29 августа 1831 фарадеем было открыто. открытие диамагнетизма как свойства всей материи

Английский физик Майкл Фарадей, выросший в бедной семье, стал одним из величайших ученых в истории человечества. Его выдающиеся достижения были сделаны в то время, когда наука являлась уделом людей, рожденных в привилегированных семействах. В его честь названа единица электрической емкости - фарад.

Фарадей (физик): краткая биография

Майкл Фарадей родился 22 сентября 1791 года в столице Великобритании Лондоне. Он был третьим ребенком в семье Джеймса и Маргарет Фарадеев. Его отец был кузнецом, который имел слабое здоровье. До брака его мать работала служанкой. Семья жила бедно.

До 13 лет Майкл посещал местную школу, где получил начальное образование. Чтобы помочь семье, он начал работать посыльным в книжном магазине. Усердие мальчика впечатлило его работодателя. Через год его повысили до ученика переплетчика.

Переплет и наука

Майкл Фарадей хотел узнать больше о мире; он не ограничивался После усердного ежедневного труда он проводил все свое свободное время за чтением книг, которые он переплетал.

Постепенно он обнаружил, что увлекся наукой. Особенно ему понравились две книги:

• «Британская энциклопедия» - источник его познаний об электричестве и о многом другом.
• «Беседы о химии» - 600 страниц о химии в доступном изложении авторства Джейн Марсе.

Он был настолько очарован, что начал тратить часть своего скудного заработка на химические вещества и аппаратуру, чтобы подтвердить истинность того, о чем читал.

Расширяя свои научные познания, он услышал, что Джон Татум собирался дать серию публичных лекций по натуральной философии (физике). Для посещения лекций необходимо было внести плату в один шиллинг - слишком много для Майкла Фарадея. Его старший брат, кузнец, впечатленный растущей преданностью своего брата науке, дал ему необходимую сумму.

Знакомство с Хамфри Дэви

Фарадей сделал еще один шаг к науке, когда Уильям Дэнс, клиент книжного магазина, поинтересовался у Майкла, нет ли у него желания получить билеты на лекции в Королевском институте.

Лектор, сэр Хамфри Дэви, был одним из самых известных в мире ученых того времени. Фарадей ухватился за шанс и посетил четыре лекции, посвященные одной из новейших проблем химии - определении кислотности. Он наблюдал за экспериментами, которые проводил Дэви на лекциях.

Это был мир, в котором он хотел бы жить. Фарадей вел записи, а затем сделал так много дополнений в примечаниях, что произвел 300-страничную рукопись, которую сам переплел и отправил Дэви в знак благодарности.

В это время на заднем дворе книжного магазина Майкл начал проводить более сложные эксперименты по созданию электрической батареи из медных монет и цинковых дисков, разделенных влажной соленой бумагой. Он использовал ее для разложения химических веществ, например таких, как сульфат магния. В этой области химии Хамфри Дэви был пионером.

В октябре 1812 года ученичество Фарадея завершилось, и он начал работать переплетчиком у другого работодателя, которого он нашел неприятным.

Не было бы счастья, да несчастье помогло

И вот произошел счастливый для Фарадея случай. В результате неудачного эксперимента Хамфри Дэви был ранен: это временно повлияло на его способность писать. Майклу удалось в течение нескольких дней вести записи для Дэви, впечатленного книгой, которую тот ему послал.

Когда недолгий период работы помощником закончился, Фарадей отправил ученому записку с просьбой нанять его своим ассистентом. Вскоре после этого один из лаборантов Дэви был уволен за нарушение дисциплины, и Хамфри осведомился у Майкла, не хотел ли бы он занять вакантное место.

Не хотел ли он работать в Королевском институте с одним из самых известных ученых в мире? Это был риторический вопрос.

Карьера в Королевском институте

Ему хорошо платили и выделили для проживания комнату на чердаке Королевского института. Майкл был очень доволен, и его связь с этим учреждением больше не прерывалась в течение 54 лет, за которые ему удалось стать профессором химии.

Работа Фарадея состояла в подготовке аппаратуры для проведения экспериментов и лекций в Королевском институте. Поначалу он имел дело с трихлоридом азота, взрывчатым веществом, которое травмировало Дэви. Майкл тоже при очередном взрыве ненадолго потерял сознание, и когда Хамфри снова получил травму, опыты с этим соединением были прекращены.

Через 7 месяцев работы в Королевском институте Дэви взял с собой Фарадея в турне по Европе, длившееся 18 месяцев. За это время Майклу удалось встретить великих ученых, таких как Андрэ-Мари Ампер в Париже и Алессандро Вольта в Милане. В некотором смысле, тур заменил ему университетское образование - Фарадей многое узнал за это время.

Большую часть тура он, однако, был несчастлив, поскольку в дополнение к научной и секретарской работе должен был прислуживать Дэви и его жене. Супруга ученого не считала Фарадея равным себе из-за его происхождения.

По возвращении в Лондон все стало на свои места. Королевский институт возобновил контракт Майкла и увеличил его вознаграждение. Дэви даже начал упоминать о его помощи в научных работах.

В 1816 г. в возрасте 24 лет Фарадей прочитал свою первую лекцию о свойствах материи. Проходила она в Городском философском обществе. Тогда же в «Ежеквартальном научном журнале» он опубликовал свою первую научную статью об анализе гидроксида кальция.

В 1821 г. в возрасте 29 лет Фарадей был повышен до должности заведующего хозяйством и лабораторией Королевского института. В том же году он женился на Саре Барнард. Майкл со своей супругой прожили в институте большую часть следующих 46 лет, уже не на чердаке, а в удобном помещении, которое когда-то занимал Хамфри Дэви.

В 1824 г. биография Фарадея (физика) ознаменовалась его избранием в члены Королевского общества. Это было признанием того, что он стал заметным ученым.

В 1825 г. физик Фарадей стал директором лаборатории.

В 1833 г. он стал фуллеровским профессором химии в Королевском институте Великобритании. Фарадей занимал эту должность до конца своей жизни.

В 1848 и 1858 годах ему было предложено возглавить Королевское общество, но он отказался.

Научные достижения

Чтобы описать открытия Фарадея в физике, потребуется не одна книга. Не случайно Альберт Эйнштейн в своем кабинете хранил фотографии только троих ученых: Исаака Ньютона, Джеймса Максвелла и Майкла Фарадея.

Как ни странно, хотя еще при жизни ученого начали использовать слово «физик», ему самому оно не нравилось, и он всегда называл себя философом. Фарадей был человеком, шедшим к открытиям через эксперименты, и он был известен тем, что никогда не отказывался от идей, к которым приходил благодаря научной интуиции.

Если он полагал, что идея стоила того, он продолжал эксперименты, несмотря на множество неудач, пока не достигал ожидаемого или пока не убеждался в том, что мать-природа доказала его неправоту, что случалось крайне редко.

Так что открыл Фарадей в физике? Вот некоторые из его самых заметных достижений.

1821: открытие электромагнитного вращения

Оно стало предвестником того, что, в конечном итоге, привело к созданию электрического двигателя. Открытие базировалось на теории Эрстеда о магнитных свойствах провода, по которому проходит электрический ток.

1823: сжижение газа и охлаждение

В 1802 году Джон Далтон высказал мнение, что все газы могут быть сжижены при низких температурах или высоком давлении. Физик Фарадей доказал это опытным путем. Он впервые превратил хлор и аммиак в жидкость.

Жидкий аммиак был еще интересен тем, что, как заметил Майкл Фарадей, физика процесса его испарения вызывала охлаждение. Принцип охлаждения с помощью искусственного испарения был публично продемонстрирован Уильямом Калленом в Эдинбурге в 1756 г. Ученый с помощью насоса снизил давление в колбе с эфиром, в результате чего произошло его быстрое испарение. Это вызвало охлаждение, и на внешней стороне колбы из влаги воздуха образовался лед.

Важность открытия Фарадея состояла в том, что механические насосы могли превращать газ в жидкость при комнатной температуре. Затем жидкость испарялась, охлаждая все вокруг, полученный газ мог быть собран и с помощью насоса сжат в жидкость снова, повторяя цикл. Именно так работают современные холодильники и морозильники.

В 1862 году на Всемирной лондонской выставке Фердинанд Карре продемонстрировал первую в мире коммерческую машину по производству льда. В машине в качестве охлаждающей жидкости использовался аммиак, и она производила лед со скоростью 200 кг в час.

1825: открытие бензола

Исторически сложилось так, что бензол стал одним из наиболее важных веществ в химии, как в практическом смысле, т. е. он используется при создании новых материалов, так и в теоретическом - для понимания химической связи. Ученый обнаружил бензол в маслянистых остатках производства газа для освещения в Лондоне.

1831: закон Фарадея, формула, физика электромагнитной индукции

Это было чрезвычайно важным открытием для будущего науки и техники. Закон Фарадея (физика) гласит, что переменное магнитное поле вызывает в цепи электрический ток, и генерируемая прямо пропорциональна скорости изменения Одна из его возможных записей |E|=|dΦ/dt|, где Е - ЭДС, а Ф - магнитный поток.

Например, перемещение подковообразного магнита вдоль провода производит электрический ток, так как движение магнита вызывает переменное магнитное поле. До этого единственным источником тока была батарея. Майкл Фарадей, открытия в физике которого показали, что движение может быть превращено в электричество, или, более научным языком, кинетическая энергия может быть преобразована в электрическую, таким образом, причастен к тому, что большая часть энергии в наших домах сегодня производится именно по этому принципу.

Вращение (кинетическая энергия) преобразуется в электричество с помощью электромагнитной индукции. А вращение, в свою очередь, получают при действии на турбины пара высокого давления, создаваемого энергией угля, газа или атома, или напором воды в гидроэлектростанциях, либо давлением воздуха в

1834: законы электролиза

Фарадей-физик внес основной вклад в создание новой науки электрохимии. Она объясняет то, что происходит на границе раздела электрода с ионизированным веществом. Благодаря электрохимии мы пользуемся литий-ионными батареями и аккумуляторами, питающими современную мобильную технику. Законы Фарадея важны для нашего понимания электродных реакций.

1836: изобретение экранированной камеры

Физик Фарадей обнаружил, что, когда электрический проводник заряжен, весь лишний заряд скапливается на внешней его стороне. Это означает, что внутри комнаты или клетки, сделанной из металла, дополнительный заряд не появляется. Например, человек, одетый в костюм Фарадея, т. е. с металлической подкладкой, не подвергается действию внешнего электричества. Кроме защиты людей, клетка Фарадея может использоваться для проведения электрических или электрохимических экспериментов, чувствительных к внешним помехам. Экранированные камеры также могут создавать мертвые зоны для мобильной связи.

1845: открытие эффекта Фарадея - магнитооптического эффекта

Еще одним важным экспериментом в истории науки был опыт, впервые доказавший связь электромагнетизма и света, что в 1864 году было полностью описано уравнениями Джеймса Клерка Максвелла. Физик Фарадей установил, что свет представляет собой электромагнитную волну: «Когда противоположные магнитные полюса находились с той же стороны, это оказывало действие на поляризованный луч, что, таким образом, доказывает связь магнитной силы и света...

1845: открытие диамагнетизма как свойства всей материи

Большинство людей знакомо с ферромагнетизмом на примере обычных магнитов. Фарадей (физик) обнаружил, что все вещества диамагнитны - в большинстве своем слабо, но встречаются и сильные. Диамагнетизм противоположен направлению приложенного магнитного поля. Например, если поместить северный полюс у сильно диамагнитного вещества, то оно будет отталкиваться. Диамагнетизм в материалах, индуцированный очень сильными современными магнитами, может быть использован для достижения левитации. Даже живые существа, такие как лягушки, диамагнитны и могут парить в сильном магнитном поле.

Конец

Майкл Фарадей, открытия в физике которого произвели переворот в науке, умер 25 августа 1867 г. в Лондоне в возрасте 75 лет. Его жена Сара жила дольше. У четы не было детей. Всю свою жизнь он был набожным христианином и принадлежал к маленькой протестантской секте сандеманианцев.

Еще при жизни Фарадею было предложено погребение в Вестминстерском аббатстве вместе с королями и королевами Великобритании и учеными, подобно Исааку Ньютону. Он отказался ради более скромной церемонии. Его могилу, где также похоронена Сара, можно найти на кладбище Хайгейт в Лондоне.

22 сентября 2011 года исполнилось 220 лет со дня рождения Майкла Фарадея (1791–1867) - английского физика-экспериментатора, который ввел в науку понятие «поле» и заложил основы концепции о физической реальности электрических и магнитных полей. В наши дни понятие поля известно любому старшекласснику. Начальные сведения об электрических и магнитных полях и способах их описания при помощи силовых линий, напряженностей, потенциалов и т. п. давно вошли в школьные учебники по физике. В этих же учебниках можно прочитать о том, что поле - это особая форма материи, принципиально отличная от вещества. Но вот с объяснением того, в чем именно состоит эта «особость», возникают серьезные трудности. Естественно, винить в этом авторов учебников нельзя. Ведь если поле не сводимо к каким-то другим, более простым сущностям, то тут и объяснять нечего. Надо просто принять физическую реальность поля как экспериментально установленный факт и научиться работать с уравнениями, описывающими поведение этого объекта. К этому, например, призывает в своих «Лекциях» Ричард Фейнман, отметив, что ученые долгое время пытались объяснить электромагнитное поле при помощи различных механических моделей, но потом оставили эту затею и сочли, что физический смысл имеет лишь описывающая поле система знаменитых уравнений Максвелла.

Означает ли сказанное, что мы должны полностью отказаться от попыток понять, что такое поле? Думается, что существенную помощь в ответе на этот вопрос может оказать знакомство с «Экспериментальными исследованиями по электричеству» Майкла Фарадея - грандиозным трехтомным трудом, который гениальный экспериментатор создавал более 20 лет . Именно здесь Фарадей вводит понятие поля и шаг за шагом разрабатывает идею о физической реальности этого объекта. При этом важно отметить, что «Экспериментальные исследования» Фарадея - одна из величайших книг в истории физики - написаны прекрасным языком, не содержат ни единой формулы и вполне доступны школьникам.

Введение поля. Фарадей, Томсон и Максвелл

Термин «поле» (точнее: «магнитное поле», «поле магнитных сил») был введен Фарадеем в 1845 году в ходе исследований явления диамагнетизма (термины «диамагнетизм» и «парамагнетизм» также были введены Фарадеем) - обнаруженного ученым эффекта слабого отталкивания магнитом ряда веществ. Первоначально поле рассматривалось Фарадеем как сугубо вспомогательное понятие, по сути координатная сетка, образованная магнитными силовыми линиями и использовавшаяся при описании характера движения тел вблизи магнитов. Так, кусочки диамагнитных веществ, например висмута, перемещались из областей сгущения силовых линий в области их разрежения и располагались перпендикулярно направлению линий.

Несколько позже, в 1851–1852 годах, при математическом описании результатов некоторых экспериментов Фарадея, термин «поле» эпизодически использовал английский физик Уильям Томсон (1824–1907). Что же касается создателя теории электромагнитного поля Джеймса Клерка Максвелла (1831–1879), то в его работах термин «поле» поначалу тоже практически не встречается и используется лишь для обозначения той части пространства, в которой можно обнаружить магнитные силы. Только в опубликованной в 1864–1865 годах работе «Динамическая теория электромагнитного поля», в которой впервые появляется система «уравнений Максвелла» и предсказывается возможность существования электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света, о поле говорится как о физической реальности.

Такова вкратце история введения в физику понятия «поле». Из нее видно, что первоначально это понятие рассматривалось как сугубо вспомогательное, обозначавшее просто ту часть пространства (она может быть и неограниченной), в которой можно обнаружить магнитные силы и изобразить их распределение при помощи силовых линий. (Термин «электрическое поле» стал использоваться только после создания Максвеллом теории электромагнитного поля.)

Важно подчеркнуть, что ни силовые линии, известные физикам до Фарадея, ни «состоящее» из них поле не рассматривались (и не могли рассматриваться!) научным сообществом XIX века как физическая реальность. Попытки же Фарадея говорить о материальности силовых линий (или Максвелла - о материальности поля) воспринимались учеными как совершенно ненаучные. Даже Томсон, старый друг Максвелла, сам много сделавший для разработки математических основ физики поля (именно Томсон, а не Максвелл, первым показал возможность «перевода» языка силовых линий Фарадея на язык дифференциальных уравнений в частных производных), называл теорию электромагнитного поля «математическим нигилизмом» и долгое время отказывался ее признавать. Понятно, что поступать подобным образом Томсон мог, лишь имея на то очень серьезные основания. И такие основания у него были.

Поле сил и сила Ньютона

Причина, по которой Томсон не мог признать реальность силовых линий и полей, проста. Силовые линии электрического и магнитного полей определяются как непрерывные линии, проведенные в пространстве так, что касательные к ним в каждой точке указывают направления действующих в этой точке электрических и магнитных сил. Величины и направления этих сил вычисляются при помощи законов Кулона, Ампера и Био–Савара–Лапласа. Однако в основе этих законов лежит принцип дальнодействия, допускающий возможность мгновенной передачи на любое расстояние действия одного тела на другое и, тем самым, исключающий существование каких-либо материальных посредников между взаимодействующими зарядами, магнитами и токами.

Следует отметить, что многие ученые со скепсисом относились к принципу, по которому тела каким-то загадочным образом могут действовать там, где их нет. Даже Ньютон, который первым использовал этот принцип при выводе закона всемирного тяготения, полагал, что между взаимодействующими телами может существовать какая-то субстанция. Но строить гипотезы о ней ученый не пожелал, предпочитая заниматься разработкой математических теорий законов, опирающихся на твердо установленные факты. Аналогичным образом поступали и последователи Ньютона. По словам Максвелла, они буквально «вымели из физики» всевозможные невидимые атмосферы и истечения, которыми в XVIII веке окружали магниты и заряды сторонники концепции близкодействия. Тем не менее в физике XIX века постепенно начинает возрождаться интерес к, казалось бы, навсегда забытым идеям.

Одной из важнейших предпосылок этого возрождения стали проблемы, возникавшие при попытках объяснения новых явлений - прежде всего, явлений электромагнетизма - на основе принципа дальнодействия. Эти объяснения становились всё более искусственными. Так, в 1845 году немецкий физик Вильгельм Вебер (1804–1890) обобщил закон Кулона, введя в него члены, определяющие зависимость силы взаимодействия электрических зарядов от их относительных скоростей и ускорений. Физический смысл такой зависимости был непонятен, а веберовские добавки в закон Кулона явно носили характер гипотезы, введенной, чтобы объяснить явления электромагнитной индукции.

В середине XIX века физики всё более осознавали, что при изучении явлений электричества и магнетизма эксперимент и теория начинают говорить на разных языках. В принципе, ученые были готовы согласиться с идеей о существовании субстанции, передающей взаимодействие между зарядами и токами с конечной скоростью, однако принять идею о физической реальности поля они не могли. В первую очередь, из-за внутренней противоречивости этой идеи. Дело в том, что в физике Ньютона сила вводится как причина ускорения материальной точки. Ее (силы) величина равна, как известно, произведению массы этой точки на ускорение. Тем самым, сила как физическая величина определяется в точке и в момент ее действия. «Сам Ньютон напоминает нам, - писал Максвелл, - что сила существует только до тех пор, пока она действует; ее действие может сохраниться, но сама сила как таковая по существу явление преходящее».

Пытаясь рассматривать поле не как удобную иллюстрацию характера распределения сил в пространстве, а как физический объект, ученые входили в противоречие с тем исходным пониманием силы, на основе которого этот объект был построен. В каждой своей точке поле определяется величиной и направлением силы, действующей на пробное тело (заряд, магнитный полюс, виток с током). По сути, поле «состоит» только из сил, но сила в каждой точке рассчитывается на основе законов, согласно которым говорить о поле как физическом состоянии или процессе бессмысленно. Поле, рассматриваемое как реальность, означало бы реальность сил, существующих вне всякого действия, что полностью противоречило исходному определению силы. Максвелл писал, что в случаях, когда мы говорим о «сохранении силы» и т. п., лучше было бы пользоваться термином «энергия». Это, безусловно, правильно, но энергией чего является энергия поля? К тому времени, когда Максвелл писал приведенные выше строки, он уже знал, что плотность энергии, например, электрического поля пропорциональна квадрату напряженности этого поля, т. е. опять-таки силы, распределенной в пространстве.

С ньютоновским пониманием силы неразрывно связана и концепция мгновенного дальнодействия. Ведь если одно тело действует на другое, удаленное, не мгновенно (по сути, уничтожая расстояние между ними), то нам придется рассматривать силу перемещающейся в пространстве и решать вопрос о том, какая «часть» силы вызывает наблюдаемое ускорение и какой смысл тогда имеет понятие «сила». Либо мы должны допустить, что движение силы (или поля) происходит каким-то особым, не укладывающимся в рамки ньютоновской механики образом.

В 1920 году в статье «Эфир и теория относительности» Альберт Эйнштейн (1879–1955) писал, что, говоря об электромагнитном поле как реальности, мы должны допустить существование особого физического объекта, который принципиально нельзя представить состоящим из частиц, поведение каждой из которых поддается изучению во времени. Позже Эйнштейн охарактеризовал создание теории электромагнитного поля как величайший, со времен Ньютона, переворот в наших взглядах на структуру физической реальности. Благодаря этому перевороту, в физику наряду с представлениями о взаимодействии материальных точек вошли представления о полях, как ни к чему другому не сводимым сущностям.

Но как оказалось возможным это изменение взглядов на реальность? Как физике удалось выйти за свои границы и «увидеть» то, что для нее раньше как реальность просто не существовало?

Исключительно важную роль в подготовке этого переворота сыграли многолетние эксперименты Фарадея с силовыми линиями. Благодаря Фарадею, эти хорошо известные физикам линии превратились из способа изображения распределения в пространстве электрических и магнитных сил в своеобразный «мостик», двигаясь по которому удалось проникнуть в мир, находящийся как бы «за силой», в мир, в котором силы становились проявлениями свойств полей. Понятно, что такое превращение потребовало таланта совершенно особого рода, таланта, которым обладал Майкл Фарадей.

Великий Экспериментатор

Майкл Фарадей родился 22 сентября 1791 года в семье лондонского кузнеца, которая из-за недостатка средств не смогла дать своим детям образования. Майкл - третий ребенок в семье - не закончил и начальной школы и в 12 лет был отдан учеником в переплетную мастерскую. Там он получил возможность читать множество книг, в том числе и научно-популярных, восполняя пробелы своего образования. Вскоре Фарадей начал посещать публичные лекции, которые регулярно устраивали в Лондоне для распространения знаний среди широких слоев населения.

В 1812 году один из членов Лондонского Королевского общества, регулярно пользовавшийся услугами переплетной мастерской, пригласил Фарадея послушать лекции известного физика и химика Гемфри Дэви (1778–1829). Этот момент стал в жизни Фарадея переломным. Юноша окончательно увлекся наукой, а поскольку заканчивался срок его обучения в мастерской, Фарадей рискнул написать Дэви о своем желании заняться исследованиями, приложив к письму тщательно переплетенные конспекты лекций ученого. Дэви, который сам был сыном бедного резчика по дереву, не только ответил на письмо Фарадея, но и предложил ему место ассистента в Лондонском Королевском институте. Так началась научная деятельность Фарадея, продолжавшаяся почти до самой его смерти, наступившей 25 августа 1867 года.

История физики знает немало выдающихся экспериментаторов, но, пожалуй, только Фарадея называли Экспериментатором с большой буквы. И дело не только в его колоссальных достижениях, среди которых открытия законов электролиза и явлений электромагнитной индукции, исследования свойств диэлектриков и магнетиков и многое другое. Нередко важные открытия удавалось сделать более или менее случайно. О Фарадее сказать такое невозможно. Его исследования всегда отличались поразительной планомерностью и целеустремленностью. Так, в 1821 году Фарадей записал в рабочем дневнике, что начинает поиски связи магнетизма с электричеством и оптикой. Первую связь он обнаружил через 10 лет (открытие электромагнитной индукции), а вторую - через 23 года (открытие вращения плоскости поляризации света в магнитном поле).

В «Экспериментальных исследованиях по электричеству» Фарадея имеется около 3500 параграфов, многие из которых содержат описания проделанных им опытов. И это только то, что Фарадей счел нужным опубликовать. В многотомных «Дневниках» Фарадея, которые он вел с 1821 года, описано около 10 тысяч опытов, причем многие из них ученый поставил без чьей-либо помощи. Интересно, что в 1991 году, когда научный мир отмечал 200-летие со дня рождения Фарадея, английские историки физики решили повторить некоторые из его наиболее знаменитых опытов. Но даже на простое воспроизведение каждого из таких опытов коллективу современных специалистов потребовалось не менее дня работы.

Говоря о заслугах Фарадея, можно сказать, что его главным достижением стало превращение экспериментальной физики в самостоятельную область исследований, результаты которых нередко могут на многие годы опережать развитие теории. Фарадей считал крайне непродуктивным стремление многих ученых как можно быстрее переходить от полученных в экспериментах данных к их теоретическому обобщению. Более плодотворным Фарадею представлялось сохранение длительной связи с изучаемыми явлениями, чтобы иметь возможность детально проанализировать все их особенности, вне зависимости от того, соответствуют эти особенности принятым теориям или нет.

Этот подход к анализу опытных данных Фарадей распространил и на хорошо известные опыты по выстраиванию железных опилок вдоль силовых линий магнитного поля. Безусловно, ученый прекрасно знал, что узоры, которые образуют железные опилки, легко можно объяснить на основе принципа дальнодействия. Тем не менее, Фарадей считал, что в данном случае экспериментаторы должны исходить не из придуманных теоретиками концепций, а из явлений, свидетельствующих, по его мнению, о существовании в пространстве, окружающем магниты и токи, неких обладающих готовностью к действию состояний. Другими словами, силовые линии, по мнению Фарадея, указывали на то, что сила должна мыслиться не только как действие (на материальную точку), но и как способность к действию.

Важно подчеркнуть, что, следуя своей методике, Фарадей не пытался выдвигать какие-либо гипотезы о природе этой способности к действию, предпочитая постепенно накапливать опыт в ходе работы с силовыми линиями. Начало этой работе было положено в его исследованиях явлений электромагнитной индукции.

Затянувшееся открытие

Во многих учебниках и справочниках можно прочитать о том, что 29 августа 1831 года Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Историкам науки хорошо известно, что датировка открытий - вещь сложная и часто весьма запутанная. Не составляет исключение и открытие электромагнитной индукции. Из «Дневников» Фарадея известно, что это явление он наблюдал еще в 1822 году во время опытов с двумя проводящими контурами, надетыми на сердечник из мягкого железа. Первый контур был подключен к источнику тока, а второй - к гальванометру, который зафиксировал возникновение кратковременных токов при включении или отключении тока в первом контуре. Позже выяснилось, что подобные явления наблюдали и другие ученые, но, как и поначалу Фарадей, сочли их погрешностью эксперимента.

Дело в том, что в поисках явлений порождения электричества магнетизмом ученые были нацелены на обнаружение устойчивых эффектов, подобных, например, открытому Эрстедом в 1818 году явлению магнитного действия тока. От этой всеобщей «слепоты» Фарадея спасли два обстоятельства. Во-первых, пристальное внимание к любым явлениям природы. В своих статьях Фарадей сообщал как об удачных, так и о неудачных экспериментах, полагая, что неудачный (не обнаруживший искомый эффект), но осмысленно поставленный опыт тоже содержит какую-то информацию о законах природы. Во-вторых, незадолго до открытия Фарадей много экспериментировал с разрядами конденсаторов, что, несомненно, обострило его внимание к кратковременным эффектам. Регулярно просматривая свои дневники (для Фарадея это было постоянной составляющей исследований), ученый, судя по всему, по-новому взглянул на опыты 1822 года и, воспроизведя их, осознал, что имеет дело не с помехами, а с искомым явлением. Датой этого осознания и стало 29 августа 1831 года.

Далее начались интенсивные исследования, в ходе которых Фарадей открыл и описал основные явления электромагнитной индукции, включая возникновение индукционных токов при относительном движении проводников и магнитов. На основании этих исследований Фарадей пришел к выводу о том, что решающим условием возникновения индукционных токов является именно пересечение проводником линий магнитной силы, а не переход в области больших или меньших сил. При этом, например, возникновение тока в одном проводнике при включении тока в другом, расположенном рядом, Фарадей тоже объяснял как результат пересечения проводником силовых линий: «магнитные кривые как бы движутся (если можно так выразиться) поперек индуцируемого провода, начиная с момента, когда они начинают развиваться, и вплоть до момента, когда магнитная сила тока достигнет наибольшего значения; они как бы распространяются в стороны от провода и, следовательно, оказываются по отношению к неподвижному проводу в том же положении, как если бы он двигался в противоположном направлении поперек них».

Обратим внимание на то, сколько раз в приведенном отрывке Фарадей использует слова «как бы», а также на то, что у него пока нет привычной нам количественной формулировки закона электромагнитной индукции: сила тока в проводящем контуре пропорциональна скорости изменения числа магнитных силовых линий, проходящих через этот контур. Близкая к этой формулировка появляется у Фарадея лишь в 1851 году, причем она относится только к случаю движения проводника в статическом магнитном поле. По Фарадею, если проводник перемещается в таком поле с постоянной скоростью, то сила возникающего в нем электрического тока пропорциональна этой скорости, а количество приводимого в движение электричества пропорционально числу пересекаемых проводником силовых линий магнитного поля.

Осторожность Фарадея при формулировке закона электромагнитной индукции обусловлена, прежде всего, тем, что корректно пользоваться понятием силовой линии он мог только применительно к статическим полям. В случае же переменных полей это понятие приобретало метафорический характер, и непрерывные оговорки «как бы», когда речь идет о движущихся силовых линиях, показывают, что Фарадей это прекрасно понимал. Он также не мог не считаться с критикой тех ученых, которые указывали ему на то, что силовая линия - это, строго говоря, геометрический объект, говорить о движении которого просто бессмысленно. Кроме того, в опытах мы имеем дело с заряженными телами, проводниками с током и т. д., а не с абстракциями вроде силовых линий. Поэтому Фарадей должен был показать, что при изучении хотя бы некоторых классов явлений нельзя ограничиться рассмотрением проводников с током и не учитывать окружающее их пространство. Так, в работе, посвященной исследованиям явлений самоиндукции, ни разу не упомянув силовые линии, Фарадей выстраивает рассказ о проделанных им экспериментах таким образом, что читатель постепенно сам приходит к выводу о том, что подлинная причина наблюдаемых явлений - не проводники с током, а нечто, находящееся в окружающем их пространстве.

Поле как предчувствие. Исследования явлений самоиндукции

В 1834 году Фарадей опубликовал девятью часть «Экспериментальных исследований», которая называлась «Об индуктивном влиянии электрического тока на самого себя и об индуктивном действии токов вообще». В этой работе Фарадей исследовал явления самоиндукции, открытые в 1832 году американским физиком Джозефом Генри (1797–1878), и показал, что они представляют частный случай изученных им ранее явлений электромагнитной индукции.

Свою работу Фарадей начинает с описания ряда явлений, состоящих в том, что при размыкании электрической цепи, содержащей длинные проводники или обмотку электромагнита, в точке разрыва контакта возникает искра или ощущается удар током, если контакт разъединяют руками. В то же время, указывает Фарадей, если проводник короткий, то никакими ухищрениями получить искру или электрический удар не удается. Тем самым выяснилось, что возникновение искры (или удара) зависит не столько от силы тока, протекавшего по проводнику до разрыва контакта, сколько от длины и конфигурации этого проводника. Поэтому Фарадей в первую очередь стремится показать, что, хотя исходной причиной искры является ток (если в цепи его не было вообще, то никакой искры, естественно, не будет), сила тока решающего значения не имеет. Для этого Фарадей описывает последовательность экспериментов, в которых длина проводника сначала увеличивается, что приводит к усилению искры, несмотря на ослабление тока в цепи из-за увеличения сопротивления. Затем этот проводник перекручивают так, чтобы ток протекал только через его небольшую часть. Сила тока при этом резко возрастает, но искра при размыкании цепи исчезает. Таким образом, ни проводник сам по себе, ни сила тока в нем не могут рассматриваться как причина искры, величина которой, как выясняется, зависит не только от длины проводника, но и от его конфигурации. Так, при сворачивании проводника в спираль, а также при введении в эту спираль железного сердечника величина искры тоже возрастает.

В продолжение изучения этих явлений Фарадей подключил параллельно месту размыкания контакта вспомогательный короткий проводник, сопротивление которого значительно больше, чем у основного проводника, но меньше, чем у искрового промежутка или у тела человека, размыкающего контакт. В результате искра при размыкании контакта исчезла, а во вспомогательном проводнике возник сильный кратковременный ток (Фарадей называет его экстратоком), направление которого оказалось противоположным направлению тока, который протекал бы через него от источника. «Эти опыты, - пишет Фарадей, - устанавливают существенное различие между первичным, или возбуждающим, током и экстратоком в отношении количества, интенсивности и даже направления; они привели меня к заключению, что экстраток тождествен с описанным мной ранее индуцированным током».

Выдвинув идею о связи изучаемых явлений с явлениями электромагнитной индукции, Фарадей далее поставил ряд остроумных экспериментов, подтверждающих эту идею. В одном из таких экспериментов рядом со спиралью, подключенной к источнику тока, помещалась другая спираль, разомкнутая. При отключении от источника тока первая спираль давала сильную искру. Однако если концы другой спирали замыкались, искра практически исчезала, а во второй спирали возникал кратковременный ток, направление которого совпадало с направлением тока в первой спирали, если цепь размыкали, и было противоположно ему, если цепь замыкали.

Установив связь двух классов явлений, Фарадей смог легко объяснить выполненные ранее опыты, а именно усиление искры при удлинении проводника, сворачивании его в спираль, введении в нее железного сердечника и т. д.: «Если наблюдать индуктивное действие провода длиной в один фут на расположенный рядом провод длиной также в один фут, то оно оказывается очень слабым; но если тот же самый ток пропустить через провод длиной в пятьдесят футов, то он будет индуцировать в соседнем пятидесятифутовом проводе в момент замыкания или размыкания контакта значительно более сильный ток, как будто каждый лишний фут провода вносит нечто в суммарное действие; по аналогии мы заключаем, что такое же явление должно иметь место и тогда, когда соединительный проводник служит одновременно проводником, в котором образуется индуцированный ток». Поэтому, делает вывод Фарадей, увеличение длины проводника, сворачивание его в спираль и введение в нее сердечника усиливает искру. К действию одного витка спирали на другой прибавляется действие размагничивающегося сердечника. При этом совокупность таких действий может и компенсировать друг друга. Например, если сложить вдвое длинный изолированный провод, то из-за противоположности индуктивных действий двух его половин искра исчезнет, хотя в распрямленном состоянии этот провод дает сильную искру. К существенному ослаблению искры приводила и замена сердечника из железа на сердечник из стали, которая размагничивается очень медленно.

Итак, проводя читателя через детальные описания совокупностей проделанных экспериментов, Фарадей, не говоря ни слова о поле, формировал у него, читателя, представление о том, что решающая роль в изучаемых явлениях принадлежит не проводникам с током, а создаваемому ими в окружающем пространстве какому-то состоянию намагниченности, точнее - скорости изменения этого состояния. Однако вопрос о том, существует ли это состояние реально и может ли оно быть предметом экспериментальных исследований, оставался открытым.

Проблема физической реальности силовых линий

Существенный шаг в доказательстве реальности силовых линий Фарадею удалось сделать в 1851 году, когда он пришел к идее обобщения понятия силовой линии. «Магнитную силовую линию, - писал Фарадей, - можно определить как линию, которую описывает небольшая магнитная стрелка, когда ее перемещают в ту или иную сторону по направлению ее длины, так что стрелка все время остается касательной к движению; или, иначе, это та линия, вдоль которой можно в любую сторону перемещать поперечный провод и в последнем не появится никакого стремления к возникновению какого-нибудь тока, между тем как при перемещении его в любом ином направлении такое стремление существует».

Силовая линия, таким образом, определялась Фарадеем на основе двух различных законов (и пониманий) действия магнитной силы: ее механического действия на магнитную стрелку и ее способности (в соответствии с законом электромагнитной индукции) порождать электрическую силу. Это двойное определение силовой линии как бы «материализовало» ее, придавало ей смысл особых, экспериментально обнаруживаемых направлений в пространстве. Поэтому Фарадей назвал такие силовые линии «физическими», полагая, что теперь сможет окончательно доказать их реальность. Проводник в таком двойном определении можно было представить замкнутым и скользящим вдоль силовых линий так, чтобы, постоянно деформируясь, он не пересекал линий. Этот проводник выделил бы некоторое условное «количество» линий, сохраняющихся при их «сгущении» или «разрежении». Такое скольжение проводника в поле магнитных сил без возникновения в нем электрического тока могло бы рассматриваться как экспериментальное доказательство сохранения количества силовых линий при их «распространении», например из полюса магнита, и, тем самым, как доказательство реальности этих линий.

Безусловно, реальный проводник практически невозможно перемещать так, чтобы он не пересекал силовые линии. Поэтому гипотезу о сохранении их количества Фарадей обосновывал иначе. Пусть магнит с полюсом N и проводник abcd расположены так, что могут вращаться по отношению друг к другу вокруг оси ad (рис. 1; рисунок выполнен автором статьи на основе рисунков Фарадея). При этом часть проводника ad проходит через отверстие в магните и имеет свободный контакт в точке d . Свободный контакт сделан и в точке c , так что участок bc может вращаться вокруг магнита, не разрывая электрической цепи, подключенной в точках a и b (тоже посредством скользящих контактов) к гальванометру. Проводник bc при полном повороте вокруг оси ad пересекает все силовые линии, выходящие из полюса магнита N. Пусть теперь проводник вращается с постоянной скоростью. Тогда, сравнивая показания гальванометра при различных положениях вращающегося проводника, например в положении abcd и в положении ab"c"d , когда проводник за полный оборот вновь пересекает все силовые линии, но уже в местах их большей разреженности, можно обнаружить, что показания гальванометра одинаковы. По мнению Фарадея, это свидетельствует о сохранении некоторого условного количества силовых линий, которым можно охарактеризовать северный полюс магнита (чем больше это «количество», тем сильнее магнит).

Вращая в своей установке (рис. 2; рисунок Фарадея) не проводник, а магнит, Фарадей приходит к выводу о сохранении количества силовых линий во внутренней области магнита. При этом в основе его рассуждений лежит предположение о том, что силовые линии не увлекаются вращающимся магнитом. Эти линии остаются «на месте», а магнит вращается среди них. В этом случае ток по величине получается таким же, как при вращении внешнего проводника. Фарадей объясняет этот результат тем, что, хотя внешняя часть проводника не пересекает линий, его внутренняя часть (cd ), вращающаяся вместе с магнитом, пересекает все линии, проходящие внутри магнита. Если же внешнюю часть проводника закрепить и вращать вместе с магнитом, то ток не возникает. Это тоже можно объяснить. Действительно, внутренняя и внешняя части проводника пересекают одно и то же количество силовых линий, направленных в одном направлении, поэтому токи, индуцируемые в обеих частях проводника, компенсируют друг друга.

Из экспериментов следовало, что внутри магнита силовые линии идут не от северного полюса к южному, а наоборот, образуя с внешними силовыми линиями замкнутые кривые, что позволило Фарадею сформулировать закон сохранения количества магнитных силовых линий во внешнем и внутреннем пространствах постоянного магнита: «Этим поразительным распределением сил, которое выявляется с помощью движущегося проводника, магнит в точности походит на электромагнитную катушку как по тому, что силовые линии протекают в виде замкнутых кругов, так и по равенству их суммы внутри и снаружи». Тем самым, понятие «количество силовых линий» получало права гражданства, благодаря чему формулировка закона пропорциональности электродвижущей силы индукции количеству силовых линий, пересекаемых проводником в единицу времени, приобретала физический смысл.

Однако Фарадей признавал, что полученные им результаты не являются окончательным доказательством реальности силовых линий. Для такого доказательства, писал он, надо «установить отношение силовых линий ко времени», т. е. показать, что эти линии могут перемещаться в пространстве с конечной скоростью и, следовательно, могут быть обнаружены какими-либо физическими методами.

Важно подчеркнуть, что проблема «физических силовых линий» не имела для Фарадея ничего общего с попытками непосредственного обнаружения обычных силовых линий. Со времени открытия электромагнитной индукции Фарадей верил, что и обычные силовые линии, и законы электромагнетизма - это проявления каких-то особых свойств материи, ее особого состояния, которое ученый назвал электротоническим. При этом вопрос о сущности этого состояния и его связи с известными формами материи являлся, считал Фарадей, открытым: «Каково это состояние и от чего оно зависит, мы сейчас не можем сказать. Может быть, оно обусловлено эфиром, подобно световому лучу... Может быть, это - состояние напряжения, или состояние колебания, или еще какое-либо состояние, аналогичное электрическому току, с которым так тесно связаны магнитные силы. Необходимо ли для поддержания этого состояния присутствие материи, зависит от того, что понимать под словом «материя». Если понятие материи ограничить весомыми или тяготеющими веществами, тогда присутствие материи столь же мало существенно для физических линий магнитной силы, как для лучей света и теплоты. Но если, допуская эфир, мы примем, что это - род материи, тогда силовые линии могут зависеть от каких-либо ее действий».

Столь пристальное внимание, которое Фарадей уделял силовым линиям, было обусловлено в первую очередь тем, что он видел в них мостик, ведущий в какой-то совершенно новый мир. Однако пройти по этому мостику было трудно даже такому гениальному экспериментатору, как Фарадей. Собственно, эта задача вообще не допускала чисто экспериментального решения. Однако в пространство между силовыми линиями можно было попытаться проникнуть математически. Именно это и сделал Максвелл. Его знаменитые уравнения стали тем инструментом, который позволил проникнуть в несуществующие промежутки между силовыми линиями Фарадея и, в результате, обнаружить там новую физическую реальность. Но это уже другая история - история о Великом Теоретике.

Имеется в виду книга Р. Фейнмана, Р. Лейтона и М. Сэндса «Фейнмановские лекции по физике» (М.: Мир, 1967) (Прим. ред. )
В русском переводе первый том этой книги вышел в 1947 году, второй - в 1951, а третий - в 1959 году в серии «Классики науки» (М.: Издательство АН СССР). (Прим. ред. )
В 1892 году Уильям Томсон был удостоен дворянского титула «лорд Кельвин» за фундаментальные работы в различных областях физики, в частности по прокладке трансатлантического кабеля, связавшего Англию и США.

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".

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, ...

Страница 2

В октябре Фарадей обратился с пространным письмом к своему другу Стодарту. В этом письме он изложил все обстоятельства крайне досадного инцидента s негодованием и горячностью несправедливо обвиненного человека и по пунктам разбил все возведенные на нег обвинения. Стодарт, как и большинство друзей Фарадея считал, что вокруг этого дела не следует создавать лишнего шума. Фарадей сперва был склонен последовать совету своих друзей, но затем отверг все эти сове ты и решил апеллировать непосредственно к благородству и лояльности самого Волластона. «Я полагаю сэр, - писал он Волластону, прося о свидании, - что поврежу себе в ваших глазах, прибегнув к наиболее простым и прямым средствам для выяснения возникшей недоразумения.»…

Переговоры с Волластоном принесли Фарадею, полное удовлетворение, так как первый признал, что ничего предосудительного в действиях молодого ученого не было. Считая, что недоразумение с Волластоном совершенно забыто, Фарадей спокойно продолжал свои исследования, сосредоточив все внимание на вопросах, связанных с явлениями электромагнитного вращения. Особенно интересовала его попытка заставить проволоку по которой течет электрический ток, вращаться под действием земного магнетизма. После ряда опытов старания Фарадея увенчались успехом. Как и во всех случаях, когда он ставил перед собой какую-либо задачу, oн страстно и упорно добивался цели. И когда, наконец ему в последних числах декабря 1821 г. удалось получить желаемый результат, он с чисто детским восторгом радовался своему успеху. Шурин Фарадея, Джорж Барнард, присутствовавший как раз в это время в лаборатории, рассказывал, что когда проволока начала вра­щаться, то Фарадей взволнованно воскликнул: «Ты ви­дишь, ты видишь, ты видишь, Джордж!». «Никогда, - подчеркивает Джордж, - не забуду я энтузиазма, вы­ражавшегося на его лице, и блеска его глаз».

Этот эксперимент оказался исключитеольно важным для практического применения электричества. Фарадей впервые осуществил непррывное превращение электрической энергии в механическую. Именно 1821 г. надо считать годом возникновения электродвигателя., как устройства, превращающего энергию электрическую в механическую. Возникновение электродвигателей связано с именем Фарадея: он выяснил их физические основы тем самым раскрыл неограниченные просторы для технического творчества многочисленных изобретателей, создавших современные электрические машины.

В литературе принято делить научное творчество Фарадея на три периода.

Второй, это-период знаменитых «Опытных исследований по электричеству», т. е. время с 1830-го по 1840-3 год, когда вследствие расстройства здоровья Фарадея его научное творчество приостанавливается на четыре года.

И, наконец, третий период начинается с 1844 г. когда Фарадей, оправившись от недуга, снова приступил к работе.

Самым знаменательным событием первого периоды было несомненно, открытие явления электромагнитного вращения. Но за первые пятнадцать лет своей научной деятельности Фарадей обогатил науку и рядом другие открытий и ценных исследованию. К концу 1830 г. опубликовал до 60 оригинальных работ, не считая множества заметок и мелких сообщений.

В 1825 г. Фарадей был назначен директором лаборатории Королевского института.

Но важнейшим этапом достижения связанные с именем Фарадея относятся ко второму периоду его деятельности, связанному с « Опытными исследованиями по электричеству»

Как уже было сказано, мысль об обратимости явления Эрстеда зародилась у Фарадея еще в 1822 г С тех пор он, не переставая, думал над этой проблемой. Говорили, что он носил в жилетном кармане маленький магнит, который должен был напомнить ему о поставлена себе задаче - превратить магнетизм в электричество.

Хотя 1822- 1831 гг. были полны кипучей научной деятельности в самых различных областях, тем не менее записной книжке Фарадея мы тогда же находим описание опытов «для получения электричества от магнетизма», правда, неизменно заканчивавшихся выводом: «безрезультатно».

Плодотворные результаты были достигнуты только в 1831 г. Летом этого года Фарадей стал усиленно обдумывать свою идею. Он решил отстраниться от всяко другой работы и все внимание посвятить новым экспериментам. В июле, получил снова предложение от Совета Королевского общества заняться оптическим стеклом, он ответил отказом и целиком занялся, как он это отмечал в лабораторном журнале, «опытом для получения электричества от магнетизма».

Решающим днем опытов было 17 октября 1831 г. Опыты этого дня завершились получением электрическо­го тока от приближения магнита к проводнику (прово­локе). Это и было собственно центральным моментом во всей серии опытов: задача «превратить магнетизм в электричество» была разрешена.

Все неудачи, которые Фарадей терпел до этого вре­мени, объясняются тем, что в опытах и магнит и про­водник оставались в состоянии покоя. Как говорит Сильванус Томпсон (один из биографов Фарадея), маг­нит мог лежать близ проводника преспокойно сто лет и никакого действия не произвел бы. «Цилиндрический по­лосовой магнит, - гласит запись этого дня, - диаметром в три четверти дюйма и длиной в восемь с половиной дюймов одним концом был вставлен в конец цилиндра с соленоидом (Рис. 2), затем он был быстро внесен

Рис. 2. Соленоид и цилиндрический магнит (схематическое изображение)

внутрь во всю свою длину, и стрелка гальванометра от­клонилась; далее он был удален, и стрелка снова откло­нилась, но в противоположном направлении. Этот эф­фект повторялся каждый раз, когда магнит вносили или удаляли. Из этого следует, что волна электричества со­здавалась от простого приближения магнита, а не от его нахождения in situ2».

Из дальнейшего наибольший интерес представляют опыты, относящиеся к 28 октября 1831 г. Эта дата мо­жет считаться днем рождения прототипа современных динамо-машин - так называемого «медного диска Фарадея. В его записной книжке отмечено, что он «заставил медный диск вращаться между полюсами подковообразного магнита Королевского общества. Ось и край диска были соединены с гальванометром. Стрелка отклонялась, как только диск начинал вращаться».

Исключительно напряженная работа была проделана менее, чем в полтора месяца. Верный своему методу начав работу, довести ее до конца и опубликовать, Фарадей привел в систему все полученные им данные и составил доклад для Королевского общества, который и был им прочитан 24 ноября 1831 г. Этот доклад послу-

Фиг. 3. Медный диск Фарадея (собственноручный рисунок Фарадея).

жил основанием первой серии знаменитых «Опытных ис­следований по электричеству».

Заметим что в первых двух опытах о гальванометре не упоминается, появление индуцированного тока Фарадей наблюдал по отклонению магнитной стрелки, а уже в опыте с медным диском «ось и край диска были соединены с гальванометром»

Гальванометр Фарадей изготовил сам, вот так его описал сам автор.

«гальванометр был изготовлен примитивно, но все же был достаточно чувствителен в отношении своих показаний. Провод был медный с шелковой изоляцией, и содержал 16 или 18 витков. Две швейные иглы были намагничены и пропущены через высушенную соломинку параллельно одна другой. Эта система была подвешена на волокне из сученого шелка, так чтобы нижняя игла находилась внутри витков многократно намотанного провода, а верхняя под ними. Последняя являлась более сильным магнитом и давала устройству ориентировку относительно земли. На рис. 4 показано направление провода и игл, когда был помещен в магнитный меридиан. Для удобства дальнейших ссылок концы проводов отмечены буквами А и В, буквы S и N обозначают южный и северный концы иглы, когда на нее действует только земной магнетизм. Коней иглы N является, следовательно, отмеченным полюсом. Весь прибор был защищен стеклянной банкой; его положение и расстояние относительно большого магнита было такое же, как раньше.