Если сегодня я скажу вам, что электрический ток в общем смысле не течёт по проводам, то вас это вряд ли сильно удивит. Ну конечно, ведь по сути нас интересует поведение электрического поля вокруг проводника. И это уже что-то типа азбуки, хотя воспринимается часто тяжело.
Но мало кто знает, что легендарная концепция, которую сегодня так любят школьные учителя физики про "электрический ток - это вода внутри провода" в буквальном смысле пошла ко дну. Она затонула вместе с первой версией интернета на дне океана между Лондоном и Америкой, а сломал всё Уайтхаус, потому что упрямо повышал напряжение и не хотел проанализировать реальную физику.
Как это было?
Первый телеграфный кабель
В середине XIX века телеграф уже работал по всей Европе и Америке. Сообщение из Лондона в Париж доходило за минуты, но связь между Европой и Америкой по-прежнему зависела от кораблей. Возникла грандиозная и гениальная на тот момент идея - нужно проложить телеграфный кабель по дну океана.
Многие инженеры считали, что это будет просто очень длинный провод и ничего невероятного тут не получится. Нужно лишь изготовить достаточно прочный кабель и уложить его на дно. И всё.
Но когда начали испытывать длинные подводные линии, сигналы стали вести себя необычно. На коротких проводах телеграфные импульсы были чёткими. Однако, чем длиннее становился кабель, тем сильнее сигнал расплывался. Точка азбуки Морзе превращалась в размазанную вспышку тока. Соседние сигналы начинали накладываться друг на друга.
Проблема, которая не вписывается
Инженеры не понимали в чём дело. Электричество движется почти мгновенно, а сигнал почему-то «растягивается» на секунды.
Стоит тут сразу сказать, что для физики того времени было удобно думать о проводе как о трубке, по которой течёт некая электрическая жидкость. Эта аналогия сохранилась и сегодня. И часто она действительно хорошо работает, а часто ставит в окончательный тупик.
И тут появляется Фарадей. Он говорит, что подводный кабель вместе с окружающей водой образует гигантский конденсатор. Каждый метр кабеля постоянно заряжает и разряжает окружающее пространство.
Сами же электрические силы существуют не только внутри проводов. Вокруг заряженных объектов есть электрическое поле, заполняющее пространство. Для многих физиков того времени это звучало почти как сказка про Гарри Поттера.
Мысли Фарадея и Кельвин
Но логика Фарадея, в общем-то, неплохо вписывалась в наблюдаемую картинку. Представьте медную жилу в центре. Снаружи её окружает изоляция. За изоляцией находится морская вода. Получается почти идеальная конструкция конденсатора. Когда оператор посылает импульс, энергия уходит не только на передачу сигнала вперёд. Часть энергии непрерывно тратится на зарядку электрического поля вокруг кабеля. В результате сигнал начинает запаздывать и размазываться. Сегодня это кажется очевидным, но тогда это было совершенно новое понимание природы электричества.
Идеи Фарадея подхватил молодой физик будущий лорд Кельвин. Он создал математическую теорию распространения сигналов в длинных кабелях.
Его расчёты показали неприятную вещь. Чем длиннее кабель, тем сильнее будет искажение сигнала. Это не дефект изготовления. Это фундаментальное свойство самой линии связи. Многие инженеры в это не поверили. Не поверил и главный инженер проекта с подводной линией.
Если не лезет, то надо пихать
Главным инженером проекта был Уайтхаус. По его мнению, если сигнал был просто слишком слабый, нужно увеличить напряжение и всё заведётся. Идея выглядела очень логичной. Слабый сигнал? Подай больше энергии. Уайтхаус начал использовать напряжения в тысячи вольт. Но это не прошло бесследно. Неправильное понимание физики процесса не могло не ударить по этой идее.
В 1858 году первый трансатлантический кабель наконец заработал. Газеты конечно же объявили это величайшим технологическим достижением человечества. Но почти сразу начались проблемы. Сигнал становился всё слабее.
Для компенсации Уайтхаус делал только одно. Тоже самое, что один раз уже ему помогло. Он ещё сильнее повышал напряжение. В результате изоляция кабеля начала разрушаться. Через несколько недель линия практически перестала работать. Проект стоимостью миллионы долларов провалился. Кельвин с моделью системы оказался прав.
Расследование показало, что проблема была не в недостатке напряжения. Проблема была в неправильном понимании физики кабеля. Кельвин настаивал на использовании более качественного кабеля. Нужно уменьшать сопротивление линии, применять чувствительные приёмники и учитывать влияние электрического поля вокруг кабеля. Но и при этом линия работала откровенно плохо.
Кельвин правильно понял, что длинный кабель ведёт себя не как простой провод. Он учёл сопротивление и ёмкость кабеля и объяснил размазывание сигналов. Но и его модель была неполной.
Вы вряд ли помните это имя
И тут на сцену выходит Оливер Хевисайд. Тот человек, который фактически решил всю эту проблему окончательно, но чьё имя вы вряд ли слышали. Хевисайд заметил, что все говорят про ёмкость кабеля, но почти никто не обращает внимания на магнитное поле вокруг него.
Когда ток течёт по проводу, вокруг неизбежно возникает магнитное поле. Это поле запасает энергию. Сегодня мы называем это индуктивностью.
Именно Хевисайд понял, что сигнал распространяется не просто за счёт движения зарядов внутри меди. Он распространяется как электромагнитный процесс, связанный с полями вокруг линии. Фактически именно он начал рассматривать кабель как среду для распространения волны.
Я многократно рассказывал на канале про это интересное явление. Ведь фактически сам провод никак не связан с движением электрического тока. Ссылки на статью и видео по теме приведу в конце статьи. И осознал это Хевисайд.
В то время инженеры считали индуктивность вредной. Хевисайд заявил противоположное. Добавьте индуктивность и сигнал станет лучше. Для современников это звучало безумием. Но его расчёты показали, что правильно подобранная индуктивность может компенсировать размазывание сигнала из-за ёмкости линии. Так появилась знаменитое "условие Хевисайда" для передачи сигнала без искажений. Позже именно на этой идее появились нагрузочные катушки в телефонных линиях, что резко увеличило дальность связи.
Хевисайд не просто решил проблему кабелей. Он переписал громоздкие уравнения Максвелла в почти современном виде и ввёл многие используемые сегодня понятия (индуктивность, импеданс, реактивность). Разработал формализм телеграфных уравнений и предсказал существование ионосферы ещё до её открытия.
И я не могу тут не отметить, что Хевисайд был самоучкой. В 16 лет он бросил школу из-за бедности и проблем со слухом. Потом работал обычным телеграфистом. Потом практически затворником жил у родителей и самостоятельно изучал математику и физику. Но именно он стал одним из самых глубоких знатоков теории электромагнетизма после Максвелла.
Электрический ток и его новое понимание
Самое удивительное в том, что инженеры хотели всего лишь передавать телеграммы через океан. Но в итоге проблема заставила физиков признать нечто гораздо более глубокое. Оказалось, что электричество нельзя полностью описать как движение чего-то внутри провода. Ключевую роль играет невидимое поле вокруг проводника.
Можно даже сказать каламбуром. Первый трансатлантический кабель провалился потому, что инженеры пытались передавать сигналы по проводу. А успешным он стал только тогда, когда физики поняли, что настоящая история происходит не внутри провода, а в пространстве вокруг него.
Для тех, кто следит за моими материалами в рубрике "Никто не знает, что такое электрический ток" эти знания будут очень полезны.
Видео по теме тут
Подпишитесь на Telegram-канал проекта ! Там много авторских материалов от меня ;)
Не забывайте ставить лайки статье и подписываться! Это очень важно для развития проекта, а вы будете видеть ещё больше интересных статей в ленте! На канале есть премиум, где много интересного.