В первом эксперименте на деревянную или картонную катушку была намотана медная проволока, между ее витками – вторая проволока, изолированная от первой хлопчатобумажной нитью (рис. 2). Одна из спиралей соединялась с гальванометром, другая – с сильной батареей из 100 пар пластин. При замыкании и размыкании электрической цепи стрелка гальванометра слабо отклонялась. Но при непрерывном прохождении тока через первую спираль гальванометр оставался неподвижным.
Очевидно, во вторичной цепи возникал ток. Но почему только при замыкании и размыкании первичной цепи? А каковы свойства этого тока? Поместив внутрь спирали, включенной во вторичную цепь, стальную иглу, Фарадей обнаружил, что она намагничивается индуктированным током. Следовательно, этот ток обладает теми же свойствами, что и ток, полученный от гальванической батареи.
Но почему все-таки стрелка гальванометра неподвижна, когда ток проходит по первой спирали и даже нагревает ик, а великий экспериментатор оставался наедине со своими сомнениями.
Было очевидно, что, поскольку спирали между собой электрически не соединены, первая действует на вторую через окружающую их среду. Естественно было предположить, как повлияет на отклонение стрелки гальванометра замена деревянной катушки железным кольцом? Ведь железо легко намагничивается током (рис. 3).
Оказалось, что стрелка отклоняется на больший угол, т. е. среда, окружающая проводник с током, играет активную роль и может усиливать явление индукции.
Отметим, кстати, что в опыте с железным кольцом и двумя спиралями можно увидеть прообраз простейшей конструкции трансформатора.
Стремясь выяснить причину возникновения индукционного тока только при замыкании и размыкании первичной цепи, Фарадей пытался логически представить физический процесс этого явления. При замыкании и размыкании цепи возникало и исчезало магнитное поле, создаваемое током. Другими словами, происходило изменение магнитного состояния среды, окружавшей первичную и вторичную спирали. Но ведь магнитное состояние среды можно получить и без электрического тока, применяя обыкновенные стержневые постоянные магниты.
Этот опыт Фарадей осуществил 24 сентября 1831 года. Он обмотал железный цилиндр медной изолированной проволокой, соединив ее концы с гальванометром. Цилиндр был помещен между двумя постоянными стержневыми магнитами, которые внизу соприкасались разноименными полюсами (рис. 4а). При смыкании и размыкании концов магнитов стрелка гальванометра отклонялась. Это явление Фарадей назвал уже «магнитно-электрической», а не «вольта-электрической индукцией». Позднее он подчеркнул, что принципиальной разницы между этими явлениями нет, и предложил название «электромагнитная индукция».
Проходит более двух недель, и 17 октября 1831 года Фарадей ставит самый убедительный эксперимент, дающий прямой ответ на поставленную задачу. Если изменение магнитного поля, вызванное размыканием и замыканием магнитов, возбуждает в катушке ток, то это изменение можно вызвать еще более просто.
На картонную катушку была намотана спираль из медной проволоки, соединявшейся концами с гальванометром (рис. 4б). Фарадей взял цилиндрический магнитный брусок и далее, пишет он в своем журнале, «... быстрым движением втолкнул магнит внутрь спирали на всю его длину, и стрелка гальванометра испытала толчок. Затем я так же быстро вытащил магнит... и стрелка качнулась, но в противоположную сторону. Эти качания стрелки повторялись всякий раз, как магнит вталкивался или выталкивался. Это значит, что электрическая волна возникает только при движении магнита, а не в силу свойств, присущих ему в покое».
Итак, «магнетизм превращался в электричество» – гениальная гипотеза ученого была убедительно подтверждена!
А через несколько дней Фарадей осуществляет еще один эксперимент, с помощью которого наглядно объясняет явление, открытое Араго, и показывает возможность егнита вышеописанным образом, я полагаю, что опыт г-на Араго может стать новым источником получения электричества, и надеялся, что... мне удастся сконструировать электрическую машину» (курсив Фарадея). Опыт заключался в следующем. Фарадей принес в лабораторию большой подковообразный электромагнит, хранящийся до сих пор в музее Лондонского Королевского общества (рис. 5). К полюсам магнита он прикрепил «два стальных бруска» и в промежуток между ними ввел край медного диска. Край диска и его ось были соединены посредством щеток с гальванометром. При вращении диска стрелка гальванометра «показывала наличие в нем электрического тока», причем стрелка испытывала не мгновенный толчок, а все время находилась в отклоненном положении, пока диск вращался. Это был первый в мире электромашинный генератор («диск Фарадея»), получивший позднее название униполярного генератора. С него начинается история электрических машин.
Действие своего генератора Фарадей объяснял так: медный диск можно представить в виде колеса с бесконечно большим числом спиц – радиальных проводников. При вращении диска эти спицы-проводники пересекают магнитные силовые линии, в них возникает индуктивный ток.
Создание первого электромашинного генератора обусловило зарождение и последующее бурное развитие не только электротехники, но и многих других отраслей науки и техники, связанных с электромагнитными явлениями, в том числе радиотехники и электросвязи.
Еще в 90-х годах XIX века известный сербский ученый Н. Тесла построил несколько типов электрических генераторов высокой частоты. В России первый высокочастотный генератор, использованный для получения радиоволн, был создан в 1912 году будущим членом-корреспондентом АН СССР В.П. Вологдиным. В 1922-м он создал высокочастотный генератор мощностью 150 кВт и частотой 15 кГц, который был использован для осуществления радиосвязи между Москвой и Нью-Йорком в 1925 году. Широкое применение нашли также дуговые электрические генераторы, дававшие возможность получения электрической дуги как источника электромагнитных волн. Незаменимым элементом радиотехнических устройств является трансформатор, прообраз которого создал Фарадей.
Читателям «Connect’a» будет интересно узнать о находке в архивах Лондонского Королевского общества в 1938 году конверта, в котором хранилось ранее неизвестное письмо Фарадея, датированное 12 марта 1832 года. Письмо начиналось словами: «Новые воззрения, подлежащие в настоящее время хранению в запечатанном конверте в Архиве Королевского общества». Далее Фарадей писал: «...Результаты исследований привели меня к заключению, что на распространение магнитного воздействия требуется время... которое, очевидно, оказывается весьма незначительным. Я полагаю также, что электрическая индукция распространяется точно таким же образом. Я полагаю, что распространение магнитных сил похоже на колебание взволнованной водной поверхности или же на звуковые колебания частиц воздуха (что близко к понятию «электрь намерен приложить теорию колебаний к магнитным явлениям, как это сделано по отношению к звуку и является наиболее вероятным объяснением световых явлений. Эти воззрения я хочу проверить экспериментально, но так как мое время занято... я хочу, передавая это письмо на хранение Королевскому обществу, закрепить открытие определенной датой. В настоящее время, насколько мне известно, никто из ученых, кроме меня, не имеет подобных взглядов» (курсив наш – Я.Ш.).
Фарадей утверждает, что распространение магнитных сил «похоже на колебание взволнованной водной поверхности». Никто до него не сумел найти столь простой и ощутимый образ сложного электромагнитного явления.
В тот день, когда Фарадей запечатал свое письмо, великому его соотечественнику Д.К. Максвеллу, сформулировавшему и математически обосновавшему основные положения теории электромагнитного поля, еще не исполнилось и года (он родился 13.06.1831).
Идеей о существовании электромагнитных волн и невиданной скорости их распространения Фарадей создал своеобразный плацдарм для последующего бурного развития электросвязи и радиотехники. Как указывает исследователь творчества Фарадея профессор П.С. Кудрявцев, Фарадей по праву считается «основателем физики электромагнитного поля».
Он впервые открыл активную роль среды, окружающей проводники с током или магниты. «Линиями магнитных сил, – писал Фарадей, – я называю те линии, которые становятся доступными нашему зрению, когда мы рассматриваем расположение железных опилок вокруг полюсов магнита». Какое зримое, образное описание сложного физического явления. Кстати, и сегодня в школьных физических кабинетах именно так демонстрируются «силовые линии» магнитного поля.
«Фарадей, – писал Максвелл, – своим мысленным оком видел силовые линии, проходящие по всему пространству там, где математики...ничего не видели, кроме расстояния. Фарадей искал сущность явлений в том, что в действительности происходит в среде...» (курсив Максвелла).
Именно Максвеллу принадлежит заслуга в развитии и математической обработке идей Фарадея.
Перелистывая страницы фарадеевского лабораторного журнала (его содержание позднее было изложено в солидном труде), можно только поражаться широте и глубине его творческих поисков. Широко известны открытые им законы электролиза, исследования разряда в вакууме и газах (впоследствии на основе его наблюдений и выводов были открыты рентгеновские лучи и радиоактивность), открытие диамагнетизма и парамагнетизма, установление единой природы различных видов электричества – «животного», гальванического, статического, «магнитного», термоэлектричества, введение понятия «диэлектрик». Им также было открыто явление самоиндукции. При исследовании явлений электролиза Фарадей ввел термины электролиз, электролит, электрод, анод, катод, ион, которые сохранились до наших дней.
Результаты выдающихся экспериментов Фарадея с 1831 года в течение 24 лет регулярно печатались в научном журнале «P великолепный памятник научного творчества Фарадея представляет единственное и неповторимое научное произведение, в котором нашли свое отражение воззрения, мысли и труды великого ученого».
Однако напряженный повседневный труд не мог не сказаться на здоровье ученого, заметно ухудшилась его когда-то феноменальная память. Он стал меньше работать, но еще в семидесятилетнем возрасте проводил эксперименты. Ему было уже за 70, когда он, объехав по океану на лодке несколько маяков, дал авторитетное заключение о целесообразности замены масляных ламп электрическими фонарями.
Всемирно известный ученый оставался человеком исключительной скромности и высоких нравственных качеств. Он много лет получал небольшое жалованье и жил в маленькой квартире с «углем и свечами». И только в последние годы указом короля ему была назначена заслуженная пенсия.
Много лет он читал бесплатные общедоступные лекции в Королевском институте и в течение 25 лет выступал в дни Рождественских каникул с лекциями для юношества, сопровождавшимися замечательными опытами. Как популяризатор Фарадей занимает особое место в истории науки. Уже давно считается непревзойденной его популярная книжка «История свечи», которая содержит лекции, прочитанные для детей.
По свидетельству друзей и родных (детей у Фарадея не было), он был в высшей степени добрым и жизнерадостным человеком, в горе и несчастье первым приходил на помощь. Не забывая о своем происхождении, Фарадей всегда оказывал внимание простым и бедным людям.
Однако здоровье Фарадея все ухудшалось, и в 1865 году он подал заявление об освобождении от должности заведующего лабораторией. Но Совет Королевского института, поблагодарив его за многолетнюю плодотворную деятельность, попросил «...нести эти попечения, только поскольку это будет ему приятно...».
25 августа 1867 года, сидя в своем любимом кресле, Майкл Фарадей скончался. Перед смертью он пожелал, чтобы его кончина была отмечена так же скромно, как он провел свою жизнь. На могиле ученого на Хайгетском кладбище в Лондоне установлен простой надгробный памятник, указаны его имя и фамилия, даты рождения и смерти. И ни слова о его всемирной славе!..
За прошедшие 170 лет со дня открытия Фарадеем явления электромагнитной индукции это и многие другие открытия великого физика не устарели. Наоборот, их значение еще более возросло. Достаточно напомнить об успехах космических наук, космических кораблях и межпланетных связях.
Имя Фарадея увековечено открытыми им законами и понятиями: «фарадеево темное пространство», «Фарадея метод измерения», «число Фарадея (постоянная Фарадея)» и, наконец, единица измерения электрической емкости «фарада».
Как пророчески заметил крупнейший немецкий ученый Г. Гельмгольц, до тех пор пока люди пользуются благами электричества, они с благодарностью будут вспоминать Фарад
На частотах до 100 ГГц и более. Вследствие особого характера излучения они могут создавать на местности зоны с высокой плотностью потока энергии (100 Вт/м2и более). 4. Влияние электромагнитного поля на индивидуальное здоровье человека. Человеческий организм всегда реагирует на внешнее электромагнитное поле. В силу различного волнового состава и других факторов электромагнитное поле различных...
Не самостоятельные независимые от материи реальности, а внутренние формы ее бытия»1. Такую неразрывную связь пространства и времени с движущейся материей с успехом показала теория относительности Эйнштейна. Были также попытки использовать теорию относительности идеалистами в качестве доказательства своей правоты. Так, например, американский физик и философ Ф. Франк говорил, что физика ХХ века, ...
Фарадей Майкл
(22 сентября 1791 г. − 25 августа 1867 г.)
Выдающийся английский физик, с именем которого связан последний этап классической физики. Он относился к учёным нового типа, использующим, хотя и стихийно, идею всеобщей связи явлений. Майкл родился в семье лондонского кузнеца, в которой едва сводили концы с концами, да и то благодаря трудолюбию и сплочённости и родителей, и детей. Образование его было самым заурядным, в школе он постиг лишь начальные навыки чтения, письма и арифметики.
Школьное обучение Майкла закончилось самым неожиданным образом. Он не мог произносить звука «р» и вместо него говорил «в». Однажды учительница, выведенная из себя произношением мальчика, дала старшему брату Майкла мелкую монету, чтобы он купил палку и бил Майкла, пока тот не научится правильно выговаривать «р». Братья рассказали обо всем матери, и она, возмутившись, забрала детей из школы насовсем.
С этого времени 13-летний Майкл попадает на обучение к владельцу книж-ной лавки и переплётной мастерской, где вначале работал разносчиком книг и газет, а затем в совершенстве овладел переплётным мастерством. Здесь же он много и жадно читал, пополняя свои знания самообразованием. Особый интерес у него вызывают вопросы химии и электричества. Дома он устроил скромную лабораторию, где воспроизводил опыты, описанные в книгах и журналах.
Однажды, зашедший в книжную лавку член Лондонского Королевского общества Денс, застал Майкла за изучением серьёзного научного журнала «Химическое обозрение» и был крайне удивлён этим. Он тут же предложил мальчику прослушать цикл лекций известного уже во всей Европе химика Х.Дэви. Это и решило судьбу Фарадея.
Слушая публичные лекции Дэви, он не только тщательно законспектировал их, но и аккуратно переплёл, а затем отправил их самому Дэви с просьбой предоставить ему возможность работать у него в лаборатории. Дэви сначала отказывает Фарадею по причине отсутствия свободных мест и предупреждает его, что «наука - особа чёрствая, и она в денежном отношении лишь скупо вознаграждает тех, кто посвящает себя служению ей». Однако вскоре администратор института сообщил Дэви об освободившемся месте в лаборатории, предложив: «Пусть он моет посуду. Если он что-нибудь стоит, то начнёт работать. Ежели откажется, то значит, никуда не годится». Фарадей не отказался.
Иногда говорят: «Не было счастья, да несчастье помогло». Фарадею действительно помог несчастный случай − взрывом колбы в лаборатории были повреждены глаза Дэви, и он не мог ни читать, ни писать. Помня, что у Фарадея красивый почерк и неистребимое желание читать всё новое, Дэви сделал его своим секретарём и лаборантом. Такое положение позволило Фарадею начать заниматься наукой. Позднее, когда Дэви спросят о самом главном научном достижении, он ответит: «Самым главным моим открытием было открытие Фарадея».
В 1813 году Дэви берёт с собой Фарадея в качестве ассистента в длительную поездку по Европе, где он должен был ставить опыты на лекциях Дэви, в чём он явно преуспел и чем обратил на себя внимание видных учёных Европы. Здесь он знакомится с Ампером, Гей-Люссаком, Вольтой, изучает французский и немецкий языки и формируется как учёный.
Его первые публикации посвящены вопросам химии. Но открытие Эрстедом магнитного действия тока всецело захватило Фарадея новыми идеями. Основная из них была сформулирована в 1821 году: если за счёт электричества создаётся магнетизм, то должно быть верным и обратное суждение. Поэтому в своём дневнике Фарадей записывает задачу: «Превратить магнетизм в электричество». После этого он постоянно носит в кармане магнит и кусок проволоки, в целях напоминания ему о поставленной задаче. Около десяти лет ушло на решение этой задачи, и вот упорный труд Фарадея вознаграждается. 29 августа 1831 года проведённый опыт дал положительный результат.
При замыкании и размыкании цепи в одной из катушек стрелка гальванометра, включённого в цепь другой катушки, отклонялась. Указанную дату следует считать днём открытия одного из важнейших физических явлений − электромагнитной индукции. Это открытие приносит Фарадею мировую известность, хотя к тому времени (с 1824 года) он уже состоял членом Лондонского Королевского общества и трудился таковым на протяжении почти сорока лет.
Перечень научных открытий его внушителен:
- открытие сжижения газов;
- открытие вращения проводника с током вокруг магнита, что явилось прообразом электродвигателя;
- открытие явления электромагнитной индукции и самоиндукции, что позволило ему создать первую действующую модель униполярной динамо-машины;
- установление законов электролиза и выдвижение идеи об атомарности электричества;
- создание теории поляризации диэлектриков и введение понятия диэлектрической проницаемости;
- открытие диа- и парамагнетизма;
- исследование проводимости газов;
- открытие вращения плоскости поляризации света под действием магнетизма;
- создание основ учения о поле;
- изобретение вольтметра;
- выдвижение идеи о единстве и превращении сил природы (энергии), что подводило к открытию закона сохранения и превращения энергии;
- экспериментальное доказательство закона сохранения электрического заряда.
Кроме перечисленных фундаментальных открытий нужно отметить заслуги Фарадея в области развития физической терминологии
. Термины: электролит, электролиз, анод, катод, ион, катион, анион, электрод, диэлектрик, диамагнетизм, электромагнитная индукция, индукционный ток, самоиндукция, экстраток и другие введены в физику Фарадеем и навсегда останутся в ней. Как есть и остаётся в физике название единицы измерения ёмкости − фарада, получившей название по имени этого великого учёного. Помимо фундаментальных исследований в науке, Фарадей много занимался популяризацией её достижений. По выходным дням он читал популярные лекции как для взрослых, так и для детей, а его книга «История свечи» переведена почти на все языки мира.
Подытожить столь титанический труд учёного уместно словами А.Г. Столетова: «Никогда со времён Галилея свет не видел стольких поразительных и разнообразных открытий, вышедших из одной головы, и едва ли скоро увидит другого Фарадея».
Всему такому широкому спектру открытий суждено было появиться благодаря природному дару и необыкновенному трудолюбию этого учёного, который работал по 18-20 часов в сутки, а при изучении электромагнитной индукции даже спал в лаборатории, не выходя из неё. В своих экспериментальных исследованиях Фарадей не щадил себя. Он не обращал внимания на пролившуюся ртуть, широко использующуюся в его опытах, и это серьёзно укоротило его жизнь.
При исследованиях сжижения газов не обходилось без взрывов стеклянных приборов. В одном письме Фарадей описывает такой случай сам: «В прошлую субботу у меня случился ещё один взрыв, который опять поранил мне глаза... Первое время глаза мои были прямо-таки набиты кусочками стекла, из них вынули тринадцать осколков».
Фарадей был, как говорится, экспериментатором от бога. Для фарадеевской эпохи была характерна «ремесленная» фаза физики, когда, по выражению Франклина, от физика требовалось умение пилить буравчиком и строгать пилой. Фарадей таким «ремеслом» владел великолепно. Все свои опыты (в том числе и неудачные) он тщательно записывал в особом дневнике, где последний его опыт помечен номером 16041 (!). Эта цифра свидетельствует о громадной трудоспособности ученого. Всего им опубликовано в печати 220 работ, чего хватило бы на многие диссертации.
К сожалению, Фарадей не знал высшей математики, в его дневниках не было ни одной формулы, и тем не менее это был один из глубочайших теоретиков, отдающий предпочтение не математическому аппарату, а физической сути и механизму изучаемого явления. И все же этот пробел в его знаниях помешал ему в покорении еще больших высот в науке. Так, разрабатывая теорию электромагнитной индукции, Фарадей пришел к идее существования электромагнитных волн, которые он назвал «индукционной волной электричества».
Математически обосновать свою идею он не мог, как не смог проверить ее экспериментально из-за большой занятости и дефицита времени. Свои наблюдения и выводы из них он зафиксировал в письме от 12 марта 1832 года и в запечатанном виде передал на хранение в архив Королевского общества. Письмо было обнаружено и вскрыто только в 1938 году, то есть через 106 лет. Основные мысли этого письма оказались поразительны своей проницательностью: на распространение магнитного взаимодействия требуется время; к распространению электромагнитной индукции можно применить теорию колебаний; процесс распространения ее похож на колебания взволнованной водной поверхности или же на звуковые колебания частиц воздуха.
Идеи, изложенные в письме, выдержали проверку временем. К моменту вскрытия письма электромагнитные волны уже были описаны теоретически Максвеллом и обнаружены экспериментально Герцем. Однако приоритет в этом открытии принадлежит Фарадею. Его заботы о приоритете вполне понятны, так как факты оспаривания приоритетов в науке не редки. Тем более, что проблемой электромагнетизма в 20-е годы XIX века занимались многие ученые различных стран. В истории науки действует закон созревания открытии: наступает время, когда открытие должно быть сделано, оно созрело. Этот закон полностью применим к явлению электромагнитной индукции, открытие которого ожидалось, оно «витало в воздухе».
Так, почти одновременно с Фарадеем получить электрический ток в катушке с помощью магнита пытался швейцарский физик Колладон. В опытах он применял гальванометр с магнитной стрелкой. Чтобы магнит не влиял на стрелку, этот гальванометр помещался в соседней комнате и длинными проводами подсоединялся к катушке. Колладон вдвигал в катушку магнит, надеясь по-лучить в ней ток, шёл в соседнюю комнату смотреть показания гальванометра, который, к его огорчению, тока не показывал.
Будь у Колладона помощник, наблюдавший постоянно за гальванометром, открытие им было бы сделано. Однако этого не произошло. Строго говоря, явление электромагнитной индукции обнаружил раньше Фарадея американский физик Джозеф Генри, именем которого названа единица индуктивности. Генри увлекался опытами по созданию электромагнитов и первым из электротехников начал изолировать провода, обматывая их полосками шёлка (ранее изолировали магнит от проводов). Получение тока в катушках под действием электромагнита с общим сердечником и наблюдал Генри, однако, он не сообщил нигде о своих наблюдениях, преследуя чисто технические цели. И только после сообщения Фарадея об открытии электромагнитной индукции некоторые физики поняли, что они наблюдали уже или могли наблюдать это явление. Об этом, например, говорили Ампер и Френель.
Имя Фарадея стало известно всему миру, но он всегда оставался скромным человеком. Из-за скромности в последние годы жизни он дважды отклоняет предложение стать президентом королевского общества − высшего научного учреждения Англии. Столь же категорично он отказался от предложения о возведение его в рыцарское звание, дающее ему ряд прав и почестей, в том числе право называться «сэром».
Самым замечательным его качеством явилось то, что он никогда не работал из-за денег, он трудился ради науки и только для неё. Кроме средств на удовлетворение самых простых потребностей, Фарадей не имел ничего и умер таким же бедняком, каким начал жизнь.
До последних дней жизни он оставался человеком высочайшей порядочности, честность и доброты. В 70 лет Фарадей решает покинуть институт, так как замечает ослабление памяти. В одном из писем он пишет: «Уже через день я не могу припомнить выводов, к которым пришёл накануне... Я забываю, какими буквами изобразить то или другое слово... Здесь провёл счастливые годы, но настало время уйти из-за потери памяти и усталости мозга». В таком состоянии он проводит последние 5 лет жизни, угасая и год от года сужая круг своей деятельности. В возрасте семидесяти пяти лет Фарадея не стало. Перед смертью великий учёный высказал желание, чтобы кончина его была отмечена как можно скромнее. Поэтому на погребении Фарадея присутствовали только самые близкие родственники, а на могильном памятнике высечены следующие слова: «Майкл Фарадей. Родился 22 сентября 1791 года. Умер 25 августа 1867 года».
По материалам "Биографического справочника. Физики от А до Я".
Труды и воззрения Фарадея. Открытия Фарадея органически связаны с его воззрениями. Их история - это также история развития его глубоких и цельных идей. Мы начинаем эту историю с фундаментального открытия электромагнитной индукции.
Уже в 1821 г. в дневнике Фарадея появляется запись: «Превратить магнетизм в электричество». Мысль о тесной двусторонней связи электричества и магнетизма казалась ему совершенно очевидной, но конкретное воплощение идеи потребовало десяти лет напряжённого труда. Только 29 августа 1831 г. Фарадею удалось получить первый эффект: индукционный ток во вторичной обмотке при замыкании и размыкании тока в первичной обмотке. Этими опытами и началась первая серия его «Экспериментальных исследований» , в которой этот первый эксперимент описан следующим образом.
«10. На широкую деревянную катушку была намотана медная проволока длиной в 203 фута, и между витками её намотана проволока такой же длины, изолированная от первой хлопчатобумажной нитью. Одна из этих спиралей была соединена с гальванометром, а другая - с сильной батареей, состоявшей из 100 пар пластин; медные пластинки и здесь были двойные. При замыкании цепи удавалось заметить внезапное, но чрезвычайно слабое действие на гальванометре, и то же самое замечалось при прекращении тока. При непрерывном же прохождении тока через одну из спиралей не удавалось отметить ни действия на гальванометр, ни вообще какого-либо индукционного действия на другую спираль, несмотря на то что нагревание всей спирали, соединённой с батарей, и яркость искры, проскакивающей между углями, свидетельствовали о мощности батареи».
«12. Результаты, полученные мною в это время при опытах над магнитами, заставили меня предположить, что ток, проходящий через один провод, в действительности индуцирует такой же ток в другом проводе, но что продолжительность индуцируемого тока, однако, лишь мгновенна, и он сходен скорее с электрической волной, наблюдаемой при разряде лейденской банки, чем с гальваническим током».
Итак, первым открытием в длинной цепи явлений электромагнитной индукции было открытие индукции токов. Интересно отметить (а на это обстоятельство обычно не обращается внимания), что и самая терминология, употребляемая Фарадеем, и его аппарат указывают, что он, в отличие, от современников, был глубоко убеждён в тождестве статического и гальванического электричества. Электростатическое влияние зарядов (электростатическая индукция) было известно давно, со времён Кантона, Вильке и Эпинуса, но индукции гальванической (индукции токов) никто не наблюдал. Впервые это было сделано Фарадеем.
Но ток, по Амперу, - это магнит, а магнит - это совокупность токов. Следовательно, можно, во-первых, получить намагничивание индукционным током, во-вторых, получить индукцию магнитом. «… Поэтому я предположил, - продолжает Фарадей, - что, несмотря на незначительность его действия на гальванометр, он мог бы намагнитить стальную иглу».
«13. Это предположение оправдалось».
Но индукция в электростатике определяется сближением и удалением проводников. Конечно, Фарадей понимал, что замыкание и размыкание тока соответствуют его приближению и удалений, однако он считает необходимым получить индукцию и движением проводников. «18. Однако так как можно было предположить, что особое действие ограничивалось исключительно актами замыкания и размыкания, то для проверки индукция была вызвана также и другим способом. Провод длиной в несколько футов был расположен на одной стороне широкой доски в форме буквы W и другой провод, точно такой же формы, был положен на другой доске так, чтобы оба провода соприкасались всеми своими точками при сближении досок, если бы между ними не был проложен лист толстой бумаги. Один из этих проводов был соединён с гальванометром, другой - с вольтовой батареей. Тогда приближение первого провода ко второму вызывало отклонение стрелки, а удаление - отклонение в обратную сторону. Если приближение и удаление проводов совпадали с колебаниями стрелки, то последние вскоре становились весьма заметными; при прекращении же движения проводов относительно друг друга колебания стрелки постепенно прекращались».
Фарадей понял, какое огромное поле исследования и приложений открылось перед ним. В письме Филлипсу от 23 сентября он писал: «Я теперь опять занимаюсь электромагнетизмом и полагаю, что напал на хорошую мысль, но я ещё ничего не могу сказать… Мне кажется, что я знаю, почему металлы становятся магнитными, когда они находятся в движении (Речь идёт об эффекте, открытом Араго. Вращающийся медный диск увлекал за собой магнитную стрелку.), и почему они не магнитны (в общем), когда находятся в покое».
Прежде всего Фарадей установил, что замена деревянного кольца в его исходном опыте железным сердечником в значительной степени усиливает эффект. При размыкании и замыкании тока в первичной спирали А (рис. 208), намотанной на железный сердечник, представляющий собой кольцо с внешним диаметром 6 дюймов, выкованное из железного стержня диаметра 7/8 дм, во вторичной спирали В, соединённой с гальванометром, появлялся индукционный ток.
«28. Гальванометр мгновенно обнаруживал отклонение, причём оно было гораздо более значительное, чем в предыдущих случаях, в которых при батареях, в десять раз более мощных, применялись спирали без железа (п. 10)».
Изготовив цилиндрическую катушку (обмотка наматывалась на картонный цилиндр) с первичной и вторичной обмоткой, Фарадей наблюдал очень слабый индукционный эффект при замыкании и размыкании тока в первичной обмотке, питавшейся от сравнительно мощной батареи.
«34. При введении же внутрь картонного цилиндра другого цилиндра из мягкого железа толщиной 6 7/8 дюйма и длиной в 12 дюймов индукционный ток оказывал мощное действие на гальванометр…»
В дальнейшем этот опыт был осуществлён Фарадеем 17 октября. «39. Цилиндр из мягкого железа (п. 34) был заменён магнитом цилиндрической формы с диаметром 3/4 дюйма и длиной в 8 1/2Дюйма. Один конец этого магнита был коаксиально вдвинут в катушку. После того как стрелка гальванометра пришла в спокойное состояние, весь магнит целиком был сразу вдвинут в катушку. Стрелка гальванометра показала мгновенное отклонение… Если магнит оставался внутри катушки, то стрелка снова приходила в своё прежнее положение и при вынимании его отклонялась в противоположном направлении».
Любой преподаватель физики воспроизводит сейчас эти классические опыты с так называемой индукционной катушкой. Индукцию токов Фарадей назвал вольта-электрической индукцией, описанную же здесь индукцию магнитом - магнито-электрической индукцией. Получив большой подковообразный магнит Королевского общества, Фарадей разгадал тайну эффекта Араго и обратил явление. 28 октября он «заставил медный диск вращаться между полюсами подковообразного магнита Королевского общества. Ось и край диска были соединены с гальванометром. Стрелка отклонялась, как только диск начинал вращаться».
Таким образом, в 1821 г. Фарадей получил непрерывное вращательное движение электромагнитным путём, т. е. осуществил первый электродвигатель, а в 1831 г. им был построен новый источник электроэнергии, первая динамо-машина. Фарадей сознательно ставил задачу построения такой машины. Он прямо говорит:
«Получив электричество из магнита вышеописанным образом, я полагаю, что опыт г-на Араго может стать новым источником получения электричества, и надеялся, что путем использования электрической индукции земного магнетизма мне удастся сконструировать электрическую машину».
Современная электротехника справедливо считает своим родоначальником — Фарадея. С неменьшим правом и радиотехника датируется от опытов Фарадея. Доклад об описанных здесь опытах Фарадей сделал 24 ноября, этот доклад и составляет содержание первой серии «Экспериментальных исследований». В п. 114 этой серии содержится закон, позволяющий определить направление индукционного тока в движущемся проводнике. Здесь уже отчётливо говорится о пересечении магнитных линий. Явление и правило Фарадея, правда, выраженное очень длинно, совпадает с правилом правой руки, В следующей, второй серии Фарадей осуществил опыты индукции магнитным полем Земли и настолько проникся новым пониманием существа явления, что высказывает убеждение: «теоретически следует, повидимому, признать обязательным, что везде, где течёт вода, должны развиваться электрические токи.
Если мысленно представить себе линию, проведённую через море от Дувра в Кале, а затем обратно в земле под водой от Кале к Дувру, то эта линия охватит круг проводящей массы, часть которой пересекает магнитные кривые земли, пока вода течёт по каналу вверх и вниз, а другая часть остаётся в относительном покое. Имеется основание полагать, что по главному направлению описанной линии будут итти токи в том или другом направлении, в зависимости от того, будет ли вода по каналу течь вверх или вниз».
Поэтому с полным правом ту формулировку закона электромагнитной индукции, в которой речь идёт о возникновении индукции при пересечении проводником магнитных силовых линий, называют фарадеевской. Из первых двух серий его «Исследований» она вытекает со всей ясностью и простотой. Но, как уже отмечалось, в той же первой серии содержатся мысли, подводящие его к исследованиям, составляющим содержание третьей серии. Представим себе процесс обычной электрической индукции. Пусть мы имеем шар А, заряжаемый от электрической машины положительным электричеством. Тогда в соседнем изолированном шаре В начинается движение электричества в том же направлении, шар электризуется через индукцию так, что на ближайшем конце его будет заряд обратного знака (рис. 210).
Аналогичным образом, по Фарадею, обстоит дело и при вольта-электри-ческой индукции. Если замкнуть цепь индуцирующего контура так, чтобы ток шёл в направлении от.А к В, то в индуктируемом контуре появится ток в направлении от В к А, составляющий продолжение тока от А к В. Отсюда, говорит Фарадей, «явствует, что индукционные действия, вызываемые вольта-электричеством, до известной степени сходны с таковыми, вызываемыми электричеством напряжения» (т. е. статическим). Таким образом Фарадей полагал, что в открытом им явлении вольта-электрической индукции имеется свидетельство в пользу воззрения о единстве электрических сил. С другой стороны, он отмечал, что между электростатической индукцией и вновь открытыми им вольта-электрической и магнитно-электрической индукциями имеется и различие. Это различие проявляется в том, что новое индукционное состояние временное. Электростатический индукционный заряд сохраняется всё время, пока рядом находится влияющий заряд, новая же индукция, как неоднократно отмечает Фарадей, носит характер волны. В связи с этим Фарадей развивает мысль о новом так называемом «электротоническом» (т. е. электровозбуждённом) состоянии материи.
«Когда проволока находится под действием вольта-электрической или магнито-электрической индукции, она находится в особом состоянии, так как противодействует образованию в ней электрического тока, в то время как при обычных условиях индукции такой ток должен был бы возникнуть. При прекращении указанного особого состояния проволока обладает способностью возбуждать ток - способностью, которой она не обладает в обычном своём состоянии…»
«Это особое состояние есть, повидимому, состояние напряжения и может быть рассматриваемо, как эквивалентное току электричества, по крайней мере равное тому току, который получается, когда это состояние индуцируется или прекращается…»
«…Напряжение этого состояния, по всей вероятности, очень велико, но независимо от его величины трудно себе представить, чтобы наличие такого напряжения оказалось бы без влияния на первоначальный индуцирующий ток и не вызвало бы какого-либо рода равновесия…»
«…электротоническое состояние относится не к массе, а к частицам индуцируемой проволоки или вещества и в этом отличается от индукции, производимой статическим электричеством. Если это верно, то это состояние может приниматься жидкостями и даже непроводниками без видимого наличия электрического тока; возникновение же тока является как бы случайностью, обязанной своим существованием проводящей способности моментального характера - движущей силе, обусловленной новым расположением частиц…»
«…В электротоническом состоянии однородные частицы материи принимают правильное расположение в направлении тока, навязанное им электрическими силами. Если материя неразложима, это приводит по освобождении от электрических сил к возникновению обратного тока; в случае же разложимой материи это насильственное состояние может стать достаточным для того, чтобы заставить одну элементарную частицу оставить ту частицу, с которой она насильственно соединена, и соединиться с соседней такой же частицей, с которой она находится в более нормальных отношениях; тем самым насильственное электрическое расположение оказывается разряжённым или освобождённым от электрических сил так же эффективно, как при прекращении индукции. Но так как вольтаический ток продолжается, то электротоническое состояние моментально возобновляется и вызывает насильственное расположение составных частиц, а затем так же мгновенно разряжается благодаря переносу противоположных элементарных частиц в противоположных, но параллельных току направлениях».
Так намечается очередная программа исследований: доказательство идентичности электричеств, электропроводность и химическое разложение жидкостей током, самоиндукция, роль вещества в электромагнитных процессах. А учение об электротоническом состоянии явилось тем зерном, из которого развились взгляды Фарадея об электромагнитном поле, конкретизируемом им с помощью представления о физических трубках сил.
Работы Фарадея об идентичности электричеств, составляющие содержание третьей серии «Экспериментальных исследований», подводили его к актуальным проблемам того времени: природа тока, механизм проводимости, происхождение электрического напряжения. В этих вопросах господствовала путаница и разноголосица мнений. Так, например, считалось, что действие гальванических элементов на замыкающие их провода заключается в приведении частиц провода в особое расположение, что и обусловливает соответствующие эффекты в проводах. С этой точки зрения роль полюсов источника заключалась в том, что они являются центрами сил, действующих на частицы проводников или на электрические жидкости. Примером такого представления является теория Гротгуса (1785-1822) о механизме разложения воды. Молекула воды, по Гротгусу (рис. 212), обладает электрическими полярными свойствами: водород электроположителен, кислород электроотрицателен. Под действием полюсов молекулы располагаются таким образом, что электроотрицательный кислород повернётся к положительному полюсу, электроположительный водород - к отрицательному полюсу. Ближайший к положительному полюсу кислород притянется этим последним, молекула воды расщепится, и освободившийся водород соединится с кислородом соседней молекулы, водород этой последней соединится с кислородом следующей и т. д., водород молекулы, находившийся у отрицательного полюса, выделится на этом полюсе. После этого все молекулы поворачиваются на 180°, и процесс начинается снова. Конечно, в итоге такого процесса получается движение ионов.
Фарадей показал, что представление о создании такого расположения частиц в проводниках не соответствует опытным данным. Установив симметрично две вольтовые батареи NP и N’P’, он соединил два соседних полюса N’ и Р, оставив противоположные полюсы N и Р’ изолированными. Магнитная стрелка, помещённая над соединительным проводом N’P, не отклонялась. Но она немедленно испытывала отклонение, если соединить полюсы N и Р’. «Если предположить, - заключает Фарадей, - что действие банок (т. е. батарей) заключается лишь в том, что они возбуждают в проводах особое распределение их частиц или заключённого в них электричества, и если бы магнитное или электрическое состояние исчерпывалось этим расположением, то состояние расположения в проводе N’P до соединения Р’ и N и
после такового должно было быть одинаковым и стрелка должна была бы испытать отклонение также и в первом случае, хотя возможно и более слабое, например, лишь половину того, которое наблюдается при полном замыкании. Если же предположить, что магнитные действия зависят от тока, тогда становится ясным, что они не могли быть возбуждены до замыкания, ибо до замыкания ток отсутствовал».
Но что же такое ток?
«Под током, - говорит Фарадей, - я разумею нечто распространяющееся, будь то электрический флюид или два движущиеся в противоположных направлениях флюида, или только колебания, или, выражаясь ещё более обще, распространяющиеся силы. Под расположением я понимаю местное, не прогрессирующее распределение частиц, жидкостей или сил».
Обратим внимание, в каких общих и осторожных выражениях Фарадей определяет ток. Для него ясно одно, что ток это динамический, прогрессирующий процесс, а не статика. Но состоит ли этот процесс в движении электрической жидкости, или это процесс передачи сил в пространстве, этот вопрос он пока оставляет открытым. Впоследствии он будет высказываться в пользу второй гипотезы, для него ток - ось сил.
Что же касается существа исследования, то вывод Фарадея вполне определён: «все виды электричества, независимо от источника их получения, идентичны по своей природе». Различные формы электричества (в соответствии с различными способами его возбуждения) «по существу однородны и различаются лишь по степени и в этом отношении варьируют, в зависимости от изменяющихся условий количества и интенсивности, которые могут быть по желанию изменены почти для каждого вида электричества в той же степени, как мы это наблюдаем между различными видами». Результаты своих исследований Фарадей свел в таблицу, которая показывает, что различные проявления электрических сил могут быть получены при любом способе возбуждения этих сил. Пустые места означают, что соответствующий эффект пока не был наблюдён, но сделанное Фарадеем примечание свидетельствует о его глубокой убеждённости, что соответствующи эффект будет получен при достаточно мощных источниках. Вот эта таблица:
Итак, качественно почти все явления наблюдаются одинаково у всех видов электричества. Различие только в количественном отношении, и Фарадей желает установить количественное отношение между обыкновенным (т. е. статическим) и вольтовым электричеством. Но для этого надо было найти рациональную меру для измерения электричества. Химические и магнитные действия представляются ему наиболее подходящими для этой цели. Проделанные им опыты приводят его к выводу, что «химические, равно как и магнитные силы, прямо пропорциональны абсолютному количеству прошедшего электричества».
Так был сформулирован первый закон Фарадея для электролиза. Количественные измерения позволили Фарадею установить, что статическое электричество - это электричество высокого напряжения и малой силы, в гальваническом электричестве соотношение обратное. Так, гальванический элемент, изготовленный из платиновой и цинковой проволочек диаметром в 1/6 дюйма, опущенных в подкисленную воду (капля серной кислоты на унцию воды) на глубину 5/8 дюйма, с взаимным расстоянием 5/16 дюйма, даёт за 6 секунд такое же количество электричества, которое получается при 30 оборотах сильной электростатической машины. Для разложения одного грана (= 0,065 г) воды требуется такое же количество электричества, которое способно зарядить большую лейденскую банку 800 000 раз.
Четвёртая серия «Экспериментальных исследований» посвящена вопросу электропроводности твёрдых тел и жидкостей. Различие между проводниками первого и второго рода было известно уже Вольту. Исследования Фарадея по проводимости явились подготовительными к будущим его электрохимическим исследованиям, но они же были первым шагом в формировании его основоположного воззрения о роли среды в физических взаимодействиях. Между прочим, в своих исследованиях Фарадей пришёл к выводу, что жидкости, кроме «электролитической» проводимости, имеют и «металлическую» проводимость. Эти наблюдения Фарадея до последнего времени считались не подтвержденными. Открытие твердых полупроводников поколебало представление о резкой грани между ионной и электронной проводимостью.
Изучению электролиза посвящены пятая и седьмая серии «Экспериментальных исследований». Здесь Фарадей прежде всего показывает, что источники статического электричества, лейденская банка и электростатическая машина также могут вызывать химическое разложение, как и гальваническое электричество. На основании своих опытов он полагает, что представление о внешней причине (притяжение полюсов), вызывающей химическое разложение молекул, несостоятельно. Основным физическим моментом является среда, масса электролита. Ток является осью сил, заполняющих эту среду. «Электрическое разложение обусловливается внутренним корпускулярным притяжением в телах, действующим в направлении электрического тока, и производится силой, которая либо притекла со стороны, либо только даёт направление присущему телам химическому сродству. Разлагаемое тело можно рассматривать как массу действующих частиц, из которых все, входящие в сферу влияния тока, принимают участие в процессе…
По моему мнению, эти действия производятся внутренними силами в теле, разлагаемом током, а не внешними силами, как можно было бы думать, если бы они были сосредоточены на полюсах…»; Если вдуматься в приведенную цитату, то можно видеть, насколько глубокими и проницательными были идеи Фарадея. «Замечательно, что Faraday, открывший законы электролиза, ничего нового не высказал по вопросу о механизме этого явления»,-высказывается проф. Хвольсон в своём известном курсе физики. Но как раз замечательно другое, что Фарадей впервые высказал идею не о внешнем разложении полюсами, а о внутреннем полярном разложении частиц. Идея поляризационного смещения, идея силового поля, действующего по определённому направлению, - все это существенно новые идеи, высказанные здесь Фарадеем. Они развивались и совершенствовались, но основное их содержание не изменялось. Законы электролиза Фарадея не стоят особняком в цепи его исследований и не противоречат его основным физическим воззрениям. Учитывая роль среды в физических взаимодействиях, фарадей мыслит о её структуре, и не случайно, что из воззрений Фарадея развилась не только физика поля, но и электронная теория.
В соответствии со своими воззрениями на электролиз, как на внутренний процесс, Фарадей считает существенно необходимым изменить номенклатуру обозначений. Полюса, подводящие ток к жидкости (её Фарадей называет электролитом - электрическим раствором), являются истоками и стоками линий электрического тока, воротами электрического процесса. Их Фарадей обозначает электродами («пути электричества»). Полюс, на котором выделяется кислород (идущие вверх частицы), называется анодом, полюс, на котором выделяется водород (идущие вниз частицы), называется катодом. Сами движущиеся частицы называются соответственно анионом и катионом, вообще - ионами. Эта номенклатура не сразу завоевала признание, но в настоящее время она общеупотребительна. Заметим, что Фарадей избегает терминов положительное и отрицательное электричество.
По воззрениям Фарадея, электролитическое действие «происходит от видоизменения химического средства в частицах, вызываемого электричеством; видоизменение состоит в том, что химическое сродство действует в одну сторону сильнее, чем в другую, и этим заставляет частицу переходить через новый ряд соединений и разложений в противоположном направлении и наконец на границе разлагаемого тела её выталкивает наружу».
В результате своих исследований Фарадей нашёл первый закон электролиза и установил пропорциональность количества вещества, выделенного при прохождении единицы электричества, химическому эквиваленту вещества. Этот важный закон впервые указал на дискретность электрического заряда, т. е. явился основой электронной теории. Принято считать, что вывод из закона Фарадея о дискретности электричества был сделан впервые Гельмгольцем в его фарадеевской речи, произнесённой в 1881 г. Но на самом деле уже Максвелл в своём «Трактате по электричеству и магнетизму» говорил о молекуле электричества. Однако, кого бы ни считать первым, высказавшим идею об атоме электричества, следует признать, что эта идея возникла из открытий Фарадея.
Электрохимические исследования Фарадея заставили его подойти вплотную к сложному и запутанному вопросу о связи химических сил и электричества, о споре контактной и химической теорий вольтова столба. Этому вопросу посвящены восьмая, шестнадцатая и семнадцатая серии «Экспериментальных исследований».
Спор шёл в то время о природе источника электрического напряжения в вольтовом столбе. Сторонники контактной теории утверждали, что электрическое напряжение, разделение электричества возникает всегда при контакте разнородных веществ и представляет собой первичное явление. Наоборот, сторонники химической теории (Де-ля-Рив, Беккерель) полагали, что разделение электричества при контакте представляет собой вторичное явление, результат химической реакции соприкасающихся веществ. Они указывали, что не может быть сухого соприкосновения разнородных металлов, поверхность соприкосновения гигроскопична и в жидкой плёнке действуют химические силы. Этот спор из важного, но по существу частного вопроса о природе контактной разности потенциалов превращался в общий принципиальный вопрос о превращении физических сил, о природе химических сил. Так, например, видный химик Берцелиус утверждал, что химические силы электрической природы являются результатом электрических притяжений и отталкиваний частиц.
Фарадей не мог согласиться с такой постановкой вопроса, у него были свои взгляды на природу электрических взаимодействий, которая определялась средой. Кроме того, его твёрдое убеждение в вечности, неразру-шимости физических сил не позволяло ему мириться с существованием «Контактная теория принимает, что сила, способная преодолеть столь большие сопротивления, как, например, сопротивление хороших и дурных проводников прохождению через них тока, и сопротивление электрического действия, дающего разложение тела, что подобная сила может возникнуть из ничего; далее, что без всякого изменения в действующих веществах, без всякой затраты движущей силы образуется ток, который непрерывно продолжается, несмотря на постоянное сопротивление, или же, как в вольтовых элементах с разложением, может быть прекращён только теми продуктами распада, которые он сам накопит на своём пути. Это было бы действительно созданием двигательной силы из ничего в отличие от всякой другой силы природы. Есть много процессов, при которых внешняя форма силы изменяется настолько, что происходит видимое превращение одной силы в другую. Так, мы можем превратить химические силы в электрический ток или последний в химическую силу. Прекрасные опыты Зеебека в Пельтье показывают взаимный переход теплоты и электричества, а из других опытов, Эрстеда и моих, вытекает взаимная обратимость электричества и магнетизма. И нет такого случая, не исключая даже электрического угря и ската, где бы сила была создана или получена без соответственной затраты чего-либо другого». Если отвлечься от двусмысленного, неясного термина «сила», то можно ли отчётливее выразить идею сохранения и превращения энергии? Гений Фарадея нашёл возможность найти в удручающем потоке фактов и теорий то руководящее начало, которое позволило физикам и химикам установить правильную точку зрения как в данном вопросе, так и других конкретных задачах. В ту пору, когда ещё так смутны и неясны были представления о силе, о химическом сродстве, наконец о самом электричестве, важно было найти такую руководящую нить. И, действительно, вскоре другу Фарадея, химику Шенбейну, открывшему озон, удалось установить компромиссную точку зрения, сводящуюся к тому, что в гальваническом элементе при соприкосновении различных веществ возникает напряжение, следствием которого являются химические реакции в замкнутой цени, доставляющие энергию тока. Эта точка зрения и легла в основу гельмгольцевской теории гальванического элемента. В то время Фарадей работал над электрохимическими процессами, были сделаны наблюдения, расширяющие область индукционных явлений. В 1834 г. Дженкин (и почти одновременно Массон) заметил усиление электрической искры при размыкании тока, если провод свить в спираль и вставить в неё железный сердечник. Чем длиннее провод и чем больше число витков, тем сильнее искра. Но удлинение провода означало увеличение сопротивления, что должно повлечь за собой ослабление тока, а следовательно, и уменьшение искры. Оба наблюдателя считали свой эффект противоречащим закону Ома и загадочным. Фарадей правильно усмотрел в новом явлении частный случай индукции и доказал существование экстратоков. Исследованию самоиндукции посвящена девятая серия «Экспериментальных исследований», вышедшая вместе с десятой серией в 1835 г., после чего в работе Фарадея наступил более чем двухлетний перерыв, вызванный сильным переутомлением. Классическими опытами, которые и поныне воспроизводятся на школьных демонстрациях, Фарадей доказал, что при размыкании экстраток имеет то же направление, что и основной ток, при замыкании он противоположен. Существование экстратоков снова вернуло его к идее электротонического состояния. «Я не могу сопротивляться впечатлению, что существует какой-то связанный и соответствующий эффект». Роль среды, окружающего пространства занимает его мысли. И после длительного перерыва он начинает одиннадцатую серию своих «Исследований» классическими опытами по электрической индукции. Мы знаем, что факт электростатической индукции послужил основой для эшшусовской теории дальнодействия. Мы знаем, далее, что в законе Кулона роль среды в электрических взаимодействиях игнорируется. Правда, Кэвендиш впервые обнаружил влияние среды в электростатических явлениях, но его опыты по электричеству не были опубликованы. Поэтому исторически понятие диэлектрика было введено впервые Фарадеем. Фарадеевские исследования электрической индукции знаменательны в двух отношениях. Здесь Фарадей открыто порывает с точкой зрения actio in distance и переносит центр физического исследования на среду. С другой стороны, в Зтих исследованиях живо чувствуется влияние «Писем» Эйлера. Воззрение на электричество как на некоторую модификацию эфира, проводимое Эйлером в этом сочинении, развивается Фарадеем дальше. Но так как воззрения Эйлера примыкали к ломоносовским, то можно установить замечательную преемственность: Ломоносов-Эйлер - Фарадей. Отметим, что «Письма к немецкой принцессе» Эйлера были одной из книг, оказавших сильное влияние на молодого Фарадея. Представление о некоторой деформации в частицах среды поляризационного характера отмечается уже вл первых исследованиях Фарадея по электропроводности. Это поляризационное состояние теперь Фарадей распространил и на эфир. Наэлектризованное тело приводит окружающее пространство в особое состояние, в результате чего через любую замкнутую, поверхность, окружающее тело, смещается электричество в количестве, равном заряду тела. С помощью замкнутой проводящей полости можно обнаружить такое смещение, а именно (теорема Фарадея): если внутрь замкнутой проводящей полости поместить наэлектризованные тела, то на внутренней стороне полости индуктируется заряд, противоположный по знаку заряду наэлектризованных тел и равный ему по величине, на внешней стороне индуктируется равный и одноименный заряд. Расположение зарядов внутри полости не играет никакой роли. Заземление оболочки приводит к защите внешнего пространства от действия внутренних зарядов. Эта теорема иллюстрируется известным опытом с цилиндром Фарадея. Если в металлический цилиндрический сосуд А поместить наэлектризованное тело С, изолированное от стенок сосуда, то электроскоп, соединённый с цилиндром, показывает один и тот же заряд независимо от положения С. С может находиться в Соприкосновении с внутренней стороной цилиндра, тогда после его изъятия листочки электроскопа остаются в прежнем положении, само же тело С оказывается незаряженным (рис. 215). Существенную роль диэлектрика Фарадей демонстрирует и таким классическим опытом. Пусть две металлические пластинки А и С соединены с золотыми листочками а и b. Соединим на мгновение А и С с землей и поместим посередине между ними заряжённую пластинку В. Тогда стороны А и С, обращённые к В, зарядятся вследствие индукции одинаково, и листочки а и b остаются в покое. Но если между А и С поместить диэлектрическую пластинку, симметрия нарушается, листочки а и b притягиваются (рис. 218). «Два латунных стержня в 0,3 дюйма толщины были введены с противоположных сторон в стеклянный шар до взаимного соприкосновения, воздух в шаре был сильно разрежен. Через стержни был пропущен электрический разряд из машины, и во время прохождения концы стержней были отделены друг от друга. В момент отрыва на конце отрицательного стержня появилось длительное свечение, между тем как положительный оставался совершенно тёмным. При увеличении расстояния на конце положительного стержня появился пурпуровый сноп или туман, направлявшийся прямо к отрицательному стержню. С увеличением промежутка этот сноп удлинялся, но никогда не доходил до соприкосновения с отрицательным свечением - между ними постоянно оставался короткий тёмный промежуток». «… Разьяснение этих явлений, было бы очень важно»-, - указывает Фарадей. «Если смотреть на эти явления, как на дальнейшее доказательство того, что основания распределения и разряда, следует искать в состоянии частиц диэлектрика, то было бы крайне важно знать в точности, в чём заключается различие действия в тёмных и светлых частях». Однако ближайшие исследования Фарадея не имеют целью доказать это положение и посвящены доработке вопроса об источниках электричества. Четырнадцатая серия доказывает тождественность электричества рыб с электричеством других источников. Шестнадцатая и семнадцатая серии посвящены вольтову столбу. В восемнадцатой серии Фарадей исследует природу открытого Армстронгом явления электризации паровой струи, вырывающейся из предохранительного клапана. Фарадей пришёл к выводу, что причиной такой электризации является трение частиц пара о стенки выводной трубки, причём конденсированные частицы заряжаются положительно, а стенки котла отрицательно. Семнадцатая серия появилась в 1840 г., восемнадцатая - в 1843 г. Казалось, что период творческого подъёма прошёл, и жалобы Фарадея на переутомление звучат чаще и чаще. Но намеченная им программа: доказать единство и взаимную превратимость сил природы, доказать универсальность мировой среды - эфира, ещё не выполнена. В 1845 г. он возвращается к ней и ищет влияния магнетизма на свет. К этому времени, работая над маяками, Фарадей исследовал и перепробовал много сортов стекла. Ему пришла в голову мысль исследовать влияние магнитного поля на поляризованный свет. Пучок света, поляризованный отражением от стеклянной поверхности, проходит через испытуемое стекло и затем через николь. Установив николь на темноту, подвергают стекло действию электромагнита: поле становится освещённым, и, чтобы получить вновь темноту, необходимо было повернуть николь на некоторый угол. Теперь Фарадей уже с большой уверенностью ищет доказательства влияния среды на магнитные взаимодействия. Насколько трудно было получить надёжный результат, можно судить по такой исторической справке. В 1802 г. Кулон опубликовал сообщение, что ему удалось наблюдать намагничивание дерева и других материалов. Испытуемый образец имел форму иглы длиной 7-8 мм и диаметром 3/4 мм (для металлов 1/4 мм) и подвешивался на тонкой шёлковой нити между двумя магнитами, обращёнными друг к другу разноимёнными полюсами. Однако выяснилось, что намагничивание было обусловлено присутствием железных частиц. Как мы уже упоминали выше, попытки Фарадея обнаружить намагничивание различных веществ не увенчались успехом. В новых опытах Фарадей использовал сильный электромагнит. Кусок тяжёлого стекла, подвешенный перед полюсом электромагнита, отталкивался последним. Изготовив из того же стекла стержень и поместив его между полюсами, он нашёл, что стержень располагается перпендикулярно силовым линиям, т. е. не по оси, а по экватору. Так был открыт диамагнетизм. Вместе с тем ему удалось установить, что многие тела, считавшиеся немагнитными, как, например, платина, палладий, сургуч и др., намагничиваются и располагаются аксиально, вдоль силовых линий. Эти вещества были названы парамагнитными. Исследованию новых магнитных действий посвящены серии двадцатая и двадцать первая. Какова причина столь полярно-противоположного поведения тел? Фарадей полагает, что разницу надо искать не в самих телах, а в их отношении к окружающей среде. Отсюда его интерес к изучению магнитных свойств газов и пламени (серии XXI и XXXI). Идею этих опытов можно уяснить из более поздних экспериментов по магнетизму жидкостей. В последующих пунктах Фарадей считает необходимым ещё раз разъяснить существо своей точки зрения на природу магнитных взаимодействий и её отношение к другим воззрениям на тот же предмет: «3301. В настоящее время существуют две или, скорее, три общие гипотезы о физической природе магнитной силы. Первая - гипотеза эфира, ведущая за собой представление об эфирных токах. Она изложена в простой форме Эйлером в его «Письмах», предназначенных для физика без математической подготовки. Согласно этой гипотезе магнитный флюид или эфир движется потоком через магниты, а также вещества и пространства, их окружающие. Затем существует гипотеза двух магнитных флюидов, присутствующих во всех магнитных телах и собирающихся на полюсах магнита, где они притягивают и отталкивают частицы обоих флюидов на расстоянии и, таким образом, вызывают притяжения и отталкивания тел, содержащих эти флюиды и находящихся на расстоянии друг от друга. Наконец, имеется гипотеза Ампера, которая предполагает существование электрических токов вокруг частиц магнитов. Токи эти, действуя на расстоянии на другие частицы, содержащие такие же токи, упорядочивают расположение частиц в массах, к которым принадлежат частицы, делая таким образом эти массы способными к восприятию магнитного действия. Каждая из этих идей в большей или меньшей степени варьируется различными физиками, но для моих целей достаточно этих трёх основных гипотез. Моё физико-гипотетическое представление не заходит так далеко, как вторая и третья из этих гипотез, ибо оно не занимается вопросом о возникновении или поддержании магнитной силы в магните. Моя гипотеза совпадает скорее с первой, хотя и не идёт так далеко. Принимая магнит за центр силы, окружённой силовыми линиями, которые в качестве представителей силы получили уже математическое обоснование и оправдание (Фарадей имеет в виду исследования В. Томсона, показавшего в ряде статей что метод силовых линий с успехом может быть применён для математического описания электростатических явлений.), она рассматривает эти линии, как физические (курсив Фарадея) линии сил, существенно необходимые как для существования силы внутри магнита, тай и для передачи её магнитным телам на расстоянии. Сторонники теории эфира могут рассматривать эти линии как токи или распространяющиеся вибрации, или стационарные колебания, или же, наконец, как состояния напряжения. По многим соображениям их необходимо считать существующими вокруг провода, несущего электрический ток, как и в том случае, когда они исходят из магнитного полюса». Фарадей считает, далее, что необходимо поставить вопрос «об истинном, но неизвестном, естественном, магнитном действии». «Нам нужно, - указывает он, - не множество различных методов представления сил, но единственно истинное физическое выражение как того, что раскрывают нам явления, так и законов, управляющих последними». При этом Фарадей полагает, что «из принятых в настоящее время гипотез - гипотезы флюидов и гипотезы токов - какая-либо одна должна быть неверна, а быть, может и обе». Своё убеждение Фарадей обосновывает указанием на то, что «ни одна из этих концепций не могла привести к открытию явления диамагнетизма и, как я думаю, явления магнитного вращения света». Таким образом, неплодотворность этих гипотез, которые в лучшем случае могли описать уже известные факты, но не стимулировали поисков новых эффектов, - вот в чём, по Фарадею, заключается их основной порок. И это, конечно, правильно. Фарадей, руководствуясь своими воззрениями, открыл столько нового, что он не мог не выработать убеждения, что в них отражается вернее и глубже, чем в старых воззрениях, сущность природы. Опыты Фуко, только что принесшие победу волновой теории света, внушали ему надежду, что «толь же успешно может быть решена задача об истинной сущности магнитных явлений. Фарадей уподобляет магнит Солнцу, магнитные линии - световым лучам и считает, что отсюда возможен экспериментальный подход. Он писал: «… бесспорно станет вопрос о наивозможно широком рассмотрении этой проблемы с точки зрения чисто физической, ибо если предположить существование физических линий магнитной силы, соответствующих (в смысле своего реального существования) световым лучам, то не представляется столь невероятным, что к ним можно будет подступиться экспериментальным путём. Разрешение вопроса об их существовании чрезвычайно важно, тем более что есть все основания надеяться на положительный ответ. Поэтому я предполагаю, не выдвигая никаких физических гипотез о природе магнита, кроме того, что было мною сказано в п. 3299, снова обратить внимание экспериментаторов, в несколько, правда, несвязной форме, на этот вопрос как с точки зрения недостаточности современных физических взглядов, так и с точки зрения возможного существования линий физических сил. Я ограничу свои замечания немногими пунктами, как-то: полярность, двойственность и т. д. В своей попытке я исхожу из следующих соображений: 1. Подтверждение математиками правильности представления о направлении и количестве магнитной силы при помощи абстрактных силовых линий. 2. Успешное применение этих линий во многих случаях мной лично (п. 3174). 3. Наблюдаемая аналогия между магнитной силой и другими двойственными силами как в статическом, так и динамическом состоянии, в особенности же аналогия между магнитом и вольтовой батареей или другим постоянным источником электрических токов. 4. Идея Эйлера о магнитных эфирах или циркулирующих флюидах. 5. Высказанное сэром Исааком Ньютоном твёрдое убеждение в том, что даже сила притяжения не может произвести действия на расстояние без посредства какого-либо агента, играющего роль физической линии силы. 6. Пример борьбы между двумя теориями света и разрешение этого вопроса экспериментальным путём». Это замечательное «завещание» Фарадея послужило программой для работ Максвелла и последующей плеяды великих физиков - Герца, Лебедева, Попова и других. К сожалению, мало обращалось внимания на идейные корни воззрений Фарадея (за исключением п. 5, где Фарадей говорит о Ньютоне, в связи с чем очень часто вспоминают о «нематериальном агенте») и на его отношение к современной ему идейной борьбе в физике. Мы ещё раз отмечаем здесь, что Фарадей определенно указывает на происхождение своих воззрений от Эйлера, а следовательно (о чём, конечно, он сам не знал) и от Ломоносова. Мы отметим здесь, что Фарадей следил за перипетиями великого спора о природе света и что его симпатии были не на стороне ньютонианцев. Более того, победа волновой теории дала возможность Фарадею надеяться и на победу его теории, его физических воззрений.
ФАРАДЕЙ ПРЕДЛОЖИЛ И ДРУГИЕ РАЗНОВИДНОСТИ ОПЫТА: Замыкание (размыкание) цепи катушки с током Регулирование реостатом силы тока в цепи катушки Внесение (извлечение) катушки с током из катушки, замкнутой на гальванометр Вращение замкнутого контура в магнитном поле
Что же объединяет все эти опыты? Что можно сказать о магнитном потоке, как числе линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную контуром? При внесении (изъятии) магнита? При замыкании (размыкании) цепи? При изменении силы тока реостатом? При внесении (изъятии) катушки с током? При вращении контура в магнитном поле? изменяется
ЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ Заключается в возникновении электрического тока в замкнутом контуре при любом изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром Отличие полученного тока от известного нам ранее заключается в том, что для его получения не нужен источник тока
>> Открытие электромагнитной индукции
Глава 2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ
До сих пор мы рассматривали электрические и магнитные поля, не изменяющиеся с течением времени. Было выяснено, что электростатическое поле создается неподвижными заряженными частицами, а магнитное поле - движущимися, т. е. электрическим током . Теперь познакомимся с электрическими и магнитными полями, которые меняются со временем.
Самый важный факт, который удалось обнаружить, - это теснейшая взаимосвязь между электрическим и магнитным полями. Оказалось, что изменяющееся во времени магнитное поле порождает электрическое поле, а изменяющееся электрическое поле - магнитное . Без этой связи между полями разнообразие проявлений электромагнитных сил не было бы столь обширным, каким оно наблюдается на самом деле. Не существовало бы ни радиоволн, ни света. § 8 ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ
В 1821 г. М. Фарадей записал в своем дневнике: «Превратить магнетизм в электричество». Через 10 лет эта задача была им решена. Не случайно первый, решающий шаг в открытии новых свойств электромагнитных взаимодействий сделан основоположником представлений об электромагнитном поле М. Фарадеем, который был уверен в единой природе электрических и магнитных явлений. Благодаря этому он и сделал открытие, вошедшее в основу устройства генераторов всех электростанции мира, превращающих механическую энергию в энергию электрического тока. (Источники, работающие на других принципах: гальванические элементы, аккумуляторы и пр., - дают ничтожную долю вырабатываемой электрической энергии.) Электрический ток, рассуждал М. Фарадей, способен намагнитить кусок железа. Не может ли магнит, в свою очередь, вызвать появление электрического тока? Долгое время эту связь обнаружить не удавалось. Трудно было додуматься до главного, а именно: движущийся магнит , или меняющееся во времени магнитное поле, может возбудить электрический ток в катушке. Какого рода случайности могли помешать открытию, показывает следующий факт. Почти одновременно с Фарадеем получить электрический ток в катушке с помощью магнита пытался швейцарский физик Колладон. В ходе работы он пользовался гальванометром, легкая магнитная стрелка которого помещалась внутри катушки прибора. Чтобы магнит не оказывал непосредственного влияния на стрелку, концы катушки, куда Колладон вводил магнит, надеясь получить в ней ток, были выведены в соседнюю комнату и там присоединены к гальванометру. Вставив магнит в катушку, Колладон шел в соседнюю комнату и с огорчением убеждался, что гальванометр не показывает тока. Стоило бы ему все время наблюдать за гальванометром, а кого-нибудь попросить заняться магнитом, замечательное открытие было бы сделано. Но этого не случилось. Покоящийся относительно катушки магнит не вызывает в ней тока.
Это смещение, деформация частиц эфира, распространяется по кривым линиям. Фарадей показал это следующим опытом (рис. 216). Над наэлектризованным цилиндром был помещён металлический диск. В различных участках за этим диском f, g, h помещался пробный шарик. В ближайшей к цилиндру точке f заряд не индуктировался, но в g и h индукционный заряд можно было обнаружить. С точки зрения действия на расстояние следовало бы заключить о непосредственной передаче по прямым линиям и, следовательно, ожидать электризации в f. Поэтому Фарадей из факта экранирующего действия проводников (которое он продемонстрировал еще эффектным опытом с клеткой) сделал вывод о невозможности actio in distance, о роли среды. Для того чтобы исследовать влияние среды, фарадей изготовил сферические конденсаторы, названные им аппаратами распределения. Внешняя обкладка конденсатора состояла из двух металлических полусфер. Внутренний шар подвешивался на проволоке, окружённой сургучом. Пространство между обкладками можно было соединять с воздушным насосом, заполнять различными газами, а также заполнять жидкими изоляторами или расплавленными твёрдыми (серой, шеллаком). Один из таких конденсаторов заряжается и приводится в соприкосновение с другим. Если промежуточная среда одинакова, то заряд распределяется поровну. Иное будет, «ели один аппарат имеет воздушную прослойку, а другой - наполовину заполнен шеллаком. При одинаковых потенциалах внутренних обкладок (внешние заземлены) заряд распределится не поровну, ёмкость конденсатора с шеллаком увеличится. Различные тела обладают, как выражается Фарадей, различной индуктивной способностью. Вещества, способные передавать индукционные действия, он назвал диэлектриками. К диэлектрикам относится и чистый эфир. Диэлектрики, по Фарадею, являются носителями электрического состояния. Если удалить обкладки конденсатора и привести во взаимное соприкосновение (опыт с разбррным конденсатором), а затем вновь собрать конденсатор, то обкладки вновь зарядятся: диэлектрик сохранял своё поляризационное состояние.
Влияние среды должно иметь место во всех электрических явлениях, и вгчастности в электрическом разряде. Форма и характер разряда существенно зависят от промежуточной среды, химической природы газа, его давления, температуры. Фарадей начал изучение газового разряда, и его именем названо открытое им тёмное пространство в светящемся под действием разряда разреженном газе.
Итак, различные случаи электрических процессов приводят фарадея к выводу, что причину этих процессов следует искать во внутреннем состоянии частиц диэлектрика или проводника. Природа электрических сил - не дальнодействие, а близко действие. Таков, по мнению Фарадея, характер всех центральных сил. Но так называемые «поперечные» силы, т. е. силы взаимодействия токов, силы их магнитного поля, не зависят от свойств промежуточной среды. По крайней мере попытки фарадея обнаружить такое влияние успеха не имели: «…поперечная сила распределения токов, тоже способная действовать на расстояние, не распространяется таким же образом (т. е. как электрическая) через посредство промежуточных частиц». Всё же Фарадей полагает «возможным и даже вероятным, что магнитное действие передается на расстояние через посредство промежуточных частиц».
Так было открыто магнитное вращение плоскости поляризации. Сообщение об этом новом эффекте помещено в девятнадцатой серии «Экспериментальных исследований» под характерным названием «О намагничивании света и освещенности магнитных линий сил». Наиболее сильно вращало плоскость поляризации кремнеборное стекло, затем стекло с борнокислой окисью свинца. Так Фарадей открыл действие магнита на свет.
Литература и интернет-ресурсы: А.В.Перышкин, Е.М.Гутник «Физика 9» M_Faraday_Th_Phillips_oil_1842.jpghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/88/M_Faraday_Th_Phillips_oil_1842.jpg/220px- M_Faraday_Th_Phillips_oil_1842.jpg - слайд 1 -слайд слайд слайд 4 -слайд 5 -слайд 6 -слайд 7 -слайд 7 -слайд 7 -слайд 8 -слайд 9 -слайд слайд слайд 11
