Майкл фарадей что он открыл. Майкл фарадей открытия

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.

Награды и премии
Бейкеровская лекция (1829, 1832, 1849, 1851, 1857)
Медаль Копли (1832, 1838)
Королевская медаль (1835, 1846)
Медаль Румфорда (1846)
Медаль Альберта (Королевское общество искусств) (1866)

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

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

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

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

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

Лаборант Королевского института (1812-1815)

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

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

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

Путь в науку (1815-1821)

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

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

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

Создание электродвигателя. Научная известность (1821-1830)

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

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

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

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

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

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

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

Исследование электромагнетизма (1831-1840)

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

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

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

Последние годы (1840-1867)

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

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

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

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

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

Научная деятельность

Исследования по электромагнетизму

Электромагнитная индукция

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

  Фарадеевская модель электромагнитного поля

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

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

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

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

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

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

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

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

  «Экспериментальные исследования по электричеству»

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

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

  Другие работы по электромагнетизму

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

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

  Химия

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

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

  Электрохимия и магнитохимия

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

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

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

>Биографии известных людей

Краткая биография Майкла Фарадея

Майкл Фарадей – английский физик-экспериментатор и химик, основоположник учения об электромагнитном поле. Майклу Фарадею принадлежит ряд значимых открытий в области физики. Среди них, электромагнитная индукция, первый электродвигатель, первый трансформатор, законы электролиза, диамагнетизм и многие другие научные открытия. Ученый родился 22 сентября 1791 года в поселке близ Лондона в семье кузнеца. Помимо Майкла в семье было ещё четыре ребенка. Так как семья жила в нужде, уже в возрасте 13 лет он вынужден был оставить школу и подрабатывать рассыльным в книжном магазине. Несмотря на то, что ему не хватало систематического образования, мальчик рано пристрастился к чтению научных книг. В особенности его увлекали книги с опытами по химии и физике, которые он старался повторить.

Удача улыбнулась Майклу, когда его пригласили послушать лекции при Королевском институте.­ Во время лекций он внимательно слушал и записывал идеи профессора Дэви. Позже он отправил ему письмо с прошением о работе и приложил эти записи. Через несколько месяцев его просьба была удовлетворена, и он был принят лаборантом в Королевский институт. Его основной обязанностью было помогать профессорам. В 1813 году в качестве помощника профессора он отправился в длительное путешествие по научным центрам Европы. Там он познакомился со многими выдающимися учеными, которые обратили внимание на талант юноши. Когда он вернулся в Англию, его повысили в должности.

В 1816 году вышел в свет его первый печатный труд. В 1820 году после нескольких опытов он открыл нержавеющую сталь, что тогда не заинтересовало ученых. Также, он начал трудиться над объединением электричества и магнетизма. В 1821 году он женился на Саре Бернар, с которой прожил долгие и счастливые годы. Своих детей и четы не было, но они воспитывали маленькую племянницу Джейн, которая осталась сиротой. В 1824 году Фарадей стал членом Лондонского королевского общества. В последующие годы он работал над законами электромагнитной индукции. В 1833 году он сформулировал законы электролиза, известные также как «Законы Фарадея». Явления диамагнетизма и парамагнетизма были открыты ученым в 1850-е годы. По мнению Эйнштейна это было важнейшим открытием в физике со времен Ньютона. Майкл Фарадей умер в августе 1867 года в Лондоне в своем доме за письменным столом.

ФАРАДЕЙ (Faraday ) Майкл (1791-1867), английский физик, основоположник учения об электромагнитном поле, иностранный почетный член Петербургской АН (1830). Обнаружил химическое действие электрического тока, взаимосвязь между электричеством и магнетизмом, магнетизмом и светом. Открыл (1831) электромагнитную индукцию - явление, которое легло в основу электротехники. Установил (1833-34) законы электролиза, названные его именем, открыл пара- и диамагнетизм, вращение плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея). Доказал тождественность различных видов электричества. Ввел понятия электрического и магнитного поля, высказал идею существования электромагнитных волн.

Фарадей (Faraday ) Майкл (22 сентября 1791, Лондон - 25 августа 1867, там же), английский физик, основоположник современной концепции поля в электродинамике, автор ряда фундаментальных открытий, в том числе закона электромагнитной индукции, законов электролиза, явления вращения плоскости поляризации света в магнитном поле, один из первых исследователей воздействия магнитного поля на среды.

Детство и юность

Фарадей родился в семье кузнеца. Кузнецом был и его старший брат Роберт, всячески поощрявший тягу Майкла к знаниям и на первых порах поддерживавший его материально. Мать Фарадея, трудолюбивая, мудрая, хотя и необразованная женщина, дожила до времени, когда ее сын добился успехов и признания, и по праву гордилась им.

Скромные доходы семьи не позволили Майклу окончить даже среднюю школу, и тринадцати лет он поступил учеником к владельцу книжной лавки и переплетной мастерской, где ему предстояло пробыть 10 лет. Все это время Фарадей упорно занимался самообразованием - прочитал всю доступную ему литературу по физике и химии, повторял в устроенной им домашней лаборатории опыты, описанные в книгах, посещал по вечерам и воскресеньям частные лекции по физике и астрономии. Деньги (по шиллингу на оплату каждой лекции) он получал от брата. На лекциях у Фарадея появились новые знакомые, которым он писал много писем, чтобы выработать ясный и лаконичный стиль изложения; он также старался овладеть приемами ораторского искусства.

Начало работы в Королевском институте

Один из клиентов переплетной мастерской, член Лондонского королевского общества Дено, заметив интерес Фарадея к науке, помог ему попасть на лекции выдающегося физика и химика Г. Дэви в Королевском институте. Фарадей тщательно записал и переплел четыре лекции и вместе с письмом послал их лектору. Этот "смелый и наивный шаг", по словам самого Фарадея, оказал на его судьбу решающее влияние. В 1813 Дэви (не без некоторого колебания) пригласил Фарадея на освободившееся место ассистента в Королевский институт, а осенью того же года взял его в двухгодичную поездку по научным центрам Европы. Это путешествие имело для Фарадея большое значение: он вместе с Дэви посетил ряд лабораторий, познакомился с такими учеными, как А. Ампер, М. Шеврель, Ж. Л. Гей-Люссак, которые в свою очередь обратили внимание на блестящие способности молодого англичанина.

Первые самостоятельные исследования. Научные публикации

После возвращения в 1815 в Королевский институт Фарадей приступил к интенсивной работе, в которой все большее место занимали самостоятельные научные исследования. В 1816 он начал читать публичный курс лекций по физике и химии в Обществе для самообразования. В этом же году появляется и его первая печатная работа.

В 1821 в жизни Фарадея произошло несколько важных событий. Он получил место надзирателя за зданием и лабораториями Королевского института (т. е. технического смотрителя) и опубликовал две значительные научные работы (о вращениях тока вокруг магнита и магнита вокруг тока и о сжижении хлора). В том же году он женился и, как показала вся его дальнейшая жизнь, был весьма счастлив в браке.

В период до 1821 Фарадей опубликовал около 40 научных работ, главным образом по химии. Постепенно его экспериментальные исследования все более переключались в область электромагнетизма. После открытия в 1820 Х. Эрстедом магнитного действия электрического тока Фарадея увлекла проблема связи между электричеством и магнетизмом. В 1822 в его лабораторном дневнике появилась запись: "Превратить магнетизм в электричество". Однако Фарадей продолжал и другие исследования, в том числе в области химии. Так, в 1824 ему первому удалось получить хлор в жидком состоянии.

Избрание в Королевское общество. Профессура

В 1824 Фарадей был избран членом Королевского общества, несмотря на активное противодействие Дэви, отношения с которым стали у Фарадея к тому времени довольно сложными, хотя Дэви любил повторять, что из всех его открытий самым значительным было "открытие Фарадея". Последний также воздавал должное Дэви, называя его "великим человеком".

Спустя год после избрания в Королевское общество Фарадея назначают директором лаборатории Королевского института, а в 1827 он получает в этом институте профессорскую кафедру.

Закон электромагнитной индукции. Электролиз

В 1830, несмотря на стесненное материальное положение, Фарадей решительно отказывается от всех побочных занятий, выполнения любых научно-технических исследований и других работ (кроме чтения лекций по химии), чтобы целиком посвятить себя научным изысканиям. Вскоре он добивается блестящего успеха: 29 августа 1831 открывает явление электромагнитной индукции - явление порождения электрического поля переменным магнитным полем. Десять дней напряженнейшей работы позволили Фарадею всесторонне и полностью исследовать это явление, которое без преувеличения можно назвать фундаментом, в частности, всей современной электротехники. Но сам Фарадей не интересовался прикладными возможностями своих открытий, он стремился к главному - исследованию законов Природы. Открытие электромагнитной индукции принесло Фарадею известность. Но он по-прежнему был очень стеснен в средствах, так что его друзья были вынуждены хлопотать о предоставлении ему пожизненной правительственной пенсии. Эти хлопоты увенчались успехом лишь в 1835. Когда же у Фарадея возникло впечатление, что министр казначейства относится к этой пенсии как к подачке ученому, он направил министру письмо, в котором с достоинством отказался от всякой пенсии. Министру пришлось просить извинения у Фарадея.

В 1833-34 Фарадей изучал прохождение электрических токов через растворы кислот, солей и щелочей, что привело его к открытию законов электролиза. Эти законы (Фарадея законы) впоследствии сыграли важную роль в становлении представлений о дискретных носителях электрического заряда. До конца 1830-х гг. Фарадей выполнил обширные исследования электрических явлений в диэлектриках.

Болезнь Фарадея. Последние экспериментальные работы

Постоянное огромное умственное напряжение подорвало здоровье Фарадея и вынудило его в 1840 прервать на пять лет научную работу. Вернувшись к ней вновь, Фарадей в 1848 открыл явление вращения плоскости поляризации света, распространяющегося в прозрачных веществах вдоль линий напряженности магнитного поля (Фарадея эффект). По-видимому, сам Фарадей (взволнованно написавший, что он "намагнитил свет и осветил магнитную силовую линию") придавал этому открытию большое значение. И действительно, оно явилось первым указанием на существование связи между оптикой и электромагнетизмом. Убежденность в глубокой взаимосвязи электрических, магнитных, оптических и других физических и химических явлений стала основой всего научного миропонимания Фарадея.

Другие экспериментальные работы Фарадея этого времени посвящены исследованиям магнитных свойств различных сред. В частности, в 1845 им были открыты явления диамагнетизма и парамагнетизма.

В 1855 болезнь вновь заставила Фарадея прервать работу. Он значительно ослабел, стал катастрофически терять память. Ему приходилось записывать в лабораторный журнал все, вплоть до того, куда и что он положил перед уходом из лаборатории, что он уже сделал и что собирался делать далее. Чтобы продолжать работать, он должен был отказаться от многого, в том числе и от посещения друзей; последнее, от чего он отказался, были лекции для детей.

Значение научных трудов

Даже далеко не полный перечень того, что внес в науку Фарадей, дает представление об исключительном значении его трудов. В этом перечне, однако, отсутствует то главное, что составляет громадную научную заслугу Фарадея: он первым создал полевую концепцию в учении об электричестве и магнетизме. Если до него господствовало представление о прямом и мгновенном взаимодействии зарядов и токов через пустое пространство, то Фарадей последовательно развивал идею о том, что активным материальным переносчиком этого взаимодействия является электромагнитное поле. Об этом прекрасно написал Д. К. Максвелл, ставший его последователем, развивший далее его учение и облекший представления об электромагнитном поле в четкую математическую форму: "Фарадей своим мысленным оком видел силовые линии, принизывающие все пространство. Там, где математики видели центры напряжения сил дальнодействия, Фарадей видел промежуточный агент. Где они не видели ничего, кроме расстояния, удовлетворяясь тем, что находили закон распределения сил, действующих на электрические флюиды, Фарадей искал сущность реальных явлений, протекающих в среде".

Точка зрения на электродинамику с позиций концепции поля, основоположником которой был Фарадей, стала неотъемлемой частью современной науки. Труды Фарадея ознаменовали наступление новой эры в физике.

Фарадей Майкл (1791-1867), английский физик, основоположник учения об электромагнитном поле .

Родился 22 сентября 1791 г. в Лондоне в семье кузнеца. Рано начал работать в переплётной мастерской, где увлёкся чтением. Майкла потрясли статьи по электричеству в «Британской энциклопедии»: «Беседы по химии» мадам Марсэ и «Письма о разных физических и философских материях» Л. Эйлера. Он тут же постарался повторить описанные в книгах опыты.

Талантливый юноша привлёк к себе внимание, и его пригласили послушать лекции в Королевском институте Великобритании. Через некоторое время Фарадей стал работать там лаборантом.

С 1820 г. он упорно трудился над идеей объединения электричества и магнетизма. Впоследствии это стало делом всей жизни учёного. В 1821 г. Фарадей впервые осуществил вращение магнита вокруг проводника с током и проводника с током вокруг магнита, т. е. создал лабораторную модель электродвигателя.

В 1824 г. он был избран членом Лондонского королевского общества. В 1831 г. учёный обнаружил существование электромагнитной индукции, в последующие годы установил законы этого явления. Открыл также экстратоки при замыкании и размыкании электрической цепи, определил их направление.

Опираясь на экспериментальный материал, доказал тождественность «животного» и «магнитного» термоэлектричества, электричества от трения, гальванического электричества. Пропуская ток через растворы щелочей, солей, кислот, сформулировал в 1833 г. законы электролиза (законы Фарадея). Ввёл понятия «катод», «анод», «ион», «электролиз», «электрод», «электролит». Сконструировал вольтметр.

В 1843 г. Фарадей экспериментально доказал идею сохранения электрического заряда и вплотную подошёл к открытию закона о сохранении и превращении энергии, высказав мысль о единстве сил природы и об их взаимном превращении.

Создатель учения об электромагнитном поле, учёный высказал мысль об электромагнитной природе света (мемуары «Мысли о лучевых колебаниях», 1846 г.).

В 1854 г. открыл явление диамагнетизма, а три года спустя - парамагнетизма. Положил начало магнитооптике. Ввёл понятие электромагнитного поля. Эта идея, по мнению А. Эйнштейна, была самым важным открытием со времён И. Ньютона.

Фарадей жил скромно и тихо, предпочитая всему занятия опытами.

Умер 25 августа 1867 г. в Лондоне. Прах покоится на лондонском Хайгетском кладбище. Идеи учёного до сих пор ждут нового гения