Уильям Стёрджен и первый электромагнит

На заседании Британского Общества искусств 23 мая 1825 года некий Уильям Стёрджен, эсквайр, лет сорока с лишним, демонстрировал свои электромагнитные эксперименты.

Эрстед в 1820 г. экспериментально показал магнитный эффект электрического тока, а академик Ампер заявил о единстве электрических и магнитных процессов и рождении новой науки — электродинамики (читайте об этом в декабрьском номере нашей газеты). Интересоваться электромагнетизмом стали и в лабораториях, и в светских салонах. Ампер, например, демонстрировал соленоид — спираль с током, обладающую свойствами природного магнита.

И вот эсквайр Стёрджен извлёк на обозрение согнутый подковой железный стержень длиной 30 и диаметром 1,3 см, обмотанный медной проволокой, и подключил его к гальванической батарее. Эта подкова весом 200 г удерживала на своих концах стальную полосу с гирями — всего 3,6 кг — невиданная для природных магнитов, впятеро больше — сила!

Родился Уильям Стёрджен в 1783 г. в Ланкастере, в семье сапожника. Не сильно грамотный папаша интересовался больше всё рыбалкой да петушиными боями, не задумываясь об образовании отпрыска, которому уготовил судьбу такого же недалёкого ремесленника. Отпрыск же, до 19 лет прозябавший в подмастерьях, в один прекрасный день из дома удрал — и поступил в армию.

Стёрджену повезло. Служил он в артиллерии, требовавшей кой-каких научных познаний, а сержант-командир оказался хорошим наставником, снабжал солдата книжками. Уильям не только выучился чинить часы и чертить, но и ставил простенькие опыты по химии и физике — в суть которых, впрочем, вникал с трудом. И решил учиться — начиная с азов чтения, письма и грамматики, которые «на гражданке» ему были недоступны — самостоятельно, в свободное от вахты время. И вскоре занялся уже математикой, латынью, естествознанием.

Лет через пятнадцать Уильям Стёрджен стал образованным человеком, отличным механиком, умелым экспериментатором. Выйдя в 1820 г. в отставку, купил токарный станок, инструменты и принялся за изготовление приборов для любителей научных развлечений. Приобрёл определенный успех, вместе с успехом — заказы, вместе с заказами — полезные знакомства, и всё это вместе позволило заполучить место лектора в Военной академии Ост-Индской компании.

Первым вкладом Стёрджена в науку стала в 1823 г. модификация вращающегося в магнитном поле цилиндра Ампера — колесо Стёрджена, фактически одна из первых разработок электромотора. А на следующий год он написал четыре статьи для Философского журнала — по термоэлектричеству.

И вот его первое публичное выступление в Лондоне в мае 1825 г. — с электромагнитом. Тут выяснилось: эсквайр, он же учёный и изобретатель — солдат-самоучка! О нём и его электрическом магните заговорили физики, в доме появились первые ученики — среди них Джеймс Джоуль, сын богатого пивовара, тоже не питавший склонности к профессии отца. В будущем он сформулирует закон сохранения энергии.

Однако, что, собственно, Стёрджен изобрел? Однорядная катушка с током — это просто соленоид Ампера. То, что сердечник из мягкого железа увеличивает силу соленоида — тоже не новость. Но, во первых, ему первому пришла мысль согнуть железку подковой, а во вторых — объединение двух известных явлений — суть новое качество.

Изобретатели стали искать, как увеличивать силу электромагнитов — опытным путем, поскольку правил для расчётов и конструирования ещё не было. Джоуль в 1825 г. довёл её до 20 кг, лондонский часовщик Воткинс в 1828 г. — до 30, профессор Молл из Утрехта — до 60. Сам Стёрджен 1832 г. изготовил электромагнит, поднимавший 160 кг, затем 550, а в Америке установка профессора Йельского университета Джозефа Генри — около 1 тонны.

В 1840 г. Джоуль в ноябре 1840 г. разработал собственную конструкцию — в виде стальной трубы, разрезанной вдоль оси — сечение электромагнита было очень большим, но при этом он оказался компактным и поднимал 1,3 т. Затем Джоуль предложил не двухполюсный, а многополюсный электромагнит, ещё более сильный.

Но некоторые конструкции того времени, на современный взгляд, просто абсурдны — например, трехлапая, в которой магнитные потоки каждого стержня противодействовали друг другу.

Отсутствие опыта и методик расчета магнитов не позволяло планировать их свойства. Первый вклад в их теорию внесли русские ученые Э. X. Ленц и Б. С. Якоби — указавшие на зависимость подъёмной силы от величины тока в катушках и числа витков обмотки. Затем англичане Гопкинсоны предложили методы учёта насыщения — это когда после некоторого предела уже нельзя добиться результата, увеличивая размеры и ток. Но это было потом.

А тогда — электромагниты сразу стали использовать практически: на мельницах для очистки зерна, на рудниках для разделения полезной и пустой породы. На сталелитейных заводах электромагнитные подъёмные краны вызвали увольнение рабочих, занятых раньше переноской железа. Правда, в то же время появились Магнитные Биллы — люди с батареями за спиной и с электромагнитами в руках — они очищали улицы и помещения от железного мусора.

Военные задумали создать сверхсильный электромагнит, чтобы отклонять вражеские снаряды от траектории: соединили в форме буквы П рельсами стволы двух старых осадных орудий по пять метров в длину и не меньше полуметра в диаметре, и намотали обмотки из многих миль торпедного кабеля. Чтобы «ловить» снаряды противника, его силы всё же не хватило. Зато далеко в море корабельные компасы теряли ориентацию — тогда кабелем обмотали целый броненосец, получился плавающий электромагнит — но враги придумали элементарную защиту компасов — экран.

Уильям Стёржен, между тем, разработал технологию изготовления пластин из амальгамированного цинка для гальванических элементов (1830), сконструировал гальванометр с подвижной катушкой (1836), исследовал атмосферное электричество и занимался вопросами грозозащиты.

Статьи о своих работах он отдавал в Философский журнал, который вдруг перестал их печатать — пришлось создать свой собственный, первый в Великобритании специализированный — Анналы электричества Стёрджена.

Однако, слава, деньги и почести не спешили сыпаться на него. Правда, когда ему было уже за шестьдесят, ему предложили ему пост директора музея в Манчестере — почетный, но не прибыльный. Десять лет спустя, в 1850 г. Уильям Стёрджен умер, так и не дождавшись ни признания, ни достатка.

Но на его могиле начертано: Здесь лежит изобретатель электромагнита.