Фарадей и электромагнетизм


СОДЕРЖАНИЕ:

Жизнь и творчество Майкла Фарадея (стр. 1 из 5)

РЕФЕРАТ

Жизнь и творчество Майкла Фарадея

Открытие электромагнитной индукции. 3

Экспериментальные исследования по электричеству. 4

Вторая половина жизни. 14

Первый этап жизни

Майкл Фарадей родился 22 сентября 1791 года в Лондоне, в одном из беднейших его кварталов. Его отец был кузнецом, а мать — дочерью земледельца-арендатора. Квартира, в которой появился на свет и провел первые годы своей жизни великий ученый, находилась на заднем дворе и помещалась над конюшнями.

Когда Фарадей достиг школьного возраста, его отдали в начальную школу. Курс, пройденный Майклом, был очень узок и ограничивался только обучением чтению, письму и началам счета.

В нескольких шагах от дома, в котором жила семья Фарадеев, находилась книжная лавка, которая вместе, с тем была и переплетным заведением. Сюда-то и попал Фарадей, закончив курс начальной школы, когда возник вопрос о выборе профессии для него. Фарадею в это время минуло только 13 лет.

Само собою разумеется, что, пользуясь для чтения таким случайным источником, как переплетная мастерская, Фарадей не мог придерживаться какой-либо системы, а должен был читать все, что попадется под руку. Но уже в юношеском возрасте, когда Фарадей только начинал свое самообразование, он стремился опираться исключительно на факты и проверять сообщения других собственными опытами. Эти стремления проявлялись в нем всю жизнь как основные черты его научной деятельности.

Физические и химические опыты Фарадей стал проделывать еще мальчиком при первом же знакомстве с физикой и химией. Так как он не получал за свою работу в переплетной мастерской никакого вознаграждения, то его средства были более чем ничтожны, образуясь из случайного заработка, перепадавшего на его долю.

Некоторые из заказчиков его хозяина, принадлежавшие к научному миру и посещавшие переплетную мастерскую, заинтересовались преданным науке учеником переплетчика и, желая дать ему возможность получить хоть какие-то систематические познания в любимых науках — физике и химии, — устроили ему доступ на лекции тогдашних ученых, предназначавшиеся для публики.

Однажды Майкл Фарадей посетил одну из лекций Хэмфри Деви, великого английского физика, изобретателя безопасной лампы для шахтеров. Фарадей сделал подробную запись лекции, переплел ее и отослал Деви. Тот был настолько поражен, что предложил Фарадею работать с ним в качестве секретаря. Вскоре Деви отправился в путешествие по Европе и взял с собой Фарадея. За два года они посетили крупнейшие европейские университеты.

Вернувшись в Лондон в 1815 году, Фарадей начал работать ассистентом в одной из лабораторий Королевского института в Лондоне. В то время это была одна из лучших физических лабораторий мира. С 1816 по 1818 год Фарадей напечатал ряд мелких заметок и небольших мемуаров по химии. К 1818 году относится первая работа Фарадея по физике, посвященная исследованию поющего пламени.

По большому счету, этот период был для Фарадея лишь подготовительною школой. Он не столько работал самостоятельно, сколько учился и готовился к тем блестящим работам, которые составили эпоху в истории физики и химии.

12 июня 1821 года Майкл женится на мисс Бернард. Ее семейство было давно и дружески знакомо с Фарадеями; оно принадлежало к той же секте «зандеманов», членами которой был и Фарадей. Со своей невестой Фарадей был в наилучших отношениях еще с детства. Бракосочетание совершилось без всякой пышности — соответственно характеру «зандеманства», равно как и характеру самого Фарадея. Брак Фарадея был очень счастлив. Вскоре после брака Фарадей сделался главою общины «зандеманов».

Материальное положение его к этому времени также, было упрочено, его избрали смотрителем дома Королевского института, а затем директором химической лаборатории с соответствующим содержанием. Вместе с тем это избрание давало ему теперь прекрасную возможность работать для науки без всяких помех и стеснений.

Опираясь на опыты своих предшественников, он скомбинировал несколько собственных опытов, а к сентябрю 1821 года Майкл напечатал «Историю успехов электромагнетизма». Уже в это время он составил вполне правильное понятие о сущности явления отклонения магнитной стрелки под действием тока. Добившись этого успеха» Фарадей на целых десять лет оставляет занятия в области электричества, посвятив себя исследованию целого ряда предметов иного рода.

В том же году, еще работая над вопросом о вращении магнитной стрелки под влиянием тока, он случайно натолкнулся на явление испарения ртути при обыкновенной температуре. Позже Фарадей посвятил немало внимания изучению этого предмета и, основываясь на своих исследованиях, установил совершенно новый взгляд на сущность испарения. Теперь же он оставил этот вопрос, увлекаясь все новыми предметами исследований. Так, вскоре он стал заниматься опытами над составом стали и впоследствии любил одаривать своих друзей стальными бритвами из открытого им сплава.

В 1823 году Фарадеем было произведено одно из важнейших открытий в области физики — он впервые добился сжижения газа и вместе с тем установил простой, но действительный метод обращения газов в жидкость.

В 1824 году Фарадей установил, что свет влияет на цвет стекла, изменяя его. В следующем году Фарадей снова обращается от физики к химии, и результатом его работ в этой области является открытие бензина и серно-нафталиновой кислоты.

В 1831 году Фарадей опубликовал трактат «Об особого рода оптическом обмане», послуживший основанием прекрасного и любопытного оптического снаряда, именуемого «хромотропом». В том же году вышел трактат Фарадея «О вибрирующих пластинках».

Исследования в области электромагнетизма и индукционного электричества, составляющие наиболее ценный алмаз в венце славы Фарадея, поглотили большую часть его жизни и его сил. По своему обыкновению Фарадей начал ряд опытов, долженствовавших выяснить суть дела. На одну и ту же деревянную скалку Фарадей намотал параллельно друг другу две изолированные проволоки; концы одной проволоки он соединил с батареей из десяти элементов, а концы другой — с чувствительным гальванометром. Оказалось, что в тот момент, когда в первую проволоку пропускается ток, а также когда это пропускание прекращается, во второй проволоке также возбуждается ток, имеющий в первом случае противоположное направление с первым током и одинаковое с ним во втором случае и продолжающийся всего одно мгновение.

Эти вторичные мгновенные токи, вызываемые влиянием первичных индукцией, названы были Фарадеем индуктивными, и это название сохранилось за ними доселе. Будучи мгновенными, моментально исчезая вслед за своим появлением, индуктивные токи не имели бы никакого практического значения, если бы Фарадей не нашел способ при помощи остроумного приспособления (коммутатора) беспрестанно прерывать и снова проводить первичный ток, идущий от батареи по первой проволоке. Благодаря этому во второй проволоке беспрерывно возбуждаются все новые и новые индуктивные токи, становящиеся, таким образом, постоянными. Так был найден новый источник электрической энергии, помимо ранее известных (трения и химических процессов), — индукция, и новый вид этой энергии — индукционное электричество.

Эти открытия повлекли за собой новые. Если можно вызвать индуктивный ток замыканием и прекращением гальванического тока, то не получится ли тот же результат от намагничивания и размагничивания железа?

Он проводит опыт такого рода: вокруг железного кольца были обмотаны две изолированные проволоки; причем одна проволока была обмотана вокруг одной половины кольца, а другая — вокруг другой. Через одну проволоку пропускался ток от гальванической батареи, а концы другой были соединены с гальванометром. И вот, когда ток замыкался или прекращался и когда, следовательно, железное кольцо намагничивалось или размагничивалось, стрелка гальванометра быстро колебалась и затем быстро останавливалась, то есть в нейтральной проволоке возбуждались все те же мгновенные индуктивные токи — на этот раз уже под влиянием магнетизма. Таким образом, здесь впервые магнетизм был превращен в электричество.

Фарадей также заметил, что действие магнита проявляется и на некотором расстоянии от него. Это явление он назвал магнитным полем.

Присущее электричеству напряжения свойство создавать вблизи себя противоположное электрическое состояние получило общее название индукции. Поскольку оно вошло в научный язык, названием этим можно с полным основанием пользоваться в таком же общем смысле и в том случае, если бы электрические токи оказались способными переводить находящуюся в непосредственной близости от них материю в некоторое особое состояние, которое до того было безразличным. В этом именно смысле я и предполагаю употреблять этот термин в настоящем докладе.

Целый ряд действий, вызываемых индукцией электрических токов, был найден и описан ранее, как-то: намагничивание, опыты Ампера с поднесением медного диска к плоской спирали, повторение им при помощи электромагнитов замечательных опытов Араго и, может быть, кое-какие другие. Однако казалось невероятным, чтобы этим исчерпывались все действия, которые может производить индукция токов, тем более, что в отсутствии железа почти все эти явления отпадают, тогда как имеется бесчисленное множество тел, обнаруживающих определенные явления индукции от электричества напряжения, и тела эти до сих пор еще не были подвергнуты действию индукции от электричества в движении.

Далее: примем ли мы прекрасную теорию Ампера или какую-либо другую, или мысленно откажемся от теорий, все же представляется весьма необычайным, чтобы, с одной стороны, всякий электрический ток сопровождался магнитным действием соответствующей интенсивности, направленным под прямым углом к току, и чтобы в то же время в хороших проводниках электричества, помещенных в сферу этого действия, совсем не индуцировался ток, не возникало какое-либо ощутимое действие, эквивалентное по силе такому току.

Открытие электромагнитной индукции

После открытий Эрстеда и Ампера стало ясно, что электричество обладает магнитной силой. Теперь необходимо было подтвердить влияние магнитных явлений на электрические. Эту задачу блистательно решил Фарадей.

Майкл Фарадей (1791—1867) родился в Лондоне, в одной из беднейших его частей. Его отец был кузнецом, а мать — дочерью земледельца-арендатора. Когда Фарадей достиг школьного возраста, его отдали в начальную школу. Курс, пройденный Фарадеем здесь, был очень узок и ограничивался только обучением чтению, письму и началам счета.

В нескольких шагах от дома, в котором жила семья Фарадеев, находилась книжная лавка, бывшая вместе с тем и переплетным заведением. Сюда-то и попал Фарадей, закончив курс начальной школы, когда возник вопрос о выборе профессии для него. Майклу в это время минуло только 13 лет. Уже в юношеском возрасте, когда Фарадей только что начинал свое самообразование, он стремился опираться исключительно только на факты и проверять сообщения других собственными опытами.

Эти стремления доминировали в нем всю жизнь как основные черты его научной деятельности Физические и химические опыты Фарадей стал проделывать еще мальчиком при первом же знакомстве с физикой и химией. Однажды Майкл посетил одну из лекций Гэмфри Дэви, великого английского физика.

Фарадей сделал подробную запись лекции, переплел ее и отослал Дэви. Тот был настолько поражен, что предложил Фарадею работать с ним в качестве секретаря. Вскоре Дэви отправился в путешествие по Европе и взял с собой Фарадея. За два года они посетили крупнейшие европейские университеты.

Вернувшись в Лондон в 1815 году, Фарадей начал работать ассистентом в одной из лабораторий Королевского института в Лондоне. В то время это была одна из лучших физических лабораторий мира С 1816 по 1818 год Фарадей напечатал ряд мелких заметок и небольших мемуаров по химии. К 1818 году относится первая работа Фарадея по физике.

Опираясь на опыты своих предшественников и скомбинировав несколько собственных опытов, к сентябрю 1821 года Майкл напечатал «Историю успехов электромагнетизма». Уже в это время он составил вполне правильное понятие о сущности явления отклонения магнитной стрелки под действием тока.

Добившись этого успеха, Фарадей на целых десять лет оставляет занятия в области электричества, посвятив себя исследованию целого ряда предметов иного рода. В 1823 году Фарадеем было произведено одно из важнейших открытий в области физики — он впервые добился сжижения газа, и вместе с тем установил простой, но действительный метод обращения газов в жидкость. В 1824 году Фарадей сделал несколько открытий в области физики.

Среди прочего он установил тот факт, что свет влияет на цвет стекла, изменяя его. В следующем году Фарадей снова обращается от физики к химии, и результатом его работ в этой области является открытие бензина и серно-нафталиновой кислоты.

В 1831 году Фарадей опубликовал трактат «Об особого рода оптическом обмане», послуживший основанием прекрасного и любопытного оптического снаряда, именуемого «хромотропом». В том же году вышел еще один трактат ученого «О вибрирующих пластинках». Многие из этих работ могли сами- по себе обессмертить имя их автора. Но наиболее важными из научных работ Фарадея являются его исследования в области электромагнетизма и электрической индукции.

Строго говоря, важный отдел физики, трактующий явления электромагнетизма и индукционного электричества, и имеющий в настоящее время такое громадное значение для техники, был создан Фарадеем из ничего.

К тому времени, когда Фарадей окончательно посвятил себя исследованиям в области электричества, было установлено, что при обыкновенных условиях достаточно присутствия наэлектризованного тела, чтобы влияние его возбудило электричество во всяком другом теле. Вместе с тем было известно, что проволока, по которой проходит ток и которая также представляет собою наэлектризованное тело, не оказывает никакого влияния на помещенные рядом другие проволоки.

Отчего зависело это исключение? Вот вопрос, который заинтересовал Фарадея и решение которого привело его к важнейшим открытиям в области индукционного электричества. По своему обыкновению Фарадей начал ряд опытов, долженствовавших выяснить суть дела.

На одну и ту же деревянную скалку Фарадей намотал параллельно друг другу две изолированные проволоки. Концы одной проволоки он соединил с батареей из десяти элементов, а концы другой — с чувствительным гальванометром. Когда был пропущен ток через первую проволоку,

Фарадей обратил все свое внимание на гальванометр, ожидая заметить по колебаниям его появление тока и во второй проволоке. Однако ничего подобного не было: гальванометр оставался спокойным. Фарадей решил увеличить силу тока и ввел в цепь 120 гальванических элементов. Результат получился тот же. Фарадей повторил этот опыт десятки раз и все с тем же успехом.

Всякий другой на его месте оставил бы опыты, убежденный, что ток, проходящий через проволоку, не оказывает никакого действия на соседнюю проволоку. Но фарадей старался всегда извлечь из своих опытов и наблюдений все, что они могут дать, и потому, не получив прямого действия на проволоку, соединенную с гальванометром, стал искать побочные явления.

Сразу же он заметил, что гальванометр, оставаясь совершенно спокойным во все время прохождения тока, приходит в колебание при самом замыкании цепи и при размыкании ее Оказалось, что в тот момент, когда в первую проволоку пропускается ток, а также когда это пропускание прекращается, во второй проволоке также возбуждается ток, имеющий в первом случае противоположное направление с первым током и одинаковое с ним во втором случае и продолжающийся всего одно мгновение.

Эти вторичные мгновенные токи, вызываемые влиянием первичных, названы были Фарадеем индуктивными, и это название сохранилось за ними доселе. Будучи мгновенными, моментально исчезая вслед за своим появлением, индуктивные токи не имели бы никакого практического значения, если бы Фарадей не нашел способ при помощи остроумного приспособления (коммутатора) беспрестанно прерывать и снова проводить первичный ток, идущий от батареи по первой проволоке, благодаря чему во второй проволоке беспрерывно возбуждаются все новые и новые индуктивные токи, становящиеся, таким образом, постоянными. Так был найден новый источник электрической энергии, помимо ранее известных (трения и химических процессов), — индукция, и новый вид этой энергии — индукционное электричество.

Продолжая свои опыты, Фарадей открыл далее, что достаточно простого приближения проволоки, закрученной в замкнутую кривую, к другой, по которой идет гальванический ток, чтобы в нейтральной проволоке возбудить индуктивный ток направления, обратного гальваническому току, что удаление нейтральной проволоки снова возбуждает в ней индуктивный ток уже одинакового направления с гальваническим, идущим по неподвижной проволоке, и что, наконец, эти индуктивные токи возбуждаются только во время приближения и удаления проволоки к проводнику гальванического тока, а без этого движения токи не возбуждаются, как бы близко друг к другу проволоки ни находились.

Таким образом, было открыто новое явление, аналогичное вышеописанному явлению индукции при замыкании и прекращении гальванического тока. Эти открытия вызвали в свою очередь новые. Если можно вызвать индуктивный ток замыканием и прекращением гальванического тока, то не получится ли тот же результат от намагничивания и размагничивания железа?

Работы Эрстеда и Ампера установили уже родство магнетизма и электричества. Было известно, что железо делается магнитом, когда вокруг него обмотана изолированная проволока и по последней проходит гальванический ток, и что магнитные свойства этого железа прекращаются, как только прекращается ток.

Исходя из этого, Фарадей придумал такого рода опыт: вокруг железного кольца были обмотаны две изолированные проволоки; причем одна проволока была обмотана вокруг одной половины кольца, а другая — вокруг другой. Через одну проволоку пропускался ток от гальванической батареи, а концы другой были соединены с гальванометром. И вот, когда ток замыкался или прекращался и когда, следовательно, железное кольцо намагничивалось или размагничивалось, стрелка гальванометра быстро колебалась и затем быстро останавливалась, то есть в нейтральной проволоке возбуждались все те же мгновенные индуктивные токи — на этот раз: уже под влиянием магнетизма.

Таким образом, здесь впервые магнетизмбыл превращен в электричество. Получив эти результаты, Фарадей решил разнообразить свои опыты. Вместо железного кольца он стал употреблять железную полосу. Вместо возбуждения в железе магнетизма гальваническим током он намагничивал железо прикосновением его к постоянному стальному магниту. Результат получался тот же: в проволоке, обматывавшей железо, всегда! возбуждался ток в момент намагничивания и размагничивания железа.

Затем Фарадей вносил в проволочную спираль стальной магнит — приближение и удаление последнего вызывало в проволоке индукционные токи. Словом, магнетизм, в смысле возбуждения индукционных , токов, действовал совершенно так же, как и гальванический ток.

Вся биография biography.su

Nav view search

Навигация

Искать

Фарадей Майкл

  • » onclick=»window.open(this.href,’win2′,’status=no,toolbar=no,scrollbars=yes,titlebar=no,menubar=no,resizable=yes,w >

Подробности Категория: Физики Опубликовано: 25.02.2020 16:17 Автор: Биограф Просмотров: 1913

Фарадей Майкл
Родился: 22 сентября 1791 года.
Умер: 25 августа 1867 года.

Биография

Майкл Фарадей (англ. Michael Faraday [ˈfæ.rəˌdeɪ], 22 сентября 1791, Лондон — 25 августа 1867, Лондон) — английский физик-экспериментатор и химик. Член Лондонского королевского общества (1824) и множества других научных организаций, в том числе иностранный почётный член Петербургской академии наук (1830).

Открыл электромагнитную индукцию, лежащую в основе современного промышленного производства электричества и многих его применений. Создал первую модель электродвигателя. Среди других его открытий — первый трансформатор, химическое действие тока, законы электролиза, действие магнитного поля на свет, диамагнетизм. Первым предсказал электромагнитные волны. Фарадей ввёл в научный обиход термины ион, катод, анод, электролит, диэлектрик, диамагнетизм, парамагнетизм и др.

Фарадей — основоположник учения об электромагнитном поле, которое затем математически оформил и развил Максвелл. Основной идейный вклад Фарадея в физику электромагнитных явлений заключался в отказе от ньютонова принципа дальнодействия и во введении понятия физического поля — непрерывной области пространства, сплошь заполненной силовыми линиями и взаимодействующей с веществом.

Ранние годы. Переплётчик

Майкл Фарадей родился 22 сентября 1791 года в посёлке Ньюингтон-Баттс близ Лондона (ныне Большой Лондон), в семье кузнеца. Семья — отец Джеймс (1761—1810), мать Маргарет (1764—1838), братья Роберт и Майкл, сестры Элизабет и Маргарет — жила дружно, но в нужде, поэтому уже в 13 лет Майкл, оставив школу, начал работать рассыльным в лондонском книжном магазине, принадлежащем французу-эмигранту Рибо. После испытательного срока он стал (там же) учеником переплётчика.

Фарадей так и не сумел получить систематическое образование, но рано проявил любознательность и страсть к чтению. В магазине было немало научных книг; в позднейших воспоминаниях Фарадей особо отметил книги по электричеству и химии, причём по ходу чтения он сразу начал проводить простые самостоятельные опыты. Отец и старший брат Роберт в меру своих возможностей поощряли тягу Майкла к знаниям, поддерживали его материально и помогли изготовить простейший источник электричества — «Лейденскую банку». Поддержка брата продолжалась и после скоропостижной смерти отца в 1810 году.

Важным этапом в жизни Фарадея стали посещения Городского философского общества (1810—1811 годы), где 19-летний Майкл по вечерам слушал научно-популярные лекции по физике и астрономии, участвовал в диспутах. Некоторые учёные, посещавшие книжный магазин, отметили способного юношу; в 1812 году один из посетителей, музыкант Уильям Денс (William Dance), подарил ему билет на цикл публичных лекций в Королевском институте знаменитого химика и физика, первооткрывателя многих химических элементов Гемфри Дэви.

Лаборант Королевского института (1812—1815)

Майкл не только с интересом выслушал, но и подробно записал и переплёл четыре лекции Дэви, которые послал ему вместе с письмом с просьбой взять его на работу в Королевский институт. Этот, как выразился сам Фарадей, «смелый и наивный шаг» оказал на его судьбу решающее влияние. Профессор, сам прошедший путь от ученика аптекаря, был восхищён обширными знаниями юноши, но в тот момент в институте не было вакантных мест, и просьба Майкла была удовлетворена лишь через несколько месяцев. В начале 1813 года Дэви, который был в Институте директором химической лаборатории, пригласил 22-летнего юношу на освободившееся место лаборанта Королевского института.

В обязанности Фарадея входили в основном помощь профессорам и другим лекторам Института при подготовке лекций, учёт материальных ценностей и уход за ними. Но сам он старался использовать любую возможность для пополнения своего образования, и в первую очередь — внимательно слушал все подготовленные им лекции. Одновременно Фарадей, при благожелательном содействии Дэви, проводил собственные химические эксперименты по интересующим его вопросам. Свои служебные обязанности Фарадей исполнял настолько тщательно и умело, что вскоре стал незаменимым помощником Дэви.

Осенью 1813 года Фарадей отправился вместе с профессором и его женой, как помощник и секретарь, в двухлетнее путешествие по научным центрам Европы, только что разгромившей Наполеона. Это путешествие имело для Фарадея большое значение: Дэви как знаменитость мирового масштаба приветствовали многие выдающиеся учёные того времени, в том числе А. Ампер, М. Шеврель, Ж. Л. Гей-Люссак и А. Вольта. Некоторые из них обратили внимание на блестящие способности молодого англичанина.

Путь в науку (1815—1821)

После возвращения в мае 1815 года в Королевский институт Фарадей приступил к интенсивной работе в новой должности ассистента, с довольно высоким для того времени окладом 30 шиллингов в месяц. Он продолжил самостоятельные научные исследования, за которыми засиживался допоздна. Уже в это время проявились отличительные черты Фарадея — трудолюбие, методичность, тщательность исполнения экспериментов, стремление проникнуть в сущность исследуемой проблемы. В первой половине XIX века он заслужил славу «короля экспериментаторов». Всю жизнь он вёл аккуратные лабораторные дневники своих опытов (изданы в 1931 году). Последний эксперимент по электромагнетизму помечен в соответствующем дневнике номером 16041, всего Фарадей провёл за свою жизнь около 30000 экспериментов.

В 1816 году появилась первая печатная работа Фарадея (об анализе химического состава тосканского известняка), в следующие 3 года число публикаций превысило 40, главным образом по химии. Завязывается переписка Фарадея с крупными европейскими химиками и физиками. В 1820 году Фарадей провёл несколько опытов по выплавке сталей с добавками никеля. Эта работа считается открытием нержавеющей стали, которое в то время не заинтересовало металлургов.

В 1821 году в жизни Фарадея произошло несколько важных событий. В июле он женился на 20-летней Саре Барнард (Sarah Barnard, 1800—1879), сестре его друга. По отзывам современников, брак был счастливым, Майкл и Сара прожили вместе 46 лет. Жили супруги на верхнем этаже Королевского института, за отсутствием собственных детей они воспитывали малолетнюю племянницу-сироту Джейн; Фарадей также постоянно заботился о своей матери Маргарет (умерла в 1838 году). В Институте Фарадей получил место технического смотрителя здания и лабораторий Королевского института (Superintendent of the House). Наконец, его экспериментальные исследования начали неуклонно перемещаться в область физики. Несколько значительных работ по физике, опубликованных в 1821 году, показали, что Фарадей вполне сложился как крупный учёный. Главное место среди них занимала статья об изобретении электродвигателя, с которой фактически начинается промышленная электротехника.

Создание электродвигателя. Научная известность (1821—1830)

С 1820 года Фарадея чрезвычайно увлекла проблема исследования связей между электричеством и магнетизмом. К этому моменту уже существовала и стараниями К. Гаусса и Дж. Грина была в основном разработана наука электростатика. В 1800 году А. Вольта открыл мощный источник постоянного тока («вольтов столб»), и начала стремительно развиваться новая наука — электродинамика. Сразу же были сделаны два выдающихся открытия: электролиз (1800 год) и электрическая дуга (1802).

Но главные события начались в 1820 году, когда Эрстед обнаружил на опыте отклоняющее действие тока на магнитную стрелку. Первые теории, связывающие электричество и магнетизм, построили в том же году Био, Савар и позже Лаплас (см. Закон Био — Савара — Лапласа). А. Ампер, начиная с 1822 года, опубликовал свою теорию электромагнетизма, по которой первичным явлением является дальнодействующее взаимодействие проводников с током. Формула Ампера для взаимодействия двух элементов тока вошла в учебники. Среди прочего, Ампер открыл электромагнит (соленоид).

После серии опытов Фарадей опубликовал в 1821 году трактат «О некоторых новых электромагнитных движениях и о теории магнетизма», где показал, как заставить намагниченную стрелку непрерывно вращаться вокруг одного из магнитных полюсов. По существу эта конструкция представляла собой ещё несовершенный, но вполне практичный электродвигатель, впервые в мире осуществивший непрерывное превращение электрической энергии в механическую. Имя Фарадея становится всемирно известным.

Конец 1821 года, в целом триумфального для Фарадея, омрачила клевета. Известный химик и физик Уильям Волластон пожаловался Дэви, что опыт Фарадея с вращением стрелки является плагиатом его, волластоновской идеи (практически никогда им не реализованной). История получила большую огласку и доставила Фарадею немало неприятностей. Дэви стал на сторону Волластона, отношения его с Фарадеем заметно ухудшились. В октябре Фарадей добился личной встречи с Волластоном, где разъяснил свою позицию, и состоялось примирение. Однако в январе 1824 года, когда Фарадей был избран членом Лондонского королевского общества, Дэви, тогдашний президент Королевского общества, был единственным, голосовавшим против (сам Волластон голосовал за избрание). Отношения Фарадея и Дэви позднее улучшились, но лишились прежней сердечности, хотя Дэви любил повторять, что из всех его открытий самым значительным было «открытие Фарадея».

Признанием научных заслуг Фарадея стало избрание его членом-корреспондентом Парижской Академии наук (1823). В 1825 году Дэви решил оставить руководство лабораторией Королевского института и рекомендовал назначить Фарадея директором физической и химической лабораторий, что и было вскоре сделано. Дэви скончался после продолжительной болезни в 1829 году.

После первых успехов в фарадеевских исследованиях электромагнетизма наступила десятилетняя пауза и до 1831 года он почти не публиковал работы на эту тему: опыты не давали желаемого результата, новые обязанности отвлекали, возможно, повлиял также неприятный скандал 1821 года.

В 1830 году Фарадей получил профессорскую кафедру сначала в Королевской военной академии (Вулидж), а с 1833 года — и в Королевском институте (по химии). Читал он лекции не только в Королевском институте, но и в нескольких других научных организациях и кружках. Современники чрезвычайно высоко оценивали преподавательские качества Фарадея, умевшего сочетать наглядность и доступность с глубиной рассмотрения предмета. Его научно-популярный шедевр для детей «История свечи» (популярные лекции, 1861 год) издаётся до сих пор.

Исследование электромагнетизма (1831—1840)

В 1822 году в лабораторном дневнике Фарадея появилась запись: «Превратить магнетизм в электричество». Рассуждения Фарадея были следующими: если в опыте Эрстеда электрический ток обладает магнитной силой, а, по убеждению Фарадея, все силы взаимопревращаемы, то и движение магнита должно возбуждать электрический ток.

Путь к электрогенератору оказался нелёгким — первые опыты были неудачны. Главной причиной неудач было незнание того факта, что электрический ток порождается только переменным магнитным полем, причём достаточно сильным (иначе ток будет слишком слаб для регистрации). Для усиления эффекта следовало магнит (или проводник) быстро двигать, а проводник свернуть в катушку. Только десять лет спустя, в 1831 году, Фарадей нашёл, наконец, решение проблемы, обнаружив электромагнитную индукцию. С этого открытия начался самый плодотворный период исследований Фарадея (1831—1840), давший научному миру его знаменитую серию статей «Экспериментальные исследования по электричеству» (всего он опубликовал в «Philosophical Transactions» 30 выпусков, выходивших с 1831 по 1835 год). Уже в 1832 году Фарадей за открытие индукции был награждён медалью Копли.

Сообщение об опытах Фарадея немедленно вызвало сенсацию в научном мире Европы, массовые газеты и журналы также уделяли им немало внимания. Множество научных организаций избрали Фарадея своим почётным членом (всего он получил 97 дипломов). Если открытие электродвигателя показало, как можно использовать электричество, то опыты по индукции указывали, как создать мощный его источник (электрогенератор). С этого момента трудности на пути широкого внедрения электроэнергии стали чисто техническими. Физики и инженеры активно занялись исследованием индукционных токов и конструированием всё более совершенных электротехнических устройств; первые промышленные модели появились ещё при жизни Фарадея (генератор переменного тока Ипполита Пикси, 1832), а в 1872 году Фридрих фон Хефнер-Альтенек представил высокоэффективный генератор, впоследствии улучшенный Эдисоном.

В 1832 году Фарадей исследовал ещё одну важную в те годы проблему. На тот момент были известны несколько источников электричества: трение, вольтов столб, некоторые животные (например, электрический скат), фарадеевская индукция, термоэлемент (открыт в 1821 году, см. эффект Зеебека). Отдельные учёные выражали сомнение в том, что все эти эффекты имеют единую природу, и даже использовали разные термины: «гальванизм», «животное электричество» и т. п. Фарадей провёл сотни опытов и закрыл проблему, показав, что все проявления электричества (тепловые, световые, химические, физиологические, магнитные и механические) совершенно одинаковы, независимо от источника его получения.

В 1835 году переутомление Фарадея привело к первому приступу болезни, которая мешала ему работать до 1837 года.

Последние годы (1840—1867)

Несмотря на всемирную славу, Фарадей до конца жизни оставался скромным добросердечным человеком. Он отклонил предложение возвести его, как ранее Ньютона и Дэви, в рыцарское достоинство, дважды отказался стать президентом Королевского общества (в 1848 и 1858 годах). Во время Крымской войны правительство Великобритании предложило ему участвовать в разработке химического оружия против русской армии, но Фарадей с возмущением отверг это предложение как аморальное. Фарадей вёл непритязательный образ жизни и часто отклонял выгодные предложения, если они мешали бы ему заниматься любимым делом.

В 1840 году Фарадей вновь тяжело заболел (резкий упадок сил, ухудшение и частичная потеря памяти) и смог вернуться к активной работе только 4 года спустя, на короткий срок. Существует версия, что болезнь стала следствием отравления парами ртути, часто использовавшейся в его опытах. Рекомендованное врачами путешествие по Европе (1841) помогло мало. Друзья стали хлопотать о назначении всемирно известному физику государственной пенсии. Премьер-министр Великобритании (Уильям Лэм, лорд Мельбурн) сначала отнёсся к этому неодобрительно, но под давлением общественного мнения вынужден был дать своё согласие. Биограф и друг Фарадея Джон Тиндаль подсчитал, что после 1839 года Фарадей жил в крайней нужде (менее 22 фунтов в год), а после 1845 года пенсия (300 фунтов в год) стала его единственным источником дохода. Тиндаль с горечью добавляет: «Он умер бедняком, но имел честь поддерживать на почётном месте научную славу Англии в продолжение сорока лет».

В 1845 году Фарадей ненадолго вернулся к активной работе и сделал несколько выдающихся открытий, в том числе: поворот плоскости поляризации света в веществе, помещённом в магнитное поле (эффект Фарадея) и диамагнетизм.

Это были последние его открытия. В конце года болезнь возобновилась. Но Фарадей сумел вызвать ещё одну общественную сенсацию. В 1853 году он, со всей обычной тщательностью, исследовал модное в те годы «столоверчение» и уверенно заявил, что стол движется не вызванными духами умерших, а бессознательными движениями пальцев участников. Этот результат вызвал лавину возмущённых писем оккультистов, но Фарадей ответил, что примет претензии только от самих духов.

В 1848 году королева Виктория предоставила Фарадею в пожизненное пользование дом, входящий в дворцовый комплекс Хэмптон-Корт. Все домовые расходы и налоги королева взяла на себя. В 1858 году Фарадей ушёл в отставку с большинства своих постов и поселился в Хэмптон-Корте, где провёл последние 9 лет жизни.

Время от времени состояние здоровья позволяло Фарадею ненадолго возвращаться к активной деятельности. В 1862 году он выдвинул гипотезу, что магнитное поле может смещать спектральные линии. Однако оборудование тех лет было недостаточно чувствительно, чтобы обнаружить этот эффект. Только в 1897 году Питер Зееман подтвердил гипотезу Фарадея (сославшись на него как на автора) и получил в 1902 году за это открытие Нобелевскую премию.

Майкл Фарадей умер 25 августа 1867 года за письменным столом, немного не дожив до 76-летия. Похоронен на Хайгейтском кладбище, участок для лиц неангликанского вероисповедания.

«Экспериментальные исследования по электричеству»

Фарадей работал чрезвычайно методично — обнаружив эффект, он изучал его максимально глубоко — например, выяснял, от каких параметров и как он зависит (материал, температура и т. п.). Поэтому число опытов (и соответственно — число выпусков «Опытных исследований по электричеству») так велико. Нижеследующий краткий перечень тематики выпусков даёт представление о размахе и глубине исследований Фарадея.

Индукция электрических токов. Образование электричества из магнетизма.
Земная магнито-электрическая индукция.
Тождество отдельных видов электричества, происходящих от различных источников (в то время многие физики считали, что разные способы получения генерируют принципиально «разное электричество»).
О новом законе электрической проводимости.
Об электрохимическом разложении. Влияние воды на электрохимическое разложение. Теория электрохимического разложения.
О способности металлов и других твёрдых тел вызывать соединение газообразных тел.
Об электрохимическом разложении (продолжение). О некоторых общих условиях электрохимического разложения. О новом приборе для измерения гальванического электричества. О первичном или вторичном характере выделяющихся у электродов химических веществ. Об определённой природе и о размерах электрохимического разложения.
Об электричестве гальванического элемента; его источник, количество, напряжение и основные свойства его. О напряжении, необходимом для электролиза.
Об индуктивном влиянии электрического тока на самого себя и об индуктивном действии электрических токов вообще.
О гальванической батарее усовершенствованного типа. Некоторые практические указания.
Теория индукции. Общие выводы относительно природы индукции.
Об индукции (продолжение). Проводимость, или кондуктивный разряд. Электролитический разряд. Разрывной разряд и изоляция.
Об индукции (продолжение). Разрывной разряд (продолжение).
Природа электрической силы или сил. Связь между электрической и магнитной силами. Замечания об электрическом возбуждении.
Заключение о характере направления электрической силы у электрического угря.
Об источнике мощности гальванического элемента.
Об источнике мощности гальванического элемента (продолжение). Действие температуры. Действие разведения. Изменения порядка металлических элементов в гальванических цепях. Неправдоподобность предположения о контактной природе силы.
Об электричестве, развивающемся при трении воды и пара о другие тела.
Действие магнитов на свет. Действие электрических токов на свет.
О новых магнитных действиях и о магнитном состоянии всякого вещества. Действие магнитов на тяжёлое стекло. Действие магнитов на другие вещества, оказывающие магнитное действие на свет. Действие магнитов на металлы вообще.
О новых магнитных действиях и о магнитном состоянии всякого вещества (продолжение). Действие магнитов на магнитные металлы и их соединения. Действие магнитов на воздух и газы.
О кристаллической полярности висмута и других тел и её отношении к магнитной форме силы. Кристаллическая полярность висмута, сурьмы, мышьяка. Кристаллическое состояние различных тел. О природе магнекристаллической силы и общие соображения. О положении кристалла сульфата железа в магнитном поле.
О полярном или ином состоянии диамагнитных тел.
О возможной связи между тяготением и электричеством.
О магнитном и диамагнитном состоянии тел. Газообразные тела под влиянием магнитной силы не расширяются. Разностное магнитное действие. Магнитные свойства кислорода, азота и пустоты.
Способность проводить магнетизм. Магнитная проводимость. Полярность проводимости. Магнекристаллическая проводимость. Атмосферный магнетизм.
Об атмосферном магнетизме (продолжение). Экспериментальное исследование законов магнитного действия атмосферы и их применение к отдельным случаям. Доклад об атмосферном магнетизме.
О магнитных силовых линиях, определённость их характера и их распределение в магните и в окружающем пространстве.
О применении индукционного магнитоэлектрического тока для обнаружения и измерения магнитной силы.

Другие работы по электромагнетизму

Фарадей собрал первый трансформатор, исследовал самоиндукцию, открытую в 1832 году американским учёным Дж. Генри, разряды в газах и др. При исследовании свойств диэлектриков ввёл понятие диэлектрической проницаемости (которую называл «индуктивной способностью»).

В 1836 году, работая над проблемами статического электричества, Фарадей провёл эксперимент, показавший, что электрический заряд воздействует только на поверхность замкнутой оболочки-проводника, не оказывая никакого воздействия на находящиеся внутри неё объекты. Данный эффект связан с тем, что противоположные стороны проводника приобретают заряды, поле которых компенсирует внешнее поле. Соответствующие защитные свойства используются в устройстве, известном ныне как клетка Фарадея.

Фарадей обнаружил поворот плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея). Это означало, что свет и электромагнетизм тесно связаны. Убеждённость Фарадея в единстве всех сил природы нашла ещё одно подтверждение. Позже Максвелл строго доказал электромагнитную природу света.

Химия

Фарадей сделал немало открытий в области химии. В 1824 году он открыл бензол и изобутилен, одним из первых получил в жидком состоянии хлор, сероводород, диоксид углерода, аммиак, этилен и диоксид азота. В 1825 году впервые синтезировал гексахлоран — вещество, на основе которого в XX веке изготовлялись различные инсектициды. Изучал каталитические реакции.

В 1825—1829 годах Фарадей, в составе комиссии Королевского общества, детально исследовал, как химический состав стекла влияет на его физические свойства. Стёкла Фарадея были слишком дороги для практического применения, но полученный практический опыт пригодился позже при экспериментах с действием магнита на свет и для выполнения правительственного задания по усовершенствованию маяков.

Электрохимия и магнитохимия

Как уже говорилось выше, Фарадей верил в единство всех сил в природе, поэтому естественно было ожидать, что химические свойства и законы связаны с электрическими. Подтверждение этому предположению он получил в 1832 году, открыв фундаментальные законы электролиза. Эти законы легли в основу нового раздела науки — электрохимии, имеющего сегодня огромное количество технологических приложений. Вид законов Фарадея наводил на мысль о существовании «электрических атомов» с наименьшим возможным зарядом; действительно, на рубеже XIX—XX веков эта частица (электрон) была обнаружена, и законы Фарадея помогли оценить её заряд. Предложенные Фарадеем термины ион, катод, анод, электролит укоренились в науке.

Каждый электрик должен знать:  Какой трехфазный электросчетчик выбрать для гостевого дома

Опыты по электрохимии дали ещё одно доказательство близкодействия электромагнетизма. Многие учёные считали тогда, что электролиз вызывается притяжением на расстоянии (ионов к электродам). Фарадей провёл простой опыт: отделил электроды от смоченной соляным раствором бумаги двумя воздушными промежутками, после чего отметил, что искровой разряд вызвал разложение раствора. Отсюда вытекало, что электролиз вызывается не дальним притяжением, а местным током, и происходит он только в местах прохождения тока. Движение ионов к электродам происходит уже после (и вследствие) разложения молекул.

В 1846 году Фарадей открыл диамагнетизм — эффект намагничивания некоторых веществ (например, кварца, висмута, серебра) противоположно направлению действующего на него внешнего магнитного поля, то есть отталкивание их от обоих полюсов магнита. Эти и другие опыты Фарадея заложили основу магнитохимии.

Другие исследования

Британское правительство неоднократно привлекало Фарадея, как признанного авторитета в области прикладной физики, к решению насущных технических задач — усовершенствование маяков, защита днищ кораблей от коррозии, экспертиза в судебных делах и др.

Фарадей исследовал наночастицы металла в коллоиде золота и описал их оптические и другие особенности по сравнению с частицами более крупных размеров. Этот опыт может считаться первым вкладом в нанотехнологию. Объяснение замеченным эффектам дала в XX веке квантовая теория.

Фарадей, Майкл

Майкл Фарадей
Michael Faraday
Дата рождения 22 сентября1791 ( 1791-09-22 ) [1][2][…]
Место рождения д. Ньюингтон-Баттс, Англия, Королевство Великобритания
Дата смерти 25 августа1867 ( 1867-08-25 ) [1][2][…] (75 лет)
Место смерти дворец Хэмптон-корт, Мидлсекс, Англия, Соединённое королевство Великобритании и Ирландии
Страна
  • Великобритания
  • Королевство Великобритания
Научная сфера физика, химия
Место работы
  • Королевский институт
Научный руководитель Гемфри Дэви
Награды и премии Бейкеровская лекция (1829, 1832, 1849, 1851, 1857)
Медаль Копли (1832, 1838)
Королевская медаль (1835, 1846)
Медаль Румфорда (1846)
Медаль Альберта (Королевское общество искусств) (1866)
Подпись
Цитаты в Викицитатнике
Произведения в Викитеке
Майкл Фарадей на Викискладе

Майкл Фараде́й (англ. Michael Faraday [ˈfæ.rəˌdeɪ] , 22 сентября 1791, Лондон — 25 августа 1867, Лондон) — английский физик-экспериментатор и химик. Член Лондонского королевского общества (1824) и множества других научных организаций, в том числе иностранный почётный член Петербургской академии наук (1830).

Открыл электромагнитную индукцию, лежащую в основе современного промышленного производства электричества и многих его применений. Создал первую модель электродвигателя. Среди других его открытий — первый трансформатор, химическое действие тока, законы электролиза, действие магнитного поля на свет, диамагнетизм. Первым предсказал электромагнитные волны [4] . Фарадей ввёл в научный обиход термины ион, катод, анод, электролит, диэлектрик, диамагнетизм, парамагнетизм и другие [5] .

Фарадей — основоположник учения об электромагнитном поле [4] , которое затем математически оформил и развил Максвелл. Основной идейный вклад Фарадея в физику электромагнитных явлений заключался в отказе от ньютонова принципа дальнодействия и во введении понятия физического поля — непрерывной области пространства, сплошь заполненной силовыми линиями и взаимодействующей с веществом [6] .

Содержание

Биография

Ранние годы. Переплётчик

Майкл Фарадей родился 22 сентября 1791 года в посёлке Ньюингтон-Баттс близ Лондона (ныне Большой Лондон), в семье кузнеца. Семья — отец Джеймс (1761—1810), мать Маргарет (1764—1838), братья Роберт и Майкл, сестры Элизабет и Маргарет [7] — жила дружно, но в нужде, поэтому уже в 13 лет Майкл, оставив школу, начал работать рассыльным в лондонском книжном магазине, принадлежащем французу-эмигранту Рибо. После испытательного срока он стал (там же) учеником переплётчика.

Фарадей так и не сумел получить систематическое образование, но рано проявил любознательность и страсть к чтению. В магазине было немало научных книг; в позднейших воспоминаниях Фарадей особо отметил книги по электричеству и химии, причём по ходу чтения он сразу начал проводить простые самостоятельные опыты [8] . Отец и старший брат Роберт в меру своих возможностей поощряли тягу Майкла к знаниям, поддерживали его материально и помогли изготовить простейший источник электричества — «Лейденскую банку». Поддержка брата продолжалась и после скоропостижной смерти отца в 1810 году.

Важным этапом в жизни Фарадея стали посещения Городского философского общества (1810—1811 годы), где 19-летний Майкл по вечерам слушал научно-популярные лекции по физике и астрономии, участвовал в диспутах. Некоторые учёные, посещавшие книжный магазин, отметили способного юношу; в 1812 году один из посетителей, музыкант Уильям Денс (William Dance), подарил ему билет [9] на цикл публичных лекций в Королевском институте знаменитого химика и физика, первооткрывателя многих химических элементов Гемфри Дэви.

Лаборант Королевского института (1812—1815)

Майкл не только с интересом выслушал, но и подробно записал и переплёл четыре лекции Дэви, которые послал ему вместе с письмом с просьбой взять его на работу в Королевский институт. Этот, как выразился сам Фарадей, «смелый и наивный шаг» оказал на его судьбу решающее влияние. Профессор, сам прошедший путь от ученика аптекаря, был восхищён обширными знаниями юноши, но в тот момент в институте не было вакантных мест, и просьба Майкла была удовлетворена лишь через несколько месяцев. В начале 1813 года Дэви, который был в Институте директором химической лаборатории, пригласил 22-летнего юношу на освободившееся место лаборанта Королевского института [10] .

В обязанности Фарадея входили в основном помощь профессорам и другим лекторам Института при подготовке лекций, учёт материальных ценностей и уход за ними. Но сам он старался использовать любую возможность для пополнения своего образования, и в первую очередь — внимательно слушал все подготовленные им лекции. Одновременно Фарадей, при благожелательном содействии Дэви, проводил собственные химические эксперименты по интересующим его вопросам. Свои служебные обязанности Фарадей исполнял настолько тщательно и умело, что вскоре стал незаменимым помощником Дэви [11] .

Осенью 1813 года Фарадей отправился вместе с профессором и его женой, как помощник и секретарь, в двухлетнее путешествие по научным центрам Европы, только что разгромившей Наполеона. Это путешествие имело для Фарадея большое значение: Дэви как знаменитость мирового масштаба приветствовали многие выдающиеся учёные того времени, в том числе А. Ампер, М. Шеврель, Ж. Л. Гей-Люссак и А. Вольта. Некоторые из них обратили внимание на блестящие способности молодого англичанина [12] .

Путь в науку (1815—1821)

После возвращения в мае 1815 года в Королевский институт Фарадей приступил к интенсивной работе в новой должности ассистента, с довольно высоким для того времени окладом 30 шиллингов в месяц. Он продолжил самостоятельные научные исследования, за которыми засиживался допоздна. Уже в это время проявились отличительные черты Фарадея — трудолюбие, методичность, тщательность исполнения экспериментов, стремление проникнуть в сущность исследуемой проблемы. В первой половине XIX века он заслужил славу «короля экспериментаторов» [13] . Всю жизнь он вёл аккуратные лабораторные дневники своих опытов (изданы в 1931 году). Последний эксперимент по электромагнетизму помечен в соответствующем дневнике номером 16041 [14] , всего Фарадей провёл за свою жизнь около 30000 экспериментов [15] .

В 1816 году появилась первая печатная работа Фарадея (об анализе химического состава тосканского известняка), в следующие 3 года число публикаций превысило 40, главным образом по химии. Завязывается переписка Фарадея с крупными европейскими химиками и физиками. В 1820 году Фарадей провёл несколько опытов по выплавке сталей с добавками никеля. Эта работа считается открытием нержавеющей стали, которое в то время не заинтересовало металлургов [16] .

В 1821 году в жизни Фарадея произошло несколько важных событий. В июле он женился на 20-летней Саре Барнард (Sarah Barnard, 1800—1879) [комм. 1] , сестре его друга. По отзывам современников, брак был счастливым, Майкл и Сара прожили вместе 46 лет. Жили супруги на верхнем этаже Королевского института, за отсутствием собственных детей они воспитывали малолетнюю племянницу-сироту Джейн; Фарадей также постоянно заботился о своей матери Маргарет (умерла в 1838 году) [17] [18] . В Институте Фарадей получил место технического смотрителя здания и лабораторий Королевского института (Superintendent of the House). Наконец, его экспериментальные исследования начали неуклонно перемещаться в область физики. Несколько значительных работ по физике, опубликованных в 1821 году, показали, что Фарадей вполне сложился как крупный учёный. Главное место среди них занимала статья об изобретении электродвигателя, с которой фактически начинается промышленная электротехника.


Создание электродвигателя. Научная известность (1821—1830)

С 1820 года Фарадея чрезвычайно увлекла проблема исследования связей между электричеством и магнетизмом. К этому моменту уже существовала и стараниями К. Гаусса и Дж. Грина была в основном разработана наука электростатика. В 1800 году А. Вольта открыл мощный источник постоянного тока («вольтов столб»), и начала стремительно развиваться новая наука — электродинамика. Сразу же были сделаны два выдающихся открытия: электролиз (1800 год) и электрическая дуга (1802).

Но главные события начались в 1820 году, когда Эрстед обнаружил на опыте отклоняющее действие тока на магнитную стрелку. Первые теории, связывающие электричество и магнетизм, построили в том же году Био, Савар и позже Лаплас (см. Закон Био — Савара — Лапласа). А. Ампер, начиная с 1822 года, опубликовал свою теорию электромагнетизма, по которой первичным явлением является дальнодействующее взаимодействие проводников с током. Формула Ампера для взаимодействия двух элементов тока вошла в учебники. Среди прочего, Ампер открыл электромагнит (соленоид).

После серии опытов Фарадей опубликовал в 1821 году статью «О некоторых новых электромагнитных движениях и о теории магнетизма», где показал, как заставить намагниченную стрелку непрерывно вращаться вокруг одного из магнитных полюсов. По существу эта конструкция представляла собой ещё несовершенный, но вполне работоспособный электродвигатель, впервые в мире осуществивший непрерывное превращение электрической энергии в механическую [19] . Имя Фарадея становится всемирно известным.

Конец 1821 года, в целом триумфального для Фарадея, омрачила клевета. Известный химик и физик Уильям Волластон пожаловался Дэви, что опыт Фарадея с вращением стрелки является плагиатом его, волластоновской идеи (практически никогда им не реализованной). История получила большую огласку и доставила Фарадею немало неприятностей. Дэви стал на сторону Волластона, отношения его с Фарадеем заметно ухудшились. В октябре Фарадей добился личной встречи с Волластоном, где разъяснил свою позицию, и состоялось примирение. Однако в январе 1824 года, когда Фарадей был избран членом Лондонского королевского общества, Дэви, тогдашний президент Королевского общества, был единственным, голосовавшим против [20] (сам Волластон голосовал за избрание) [21] . Отношения Фарадея и Дэви позднее улучшились, но лишились прежней сердечности, хотя Дэви любил повторять, что из всех его открытий самым значительным было «открытие Фарадея» [22] .

Признанием научных заслуг Фарадея стало избрание его членом-корреспондентом Парижской Академии наук (1823). В 1825 году Дэви решил оставить руководство лабораторией Королевского института и рекомендовал назначить Фарадея директором физической и химической лабораторий, что и было вскоре сделано. Дэви скончался после продолжительной болезни в 1829 году.

После первых успехов в фарадеевских исследованиях электромагнетизма наступила десятилетняя пауза и до 1831 года он почти не публиковал работы на эту тему: опыты не давали желаемого результата, новые обязанности отвлекали, возможно, повлиял также неприятный скандал 1821 года [23] .

В 1830 году Фарадей получил профессорскую кафедру сначала в Королевской военной академии (Вулидж), а с 1833 года — и в Королевском институте (по химии). Читал он лекции не только в Королевском институте, но и в нескольких других научных организациях и кружках. Современники чрезвычайно высоко оценивали преподавательские качества Фарадея, умевшего сочетать наглядность и доступность с глубиной рассмотрения предмета [24] . Его научно-популярный шедевр для детей «История свечи» (популярные лекции, 1861 год) издаётся до сих пор.

Исследование электромагнетизма (1831—1840)

В 1822 году в лабораторном дневнике Фарадея появилась запись: «Превратить магнетизм в электричество». Рассуждения Фарадея были следующими: если в опыте Эрстеда электрический ток обладает магнитной силой, а, по убеждению Фарадея, все силы взаимопревращаемы, то и движение магнита должно возбуждать электрический ток.

Путь к электрогенератору оказался нелёгким — первые опыты были неудачны. Главной причиной неудач было незнание того факта, что электрический ток порождается только переменным магнитным полем, причём достаточно сильным (иначе ток будет слишком слаб для регистрации). Для усиления эффекта следовало магнит (или проводник) быстро двигать, а проводник свернуть в катушку [25] . Только десять лет спустя, в 1831 году, Фарадей нашёл, наконец, решение проблемы, обнаружив электромагнитную индукцию. С этого открытия начался самый плодотворный период исследований Фарадея (1831—1840), давший научному миру его знаменитую серию статей «Экспериментальные исследования по электричеству» (всего он опубликовал в «Philosophical Transactions» 30 выпусков, выходивших с 1831 по 1835 год). Уже в 1832 году Фарадей за открытие индукции был награждён медалью Копли.

Сообщение об опытах Фарадея немедленно вызвало сенсацию в научном мире Европы, массовые газеты и журналы также уделяли им немало внимания. Множество научных организаций избрали Фарадея своим почётным членом (всего он получил 97 дипломов) [26] . Если открытие электродвигателя показало, как можно использовать электричество, то опыты по индукции указывали, как создать мощный его источник (электрогенератор). С этого момента трудности на пути широкого внедрения электроэнергии стали чисто техническими. Физики и инженеры активно занялись исследованием индукционных токов и конструированием всё более совершенных электротехнических устройств; первые промышленные модели появились ещё при жизни Фарадея (генератор переменного тока Ипполита Пикси, 1832), а в 1872 году Фридрих фон Хефнер-Альтенек представил высокоэффективный генератор, впоследствии улучшенный Эдисоном [27] .

В 1832 году Фарадей исследовал ещё одну важную в те годы проблему. На тот момент были известны несколько источников электричества: трение, вольтов столб, некоторые животные (например, электрический скат), фарадеевская индукция, термоэлемент (открыт в 1821 году, см. эффект Зеебека). Отдельные учёные выражали сомнение в том, что все эти эффекты имеют единую природу, и даже использовали разные термины: «гальванизм», «животное электричество» и т. п. Фарадей провёл сотни опытов и закрыл проблему, показав, что все проявления электричества (тепловые, световые, химические, физиологические, магнитные и механические) совершенно одинаковы, независимо от источника его получения [28] [29] .

В 1835 году переутомление Фарадея привело к первому приступу болезни, которая мешала ему работать до 1837 года.

Последние годы (1840—1867)

Несмотря на всемирную славу, Фарадей до конца жизни оставался скромным добросердечным человеком [17] . Он отклонил предложение возвести его, как ранее Ньютона и Дэви, в рыцарское достоинство, дважды отказался стать президентом Королевского общества (в 1848 и 1858 годах) [30] . Во время Крымской войны правительство Великобритании предложило ему участвовать в разработке химического оружия против русской армии, но Фарадей с возмущением отверг это предложение как аморальное [31] . Фарадей вёл непритязательный образ жизни и часто отклонял выгодные предложения, если они мешали бы ему заниматься любимым делом.

В 1840 году Фарадей вновь тяжело заболел (резкий упадок сил, ухудшение и частичная потеря памяти) и смог вернуться к активной работе только 4 года спустя, на короткий срок. Существует версия, что болезнь стала следствием отравления парами ртути, часто использовавшейся в его опытах [32] . Рекомендованное врачами путешествие по Европе (1841) помогло мало. Друзья стали хлопотать о назначении всемирно известному физику государственной пенсии. Премьер-министр Великобритании (Уильям Лэм, лорд Мельбурн) сначала отнёсся к этому неодобрительно, но под давлением общественного мнения вынужден был дать своё согласие. Биограф и друг Фарадея Джон Тиндаль подсчитал, что после 1839 года Фарадей жил в крайней нужде (менее 22 фунтов в год), а после 1845 года пенсия (300 фунтов в год [22] ) стала его единственным источником дохода. Тиндаль с горечью добавляет: «Он умер бедняком, но имел честь поддерживать на почётном месте научную славу Англии в продолжение сорока лет» [33] .

В 1845 году Фарадей ненадолго вернулся к активной работе и сделал несколько выдающихся открытий [34] , в том числе: поворот плоскости поляризации света в веществе, помещённом в магнитное поле (эффект Фарадея) и диамагнетизм.

Это были последние его открытия. В конце года болезнь возобновилась. Но Фарадей сумел вызвать ещё одну общественную сенсацию. В 1853 году он, со всей обычной тщательностью, исследовал модное в те годы «столоверчение» и уверенно заявил, что стол движется не вызванными духами умерших, а бессознательными движениями пальцев участников. Этот результат вызвал лавину возмущённых писем оккультистов [35] , но Фарадей ответил, что примет претензии только от самих духов [36] .

В 1848 году королева Виктория, высоко ценившая Фарадея (ранее приглашала его к себе на ланч), предоставила Фарадею в пожизненное пользование дом, входящий в дворцовый комплекс Хэмптон-Корт [37] [38] . Все домовые расходы и налоги королева взяла на себя. В 1858 году Фарадей ушёл в отставку с большинства своих постов и поселился в Хэмптон-Корте, где провёл последние 9 лет жизни.

Время от времени состояние здоровья позволяло Фарадею ненадолго возвращаться к активной деятельности. В 1862 году он выдвинул гипотезу, что магнитное поле может смещать спектральные линии. Однако оборудование тех лет было недостаточно чувствительно, чтобы обнаружить этот эффект. Только в 1897 году Питер Зееман подтвердил гипотезу Фарадея (сославшись на него как на автора) и получил в 1902 году за это открытие Нобелевскую премию [39] .

Майкл Фарадей умер 25 августа 1867 года за письменным столом, немного не дожив до 76-летия. Королева Виктория предложила похоронить учёного в Вестминстерском аббатстве, однако была исполнена воля самого Фарадея: скромные похороны и простой надгробный памятник в обычном месте. Могила учёного находится на Хайгейтском кладбище, участок для лиц не англиканского вероисповедания. Впрочем, воля королевы также была исполнена — в Вестминстерском аббатстве, рядом с могилой Ньютона, была установлена памятная табличка Майкла Фарадея [40] .

Научная деятельность

Исследования по электромагнетизму

Электромагнитная индукция

    Опыты Фарадея по индукции

При движении соленоида с током внутри проволочной катушки в ней возникает ток

«Трансформатор Фарадея»: при включении или выключении тока в одной обмотке регистрируется ток в другой

Основные опыты состоялись в период 29 августа — 4 ноября 1831 года, главными из них стали два [41] :

  • При движении магнитного сердечника внутри проволочной катушки в последней возникал электрический ток.
  • Включение или выключение тока в проволочной катушке приводило к появлению тока во вторичной катушке, чьи витки чередуются с витками первой.

17 октября 1831 года Фарадей пришёл к выводу: «электрическая волна возникает только при движении магнита, а не в силу свойств, присущих ему в покое». Он поставил решающий эксперимент [14] :

Я взял цилиндрический магнитный брусок (3/4 дюйма в диаметре и 8 1/4 дюйма длиной) и ввёл один его конец внутрь спирали из медной проволоки (220 футов длиной), соединенной с гальванометром. Потом я быстрым движением втолкнул магнит внутрь спирали на всю его длину, и стрелка гальванометра испытала толчок. Затем я так же быстро вытащил магнит из спирали, и стрелка опять качнулась, но в противоположную сторону. Эти качания стрелки повторялись всякий раз, как магнит вталкивался или выталкивался.

Ещё раньше, 29 августа, Фарадей провёл аналогичный опыт с электромагнитом [42] :

Двести три фута медной проволоки в одном куске были намотаны на большой деревянный барабан; другие двести три фута такой же проволоки были проложены в виде спирали между витками первой обмотки, причем металлический контакт был везде устранен посредством шнурка. Одна из этих спиралей была соединена с гальванометром, а другая — с хорошо заряженной батареей из ста пар пластин в четыре квадратных дюйма с двойными медными пластинками. При замыкании контакта наблюдалось внезапное, но очень слабое действие на гальванометр, и подобное же слабое действие имело место при размыкании контакта с батареей.

Таким образом, перемещающийся возле проводника магнит (или включение/выключение тока в соседнем проводнике) порождают в данном проводнике электрический ток. Это явление Фарадей назвал электромагнитной индукцией.

28 октября он собрал первый полноценный генератор постоянного тока («диск Фарадея»): при вращении медного диска рядом с магнитом на диске возникает электрический потенциал, который снимается прилегающим проводом. Фарадей показал, как механическую энергию вращения преобразовать в электрическую. Толчком к этому изобретению послужил опыт Араго (1824 год): крутящийся магнит увлекал в своё вращение расположенный ниже медный диск, хотя медь неспособна намагничиваться [43] . И обратно, если вращать медный диск вблизи магнита, подвешенного таким образом, что он может вращаться в плоскости, параллельной плоскости диска, то при вращении диска магнит следует за его движением. Араго обсуждал этот эффект с Ампером, Пуассоном и другими знаменитыми физиками, но объяснить его им не удалось.

В отчёте о полученных результатах, обнародованном Фарадеем 24 ноября 1831 года перед Королевским обществом, он впервые употребил ключевой термин «магнитные силовые линии». Это означало переход от дискретной картины «заряды/магниты» прежних теорий, построенных по образцу дальнодействующего ньютоновского тяготения, к совершенно новому непрерывному и близкодейственному физическому объекту, которое мы теперь называем полем. Несколько позже Фарадей аналогично ввёл электрические силовые линии.

После открытий Фарадея стало ясно, что старые модели электромагнетизма (Ампер, Пуассон и др.) неполны и должны быть существенно переработаны. Сам Фарадей объяснял электромагнитную индукцию следующим образом. Окрестность всякого заряженного тела пронизано электрическими силовыми линиями, которые передают «силу» (по современной терминологии, энергию), и аналогично энергия магнитного поля течёт вдоль магнитных силовых линий. Эти линии не следует рассматривать как условные абстракции, они представляют собой физическую реальность [44] . При этом:

  1. Всякое изменение электрического состояния среды порождает магнитное поле.
  2. Всякое изменение магнитного состояния среды порождает электрическое поле [44] .

Точную формулировку этих законов и полную математическую модель электромагнетизма дал спустя 30 лет Джеймс Максвелл, родившийся в год открытия индукции (1831).

При индукции, указал Фарадей, величина возникающего в проводнике тока тем больше, чем больше магнитных силовых линий за единицу времени, в ходе изменения состояния, пересекает этот проводник [45] . В свете этих законов причина движения в описанном выше опыте Араго стала понятна: когда материал диска пересекал магнитные силовые линии, в нём создавались индукционные токи, магнитное поле которых взаимодействовало с исходным. Позднее Фарадей повторил опыт с «диском Фарадея», используя вместо лабораторного магнита земной магнетизм [29] .

Фарадеевская модель электромагнитного поля

Мир электромагнитных явлений, каким его представлял и описывал Фарадей, решительно отличался от всего, что было в физике прежде. В записи своего дневника от 7 ноября 1845 года Фарадей впервые употребил термин «электромагнитное поле» (англ. field ) [46] , этот термин позднее перенял и ввёл в широкое употребление Максвелл. Поле — это область пространства, сплошь пронизанная силовыми линиями. Силы взаимодействия токов, введённые Ампером, считались дальнодействующими; Фарадей решительно оспорил это положение и сформулировал (словесно) свойства электромагнитного поля как существенно близкодейственные, то есть непрерывно передающиеся от каждой точки к соседним точкам с конечной скоростью [6] [47] .

До Фарадея электрические силы понимались как взаимодействие зарядов на расстоянии — где нет зарядов, нет и сил. Фарадей изменил эту схему: заряд создаёт протяжённое электрическое поле, и уже с ним взаимодействует другой заряд, дальнодействия на расстоянии нет. С магнитным полем положение оказалось более сложным — оно не является центральным, и именно для определения направления магнитных сил в каждой точке Фарадей ввёл понятие силовых линий [48] . Веским основанием для отказа от действия на расстоянии были опыты Фарадея с диэлектриками и диамагнетиками — они ясно показали, что среда между зарядами активно участвует в электромагнитных процессах [49] . Более того, Фарадей убедительно показал, что в ряде ситуаций электрические силовые линии искривляются, подобно магнитным — например, экранировав два изолированных шара друг от друга и зарядив один из них, можно наблюдать индуктивные заряды на втором шаре [29] . Из полученных результатов Фарадей сделал вывод, «что сама обычная индукция во всех случаях является действием смежных частиц и что электрическое действие на расстоянии (то есть обыкновенное индуктивное действие) происходит только благодаря влиянию промежуточной материи» [50] .

Джеймс Клерк Максвелл в «Трактате об электричестве и магнетизме» указал на суть представлений Фарадея об электромагнетизме [51] :

Фарадей своим мысленным взором видел пронизывающие всё пространство силовые линии там, где математики видели центры сил, притягивающие на расстоянии. Фарадей видел среду там, где они не видели ничего, кроме расстояния. Фарадей усматривал местонахождение явлений в тех реальных процессах, которые происходят в среде, а они довольствовались тем, что нашли его в силе действия на расстоянии, которая прикладывается к электрическим жидкостям.

…Некоторые из наиболее плодотворных методов исследования, открытых математиками, могли бы быть выражены в терминах представлений, заимствованных у Фарадея, значительно лучше, чем они выражались в их оригинальной форме.

Начиная с 11-го выпуска серии «Экспериментальных исследования по электричеству», Фарадей посчитал возможным обобщить и теоретически осмыслить огромный накопленный материал. Система мира Фарадея отличалась большой оригинальностью. Он не признавал существования в природе пустоты, даже заполненной эфиром. Мир полностью заполнен проницаемой материей, и влияние каждой материальной частицы близкодейственно, то есть распространяется на всё пространство с конечной скоростью [52] . Наблюдатель воспринимает это влияние как разного рода силы, но, как писал Фарадей, нельзя сказать, что одна из сил первична и является причиной других, «все они находятся во взаимной между собой зависимости и имеют общую природу» [53] . В целом динамика мира Фарадея достаточно близка к представлениям об электромагнитном поле, какими они были до появления квантовой теории.

В 1832 году Фарадей отвёз запечатанный конверт в Королевское общество. Сто лет спустя (1938 год) конверт вскрыли и обнаружили там формулировку гипотезы: индуктивные явления распространяются в пространстве с некоторой конечной скоростью, причём в виде волн. Эти волны также «являются наиболее вероятным объяснением световых явлений» [47] [54] . Окончательно этот вывод обосновал Максвелл в 1860-е годы.

Теоретические рассуждения Фарадея нашли вначале мало сторонников. Фарадей не владел высшей математикой (в его трудах почти нет формул) [26] и для создания своих научных моделей использовал свою исключительную физическую интуицию. Он отстаивал физическую реальность введённых им силовых линий; однако учёные того времени, уже свыкшиеся с дальнодействием ньютонового притяжения, теперь уже к близкодействию относились с недоверием [55] .

В 1860-х годах Максвелл изложил идеи Фарадея математически, скромно указав, что он всего лишь «одел в изысканные математические одежды» теорию Фарадея. Первая статья на эту тему никому ещё не известного 26-летнего Максвелла была названа «О фарадеевских силовых линиях» (1857). Фарадей сразу написал автору дружеское и ободряющее письмо [56] :

Мой дорогой сэр, я получил Вашу статью и очень благодарен Вам за неё. Не хочу сказать, что благодарю Вас за то, что Вами сказано относительно «силовых линий», поскольку я знаю, что Вы сделали это в интересах философской правды; но Вы должны также предполагать, что эта работа не только приятна мне, но и даёт мне стимул к дальнейшим размышлениям. Я поначалу испугался, увидев, какая мощная сила математики приложена к предмету, а затем удивился тому, насколько хорошо предмет её выдержал… Всегда истинно Ваш М. Фарадей.

После опытов Герца (1887—1888) фарадеевско-максвелловская полевая модель становится общепризнанной [57] .

«Экспериментальные исследования по электричеству»

Фарадей работал чрезвычайно методично — обнаружив эффект, он изучал его максимально глубоко — например, выяснял, от каких параметров и как он зависит (материал, температура и т. п.). Поэтому число опытов (и соответственно — число выпусков «Опытных исследований по электричеству») так велико. Нижеследующий краткий перечень тематики выпусков даёт представление о размахе и глубине исследований Фарадея [58] .

  1. Индукция электрических токов. Образование электричества из магнетизма.
  2. Земная магнито-электрическая индукция.
  3. Тождество отдельных видов электричества, происходящих от различных источников (в то время многие физики считали, что разные способы получения генерируют принципиально «разное электричество»).
  4. О новом законе электрической проводимости.
  5. Об электрохимическом разложении. Влияние воды на электрохимическое разложение. Теория электрохимического разложения.
  6. О способности металлов и других твёрдых тел вызывать соединение газообразных тел.
  7. Об электрохимическом разложении (продолжение). О некоторых общих условиях электрохимического разложения. О новом приборе для измерения гальванического электричества. О первичном или вторичном характере выделяющихся у электродов химических веществ. Об определённой природе и о размерах электрохимического разложения.
  8. Об электричестве гальванического элемента; его источник, количество, напряжение и основные свойства его. О напряжении, необходимом для электролиза.
  9. Об индуктивном влиянии электрического тока на самого себя и об индуктивном действии электрических токов вообще.
  10. О гальванической батарее усовершенствованного типа. Некоторые практические указания.
  11. Теория индукции. Общие выводы относительно природы индукции.
  12. Об индукции (продолжение). Проводимость, или кондуктивный разряд. Электролитический разряд. Разрывной разряд и изоляция.
  13. Об индукции (продолжение). Разрывной разряд (продолжение).
  14. Природа электрической силы или сил. Связь между электрической и магнитной силами. Замечания об электрическом возбуждении.
  15. Заключение о характере направления электрической силы у электрического угря.
  16. Об источнике мощности гальванического элемента.
  17. Об источнике мощности гальванического элемента (продолжение). Действие температуры. Действие разведения. Изменения порядка металлических элементов в гальванических цепях. Неправдоподобность предположения о контактной природе силы.
  18. Об электричестве, развивающемся при трении воды и пара о другие тела.
  19. Действие магнитов на свет. Действие электрических токов на свет.
  20. О новых магнитных действиях и о магнитном состоянии всякого вещества. Действие магнитов на тяжёлое стекло. Действие магнитов на другие вещества, оказывающие магнитное действие на свет. Действие магнитов на металлы вообще.
  21. О новых магнитных действиях и о магнитном состоянии всякого вещества (продолжение). Действие магнитов на магнитные металлы и их соединения. Действие магнитов на воздух и газы.
  22. О кристаллической полярности висмута и других тел и её отношении к магнитной форме силы. Кристаллическая полярность висмута, сурьмы, мышьяка. Кристаллическое состояние различных тел. О природе магнекристаллической силы и общие соображения. О положении кристалла сульфата железа в магнитном поле.
  23. О полярном или ином состоянии диамагнитных тел.
  24. О возможной связи между тяготением и электричеством.
  25. О магнитном и диамагнитном состоянии тел. Газообразные тела под влиянием магнитной силы не расширяются. Разностное магнитное действие. Магнитные свойства кислорода, азота и пустоты.
  26. Способность проводить магнетизм. Магнитная проводимость. Полярность проводимости. Магнекристаллическая проводимость. Атмосферный магнетизм.
  27. Об атмосферном магнетизме (продолжение). Экспериментальное исследование законов магнитного действия атмосферы и их применение к отдельным случаям. Доклад об атмосферном магнетизме.
  28. О магнитных силовых линиях, определённость их характера и их распределение в магните и в окружающем пространстве.
  29. О применении индукционного магнитоэлектрического тока для обнаружения и измерения магнитной силы.

Другие работы по электромагнетизму

Фарадей собрал первый трансформатор [59] , исследовал самоиндукцию, открытую в 1832 году американским учёным Дж. Генри, разряды в газах и др. При исследовании свойств диэлектриков ввёл понятие диэлектрической проницаемости (которую называл «индуктивной способностью») [60] .

В 1836 году, работая над проблемами статического электричества, Фарадей провёл эксперимент, показавший, что электрический заряд воздействует только на поверхность замкнутой оболочки-проводника, не оказывая никакого воздействия на находящиеся внутри неё объекты. Данный эффект связан с тем, что противоположные стороны проводника приобретают заряды, поле которых компенсирует внешнее поле. Соответствующие защитные свойства используются в устройстве, известном ныне как клетка Фарадея.

Фарадей обнаружил поворот плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея). Это означало, что свет и электромагнетизм тесно связаны. Убеждённость Фарадея в единстве всех сил природы нашла ещё одно подтверждение. Позже Максвелл строго доказал электромагнитную природу света.

Химия

Фарадей сделал немало открытий в области химии. В 1825 году он открыл бензол и изобутилен, одним из первых получил в жидком состоянии хлор, сероводород, диоксид углерода, аммиак, этилен и диоксид азота [61] . В 1825 году впервые синтезировал гексахлоран — вещество, на основе которого в XX веке изготовлялись различные инсектициды [13] . Изучал каталитические реакции [61] .

В 1825—1829 годах Фарадей, в составе комиссии Королевского общества, детально исследовал, как химический состав стекла влияет на его физические свойства [62] . Стёкла Фарадея были слишком дороги для практического применения, но полученный практический опыт пригодился позже при экспериментах с действием магнита на свет [63] и для выполнения правительственного задания по усовершенствованию маяков [64] .

Электрохимия и магнитохимия

Как уже говорилось выше, Фарадей верил в единство всех сил в природе, поэтому естественно было ожидать, что химические свойства и законы связаны с электрическими. Подтверждение этому предположению он получил в 1832 году, открыв фундаментальные законы электролиза. Эти законы легли в основу нового раздела науки — электрохимии, имеющего сегодня огромное количество технологических приложений [65] . Вид законов Фарадея наводил на мысль о существовании «электрических атомов» с наименьшим возможным зарядом; действительно, на рубеже XIX—XX веков эта частица (электрон) была обнаружена, и законы Фарадея помогли оценить её заряд [65] . Предложенные Фарадеем термины ион, катод, анод, электролит укоренились в науке [комм. 2] [5] .

Опыты по электрохимии дали ещё одно доказательство близкодействия электромагнетизма. Многие учёные считали тогда, что электролиз вызывается притяжением на расстоянии (ионов к электродам). Фарадей провёл простой опыт: отделил электроды от смоченной соляным раствором бумаги двумя воздушными промежутками, после чего отметил, что искровой разряд вызвал разложение раствора. Отсюда вытекало, что электролиз вызывается не дальним притяжением, а местным током, и происходит он только в местах прохождения тока. Движение ионов к электродам происходит уже после (и вследствие) разложения молекул [66] .

В 1846 году Фарадей открыл диамагнетизм — эффект намагничивания некоторых веществ (например, кварца, висмута, серебра) противоположно направлению действующего на него внешнего магнитного поля, то есть отталкивание их от обоих полюсов магнита. Эти и другие опыты Фарадея заложили основу магнитохимии [67] .

Другие исследования

Британское правительство неоднократно привлекало Фарадея, как признанного авторитета в области прикладной физики, к решению насущных технических задач — усовершенствование маяков [68] , защита днищ кораблей от коррозии [69] , экспертиза в судебных делах и др. [70]

Фарадей исследовал наночастицы металла в коллоиде золота и описал их оптические и другие особенности по сравнению с частицами более крупных размеров. Этот опыт может считаться первым вкладом в нанотехнологию [71] . Объяснение замеченным эффектам дала в XX веке квантовая теория.

Личные качества и оценки

В личном общении знакомые Фарадея всегда, до конца жизни учёного отмечали его скромность, доброжелательность и покоряющее человеческое обаяние [72] [17] .

Жан Батист Дюма, известный химик и политик [36] :

Всякий из знавших его — я твердо убеждён — желал бы только приблизиться к тому нравственному совершенству, которое, по-видимому, было дано Фарадею от рождения. Это была какая-то, на него одного сошедшая, благодать, в которой он почерпал силы для своей кипучей деятельности, будучи одновременно горячим проповедником истины, неутомимым художником, человеком, исполненным радушия и веселости, в высшей степени гуманным и мягким в частной жизни… Я не знал человека, который был бы более достоин любви и уважения, чем он, и утрата которого стоила бы более искреннего сожаления.

Способ, которым Фарадей использовал свою идею силовых линий, чтобы координировать явления электромагнитной индукции, доказывает, что он был математиком высокого порядка — одним из тех, у кого математики будущего могут черпать ценные и плодотворные методы.

До тех пор, пока люди пользуются благами электричества, они всегда будут с благодарностью вспоминать имя Фарадея.

Необычайная быстрота и живость отличали его. Отблеск его гения окружал его какой-то особенной, сияющей аурой. Определённо каждый чувствовал это обаяние — будь то глубокий философ или простой ребёнок.

Никогда со времен Галилея свет не видал стольких поразительных и разнообразных открытий, вышедших из одной головы.

Со времени обоснования теоретической физики Ньютоном наибольшие изменения в её теоретических основах, другими словами, в нашем представлении о структуре реальности, были достигнуты благодаря исследованиям электромагнитных явлений Фарадеем и Максвеллом.

Религиозные взгляды

Фарадей, как и его родители (а также жена), был членом протестантской общины, которую по именам её основателей называют «гласиты» или «сандеманиане» (англ. Glasites, Sandemanians ). Эта конфессия появилась в Шотландии около 1730 года, отколовшись от пресвитерианской церкви Шотландии [78] . Фарадей добросовестно исполнял свои обязанности как член лондонской общины, несколько раз избирался старейшиной общины и диаконом. Судя по его высказываниям, Фарадей был искренне верующим, однако в одном из писем отрицал, что в своих исследованиях руководствуется какой-либо религиозной философией [36] :

Хотя в природе творения Бога никогда не могут находиться в противоречии с высшими предметами, относящимися к нашей будущей жизни, и хотя эти творения должны служить, подобно всему другому, для Его возвеличения и восхваления,— я всё же не нахожу нужным сочетать изучение естественных наук с религией и всегда считал религию и науку вещами совершенно различными.

Увековечение памяти

В честь Майкла Фарадея названы:

  • Единица измерения электрической ёмкости — фарад
  • Единица измерения электрического заряда в электрохимии — фарадей
  • Лунный кратер Фарадей[79]
  • Астероид Фарадей[de][80]

Научные понятия, названные в честь Фарадея:

Памятник Фарадею в Лондоне, Савойская площадь

Владимир петрович карцев максвелл

Одержимый идеями о неразрывной связи и взаимодействии сил природы, Фарадей пытался доказать, что точно так же, как с помощью электричества Ампер мог создавать магниты, так же и с помощью магнитов можно создавать электричество.

Логика его была проста: механическая работа легко переходит в тепло; наоборот, тепло можно преобразовать в механическую работу (скажем, в паровой машине). Вообще, среди сил природы чаще всего случается следующее соотношение: если А рождает Б, то и Б рождает А.

Если с помощью электричества Ампер получал магниты, то, по-видимому, возможно «получить электричество из обычного магнетизма». Такую же задачу поставили перед собой Араго и Ампер в Париже, Колладон — в Женеве.

Фарадей ставит множество опытов, ведет педантичные записи. Каждому небольшому исследованию он посвящает параграф в лабораторных записях (изданы в Лондоне полностью в 1931 году под названием «Дневник Фарадея»). О работоспособности Фарадея говорит хотя бы тот факт, что последний параграф «Дневника» помечен номером 16041. Блестящее мастерство Фарадея-экспериментатора, одержимость, четкая философская позиция не могли не быте вознаграждены, но ожидать результата пришлось долгих одиннадцать лет.

Кроме интуитивной убежденности во всеобщей связи явлений, его, собственно, в поисках «электричества из магнетизма» ничто не поддерживало. К тому же он, как его учитель Дэви, больше полагался на свои опыты, чем на мысленные построения. Дэви учил его:

— Хороший эксперимент имеет больше ценности, чем глубокомыслие такого гения, как Ньютон.

И тем не менее именно Фарадею суждены были великие открытия. Великий реалист, он стихийно рвал путы эмпирики, некогда навязанные ему Дэви, и в эти минуты его осеняло великое прозрение — он приобретал способность к глубочайшим обобщениям.

Первый проблеск удачи появился лишь 29 августа 1831 года. В этот день Фарадей испытывал в лаборатории несложное устройство: железное кольцо диаметром около шести дюймов, обмотанное двумя кусками изолированной проволоки. Когда Фарадей подключил к зажимам одной обмотки батарею, его ассистент, артиллерийский сержант Андерсен, увидел, как дернулась стрелка гальванометра, подсоединенного к другой обмотке.

Дернулась и успокоилась, хотя постоянный ток продолжал течь по первой обмотке. Фарадей тщательно просмотрел все детали этой простой установки — все было в порядке.

Но стрелка гальванометра упорно стояла на нуле. С досады Фарадей решил выключить ток, и тут случилось чудо — во время размыкания цепи стрелка гальванометра опять качнулась и опять застыла на нуле!

Фарадей был в недоумении: во-первых, почему стрелка ведет себя так странно? Во-вторых, имеют ли отношение замеченные им всплески к явлению, которое он искал?

Вот тут-то и открылись Фарадею во всей ясности великие идеи Ампера — связь между электрическим током и магнетизмом. Ведь первая обмотка, в которую он подавал ток, сразу становилась магнитом. Если рассматривать ее как магнит, то эксперимент 29 августа показал, что магнетизм как будто бы рождает электричество. Только две вещи оставались в этом случае странными: почему всплеск электричества при включении электромагнита стал быстро сходить на нет? И более того, почему всплеск появляется при выключении магнита?

Каждый электрик должен знать:  Заземляющие устройства

На следующий день, 30 августа, — новая серия экспериментов. Эффект ясно выражен, но тем не менее абсолютно непонятен.

Фарадей чувствует, что открытие где-то рядом.

23 сентября он пишет своему другу Р.Филиппсу:

«Я теперь опять занимаюсь электромагнетизмом и думаю, что напал на удачную вещь, но не могу еще утверждать это. Очень может быть, что после всех моих трудов я в конце концов вытащу водоросли вместо рыбы».

К следующему утру, 24 сентября, Фарадей подготовил много различных устройств, в которых основными элементами были уже не обмотки с электрическим током, а постоянные магниты. И эффект тоже существовал! Стрелка отклонялась и сразу же устремлялась на место. Это легкое движение происходило при самых неожиданных манипуляциях с магнитом, иной раз, казалось, случайно.

Следующий эксперимент — 1 октября. Фарадей решает вернуться к самому началу — к двум обмоткам: одной с током, другой — подсоединенной к гальванометру. Различие с первым экспериментом — отсутствие стального кольца — сердечника. Всплеск почти незаметен. Результат тривиален. Ясно, что магнит без сердечника гораздо слабее магнита с сердечником. Поэтому и эффект выражен слабее.

Фарадей разочарован. Две недели он не подходит к приборам, размышляя о причинах неудачи.

Эксперимент триумфальный — 17 октября.

Фарадей заранее знает, как это будет. Опыт удается блестяще.

«Я взял цилиндрический магнитный брусок (3/4 дюйма в диаметре и 8 1/4 дюйма длиной) и ввел один его конец внутрь спирали из медной проволоки (220 футов длиной), соединенной с гальванометром. Потом я быстрым движением втолкнул магнит внутрь спирали на всю его длину, и стрелка гальванометра испытала толчок. Затем я так же быстро вытащил магнит из спирали, и стрелка опять качнулась, но в противоположную сторону. Эти качания стрелки повторялись всякий раз, как магнит вталкивался или выталкивался».

Секрет — в движении магнита! Импульс электричества определяется не положением магнита, а движением!

Это значит, что «электрическая волна возникает только при движении магнита, а не в силу свойств, присущих ему в покое».

Эта идея необыкновенно плодотворна. Если движение магнита относительно проводника создает электричество, то, видимо, и движение проводника относительно магнита должно рождать электричество! Причем эта «электрическая волна» не исчезнет до тех пор, пока будет продолжаться взаимное перемещение проводника и магнита. Значит, есть возможность создать генератор электрического тока, действующий сколь угодно долго, лишь бы продолжалось взаимное движение проволоки и магнита!

28 октября Фарадей установил между полюсами подковообразного магнита вращающийся медный диск, с которого при помощи скользящих контактов (один на оси, другой — на периферии диска) можно было снимать электрическое напряжение. Это был первый электрический генератор, созданный руками человека.

После «электромагнитной эпопеи» Фарадей был вынужден прекратить на несколько лет свою научную работу — настолько была истощена его нервная система.

Опыты, аналогичные фарадеевским, как уже говорилось, проводились во Франции и в Швейцарии. Профессор Женевской академии Колладон был искушенным экспериментатором (он, например, произвел на Женевском озере точные измерения скорости звука в воде). Может быть, опасаясь сотрясения приборов, он, как и Фарадей, по возможности удалил гальванометр от остальной установки. Многие утверждали, что Колладон наблюдал те же мимолетные движения стрелки, что и Фарадей, но, ожидая более стабильного, продолжительного эффекта, не придал этим «случайным» всплескам должного значения.

Действительно, мнение большинства ученых того времени сводилось к тому, что обратный эффект «создания электричества из магнетизма» должен, по-видимому, иметь столь же стационарный характер, как и «прямой» эффект — «образование магнетизма» за счет электрического тока. Неожиданная «мимолетность» этого эффекта сбила с толку многих, в том числе Колладона, и эти многие поплатились за свою предубежденность.

Фарадея тоже поначалу смущала мимолетность эффекта, но он больше доверял фактам, чем теориям, и в конце концов пришел к закону электромагнитной индукции. Этот закон казался тогда физикам ущербным, уродливым, странным, лишенным внутренней логики.

Почему ток возбуждается только во время движения магнита или изменения тока в обмотке?

Этого не понимал никто. Даже сам Фарадей. Понял это через семнадцать лет двадцатишестилетний армейский хирург захолустного гарнизона в Потсдаме Герман Гельмгольц. В классической статье «О сохранении силы» он, формулируя свой закон сохранения энергии, впервые доказал, что электромагнитная индукция должна существовать именно в этом «уродливом» виде.

Независимо к этому пришел и старший друг Максвелла, Вильям Томсон. Он тоже получил электромагнитную индукцию Фарадея из закона Ампера при учете закона сохранения энергии.

Так «мимолетная» электромагнитная индукция приобрела права гражданства и была признана физиками.

Но она никак не укладывалась в понятия и аналогии статьи Максвелла «О фарадеевских силовых линиях». И это было серьезным недостатком статьи. Практически ее значение сводилось к иллюстрации того, что теории близко— и дальнодействия представляют различное математическое описание одних и тех же экспериментальных данных, что силовые линии Фарадея не противоречат здравому смыслу. И это все. Все, хотя это было уже очень много.

ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ

Статья «О фарадеевских силовых линиях» требовала продолжения. Электрогидравлические аналогии дали многое — с их помощью удалось записать полезные дифференциальные уравнения. Но не все отражали электрогидравлические аналогии. Никак не укладывался в их рамки важнейший закон электромагнитной индукции.

Как можно наглядно представить себе то, что при изменении магнитного поля возникает поле электрическое?

Нужно было придумать новый, облегчающий понимание процесса вспомогательный механизм, отражающий одновременно и поступательное движение токов, и вращательный, вихревой характер магнитного поля.

И то, что придумал для замены Максвелл, поражало.

Поражало грубой механичностью. Громоздкостью, неповоротливостью. Новая модель была вызывающе одиозной. Но работоспособной!

Она давала механическую модель явления электромагнитной индукции и «электротонического состояния»* Фарадея, состояния, которое нельзя было обнаружить ни одним из известных способов, пока оно оставалось неизменным.

* По современной терминологии понятие «электротоническое состояние» близко понятию «магнитное поле».

Новая модель Максвелла — это среда, охваченная вихревым движением. Вихри так малы, что умещаются внутри молекул. Вращающиеся «молекулярные вихри» производят магнитное поле. Направление осей вихрей совпадает с силовыми линиями, а сами они могут быть представлены как тоненькие вращающиеся цилиндрики. Скорость вращения вихрей определяет величину магнитной силы.

И тут возникала трудность. Трудность чисто механического порядка. Внешние, соприкасающиеся части вихрей должны двигаться в противоположных направлениях! То есть препятствовать взаимному движению.

Это напоминало такое положение, как если бы конструктор механизма поместил в непосредственной близости две шестеренки, вращающиеся в одну сторону. У них непременно должны были бы переломаться все зубья!

Чтобы избежать этого, Максвелл, подружившийся с шестеренками и часовыми колесиками еще в детстве, решил использовать «холостые колеса».

Как можно обеспечить вращение двух рядом расположенных шестеренок в одну сторону? Нужно поместить между ними небольшие передаточные шестеренки, «холостые колеса»!

Максвелл предположил, что между рядами молекулярных вихрей помещен слой мельчайших шарообразных частичек, способных к вращению. Теперь вихри могли вращаться в одном направлении — «смазка» давала себя знать. Вихри взаимодействовали между собой, но вращались в одном направлении.


Роль «паразитных шестеренок» оказалась впоследствии куда более важной, чем ожидалось вначале, и вообще едва ли не важнейшей во всей этой модели. Во-первых, Максвелл осознанно называет эти «холостые колеса», «смазочные шарики» между цилиндрами — «частичками электричества», а движение их — «поток частичек электричества» — признает электрическим током. (Уже само упоминание в те времена о «частичках электричества», представляющих собой электрический ток, было прозрением гения, предсказанием грядущих электронов. Но это была лишь частность теории. Не главное. Главное было в другом.)

«Холостые колеса», вращаясь и двигаясь поступательно, оказались способными к объяснению многих действий электричества и магнетизма.

Если к шарикам приложена некая внешняя сила — электрическое поле, она заставит их двигаться поступательно — возникает электрический ток. Тогда придут во вращение и цилиндрики — появится магнитное поле. Так подтвердилась на модели гипотеза Ампера — токовая природа магнитных явлений. Так утверждалась мысль Эрстеда об их вихреобразном характере.

Цилиндры всегда вращались в направлении, перпендикулярном направлению движения шариков*, и это свидетельствовало о том, что магнитное поле действует под прямым углом по отношению к направлению тока.

* Речь идет о направлениях векторов.

Сенсационная перпендикулярность направлений тока и создаваемого им магнитного поля, перпендикулярность, выражаемая введенным Максвеллом «правилом буравчика», впервые получила в этой модели механическое истолкование.

Дело в том, что опыт Эрстеда нес не только связь между электричеством и магнетизмом. Не напрасно Эрстед в своем мемуаре перечисляет свидетелей опыта: то, что открылось ему, не лезло в рамки ньютоновских законов и прямо нарушало третий из них: направления возмущающей силы — электричества (определяемого направлением провода) и силы реакции — магнетизма (определяемого направлением магнитной стрелки) были у Эрстеда перпендикулярны. Впервые физики, сгрудившиеся у лабораторного стола Эрстеда, видели «противодействие», по направлению не противоположное «действию».

Эрстед неправильно объяснил свой опыт, но он заронил глубокую мысль — мысль о вихревом характере электромагнитных явлений.

«Вихреобразность» процесса, вызывающего в памяти водоворот, вихрь, спираль, долго не находила сторонников, и даже Фарадей поначалу не оценил эту мысль. Он долго был убежден в том, что силы, действующие между проводниками с током и магнитной стрелкой, — это силы притяжения и отталкивания, подчиняющиеся законам Ньютона.

Модель Максвелла наглядно отражала подмеченный Эрстедом вихреобразный характер поля.

Вращательное движение в модели передается от частиц вихрям и от вихрей — частицам. Но это противоречит ранее принятому Максвеллом предположению, что между вихрями и частицами нет иного взаимодействия, кроме трения качения! Понимая условность, вспомогательный характер модели, Максвелл не останавливается на этой «мелочи» — модель раскрывает все новые и новые свои стороны, оборачивается открытием новых захватывающих свойств электромагнетизма, и вряд ли стоит на этом прекрасном фоне искать способ преодоления чисто механического противоречия!

Механическая громоздкая модель могла демонстрировать и такие электромагнитные явления, как электрическое отталкивание и притяжение.

Но эти эффекты уже не были во главе угла. Они были низведены с пьедестала, куда вознесли их Ампер и Вебер, построившие именно на взаимодействии токов всю свою электродинамику. Притяжение и отталкивание стали «рядовыми» электромагнитными явлениями.

Зато почетное место в новой модели заняла электромагнитная индукция.

Первоначальная цель, которую поставил Максвелл при построении своей механической модели, — проиллюстрировать электромагнитную индукцию Фарадея — была достигнута.

Но и с блеском перекрыта.

Джеймс Клерк Максвелл понял это, когда начал изучать поведение своей механической модели в случае проводников и изоляторов-диэлектриков.

«Тела, которые препятствуют протеканию сквозь них электрического тока, называются изоляторами. Но хотя сквозь них не течет электричество, сквозь них распространяются электрические эффекты, причем уровень этих эффектов зависит от природы тела. »

Электрические явления могут происходить и в среде, препятствующей прохождению тока, — в диэлектрике, в изоляторе.

Пусть «холостые колеса» не могли в этих средах под действием электрического поля двигаться поступательно. Но они при наложении и снятии электрического поля смещались со своих мест. Максвелл зорко углядел в этом свойстве модели аналогию с поляризацией молекул диэлектрика в результате смещения зарядов в самих молекулах.

Большая научная смелость потребовалась Максвеллу, чтобы отождествить это смещение связанных молекулярных зарядов с их движением, с электрическим током. Ведь этого тока — тока смещения — никто еще не наблюдал. Он совсем не напоминал известные физикам токи в проводниках. И необходимость его введения, казалось тогда многим, ничем решительно не вызывалась.

Но, отождествив смещение зарядов в диэлектриках с каким-то током, током смещения, Максвелл неизбежно должен был сделать следующий шаг — признать за этим током способность к созданию собственного магнитного поля, сделать этот ток, ток смещения зарядов, равноправным с обычным током, текущим по проводнику.

Так, наконец, впервые выявилась неизвестная Амперу и Веберу связь между электростатикой и электродинамикой, связь между покоящимся и движущимся электричеством.

«Холостые колеса» жили собственной жизнью и, объяснив одно явление, предсказывали существование еще одного, ранее никому не известного.

Механическая модель упрямо приводила, приводила движением «холостых колес» и магнитных цилиндриков, к странному выводу: изменение электрического поля приводит к появлению магнитного поля.

То есть к положению, полностью симметричному фарадеевскому: изменение магнитного поля приводит к появлению электрического поля.

На своей громоздкой модели Максвелл обнаружил эффект, обратный и равный по значению электромагнитной индукции!

Это было со времен Фарадея величайшее открытие в области электричества.

Знаменитый английский физик Дж.Дж.Томсон сказал на торжествах, посвященных столетию со дня рождения Максвелла: «Максвелл, используя свою модель, обнаружил, что модель свидетельствует о следующем — изменения в электрической силе будут вызывать магнитную силу. Введение и развитие этой идеи было величайшим вкладом Максвелла в физику. Важность шага, сделанного Максвеллом, обнаруживается тем фактом, что в электромагнитной теории, принятой до него, электрические волны не существовали, в то время как в его теории любые изменения электрической и магнитной силы посылали волны, распространяющиеся в пространстве. »

Какова роль этой модели? Действительно ли Максвелл считал, что мир состоит из бессчетного числа шестеренок и паразитных колес? Абсолютизировал ли он свою модель? Отличался ли от Томсона в толковании ценности моделей? Что было раньше — модель, физические соотношения, факты или уравнения? Ответ — в самой работе. Максвелл пишет, что модель использовалась им для того, чтобы «вывести математические соотношения между электротоническим состоянием, магнетизмом, электрическими токами и электродвижущей силой, используя механические иллюстрации для того, чтобы помочь воображению, но не в качестве объяснения явлений».

Это совсем непохоже на то, что частенько говаривал Вильям Томсон.

— Мне кажется, что настоящий смысл вопроса: понимаете ли вы такое-то физическое положение? — будет такой: можете ли вы сделать соответствующую механическую модель. Я никогда не чувствую себя удовлетворенным, если не могу себе представить механической модели данного явления; если я могу представить себе такую модель — значит, понимаю вопрос; если не могу — значит, я не понимаю его.

Максвелл не в пример своему старшему другу был противником абсолютизирования моделей.

Модели были его строительными лесами, которым со временем предстояло пасть и быть забытыми. Их нельзя было оставлять, ибо они препятствовали перестройке и расширению здания электромагнитной теории.

А об отношении самого Максвелла к своей модели прекрасно свидетельствуют строчки из его письма Питеру Тэту:

«Модель явления так относится к истинному явлению, как относится модель солнечной системы, работающая на принципе часового механизма, к самой солнечной системе».

К ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ТЕОРИИ СВЕТА

Статья «О физических силовых линиях» выходила по частям. И третья часть ее, как и обе предыдущие, содержала новые идеи чрезвычайной ценности.

«Необходимо предположить, что вещество ячеек обладает эластичностью формы, подобной по своей сути, хотя и различной по величине, таким же свойствам твердых тел.

. Теория света вынуждает нас предполагать наличие такой же упругости и для светоносной среды для того, чтобы обеспечить возможность поперечных колебаний. У нас поэтому нет нужды удивляться тому, что и магнито-электрическая среда обладает тем же свойством».

Электрические явления потребовали для своего объяснения твердого как сталь эфира. Максвелл неожиданно оказался в роли Френеля, вынужденного «изобрести» для объяснения поляризационных явлений свой чудовищный «оптический» эфир, твердый как сталь и проницаемый, как воздух.

Максвелл видит свойства двух сред: «светоносной» и «электрической» — и отмечает их сходство.

Следующим шагом могло бы быть признание их идентичности, но это еще только надлежит показать.

Тридцатилетний Максвелл планомерно подбирается к своему великому открытию — открытию идентичности световых и электромагнитных волн.

Но этого мало: Максвелл приходит к еще одному выводу — крайне важному. Когда электрические частички — «паразитные колесики» вынуждены двигаться в каком-то направлении, форма вихревых ячеек искажается, а когда сила снимается, упругий материал возвращается в первоначальное положение. Максвелл рассматривает теперь отношение между таким «смещением» и силой, производящей его, и выводит отсюда соотношение между статической и динамической единицами электричества. А это величина известная — ее измерили Кольрауш и Вебер.

«Посредством сравнения электромагнитных экспериментов гг. Кольрауша и Вебера со скоростью света, как ее измерил г.Физо. видно, что упругость магнитной среды в воздухе такая же, как и у светоносной среды, если только эти две сосуществующие и взаимопроникающие в одном и том же пространстве равно упругие среды — не одна и та же среда».

Согласие между цифрами Кольрауша и Вебера и Физо было настолько хорошим*, что Максвелл записал:

* Велика все-таки роль случайности в научных открытиях! Позднее выяснилось, что и скорость света, измеренная Физо, и отношение единиц, измеренное Кольраушем и Вебером, обе эти величины были измерены весьма грубо, если не сказать — неверно. Но эти ошибочные величины совершенно случайно были почти равны.

«Мы едва ли можем избежать заключения о том, что свет состоит из тех же поперечных колебаний той же самой среды, которая является причиной электрических и магнитных явлений».

Это еще не было доказательством. Но это было первым шагом, заявочным столбом на пути к величайшему открытию — к электромагнитной теории света.

«Физические линии» были приняты едва ли не так же сдержанно, как и «фарадеевские линии» и в Англии, и на континенте. Сложными были дифференциальные уравнения, записанные Максвеллом. Совершенно нелепым физически казалось понятие «тока смещения» в диэлектрике, особенно в пустоте. Ведь там ничего нет! Смещение в диэлектрике еще можно осмыслить — это смещение зарядов. Но смещение в пустоте. Что там смещается?

Директор Римской обсерватории Анжело Секки, прочтя статью Максвелла при подготовке своего трактата «О единстве физических сил», не счел мысли автора слишком ценными. Они удостоились в капитальном труде синьора Секки лишь сноски следующего содержания:

«Кроме хорошо известных трудов Ламе, Коши и Верде по оптике, можно указать еще на исследования Максуэлля, рассматривающего магнетизм с точки зрения частичных вихрей. Нам кажется только, что этот автор бесполезно усложняет дело. Однако недавно в ряды защитников эфирной теории электрического тока стал также знаменитый Тиндаль. »

Даже Гельмгольц никак не мог понять — что же по новой теории представляет собой электрический заряд?

Да, странная была эта теория.

Странная и непонятная. Мало было у нее сторонников.

Мыслимо ли было на столь неочевидных основаниях воздвигать такие категоричные и принципиальные выводы?

И никто пока не мог ответить на этот вопрос.

Даже сам Максвелл.

В октябре 1861 года Максвелл написал Фарадею о том, что им обнаружен факт практического совпадения величин: отношения электромагнитной и электростатической единиц электричества и скорости света. Кроме того, стало очевидным влияние электрических и магнитных свойств среды, через которую проходит свет, на его скорость. Максвелл писал, что если свет есть в действительности форма волнового движения, то можно положить конец спекуляциям о природе света. Можно по-новому объяснить многие свойства света и оптические явления. Легко можно было бы объяснить теперь свойства полного внутреннего отражения, рефракции и отражения света. А это должно содействовать постройке новых точных оптических приборов — микроскопов и телескопов, а также и предметов обыденной жизни — очков и луп.

К сожалению, все прогрессирующая умственная слабость Фарадея помешала ему понять значение выводов Максвелла. Он не мог разделить уже великую радость своего молодого последователя, доказывающего то, о чем Фарадей когда-то размышлял сам.

Опыты Фарадея

В 1820 году было произведено открытие магнитного пола вокруг проводника Эрстедом. В то время производилось много опытов и экспериментов, связанных с электричеством. Фарадей эмпирически открыл явление электромагнитной индукции 29 августа 1831 года. Он обнаружил явление у стационарных проводников при замыкании и размыкании цепи.

Позже было доказано, что явление электромагнитной индукции появляется при движении катушек с токами друг с другом. Еще 17 октября из лабораторного журнала было видно обнаружение индукционного тока во время введения и удаления магнита из катушки. В течение месяца все особенности изучил Фарадей.

Именно он сумел объяснить явления диа- и парамагнетизма, объясняя это тем, что материалы, располагаемые в пределах магнитного поля ведут себя по-разному: ориентируются по полю, как пара- и ферромагнетики, или поперек, как диамагнетики.

Опыты Фарадея. Электромагнитная индукция

Опыты Фарадея известны из школьного курса, наглядно представленные на рисунке.

Рисунок 3 . 1 . Возникновение электрического тока при поднесении или вытягивании катушки с левой стороны и возникновение электрического тока с двумя близко расположенными катушками справа.

Рисунок 3 . 2 . Возникновение электрического тока при соединении катушек сердечником.

На данный момент опыты Фарадея называют классическими и применяют для обнаружения электромагнитной индукции:

  1. Замыкание гальванометра на соленоиде. В соленоид опускается постоянный магнит, перемещая который, фиксируются отклонения стрелки гальванометра. Это говорит о наличии индукционного тока. Если увеличить скорость перемещения магнита относительно катушки, тогда стрелка гальванометра отклонится еще сильнее. Это говорит о том, что произошла замена полей. Магнит может быть неподвижным или передвижение соленоида происходит относительно магнита.
  2. Две катушки. Производится установка одной в другую. Концы одной из них подключаются с гальванометром. Другая катушка подвергается прохождению тока. При его подаче и отключении стрелка гальванометра изменяет свое положение. В этом случае катушки должны находиться в движении относительно друг друга. Стрелка гальванометра уменьшает значение при его включении.

При изменении потока вектора индукции, пронизывающего проводящий контур, происходит возникновение электрического тока, что называется явлением электромагнитной индукции, а такой ток – индукционным.

Явление электромагнитной индукции и опыты

Обобщив все результаты, Фарадей выявил, что возникновение индукционного тока возможно при изменении потока магнитной индукции, сцепленного с контуром. Тогда величина индукционного тока не имеет связи с изменением потока, а только со скоростью его изменения. Фарадей доказал, что величина отклонения стрелки гальванометра связана со скоростью перемещения магнита относительно друг друга.

Исходя из 2 опытов Майкла Фарадея, Максвелл сумел описать и сформулировать основной закон электромагнитной индукции.

Основываясь на нем, электродвижущая сила индукции в замкнутом контуре равняется скорости изменения магнитного потока d Φ d t через поверхность, которая ограничена контуром ε i = — d Φ d t .

Из формулы следует, что Φ = B S → cos α — магнитный поток, а α — угол, расположенный между вектором B → и нормалью к плоскости контура. Знак минуса характеризует правило Ленца.

Суть опытов Фарадея в том, что с помощью явления электромагнитной индукции видна связь электрического и магнитного полей. Появление электрического поля возможно при изменении магнитного.

Его природа отличается от электростатического тем, что не имеет связи с электрическими зарядами, а линии напряженности не могут заканчиваться или начинаться. Их считают замкнутыми, а такое образовавшееся поле вихревым.

Майкл Фарадей — основоположник электромагнитного поля

Майкл Фарадей (1791-1867) — английский физик, основоположник учения об электромагнитном поле ( особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами). Он иностранный почетный член Петербургской академии наук (1830). Обнаружил взаимосвязь между электричеством и магнетизмом, химическое действие электрического тока, взаимосвязь между магнетизмом и светом. Открыл (1831) электромагнитную индукцию — явление, которое легло в основу электротехники. Установил (1833-1834) законы электролиза. Открыл пара- и диамагнетизм, вращение плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея). Доказал тождественность различных видов электричества. Ввел понятия электрического и магнитного поля, высказал идею существования электромагнитных волн.

Родился Майкл Фарадей в семье кузнеца 22 сентября 1791 года, в предместье Лондона. Небольшие доходы семьи не позволили ему окончить даже среднюю школу. В 13 лет Майкл стал учеником в переплетной мастерской при книжной лавке. Работая в мастерской, Фарадей упорно занимался самообразованием — читал всю доступную ему литературу по физике и химии, посещал по вечерам и воскресеньям частные лекции по физике и астрономии. Один из клиентов книжной лавки, где работал Майкл, заметив интерес мальчика к физике и химии, помог ему попасть на лекции по этим предметам в Королевский институт. В 1813 году Фарадей получил место лабораторного ассистента в этом институте, а осенью того же года был взят выдающимся физиком Гемфри Дэви в двухлетнюю поездку по научным центрам Европы. Эта поездка для Майкла Фарадея имела большое значение: знакомство с такими учеными, как Ж.Л.Гей-Люссак, А.Ампер и др.

Работая в Королевском институте Фарадей поначалу помогал Г.Дэви в его химических экспериментах, а потом начал проводить собственные опыты. В 1816 он уже читал курс лекций по физике и химии в обществе для самообразования. Проводя исследования, он произвел ожижение газов и получение бензола — одно из его наивысших достижений в области химии. В 1821 году он впервые осуществил вращение магнита вокруг проводника с током, и наоборот- вращение проводника с током вокруг магнита, создав первую модель электродвигателя. До этого он уже имел около 40 опубликованных работ по химии. В 1824 году он первым получил хлор в жидком состоянии. В 1831 его десятилетние исследования связи между электричеством и магнетизмом увенчались открытием электромагнитной индукции. Это открытие принесло ученому известность .

Изучения Фарадеем прохождения электрических токов через растворы солей, щелочей и кислот, привело его к открытию законов электролиза (законы Фарадея) в 1833году. В 1845 году он открыл явление вращения плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея) и диамагнетизм, а в 1847- парамагнетизм. Ученый ввел понятия: подвижность, анод, катод, ионы, электроды. Изобрел вольтметр. Впервые употребил понятие магнитного поля.

Открытия Фарадея завоевали широкое признание во всем мире. Его именем, в последствии, были названы законы, явления, физические величины. В его честь была утверждена одна из почетнейших научных наград- медаль Фарадея.

Майкл Фарадей

Майкл Фарадей был человеком добрым и скромным, обаятельным и крайне трудолюбивым. Во всех его действиях была необычайная последовательность. Настолько необычайная, что его невозможно отнести даже к гениям. Гении ассоциируются с кем-то, кто склонен к вычурному поведению, а в его случае всё происходило с точностью до наоборот. Он гений непрерывной исследовательской работы.

Французский химик-органик и политик Жан Батист Дюма говорил о Фарадее, постоянно подчёркивая, что в нём наблюдается какая-то крайняя благость. Нравственное совершенство, да ещё данное от рождения, кипучая деятельность и гуманность высшей степени – вот такие характеристики современника. И он полностью прав. В годы Крымской войны правительство Британии предложило Фарадею принять участие в разработке химического оружия, чтобы направить его против России. Тот с возмущением отказался, назвав такое предложение безнравственным.

Фарадей был физиком-практиком, но никогда не работал над одним проектом. У него была бесконечная, пока хватало сил, цепочка исследований. В ходе их осуществления что-то появлялось, что было очень важным и нужным, но он на этом не останавливался. Все его изобретения – это «побочный эффект» одного большого потока познания мира. Начато оно было в тот период, когда люди знали, что электричество существует, но что это такое с практической стороны – понятия не имели.

Концептуальные модели электродвигателя и генератора электрического тока

Первые шаги в науке были сделаны будущим изобретателем в качестве химика. Однако в 1821 году было опубликовано несколько статей, которые характеризовали его в качестве физика. К этому моменту электродинамика, электролиз и электрическая дуга уже были открыты другими исследователями, а в 1820 Эрстед обнаружил отклонение магнитной стрелки под действием магнитного тока. Были и другие исследования, в частности А. Ампер построил свою теорию электромагнитизма. На базе всех наработок своего времени Фарадей создаёт доказательную модель того, что намагниченная стрелка может непрерывно вращаться вокруг одного из магнитных полюсов. Электрическая энергия преобразуется в механическую, а значит, её можно использовать на практике.

После этого наступила пауза, которая длилась около 10 лет. Но точно известно, что уже в 1822 году Фарадей ставил перед собой задачу создания электрогенератора. Задача эта оказалась крайне сложной, а для её решения пришлось выработать концепцию электромагнитной индукции. С 1831 по 1840 год Фарадей только тем и занимался, что обосновывал её наличие. Интересно, что сам Фарадей индукцию только обосновал, а первый промышленный генератор был создан Ипполитом Пикси, ещё при жизни Фарадея, в 1832 году. Впоследствии генератор был улучшен другими инженерами и в относительно современном виде был представлен Эдисоном.

Электромагнитное поле и теория индукции

Основным его теоретическим достижением было вполне современное описание электромагнитного поля, позже усовершенствованное Максвеллом. Его идея была полностью оригинальной. Даже Ампер считал, что силы токов действуют на расстоянии сами по себе, а Фарадей пришёл к выводу, что силы токов передаются на расстоянии через каждую точку пространства поля.

Интересно, что все изобретения Фарадея были лишь первыми концептуальными прототипами. Прибор, представляющий собой соленоид с током, движущимся внутри катушки; трансформатор; диск Фарадея – один из прообразов электродвигателя. Он не доводил свои модели до коммерческого совершенства. Именно их на практике использовать было невозможно, но они легли в основу разработок других изобретателей и инженеров.

Это его умение абстрагироваться от материальной выгоды было очень полезно для человечества. Он не тратил время на доработки, патенты, а сразу переходил к созданию других концептов, которые вполне адекватно обосновывал с точки зрения физики и химии. Потом другим изобретателям и учёным оставалось только использовать готовые модели, а это уже дело техники.

Поздние открытия Фарадея

Бескорыстность Фарадея не принесла ему лично ничего хорошо. Получавший в расцвете сил приличное содержание и гонорары за публикацию статей, в более позднем возрасте он жил на достаточно ограниченные средства. В 1835 году Фарадей заболел непонятной болезнью. Упадок сил, частичная потеря памяти, депрессия. Всё это мешало работать и накатывало волнами.

В 1845 году он ненадолго вернулся к работе и совершил ещё несколько открытий – диамагнетизм и знаменитый «эффект Фарадея». Это ещё одна часть исследования магнитного поля. Если поместить в него вещество, то в нём произойдёт поворот плоскости поляризации света. Характерно, что это открытие пришлось на период, когда представителям общественности всё же удалось добиться назначения Фарадею небольшой пенсии.

Перечислить все достижения Фарадея достаточно трудно. В их число входит более ста работ по исследованию электромагнитной индукции, смелые предположения, что сила гравитации как-то связана с электричеством, описание силовых линий в магнитном поле, исследование действия магнитного поля на свет и многое другое. Он даже увлекался спиритизмом. И доказал, что стол на сеансах вращают участники сеанса, а не духи. Только не нарочно, чтобы всех обмануть, а незаметно для себя, поскольку их мышление неразрывно связано с электричеством, которое порождает импульсы. В результате пальцы совершают мельчайшие движения, и от этого уже приходят в движение предметы, на которые они наложены. За что бы ни брался, везде он доходил до истинной сути вещей. Именно такие обоснованные предположения и меняют взгляд на различные процессы. Сегодня никого не удивляет электрокардиограмма сердца или электроэнцефалограмма, которая является методом исследования мозга. Чтобы это стало возможным, должен был быть кто-то первый, кто доказал бы, что электрические процессы неразрывны с биологическими процессами в человеческом организме.

Выставка «Великие учителя человечества» в ЭТНОМИРе

Калужская область, Боровский район, деревня Петрово

Экcпозиция «Великие учителя человечества» расположена в выставочных залах апарт-отеля «Гималайский дом», а также на втором этаже Культурного центра Индии. Она включает в себя свыше 100 экспонатов, это величайшее собрание бюстов мудрецов всех времён и народов, которые оставили миру самое ценное наследие – знания, указали и на собственном примере продемонстрировали пути духовного развития. Изучая труды, научные открытия, философские трактаты этих учителей, мы приходим к пониманию, что в основе базовой системы ценностей лежит единый фундамент: единство религий, единство народов и единство человека и природы. Около каждого бюста на выставке посетитель найдёт информационную табличку с коротким рассказом об основных заслугах Учителя перед человечеством, с указанием знаковых дат и перечнем его трудов. Экспозиция всегда открыта для самостоятельного изучения.

Фарадей и электромагнетизм

(род. в 1791 г. — ум. в 1867 г.)
Выдающийся английский ученый, физик и химик, основоположник учения об электромагнитном поле, открывший электромагнитную индукцию — явление, которое легло в основу электротехники, а также законы электролиза, названные его именем.
Майкл Фарадей стал знаменитым при жизни. На многие десятилетия вперед он предугадал развитие научной мысли. Вместе с тем ученый был настолько противоречивой фигурой, что даже последователи считали его гениальные открытия следствием недостаточности образования и подчас сомневались в точности проведенных им экспериментов из-за «странностей» характера ученого. Фарадей, идя в науке своим особым путем, в полном противоречии с господствующим научным мировоззрением, нередко находил закономерности и видел взаимные соотношения там, где никто до него их не признавал и не мог увидеть.
Фарадей прожил тихую, аскетическую жизнь ученого, который мог сказать: «Я никогда не имел ни студента, ни ученика, которые бы мне помогали, и я всегда готовил и делал свои опыты собственными руками, работая и думая в одно и то же время. Мне кажется, я не смог бы работать в компании или думать вслух, или объяснить мои мысли раньше времени». Он никогда не обсуждал свои идеи с кем бы то ни было, он публиковал их, зная что если они имеют ценность, то войдут в историю, если нет — будут забыты. Квартира при Королевском институте и лаборатория — вот все, что ему было нужно для жизни и счастья.
Будущий гениальный ученый родился на окраине Лондона 22 сентября 1791 г. в бедной, но дружной семье. Его ртец, Джеймс Фарадей, был кузнецом, а мать — дочерью к-мледельца. Эта трудолюбивая, мудрая, хотя и необразованная женщина дожила до времени, когда ее сын добился успехов и признания, и по праву гордилась им. Все Фарадей были людьми труда — скромными и честными. Они принадлежали к небольшой религиозной секте чандеманов, получившей свое название по имени ее главы Роберта Зандемана, и, таким образом, не были связаны с официальной англиканской церковью. Это в известной мере обуславливало независимость и самостоятельность их убеждений.
Когда маленький Майкл достиг школьного возраста, его отдали в начальную школу. Курс, пройденный ребенком, был очень узок и ограничивался только обучением чтению, письму и началам счета. Уже с 13 лет он начал работать разносчиком книг, а потом стал учеником переплетчика в магазине мистера Джорджа Рибо. Наниматель этот был весьма любопытный: из троих его рабочих один стал великим ученым-экспериментатором, другой — знаменитым комедиантом, а третий — преуспевающим профессиональным певцом. А ведь чтобы выучиться на переплетчика, в то время
требовалось семь лет.
Все это время Фарадей упорно занимался самообразованием — прочитал всю доступную ему литературу по физике и химии, повторял в устроенной им домашней лаборатории опыты, описанные в книгах, с 1810 г. посещал по вечерам и воскресеньям частные лекции по физике и астрономии. Деньги (по шиллингу на оплату каждой лекции) он получал от брата Роберта. На этих занятиях у Фарадея появились новые знакомые, которым он писал много писем, чтобы выработать ясный и лаконичный стиль изложения, кроме того, он также старался овладеть приемами ораторского искусства.
Майкл целенаправленно формировал свою личность и развивал свои способности. В 1812 г. он начал слушать лекции по химии, с которыми в Королевском институте перед широкой публикой выступал сэр Хэмфри Дэви. Чтение подобных лекций крупнейшими английскими учеными было одним из источников доходов института. Дэви в то время уже завоевал мировую известность своими трудами по химии и электричеству. Но, как пошутил однажды Дэвис Гильберт, тогдашний президент Лондонского королевского общества, «из всех открытий, когда-либо сделанных Дэви, самым большим было открытие Майкла Фарадея».
По окончании ученичества, в октябре 1812 г., Майкл поступил в переплетную мастерскую французского иммигранта Де ля Роша. На этот раз с хозяином не повезло — он оказался настоящим самодуром, и юноша чувствовал себя на новом месте крайне неуютно. Пытаясь вырваться на волю, он обратился к Дэви, выразив желание заняться научной работой. Знаменитый химик скептически отнесся к решению сына кузнеца стать ученым и посоветовал ему не бросать выгодное переплетное дело. На замечание Майкла о возвышенных переживаниях людей науки сэр Хэмфри улыбнулся и заметил, что «опыт скоро рассеет его иллюзии».
Однако судьба была благосклонна к Фарадею. Через некоторое время при проведении химического опыта Дэви поранил глаз и ненадолго лишился возможности читать и писать. Тогда он вспомнил о недавнем разговоре и пригласил Майкла на временную должность личного секретаря. Во время совместной работы ученый поразился познаниями юноши и решил все же предоставить ему место в институте. В ответ на ходатайство сэра Хэмфри главный администратор института Пипис ответил: «Пусть он моет посуду. Если он чего-нибудь стоит, то начнет работать. Если же откажется, то значит, никуда не годится». К счастью, мыть посуду Майклу не пришлось: освободилось место ассистента и Дэви рекомендовал его на эту должность. В начале 1813 г. молодой человек приступил к работе и с головой окунулся в исследовательскую деятельность: то он извлекал сахар из репы, то получал сероуглерод, о чем с восторгом писал своим друзьям. Но в основном Майкл помогал Дэви доводить до конца опасные опыты с соединениями хлора и азота. «Фарадей был смел и вместе осторожен, — писал о нем французский химик Жан Дюма. — Это был истый химик, ничего не боявшийся, но всегда бывший настороже».
С этого времени и начался творческий путь ученого-самоучки, который продолжался более 50 лет в стенах Королевского института, созданного в начале XIX в. Бенджамином Румфордом. Здесь Фарадей сформулировал основной кон электромагнитной индукции, открыл законы электролиза и дискретность электрического заряда, первым изучил свойства диэлектриков и формы газового разряда, отрыл пара- и диамагнетизм и магнитную анизотропию, обнаружил вращение плоскости поляризации в магнитном поле, ввел в науку одно из основных физических понятий — понятие поля, создал технологию сжижения газов, сочетая одновременно низкие температуры и высокое давление, изобрел вольтметр, электродвигатель, трансформатор.
Вскоре Майклу пришлось прервать научные занятия: в октябре 1813 г. вместе с Дэви он отправился в длительное путешествие по Европе, которое заняло более полутора лет. В то время на континенте бушевали политические страсти. Англия находилась в состоянии войны с Францией, но для знаменитого химика император Наполеон сделал исключе-ие: два англичанина спокойно путешествовали по охваченным войной городам Европы, ставили опыты, беседовали с единомышленниками. В письмах Фарадея того времени нет почти ничего, кроме личных переживаний, описания впечатлений от стран, ландшафтов и встреч с учеными.
Иностранцы по достоинству оценили скромность и талант начинающего химика. Ж. Дюма писал: «Фарадей навсегда оставил о себе память как о человеке необыкновенно симпатичном, чего не сумел снискать себе его повелитель: Дэви вызывал удивление, но любили Фарадея». Эта поездка ввела в большой мир и большую науку бывшего переплетчика, который до того ни разу не выбирался за пределы Лондона, и предоставила ему возможность приобрести «себе самых преданных друзей в Париже, в Женеве, Монпелье». Вернувшись в Англию, в январе 1816 г. Фарадей сделал свой первый публичный доклад и в течение года еще 5 раз выступал по частным проблемам химии. В 1817 г. он опубликовал шесть, а в следующие два года — 37 статей и заметок.
В период с 1816 по 1821 г. Майкл в основном занимался химией и сделал в этой области несколько важных открытий, за что был вскоре избран членом Королевского общества. Но до этого он решил задачу «превращения магнетизма в электричество»: заставил двигаться рамку с током внутри подковообразного магнита, что фактически означало создание прототипа электромотора. Предположение, что проводник с током будет двигаться в магнитном поле, высказывалось Дэви и вице-президентом Королевского общества Уильямом Волластоном, который в то время был очень заметной фигурой в науке. Вскоре Фарадей самостоятельно открыл эффект вращения, который в действительности оказался совершенно не похожим на то, что ожидали увидеть маститые ученые. Волластон повел себя как джентльмен и не выдвинул никаких претензий, но Дэви был чрезвычайно недоволен. Этот трудный опыт в области человеческих отношений Фарадей переживал очень тяжело.
К этому же времени относится и другое важное событие в жизни технического смотрителя Королевского института Фарадея: «Среди воспоминаний и событий 1821 г. я выделяю одно, которое более чем все остальные послужило источником чести и счастья. Мы поженились 12 июня 1821 г.». Сарра Бернард, дочь лондонского ювелира, которую он знал еще девочкой, стала верным другом и спутницей Майкла. Они прожили вместе 45 лет. Друг семьи Фарадей, ученый Джон Тиндаль, писал: «Никогда, я думаю, не было более мужественной, более чистой и более постоянной любви. »
С 1821 по 1831 г. в дневниках Фарадея почти нет записей об электромагнитных проблемах, хотя он делал несколько безуспешных попыток вызвать ток с помощью магнитов. В это же время американский ученый Джозеф Генри в Нью-Йорке сконструировал мощные электромагниты, и вскоре было обнаружено явление изменения их полярности при быстром переключении питающих проводов. Используя новую технику и действуя чисто эмпирически, Фарадей смог 17 октября 1831 г. обнаружить явление электромагнитной индукции: возникновение в цепи электрического тока при изменении внешнего магнитного поля. Успех принес опыт, кажущийся сейчас тривиальным: вокруг металлического кольца обвивалось два отдельных витка провода: По одному из них, соединенному с батареей, пропускался электрический ток. Целью ученого было выяснить, не возникнет ли ток в «мертвом» проводе под воздействием «живого».
С прикладной точки зрения, Фарадей фактически построил модель первой динамо-машины, которая через столетие полностью изменит облик Земли. Но эта сторона вопроса абсолютно его не интересовала. В течение последующих 25 лет он целенаправленно изучал только две вещи: способ, каким электрические и магнитные силы передаются в пространстве, и связь между этими силами и материей. Начиная с первой серии «Экспериментальных исследований по электричеству», представленной Фарадеем Королевскому обществу в ноябре 1831 г., эта работа с перерывами продолжалась вплоть до 1855 г., когда появилась последняя, 30-я серия.
Хотя Фарадей и называл себя «скептиком относительно теорий», на самом деле в своих сериях «Экспериментальных исследований. » он постепенно выстраивал стройную теоретическую концепцию. К сожалению, она воспринималась большинством современников как чудачество великого экспериментатора. Взгляды Фарадея казались слишком наивными, несмотря на то что они вели его сквозь лабиринты разнородных фактов и помогали находить правильные варианты постановки опытов, приводящих к открытиям.
Через 20 лет Джеймс Максвелл первым счел нужным серьезно проанализировать теоретические высказывания Фарадея. Оказалось, что его формулировки просто и естественно переводятся на язык соответствующей математики.
В 1825 г. Майкл Фарадей был назначен директором лаборатории Королевского института, а спустя два года получил здесь же профессорскую кафедру. В электромагнетизме Фарадей сделал три замечательных открытия, причем любого из них в отдельности было бы достаточно, чтобы его имя осталось в науке. Первое — уже упоминавшееся открытие электромагнитной индукции. Второе — открытие диамагнетизма, т.е. свойства всех без исключения веществ в природе приобретать во внешнем магнитном поле компоненту намагниченности против направления поля. До этого реакция на магнитное поле наблюдалась на протяжении сотен лет, но лишь у ограниченного числа веществ — парамагнетиков, которые относительно сильно намагничиваются по полю. Кстати, слова «парамагнетик», «диамагнетик», а также всевозможные производные от них были введены Фарадеем, который вообще уделял большое внимание адекватной терминологии (им были предложены термины «анод», «катод», «электрод», «электролит», «электромагнетизм», «положительное и отрицательное электричество» и т. д.). И наконец, третье открытие — вращение плоскости поляризации света в магнитном поле.
В каждом случае Фарадей устанавливал факт взаимодействия между сущностями, до того не связанными между собой. Нужно сказать, что ему сильно повезло. Ведь в своих экспериментах он действовал слепо, заранее не зная, на каком уровне, при каких интенсивностях полей можно ожидать появления новых эффектов. Более того, он не имел надежных представлений об их характере. В таких условиях открытия обычно делаются случайно и, в соответствии с законами вероятности, один раз в жизни. Но, как видно, к гению эти соображения не относятся. Теория вероятности — для обычных людей.
Удивительно, сколь оригинальны и просты были опыты, с помощью которых Фарадей обнаруживал фундаментальные факты. Например, использовался такой прибор: соленоид, плавающий в воде, и магнитные стрелки, наколотые на пробки, которые, свободно двигаясь на поверхности жидкости, вычерчивали направления линий магнитного поля4. При этом пробки спокойно проплывали сквозь соленоид, наглядно демонстрируя непрерывность силовых линий.
Исследование Фарадеем природы магнитных линий — кроме всего прочего, еще и поразительный пример мужества и упорства. К 50 годам ученый стал страдать тяжелым недугом. При отменном физическом здоровье из-за переутомления он терял память. Болезнь прогрессировала, и в 1840 г. Фарадей был вынужден полностью прекратить научные исследования. Только спустя четыре года он снова смог приступить к работе. Ученый постепенно отказывался от различных обязанностей, которые уже не мог выполнять параллельно, он не скрывал и не стыдился своего недуга, а всячески пытался использовать для работы малейшую возможность.
В 1848 г. Фарадей открыл явление вращения плоскости поляризации света, распространяющегося в прозрачных веществах вдоль линий напряженности магнитного поля (эффект Фарадея). Сам первооткрыватель (взволнованно написал, что он «намагнитил свет и осветил магнитную силовую линию») придавал этому открытию большое значение. И действительно, оно явилось первым указанием на существование связи между оптикой и электромагнетизмом. Убежденность в глубокой взаимосвязи электрических, магнитных, оптических и других физических и химических явлений стала основой всего научного миропонимания гениального ученого.
В 1855 г. болезнь вновь заставила Фарадея прервать работу. Он снова стал катастрофически терять память. Ему приходилось записывать в специальный журнал все, вплоть по того, куда и что он положил перед уходом из лаборатории, что он уже сделал и что собирался делать далее. Чтобы продолжать работать, он должен был отказаться от многого, в том числе и от посещения друзей. Последнее, от чего он отказался, были лекции для детей, которые он читал в Королевском институте с 1826 г. Одна из самых известных его лекций называлась «История свечи с точки (рения химии». Позже она была издана отдельной книгой и стала одним из первых научно-популярных изданий и мире.
Феномен личности Фарадея уникален, поскольку ученый мыслил точно, как математик, не владея формальным математическим аппаратом. Факты, которые он установил, стали фундаментом электромагнитной теории. Открытия Майкла Фарадея завоевали признание во всем научном мире, его именем были впоследствии названы законы, явления, единицы физических величин и т. д. (фарада, фарадей, число Фарадея, цилиндр Фарадея и др.).
Великий физик умирал в одиночестве. Детей у него не было, свою любимую жену и верную спутницу Сарру Бернард он уже похоронил, да и сам превратился в старика, который с трудом мог написать хотя бы строчку. Фарадей сознавал свою беспомощность и очень страдал от этого. Из дома он выходил все реже и реже. И не принимал никого, кроме своего ученика и преемника Д. Тиндаля. Но ученый знал точно: все в жизни, что он должен был сделать, он сделал. К 1867 г. его научные открытия получили признание 97 академий наук, он также был обладателем целой коллекции научных титулов, однако не счел нужным получить хотя бы одно ученое звание. Верный себе Фарадей отказался и от дворянского титула, произнеся при этом следующую фразу: «Благодарю. Но я хочу называться просто: Майкл Фарадей».

Каждый электрик должен знать:  Системы автоматического управления и регулирования. Их классификация

Гениальный ученый спокойно и тихо скончался 25 августа 1867 г., сидя за письменным столом в своем лондонском доме. Несмотря на то, что у него уже не было сил для серьезных дел, светлое состояние души не оставляло его до конца. Еще в 1861 г. он писал другу: «Я благодарен, что в процессе того, как способности и другие вещи в этой жизни покидают меня, добрая надежда остается со мной. Это позволяет размышлять о смерти спокойно и без страха. Чего же бояться, если среди подарков Бога нам дан свыше еще этот мир в душе? Именно этот, невыразимый словами дар в Его излюбленном сыне, — есть основание для надежды, и в нем опора для тех, кто, как ты и я, влачится здесь, внизу к концу нашего жизненного пути».
Уже в XX в., в 1938 г., в Лондоне был найден документ со следующей надписью: «Новые воззрения, подлежащие хранению в запечатанном конверте в архивах Королевского общества». Письмо было написано Майклом Фарадеем и содержало в себе суть открытия, сделанного Герцем спустя 55 лет после смерти великого английского ученого. Речь шла о существовании электромагнитных волн. Фарадей писал: «. я хочу, передавая это письмо на хранение в Королевское общество, закрепить открытие за собой определенной датой и, таким образом, иметь право, в случае экспериментального подтверждения, объявить эту дату датой моего открытия. В настоящее время, насколько мне известно, никто из ученых, кроме меня, не имеет подобных взглядов».
Один из биографов гениального естествоиспытателя писал: «Мало людей, кто действительно вполне довольствуется мыслью, что потомки, а не современники должны судить о результатах конкретной жизни, ориентированной на научную работу. Фарадей был таким. »
Похороны великого ученого были незаметными, в соответствии с его желанием присутствовали только ближайшие родственники и друзья. На могиле Фарадея — простой камень. Но нация справедливо определила место его захоронения — Вестминстерское аббатство, рядом с могилами Ньютона и Максвелла.

2468. Майкл Фарадей: как человек подчинил электричество

Предмет этого очерка – работы Майкла Фарадея (1791–1867) в области теории и практики электромагнетизма. Физик и химик Фарадей вошел в историю как первооткрыватель электромагнитной индукции, создатель первого функционирующего электродвигателя и автор физического понятия «поле».

Жизнь Фарадея очень обстоятельно документирована и его перепиской и дневниками, и свидетельствами современников; и это изобилие создает источниковедческие проблемы: сложно различить, что достоверно, а что нет. Свидетельства разных лиц часто различаются, и отличить прямые факты биографии от известий понаслышке, приукрашивания фактов, вдохновляющих сочинений и просто сплетен достаточно сложно. Авторы биографий Фарадея часто передают сомнительные сообщения со ссылками друг на друга, придавая им достоверность, и не исключено, что и в этом очерке могут оказаться такие эпизоды. Нередко только детальный анализ документов и контекста позволяет признать сомнительным эпизод, достоверность которого ранее не ставилась под сомнение.

Классический пример – одна из наиболее популярных биографических легенд о налоге на динамо-машины. Премьер-министр Великобритании Роберт Пил (в орфографии XIX века Пиль) осматривал динамо-машину Фарадея. По окончании политик спросил ученого, на что годится его открытие. «Не знаю, на что оно годится, – якобы ответил Фарадей, – но готов биться об заклад, что правительство будет когда-нибудь брать с этого налоги» ( Цит. по: Fisher, David E. A Race on the Edge of Time: Radar – The Decisive Weapon of World War II. 1987).

Анекдот про «налоги с динамо-машин» не находит подтверждения в документах Фарадея. По-видимому, он был изначально сочинен не для иллюстрации того, что Фарадей провидел практическое применение своих трудов, а для критики именем и авторитетом ведущего ученого Британии косвенных налогов Британии, бывших основой государственного бюджета много столетий. В зрелом возрасте Фарадей регулярно участвовал в различных публичных проектах, имевших мало отношения к его научным интересам, – от инспекции маяков до контроля загрязнения воды в Темзе. А Пил два раза за свою долгую политическую карьеру реформировал налоговую систему, вводя подоходный налог, и со второй реформы (закон о подоходном налоге 1847 года) подоходный налог взимается в Британии постоянно. Налоговые инновации Нового и Новейшего времени интересны сами по себе, и, говоря о Фарадее, мы укажем лишь, что именно косвенные налоги повлияли на начало его карьеры.

С 1712 года газеты в Британии облагались налогом полпенни на пол-листа и пенни на лист, в 1802 году налог был увеличен до трех пенсов, а в 1815 году до четырех пенсов – при цене самой газеты от двух до четырех пенсов. Целью этого налога, как было прямо сказано в законе о гербовом сборе 1819 года ( 60 Geo. III & 1 Geo. IV c. 9), было не только пополнение казны, но и пресечение «возбуждения ненависти и презрения к правительству и святой религии». Сперва налоги повышались для борьбы с пронаполеоновскими симпатиями, затем – для удушения собственных прогрессистов и диссидентов после «манчестерской бойни» (16 августа 1819 года митинг за всеобщее избирательное право был разогнан вооруженными гусарами, в результате 15 митингующих было убито и несколько сотен ранено). Дискриминационные налоги привели к тому, что многие газеты стали выходить без уплаты гербового сбора и распространяться по модели аренды – читатели брали газету в поденную аренду, ежедневно возвращая экземпляры. Именно такую работу и получил юный Майкл Фарадей в октябре 1805 года у книготорговца Жоржа Рибо.

А Рибо, в свой черед, дал место именно Фарадею, поскольку Фарадей родился и рос в семье членов протестантской секты сандеманиан. Эта уже не существующая крошечная секта отпала от Шотландской пресвитерианской церкви и состояла из нескольких семей, которых объединял стоицизм и суровый нравственный ригоризм. Советские биографы Фарадея из атеистических соображений обходили эту сторону его жизни почти целиком, и поэтому им приходилось игнорировать или выдумывать мотивы множества событий его долгой жизни ( Радовский М.И. Фарадей. – М., 1932). Почему Фарадей отказался от рыцарского звания и от избрания главой Королевского общества? Почему он жил скромно на грани бедности? Почему он всю жизнь проработал на одном месте, в Королевском институте, где начал карьеру с лаборанта? Все эти решения исходили из морально-духовных принципов Фарадея. Первый шаг к ученой карьере и славе он сделал тоже благодаря тому, что Рибо и все окружающие знали: сандеманианин будет верно и тщательно исполнять свои обязанности, не пропустит ничего и не украдет ни пенни. Для подписки на левые газеты, где единственный упущенный экземпляр мог привести к серьезному штрафу, эти черты личности Фарадея были критически важны.

Майкл Фарадей, читающий рождественскую лекцию в Королевском институте. Фрагмент литографии

Попутно отметим, что англоязычные биографии Фарадея часто сообщают, что в зрелом возрасте Фарадей был якобы исключен из старост общины сандеманиан за то, что в воскресенье вместо церкви пошел на ланч к королеве Виктории. Только в конце XX века видный популяризатор науки Джон Гриббин, изучив источники Букингемского дворца и архивы церкви сандеманиан, пришел к выводу, что эта история маскирует раскол в крошечной общине (вместе с Фарадеем церковным репрессиям подверглись еще 19 человек), а ланча во дворце никогда не было ( Gribbin, John, Gribbin, Mary. Faraday in 90 Minutes. Constable and Robinson, 1997).

В течение семи лет ученичества у Рибо Фарадей освоил переплетное дело и занимался научным самообразованием, чему способствовал доступ к книгам в магазине. К умению переплетать книги Фарадей часто прибегал впоследствии: его архивы сохранились в сделанных им самим переплетах, сообщается, что он переплел свой первый учебник по химии пополам с чистыми листами, чтобы иметь место для записей. Переплетное дело позволило ему в конечном итоге попасть на работу к Хэмфри Дэви (1778–1829), одному из первых электрохимиков в истории. Произошло это в начале 1813 года, вскоре после окончания ученичества у Рибо. К этому времени Фарадей уже имел за плечами занятия в лектории Городского философского общества и опыт самостоятельных химических и физических экспериментов. Фарадей посетил четыре лекции Дэви, сделал качественный конспект и переплел его в хорошую обложку. Эта работа через влиятельных знакомых попала к Дэви. Так Фарадей получил приглашение на собеседование, затем временную работу на период, пока Дэви лечил химический ожог глаз, а после этого и вакансию лаборанта в Королевском институте, где Дэви читал свои лекции (по другой версии, конспект обеспечил Фарадею приглашение на постоянную работу после временной). Так Дэви стал, как мы сказали бы сейчас, «научным руководителем» Фарадея.

История Дэви и Королевского института каждая сама по себе может быть предметом отдельного очерка, поэтому их характеристика здесь будет краткой. Королевский институт, несмотря на громкое имя, был частным научным лекторием, основанным в конце XVIII века. Дэви, начинавший как один из лекторов, к этому времени был главной звездой Королевского института и обеспечивал ему высокую посещаемость. Лондонские сплетни, отразившиеся и в карикатурах той эпохи, утверждали, что половину аудитории составляли дамы, которых привлекала не наука, а красноречие и красивая внешность Дэви. Крайне популярны были и эксперименты и вечеринки с «веселящим газом» (закисью азота), также любимые карикатуристами. Дэви не открывал закись азота, но первым обнаружил ее психотропные и анестезирующие свойства и сам употреблял «веселящий газ» в больших количествах как для опытов, так и для удовольствия, подробно описывая свои ощущения ( Jay, Michael. «O, Excellent Air Bag »: Humphry Davy and Nitrous Oxide. The Public Domain Review, 2014.). Параллельно с медийной славой и тем, что в будущем создатель экстази А.Ф. Шульгин назовет «психоделическими трипами», Дэви занимался электрохимией (в терминологии эпохи – гальванизмом), открыв только в 1807–1808 годах несколько новых химических элементов (в том числе натрий, калий, кальций, магний и барий).

Отношения Фарадея и Дэви складывались непросто. Вскоре после того, как Фарадей попал к Дэви на работу, Дэви отправился в научную поездку по Европе (1813–1815). Хотя Франция была в состоянии войны с Британией, Дэви получил разрешение на путешествие, так как был в свое время награжден Наполеоном медалью за научные исследования. В ходе этого путешествия Дэви, и с ним Фарадей, встретились со многими научными светилами эпохи, включая Ж.-Л. Гей-Люссака и А. Вольта. Дэви и Гей-Люссак, в частности, совместно исследовали кристаллический йод, обнаруженный Б. Куртуа, и признали его новым элементом (продолжительный спор Гей-Люссака и Дэви о приоритете сейчас решен в пользу Куртуа). Впоследствии Фарадей вспоминал, что это путешествие радикально расширило его кругозор и понимание современной науки. Группа вернулась в Англию досрочно, оказавшись в Брюсселе во время «ста дней Наполеона» и беспокоясь за свою безопасность (небезосновательно, так как генеральное сражении при Ватерлоо, в котором Наполеон потерпел окончательное поражение, прошло вблизи от Брюсселя).

В ходе путешествия Фарадей испытывал серьезное давление из-за своего низкого социального происхождения и служебного статуса. «Классовые» категории были неформальными, но достаточно жесткими. Время их появления точно неизвестно, но уже в начале XIX века в обществе Британии признавалось разделение на «высший класс» – земельную и личную аристократию, «средний класс» – собственников предприятий, купечества и лиц «свободных профессий» (в основном докторов и юристов) и «низший класс», или «рабочий класс» – лиц, работающих по найму. Классовые различия в Британии XIX века настолько ярко проявляли себя в социальных отношениях, что Карл Маркс, наблюдая ранневикторианское общество, использует британские термины для создания своей теории «классовой борьбы», распространив ее на все общества мира.

Фарадей по рождению был из «низшего класса», Дэви – из «среднего», но вошел в «высший» в 1812 году, когда принц-регент Георг IV дал ему рыцарский титул баронета (баронет – младший наследный аристократический ранг, не дающий места в палате лордов). Это был один из первых актов регента и, возможно, первый прецедент возведения в рыцари за научные заслуги. Сразу после получения рыцарского звания Дэви женился на хозяйке известного литературного салона, богатой вдове Джейн Эприс. Леди Джейн Дэви была купеческой дочерью, чей первый муж умер, оставив ей состояние, но не успев унаследовать титул баронета. Накануне поездки камердинер Дэви уволился, не желая ехать во Францию, и Дэви взял Фарадея временным камердинером, планируя нанять постоянного в Париже. Но как известно, нет ничего постояннее временного. По неизвестной причине Дэви так и не нанял нового камердинера, и Фарадей наряду с научными обязанностями прислуживал Дэви все время путешествия. Леди Дэви, получив вожделенный титул, при каждой возможности демонстрировала свой ранг и указывала Фарадею на его «подобающее место» прислуги. Дэви, по-видимому, тоже иногда подчеркивал социальную дистанцию между собой и Фарадеем. Обстановка в семействе была непростой и помимо этого: у обоих супругов был взрывной темперамент, и жили они, по замечанию знавшего их Вальтера Скотта, «как кошка с собакой». Фарадей переносил унижения смиренно, но по его переписке заметно, что он сильно переживал по этому поводу, вплоть до мыслей об увольнении.

В 1815–1821 годах Фарадей работал под руководством Дэви, преимущественно над химическими задачами. Из проектов этого периода наиболее интересно его участие в работе над «лампой Дэви» – безопасной шахтной лампой. Это одно из немногих изобретений начала XIX века, которое производится до сих пор. Дэви взялся за этот проект по просьбе шотландских друзей, обративших его внимание на крупный взрыв «рудничного газа» в угольной шахте, от которого погибли 92 шахтера, многие из которых были подростками. «Рудничный газ» незадолго до этого был определен как в основном метан Дж. Дальтоном. Первый доклад Дэви в Королевском обществе по этому проекту относится уже к декабрю 1815 года, а доработка проекта шла до 1818 года.

«Лампа Дэви» состояла из фитиля, заключенного в кожух из металлической сетки. Кожух пропускал свет, рассеивал избыточное тепло и блокировал распространение взрывной волны. По мере роста содержания метана в воздухе лампа начинала гореть синим светом и издавать хлопки от микровзрывов метана. Лампа также угасала по мере роста содержания углекислого газа, предотвращая риск потери сознания шахтерами (Meurig Thomas, John. Sir Humphry Davy and the coal miners of the world: a commentary on Davy (1816) «An account of an invention for giving light in explosive mixtures of fire-damp in coal mines» 6 March 2015. Phil. Trans. R. Soc. A 2015 373 20140288; DOI: 10.1098/rsta.2014.0288). Практически одновременно (в ноябре 1815 г.) лампу собственного дизайна «Джорджи» представил будущий изобретатель паровоза Джордж Стефенсон; Дэви много лет обвинял его в плагиате, хотя многочисленные комиссии признали оригинальность обоих изобретений (лампа «Джорджи» имела стеклянный кожух).

«Лампа Дэви» спасла много жизней, хотя на первом этапе спровоцировала ряд катастроф – шахтеры начали продвигаться в ранее опасные галереи, и кожух, перегреваясь, иногда провоцировал катастрофические взрывы. Лампа «Джорджи» также много лет применялась в Шотландии, но до появления небьющегося закаленного стекла ее кожух также создавал риск взрыва, если разбивался. Только спустя много десятилетий эти лампы вытеснило электрическое освещение, которое сделал возможным Фарадей. А в этом периоде своей жизни Фарадей работал над экспериментами с горением метана, и отчеты Дэви указывают на его роль и вклад в решение проблемы. Сам Фарадей с особой гордостью отмечал, что создание лампы было не случайной находкой, а результатом множества экспериментов и применения «научного метода». По этой же причине Дэви критиковал Стефенсона, отказываясь признать, что малообразованный механик из Шотландии мог показать результат, равный полученному «научным методом».

Чувствительность Дэви к плагиату сыграла значительную роль и в отношении к первому значительному открытию Фарадея.

В 1820 году датчанин Ханс Эрстед (также видный представитель уже известного нам по Гумбольдту «романтического» направления в континентальной науке) разослал европейским коллегам латинскую брошюру с описанием опыта, демонстрировавшего вращение стрелки компаса под воздействием проводника, подключенного к вольтову столбу. Иногда сообщается, что Эрстед обнаружил этот эффект случайно во время лекции, но исследование лабораторного журнала Эрстеда показывает, что Эрстед в течение нескольких месяцев исследовал множество конфигураций проводников и стрелки, пока не обнаружил положение, в котором проводник создавал наиболее значительное отклонение стрелки ( Martins, Roberto de Andrade. Resistance to the discovery of electromagnetism: Ørsted and the symmetry of the magnetic field. In: Bevilacqua, Fabio, Giannetto, Enrico (eds.), Volta and the History of Electricity, Pavia / Milano, 2003).

Современные описания опыта Эрстеда употребляют выражение «магнитное поле проводника», но это анахронизм, так как концепцию «поля» создал именно Фарадей по итогам многолетних экспериментальных работ и до «уравнений Максвелла» (1861) электромагнитное поле не было признано как единое. Эффект от воздействия проводника на магнитную стрелку наблюдал еще в 1802 году итальянец Джандоменико Романьоси, но тогда его отнесли на действие электростатических сил ( Martins, Roberto de Andrade. Romagnosi and Volta’s pile: early difficulties in the interpretation of Voltaic electricity. In: Bevilacqua, Fabio, Giannetto, Enrico (eds.), Nuova Voltiana: Studies on Volta and his Times, Pavia / Milano, 2001). Эрстед зафиксировал феномен, понимание которого и им, и его коллегами по всей Европе было еще очень далеко от современного. Электрический «ток» с XVIII века понимался как «флюид», невидимая и невесомая «жидкость», которая «течет» по проводнику, и потребовалось пройти через кризис классической физики и создание физики элементарных частиц, чтобы понять уже в первой половине XX века физическую природу электричества. Наблюдать феномен и осознавать его природу – это разные вещи. Заслуга Эрстеда в том, что он подтвердил магнитную природу воздействия проводника под электрическим током на стрелку компаса.

С этого момента электромагнетизм стал модной темой исследований у европейских натурфилософов. Термин «натурфилософия» в этот период объединял физику, химию, медицину и другие науки о физическом мире, в середине XIX века его вытеснил термин «естественные науки». В том же 1820 году Андре-Мари Ампер продемонстрировал магнитное взаимодействие двух параллельных проводников.

В апреле 1821 года первооткрыватель платиновой металлургии и платиноидов палладия и родия Уильям Уоллестон (в транскрипции XIX века – Волластон) высказал гипотезу, что эффект Эрстеда обратим и проводник можно заставить вращаться в магнитном поле. Уоллестон полагал, что ток движется по проводнику по спирали, что и создает движущий эффект. Уоллестон обратился к Дэви с просьбой помочь ему поставить в Королевском институте эксперименты для проверки этой гипотезы. Фарадей не принимал участия в постановке этих экспериментов, но в обсуждении результатов участвовал.

Осенью того же 1821 года Фарадей писал для журнала «Анналы философии» обзор положения дел в электромагнетизме и воспроизводил для проверки эксперименты, о которых писал. В результате этих библиографических работ Фарадей пришел к мысли о том, что проводник и магнит стремятся занять положение под прямым углом друг к другу, и для демонстрации эффекта поместил проводящий стержень на подвесе в чашу с ртутью (служившей жидким проводником), в центре которой находился постоянный магнит. Включение тока начинало вращать проводник вокруг магнита. Так был создан первый электродвигатель в истории (использовавший постоянный ток).

В последующей публикации Фарадей сделал серьезную ошибку – не упомянул ни Уоллестона, ни Дэви. Уоллестон, по-видимому, не придал этому серьезного значения, принял письменные объяснения Фарадея любезно и в 1823 году номинировал его в члены Королевского общества. А вот Дэви, который в 1820 года сменил Уоллестона на посту председателя Королевского общества, был возмущен произошедшим. Современники расходятся, подвергал ли Дэви Фарадея публичной критике за плагиат; по крайней мере письменные отчеты Королевского общества таких высказываний Дэви не сохранили. Но, судя по всему, Дэви резко высказывал Фарадею претензии к его ученой этике и в лицо, и за глаза. Спустя годы Фарадей сообщал, что Дэви предлагал ему снять свою кандидатуру в члены Королевского общества и даже обещал в случае отказа сделать это председательской властью, но, по-видимому, правила не позволяли снять кандидатуру ни кандидату, ни председателю. Фарадей был избран в члены в январе 1824 года почти единогласно, и многие источники утверждают, что единственный «черный шар» подал именно Дэви.

Часто встречается утверждение, что резкая критика Дэви была причиной того, почему Фарадей прекратил эксперименты в области электромагнетизма до смерти Дэви. Но более разумно предположить, что Фарадей не находил дальнейших путей развития темы электромагнетизма – периодические опыты в этой области он проводил, например, в 1825 году. Дэви, со своей стороны, не только не предпринял попыток как-то наказать или ограничить своего ученика, но, наоборот, организовал ему в 1825 году повышение до директора лаборатории Королевского института.

На новом посту Фарадей осуществил целый ряд проектов, учредив в том числе Пятничные беседы о науке, которые проводятся с тех пор в Королевском институте непрерывно и стали одной из самых престижных лекционных серий мира. Благодаря этим и другим проектам (в частности, детскому лекторию, из которого выросла знаменитая научно-популярная книга Фарадея «История свечи») Королевский институт, с уходом Дэви медленно терявший посещаемость и деньги, снова вернулся к безубыточности. В научном отношении 1820-е годы для Фарадея тоже были достаточно продуктивными – в частности, в это время он открыл бензол.

Сам Дэви быстро терял здоровье и силы и в 1827 году уехал поправлять здоровье в Европу после перенесенного удара (вероятно, инсульта), где и умер. Биографии Дэви приписывают ему предсмертное высказывание: «Моим лучшим открытием был Фарадей»; достоверность этого известия неочевидна.

В 1830 году Чарльз Бэббидж, к этому времени уже создатель «дифференциальной машины» (первого аналогового компьютера в истории) и глава Лукасовской кафедры в Кембридже, начал кампанию по борьбе за переизбрание с поста председателя Королевского общества депутата парламента Дэвиса Гилберта, которого он обвинял в том, что Королевское общество стало превращаться в «клуб джентльменов» и критерии членства упали. По названию эссе Бэббиджа «Размышления об упадке науки в Англии и о некоторых причинах этого» ( Babbage, Charles. Reflections on the Decline of Science in England, and on Some of Its Causes. London: B. Fellowes, 1830) его сторонники получили имя «упадочники» (Declinarians, от decline – «упадок»). Упадочники добились отставки Гилберта, на его место был избран сын короля, принц Август Фридрих. Принц был главой Великой масонской ложи Англии, его связи с наукой исчерпывались любительской гебраистикой (изучением языка и культуры евреев библейского периода). Но при этом он был способным администратором и организатором и навел некоторый порядок в финансах и организации Королевского общества ( Boas Hall, Marie. The Library and Archives of the Royal Society. 1660–1990. The Royal Society, 1992). Но все-таки нельзя не заметить иронию истории: одновременно с возмущением Бэббиджа упадком науки в Британии Фарадей заканчивал работу над одним из крупнейших открытий в истории человечества – явлением электромагнитной индукции.

Открытие Фарадея сделали возможными два ключевых шага: изобретение электромагнита Уильямом Стерджоном в 1824 году и опыт Франсуа Араго с медным диском, вращающимся в магнитном поле. Электромагнит Стерджона был вполне современного типа – он состоял из железного сердечника с медной обмоткой. Араго продемонстрировал то, что он назвал «магнетизмом вращения» – медный диск, будучи немагнитным материалом, при вращении отклонял магнитную стрелку. Араго считал, что вращение создает собственный магнетизм; после опытов Фарадея явление получило современное объяснение – в металле возникали вихревые токи (токи Фуко), создававшие вторичное магнитное поле.

29 августа 1831 года Фарадей провел первый опыт, показавший существование электромагнитной индукции. Установка, которая сейчас экспонируется в музее Королевского института, состояла из кольцевого сердечника с двумя обмотками на противоположных сторонах. На одну обмотку подавался ток, создававший магнетизм, который должен был, по замыслу Фарадея, возбудить электрический ток в другой обмотке, подключенной к гальванометру. По сути, Фарадей собрал принципиальную схему современного трансформатора. Часто повторяемая биографическая легенда гласит, что Фарадей счел, что схема неработоспособна и только случайно заметил рывки стрелки в одну сторону при замыкании цепи и в другую при размыкании. Но отчет Фарадея об этом эксперименте говорит, что воздействие нарастало и сокращалось постепенно и наблюдалось им целенаправленно. Как и в случае с Эрстедом, художественный вымысел затушевывает кропотливый целеустремленный труд – и много неудачных промежуточных попыток.

Следующий успешный опыт реконструируется в окончательном виде как катушка-соленоид, в которую вдвигался и выдвигался электромагнит. Во время движения магнита под током в соленоиде возникал электрический ток. Эта установка, демонстрируемая в школах на уроках физики, на самом деле состояла из серии последовательных опытных приближений, в ходе которых Фарадею стало ясно, что сердечники и катушки не обязательно должны быть проводящими. И наконец, 28 октября 1831 года Фарадей создает на базе установки Араго «динамо-машину». В машине Фарадея проводящий диск из меди вращался между полюсами постоянного магнита. К диску Фарадей подвел щетки-токосниматели в виде гибких проводящих пластин – это, по-видимому, были первые токосниматели в истории. Вращение диска создавало на проводниках электрический ток – Фарадей создал первый электрогенератор (униполярный, постоянного тока). Задача «превратить магнетизм в электричество», записанная Фарадеем в лабораторный дневник еще в 1822 году, была решена.

Открытие индукции сделало Фарадея научной знаменитостью. В 1832 году Королевское общество вручило ему медаль Копли, и это была первая из числа многих научных почестей, полученных Фарадеем. От светских он отказывался, к денежным не стремился, жил небогато и до конца жизни проработал в Королевском институте (с большими перерывами на восстановление все более ухудшавшегося здоровья).

После открытия индукции Фарадей вел работы в целом ряде направлений, добившись еще большого количества результатов сопоставимого масштаба (результаты всех этих исследований сведены в многотомный сборник «Экспериментальные исследования электричества»). В 1832–1835 годах Фарадей показал единство всех видов электричества: статического, гальванического, животного, постоянного тока от своей машины. В 1834 году он описал законы электролиза, показывающие зависимость массы от заряда (константа Фарадея получила свое имя по этим исследованиям). Иногда Фарадею приписывают термины «анод», «катод» и «электрод», но эти термины не принадлежат Фарадею, популярными их сделала только его работа. В 1843 году Фарадей в эксперименте с ведерком для льда показал способ экранирования электрического поля (тогда еще не «поля»), который с тех пор носит название «клетка Фарадея». Наконец, в 1845 году Фарадей обнаружил диамагнетизм (свойство материалов отталкиваться от магнита) и экспериментально показал электромагнитную природу света, изменив плоскость поляризации света при прохождении через оптически неактивное вещество в магнитном поле.

Весь этот комплекс экспериментов, подтвердивших славу Фарадея как величайшего физика-экспериментатора своего времени, был объединен попыткой Фарадея на опыте понять природу обнаруженного им единства электричества и магнетизма. Начиная с 1832 года в бумагах Фарадея все чаще появляются слова «силовые линии», и в 1844–1845 годах на Пятничных беседах Фарадей впервые начинает говорить о том, что материя может быть представлена не как однородная среда-эфир, а как пустота, в которой пересекаются силовые линии, и атомы являются узлами этих линий, а свет движется по ним. Фарадей также предположил, что это поле распространяется не мгновенно, а с конечной скоростью. Одной из последних работ Фарадея была статья 1852 года «О физическом характере линий магнитной силы», где он оперирует термином «поле», рассматривая его как физическую реальность ( McMullin, Ernan. The Origins of the Field Concept in Physics. Phys. perspect. 4, 2002).

Фарадей прожил после этого еще 15 лет, но постепенно терял память и ясность мысли. По-видимому, накануне потери работоспособности он узнал о работах Джеймса Максвелла и смог оценить его достижения – первый доклад Максвелла в Королевском обществе «О силовых линиях Фарадея», где изложены математические способы их выражения, был сделан в 1855 году, а их известная переписка восходит к 1857 году ( Forbes, Nancy, Mahon, Basil. Faraday, Maxwell, and the Electromagnetic Field: How Two Men Revolutionized Physics. Prometheus Books, 2014). А вот теорию своего младшего современника Уильяма Томпсона-Кельвина об атомах как «вихрях эфира» он застать не успел. Она была создана уже в 1870-е годы, хотя очевидно, что Томпсон также развивал идеи Фарадея (но, возможно, не в том направлении, которое бы одобрил Фарадей). Теория Кельвина, как известно, не пережила «кризиса классической физики», но сделала его возможной. Альберт Эйнштейн, чьими усилиями это произошло, считал Фарадея своим главным вдохновителем.

В другом направлении от Фарадея развивались практические приложения электромагнитной индукции. Уже в 1832 году Ипполит Пикси во Франции создал первый генератор переменного тока. В 1834 году Мориц-Герман (Борис Семенович) Якоби в Кенигсберге создал первый электромотор с вращающимся валом, а в 1838 году, используя опять-таки открытия Фарадея, создает практическую гальванопластику (создание методом осаждения полых объектов). Гальванопластика Якоби была очень скоро использована в строительстве Исаакиевского собора – стоящие под его куполом 12 золотых статуй обвалили бы купол, будь они цельными, но они пустые изнутри, так как изготовлены в гальванических ваннах Якоби. В 1870 году машина Зеноба Теофила Грамма стала первым двусторонним устройством, способным преобразовывать ток в движение, а движение в ток. Конструкция «машины Грамма» позволила создать первые промышленные генераторы тока, и ее схема лежит в основе всех современных генераторов. На базе «машины Грамма» Никола Тесла в 1882–1887 годах создал свой «индукционный мотор», благодаря которому человечество сейчас массово пользуется переменным током. Так из исследований Фарадея выросла «вторая промышленная революция», или «век электричества», как иногда называют эпоху использования электричества как основного средства передачи и преобразования энергии.

Эксперименты Фарадея, призванные постичь фундаментальное единство электромагнитного поля, дали множество побегов. Попытка написать очерк о Фарадее, ни разу не употребив слово «поле», это хорошо показывает: мы привыкли мыслить концепциями, созданными Фарадеем, и выйти за них нам очень трудно – других слов для электромагнитных явлений у нас нет. Результаты трудов Фарадея окружают нас повсеместно – и не только в электромоторах всюду, от транспорта до стиральных машин, и в проводах, которые приводят в действие эти моторы, дают свет и питают компьютеры и смартфоны, на которых отображается этот текст. Новейшие «беспроводные зарядки» используют электромагнитную индукцию. Бесконтактные банковские карты и пропуска – индукционные. Под мостовыми в развитых странах лежат индуктивные элементы, фиксирующие интенсивность движения. Электромагнитная индукция служит для рекуперации энергии торможения в гибридных автомобилях и электромобилях. Электромагнитные волны, которые переносят со скоростью света голос, записки, фотки и смайлики, тоже в основе своей восходят к открытиям Фарадея середины XIX века, ведь и они создаются средствами индукции.

Словом, последствия работы Фарадея сейчас всюду, куда ни посмотри. Из них растет не только наше понимание жизни и Вселенной, но и наш быт, промышленность и в целом вся наша современная цивилизация.

Добавить комментарий