Основоположник
вчення про електромагнітне поле
Шнейберг Ян
Ніколи з часів Галілея світ не бачив настільки вражаючих
і різноманітних відкриттів, які вийшли з однієї голови, і навряд чи скоро побачить іншого
Фарадея.
А.Г. Столетов
Коли в родині бідного лондонського коваля Джемса Фарадея
народився син, названий Майклом, ніхто й уявити не міг, що цей хлопчик, не
мав можливості навіть закінчити початкову школу, стане всесвітньо відомим вченим.
Членом 97 академій та наукових товариств, у тому числі почесним членом Петербурзької
академії наук!
Майкл народився 22 вересня 1791 в дружній сім'ї, де
з дитинства прищеплювати любов до праці і скромність. Батько Фарадея помер рано, а мати,
проста неосвічена жінка, дожив до глибокої старості, застала ті щасливі
дні, коли її улюбленець - молодший син - отримав всесвітню популярність вченого.
Заробіток батька був вельми убогим, порції хліба за обідом
ставали все менше. Коштів для навчання дітей не вистачало, і батьки були змушені
віддати старшого брата в учні до коваля, а 14-річного Майкла - до власника книжкової
лавки і палітурні майстерні. Хто знає, потрап Майкл в навчання до шевця або
кравця, навряд чи він з раннього дитинства полюбив би книги.
Спочатку Майкл був рознощиком газет, а рік по тому його стали
навчати палітурному справі. Він захоплюється читанням книг, тим більше, що господар майстерні,
відзначаючи його спритність і працьовитість, всіляко заохочує це захоплення.
Одного разу в майстерню принесли три маленьких томика «Хімічні
бесіди », популярно і цікаво написаних швейцарської письменницею Морс. Майкл
буквально проковтнув ці книжки і відтворив викладені в них найпростіші хімічні
досліди. Можливо, з цих дослідів і починається біографія видатного винахідника.
Коли в майстерню принесли багатотомне видання «Британської
енциклопедії »(кожен том вагою майже півпуда), Майкл уважно прочитав статтю
про електрику і надзвичайно захопився цією таємничою силою природи. Він почав
демонструвати співробітникам і відвідувачам майстерні цікавий досвід з електризації
палички сургучу, натираємо суконної ганчірочкою. Потім, використовуючи що були під руками
інструменти та підручні матеріали, він по малюнку в «Енциклопедії» спорудив вельми
ефективну електричну машину, яка приводила у захват усіх, хто її спостерігав.
Шістнадцятирічний винахідник дуже пишався своїм створенням, тим більше що в процесі
її виготовлення йому довелося працювати не тільки руками, але і головою, спрощуючи і
замінюючи деякі деталі машини.
Молодий Фарадей все більше відчуває недостатність своїх
знань і починає регулярно відвідувати загальноосвітні лекції з фізики та астрономії.
Оплачувати лекції йому допомагає брат, а оволодівати знаннями - друзі. З їхньою допомогою
він навчився грамотно писати і чітко висловлювати свої думки.
Життєвий шлях Майкла Фарадея - чудовий приклад дивовижної
спраги знання, працьовитості, невтомній наполегливості у подоланні труднощів, неізбежадея
було знайомство з видатним англійським вченим Хемфрі Деві. Його запросив на лекцію
знаменитого фізика і хіміка в Королівському інституті один з відвідувачів палітурній
майстерні, великий любитель хімії. Ці чотири останніх лекції Деві вирішили долю
Майкла. Він був, можливо, одним із самих уважних слухачів, а супроводжували
лекцію експерименти викликали у нього захоплення.
Майклу здавалася нездійсненною мрія зайнятися науковою роботою.
За порадою того ж знайомого Фарадей посилає Деві лист разом з конспектами лекцій,
акуратно переплетеними в окремий зошит. Незабаром приходить відповідь. Деві відзначає
його конспекти, які виявляють «велика старанність, увага і силу пам'яті». «Я буду
радий, якщо зможу бути Вам корисний », - пише Деві. Важко уявити хвилювання, яке
випробував Фарадей, перечитуючи листа.
Наприкінці січня 1813 Майкл вперше зустрівся з Деві,
а 1 березня отримав від нього запрошення зайняти місце лаборанта в лабораторії Королівського
інституту. При цьому Деві попередив Фарадея про нелегкий шлях вченого, намагаючись розсіяти
ілюзії ще недосвідченого юнака. Незабаром Фарадей переконався в справедливості цього попередження.
Він не тільки виконував обов'язки лаборанта, але був по суті і служителем, і
лакеєм, у тому числі й у леді Деві. А коли наприкінці 1813-го Деві з дружиною поїхали до
подорож по Європі, то взяли з собою Фарадея як лакея і слуги.
Під час подорожі Фарадей познайомився з такими відомими
вченими, як Ампер, Вольта, Гумбольт, Гей-Люссак. Ці зустрічі помітно збагатили
пізнання Фарадея і зміцнили його бажання зайнятися самостійними науковими дослідженнями.
З 1815 року він допомагає Деві в проведенні хімічних експериментів, незабаром публікуються
його перші наукові статті з хімії, він залучається до редагування наукового журналу,
читає лекції в організованому ним філософському суспільстві, об'єднує молодих людей
з бідних сімей, які цікавляться досягненнями науки.
Зоряним часом у творчості Фарадея, мабуть, потрібно
вважати момент, коли він дізнався про надзвичайно цікавому відкритті датського фізика
Г.Х. Ерстеда - дії електричного струму на магнітну стрілку. За образним висловом
одного з учених, з тих пір електромагнетизм привернув до себе не тільки залізо, але
і думки найвидатніших європейських фізиків.
У серпні 1820 Деві ознайомив Фарадея з тристорінковий
доповіддю Ерстеда. Вони разом повторили досліди датського фізика, і з тих пір майже
всі найважливіші дослідження Фарадея, що принесли йому світову славу, були пов'язані з
вивченням електромагнітних явищ.
У досвіді Ерстеда спостерігалося принципово нове явище:
вже не було звичного притягає і відштовхуючого дії «електричної сили»; магнітна стрілка компаса поверталася і ставала
поперек дроти з струмом.
Фарадей докладно знайомиться з відкриттями в області електромагнетизму,
зробленими в 1820 році французькими вченими Ампером, Араго, Біо і Саварен. Закон
про взаємодію струму і магн обертальний характер руху провідника щодо
магніту і магніту щодо провідника.
Виявивши неабиякі здібності експериментатора, Фарадей
в 1821 році вперше створює оригінальний прилад, в якому цей закон отримав наочне
підтвердження (рис. 1). При підключенні до джерела струму в лівому посудині з ртуттю
рухомий магніт обертався навколо нерухомого дроти, а у правому - рухливий провідник
обертався навколо нерухомого магніту.
Над своїм приладом Фарадей, за його визнанням, «довго ламав
собі голову ... навіть ночами прокидався і думав ».
Цей експеримент наочно ілюстрував можливість побудови
електродвигуна.
На думку одного з біографів, «... одне лише відкриття Фарадеєм
«Електромагнітного обертання» принесло йому світову популярність ... Цього було достатньо,
для того, щоб зайняти чільне місце і в науковому світі того часу, і в історії науки ».
Фарадей опублікував у науковому журналі Королівського товариства статтю з історичним
оглядом явищ електромагнетизму. Після створення приладу він написав ще одну статтю
по електромагнетизму «Про нові електромагнітних рухах».
У тому ж 1821-м Фарадей записує у своєму щоденнику чудові
слова: «Перетворити магнетизм в електрику». Така новаторська наукова проблема
могла бути сформульована тільки неабияким дослідником, глибоко розумів
складні взаємозв'язки і взаємоперетворення різних сил природи. Такі матеріалістичні
подання лежали в основі філософського світогляду Фарадея ще задовго до
відкриття закону збереження і перетворення енергії.
Дійсно, досягнення науки і практики, добре відомі
Фарадею, переконливо підтверджували його віру в «єдність сил природи» (термін «енергія»
в той час ще не вживався): взаємне перетворення теплової та механічної, електричної
та хімічної енергій. Ось як писав про це у своєму щоденнику Фарадей: «Усі сили
природи в основі своїй єдині. Тепло, розширюючи пар у парової машини, перетворюється
в механічний рух.
Механічне рух, як, наприклад, обертання колеса,
зупинений тертям гальма, переходить назад в тепло, нагріваючи гальмо і колесо.
Такий взаємний перехід повинен безсумнівно існувати також між електрикою
і магнетизм ». Так, якщо електричний струм створює магнітне поле, то можна припустити
існування зворотного процесу: магнетизм перетворюється в електрику.
Ось таким вражаючим для свого часу науковим передбаченням,
заснованим на міцному фундаменті знань, володів Фарадей. І запис у його щоденнику
з'явилася не випадково. Але треба було десять (!) Років наполегливої праці, щоб
практично вирішити поставлене завдання.
Назва Фарадея вже стало відомим у вчених колах, але він
невпинно займався самоосвітою: вивчав праці знаменитих фізиків і хіміків.
І хоча більшу частину часу він присвячував вивченню електромагнітних явищ, йому
на відміну від Деві вдалося в 1823 році вперше отримати жідкійка, який все більше
переконувався в обдарованості і талант молодого вченого.
Колеги Фарадея виступили з пропозицією обрати його в
члени Лондонського Королівського товариства, президентом якого був Деві. Спочатку
він різко заперечував проти обрання Фарадея: ніяк не міг змиритися з думкою, що
його колишній лакей і учень буде удостоєний найвищого наукового звання. Однак під впливом
ряду вчених Деві дав згоду на проведення виборів. 8 січня 1824
Фарадей обирається членом Королівського товариства. Як пишуть
біографи Фарадея, в баллотіровочном ящику виявився лише одна чорна куля «і Фарадей
ніколи не дізнався, голосував Деві за чи проти його обрання ». Але в колі друзів
Деві любив повторювати, що серед його важливих для науки відкриттів найбільшим
було «відкриття Фарадея».
У 1827 році Фарадей отримав «професорську кафедру» у Королівському
інституті. Його лекції викликали загальний інтерес. Але чим би не займався Фарадей,
всі його думки були щодо «перетворення магнетизму в електрику».
Розповідають, що він носив у кишені невелику спіраль
з мідного дроту і тонкий залізний брусок, нерідко діставав цю своєрідну
модель електромагніту і встановлював деталі в різноманітні положення. Багато друзів
і колеги вважали його диваком. Фарадею не давала спокою думка про фізичної сутності
явища, описаного в 1824 році французьким ученим Араго і названого ним «магнетизмом
обертання ».
Магнітна стрілка компаса, поміщена в мідну коробку
з мідною кришкою (мідь - немагнітних матеріал), при повороті кришки поверталася
в тому ж напрямку. При нерухомій кришці стрілка залишалася також нерухомою.
Навіть великий Ампер не міг пояснити це явище.
Протягом довгих десяти років день за днем Фарадей ставив
досвід по досвід, ретельно записуючи їх в лабораторний журнал. Дослідів були тисячі,
але «збудження електрики за допомогою магнетизму» досягти не вдавалося.
29 серпня 1831 - пам'ятний день не тільки в житті
Фарадея, але і в історії науки.
У першому експерименті на дерев'яну або картонну котушку
була намотана мідний дріт, між її витками - другий дріт, ізольована
від першого бавовняної ниткою (рис. 2). Одна з спіралей поєднувалася з гальванометром,
інша - з сильною батареєю з 100 пар пластин. При замиканні і розмиканні електричної
ланцюга стрілка гальванометра слабо відхилялася. Але при безперервному проходженні струму
через перший спіраль гальванометр залишався нерухомим.
Очевидно, у вторинній ланцюга виникав струм. Але чому тільки
при замиканні і розмиканні первинної ланцюга? А які властивості цього струму? Помістивши
всередину спіралі, включеної у вторинну ланцюг, сталеву голку, Фарадей виявив,
що вона намагнічується індуктірованним струмом. Отже, цей струм має
ті ж властивості, що й ток, отриманий від гальванічної батареї.
Але чому все-таки стрілка гальванометра нерухома, коли
струм проходить по першій спіралі і навіть нагріває ик, а великий експериментатор залишався
наодинці зі своїми сумнівами.
Було очевидно, що, оскільки спіралі між собою електрично
не з'єднані, перший діє на друге через їх навколишнє середовище. Природно
було передбачити, як вплине на відхилення стрілки гальванометра заміна дерев'яної
котушки залізним кільцем? Адже залізо легко намагнічується струмом (рис. 3).
Виявилося, що стрілка відхиляється на більший кут, т.
тобто середу, навколишнє провідник зі струмом, відіграє активну роль і може посилювати явище
індукції.
Відзначимо, до речі, що в досліді з залізним кільцем і двома
спіралями можна побачити прообраз найпростішої конструкції трансформатора.
Прагнучи з'ясувати причину виникнення індукційного струму
тільки при замиканні і розмиканні первинного ланцюга, Фарадей намагався логічно представити
фізичний процес цього явища. При замиканні і розмиканні ланцюга виникало й зникало
магнітне поле, що створюється струмом. Іншими словами, відбувалася зміна магнітного
стану середовища, що оточувала первинну і вторинну спіралі. Але ж магнітне стан
середовища можна отримати і без електричного струму, застосовуючи звичайні стрижневі
постійні магніти.
Цей досвід Фарадей здійснив 24 вересня 1831. Він
обмотав залізний циліндр мідної ізольованою дротом, з'єднавши її кінці з гальванометром.
Циліндр був поміщений між двома постійними стрижневими магнітами, які внизу
стикалися різнойменними полюсами (мал. 4а). При змиканні і розмиканні-решт
магнітів стрілка гальванометра відхилялася. Це явище Фарадей назвав уже «магнітно-електричної»,
а не «вольта-електричної індукцією». Пізніше він підкреслив, що принциповою
різниці між цими явищами немає, і запропонував назву «електромагнітна індукція».
Проходить більше двох тижнів, і 17 жовтня 1831 Фарадей
ставить найпереконливіший експеримент, що дає пряму відповідь на поставлене завдання.
Якщо зміна магнітного поля, викликане розмиканням і замиканням магнітів, збуджує
в котушці струм, то це зміна можна викликати ще більш просто.
На картонну котушку була намотана спіраль з мідного дроту,
з'єднувала кінці з гальванометром (мал. 4б). Фарадей взяв циліндричний магнітний
брусок і далі, пише він у своєму журналі, «... швидким рухом вштовхнув магніт
всередину спіралі на всю його довжину, і стрілка гальванометра відчула поштовх. Потім
я так само швидко витяг магніт ... і стрілка хитнувся, але в протилежний бік.
Ці гойдання стрілки повторювалися кожного разу, як магніт вштовхують або виштовхує.
Це означає, що електрична хвиля виникає тільки при русі магніту, а не
в силу властивостей, притаманних йому в спокої ».
Отже, «магнетизм перетворювався на електрику» - геніальна
гіпотеза вченого було переконливо підтверджено!
А через кілька днів Фарадей здійснює ще один експеримент,
за допомогою якого наочно пояснює явище, відкрите Араго, і показує можливість
егніта вищеописаним чином, я вважаю, що досвід пана Араго може стати новим джерелом
одержання електричної енергії, і сподівався, що ... мені вдасться сконструювати електричну
машину »(курсив Фарадея). Дослід полягав у наступному. Фарадей приніс у лабораторію
великий підковоподібних електромагніт, що зберігається до цих пір в музеї Лондонського
Королівського товариства (рис. 5). До полюсів магніту він прикріпив «два сталевих бруска»
і в проміжок між ними ввів край мідного диска. Край диска і його ось були з'єднані
за допомогою щіток з гальванометром. При обертанні диска стрілка гальванометра «показувала
наявність у ньому електричного струму », причому стрілка відчувала не миттєвий поштовх,
а весь час перебувала в відхиленому положенні, поки диск обертався. Це був перший
у світі електромашинні генератор ( «диск Фарадея»), що отримав пізніше назву уніполярності
генератора. З нього починається історія електричних машин.
Дія свого генератора Фарадей пояснював так: мідний
диск можна представити у вигляді колеса з нескінченно великим числом спиць - радіальних
провідників. При обертанні диска ці спиці-провідники перетинають магнітні силові
лінії, у них виникає індуктивний струм.
Створення першого електромашинні генератора зумовило
зародження і подальший бурхливий розвиток не тільки електротехніки, а й багатьох інших
галузей науки і техніки, пов'язаних з електромагнітними явищами, в тому числі радіотехніки
та електрозв'язку.
Ще в 90-х роках XIX століття відомий сербський вчений Н.
Тесла збудував кілька типів електричних генераторів високої частоти. У Росії
перший високочастотний генератор, використаний для одержання радіохвиль, був створений
в 1912 році майбутнім членом-кореспондентом АН СРСР В.П. Вологдина. У 1922-му він
створив високочастотний генератор потужністю 150 кВт і частотою 15 кГц, який був
використаний для здійснення радіозв'язку між Москвою і Нью-Йорком в 1925 році.
Широке застосування знайшли також дугові електричні генератори, які давали змогу
отримання електричної дуги як джерела електромагнітних хвиль. Незамінним елементом
радіотехнічних пристроїв є трансформатор, прообраз якого створив Фарадей.
Читачам «Connect'a» буде цікаво дізнатися про знахідку
в архівах Лондонського Королівського товариства в 1938 році конверта, в якому зберігалось
раніше невідомий лист Фарадея, датований 12 березня 1832. Лист починалося
словами: «Нові погляди, що підлягають в даний час зберігання у запечатаному
конверті в Архіві Королівського товариства ». Далі Фарадей писав: «... Результати досліджень
привели мене до висновку, що на поширення магнітного впливу потрібно
час ... яке, очевидно, виявляється досить незначним. Я вважаю також,
що електрична індукція поширюється точно таким же чином. Я вважаю, що
поширення магнітних сил схоже на коливання схвильованій водної поверхні
або ж на звукові коливання частинок повітря (що є близьким до поняття «електро має намір
докласти теорію коливань до магнітних явищ, як це зроблено по відношенню до
звуку і є найбільш ймовірним поясненням світлових явищ. Ці погляди
я хочу перевірити експериментально, але так як мій час зайнято ... я хочу, передаючи
цей лист на зберігання Королівському суспільству, закріпити відкриття визначеною датою.
В даний час, наскільки мені відомо, ніхто з учених, крім мене, не має
подібних поглядів »(курсив наш - Я.Ш.).
Фарадей стверджує, що розповсюдження магнітних сил
«Схоже на коливання схвильованій водної поверхні». Ніхто до нього не зумів знайти
так простою і відчутний образ складного електромагнітного явища.
У той день, коли Фарадей запечатав свій лист, великому
його співвітчизнику Д.К. Максвеллу, що сформулював і математично обгрунтував
основні положення теорії електромагнітного поля, ще не виповнилося й року (він
народився 13.06.1831).
Ідеєю про існування електромагнітних хвиль і небаченої
швидкості їх розповсюдження Фарадей створив своєрідний плацдарм для подальшого
бурхливого розвитку електрозв'язку та радіотехніки. Як вказує дослідник творчості
Фарадея професор П.С. Кудрявцев, Фарадей по праву вважається «засновником фізики
електромагнітного поля ».
Він уперше відкрив активну роль середовища, що оточує провідники
зі струмом або магніти. «Лініями магнітних сил, - писав Фарадей, - я називаю ті лінії,
які стають доступними нашому зору, коли ми розглядаємо розташування
залізних тирси навколо полюсів магніта ». Яке зриме, образне опис складного
фізичного явища. До речі, і сьогодні в шкільних фізичних кабінетах саме так
демонструються «силові лінії» магнітного поля.
«Фарадей, - писав Максвелл, - своїм уявним оком бачив
силові лінії, що проходять по всьому простору там, де математики ... нічого не
бачили, крім відстані. Фарадей шукав суть явищ в тому, що насправді
відбувається в середовищі ... »(курсив Максвелла).
Саме Максвеллу належить заслуга в розвитку і математичної
обробці ідей Фарадея.
Гортаючи сторінки фарадеевского лабораторного журналу
(його зміст пізніше було викладено в солідному працю), можна тільки дивуватися
широті і глибині його творчих пошуків. Широко відомі відкриті їм закони електролізу,
дослідження і розряду в вакуумі газах (згодом на основі його спостережень і
висновків були відкриті рентгенівські промені і радіоактивність), відкриття діамагнетизму
і парамагнетизм, встановлення єдиної природи різних видів електрики - «тварини»,
гальванічного, статичного, «магнітного», термоелектрики, запровадження поняття
«Діелектрик». Їм також було відкрито явище самоіндукції. При дослідженні явищ
електролізу Фарадей ввів терміни електроліз, електроліт, електрод, анод, катод,
іон, які збереглися до наших днів.
Результати видатних експериментів Фарадея з 1831
протягом 24 років регулярно друкувалися в науковому журналі «P чудовий пам'ятник
наукової творчості Фарадея являє єдине і неповторне науковий твір,
в якому знайшли своє відображення погляди, думки і праці великого вченого ".
Однак напружений повсякденна праця не міг не позначитися
на здоров'я вченого, помітно погіршилася його колись феноменальна пам'ять. Він став
менше працювати, але ще в сімдесятирічного віку проводив експерименти. Йому було
вже за 70, коли він, об'їхавши по океану на човні кілька маяків, дав авторитетне
висновок про доцільність заміни масляних ламп електричними ліхтарями.
Всесвітньо відомий вчений залишався людиною виняткової
скромності і високих моральних якостей. Він багато років отримував невелику платню
і жив у маленькій квартирі з «вугіллям і свічками». І тільки в останні роки указом
короля йому була призначена заслужена пенсія.
Багато років він читав безкоштовні загальнодоступні лекції в Королівському інституті і протягом 25
років виступав у дні Різдвяних канікул з лекціями для юнацтва, який супроводжувався
чудовими дослідами. Як популяризатор Фарадей займає особливе місце в історії
науки. Вже давно вважається неперевершеною його популярна книжка «Історія свічки»,
яка містить лекції, прочитані для дітей.
За свідченням друзів і рідних (дітей у Фарадея не було),
він був надзвичайно доброю і життєрадісною людиною, у горі й нещастя перший
приходив на допомогу. Не забуваючи про своє походження, Фарадей завжди надавав увагу
простим і бідним людям.
Однак здоров'я Фарадея все погіршувався, і в 1865 році він
подав заяву про звільнення з посади завідувача лабораторією. Але Рада
Королівського інституту, подякувавши йому за багаторічну плідну діяльність,
попросив «... нести ці піклування, тільки оскільки це буде йому приємно ...».
25 серпня 1867, сидячи в своєму улюбленому кріслі, Майкл
Фарадей помер. Перед смертю він побажав, щоб його смерть була відзначена так
ж скромно, як він провів своє життя. На могилі вченого на Хайгетском кладовищі в
Лондоні встановлений простий надгробний пам'ятник, зазначені його ім'я та прізвище, дату
народження і смерті. І ні слова про його всесвітньої слави! ..
За минулі 170 років з дня відкриття Фарадеєм явища електромагнітної
індукції це і багато інших відкриття великого фізика не застаріли. Навпаки, їх
значення ще більше зросло. Досить нагадати про успіхи космічних наук, космічних
кораблях і міжпланетних зв'язках.
Назва Фарадея увічнено відкритими їм законами і поняттями:
«Фарадеево темний простір», «Фарадея метод вимірювання», «число Фарадея (постійна
Фарадея) »і, нарешті, одиниця виміру електричної ємності« Фарадей ».
Як пророче зауважив найбільший німецький вчений Г. Гельмгольц,
до тих пір, поки люди користуються благами електрики, вони з вдячністю будуть
згадувати Фарадея.
Список літератури
Для підготовки даної роботи були використані матеріали
з сайту http://www.connect.ru/
