, прекрасно передавала электромагнитный эффект на большие расстояния. Генри прекрасно осознавал практические последствия его работы, отметив в своей работе, что она «напрямую применима к прожекту мистера Барлоу по созданию электромагнитного телеграфа».
На месте Генри было бы не очень вежливо просто заявить, что он опроверг Барлоу, но показал он именно это — он провёл демонстрацию в Академии Олбани, где сумел позвонить в звонок, передав электричество с интенсивной батареи по проводу длиной в два с половиной километра. Его модель объясняла также, почему телеграф Рональда работал на длинных дистанциях — его фрикционный электростатический генератор был по своей сути устройством высокой мощности.
И хотя он не узнал этого, пока не поехал в заграничный тур в 1837 году, интуитивная модель Генри уже была тщательно описана математически Георгом Омом, урождённым баварцем, в то время преподававшим физику и математику в Пруссии.
Ом, совместив тщательные эксперименты с математическим воображением, тщательно исследовал мощность различных контуров, измеряя её умножителем Швайгера (к тому времени его уже обычно называли гальванометром). Он заключил, что сила тока (Ströme — количество, как его называл Генри) в контуре зависит от его напряжения (Spannung — интенсивности в терминах Генри), делённого на его «уменьшенную длину» (то есть, приведённого к стандартному проводу).
Модель контура Ома была гораздо сложнее модели Генри, и была опубликована за 4 года до него, в 1827. Эта публикация, по сути, должна была сделать публикацию Генри бесполезной. Но работу Ома очень плохо приняли в Пруссии, поэтому широкую известность в научном мире она не получила до 1840-х. Более того, в отличие от Ома, Генри представлял свои находки в качестве решения проблемы длинных дистанций для телеграфа. Тогда не было очевидным, что это решение притаилось и в математике Ома. Поэтому анализ количества и интенсивности от Генри оказал решающий эффект на развитие телеграфа.
Последняя миля
Батарея и новый вид порождённого ею гальванического электричества преобразил работы над телеграфом. Это был новый источник электричества, более надёжный и простой, чем электростатические машины, и его можно было использовать на практике. Также она сильно облегчила эксперименты с электричеством, что позволило открыть электромагнетизм и лучше понять контуры.
Ранние телеграфные детекторы зависели от химических эффектов электричества или от его относительно слабой силы притяжения — поднять оно могло разве что кусочек бумаги. Электромагнит превратил электрическую энергию в грубую механическую силу, открыв большую гибкость при разработке телеграфного оборудования. Теории тока Генри и Ома говорили о том, с каким оборудованием стоит ждать успеха, и с каким — нет.
Для постройки электромагнитного телеграфа появились все ключевые идеи. Оставалось дождаться людей, обладающих волей и ресурсами для того, чтобы собрать всё это и преобразовать в полезную систему.
Что почитать:
• John J. Fahie, A History of Electric Telegraphy to the Year 1837 (1974 [1884])
• Bruce J. Hunt, Pursuing Power and Light: Technology and Physics from James Watt to Albert Einstein (2010)
• Guilliano Pancaldi, Volta: Science and Culture in the Age of Enlightenment (2003)
