21 липня 1820 року вийшла у світ тоненька брошура маловідомого тоді професора фізики й хімії Копенгагенського університету Ганса Крістіана Ерстеда «Досліди, що стосуються дії електричного конфлікту на магнітну стрілку». Учений сам її розіслав у всі наукові установи та спеціалізовані журнали Європи й Америки, підкреслюючи важливість свого відкриття, яке започаткувало електричну еру в історії людства. (Сьогодні про це відкриття, відоме як дослід Ерстеда, учні дізнаються на уроках фізики у 8-у класі). Після цього Г.К. Ерстед здобув всесвітнє визнання, ставши основоположником нового розділу фізики — електродинаміки, що об’єднала електричні та магнітні явища. До того знання про електрику і про магнетизм розвивалися як окремі розділи науки про природу.
Електричні явища були відомі ще в сиву давнину — в стародавніх Китаї, Індії, Єгипті і звісно ж, у Греції. Перші письмові згадки про електрику переносять нас у VІІ століття до н.е. в давньогрецьке місто Мілет на Анатолійському узбережжі Середземного моря. За легендою, до свого батька Фалеса звернулася за порадою донька, яка змотувала вовняні нитки в клубочки, але ці нитки разом зі шматочками вовни прилипали до її бурштинового намиста, заважаючи працювати. Фалес вважався одним з наймудріших учених те тільки в Мілеті, а й у всій Греції. Він, звичайно, розкрив таємницю загадкового прилипання, назвавши це явище електрикою (від грецького «електрон», що означає бурштин).
Що ж до магнітних явищ, то про них людство знало майже на тисячу років раніше, ніж про електричні. Досить згадати компас, яким послуговувалися ще мореплавці стародавнього Китаю. Як термін «магніт» теж має грецьке коріння. Швидше за все, це слово походить від назви міста Магнесія в Малій Азії, поблизу якого залягав магнетит. Що-правда, грецький поет Никандр згадував про пастуха Магніса, який опинилася поруч зі скелею, що притягувала до себе залізний наконечник його палиці, але це, ймовірно, просто красива легенда.
Відтоді і майже до початку ХVІІ століття обидва явища розглядалися, скоріше, як забавки. Втым, ще у 1269 році французький мандрівник Пьєр Пелерен з Марикура в своїх листах до друзів уперше в Європі залишив відомі на той час знання про магніти. Вперше висловлено думку про існування двох полюсів магніту і про два види взаємодії між тілами залежно від їх полюсів — відштовхування в разі взаємодії тіл з однаковими полюсами і притягання в тому випадку, якщо полюси магнітів протилежні. А в 1600-у англійський дослідник Вільям Гільберт видав книжку «Про магніти, магнітні тіла і великий магніт — Землю», в якій навів майже все відоме на той час про властивості природних магнітів і намагніченого заліза, а також розповів про власні досліди з кулею з магнетиту, за допомогою якої відтворив основні властивості земного магнетизму.
Дослідження електрики почали інтенсивно розвиватися після 1650 року, коли бургомістр німецького міста Магдебург Отто фон Геріке (відомий ще за магдебурзькими півкулями) у 1663-у створив перше джерело електрики. Це була сірчана куля, насаджена на залізний стрижень. При натиранні цієї кулі навіть рукою вночі було видно її світіння й чутно потріскування повітря від електричних розрядів. Але важливішим відкриттям стало відштовхування дрібних предметів. Тобто Геріке виявив в електризованих тілах властивості, схожі з магніт-ними — притягання і відштовхування. Наступне важливе відкриття в електриці було зроблене в 1729-у англійським дослідником Стівеном Греєм. Він установив, що електрику можна передавати на відстань, і відкрив перші провідники електрики та речовини, які не проводять струм.
У 1733 році француз Шарль Дюфе заявив про існування двох видів електрики — скляного і смоляного, які утворюються, відповідно, при натиранні скла шовком і смоли — вовною. В 1745-у нідерландець Пітер ван Мушенбрук створив Лейденську банку — перший електричний конденсатор. Через два роки відомий американський учений Бенджамін Франклін уперше дав означення позитивних і негативних зарядів та відкрив закон збереження електричних зарядів.
У 1780-у італійський біолог Луїджі Гальвані під час підготовки до лекції, а можливо, під час самої лекції для майбутніх зоологів помітив, що лапки мертвих жаб, торкаючись залізних ґрат клітки, де вони висіли на мідних гачках, скорочуються в колінцях. Він назвав це явище «тваринною електрикою». Інший італієць, Алессандро Вольта, ознайомившись з трактатом, виданим Л. Гальвані, звернув увагу на те, що подриґування жаб’ячих лапок відбувалося тоді, коли вони перебували між двома різними металами. Відтак дійшов висновку, що метали стають джерелами струму в тих випадках, коли між ними є лужне або кислотне середовище. У 1800-у А. Вольта створив перший гальванічний елемент, який отримав назву «Вольтів стовп» і складався з низки розташованих один над одним цинкових та мідних кілець, розділених змоченим солоним розчином папером. Основною перевагою Вольтового стовпа було довготривале збереження електричного заряду й можливість його використання без особливих труднощів у будь-який час.
Якраз користуючись таким джерелом струму, Ганс Крістіан Ерстед і зробив своє відкриття. Втім, не можна сказати, що йому просто пощастило. Із 1813 року вчений намагався встановити зв’язок між електрикою і магнетизмом (він був прихильником філософа Іммануїла Канта, який вважав, що всі природні сили мають внутрішню єдність). Як індикатори використовував компаси, але довгий час не здобував бажаного результату. Ерстед вважав, що магнітна сила струму паралельна самому струму, а тому для отримання максимального обертального моменту розмістив електричний провідник перпендикулярно до компасної стрілки. Однак стрілка не реагувала на включення струму. Й тільки 15 лютого 1820-го під час лекції про теплову дію струму професор розташував провідник паралельно до стрілки, й та, нарешті, відхилилася.
Після цього кілька місяців Ерстед мовчав, вочевидь, самостійно проводив дослідження, щоб упевнитися в правильності отриманих результатів. І коли в нього все виходило, запрошував відомих вчених університету і повторював дослідження для підтвердження результатів. У виданій брошурі він називає прізвища вчених, присутніх на різних експериментах.
Першим на результати досліджень Ерстеда відгукнувся французький фізик Домінік Араго, який розповів про це відкриття на засіданні Паризької академії наук. А вже наступного дня його колега Андре-Марі Ампер взявся за експерименти з дослідження дії магніту на провідник задля отримання струму. Невдовзі Ампер з’ясував, що паралельні провідники, по яких тече струм, притягуються або відштовхуються залежно від напрямків струмів: якщо напрямки струмів збігаються, то провідники притягаються один до одного, а якщо протилежні — відштовхуються. А ще він зауважив, що скручені у спіраль провідники відхиляються в магнітному полі так само, як стрілки компаса.
Згодом до таких досліджень долучилися ще не менше десятка відомих фізиків у різних країнах Європи та Америки. Основна мета, яку вони поставили перед собою, — виявити дію магніту на провідник, щоб у ньому виникав електричний струм. На вирішення цього питання пішло більше десяти років, а посміхнулася Фортуна молодому англійському вченому Майклу Фарадею.
Він приступив до досліджень пізніше за інших, у 1822-у. Редактор журналу «Аннали філософії» звернувся до нього з проханням написати критичний огляд нових робіт, присвячених магнітній дії струму. Фарадей не тільки виконав прохання, підготувавши статтю «Історичний ескіз електромагнетизму», а й сам розпочав дослідженням, які розтягнулися на довгі роки. Спочатку, як і Ампер, повторив експеримент Ерстеда, після чого рушив далі. Кожен дослід, а тривали вони десятиліття, Фарадей ретельно записував у зошит, де в далекому 1821-у зробив перший запис: «перетворити магнетизм в електрику».
Увесь цей час незмінним помічником Майкла Фарадея був лаборант — відставний артилерист Андерсон. Одного серпневого ранку 1831 року Андерсон після привітання запитав у професора: «Чи будемо сьогодні працювати, містере Фарадей?». І коли помічник укотре ввімкнув струм у котушку з двома обмотками, Фарадей також укотре зафіксував поштовх стрілки гальванометра, під’єднаного до другої обмотки. Поштовх — і знову нуль… При вимиканні все повторюється, тільки стрілка відхиляється в протилежний бік. Чому так відбувається? У зошиті для досліджень він записав: «При неперервному проходженні струму через одну з котушок не вдавалося помітити ні дії на гальванометр, ні взагалі будь-якої індукційної дії на другу котушку… При замиканні кола вдалося помітити несподівану, але надзвичайно слабку дію на гальванометр, і те ж саме спостерігалося при припиненні струму». Фарадей почав розуміти, що причиною наведення (індукції) струму в другій котушці є рух магніту. В журналі з’являється наступний запис: «Електрична хвиля виникає тільки під час руху магніту». Ось у чому причина! Завдання, поставлене дев’ять років тому, виконане.
Два тижні Майкл Фарадей обдумував отриманий результат. Якщо рухомий магніт створює у провіднику струм, то в провіднику, який рухається біля магніту, теж повинен виникати струм. Тоді зі звичайного магніту та обмотки з провідника можна створити нове джерело струму. Разом з Андерсом вони поміщають між полюсами звичайного підковоподібного магніту мідний диск, який може вільно обертатися. До краю диска підключають один рухомий контакт (щітку), а до осі обертання — другий контакт. Відставний артилерист обертає вісь, гальванометр показує наявність струму, а Фарадей танцює ірландську джигу: він щойно створив перший у світі електричний генератор!
Ось так упродовж десяти років двом ученим — Гансу Крістіану Ерстеду і Майклу Фарадею — вдалося розкрити таємниці магнітних та електричних явищ і започаткувати нову еру в історії людства. На честь Ерстеда в 1939 році було названо одиницю напруженості магнітного поля — ерстед у системі СГС, а на честь Фарадея із 1961-го названо одиницю електричної ємності — фарада у системі СІ.
КОРОТКІ БІОГРАФІЧНІ ВІДОМОСТІ
Ганс Крістіан Ерстед народився 14 серпня 1777 року в містечку Рюдкобінг на датському острові Лангеланд у сім’ї бідного аптекаря. Початкову освіту отримував де доведеться: міський перукар навчав німецької мови, його дружина — датської, пастор місцевої церкви — граматики, історії та літератури, землемір — азів арифметики, а заїжджий студент уперше розповів дивовижні речі про властивості мінералів і прищепив бажання розгадувати таємниці природи. Вже у дванадцять років Ганс був змушений допомагати батькові в його аптеці. Тут медицина надовго полонила його, потіснивши хімію, історію, літературу і зміцнивши впевненість у його науковому призначенні. Юнак вирішує вступати до Копенгагенського університету, але, як і раніше, вагається: що ж вибрати? Відтак береться за все — медицину, фізику, астрономію, філософію, поезію.
Ганс був щасливий в університетських стінах. Чим він тільки не займався! Золоту медаль 1797 року йому присудили за есе «Кордони поезії та прози». Наступна робота, яка також отримала високу оцінку, стосувалася властивостей лугів, а дисертація, за яку Ерстед удостоївся звання доктора філософії, була присвячена медицині. Він розпорошувався і, здавалося, наперед ставив хрест на своїй науковій кар’єрі, вважаючи за краще різнобічність професіоналізму.
У 20 років Ганс отримав диплом фармацевта, а в 22 — ступінь доктора філософії. Блискуче захистивши дисертацію, їде на стажування до Франції, Німеччини та Нідерландів. Там слухає лекції про можливості дослідження фізичних явищ за допомогою поезії, про зв’язок фізики з міфологією. Йому подобалися лекції філософів, але він ніколи не зміг би погодитися з ними у відмові від експериментального дослідження фізичних явищ. Ерстеда вразив Шеллінг, як раніше вразив Гегель, а передусім шеллінгова ідея про загальний зв’язок явищ у природі. Він побачив у ній виправдання і сенс своєї розкиданості — все, що вивчав, збігалося з цією філософією і є взаємопов’язаним та взаємозумовленим. Ідея зв’язку всього з усім повністю його захопила. Швидко знайшлася і споріднена душа, що мислить, як і він, така ж розкидана й романтична. Це був німецький фізик Ріттер, винахідник акумулятора, геніальний фантазер, генератор найнеймовірніших ідей. Він, наприклад, «вирахував» (виходячи із суто астрологічних міркувань), що епоха нових відкриттів у галузі електрики настане в 1819 або 1820 роках. І це передбачення справді збулося: у 1820-у Ерстед зробив своє відкриття, хоча Ріттеру не пощастило стати свідком цього — він помер за десять років до того.
У розквіті слави Ерстед засновує товариство для заохочення занять наукою та літературний журнал, читає просвітницькі лекції для жінок, підтримує «маленького Ганса Крістіана», свого тезку, майбутнього великого казкаря Ганса Крістіана Андерсена.
Помер 9 березня 1851 року. Похорони відбувалися вночі. Натовп із двохсот тисяч осіб, освітлюючи шлях смолоскипами, проводжав його в останню путь як національного героя. Звучали траурні мелодії, спеці-ально написані до цієї сумної дати. Вчені, урядові чиновники, члени королівської родини, дипломати, студенти, прості люди сприймали смерть Ганса Крістіана Ерстеда як особисту втрату.
Майкл Фарадей народився 22 вересня 1791-го в передмісті Лондона у сім’ї коваля. Закінчивши початкову школу, з 12 років працював рознощиком газет, а в 1804-у пішов в учні до палітурника Рібо, французького емігранта, який усіляко заохочував прагнення хлопця до самоосвіти. Читанням і відвідуванням публічних лекцій молодий Фарадей прагнув поповнити свої знання, віддаючи перевагу природничим наукам — хімії та фізиці.
У 1813-у один із замовників подарував Майклові запрошення на лекції Гемфрі Деві в Королівському інституті, які зіграли вирішальну роль у долі юнака. Звернувшись з листом до Деві, з його допомогою отримав місце лабораторного асистента в Королівському інституті.
У стінах цього інституту і займався науковою діяльністю. Спочатку допомагав Деві в хімічних експериментах, а потім почав самостійні дослідження. У 1821-у Фарадей уперше спостерігав обертання провідника зі струмом навколо магніту, створив першу модель електродвигуна. Впродовж наступного десятиліття молодий учений вивчав зв’язки між електричними і магнітними явищами. Його праця увінчалася відкриттям у 1831 році явища електромагнітної індукції. Це відкриття мало величезне наукове і практичне значення: воно лежить, наприклад, в основі роботи всіх генераторів електричного струму та електродвигунів. Прагнення з’ясувати природу електричного струму призвело Фарадея до експериментів щодо проходження струму через розчини кислот, солей і лугів. Результатом цих досліджень стало відкриття в 1833-у законів електролізу. В цьому ж році він винайшов вольтметр.
У 1840-у Фарадей тяжко захворів і зміг повернутися до активної роботи тільки через чотири роки, і то на короткий термін. Друзі почали клопотати про призначення всесвітньовідомому фізику державної пенсії. Прем’єр-міністр Великобританії спочатку поставився до цього несхвально, але під тиском громадської думки змушений був дати свою згоду.
У 1845-у вчений виявив явище обертання площини поляризації світла в магнітному полі (ефект Фарадея). У тому ж році відкрив діамагнетизм, а в 1847-у — парамагнетизм. Він увів в науку низку понять — катод, анод, іони, електроліз, електроди. Це були останні його відкриття.
Майкл Фарадей помер 25 серпня 1867-го, трохи не доживши до 76-річчя. Королева Вікторія запропонувала поховати його у Вестмінстерському абатстві, але виконали волю самого вченого: скромні похорони і простий надгробний пам’ятник у звичайному місці. Його могила — на Хайгейтському цвинтарі, на ділянці для осіб неангліканського віроспо-відання. Втім, воля королеви також була виконана: у Вестмінстерському абатстві, поруч з могилою Ньютона, встановлена пам’ятна табличка Майклу Фарадею.
Василь ВЕЛЬМОЖКО,
вчитель фізики
вищої категорії
Одеської ЗОШ №105.
ДВА ФІЗИКИ, ЩО ЗМІНИЛИ СВІТ