Опыты Фарадея (электромагнитная индукция). Физик Фарадей: биография, открытия
Труды и воззрения Фарадея. Открытия Фарадея органически связаны с его воззрениями. Их история - это также история развития его глубоких и цельных идей. Мы начинаем эту историю с фундаментального открытия электромагнитной индукции.
Уже в 1821 г. в дневнике Фарадея появляется запись: «Превратить магнетизм в электричество». Мысль о тесной двусторонней связи электричества и магнетизма казалась ему совершенно очевидной, но конкретное воплощение идеи потребовало десяти лет напряжённого труда. Только 29 августа 1831 г. Фарадею удалось получить первый эффект: индукционный ток во вторичной обмотке при замыкании и размыкании тока в первичной обмотке. Этими опытами и началась первая серия его «Экспериментальных исследований» , в которой этот первый эксперимент описан следующим образом.
«10. На широкую деревянную катушку была намотана медная проволока длиной в 203 фута, и между витками её намотана проволока такой же длины, изолированная от первой хлопчатобумажной нитью. Одна из этих спиралей была соединена с гальванометром, а другая - с сильной батареей, состоявшей из 100 пар пластин; медные пластинки и здесь были двойные. При замыкании цепи удавалось заметить внезапное, но чрезвычайно слабое действие на гальванометре, и то же самое замечалось при прекращении тока. При непрерывном же прохождении тока через одну из спиралей не удавалось отметить ни действия на гальванометр, ни вообще какого-либо индукционного действия на другую спираль, несмотря на то что нагревание всей спирали, соединённой с батарей, и яркость искры, проскакивающей между углями, свидетельствовали о мощности батареи».
«12. Результаты, полученные мною в это время при опытах над магнитами, заставили меня предположить, что ток, проходящий через один провод, в действительности индуцирует такой же ток в другом проводе, но что продолжительность индуцируемого тока, однако, лишь мгновенна, и он сходен скорее с электрической волной, наблюдаемой при разряде лейденской банки, чем с гальваническим током».
Итак, первым открытием в длинной цепи явлений электромагнитной индукции было открытие индукции токов. Интересно отметить (а на это обстоятельство обычно не обращается внимания), что и самая терминология, употребляемая Фарадеем, и его аппарат указывают, что он, в отличие, от современников, был глубоко убеждён в тождестве статического и гальванического электричества. Электростатическое влияние зарядов (электростатическая индукция) было известно давно, со времён Кантона, Вильке и Эпинуса, но индукции гальванической (индукции токов) никто не наблюдал. Впервые это было сделано Фарадеем.
Но ток, по Амперу, - это магнит, а магнит - это совокупность токов. Следовательно, можно, во-первых, получить намагничивание индукционным током, во-вторых, получить индукцию магнитом. «… Поэтому я предположил, - продолжает Фарадей, - что, несмотря на незначительность его действия на гальванометр, он мог бы намагнитить стальную иглу».
«13. Это предположение оправдалось».
Но индукция в электростатике определяется сближением и удалением проводников. Конечно, Фарадей понимал, что замыкание и размыкание тока соответствуют его приближению и удалений, однако он считает необходимым получить индукцию и движением проводников. «18. Однако так как можно было предположить, что особое действие ограничивалось исключительно актами замыкания и размыкания, то для проверки индукция была вызвана также и другим способом. Провод длиной в несколько футов был расположен на одной стороне широкой доски в форме буквы W и другой провод, точно такой же формы, был положен на другой доске так, чтобы оба провода соприкасались всеми своими точками при сближении досок, если бы между ними не был проложен лист толстой бумаги. Один из этих проводов был соединён с гальванометром, другой - с вольтовой батареей. Тогда приближение первого провода ко второму вызывало отклонение стрелки, а удаление - отклонение в обратную сторону. Если приближение и удаление проводов совпадали с колебаниями стрелки, то последние вскоре становились весьма заметными; при прекращении же движения проводов относительно друг друга колебания стрелки постепенно прекращались».
Фарадей понял, какое огромное поле исследования и приложений открылось перед ним. В письме Филлипсу от 23 сентября он писал: «Я теперь опять занимаюсь электромагнетизмом и полагаю, что напал на хорошую мысль, но я ещё ничего не могу сказать… Мне кажется, что я знаю, почему металлы становятся магнитными, когда они находятся в движении (Речь идёт об эффекте, открытом Араго. Вращающийся медный диск увлекал за собой магнитную стрелку.), и почему они не магнитны (в общем), когда находятся в покое».
Прежде всего Фарадей установил, что замена деревянного кольца в его исходном опыте железным сердечником в значительной степени усиливает эффект. При размыкании и замыкании тока в первичной спирали А (рис. 208), намотанной на железный сердечник, представляющий собой кольцо с внешним диаметром 6 дюймов, выкованное из железного стержня диаметра 7/8 дм, во вторичной спирали В, соединённой с гальванометром, появлялся индукционный ток.
«28. Гальванометр мгновенно обнаруживал отклонение, причём оно было гораздо более значительное, чем в предыдущих случаях, в которых при батареях, в десять раз более мощных, применялись спирали без железа (п. 10)».
Изготовив цилиндрическую катушку (обмотка наматывалась на картонный цилиндр) с первичной и вторичной обмоткой, Фарадей наблюдал очень слабый индукционный эффект при замыкании и размыкании тока в первичной обмотке, питавшейся от сравнительно мощной батареи.
«34. При введении же внутрь картонного цилиндра другого цилиндра из мягкого железа толщиной 6 7/8 дюйма и длиной в 12 дюймов индукционный ток оказывал мощное действие на гальванометр…»
В дальнейшем этот опыт был осуществлён Фарадеем 17 октября. «39. Цилиндр из мягкого железа (п. 34) был заменён магнитом цилиндрической формы с диаметром 3/4 дюйма и длиной в 8 1/2Дюйма. Один конец этого магнита был коаксиально вдвинут в катушку. После того как стрелка гальванометра пришла в спокойное состояние, весь магнит целиком был сразу вдвинут в катушку. Стрелка гальванометра показала мгновенное отклонение… Если магнит оставался внутри катушки, то стрелка снова приходила в своё прежнее положение и при вынимании его отклонялась в противоположном направлении».
Любой преподаватель физики воспроизводит сейчас эти классические опыты с так называемой индукционной катушкой. Индукцию токов Фарадей назвал вольта-электрической индукцией, описанную же здесь индукцию магнитом - магнито-электрической индукцией. Получив большой подковообразный магнит Королевского общества, Фарадей разгадал тайну эффекта Араго и обратил явление. 28 октября он «заставил медный диск вращаться между полюсами подковообразного магнита Королевского общества. Ось и край диска были соединены с гальванометром. Стрелка отклонялась, как только диск начинал вращаться».
Таким образом, в 1821 г. Фарадей получил непрерывное вращательное движение электромагнитным путём, т. е. осуществил первый электродвигатель, а в 1831 г. им был построен новый источник электроэнергии, первая динамо-машина. Фарадей сознательно ставил задачу построения такой машины. Он прямо говорит:
«Получив электричество из магнита вышеописанным образом, я полагаю, что опыт г-на Араго может стать новым источником получения электричества, и надеялся, что путем использования электрической индукции земного магнетизма мне удастся сконструировать электрическую машину».
Современная электротехника справедливо считает своим родоначальником — Фарадея. С неменьшим правом и радиотехника датируется от опытов Фарадея. Доклад об описанных здесь опытах Фарадей сделал 24 ноября, этот доклад и составляет содержание первой серии «Экспериментальных исследований». В п. 114 этой серии содержится закон, позволяющий определить направление индукционного тока в движущемся проводнике. Здесь уже отчётливо говорится о пересечении магнитных линий. Явление и правило Фарадея, правда, выраженное очень длинно, совпадает с правилом правой руки, В следующей, второй серии Фарадей осуществил опыты индукции магнитным полем Земли и настолько проникся новым пониманием существа явления, что высказывает убеждение: «теоретически следует, повидимому, признать обязательным, что везде, где течёт вода, должны развиваться электрические токи.
Если мысленно представить себе линию, проведённую через море от Дувра в Кале, а затем обратно в земле под водой от Кале к Дувру, то эта линия охватит круг проводящей массы, часть которой пересекает магнитные кривые земли, пока вода течёт по каналу вверх и вниз, а другая часть остаётся в относительном покое. Имеется основание полагать, что по главному направлению описанной линии будут итти токи в том или другом направлении, в зависимости от того, будет ли вода по каналу течь вверх или вниз».
Поэтому с полным правом ту формулировку закона электромагнитной индукции, в которой речь идёт о возникновении индукции при пересечении проводником магнитных силовых линий, называют фарадеевской. Из первых двух серий его «Исследований» она вытекает со всей ясностью и простотой. Но, как уже отмечалось, в той же первой серии содержатся мысли, подводящие его к исследованиям, составляющим содержание третьей серии. Представим себе процесс обычной электрической индукции. Пусть мы имеем шар А, заряжаемый от электрической машины положительным электричеством. Тогда в соседнем изолированном шаре В начинается движение электричества в том же направлении, шар электризуется через индукцию так, что на ближайшем конце его будет заряд обратного знака (рис. 210).
Аналогичным образом, по Фарадею, обстоит дело и при вольта-электри-ческой индукции. Если замкнуть цепь индуцирующего контура так, чтобы ток шёл в направлении от.А к В, то в индуктируемом контуре появится ток в направлении от В к А, составляющий продолжение тока от А к В. Отсюда, говорит Фарадей, «явствует, что индукционные действия, вызываемые вольта-электричеством, до известной степени сходны с таковыми, вызываемыми электричеством напряжения» (т. е. статическим). Таким образом Фарадей полагал, что в открытом им явлении вольта-электрической индукции имеется свидетельство в пользу воззрения о единстве электрических сил. С другой стороны, он отмечал, что между электростатической индукцией и вновь открытыми им вольта-электрической и магнитно-электрической индукциями имеется и различие. Это различие проявляется в том, что новое индукционное состояние временное. Электростатический индукционный заряд сохраняется всё время, пока рядом находится влияющий заряд, новая же индукция, как неоднократно отмечает Фарадей, носит характер волны. В связи с этим Фарадей развивает мысль о новом так называемом «электротоническом» (т. е. электровозбуждённом) состоянии материи.
«Когда проволока находится под действием вольта-электрической или магнито-электрической индукции, она находится в особом состоянии, так как противодействует образованию в ней электрического тока, в то время как при обычных условиях индукции такой ток должен был бы возникнуть. При прекращении указанного особого состояния проволока обладает способностью возбуждать ток - способностью, которой она не обладает в обычном своём состоянии…»
«Это особое состояние есть, повидимому, состояние напряжения и может быть рассматриваемо, как эквивалентное току электричества, по крайней мере равное тому току, который получается, когда это состояние индуцируется или прекращается…»
«…Напряжение этого состояния, по всей вероятности, очень велико, но независимо от его величины трудно себе представить, чтобы наличие такого напряжения оказалось бы без влияния на первоначальный индуцирующий ток и не вызвало бы какого-либо рода равновесия…»
«…электротоническое состояние относится не к массе, а к частицам индуцируемой проволоки или вещества и в этом отличается от индукции, производимой статическим электричеством. Если это верно, то это состояние может приниматься жидкостями и даже непроводниками без видимого наличия электрического тока; возникновение же тока является как бы случайностью, обязанной своим существованием проводящей способности моментального характера - движущей силе, обусловленной новым расположением частиц…»
«…В электротоническом состоянии однородные частицы материи принимают правильное расположение в направлении тока, навязанное им электрическими силами. Если материя неразложима, это приводит по освобождении от электрических сил к возникновению обратного тока; в случае же разложимой материи это насильственное состояние может стать достаточным для того, чтобы заставить одну элементарную частицу оставить ту частицу, с которой она насильственно соединена, и соединиться с соседней такой же частицей, с которой она находится в более нормальных отношениях; тем самым насильственное электрическое расположение оказывается разряжённым или освобождённым от электрических сил так же эффективно, как при прекращении индукции. Но так как вольтаический ток продолжается, то электротоническое состояние моментально возобновляется и вызывает насильственное расположение составных частиц, а затем так же мгновенно разряжается благодаря переносу противоположных элементарных частиц в противоположных, но параллельных току направлениях».
Так намечается очередная программа исследований: доказательство идентичности электричеств, электропроводность и химическое разложение жидкостей током, самоиндукция, роль вещества в электромагнитных процессах. А учение об электротоническом состоянии явилось тем зерном, из которого развились взгляды Фарадея об электромагнитном поле, конкретизируемом им с помощью представления о физических трубках сил.
Работы Фарадея об идентичности электричеств, составляющие содержание третьей серии «Экспериментальных исследований», подводили его к актуальным проблемам того времени: природа тока, механизм проводимости, происхождение электрического напряжения. В этих вопросах господствовала путаница и разноголосица мнений. Так, например, считалось, что действие гальванических элементов на замыкающие их провода заключается в приведении частиц провода в особое расположение, что и обусловливает соответствующие эффекты в проводах. С этой точки зрения роль полюсов источника заключалась в том, что они являются центрами сил, действующих на частицы проводников или на электрические жидкости. Примером такого представления является теория Гротгуса (1785-1822) о механизме разложения воды. Молекула воды, по Гротгусу (рис. 212), обладает электрическими полярными свойствами: водород электроположителен, кислород электроотрицателен. Под действием полюсов молекулы располагаются таким образом, что электроотрицательный кислород повернётся к положительному полюсу, электроположительный водород - к отрицательному полюсу. Ближайший к положительному полюсу кислород притянется этим последним, молекула воды расщепится, и освободившийся водород соединится с кислородом соседней молекулы, водород этой последней соединится с кислородом следующей и т. д., водород молекулы, находившийся у отрицательного полюса, выделится на этом полюсе. После этого все молекулы поворачиваются на 180°, и процесс начинается снова. Конечно, в итоге такого процесса получается движение ионов.
Фарадей показал, что представление о создании такого расположения частиц в проводниках не соответствует опытным данным. Установив симметрично две вольтовые батареи NP и N’P’, он соединил два соседних полюса N’ и Р, оставив противоположные полюсы N и Р’ изолированными. Магнитная стрелка, помещённая над соединительным проводом N’P, не отклонялась. Но она немедленно испытывала отклонение, если соединить полюсы N и Р’. «Если предположить, - заключает Фарадей, - что действие банок (т. е. батарей) заключается лишь в том, что они возбуждают в проводах особое распределение их частиц или заключённого в них электричества, и если бы магнитное или электрическое состояние исчерпывалось этим расположением, то состояние расположения в проводе N’P до соединения Р’ и N и
после такового должно было быть одинаковым и стрелка должна была бы испытать отклонение также и в первом случае, хотя возможно и более слабое, например, лишь половину того, которое наблюдается при полном замыкании. Если же предположить, что магнитные действия зависят от тока, тогда становится ясным, что они не могли быть возбуждены до замыкания, ибо до замыкания ток отсутствовал».
Но что же такое ток?
«Под током, - говорит Фарадей, - я разумею нечто распространяющееся, будь то электрический флюид или два движущиеся в противоположных направлениях флюида, или только колебания, или, выражаясь ещё более обще, распространяющиеся силы. Под расположением я понимаю местное, не прогрессирующее распределение частиц, жидкостей или сил».
Обратим внимание, в каких общих и осторожных выражениях Фарадей определяет ток. Для него ясно одно, что ток это динамический, прогрессирующий процесс, а не статика. Но состоит ли этот процесс в движении электрической жидкости, или это процесс передачи сил в пространстве, этот вопрос он пока оставляет открытым. Впоследствии он будет высказываться в пользу второй гипотезы, для него ток - ось сил.
Что же касается существа исследования, то вывод Фарадея вполне определён: «все виды электричества, независимо от источника их получения, идентичны по своей природе». Различные формы электричества (в соответствии с различными способами его возбуждения) «по существу однородны и различаются лишь по степени и в этом отношении варьируют, в зависимости от изменяющихся условий количества и интенсивности, которые могут быть по желанию изменены почти для каждого вида электричества в той же степени, как мы это наблюдаем между различными видами». Результаты своих исследований Фарадей свел в таблицу, которая показывает, что различные проявления электрических сил могут быть получены при любом способе возбуждения этих сил. Пустые места означают, что соответствующий эффект пока не был наблюдён, но сделанное Фарадеем примечание свидетельствует о его глубокой убеждённости, что соответствующи эффект будет получен при достаточно мощных источниках. Вот эта таблица:
Итак, качественно почти все явления наблюдаются одинаково у всех видов электричества. Различие только в количественном отношении, и Фарадей желает установить количественное отношение между обыкновенным (т. е. статическим) и вольтовым электричеством. Но для этого надо было найти рациональную меру для измерения электричества. Химические и магнитные действия представляются ему наиболее подходящими для этой цели. Проделанные им опыты приводят его к выводу, что «химические, равно как и магнитные силы, прямо пропорциональны абсолютному количеству прошедшего электричества».
Так был сформулирован первый закон Фарадея для электролиза. Количественные измерения позволили Фарадею установить, что статическое электричество - это электричество высокого напряжения и малой силы, в гальваническом электричестве соотношение обратное. Так, гальванический элемент, изготовленный из платиновой и цинковой проволочек диаметром в 1/6 дюйма, опущенных в подкисленную воду (капля серной кислоты на унцию воды) на глубину 5/8 дюйма, с взаимным расстоянием 5/16 дюйма, даёт за 6 секунд такое же количество электричества, которое получается при 30 оборотах сильной электростатической машины. Для разложения одного грана (= 0,065 г) воды требуется такое же количество электричества, которое способно зарядить большую лейденскую банку 800 000 раз.
Четвёртая серия «Экспериментальных исследований» посвящена вопросу электропроводности твёрдых тел и жидкостей. Различие между проводниками первого и второго рода было известно уже Вольту. Исследования Фарадея по проводимости явились подготовительными к будущим его электрохимическим исследованиям, но они же были первым шагом в формировании его основоположного воззрения о роли среды в физических взаимодействиях. Между прочим, в своих исследованиях Фарадей пришёл к выводу, что жидкости, кроме «электролитической» проводимости, имеют и «металлическую» проводимость. Эти наблюдения Фарадея до последнего времени считались не подтвержденными. Открытие твердых полупроводников поколебало представление о резкой грани между ионной и электронной проводимостью.
Изучению электролиза посвящены пятая и седьмая серии «Экспериментальных исследований». Здесь Фарадей прежде всего показывает, что источники статического электричества, лейденская банка и электростатическая машина также могут вызывать химическое разложение, как и гальваническое электричество. На основании своих опытов он полагает, что представление о внешней причине (притяжение полюсов), вызывающей химическое разложение молекул, несостоятельно. Основным физическим моментом является среда, масса электролита. Ток является осью сил, заполняющих эту среду. «Электрическое разложение обусловливается внутренним корпускулярным притяжением в телах, действующим в направлении электрического тока, и производится силой, которая либо притекла со стороны, либо только даёт направление присущему телам химическому сродству. Разлагаемое тело можно рассматривать как массу действующих частиц, из которых все, входящие в сферу влияния тока, принимают участие в процессе…
По моему мнению, эти действия производятся внутренними силами в теле, разлагаемом током, а не внешними силами, как можно было бы думать, если бы они были сосредоточены на полюсах…»; Если вдуматься в приведенную цитату, то можно видеть, насколько глубокими и проницательными были идеи Фарадея. «Замечательно, что Faraday, открывший законы электролиза, ничего нового не высказал по вопросу о механизме этого явления»,-высказывается проф. Хвольсон в своём известном курсе физики. Но как раз замечательно другое, что Фарадей впервые высказал идею не о внешнем разложении полюсами, а о внутреннем полярном разложении частиц. Идея поляризационного смещения, идея силового поля, действующего по определённому направлению, - все это существенно новые идеи, высказанные здесь Фарадеем. Они развивались и совершенствовались, но основное их содержание не изменялось. Законы электролиза Фарадея не стоят особняком в цепи его исследований и не противоречат его основным физическим воззрениям. Учитывая роль среды в физических взаимодействиях, фарадей мыслит о её структуре, и не случайно, что из воззрений Фарадея развилась не только физика поля, но и электронная теория.
В соответствии со своими воззрениями на электролиз, как на внутренний процесс, Фарадей считает существенно необходимым изменить номенклатуру обозначений. Полюса, подводящие ток к жидкости (её Фарадей называет электролитом - электрическим раствором), являются истоками и стоками линий электрического тока, воротами электрического процесса. Их Фарадей обозначает электродами («пути электричества»). Полюс, на котором выделяется кислород (идущие вверх частицы), называется анодом, полюс, на котором выделяется водород (идущие вниз частицы), называется катодом. Сами движущиеся частицы называются соответственно анионом и катионом, вообще - ионами. Эта номенклатура не сразу завоевала признание, но в настоящее время она общеупотребительна. Заметим, что Фарадей избегает терминов положительное и отрицательное электричество.
По воззрениям Фарадея, электролитическое действие «происходит от видоизменения химического средства в частицах, вызываемого электричеством; видоизменение состоит в том, что химическое сродство действует в одну сторону сильнее, чем в другую, и этим заставляет частицу переходить через новый ряд соединений и разложений в противоположном направлении и наконец на границе разлагаемого тела её выталкивает наружу».
В результате своих исследований Фарадей нашёл первый закон электролиза и установил пропорциональность количества вещества, выделенного при прохождении единицы электричества, химическому эквиваленту вещества. Этот важный закон впервые указал на дискретность электрического заряда, т. е. явился основой электронной теории. Принято считать, что вывод из закона Фарадея о дискретности электричества был сделан впервые Гельмгольцем в его фарадеевской речи, произнесённой в 1881 г. Но на самом деле уже Максвелл в своём «Трактате по электричеству и магнетизму» говорил о молекуле электричества. Однако, кого бы ни считать первым, высказавшим идею об атоме электричества, следует признать, что эта идея возникла из открытий Фарадея.
Электрохимические исследования Фарадея заставили его подойти вплотную к сложному и запутанному вопросу о связи химических сил и электричества, о споре контактной и химической теорий вольтова столба. Этому вопросу посвящены восьмая, шестнадцатая и семнадцатая серии «Экспериментальных исследований».
Спор шёл в то время о природе источника электрического напряжения в вольтовом столбе. Сторонники контактной теории утверждали, что электрическое напряжение, разделение электричества возникает всегда при контакте разнородных веществ и представляет собой первичное явление. Наоборот, сторонники химической теории (Де-ля-Рив, Беккерель) полагали, что разделение электричества при контакте представляет собой вторичное явление, результат химической реакции соприкасающихся веществ. Они указывали, что не может быть сухого соприкосновения разнородных металлов, поверхность соприкосновения гигроскопична и в жидкой плёнке действуют химические силы. Этот спор из важного, но по существу частного вопроса о природе контактной разности потенциалов превращался в общий принципиальный вопрос о превращении физических сил, о природе химических сил. Так, например, видный химик Берцелиус утверждал, что химические силы электрической природы являются результатом электрических притяжений и отталкиваний частиц.
Фарадей не мог согласиться с такой постановкой вопроса, у него были свои взгляды на природу электрических взаимодействий, которая определялась средой. Кроме того, его твёрдое убеждение в вечности, неразру-шимости физических сил не позволяло ему мириться с существованием «Контактная теория принимает, что сила, способная преодолеть столь большие сопротивления, как, например, сопротивление хороших и дурных проводников прохождению через них тока, и сопротивление электрического действия, дающего разложение тела, что подобная сила может возникнуть из ничего; далее, что без всякого изменения в действующих веществах, без всякой затраты движущей силы образуется ток, который непрерывно продолжается, несмотря на постоянное сопротивление, или же, как в вольтовых элементах с разложением, может быть прекращён только теми продуктами распада, которые он сам накопит на своём пути. Это было бы действительно созданием двигательной силы из ничего в отличие от всякой другой силы природы. Есть много процессов, при которых внешняя форма силы изменяется настолько, что происходит видимое превращение одной силы в другую. Так, мы можем превратить химические силы в электрический ток или последний в химическую силу. Прекрасные опыты Зеебека в Пельтье показывают взаимный переход теплоты и электричества, а из других опытов, Эрстеда и моих, вытекает взаимная обратимость электричества и магнетизма. И нет такого случая, не исключая даже электрического угря и ската, где бы сила была создана или получена без соответственной затраты чего-либо другого». Если отвлечься от двусмысленного, неясного термина «сила», то можно ли отчётливее выразить идею сохранения и превращения энергии? Гений Фарадея нашёл возможность найти в удручающем потоке фактов и теорий то руководящее начало, которое позволило физикам и химикам установить правильную точку зрения как в данном вопросе, так и других конкретных задачах. В ту пору, когда ещё так смутны и неясны были представления о силе, о химическом сродстве, наконец о самом электричестве, важно было найти такую руководящую нить. И, действительно, вскоре другу Фарадея, химику Шенбейну, открывшему озон, удалось установить компромиссную точку зрения, сводящуюся к тому, что в гальваническом элементе при соприкосновении различных веществ возникает напряжение, следствием которого являются химические реакции в замкнутой цени, доставляющие энергию тока. Эта точка зрения и легла в основу гельмгольцевской теории гальванического элемента. В то время Фарадей работал над электрохимическими процессами, были сделаны наблюдения, расширяющие область индукционных явлений. В 1834 г. Дженкин (и почти одновременно Массон) заметил усиление электрической искры при размыкании тока, если провод свить в спираль и вставить в неё железный сердечник. Чем длиннее провод и чем больше число витков, тем сильнее искра. Но удлинение провода означало увеличение сопротивления, что должно повлечь за собой ослабление тока, а следовательно, и уменьшение искры. Оба наблюдателя считали свой эффект противоречащим закону Ома и загадочным. Фарадей правильно усмотрел в новом явлении частный случай индукции и доказал существование экстратоков. Исследованию самоиндукции посвящена девятая серия «Экспериментальных исследований», вышедшая вместе с десятой серией в 1835 г., после чего в работе Фарадея наступил более чем двухлетний перерыв, вызванный сильным переутомлением. Классическими опытами, которые и поныне воспроизводятся на школьных демонстрациях, Фарадей доказал, что при размыкании экстраток имеет то же направление, что и основной ток, при замыкании он противоположен. Существование экстратоков снова вернуло его к идее электротонического состояния. «Я не могу сопротивляться впечатлению, что существует какой-то связанный и соответствующий эффект». Роль среды, окружающего пространства занимает его мысли. И после длительного перерыва он начинает одиннадцатую серию своих «Исследований» классическими опытами по электрической индукции. Мы знаем, что факт электростатической индукции послужил основой для эшшусовской теории дальнодействия. Мы знаем, далее, что в законе Кулона роль среды в электрических взаимодействиях игнорируется. Правда, Кэвендиш впервые обнаружил влияние среды в электростатических явлениях, но его опыты по электричеству не были опубликованы. Поэтому исторически понятие диэлектрика было введено впервые Фарадеем. Фарадеевские исследования электрической индукции знаменательны в двух отношениях. Здесь Фарадей открыто порывает с точкой зрения actio in distance и переносит центр физического исследования на среду. С другой стороны, в Зтих исследованиях живо чувствуется влияние «Писем» Эйлера. Воззрение на электричество как на некоторую модификацию эфира, проводимое Эйлером в этом сочинении, развивается Фарадеем дальше. Но так как воззрения Эйлера примыкали к ломоносовским, то можно установить замечательную преемственность: Ломоносов-Эйлер - Фарадей. Отметим, что «Письма к немецкой принцессе» Эйлера были одной из книг, оказавших сильное влияние на молодого Фарадея. Представление о некоторой деформации в частицах среды поляризационного характера отмечается уже вл первых исследованиях Фарадея по электропроводности. Это поляризационное состояние теперь Фарадей распространил и на эфир. Наэлектризованное тело приводит окружающее пространство в особое состояние, в результате чего через любую замкнутую, поверхность, окружающее тело, смещается электричество в количестве, равном заряду тела. С помощью замкнутой проводящей полости можно обнаружить такое смещение, а именно (теорема Фарадея): если внутрь замкнутой проводящей полости поместить наэлектризованные тела, то на внутренней стороне полости индуктируется заряд, противоположный по знаку заряду наэлектризованных тел и равный ему по величине, на внешней стороне индуктируется равный и одноименный заряд. Расположение зарядов внутри полости не играет никакой роли. Заземление оболочки приводит к защите внешнего пространства от действия внутренних зарядов. Эта теорема иллюстрируется известным опытом с цилиндром Фарадея. Если в металлический цилиндрический сосуд А поместить наэлектризованное тело С, изолированное от стенок сосуда, то электроскоп, соединённый с цилиндром, показывает один и тот же заряд независимо от положения С. С может находиться в Соприкосновении с внутренней стороной цилиндра, тогда после его изъятия листочки электроскопа остаются в прежнем положении, само же тело С оказывается незаряженным (рис. 215). Существенную роль диэлектрика Фарадей демонстрирует и таким классическим опытом. Пусть две металлические пластинки А и С соединены с золотыми листочками а и b. Соединим на мгновение А и С с землей и поместим посередине между ними заряжённую пластинку В. Тогда стороны А и С, обращённые к В, зарядятся вследствие индукции одинаково, и листочки а и b остаются в покое. Но если между А и С поместить диэлектрическую пластинку, симметрия нарушается, листочки а и b притягиваются (рис. 218). «Два латунных стержня в 0,3 дюйма толщины были введены с противоположных сторон в стеклянный шар до взаимного соприкосновения, воздух в шаре был сильно разрежен. Через стержни был пропущен электрический разряд из машины, и во время прохождения концы стержней были отделены друг от друга. В момент отрыва на конце отрицательного стержня появилось длительное свечение, между тем как положительный оставался совершенно тёмным. При увеличении расстояния на конце положительного стержня появился пурпуровый сноп или туман, направлявшийся прямо к отрицательному стержню. С увеличением промежутка этот сноп удлинялся, но никогда не доходил до соприкосновения с отрицательным свечением - между ними постоянно оставался короткий тёмный промежуток». «… Разьяснение этих явлений, было бы очень важно»-, - указывает Фарадей. «Если смотреть на эти явления, как на дальнейшее доказательство того, что основания распределения и разряда, следует искать в состоянии частиц диэлектрика, то было бы крайне важно знать в точности, в чём заключается различие действия в тёмных и светлых частях». Однако ближайшие исследования Фарадея не имеют целью доказать это положение и посвящены доработке вопроса об источниках электричества. Четырнадцатая серия доказывает тождественность электричества рыб с электричеством других источников. Шестнадцатая и семнадцатая серии посвящены вольтову столбу. В восемнадцатой серии Фарадей исследует природу открытого Армстронгом явления электризации паровой струи, вырывающейся из предохранительного клапана. Фарадей пришёл к выводу, что причиной такой электризации является трение частиц пара о стенки выводной трубки, причём конденсированные частицы заряжаются положительно, а стенки котла отрицательно. Семнадцатая серия появилась в 1840 г., восемнадцатая - в 1843 г. Казалось, что период творческого подъёма прошёл, и жалобы Фарадея на переутомление звучат чаще и чаще. Но намеченная им программа: доказать единство и взаимную превратимость сил природы, доказать универсальность мировой среды - эфира, ещё не выполнена. В 1845 г. он возвращается к ней и ищет влияния магнетизма на свет. К этому времени, работая над маяками, Фарадей исследовал и перепробовал много сортов стекла. Ему пришла в голову мысль исследовать влияние магнитного поля на поляризованный свет. Пучок света, поляризованный отражением от стеклянной поверхности, проходит через испытуемое стекло и затем через николь. Установив николь на темноту, подвергают стекло действию электромагнита: поле становится освещённым, и, чтобы получить вновь темноту, необходимо было повернуть николь на некоторый угол. Теперь Фарадей уже с большой уверенностью ищет доказательства влияния среды на магнитные взаимодействия. Насколько трудно было получить надёжный результат, можно судить по такой исторической справке. В 1802 г. Кулон опубликовал сообщение, что ему удалось наблюдать намагничивание дерева и других материалов. Испытуемый образец имел форму иглы длиной 7-8 мм и диаметром 3/4 мм (для металлов 1/4 мм) и подвешивался на тонкой шёлковой нити между двумя магнитами, обращёнными друг к другу разноимёнными полюсами. Однако выяснилось, что намагничивание было обусловлено присутствием железных частиц. Как мы уже упоминали выше, попытки Фарадея обнаружить намагничивание различных веществ не увенчались успехом. В новых опытах Фарадей использовал сильный электромагнит. Кусок тяжёлого стекла, подвешенный перед полюсом электромагнита, отталкивался последним. Изготовив из того же стекла стержень и поместив его между полюсами, он нашёл, что стержень располагается перпендикулярно силовым линиям, т. е. не по оси, а по экватору. Так был открыт диамагнетизм. Вместе с тем ему удалось установить, что многие тела, считавшиеся немагнитными, как, например, платина, палладий, сургуч и др., намагничиваются и располагаются аксиально, вдоль силовых линий. Эти вещества были названы парамагнитными. Исследованию новых магнитных действий посвящены серии двадцатая и двадцать первая. Какова причина столь полярно-противоположного поведения тел? Фарадей полагает, что разницу надо искать не в самих телах, а в их отношении к окружающей среде. Отсюда его интерес к изучению магнитных свойств газов и пламени (серии XXI и XXXI). Идею этих опытов можно уяснить из более поздних экспериментов по магнетизму жидкостей. В последующих пунктах Фарадей считает необходимым ещё раз разъяснить существо своей точки зрения на природу магнитных взаимодействий и её отношение к другим воззрениям на тот же предмет: «3301. В настоящее время существуют две или, скорее, три общие гипотезы о физической природе магнитной силы. Первая - гипотеза эфира, ведущая за собой представление об эфирных токах. Она изложена в простой форме Эйлером в его «Письмах», предназначенных для физика без математической подготовки. Согласно этой гипотезе магнитный флюид или эфир движется потоком через магниты, а также вещества и пространства, их окружающие. Затем существует гипотеза двух магнитных флюидов, присутствующих во всех магнитных телах и собирающихся на полюсах магнита, где они притягивают и отталкивают частицы обоих флюидов на расстоянии и, таким образом, вызывают притяжения и отталкивания тел, содержащих эти флюиды и находящихся на расстоянии друг от друга. Наконец, имеется гипотеза Ампера, которая предполагает существование электрических токов вокруг частиц магнитов. Токи эти, действуя на расстоянии на другие частицы, содержащие такие же токи, упорядочивают расположение частиц в массах, к которым принадлежат частицы, делая таким образом эти массы способными к восприятию магнитного действия. Каждая из этих идей в большей или меньшей степени варьируется различными физиками, но для моих целей достаточно этих трёх основных гипотез. Моё физико-гипотетическое представление не заходит так далеко, как вторая и третья из этих гипотез, ибо оно не занимается вопросом о возникновении или поддержании магнитной силы в магните. Моя гипотеза совпадает скорее с первой, хотя и не идёт так далеко. Принимая магнит за центр силы, окружённой силовыми линиями, которые в качестве представителей силы получили уже математическое обоснование и оправдание (Фарадей имеет в виду исследования В. Томсона, показавшего в ряде статей что метод силовых линий с успехом может быть применён для математического описания электростатических явлений.), она рассматривает эти линии, как физические (курсив Фарадея) линии сил, существенно необходимые как для существования силы внутри магнита, тай и для передачи её магнитным телам на расстоянии. Сторонники теории эфира могут рассматривать эти линии как токи или распространяющиеся вибрации, или стационарные колебания, или же, наконец, как состояния напряжения. По многим соображениям их необходимо считать существующими вокруг провода, несущего электрический ток, как и в том случае, когда они исходят из магнитного полюса». Фарадей считает, далее, что необходимо поставить вопрос «об истинном, но неизвестном, естественном, магнитном действии». «Нам нужно, - указывает он, - не множество различных методов представления сил, но единственно истинное физическое выражение как того, что раскрывают нам явления, так и законов, управляющих последними». При этом Фарадей полагает, что «из принятых в настоящее время гипотез - гипотезы флюидов и гипотезы токов - какая-либо одна должна быть неверна, а быть, может и обе». Своё убеждение Фарадей обосновывает указанием на то, что «ни одна из этих концепций не могла привести к открытию явления диамагнетизма и, как я думаю, явления магнитного вращения света». Таким образом, неплодотворность этих гипотез, которые в лучшем случае могли описать уже известные факты, но не стимулировали поисков новых эффектов, - вот в чём, по Фарадею, заключается их основной порок. И это, конечно, правильно. Фарадей, руководствуясь своими воззрениями, открыл столько нового, что он не мог не выработать убеждения, что в них отражается вернее и глубже, чем в старых воззрениях, сущность природы. Опыты Фуко, только что принесшие победу волновой теории света, внушали ему надежду, что «толь же успешно может быть решена задача об истинной сущности магнитных явлений. Фарадей уподобляет магнит Солнцу, магнитные линии - световым лучам и считает, что отсюда возможен экспериментальный подход. Он писал: «… бесспорно станет вопрос о наивозможно широком рассмотрении этой проблемы с точки зрения чисто физической, ибо если предположить существование физических линий магнитной силы, соответствующих (в смысле своего реального существования) световым лучам, то не представляется столь невероятным, что к ним можно будет подступиться экспериментальным путём. Разрешение вопроса об их существовании чрезвычайно важно, тем более что есть все основания надеяться на положительный ответ. Поэтому я предполагаю, не выдвигая никаких физических гипотез о природе магнита, кроме того, что было мною сказано в п. 3299, снова обратить внимание экспериментаторов, в несколько, правда, несвязной форме, на этот вопрос как с точки зрения недостаточности современных физических взглядов, так и с точки зрения возможного существования линий физических сил. Я ограничу свои замечания немногими пунктами, как-то: полярность, двойственность и т. д. В своей попытке я исхожу из следующих соображений: 1. Подтверждение математиками правильности представления о направлении и количестве магнитной силы при помощи абстрактных силовых линий. 2. Успешное применение этих линий во многих случаях мной лично (п. 3174). 3. Наблюдаемая аналогия между магнитной силой и другими двойственными силами как в статическом, так и динамическом состоянии, в особенности же аналогия между магнитом и вольтовой батареей или другим постоянным источником электрических токов. 4. Идея Эйлера о магнитных эфирах или циркулирующих флюидах. 5. Высказанное сэром Исааком Ньютоном твёрдое убеждение в том, что даже сила притяжения не может произвести действия на расстояние без посредства какого-либо агента, играющего роль физической линии силы. 6. Пример борьбы между двумя теориями света и разрешение этого вопроса экспериментальным путём». Это замечательное «завещание» Фарадея послужило программой для работ Максвелла и последующей плеяды великих физиков - Герца, Лебедева, Попова и других. К сожалению, мало обращалось внимания на идейные корни воззрений Фарадея (за исключением п. 5, где Фарадей говорит о Ньютоне, в связи с чем очень часто вспоминают о «нематериальном агенте») и на его отношение к современной ему идейной борьбе в физике. Мы ещё раз отмечаем здесь, что Фарадей определенно указывает на происхождение своих воззрений от Эйлера, а следовательно (о чём, конечно, он сам не знал) и от Ломоносова. Мы отметим здесь, что Фарадей следил за перипетиями великого спора о природе света и что его симпатии были не на стороне ньютонианцев. Более того, победа волновой теории дала возможность Фарадею надеяться и на победу его теории, его физических воззрений. 22 сентября 2011 года исполнилось 220 лет со дня рождения Майкла Фарадея (1791–1867) - английского физика-экспериментатора, который ввел в науку понятие «поле» и заложил основы концепции о физической реальности электрических и магнитных полей. В наши дни понятие поля известно любому старшекласснику. Начальные сведения об электрических и магнитных полях и способах их описания при помощи силовых линий, напряженностей, потенциалов и т. п. давно вошли в школьные учебники по физике. В этих же учебниках можно прочитать о том, что поле - это особая форма материи, принципиально отличная от вещества. Но вот с объяснением того, в чем именно состоит эта «особость», возникают серьезные трудности. Естественно, винить в этом авторов учебников нельзя. Ведь если поле не сводимо к каким-то другим, более простым сущностям, то тут и объяснять нечего. Надо просто принять физическую реальность поля как экспериментально установленный факт и научиться работать с уравнениями, описывающими поведение этого объекта. К этому, например, призывает в своих «Лекциях» Ричард Фейнман, отметив, что ученые долгое время пытались объяснить электромагнитное поле при помощи различных механических моделей, но потом оставили эту затею и сочли, что физический смысл имеет лишь описывающая поле система знаменитых уравнений Максвелла. Означает ли сказанное, что мы должны полностью отказаться от попыток понять, что такое поле? Думается, что существенную помощь в ответе на этот вопрос может оказать знакомство с «Экспериментальными исследованиями по электричеству» Майкла Фарадея - грандиозным трехтомным трудом, который гениальный экспериментатор создавал более 20 лет . Именно здесь Фарадей вводит понятие поля и шаг за шагом разрабатывает идею о физической реальности этого объекта. При этом важно отметить, что «Экспериментальные исследования» Фарадея - одна из величайших книг в истории физики - написаны прекрасным языком, не содержат ни единой формулы и вполне доступны школьникам. Термин «поле» (точнее: «магнитное поле», «поле магнитных сил») был введен Фарадеем в 1845 году в ходе исследований явления диамагнетизма (термины «диамагнетизм» и «парамагнетизм» также были введены Фарадеем) - обнаруженного ученым эффекта слабого отталкивания магнитом ряда веществ. Первоначально поле рассматривалось Фарадеем как сугубо вспомогательное понятие, по сути координатная сетка, образованная магнитными силовыми линиями и использовавшаяся при описании характера движения тел вблизи магнитов. Так, кусочки диамагнитных веществ, например висмута, перемещались из областей сгущения силовых линий в области их разрежения и располагались перпендикулярно направлению линий. Несколько позже, в 1851–1852 годах, при математическом описании результатов некоторых экспериментов Фарадея, термин «поле» эпизодически использовал английский физик Уильям Томсон (1824–1907). Что же касается создателя теории электромагнитного поля Джеймса Клерка Максвелла (1831–1879), то в его работах термин «поле» поначалу тоже практически не встречается и используется лишь для обозначения той части пространства, в которой можно обнаружить магнитные силы. Только в опубликованной в 1864–1865 годах работе «Динамическая теория электромагнитного поля», в которой впервые появляется система «уравнений Максвелла» и предсказывается возможность существования электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света, о поле говорится как о физической реальности. Такова вкратце история введения в физику понятия «поле». Из нее видно, что первоначально это понятие рассматривалось как сугубо вспомогательное, обозначавшее просто ту часть пространства (она может быть и неограниченной), в которой можно обнаружить магнитные силы и изобразить их распределение при помощи силовых линий. (Термин «электрическое поле» стал использоваться только после создания Максвеллом теории электромагнитного поля.) Важно подчеркнуть, что ни силовые линии, известные физикам до Фарадея, ни «состоящее» из них поле не рассматривались (и не могли рассматриваться!) научным сообществом XIX века как физическая реальность. Попытки же Фарадея говорить о материальности силовых линий (или Максвелла - о материальности поля) воспринимались учеными как совершенно ненаучные. Даже Томсон, старый друг Максвелла, сам много сделавший для разработки математических основ физики поля (именно Томсон, а не Максвелл, первым показал возможность «перевода» языка силовых линий Фарадея на язык дифференциальных уравнений в частных производных), называл теорию электромагнитного поля «математическим нигилизмом» и долгое время отказывался ее признавать. Понятно, что поступать подобным образом Томсон мог, лишь имея на то очень серьезные основания. И такие основания у него были. Причина, по которой Томсон не мог признать реальность силовых линий и полей, проста. Силовые линии электрического и магнитного полей определяются как непрерывные линии, проведенные в пространстве так, что касательные к ним в каждой точке указывают направления действующих в этой точке электрических и магнитных сил. Величины и направления этих сил вычисляются при помощи законов Кулона, Ампера и Био–Савара–Лапласа. Однако в основе этих законов лежит принцип дальнодействия, допускающий возможность мгновенной передачи на любое расстояние действия одного тела на другое и, тем самым, исключающий существование каких-либо материальных посредников между взаимодействующими зарядами, магнитами и токами. Следует отметить, что многие ученые со скепсисом относились к принципу, по которому тела каким-то загадочным образом могут действовать там, где их нет. Даже Ньютон, который первым использовал этот принцип при выводе закона всемирного тяготения, полагал, что между взаимодействующими телами может существовать какая-то субстанция. Но строить гипотезы о ней ученый не пожелал, предпочитая заниматься разработкой математических теорий законов, опирающихся на твердо установленные факты. Аналогичным образом поступали и последователи Ньютона. По словам Максвелла, они буквально «вымели из физики» всевозможные невидимые атмосферы и истечения, которыми в XVIII веке окружали магниты и заряды сторонники концепции близкодействия. Тем не менее в физике XIX века постепенно начинает возрождаться интерес к, казалось бы, навсегда забытым идеям. Одной из важнейших предпосылок этого возрождения стали проблемы, возникавшие при попытках объяснения новых явлений - прежде всего, явлений электромагнетизма - на основе принципа дальнодействия. Эти объяснения становились всё более искусственными. Так, в 1845 году немецкий физик Вильгельм Вебер (1804–1890) обобщил закон Кулона, введя в него члены, определяющие зависимость силы взаимодействия электрических зарядов от их относительных скоростей и ускорений. Физический смысл такой зависимости был непонятен, а веберовские добавки в закон Кулона явно носили характер гипотезы, введенной, чтобы объяснить явления электромагнитной индукции. В середине XIX века физики всё более осознавали, что при изучении явлений электричества и магнетизма эксперимент и теория начинают говорить на разных языках. В принципе, ученые были готовы согласиться с идеей о существовании субстанции, передающей взаимодействие между зарядами и токами с конечной скоростью, однако принять идею о физической реальности поля они не могли. В первую очередь, из-за внутренней противоречивости этой идеи. Дело в том, что в физике Ньютона сила вводится как причина ускорения материальной точки. Ее (силы) величина равна, как известно, произведению массы этой точки на ускорение. Тем самым, сила как физическая величина определяется в точке и в момент ее действия. «Сам Ньютон напоминает нам, - писал Максвелл, - что сила существует только до тех пор, пока она действует; ее действие может сохраниться, но сама сила как таковая по существу явление преходящее». Пытаясь рассматривать поле не как удобную иллюстрацию характера распределения сил в пространстве, а как физический объект, ученые входили в противоречие с тем исходным пониманием силы, на основе которого этот объект был построен. В каждой своей точке поле определяется величиной и направлением силы, действующей на пробное тело (заряд, магнитный полюс, виток с током). По сути, поле «состоит» только из сил, но сила в каждой точке рассчитывается на основе законов, согласно которым говорить о поле как физическом состоянии или процессе бессмысленно. Поле, рассматриваемое как реальность, означало бы реальность сил, существующих вне всякого действия, что полностью противоречило исходному определению силы. Максвелл писал, что в случаях, когда мы говорим о «сохранении силы» и т. п., лучше было бы пользоваться термином «энергия». Это, безусловно, правильно, но энергией чего является энергия поля? К тому времени, когда Максвелл писал приведенные выше строки, он уже знал, что плотность энергии, например, электрического поля пропорциональна квадрату напряженности этого поля, т. е. опять-таки силы, распределенной в пространстве. С ньютоновским пониманием силы неразрывно связана и концепция мгновенного дальнодействия. Ведь если одно тело действует на другое, удаленное, не мгновенно (по сути, уничтожая расстояние между ними), то нам придется рассматривать силу перемещающейся в пространстве и решать вопрос о том, какая «часть» силы вызывает наблюдаемое ускорение и какой смысл тогда имеет понятие «сила». Либо мы должны допустить, что движение силы (или поля) происходит каким-то особым, не укладывающимся в рамки ньютоновской механики образом. В 1920 году в статье «Эфир и теория относительности» Альберт Эйнштейн (1879–1955) писал, что, говоря об электромагнитном поле как реальности, мы должны допустить существование особого физического объекта, который принципиально нельзя представить состоящим из частиц, поведение каждой из которых поддается изучению во времени. Позже Эйнштейн охарактеризовал создание теории электромагнитного поля как величайший, со времен Ньютона, переворот в наших взглядах на структуру физической реальности. Благодаря этому перевороту, в физику наряду с представлениями о взаимодействии материальных точек вошли представления о полях, как ни к чему другому не сводимым сущностям. Но как оказалось возможным это изменение взглядов на реальность? Как физике удалось выйти за свои границы и «увидеть» то, что для нее раньше как реальность просто не существовало? Исключительно важную роль в подготовке этого переворота сыграли многолетние эксперименты Фарадея с силовыми линиями. Благодаря Фарадею, эти хорошо известные физикам линии превратились из способа изображения распределения в пространстве электрических и магнитных сил в своеобразный «мостик», двигаясь по которому удалось проникнуть в мир, находящийся как бы «за силой», в мир, в котором силы становились проявлениями свойств полей. Понятно, что такое превращение потребовало таланта совершенно особого рода, таланта, которым обладал Майкл Фарадей. Майкл Фарадей родился 22 сентября 1791 года в семье лондонского кузнеца, которая из-за недостатка средств не смогла дать своим детям образования. Майкл - третий ребенок в семье - не закончил и начальной школы и в 12 лет был отдан учеником в переплетную мастерскую. Там он получил возможность читать множество книг, в том числе и научно-популярных, восполняя пробелы своего образования. Вскоре Фарадей начал посещать публичные лекции, которые регулярно устраивали в Лондоне для распространения знаний среди широких слоев населения. В 1812 году один из членов Лондонского Королевского общества, регулярно пользовавшийся услугами переплетной мастерской, пригласил Фарадея послушать лекции известного физика и химика Гемфри Дэви (1778–1829). Этот момент стал в жизни Фарадея переломным. Юноша окончательно увлекся наукой, а поскольку заканчивался срок его обучения в мастерской, Фарадей рискнул написать Дэви о своем желании заняться исследованиями, приложив к письму тщательно переплетенные конспекты лекций ученого. Дэви, который сам был сыном бедного резчика по дереву, не только ответил на письмо Фарадея, но и предложил ему место ассистента в Лондонском Королевском институте. Так началась научная деятельность Фарадея, продолжавшаяся почти до самой его смерти, наступившей 25 августа 1867 года. История физики знает немало выдающихся экспериментаторов, но, пожалуй, только Фарадея называли Экспериментатором с большой буквы. И дело не только в его колоссальных достижениях, среди которых открытия законов электролиза и явлений электромагнитной индукции, исследования свойств диэлектриков и магнетиков и многое другое. Нередко важные открытия удавалось сделать более или менее случайно. О Фарадее сказать такое невозможно. Его исследования всегда отличались поразительной планомерностью и целеустремленностью. Так, в 1821 году Фарадей записал в рабочем дневнике, что начинает поиски связи магнетизма с электричеством и оптикой. Первую связь он обнаружил через 10 лет (открытие электромагнитной индукции), а вторую - через 23 года (открытие вращения плоскости поляризации света в магнитном поле). В «Экспериментальных исследованиях по электричеству» Фарадея имеется около 3500 параграфов, многие из которых содержат описания проделанных им опытов. И это только то, что Фарадей счел нужным опубликовать. В многотомных «Дневниках» Фарадея, которые он вел с 1821 года, описано около 10 тысяч опытов, причем многие из них ученый поставил без чьей-либо помощи. Интересно, что в 1991 году, когда научный мир отмечал 200-летие со дня рождения Фарадея, английские историки физики решили повторить некоторые из его наиболее знаменитых опытов. Но даже на простое воспроизведение каждого из таких опытов коллективу современных специалистов потребовалось не менее дня работы. Говоря о заслугах Фарадея, можно сказать, что его главным достижением стало превращение экспериментальной физики в самостоятельную область исследований, результаты которых нередко могут на многие годы опережать развитие теории. Фарадей считал крайне непродуктивным стремление многих ученых как можно быстрее переходить от полученных в экспериментах данных к их теоретическому обобщению. Более плодотворным Фарадею представлялось сохранение длительной связи с изучаемыми явлениями, чтобы иметь возможность детально проанализировать все их особенности, вне зависимости от того, соответствуют эти особенности принятым теориям или нет. Этот подход к анализу опытных данных Фарадей распространил и на хорошо известные опыты по выстраиванию железных опилок вдоль силовых линий магнитного поля. Безусловно, ученый прекрасно знал, что узоры, которые образуют железные опилки, легко можно объяснить на основе принципа дальнодействия. Тем не менее, Фарадей считал, что в данном случае экспериментаторы должны исходить не из придуманных теоретиками концепций, а из явлений, свидетельствующих, по его мнению, о существовании в пространстве, окружающем магниты и токи, неких обладающих готовностью к действию состояний. Другими словами, силовые линии, по мнению Фарадея, указывали на то, что сила должна мыслиться не только как действие (на материальную точку), но и как способность к действию. Важно подчеркнуть, что, следуя своей методике, Фарадей не пытался выдвигать какие-либо гипотезы о природе этой способности к действию, предпочитая постепенно накапливать опыт в ходе работы с силовыми линиями. Начало этой работе было положено в его исследованиях явлений электромагнитной индукции. Во многих учебниках и справочниках можно прочитать о том, что 29 августа 1831 года Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Историкам науки хорошо известно, что датировка открытий - вещь сложная и часто весьма запутанная. Не составляет исключение и открытие электромагнитной индукции. Из «Дневников» Фарадея известно, что это явление он наблюдал еще в 1822 году во время опытов с двумя проводящими контурами, надетыми на сердечник из мягкого железа. Первый контур был подключен к источнику тока, а второй - к гальванометру, который зафиксировал возникновение кратковременных токов при включении или отключении тока в первом контуре. Позже выяснилось, что подобные явления наблюдали и другие ученые, но, как и поначалу Фарадей, сочли их погрешностью эксперимента. Дело в том, что в поисках явлений порождения электричества магнетизмом ученые были нацелены на обнаружение устойчивых эффектов, подобных, например, открытому Эрстедом в 1818 году явлению магнитного действия тока. От этой всеобщей «слепоты» Фарадея спасли два обстоятельства. Во-первых, пристальное внимание к любым явлениям природы. В своих статьях Фарадей сообщал как об удачных, так и о неудачных экспериментах, полагая, что неудачный (не обнаруживший искомый эффект), но осмысленно поставленный опыт тоже содержит какую-то информацию о законах природы. Во-вторых, незадолго до открытия Фарадей много экспериментировал с разрядами конденсаторов, что, несомненно, обострило его внимание к кратковременным эффектам. Регулярно просматривая свои дневники (для Фарадея это было постоянной составляющей исследований), ученый, судя по всему, по-новому взглянул на опыты 1822 года и, воспроизведя их, осознал, что имеет дело не с помехами, а с искомым явлением. Датой этого осознания и стало 29 августа 1831 года. Далее начались интенсивные исследования, в ходе которых Фарадей открыл и описал основные явления электромагнитной индукции, включая возникновение индукционных токов при относительном движении проводников и магнитов. На основании этих исследований Фарадей пришел к выводу о том, что решающим условием возникновения индукционных токов является именно пересечение
проводником линий магнитной силы, а не переход в области больших или меньших сил. При этом, например, возникновение тока в одном проводнике при включении тока в другом, расположенном рядом, Фарадей тоже объяснял как результат пересечения проводником силовых линий: «магнитные кривые как бы движутся (если можно так выразиться) поперек индуцируемого провода, начиная с момента, когда они начинают развиваться, и вплоть до момента, когда магнитная сила тока достигнет наибольшего значения; они как бы распространяются в стороны от провода и, следовательно, оказываются по отношению к неподвижному проводу в том же положении, как если бы он двигался в противоположном направлении поперек них». Обратим внимание на то, сколько раз в приведенном отрывке Фарадей использует слова «как бы», а также на то, что у него пока нет привычной нам количественной формулировки закона электромагнитной индукции: сила тока в проводящем контуре пропорциональна скорости изменения числа магнитных силовых линий, проходящих через этот контур. Близкая к этой формулировка появляется у Фарадея лишь в 1851 году, причем она относится только к случаю движения проводника в статическом магнитном поле. По Фарадею, если проводник перемещается в таком поле с постоянной скоростью, то сила возникающего в нем электрического тока пропорциональна этой скорости, а количество приводимого в движение электричества пропорционально числу пересекаемых проводником силовых линий магнитного поля. Осторожность Фарадея при формулировке закона электромагнитной индукции обусловлена, прежде всего, тем, что корректно пользоваться понятием силовой линии он мог только применительно к статическим полям. В случае же переменных полей это понятие приобретало метафорический характер, и непрерывные оговорки «как бы», когда речь идет о движущихся силовых линиях, показывают, что Фарадей это прекрасно понимал. Он также не мог не считаться с критикой тех ученых, которые указывали ему на то, что силовая линия - это, строго говоря, геометрический объект, говорить о движении которого просто бессмысленно. Кроме того, в опытах мы имеем дело с заряженными телами, проводниками с током и т. д., а не с абстракциями вроде силовых линий. Поэтому Фарадей должен был показать, что при изучении хотя бы некоторых классов явлений нельзя ограничиться рассмотрением проводников с током и не учитывать окружающее их пространство. Так, в работе, посвященной исследованиям явлений самоиндукции, ни разу не упомянув силовые линии, Фарадей выстраивает рассказ о проделанных им экспериментах таким образом, что читатель постепенно сам приходит к выводу о том, что подлинная причина наблюдаемых явлений - не проводники с током, а нечто, находящееся в окружающем их пространстве. В 1834 году Фарадей опубликовал девятью часть «Экспериментальных исследований», которая называлась «Об индуктивном влиянии электрического тока на самого себя и об индуктивном действии токов вообще». В этой работе Фарадей исследовал явления самоиндукции, открытые в 1832 году американским физиком Джозефом Генри (1797–1878), и показал, что они представляют частный случай изученных им ранее явлений электромагнитной индукции. Свою работу Фарадей начинает с описания ряда явлений, состоящих в том, что при размыкании электрической цепи, содержащей длинные проводники или обмотку электромагнита, в точке разрыва контакта возникает искра или ощущается удар током, если контакт разъединяют руками. В то же время, указывает Фарадей, если проводник короткий, то никакими ухищрениями получить искру или электрический удар не удается. Тем самым выяснилось, что возникновение искры (или удара) зависит не столько от силы тока, протекавшего по проводнику до разрыва контакта, сколько от длины и конфигурации этого проводника. Поэтому Фарадей в первую очередь стремится показать, что, хотя исходной причиной искры является ток (если в цепи его не было вообще, то никакой искры, естественно, не будет), сила тока решающего значения не имеет. Для этого Фарадей описывает последовательность экспериментов, в которых длина проводника сначала увеличивается, что приводит к усилению искры, несмотря на ослабление тока в цепи из-за увеличения сопротивления. Затем этот проводник перекручивают так, чтобы ток протекал только через его небольшую часть. Сила тока при этом резко возрастает, но искра при размыкании цепи исчезает. Таким образом, ни проводник сам по себе, ни сила тока в нем не могут рассматриваться как причина искры, величина которой, как выясняется, зависит не только от длины проводника, но и от его конфигурации. Так, при сворачивании проводника в спираль, а также при введении в эту спираль железного сердечника величина искры тоже возрастает. В продолжение изучения этих явлений Фарадей подключил параллельно месту размыкания контакта вспомогательный короткий проводник, сопротивление которого значительно больше, чем у основного проводника, но меньше, чем у искрового промежутка или у тела человека, размыкающего контакт. В результате искра при размыкании контакта исчезла, а во вспомогательном проводнике возник сильный кратковременный ток (Фарадей называет его экстратоком), направление которого оказалось противоположным направлению тока, который протекал бы через него от источника. «Эти опыты, - пишет Фарадей, - устанавливают существенное различие между первичным, или возбуждающим, током и экстратоком в отношении количества, интенсивности и даже направления; они привели меня к заключению, что экстраток тождествен с описанным мной ранее индуцированным током». Выдвинув идею о связи изучаемых явлений с явлениями электромагнитной индукции, Фарадей далее поставил ряд остроумных экспериментов, подтверждающих эту идею. В одном из таких экспериментов рядом со спиралью, подключенной к источнику тока, помещалась другая спираль, разомкнутая. При отключении от источника тока первая спираль давала сильную искру. Однако если концы другой спирали замыкались, искра практически исчезала, а во второй спирали возникал кратковременный ток, направление которого совпадало с направлением тока в первой спирали, если цепь размыкали, и было противоположно ему, если цепь замыкали. Установив связь двух классов явлений, Фарадей смог легко объяснить выполненные ранее опыты, а именно усиление искры при удлинении проводника, сворачивании его в спираль, введении в нее железного сердечника и т. д.: «Если наблюдать индуктивное действие провода длиной в один фут на расположенный рядом провод длиной также в один фут, то оно оказывается очень слабым; но если тот же самый ток пропустить через провод длиной в пятьдесят футов, то он будет индуцировать в соседнем пятидесятифутовом проводе в момент замыкания или размыкания контакта значительно более сильный ток, как будто каждый лишний фут провода вносит нечто в суммарное действие; по аналогии мы заключаем, что такое же явление должно иметь место и тогда, когда соединительный проводник служит одновременно проводником, в котором образуется индуцированный ток». Поэтому, делает вывод Фарадей, увеличение длины проводника, сворачивание его в спираль и введение в нее сердечника усиливает искру. К действию одного витка спирали на другой прибавляется действие размагничивающегося сердечника. При этом совокупность таких действий может и компенсировать друг друга. Например, если сложить вдвое длинный изолированный провод, то из-за противоположности индуктивных действий двух его половин искра исчезнет, хотя в распрямленном состоянии этот провод дает сильную искру. К существенному ослаблению искры приводила и замена сердечника из железа на сердечник из стали, которая размагничивается очень медленно. Итак, проводя читателя через детальные описания совокупностей проделанных экспериментов, Фарадей, не говоря ни слова о поле, формировал у него, читателя, представление о том, что решающая роль в изучаемых явлениях принадлежит не проводникам с током, а создаваемому ими в окружающем пространстве какому-то состоянию намагниченности, точнее - скорости изменения этого состояния. Однако вопрос о том, существует ли это состояние реально и может ли оно быть предметом экспериментальных исследований, оставался открытым. Существенный шаг в доказательстве реальности силовых линий Фарадею удалось сделать в 1851 году, когда он пришел к идее обобщения понятия силовой линии. «Магнитную силовую линию, - писал Фарадей, - можно определить как линию, которую описывает небольшая магнитная стрелка, когда ее перемещают в ту или иную сторону по направлению ее длины, так что стрелка все время остается касательной к движению; или, иначе, это та линия, вдоль которой можно в любую сторону перемещать поперечный провод и в последнем не появится никакого стремления к возникновению какого-нибудь тока, между тем как при перемещении его в любом ином направлении такое стремление существует». Силовая линия, таким образом, определялась Фарадеем на основе двух различных законов (и пониманий) действия магнитной силы: ее механического действия на магнитную стрелку и ее способности (в соответствии с законом электромагнитной индукции) порождать электрическую силу. Это двойное определение силовой линии как бы «материализовало» ее, придавало ей смысл особых, экспериментально обнаруживаемых направлений в пространстве. Поэтому Фарадей назвал такие силовые линии «физическими», полагая, что теперь сможет окончательно доказать их реальность. Проводник в таком двойном определении можно было представить замкнутым и скользящим вдоль силовых линий так, чтобы, постоянно деформируясь, он не пересекал линий. Этот проводник выделил бы некоторое условное «количество» линий, сохраняющихся при их «сгущении» или «разрежении». Такое скольжение проводника в поле магнитных сил без возникновения в нем электрического тока могло бы рассматриваться как экспериментальное доказательство сохранения количества силовых линий при их «распространении», например из полюса магнита, и, тем самым, как доказательство реальности этих линий. Безусловно, реальный проводник практически невозможно перемещать так, чтобы он не пересекал силовые линии. Поэтому гипотезу о сохранении их количества Фарадей обосновывал иначе. Пусть магнит с полюсом N и проводник abcd
расположены так, что могут вращаться по отношению друг к другу вокруг оси ad
(рис. 1; рисунок выполнен автором статьи на основе рисунков Фарадея). При этом часть проводника ad
проходит через отверстие в магните и имеет свободный контакт в точке d
. Свободный контакт сделан и в точке c
, так что участок bc
может вращаться вокруг магнита, не разрывая электрической цепи, подключенной в точках a
и b
(тоже посредством скользящих контактов) к гальванометру. Проводник bc
при полном повороте вокруг оси ad
пересекает все силовые линии, выходящие из полюса магнита N. Пусть теперь проводник вращается с постоянной скоростью. Тогда, сравнивая показания гальванометра при различных положениях вращающегося проводника, например в положении abcd
и
в положении ab"c"d
, когда проводник за полный оборот вновь пересекает все силовые линии, но уже в местах их большей разреженности, можно обнаружить, что показания гальванометра одинаковы. По мнению Фарадея, это свидетельствует о сохранении некоторого условного количества силовых линий, которым можно охарактеризовать северный полюс магнита (чем больше это «количество», тем сильнее магнит). Вращая в своей установке (рис. 2; рисунок Фарадея) не проводник, а магнит, Фарадей приходит к выводу о сохранении количества силовых линий во внутренней области магнита. При этом в основе его рассуждений лежит предположение о том, что силовые линии не увлекаются вращающимся магнитом. Эти линии остаются «на месте», а магнит вращается среди них. В этом случае ток по величине получается таким же, как при вращении внешнего проводника. Фарадей объясняет этот результат тем, что, хотя внешняя часть проводника не пересекает линий, его внутренняя часть (cd
), вращающаяся вместе с магнитом, пересекает все линии, проходящие внутри магнита. Если же внешнюю часть проводника закрепить и вращать вместе с магнитом, то ток не возникает. Это тоже можно объяснить. Действительно, внутренняя и внешняя части проводника пересекают одно и то же количество силовых линий, направленных в одном направлении, поэтому токи, индуцируемые в обеих частях проводника, компенсируют друг друга. Из экспериментов следовало, что внутри магнита силовые линии идут не от северного полюса к южному, а наоборот, образуя с внешними силовыми линиями замкнутые кривые, что позволило Фарадею сформулировать закон сохранения количества магнитных силовых линий во внешнем и внутреннем пространствах постоянного магнита: «Этим поразительным распределением сил, которое выявляется с помощью движущегося проводника, магнит в точности походит на электромагнитную катушку как по тому, что силовые линии протекают в виде замкнутых кругов, так и по равенству их суммы внутри и снаружи». Тем самым, понятие «количество силовых линий» получало права гражданства, благодаря чему формулировка закона пропорциональности электродвижущей силы индукции количеству силовых линий, пересекаемых проводником в единицу времени, приобретала физический смысл. Однако Фарадей признавал, что полученные им результаты не являются окончательным доказательством реальности силовых линий. Для такого доказательства, писал он, надо «установить отношение силовых линий ко времени», т. е. показать, что эти линии могут перемещаться в пространстве с конечной скоростью и, следовательно, могут быть обнаружены какими-либо физическими методами. Важно подчеркнуть, что проблема «физических силовых линий» не имела для Фарадея ничего общего с попытками непосредственного обнаружения обычных силовых линий. Со времени открытия электромагнитной индукции Фарадей верил, что и обычные силовые линии, и законы электромагнетизма - это проявления каких-то особых свойств материи, ее особого состояния, которое ученый назвал электротоническим. При этом вопрос о сущности этого состояния и его связи с известными формами материи являлся, считал Фарадей, открытым: «Каково это состояние и от чего оно зависит, мы сейчас не можем сказать. Может быть, оно обусловлено эфиром, подобно световому лучу... Может быть, это - состояние напряжения, или состояние колебания, или еще какое-либо состояние, аналогичное электрическому току, с которым так тесно связаны магнитные силы. Необходимо ли для поддержания этого состояния присутствие материи, зависит от того, что понимать под словом «материя». Если понятие материи ограничить весомыми или тяготеющими веществами, тогда присутствие материи столь же мало существенно для физических линий магнитной силы, как для лучей света и теплоты. Но если, допуская эфир, мы примем, что это - род материи, тогда силовые линии могут зависеть от каких-либо ее действий». Столь пристальное внимание, которое Фарадей уделял силовым линиям, было обусловлено в первую очередь тем, что он видел в них мостик, ведущий в какой-то совершенно новый мир. Однако пройти по этому мостику было трудно даже такому гениальному экспериментатору, как Фарадей. Собственно, эта задача вообще не допускала чисто экспериментального решения. Однако в пространство между силовыми линиями можно было попытаться проникнуть математически. Именно это и сделал Максвелл. Его знаменитые уравнения стали тем инструментом, который позволил проникнуть в несуществующие промежутки между силовыми линиями Фарадея и, в результате, обнаружить там новую физическую реальность. Но это уже другая история - история о Великом Теоретике. Имеется в виду книга Р. Фейнмана, Р. Лейтона и М. Сэндса «Фейнмановские лекции по физике» (М.: Мир, 1967) (Прим. ред.
) Страница 2
В октябре Фарадей обратился с пространным письмом к своему другу Стодарту. В этом письме он изложил все обстоятельства крайне досадного инцидента s негодованием и горячностью несправедливо обвиненного человека и по пунктам разбил все возведенные на нег обвинения. Стодарт, как и большинство друзей Фарадея считал, что вокруг этого дела не следует создавать лишнего шума. Фарадей сперва был склонен последовать совету своих друзей, но затем отверг все эти сове ты и решил апеллировать непосредственно к благородству и лояльности самого Волластона. «Я полагаю сэр, - писал он Волластону, прося о свидании, - что поврежу себе в ваших глазах, прибегнув к наиболее простым и прямым средствам для выяснения возникшей недоразумения.»… Переговоры с Волластоном принесли Фарадею, полное удовлетворение, так как первый признал, что ничего предосудительного в действиях молодого ученого не было. Считая, что недоразумение с Волластоном совершенно забыто, Фарадей спокойно продолжал свои исследования, сосредоточив все внимание на вопросах, связанных с явлениями электромагнитного вращения. Особенно интересовала его попытка заставить проволоку по которой течет электрический ток, вращаться под действием земного магнетизма. После ряда опытов старания Фарадея увенчались успехом. Как и во всех случаях, когда он ставил перед собой какую-либо задачу, oн страстно и упорно добивался цели. И когда, наконец ему в последних числах декабря 1821 г. удалось получить желаемый результат, он с чисто детским восторгом радовался своему успеху. Шурин Фарадея, Джорж Барнард, присутствовавший как раз в это время в лаборатории, рассказывал, что когда проволока начала вращаться, то Фарадей взволнованно воскликнул: «Ты видишь, ты видишь, ты видишь, Джордж!». «Никогда, - подчеркивает Джордж, - не забуду я энтузиазма, выражавшегося на его лице, и блеска его глаз». Этот эксперимент оказался исключитеольно важным для практического применения электричества. Фарадей впервые осуществил непррывное превращение электрической энергии в механическую. Именно 1821 г. надо считать годом возникновения электродвигателя., как устройства, превращающего энергию электрическую в механическую. Возникновение электродвигателей связано с именем Фарадея: он выяснил их физические основы тем самым раскрыл неограниченные просторы для технического творчества многочисленных изобретателей, создавших современные электрические машины. В литературе принято делить научное творчество Фарадея на три периода. Второй, это-период знаменитых «Опытных исследований по электричеству», т. е. время с 1830-го по 1840-3 год, когда вследствие расстройства здоровья Фарадея его научное творчество приостанавливается на четыре года. И, наконец, третий период начинается с 1844 г. когда Фарадей, оправившись от недуга, снова приступил к работе. Самым знаменательным событием первого периоды было несомненно, открытие явления электромагнитного вращения. Но за первые пятнадцать лет своей научной деятельности Фарадей обогатил науку и рядом другие открытий и ценных исследованию. К концу 1830 г. опубликовал до 60 оригинальных работ, не считая множества заметок и мелких сообщений. В 1825 г. Фарадей был назначен директором лаборатории Королевского института. Но важнейшим этапом достижения связанные с именем Фарадея относятся ко второму периоду его деятельности, связанному с « Опытными исследованиями по электричеству» Как уже было сказано, мысль об обратимости явления Эрстеда зародилась у Фарадея еще в 1822 г С тех пор он, не переставая, думал над этой проблемой. Говорили, что он носил в жилетном кармане маленький магнит, который должен был напомнить ему о поставлена себе задаче - превратить магнетизм в электричество. Хотя 1822- 1831 гг. были полны кипучей научной деятельности в самых различных областях, тем не менее записной книжке Фарадея мы тогда же находим описание опытов «для получения электричества от магнетизма», правда, неизменно заканчивавшихся выводом: «безрезультатно». Плодотворные результаты были достигнуты только в 1831 г. Летом этого года Фарадей стал усиленно обдумывать свою идею. Он решил отстраниться от всяко другой работы и все внимание посвятить новым экспериментам. В июле, получил снова предложение от Совета Королевского общества заняться оптическим стеклом, он ответил отказом и целиком занялся, как он это отмечал в лабораторном журнале, «опытом для получения электричества от магнетизма». Решающим днем опытов было 17 октября 1831 г. Опыты этого дня завершились получением электрического тока от приближения магнита к проводнику (проволоке). Это и было собственно центральным моментом во всей серии опытов: задача «превратить магнетизм в электричество» была разрешена. Все неудачи, которые Фарадей терпел до этого времени, объясняются тем, что в опытах и магнит и проводник оставались в состоянии покоя. Как говорит Сильванус Томпсон (один из биографов Фарадея), магнит мог лежать близ проводника преспокойно сто лет и никакого действия не произвел бы. «Цилиндрический полосовой магнит, - гласит запись этого дня, - диаметром в три четверти дюйма и длиной в восемь с половиной дюймов одним концом был вставлен в конец цилиндра с соленоидом (Рис. 2), затем он был быстро внесен Рис. 2. Соленоид и цилиндрический магнит (схематическое изображение) внутрь во всю свою длину, и стрелка гальванометра отклонилась; далее он был удален, и стрелка снова отклонилась, но в противоположном направлении. Этот эффект повторялся каждый раз, когда магнит вносили или удаляли. Из этого следует, что волна электричества создавалась от простого приближения магнита, а не от его нахождения in situ2». Из дальнейшего наибольший интерес представляют опыты, относящиеся к 28 октября 1831 г. Эта дата может считаться днем рождения прототипа современных динамо-машин - так называемого «медного диска Фарадея. В его записной книжке отмечено, что он «заставил медный диск вращаться между полюсами подковообразного магнита Королевского общества. Ось и край диска были соединены с гальванометром. Стрелка отклонялась, как только диск начинал вращаться». Исключительно напряженная работа была проделана менее, чем в полтора месяца. Верный своему методу начав работу, довести ее до конца и опубликовать, Фарадей привел в систему все полученные им данные и составил доклад для Королевского общества, который и был им прочитан 24 ноября 1831 г. Этот доклад послу- Фиг. 3. Медный диск Фарадея (собственноручный рисунок Фарадея). жил основанием первой серии знаменитых «Опытных исследований по электричеству». Заметим что в первых двух опытах о гальванометре не упоминается, появление индуцированного тока Фарадей наблюдал по отклонению магнитной стрелки, а уже в опыте с медным диском «ось и край диска были соединены с гальванометром» Гальванометр Фарадей изготовил сам, вот так его описал сам автор. «гальванометр был изготовлен примитивно, но все же был достаточно чувствителен в отношении своих показаний. Провод был медный с шелковой изоляцией, и содержал 16 или 18 витков. Две швейные иглы были намагничены и пропущены через высушенную соломинку параллельно одна другой. Эта система была подвешена на волокне из сученого шелка, так чтобы нижняя игла находилась внутри витков многократно намотанного провода, а верхняя под ними. Последняя являлась более сильным магнитом и давала устройству ориентировку относительно земли. На рис. 4 показано направление провода и игл, когда был помещен в магнитный меридиан. Для удобства дальнейших ссылок концы проводов отмечены буквами А и В, буквы S и N обозначают южный и северный концы иглы, когда на нее действует только земной магнетизм. Коней иглы N является, следовательно, отмеченным полюсом. Весь прибор был защищен стеклянной банкой; его положение и расстояние относительно большого магнита было такое же, как раньше.
ФАРАДЕЙ ПРЕДЛОЖИЛ И ДРУГИЕ РАЗНОВИДНОСТИ ОПЫТА: Замыкание (размыкание) цепи катушки с током Регулирование реостатом силы тока в цепи катушки Внесение (извлечение) катушки с током из катушки, замкнутой на гальванометр Вращение замкнутого контура в магнитном поле
Что же объединяет все эти опыты? Что можно сказать о магнитном потоке, как числе линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную контуром? При внесении (изъятии) магнита? При замыкании (размыкании) цепи? При изменении силы тока реостатом? При внесении (изъятии) катушки с током? При вращении контура в магнитном поле? изменяется
ЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ Заключается в возникновении электрического тока в замкнутом контуре при любом изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром Отличие полученного тока от известного нам ранее заключается в том, что для его получения не нужен источник тока
В первом эксперименте на деревянную или картонную катушку была намотана медная проволока, между ее витками – вторая проволока, изолированная от первой хлопчатобумажной нитью (рис. 2). Одна из спиралей соединялась с гальванометром, другая – с сильной батареей из 100 пар пластин. При замыкании и размыкании электрической цепи стрелка гальванометра слабо отклонялась. Но при непрерывном прохождении тока через первую спираль гальванометр оставался неподвижным. Очевидно, во вторичной цепи возникал ток. Но почему только при замыкании и размыкании первичной цепи? А каковы свойства этого тока? Поместив внутрь спирали, включенной во вторичную цепь, стальную иглу, Фарадей обнаружил, что она намагничивается индуктированным током. Следовательно, этот ток обладает теми же свойствами, что и ток, полученный от гальванической батареи. Но почему все-таки стрелка гальванометра неподвижна, когда ток проходит по первой спирали и даже нагревает ик, а великий экспериментатор оставался наедине со своими сомнениями. Было очевидно, что, поскольку спирали между собой электрически не соединены, первая действует на вторую через окружающую их среду. Естественно было предположить, как повлияет на отклонение стрелки гальванометра замена деревянной катушки железным кольцом? Ведь железо легко намагничивается током (рис. 3). Оказалось, что стрелка отклоняется на больший угол, т. е. среда, окружающая проводник с током, играет активную роль и может усиливать явление индукции. Отметим, кстати, что в опыте с железным кольцом и двумя спиралями можно увидеть прообраз простейшей конструкции трансформатора. Стремясь выяснить причину возникновения индукционного тока только при замыкании и размыкании первичной цепи, Фарадей пытался логически представить физический процесс этого явления. При замыкании и размыкании цепи возникало и исчезало магнитное поле, создаваемое током. Другими словами, происходило изменение магнитного состояния среды, окружавшей первичную и вторичную спирали. Но ведь магнитное состояние среды можно получить и без электрического тока, применяя обыкновенные стержневые постоянные магниты. Этот опыт Фарадей осуществил 24 сентября 1831 года. Он обмотал железный цилиндр медной изолированной проволокой, соединив ее концы с гальванометром. Цилиндр был помещен между двумя постоянными стержневыми магнитами, которые внизу соприкасались разноименными полюсами (рис. 4а). При смыкании и размыкании концов магнитов стрелка гальванометра отклонялась. Это явление Фарадей назвал уже «магнитно-электрической», а не «вольта-электрической индукцией». Позднее он подчеркнул, что принципиальной разницы между этими явлениями нет, и предложил название «электромагнитная индукция». Проходит более двух недель, и 17 октября 1831 года Фарадей ставит самый убедительный эксперимент, дающий прямой ответ на поставленную задачу. Если изменение магнитного поля, вызванное размыканием и замыканием магнитов, возбуждает в катушке ток, то это изменение можно вызвать еще более просто. На картонную катушку была намотана спираль из медной проволоки, соединявшейся концами с гальванометром (рис. 4б). Фарадей взял цилиндрический магнитный брусок и далее, пишет он в своем журнале, «... быстрым движением втолкнул магнит внутрь спирали на всю его длину, и стрелка гальванометра испытала толчок. Затем я так же быстро вытащил магнит... и стрелка качнулась, но в противоположную сторону. Эти качания стрелки повторялись всякий раз, как магнит вталкивался или выталкивался. Это значит, что электрическая волна возникает только при движении магнита, а не в силу свойств, присущих ему в покое». Итак, «магнетизм превращался в электричество» – гениальная гипотеза ученого была убедительно подтверждена! А через несколько дней Фарадей осуществляет еще один эксперимент, с помощью которого наглядно объясняет явление, открытое Араго, и показывает возможность егнита вышеописанным образом, я полагаю, что опыт г-на Араго может стать новым источником получения электричества, и надеялся, что... мне удастся сконструировать электрическую машину» (курсив Фарадея). Опыт заключался в следующем. Фарадей принес в лабораторию большой подковообразный электромагнит, хранящийся до сих пор в музее Лондонского Королевского общества (рис. 5). К полюсам магнита он прикрепил «два стальных бруска» и в промежуток между ними ввел край медного диска. Край диска и его ось были соединены посредством щеток с гальванометром. При вращении диска стрелка гальванометра «показывала наличие в нем электрического тока», причем стрелка испытывала не мгновенный толчок, а все время находилась в отклоненном положении, пока диск вращался. Это был первый в мире электромашинный генератор («диск Фарадея»), получивший позднее название униполярного генератора. С него начинается история электрических машин. Действие своего генератора Фарадей объяснял так: медный диск можно представить в виде колеса с бесконечно большим числом спиц – радиальных проводников. При вращении диска эти спицы-проводники пересекают магнитные силовые линии, в них возникает индуктивный ток. Создание первого электромашинного генератора обусловило зарождение и последующее бурное развитие не только электротехники, но и многих других отраслей науки и техники, связанных с электромагнитными явлениями, в том числе радиотехники и электросвязи. Еще в 90-х годах XIX века известный сербский ученый Н. Тесла построил несколько типов электрических генераторов высокой частоты. В России первый высокочастотный генератор, использованный для получения радиоволн, был создан в 1912 году будущим членом-корреспондентом АН СССР В.П. Вологдиным. В 1922-м он создал высокочастотный генератор мощностью 150 кВт и частотой 15 кГц, который был использован для осуществления радиосвязи между Москвой и Нью-Йорком в 1925 году. Широкое применение нашли также дуговые электрические генераторы, дававшие возможность получения электрической дуги как источника электромагнитных волн. Незаменимым элементом радиотехнических устройств является трансформатор, прообраз которого создал Фарадей. Читателям «Connect’a» будет интересно узнать о находке в архивах Лондонского Королевского общества в 1938 году конверта, в котором хранилось ранее неизвестное письмо Фарадея, датированное 12 марта 1832 года. Письмо начиналось словами: «Новые воззрения, подлежащие в настоящее время хранению в запечатанном конверте в Архиве Королевского общества». Далее Фарадей писал: «...Результаты исследований привели меня к заключению, что на распространение магнитного воздействия требуется время... которое, очевидно, оказывается весьма незначительным. Я полагаю также, что электрическая индукция распространяется точно таким же образом. Я полагаю, что распространение магнитных сил похоже на колебание взволнованной водной поверхности или же на звуковые колебания частиц воздуха (что близко к понятию «электрь намерен приложить теорию колебаний к магнитным явлениям, как это сделано по отношению к звуку и является наиболее вероятным объяснением световых явлений. Эти воззрения я хочу проверить экспериментально, но так как мое время занято... я хочу, передавая это письмо на хранение Королевскому обществу, закрепить открытие определенной датой. В настоящее время, насколько мне известно, никто из ученых, кроме меня, не имеет подобных взглядов» (курсив наш – Я.Ш.). Фарадей утверждает, что распространение магнитных сил «похоже на колебание взволнованной водной поверхности». Никто до него не сумел найти столь простой и ощутимый образ сложного электромагнитного явления. В тот день, когда Фарадей запечатал свое письмо, великому его соотечественнику Д.К. Максвеллу, сформулировавшему и математически обосновавшему основные положения теории электромагнитного поля, еще не исполнилось и года (он родился 13.06.1831). Идеей о существовании электромагнитных волн и невиданной скорости их распространения Фарадей создал своеобразный плацдарм для последующего бурного развития электросвязи и радиотехники. Как указывает исследователь творчества Фарадея профессор П.С. Кудрявцев, Фарадей по праву считается «основателем физики электромагнитного поля». Он впервые открыл активную роль среды, окружающей проводники с током или магниты. «Линиями магнитных сил, – писал Фарадей, – я называю те линии, которые становятся доступными нашему зрению, когда мы рассматриваем расположение железных опилок вокруг полюсов магнита». Какое зримое, образное описание сложного физического явления. Кстати, и сегодня в школьных физических кабинетах именно так демонстрируются «силовые линии» магнитного поля. «Фарадей, – писал Максвелл, – своим мысленным оком видел силовые линии, проходящие по всему пространству там, где математики...ничего не видели, кроме расстояния. Фарадей искал сущность явлений в том, что в действительности происходит в среде...» (курсив Максвелла). Именно Максвеллу принадлежит заслуга в развитии и математической обработке идей Фарадея. Перелистывая страницы фарадеевского лабораторного журнала (его содержание позднее было изложено в солидном труде), можно только поражаться широте и глубине его творческих поисков. Широко известны открытые им законы электролиза, исследования разряда в вакууме и газах (впоследствии на основе его наблюдений и выводов были открыты рентгеновские лучи и радиоактивность), открытие диамагнетизма и парамагнетизма, установление единой природы различных видов электричества – «животного», гальванического, статического, «магнитного», термоэлектричества, введение понятия «диэлектрик». Им также было открыто явление самоиндукции. При исследовании явлений электролиза Фарадей ввел термины электролиз, электролит, электрод, анод, катод, ион, которые сохранились до наших дней. Результаты выдающихся экспериментов Фарадея с 1831 года в течение 24 лет регулярно печатались в научном журнале «P великолепный памятник научного творчества Фарадея представляет единственное и неповторимое научное произведение, в котором нашли свое отражение воззрения, мысли и труды великого ученого». Однако напряженный повседневный труд не мог не сказаться на здоровье ученого, заметно ухудшилась его когда-то феноменальная память. Он стал меньше работать, но еще в семидесятилетнем возрасте проводил эксперименты. Ему было уже за 70, когда он, объехав по океану на лодке несколько маяков, дал авторитетное заключение о целесообразности замены масляных ламп электрическими фонарями. Всемирно известный ученый оставался человеком исключительной скромности и высоких нравственных качеств. Он много лет получал небольшое жалованье и жил в маленькой квартире с «углем и свечами». И только в последние годы указом короля ему была назначена заслуженная пенсия. Много лет он читал бесплатные общедоступные лекции в Королевском институте и в течение 25 лет выступал в дни Рождественских каникул с лекциями для юношества, сопровождавшимися замечательными опытами. Как популяризатор Фарадей занимает особое место в истории науки. Уже давно считается непревзойденной его популярная книжка «История свечи», которая содержит лекции, прочитанные для детей. По свидетельству друзей и родных (детей у Фарадея не было), он был в высшей степени добрым и жизнерадостным человеком, в горе и несчастье первым приходил на помощь. Не забывая о своем происхождении, Фарадей всегда оказывал внимание простым и бедным людям. Однако здоровье Фарадея все ухудшалось, и в 1865 году он подал заявление об освобождении от должности заведующего лабораторией. Но Совет Королевского института, поблагодарив его за многолетнюю плодотворную деятельность, попросил «...нести эти попечения, только поскольку это будет ему приятно...». 25 августа 1867 года, сидя в своем любимом кресле, Майкл Фарадей скончался. Перед смертью он пожелал, чтобы его кончина была отмечена так же скромно, как он провел свою жизнь. На могиле ученого на Хайгетском кладбище в Лондоне установлен простой надгробный памятник, указаны его имя и фамилия, даты рождения и смерти. И ни слова о его всемирной славе!.. За прошедшие 170 лет со дня открытия Фарадеем явления электромагнитной индукции это и многие другие открытия великого физика не устарели. Наоборот, их значение еще более возросло. Достаточно напомнить об успехах космических наук, космических кораблях и межпланетных связях. Имя Фарадея увековечено открытыми им законами и понятиями: «фарадеево темное пространство», «Фарадея метод измерения», «число Фарадея (постоянная Фарадея)» и, наконец, единица измерения электрической емкости «фарада». Как пророчески заметил крупнейший немецкий ученый Г. Гельмгольц, до тех пор пока люди пользуются благами электричества, они с благодарностью будут вспоминать Фарад На частотах до 100 ГГц и более. Вследствие особого характера излучения они могут создавать на местности зоны с высокой плотностью потока энергии (100 Вт/м2и более). 4. Влияние электромагнитного поля на индивидуальное здоровье человека. Человеческий организм всегда реагирует на внешнее электромагнитное поле. В силу различного волнового состава и других факторов электромагнитное поле различных... Не
самостоятельные
независимые
от материи
реальности,
а внутренние
формы ее бытия»1.
Такую неразрывную
связь пространства
и времени с
движущейся
материей с
успехом показала
теория относительности
Эйнштейна.
Были также
попытки использовать
теорию относительности
идеалистами
в качестве
доказательства
своей правоты.
Так, например,
американский
физик и философ
Ф. Франк говорил,
что физика ХХ
века, ...
Это смещение, деформация частиц эфира, распространяется по кривым линиям. Фарадей показал это следующим опытом (рис. 216). Над наэлектризованным цилиндром был помещён металлический диск. В различных участках за этим диском f, g, h помещался пробный шарик. В ближайшей к цилиндру точке f заряд не индуктировался, но в g и h индукционный заряд можно было обнаружить. С точки зрения действия на расстояние следовало бы заключить о непосредственной передаче по прямым линиям и, следовательно, ожидать электризации в f. Поэтому Фарадей из факта экранирующего действия проводников (которое он продемонстрировал еще эффектным опытом с клеткой) сделал вывод о невозможности actio in distance, о роли среды. Для того чтобы исследовать влияние среды, фарадей изготовил сферические конденсаторы, названные им аппаратами распределения. Внешняя обкладка конденсатора состояла из двух металлических полусфер. Внутренний шар подвешивался на проволоке, окружённой сургучом. Пространство между обкладками можно было соединять с воздушным насосом, заполнять различными газами, а также заполнять жидкими изоляторами или расплавленными твёрдыми (серой, шеллаком). Один из таких конденсаторов заряжается и приводится в соприкосновение с другим. Если промежуточная среда одинакова, то заряд распределяется поровну. Иное будет, «ели один аппарат имеет воздушную прослойку, а другой - наполовину заполнен шеллаком. При одинаковых потенциалах внутренних обкладок (внешние заземлены) заряд распределится не поровну, ёмкость конденсатора с шеллаком увеличится. Различные тела обладают, как выражается Фарадей, различной индуктивной способностью. Вещества, способные передавать индукционные действия, он назвал диэлектриками. К диэлектрикам относится и чистый эфир. Диэлектрики, по Фарадею, являются носителями электрического состояния. Если удалить обкладки конденсатора и привести во взаимное соприкосновение (опыт с разбррным конденсатором), а затем вновь собрать конденсатор, то обкладки вновь зарядятся: диэлектрик сохранял своё поляризационное состояние.
Влияние среды должно иметь место во всех электрических явлениях, и вгчастности в электрическом разряде. Форма и характер разряда существенно зависят от промежуточной среды, химической природы газа, его давления, температуры. Фарадей начал изучение газового разряда, и его именем названо открытое им тёмное пространство в светящемся под действием разряда разреженном газе.
Итак, различные случаи электрических процессов приводят фарадея к выводу, что причину этих процессов следует искать во внутреннем состоянии частиц диэлектрика или проводника. Природа электрических сил - не дальнодействие, а близко действие. Таков, по мнению Фарадея, характер всех центральных сил. Но так называемые «поперечные» силы, т. е. силы взаимодействия токов, силы их магнитного поля, не зависят от свойств промежуточной среды. По крайней мере попытки фарадея обнаружить такое влияние успеха не имели: «…поперечная сила распределения токов, тоже способная действовать на расстояние, не распространяется таким же образом (т. е. как электрическая) через посредство промежуточных частиц». Всё же Фарадей полагает «возможным и даже вероятным, что магнитное действие передается на расстояние через посредство промежуточных частиц».
Так было открыто магнитное вращение плоскости поляризации. Сообщение об этом новом эффекте помещено в девятнадцатой серии «Экспериментальных исследований» под характерным названием «О намагничивании света и освещенности магнитных линий сил». Наиболее сильно вращало плоскость поляризации кремнеборное стекло, затем стекло с борнокислой окисью свинца. Так Фарадей открыл действие магнита на свет.Введение поля. Фарадей, Томсон и Максвелл
Поле сил и сила Ньютона
Великий Экспериментатор
Затянувшееся открытие
Поле как предчувствие. Исследования явлений самоиндукции
Проблема физической реальности силовых линий
В русском переводе первый том этой книги вышел в 1947 году, второй - в 1951, а третий - в 1959 году в серии «Классики науки» (М.: Издательство АН СССР). (Прим. ред.
)
В 1892 году Уильям Томсон был удостоен дворянского титула «лорд Кельвин» за фундаментальные работы в различных областях физики, в частности по прокладке трансатлантического кабеля, связавшего Англию и США.
Уже 29 августа 1831 г. Фарадей, экспериментируя с прототипом современного трансформатора (рис. 1), наблюдал появление индуктированного электрического тока.
Литература и интернет-ресурсы: А.В.Перышкин, Е.М.Гутник «Физика 9» M_Faraday_Th_Phillips_oil_1842.jpghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/88/M_Faraday_Th_Phillips_oil_1842.jpg/220px- M_Faraday_Th_Phillips_oil_1842.jpg - слайд 1 -слайд слайд слайд 4 -слайд 5 -слайд 6 -слайд 7 -слайд 7 -слайд 7 -слайд 8 -слайд 9 -слайд слайд слайд 11
