Вільям Стёрджен і перший в світі електромагніт

Стёрджен (Sturgeon) Вільям (22.5.1783, Уайтінгтон, поблизу м Ланкастер, - 4.12.1850, Престуіч, поблизу м Манчестер), англійський винахідник в області електротехніки. Спеціальної освіти не отримав. У 1825 винайшов електромагніт, в 1830 розробив технологію виготовлення пластин з амальгованих цинку для гальванічних елементів. Сконструював гальванометр з рухливою котушкою (1836). Проводив дослідження атмосферної електрики і займався питаннями грозозахисту. У 1836 заснував перший у Великобританії електротехнічний журнал "Annals of Electricity".

Після опублікування памфлету Ерстеда багато зацікавилися проблемами електромагнетизму: в тому ж 1820 Араго продемонстрував дріт зі струмом, обліплену залізними тирсою, а Ампер довів, що спіраль з струмом - соленоїд - має всі властивості природного магніту, притягаючи дрібні залізні предмети.

Що стосується першого електромагніту, тобто котушки, обтічної струмом і містить всередині залізний сердечник, то його винаходу довелося чекати ще п'ять років. Це пристрій створив Вільям Стерджен.

Він народився в Ланкастері в 1783 р в родині шевця. Батько не приділяв сім'ї жодної уваги; він насолоджувався життям, ловив рибу і мав славу великим любителем півнячих боїв. Молодого Вільяма послали навчатися майстерності до шевця, і той, мабуть, тримав його в чорному тілі. Вільям голодував, і тому, як тільки випала нагода, втік від шевця до військової частини. Було йому тоді дев'ятнадцять років. Через два роки Вільям дослужився до артилериста, він багато читав, ставив фізичні і хімічні досліди.

Одного разу, коли їх частина стояла на острові Ньюфаундленд, налетів страшний ураган, що супроводжувався блискавками і громом. Ураган справив на Вільяма несподівано сильне враження і привернув його увагу до електрики. Він став читати книги з природознавства, проте незабаром з гіркотою зрозумів, що нічого в них не розуміє. Тоді він вирішив почати з самих азів і зайнявся листом, читанням і граматикою. Сержант тієї ж частини постачав його книгами, які Вільям, звільнившись від вахти, читав ночами. Незабаром він перейшов до математики, мертвим і новим мовам, оптиці і природознавства. Його пристрастю у вільний час було ремонтувати годинники і креслити.

Після звільнення від військової служби в 1820 р Стерджен купив токарний верстат і присвятив себе виготовлення фізичних приладів, зокрема електричних. Завдяки підтримці відомого тоді хіміка Джеймса Марша він був призначений лектором в Військову академію Ост-Індської компанії в Аддіскомбе, де і викладав до 1838 р

Першим внеском Стерджен в науку стала розробка їм модифікованої моделі обертових циліндрів Ампера, описаної в «Філософському журналі» в 1823 р На наступний рік він написав чотири статті з термоелектрики, а 23 травня 1825 р представив Товариству мистецтв кілька удосконалених приладів для електромагнітних експериментів, серед яких був став тепер знаменитим перший електромагніт. Ідея циліндричного і подковообразного магнітів захопила його ще в 1823 р Тоді Стерджен і побудував обертається «колесо Стерджен» - фактично одну з перших модифікацій електромотора.

Стерджен зробив ряд дуже важливих відкриттів, про які написав кілька статей, однак «Філософський журнал», для якого вони призначалися, відмовився їх друкувати, і Стерджену не залишалося нічого, як створити свій власний журнал - «Аннали електрики».

Музей науки в Манчестері, директором якого став Стерджен в 1840 р, був занадто науковим, щоб бути прибутковим, і Стерджен жив в бідності. У 1850 р винахідник електромагніту помер, так і не отримавши в нагороду за своє велике винахід ні багатства, ні слави.

Учень Стерджен, знаменитий англійський фізик Джеймс Прескотт Джоуль, писав, що Стерджен був високого зросту і добре складний, мав благородної зовнішністю і приємними манерами. На жаль, портрета його не збереглося. На його могильній плиті викарбувано: «Тут лежить винахідник електромагніту ...»

Пристрій першого електромагніта

Перший в світі електромагніт, продемонстрований Стердженом 23 травня 1825 р Суспільству мистецтв, був зігнутий в підкову лакований залізний стрижень довжиною 30 і діаметром 1,3 см, покритий зверху одним шаром ізольованого мідного дроту. Електроенергією він забезпечувався від гальванічної батареї (вольтова стовпа). Електромагніт утримував у висячому положенні 3600 г і значно перевершував за силою природні магніти такої ж маси. Це була блискуча на ті часи досягнення.

Сам Стерджен особливо високо оцінював свою ідею, пов'язану із заміною жорсткого заліза м'яким. Вчений вільно оперував такими поняттями, як «магнетизм», «магнітна енергія», «однорідність магнітного матеріалу», «отжиг заліза» і т.д.

Правління товариства оцінило заслуги Стерджен. Він отримав медаль та грошову премію, а перший електромагніт був виставлений в музеї суспільства.

Джоуль, експериментуючи з найпершим магнітом Стерджен, зумів довести його підйомну силу до 20 кг. Це було в тому ж 1825 р

У 1828 р лондонський годинниковий майстер Воткінс виготовив електромагніт, який піднімав 30 кг.

Тоді ж професор Молл з Утрехта, взявши за основу конструкцію Воткінс, виготовив магніт, «піднімав ковадло масою 60 кг і не піднімав ковадло масою 80 кг».

У 1832 р Стерджен виготовив магніт, який порушував 160 кг, але вже в тому ж році Марш створив магніт, здатний підняти більше 200 кг. Однак Стерджен не збирався втрачати першості. На його замовлення в 1840 р був виконаний електромагніт, здатний підняти вже 550 кг!

На той час у Стерджен знайшовся дуже сильний суперник за океаном. У квітні 1831 р професор Єльського університету Джозеф Генрі (його ім'ям названа одиниця індуктивності) побудував електромагніт масою близько 300 кг, що піднімав близько 1 т.

Всі ці магніти по конструкції представляли собою підковоподібні стрижні, обмотані дротом. Джоуль в листопаді 1840 року створив магніт власної конструкції, у вигляді товстої сталевої труби, розрізаної уздовж осі. Перетин цього магніту було дуже великим, магніт виявився компактним і піднімав 1,3 т. В той же час Джоуль побудував магніт абсолютно нової конструкції - притягує вантаж відчував дію не двох полюсів, як зазвичай, а значно більшої кількості, що дозволило різко збільшити вантаж, що піднімається . Магніт масою 5,5 кг утримував вантаж масою 1,2 т.

Перші магніти були зроблені «як бог на душу покладе». Однак не будь-яка форма давала хороший результат. Випадково вийшло так, що Стерджен для свого першого магніту вибрав дуже вдалу - подковообразную - форму (підковоподібні магніти виготовляють досі). Відсутність досвіду і елементарної методики розрахунку магнітів привело до того, що деякі різновиди магнітів, запропоновані в той час, були б, на наш погляд, просто абсурдними. Так, Трьохлапий магніт не міг би успішно працювати, так як магнітні потоки кожного стержня протидіяли б один одному - потік одного стержня замикали на другому стрижні, де він діяв назустріч потоку цього стрижня.

Непридатною, на сучасний погляд, виявляється і дуже часто використовувалася конструкція, один магніт в якій складено з трьох дрібніших і намотаних окремо. Ясно, що в проміжках між цими маленькими магнітами магнітні поля двох сусідніх стрижнів взаємно знищуються.

Лабораторні магніти того періоду виготовлялися «на око». Ніякої теорії, яка дозволила б заздалегідь передбачити властивості магнітів, не існувало. Перший внесок в теорію розрахунку електромагнітів внесли російські вчені Е.X. Ленц і Б.С. Якобі, вказали на зв'язок підйомної сили електромагніта і твір сили струму в котушках на число витків обмотки.

Після Ленца і Якобі великий внесок в теорію розрахунку магнітів внесли англійці брати Гопкинсон, які запропонували метод обліку насичення - явища, давно поміченого проектувальниками магнітів і полягає в тому, що в магніті заданої форми після деякої межі збільшенням струму в котушках не можна підвищити його підйомну силу. Сучасна теорія пов'язує це явище з тим, що при досягненні деякого намагнічує струму елементарні магнітики (диполі) заліза (феромагнетика), раніше розташовані безладно, в основному орієнтовані в одному напрямку і при подальшому посиленні намагнічує струму істотного збільшення числа магнітиків, орієнтованих в одному напрямку, не відбувається. Насичення стали призвело до того, що індукція магнітного поля перших магнітів не перевищувала 2 Тл.

Настала нова ера посилення потужності магнітів, але не шляхом збільшення їх розмірів, а за допомогою вдосконалення їх форми і боротьби з насиченням. Не можна сказати, щоб ця боротьба була дуже успішною. За сто років цій напруженій війни фізиків з непокірною «насичують» сталлю індукція магнітного поля в магнітах зросла всього лише в два з половиною рази. Над цією проблемою працювали багато відомих фізики і електротехніки.