В конечном итоге Фарадей открыл постоянно изменяющуюся силу, создающую электрический ток, и благодаря этому возникли различные устройства, гораздо более эффективные, чем батарейка Вольты. В них постоянно изменяющаяся магнитная сила возникала при простом вращении магнита. Таким образом, при поддержании вращения динамо-машины по закону Фарадея (который, как мы уже говорили, не уточнял этого) гарантировалось постоянное производство электроэнергии. Поэтому возникала новая задача, связанная с достижением максимальной эффективности динамо-машин; необходимо было разработать такую модель, в которой вращение магнита не вызывало бы затруднений. Инженеры в 1830-е годы начали использовать для этого электродвигатели: сам двигатель постоянно вращался, используя часть электричества, полученного от динамо-машины. То есть частично динамо-машина обеспечивала энергией сама себя.
Позднее были разработаны более совершенные модели, в некоторых за движение отвечали лопастные механизмы. Лопасти колес крутились при помощи падающей воды — так возникли первые гидроэлектростанции. Другой вариант предполагал использование для движения лопастей пара от кипящей воды, эта идея широко применялась и в XX веке. Источниками тепла для кипячения воды были ядерная энергия, нефть, уголь, дерево, экскременты животных.
Закон Ленца: направление индуцированного тока
Эксперименты Фарадея по электромагнитной индукции показывают, что в проводнике при перемещении и пересечении силовых линий магнитного поля будет возникать индуцированная электродвижущая сила, если речь идет о замкнутом контуре, то есть возникнет индуцированный ток. Закон Ленца гласит, что электродвижущая сила, или индукционный ток, всегда имеет направление, противоположное направлению магнитного потока, возбуждающего этот ток. Генрих Ленц (1804–1865), немецкий физик, занимавшийся исследованиями электромагнетизма в России одновременно с Фарадеем и Генри, предложил такое объяснение направлению движения индукционного тока: оно является физическим следствием принципа сохранения энергии, согласно которому энергия не исчезает, а превращается в другие виды энергии, например если автомобиль тормозит, кинетическая энергия переходит в тепло.
Индукционный ток
В электромагнитной индукции индукционный ток представляет собой работу, направленную в противоположном направлении по отношению к магнитным силам, возникающим между спиралью и магнитом, дающим необходимую энергию для поддержания индукционного тока. Таким образом, мы видим, что когда мы приближаем к индукционной катушке, скажем, северный полюс магнита, то на ближайшем к нему конце катушки возникает также северный полюс. Силы взаимодействия отталкивают магнит от катушки, это взаимодействие необходимо преодолеть для того, чтобы поддержать явление индукции. Напротив, когда мы удаляем от катушки северный полюс магнита, то на ближайшем ее конце возникает южный полюс. Таким образом, индукционный ток будет возникать только при поддержании относительного движения катушки и магнита.
Темный магнит представляет собой магнит-индуктор (реальный), белый магнит — магнит, на который индуцируется ток (воображаемый). Схема позволяет нам убедиться в том, что закон Ленца основан на принципе сохранения энергии. Что случилось бы в первом случае, например если направление индукционного тока было бы противоположным? Катушка начала бы действовать как магнит, ее южный полюс был бы направлен на северный полюс магнита-индуктора. Это вызвало бы ускорение магнита-индуктора в сторону катушки и увеличение изменения потока на единицу времени, а следовательно, рост индукционного тока, который увеличил бы силу, действующую на магнит. Таким образом, кинетическая энергия магнита и тепло, полученное вследствие эффекта Джоуля, на катушке увеличились бы без присутствия источника энергии.
Динамо-машины стали настолько мощными, что в 1865 году возникли гигантские дуговые лампы, которые использовались на большинстве маяков. Пыхтящие паровые машины, характерные для промышленной революции, постепенно заменили гораздо более тихими и эффективными электродвигателями. Эти двигатели использовались в телефоне Александра Грэхема Белла, лампочках Томаса Алвы Эдисона, радио Гульельмо Маркезе Маркони. В конце концов электричество стало достоверным показателем роста или падения внутреннего валового продукта стран мира: чем больше было производство электричества, тем более процветающей была страна, в ней становилось больше рабочих мест, продукции и потребителей.
Майкл Фарадей был свидетелем больших успехов в развитии общества, хотя самые передовые идеи ученого не были до конца признаны научным сообществом. Он видел, как Лондон постепенно становится все более освещенным, как начала исчезать постоянно висящая в воздухе дымка смога - возможно, романтическая, но при этом весьма вредная для здоровья.
Электричество и магнетизм неразрывно связаны, одно не существует без другого, поэтому возник единый термин - электромагнетизм.
Первые предпосылки для такого слияния возникли в 1785 году, когда Шарль-Огюстен Кулон подвесил намагниченные бруски и описал, как они взаимодействовали, когда он раздвигал их на разные расстояния. Сила притяжения между брусками уменьшалась пропорционально квадрату расстояния между ними. Если расстояние между магнитами удваивалось, сила притяжения уменьшалась в четыре раза. Если расстояние увеличивалось в три раза, сила притяжения уменьшалась в девять раз, и так далее. Особенно интересным в экспериментах Кулона было то, что если на нитях подвешивались электрически заряженные предметы, электричество подчинялось тем же законам, что и магнетизм. Иными словами, в этот момент наука изучала возможность сходства между этими двумя силами природы. Свои догадки Фарадей подкрепил новыми эмпирическими доказательствами.
Сын скромного кузнеца, уделом которого, казалось бы, мог быть только изнурительный труд в эпоху промышленной революции, открыл Эру электричества. Фарадей стал искрой во мраке, которая вызвала еще одну революцию, не такую очевидную в социальном плане, но имеющую то же значение: наука перестала быть занятием богатых людей и превратилась в профессию для развитых умов.
Электролиз
Благодаря батарейке Вольты химики открыли, что электрический ток протекает вдоль контура по кабелю, идущему от одного полюса батарейки к другому. При этом если кабели на концах контура присоединить к металлическим электродам, погруженным в жидкость, ток пройдет по ней и начнется химический процесс расщепления.
Возьмем в качестве примера такой жидкости воду (H2O). В результате ее расщепления у одного из электродов появится водород, а около другого — кислород. Если над электродами расположить сосуды соответствующего вида, можно будет собрать данные газы по отдельности.
Через три десятилетия после первого опыта по расщеплению воды электричеством Фарадей использовал термин «электролиз». Исследования этого явления сделали очевидной возможность обратной реализации знаменитого эксперимента Генри Кавендиша (1731–1810), осуществленного в 1784 году: он получал воду, пропуская искру через сосуд с водородом и кислородом.
Первая «электролизация» воды была осуществлена английским химиком Уильямом Николсоном (1753–1815) через некоторое время после изобретения батарейки Вольты, 20 марта 1800 года. С помощью своего коллеги Энтони Карлайла(1768–1840) Николсон создал первую в Англии копию батарейки. Для улучшения электрического соединения он погрузил электроды от батарейки в сосуд с водой, и у каждого из электродов были собраны водород и кислород. Опыты по собиранию газов у электродов стали широко распространенными. Первым, кто увидел, что объем полученного в ходе электролиза водорода вдвое превышает объем кислорода, стал Гемфри Дэви. Пропорциональное распределение — две части водорода на одну часть кислорода — заставляло думать, что в воде больше атомов водорода, чем кислорода, и что каждая частица воды состоит из трех атомов, а не двух, как предлагал Джон Дальтон (1766–1844):
«Почему не допустить, что вода принимает одинаковый объем каждого из газов? Я долго размышлял над этим вопросом и, хотя меня полностью не удовлетворяет ответ, почти убежден, что данное обстоятельство зависит от веса и количества последних частиц, составляющих разные газы».
То есть химическая комбинация состоит из взаимодействующих атомов определенного и характерного веса. Данное заключение об атомном составе было, в конце концов, сформулировано Жозефом Луи Гей-Люссаком (1778–1850).