Коли Фарадей вперше опублікував своє чудове відкриття про те, що зміна магнітного потоку створює е. р. с, його запитали (як запитують, утім, кожного, хто відкриває якісь нові явища): «Яка від цього користь?» Адже все, що він виявив, було дуже дивним — у проводі виникав крихітний струм, коли він рухав провід біля магніта. Яка ж може бути від цього «користь»? Фарадей відповів: «Яка може бути користь від новонародженого?»
А тепер згадайте про ті величезні практичні застосування, до яких привело його відкриття. Усе, що ми описували,— аж ніяк не іграшки; це приклади, вибрані здебільшого так, щоб представити принцип тієї чи іншої практичної машини. Наприклад, кільце, що обертається, в полі, що обертається, — індукційний двигун. Існує, звісно, певна різниця між кільцем і практично використовуваним індукційним двигуном. У кільця момент дуже малий; простягніть руку, і ви можете зупинити його. У хорошому двигуні деталі мають бути краще підігнані: магнітне поле не повинно так щедро «розтрачуватися» в повітрі. По-перше, за допомогою заліза поле концентрується. Ми не говорили про те, як це робить залізо, але воно здатне збільшити магнітне поле в десятки і тисячі разів порівняно з полем однієї мідної котушки. По-друге, зазори між частинами заліза робляться невеликими; з цією метою залізо навіть вбудовується всередину кільця, що обертається. Одне слово, все спрямовано на те, щоб отримати найбільші сили й максимальну ефективність, тобто перетворити електричну потужність на механічну, і таке «кільце» вже не можна буде втримати рукою.
Завдання зменшення зазорів і встановлення найпрактичнішого режиму роботи є справою інженерної науки. Вона вимагає серйозного вивчення проблем конструювання, хоча жодних нових принципів отримання сили не існує. Але від основних принципів до практичного й економічного проектування — довгий шлях. І саме ретельна інженерно-конструкторська робота зробила можливою таку грандіозну річ, як гідростанція Боулдер-Дам і все, що з нею пов'язано.
Що таке Боулдер-Дам? Величезна річка, перегороджена бетонною стіною. Але що це за стіна! Вигнута у вигляді ідеально плавної кривої, ретельно розрахована так, щоб якомога менше бетону стримувало натиск річки. Стіна потовщується донизу, утворюючи чудову форму, якою милуються художники, але яку здатні оцінити тільки інженери, бо вони розуміють, наскільки це добре. Вони знають, що потовщення визначається тим, як зростає тиск води на глибині. Але ми відхилилися від електрики.
Потім вода річки забирається у величезну трубу. Уже сама по собі це чудова інженерна споруда. По трубі вода передається до «водяного колеса» — величезної турбіни — і змушує колесо обертатися. (Ще одне досягнення техніки.) Але навіщо крутять колеса? Вони приєднані до неймовірно заплутаної мішанини із заліза й міді (там усе перекручено й переплетено). Уся споруда складається з двох частин — одна крутиться, а інша — стоїть. Уся ця складна споруда зроблена з небагатьох матеріалів, головним чином із заліза й міді, а також із паперу й шелаку, що слугують ізоляцією. Чудовисько, що обертається. Генератор. Звідкись із цього місива заліза й міді вилазить кілька мідних кінців. Гребля, турбіна, залізо, мідь — усе зібрано разом для того, щоб на цих мідних смужках з'явилося щось особливе — е. р. с. Потім мідні смуги проходять невеликий шлях і закручуються кілька разів навколо іншого шматка заліза, утворюючи трансформатор; на цьому їхня робота закінчується.
Але навколо цього ж шматка заліза обвивається ще один мідний кабель, який не з'єднується безпосередньо зі смугами, що прийшли від генератора; він проходить поблизу від смуг і забирає їхню е. р. с. Трансформатор перетворює енергію, яка мала порівняно низьку напругу, необхідну для ефективної роботи генератора, на дуже високу напругу, яка найкраще підходить для економічної передачі електроенергії довгими кабелями.
І все повинно бути винятково ефективним — не може бути нічого зайвого, жодних втрат. Чому? Крізь усі ці пристрої протікає вся електрична енергія, яка використовується в країні. Якщо пропаде всього один чи два відсотки енергії — подумайте, як багато це становитиме. Якщо в трансформаторі залишається тільки один відсоток енергії, то вона повинна кудись діватися. Якби вона, наприклад, виділялася у вигляді тепла — весь пристрій розплавився б.
З Боулдер-Дам виходить в усіх напрямках кілька дюжин мідних стрижнів — довгих, дуже довгих стрижнів завтовшки, мабуть, із вашу руку і завдовжки в сотні миль. Вузькі мідні дороги, що несуть енергію гігантської річки. Потім ці дороги розгалужуються... трансформаторів стає ще більше... іноді вони підходять до великих генераторів, що переводять струм в інші форми... іноді до машин, які виконують важливі промислові роботи... до нових трансформаторів... Потім усе нові й нові розгалуження та відгалуження... поки, нарешті, річка не розподілиться по всьому місту; вона крутить двигуни, створює тепло, світло, виготовляє прилади. Диво народження гарячого вогню з холодної води на відстані понад 600 миль — і все це завдяки особливим чином зібраним шматочкам заліза й міді. Великі двигуни для прокату сталі і крихітні двигунці для бормашини. Тисячі маленьких коліщаток, що крутяться під дією великого колеса в Боулдер-Дам. Зупиніть велике колесо, і всі інші коліщатка завмруть; вогні згаснуть.
Але цього мало. Ті самі явища, які допомагають узяти грандіозну потужність річки й розподілити її по всій окрузі, поки, зрештою, кілька крапель річки не закрутять бормашину, знову приходять на допомогу при створенні винятково тонких приладів... для визначення невловимо слабких струмів... для передачі голосів, музики й зображень... для обчислювальних машин... для автоматичних машин фантастичної точності.
Усе це можливо тому, що ретельно продумано пристрій із міді та заліза — ефективно створені магнітні поля... залізні блоки діаметром 2 метри, що обертаються із зазором 2 міліметри... правильно розраховані пропорції міді, щоб отримати оптимальну ефективність... вигадані дивні форми, які всі слугують своїм цілям, так само як форма греблі.
Якщо археолог майбутнього колись розкопає Боулдер-Дам, він, напевно, захопиться красою її ліній. А дослідник — громадянин якоїсь великої цивілізації Майбутнього, подивившись на генератори й трансформатори, скаже: «Зауважте, які красиві форми кожної залізної деталі. Подумайте, скільки думки вкладено в кожен шматочок міді».
Тут проявляється поєднання могутності техніки й ретельного розрахунку. У генераторі здійснюється те, що більше ніде в природі не зустрічається. Щоправда, сили індукції з'являються і в інших випадках. Безсумнівно, десь навколо Сонця і зір діють ефекти електромагнітної індукції. Можливо (хоча й не напевно), що магнітне поле Землі підтримується якимось гігантським аналогом електричного генератора, який працює на струмах, що циркулюють у надрах Землі. Але ніде немає такого поєднання рухомих частин, які могли б породжувати електричну енергію, як це робиться в генераторі,— безперервно і дуже економно.
Ви, можливо, думаєте, що конструювання електричних генераторів уже не становить інтересу, що це вже мертва наука, адже всі вони давно створені. Майже досконалі генератори чи двигуни можна взяти просто з полиці. Але навіть якби це було й так, треба захоплюватися чудовою завершеністю розв'язання проблеми. Однак залишилося чимало й нерозв'язаних задач. І навіть генератори й двигуни знову стають проблемою. Можливо, що скоро для розв'язання проблеми розподілу електричної енергії знадобиться використати всю область низьких температур і надпровідників. Будуть створені нові оптимальні установки з урахуванням радикально нових факторів. Можливо, енергетичні мережі майбутнього будуть мало схожі на сьогоднішні.
Отже, ви бачите, що при вивченні законів індукції можна зайнятися незліченною множиною застосувань і проблем. Конструювання електричних машин саме по собі може стати справою всього життя. Ми не будемо надто заглиблюватися в це питання, але ми повинні усвідомити те, що відкриття закону індукції несподівано пов'язало теорію з величезною кількістю практичних застосувань. Ця область належить інженерам і тим ученим прикладної науки, які займаються детальною розробкою різних застосувань. Фізика дає їм лише основу — основні закони, що не залежать від того, до чого вони застосовуються. (Створення цієї основи ще далеко не закінчено, тому що ще належить докладно розглянути властивості заліза й міді. Трохи пізніше ми побачимо, що фізика може дещо сказати і про них.)
Сучасна електротехніка бере свій початок з відкриттів Фарадея. Марний новонароджений перетворився на чудо-богатиря і змінив обличчя Землі так, як його гордий батько не міг собі й уявити.
А тепер згадайте про ті величезні практичні застосування, до яких привело його відкриття. Усе, що ми описували,— аж ніяк не іграшки; це приклади, вибрані здебільшого так, щоб представити принцип тієї чи іншої практичної машини. Наприклад, кільце, що обертається, в полі, що обертається, — індукційний двигун. Існує, звісно, певна різниця між кільцем і практично використовуваним індукційним двигуном. У кільця момент дуже малий; простягніть руку, і ви можете зупинити його. У хорошому двигуні деталі мають бути краще підігнані: магнітне поле не повинно так щедро «розтрачуватися» в повітрі. По-перше, за допомогою заліза поле концентрується. Ми не говорили про те, як це робить залізо, але воно здатне збільшити магнітне поле в десятки і тисячі разів порівняно з полем однієї мідної котушки. По-друге, зазори між частинами заліза робляться невеликими; з цією метою залізо навіть вбудовується всередину кільця, що обертається. Одне слово, все спрямовано на те, щоб отримати найбільші сили й максимальну ефективність, тобто перетворити електричну потужність на механічну, і таке «кільце» вже не можна буде втримати рукою.
Завдання зменшення зазорів і встановлення найпрактичнішого режиму роботи є справою інженерної науки. Вона вимагає серйозного вивчення проблем конструювання, хоча жодних нових принципів отримання сили не існує. Але від основних принципів до практичного й економічного проектування — довгий шлях. І саме ретельна інженерно-конструкторська робота зробила можливою таку грандіозну річ, як гідростанція Боулдер-Дам і все, що з нею пов'язано.
Що таке Боулдер-Дам? Величезна річка, перегороджена бетонною стіною. Але що це за стіна! Вигнута у вигляді ідеально плавної кривої, ретельно розрахована так, щоб якомога менше бетону стримувало натиск річки. Стіна потовщується донизу, утворюючи чудову форму, якою милуються художники, але яку здатні оцінити тільки інженери, бо вони розуміють, наскільки це добре. Вони знають, що потовщення визначається тим, як зростає тиск води на глибині. Але ми відхилилися від електрики.
Потім вода річки забирається у величезну трубу. Уже сама по собі це чудова інженерна споруда. По трубі вода передається до «водяного колеса» — величезної турбіни — і змушує колесо обертатися. (Ще одне досягнення техніки.) Але навіщо крутять колеса? Вони приєднані до неймовірно заплутаної мішанини із заліза й міді (там усе перекручено й переплетено). Уся споруда складається з двох частин — одна крутиться, а інша — стоїть. Уся ця складна споруда зроблена з небагатьох матеріалів, головним чином із заліза й міді, а також із паперу й шелаку, що слугують ізоляцією. Чудовисько, що обертається. Генератор. Звідкись із цього місива заліза й міді вилазить кілька мідних кінців. Гребля, турбіна, залізо, мідь — усе зібрано разом для того, щоб на цих мідних смужках з'явилося щось особливе — е. р. с. Потім мідні смуги проходять невеликий шлях і закручуються кілька разів навколо іншого шматка заліза, утворюючи трансформатор; на цьому їхня робота закінчується.
Але навколо цього ж шматка заліза обвивається ще один мідний кабель, який не з'єднується безпосередньо зі смугами, що прийшли від генератора; він проходить поблизу від смуг і забирає їхню е. р. с. Трансформатор перетворює енергію, яка мала порівняно низьку напругу, необхідну для ефективної роботи генератора, на дуже високу напругу, яка найкраще підходить для економічної передачі електроенергії довгими кабелями.
І все повинно бути винятково ефективним — не може бути нічого зайвого, жодних втрат. Чому? Крізь усі ці пристрої протікає вся електрична енергія, яка використовується в країні. Якщо пропаде всього один чи два відсотки енергії — подумайте, як багато це становитиме. Якщо в трансформаторі залишається тільки один відсоток енергії, то вона повинна кудись діватися. Якби вона, наприклад, виділялася у вигляді тепла — весь пристрій розплавився б.
З Боулдер-Дам виходить в усіх напрямках кілька дюжин мідних стрижнів — довгих, дуже довгих стрижнів завтовшки, мабуть, із вашу руку і завдовжки в сотні миль. Вузькі мідні дороги, що несуть енергію гігантської річки. Потім ці дороги розгалужуються... трансформаторів стає ще більше... іноді вони підходять до великих генераторів, що переводять струм в інші форми... іноді до машин, які виконують важливі промислові роботи... до нових трансформаторів... Потім усе нові й нові розгалуження та відгалуження... поки, нарешті, річка не розподілиться по всьому місту; вона крутить двигуни, створює тепло, світло, виготовляє прилади. Диво народження гарячого вогню з холодної води на відстані понад 600 миль — і все це завдяки особливим чином зібраним шматочкам заліза й міді. Великі двигуни для прокату сталі і крихітні двигунці для бормашини. Тисячі маленьких коліщаток, що крутяться під дією великого колеса в Боулдер-Дам. Зупиніть велике колесо, і всі інші коліщатка завмруть; вогні згаснуть.
Але цього мало. Ті самі явища, які допомагають узяти грандіозну потужність річки й розподілити її по всій окрузі, поки, зрештою, кілька крапель річки не закрутять бормашину, знову приходять на допомогу при створенні винятково тонких приладів... для визначення невловимо слабких струмів... для передачі голосів, музики й зображень... для обчислювальних машин... для автоматичних машин фантастичної точності.
Усе це можливо тому, що ретельно продумано пристрій із міді та заліза — ефективно створені магнітні поля... залізні блоки діаметром 2 метри, що обертаються із зазором 2 міліметри... правильно розраховані пропорції міді, щоб отримати оптимальну ефективність... вигадані дивні форми, які всі слугують своїм цілям, так само як форма греблі.
Якщо археолог майбутнього колись розкопає Боулдер-Дам, він, напевно, захопиться красою її ліній. А дослідник — громадянин якоїсь великої цивілізації Майбутнього, подивившись на генератори й трансформатори, скаже: «Зауважте, які красиві форми кожної залізної деталі. Подумайте, скільки думки вкладено в кожен шматочок міді».
Тут проявляється поєднання могутності техніки й ретельного розрахунку. У генераторі здійснюється те, що більше ніде в природі не зустрічається. Щоправда, сили індукції з'являються і в інших випадках. Безсумнівно, десь навколо Сонця і зір діють ефекти електромагнітної індукції. Можливо (хоча й не напевно), що магнітне поле Землі підтримується якимось гігантським аналогом електричного генератора, який працює на струмах, що циркулюють у надрах Землі. Але ніде немає такого поєднання рухомих частин, які могли б породжувати електричну енергію, як це робиться в генераторі,— безперервно і дуже економно.
Ви, можливо, думаєте, що конструювання електричних генераторів уже не становить інтересу, що це вже мертва наука, адже всі вони давно створені. Майже досконалі генератори чи двигуни можна взяти просто з полиці. Але навіть якби це було й так, треба захоплюватися чудовою завершеністю розв'язання проблеми. Однак залишилося чимало й нерозв'язаних задач. І навіть генератори й двигуни знову стають проблемою. Можливо, що скоро для розв'язання проблеми розподілу електричної енергії знадобиться використати всю область низьких температур і надпровідників. Будуть створені нові оптимальні установки з урахуванням радикально нових факторів. Можливо, енергетичні мережі майбутнього будуть мало схожі на сьогоднішні.
Отже, ви бачите, що при вивченні законів індукції можна зайнятися незліченною множиною застосувань і проблем. Конструювання електричних машин саме по собі може стати справою всього життя. Ми не будемо надто заглиблюватися в це питання, але ми повинні усвідомити те, що відкриття закону індукції несподівано пов'язало теорію з величезною кількістю практичних застосувань. Ця область належить інженерам і тим ученим прикладної науки, які займаються детальною розробкою різних застосувань. Фізика дає їм лише основу — основні закони, що не залежать від того, до чого вони застосовуються. (Створення цієї основи ще далеко не закінчено, тому що ще належить докладно розглянути властивості заліза й міді. Трохи пізніше ми побачимо, що фізика може дещо сказати і про них.)
Сучасна електротехніка бере свій початок з відкриттів Фарадея. Марний новонароджений перетворився на чудо-богатиря і змінив обличчя Землі так, як його гордий батько не міг собі й уявити.