В 1831 году Майкл Фарадей ответил на этот вопрос. Используя тороидальную катушку провода и стержневой магнит, он продемонстрировал закон электромагнитной индукции. Фарадей показал, что можно индуцировать, или создать, ток в катушке, вставляя магнит в катушку и извлекая его обратно. И наоборот, если пропустить ток через катушку, магнит будет двигаться. Однако, чтобы произошло какое-либо из этих явлений – вырабатывался ток или производилось движение, – катушка и стержневой магнит должны были находиться перпендикулярно друг другу. На самом деле вызванный ток двигался под прямым углом в третьей плоскости, перпендикулярно и катушке, и магниту. В современной науке это называется правилом правой руки.
Фарадей понял значение наблюдения Эрстеда о том, что стрелка компаса двигалась только в том случае, когда ток включали или выключали; когда ток тек по проводу постоянно, никакого движения не было. Фарадей выдвинул гипотезу, что и магнит, и электрическая катушка были окружены электромагнитным полем (часто изображаемым как серия силовых линий) и что ток или движение производились, когда одно из этих полей изменялось. Когда ток в проводе Эрстеда включали или выключали, это приводило к возбуждению либо деактивации магнитного поля провода, и это изменение взаимодействовало с магнитным полем стрелки компаса, заставляя ее двигаться. Как мы увидим позже, понимание, что изменение магнитного поля может вызвать ток или произвести движение, было важно для работы Теслы над двигателями.
В середине XIX века ученые не смогли в полной мере осознать всех тонкостей теории Фарадея. Однако, взяв за основу модели Фарадея, исследователи и производители приборов быстро схватили суть его идей и разработали множество генераторов и двигателей. Для прикладных исследователей закон электромагнитной индукции Фарадея сводился к следующему: чтобы создать электрический генератор, нужно перемещать проводник через магнитное поле, и в нем будет индуцироваться ток. Аналогично, чтобы сделать электродвигатель, нужно использовать электрический ток для создания электромагнитного поля, которое заставит магнит или проводник двигаться{85}.
Используя открытия Фарадея об индукции, исследователи вскоре добавили генераторам и двигателям несколько новых характеристик. Во-первых, для выработки электричества они хотели использовать вращательное движение – от заводной рукоятки или парового двигателя. В то же время они искали электродвигатель, который будет использовать электрический ток, чтобы произвести вращательное движение. Во-вторых, исследователи хотели, чтобы электрические машины вырабатывали или потребляли ток, подобный тому, что получали от батареи; они хотели работать с током, который обладал бы устойчивым напряжением, то есть с постоянным током. Это восхищение постоянным током, вероятно, было порождено быстрым развитием в 1840-х и 1850-х годах телеграфных систем, которые отправиляли сигналы с помощью прерывания постоянного тока.
Чтобы обеспечить обе эти функции – вращательное движение и постоянный ток, – исследователи электричества использовали коммутатор. И в генераторах, и в двигателях есть обычно два набора электромагнитных катушек: неподвижные индукторные катушки, или статор, и вращающиеся, или ротор. Коммутатор – просто устройство, с помощью которого электрический ток течет в ротор или из него. Представленный Ипполитом Пикси
