Фарадей. Электричество и электромагнетизм

Фарадея однажды спросили, каково назначение его открытия. Он ответил: — «Какое назначение у ребенка? — Расти». Гениальная идея доросла до гигантской величины.

Более 180 лет назад, осенью 1831 года, Майкл Фарадей выполнил задание, которое в 1822 году записал себе в памятной книжке – «обратить магнетизм в электричество».

Вращение медного диска, обмотанного медной проволокой, между полюсами большого магнита, открыло электрическую индукцию. Девятилетние искания, ошибки, неудачи были преодолены. Магнетизм был обращен в электричество. Скромный опыт открыл перед человечеством дверь в неисчерпаемые арсеналы энергии, способной переделать земной шар. От диска и магнита – к миллионам киловатт, к плотине Вильсона и другим достижениям ведет прямой путь технического использования электричества. Принцип 180-летнего кустарного прибора Фарадея нерушимо живет в тех огромных, рождающих энергию агрегатах, которые раньше было невозможно перевозить в собранном виде.

О том, как встречало человечество эти открытия, пишутся целые книги. И таких книг об одной эпохе Фарадея накопилось великое множество.

Фарадей, сын бедного кузнеца, родился 22 сентября 1791 года в г. Ньюингтоне (графство Суррей). Он смог получить только начальное образование. В 1805 году Фарадей решил стать учеником переплетчика, работавшего в задней комнате книжной лавки Рибо. До этого Майкл не переступал порога библиотеки, но сейчас он оказался в помещении, где хранилось множество книг, хоть и не переплетенных, и сам участвовал в процессе их создания. В то время машины еще не были настолько точны, чтобы заменить ручной труд переплетчика, требующий большой осторожности. Страницы сшивались, обрезались гильотиной, закреплялись на кожаной обложке, которая также делалась вручную. Эта работа позволила Фарадею с головой погружаться в книги, которые он держал в руках. Майклу было 14 лет, и книги все больше увлекали его. Ему удалось прочитать несколько научных статей — и он почувствовал жадный интерес к науке.

Сшивая последнее издание энциклопедии Британника, Фарадей на странице 127 прочел статью об электричестве. Эта статья явилась для него вдохновением и открытием: электричество до сих пор оставалось загадкой.

Перед юношей была огромная коллекция книг, предназначенных в основном для высшего английского общества, — это и стало первой искрой. В течение 15 лет чтения книг, не обладая обширными знаниями в области математики, не зная дифференциального исчисления, Фарадей начал ставить первые опыты. Нехватка знаний компенсировалась удивительной легкостью, с которой он чертил графики и придумывал эксперименты. Дело в том, что Фарадей был больше экспериментатором, чем теоретиком. Например, во время работы у него появилась идея, которую поддержал и Рибо, находивший мечты Фарадея о разгадке тайн природы прекрасными: часть книжной лавки была переоборудована в импровизированную лабораторию, занятиями в которой Майкл наслаждался после окончания трудового дня. Лаборатория была весьма примитивной, но после первых экспериментов, вдохновленный чтением книг, Фарадей чувствовал себя настоящим ученым. Он смог сконструировать электростатический генератор — механическое устройство, испускающее искры статического электричества.

Прочитав в энциклопедии Британника статью «Электричество», написанную Джеймсом Тайлером, Фарадей почувствовал, что обязан прояснить содержавшееся в ней противоречие. Тайлер, продолжая давно существовавшие теории, утверждал, что все электрические явления — как оптические, так и тепловые — могут быть объяснены вибрациями некой жидкости, флюида. Для проверки этих явлений Фарадей, используя старые бутылки и дерево, построил в задней комнате лавке Рибо маленький электрогенератор — машину, принцип действия которой основан на трении.

Единственное, что мог себе позволить Фарадей, это посещать собрания дискуссионного кружка, состоявшего из молодых рабочих, желавших повысить свой социальный статус. Встречи проходили по средам в 8 вечера в доме преподавателя физики Джона Татума, за участие нужно было заплатить один шиллинг. Татум или члены кружка по очереди готовили небольшую лекцию, выбрав тему на свой вкус. Когда пришла очередь Фарадея, он рассказал об электричестве. Именно тогда начинающий ученый получил первые поздравления за свои научные занятия.

Лаборатория Фарадея при Королевском институте (гравюра 1870 года)

В 22 годаФарадей посетил цикл публичных лекций известного химика Гемфри Дэви, став впоследствии его ассистентом в Королевском институте. Впервые у Фарадея появилась возможность изучить, что такое электричество. Такая же цель была и у физика, жившего в Дании, Ханса Кристиана Эрстеда. В 1820 году Эрстед открыл, что под действием электрического тока стрелка компаса немного двигается, как будто бы сам ток ведет себя как магнит. Это открытие не смутило Фарадея, а напротив, подтвердило его убеждение в глубинной связи магнетизма и электричества. Все указывало на то, что обе силы взаимозаменяемы, но пока не было понятно, что в них общего. Если электричество может действовать как магнит, нужно было доказать, что магнетизм действует как электричество.

Однажды друг Фарадея Ричард Филлипс попросил его написать историческую справку об открытиях в области электричества для журнала Annals of Philosophy. Любой другой ограничился бы изучением нескольких библиографических источников, но Фарадей с невиданным энтузиазмом проштудировал все статьи, опубликованные по теме, а затем воспроизвел все описанные эксперименты. He ставя никаких далеко идущих целей, а лишь в ходе подготовки статьи, Фарадей получил исчерпывающую информацию об электричестве, начал осознавать теоретические и экспериментальные границы знаний в этой области и задумался о новых исследованиях.

Фарадей со своей незамутненной, как у ребенка, любознательностью предположил, что ближайшие исследования должны выявить связь между магнетизмом и электричеством. Кроме того, что разум Фарадея не был подвержен влиянию существовавшей научной парадигмы, у него было и другое преимущество перед современниками: Майкл был сандеманианцем, обладавшим безграничной любознательностью и искавшим Бога в законах природы. Он полагал, что законы должны быть понятны, и это стало для него еще одной искрой вдохновения.

Портрет Фарадея (1842 год), художник Томас Филлипс

Читая французского ученого Андре-Мари Ампера, Фарадей обнаружил, что тот уже установил связь магнетизма и электричества. Однако Майкл с трудом мог разобраться в работах Ампера из-за использовавшихся в них сложных математических выкладок. Он не понял гипотезы французского ученого о том, что электричество — это поток некоего флюида в проволоке и что поведение этого флюида можно смоделировать математически и раскрыть таким образом происхождение магнетизма. Так что для разгадки поставленной задачи Фарадей отталкивался от другого текста, который, к удивлению его современников, по большому счету не являлся научным, — сан- деманианской Библии.

Когда Фарадей начал работу в Королевском институте, электричество еще считалось частью химии, прежде всего потому, что батарейка, изобретенная итальянским физиком Алессандро Вольтой в 1800 году, позволяла получать электричество химическим способом.

Несмотря на поздний возраст для вступления на научную стезю, ученый под руководством Гемфри Дэви сразу же получил известность среди химиков. Позднее, в 1823 году, он провел ряд успешных экспериментов, также лежащих в области химии, по сжижению газов под давлением. Фарадей самостоятельно открыл в 1825 году бензол, который позже будет играть решающую роль в работах о молекулярной структуре Августа Кекуле.

Взявшись за вопросы электричества и магнетизма, Фарадей приблизил наступление великой экспериментальной революции. Как уже говорилось, в начале XIX века электричество больше связывалось с химией, чем с физикой, поэтому исследования Фарадея в области химии привели его к экспериментам с электричеством. В действительности ученый первым начал отделять электричество от химии, подчеркивая его фундаментальную связь с физикой.

Термин «электричество» происходит от древнегреческого слова «янтарь» — elektron. Этот материал, потертый о шерсть, притягивает волокна соломы. В 1600 году Уильям Гильберт выяснил, что этим странным свойством обладает не только янтарь, но также стекло, сера, соль и другие материалы, которые мы называем диэлектриками. Век спустя Стивен Грей провел эксперименты, доказавшие, что электричество переходит с одних тел на другие, если они соединены металлом. В 1773 году Шарль Дюфе открыл два вида электростатического взаимодействия — смоляное и стеклянное. Разные виды взаимно притягиваются, одинаковые — отталкиваются. Позднее Бенджамин Франклин сделал вывод о том, что каждое тело обладает определенным количеством электрического флюида: при трении одного тела о другое нарушается равновесие, у одного из тел возникает нехватка флюида (эквивалентно смоляному электричеству), а у другого — избыток (эквивалентно стеклянному электричеству). К 1760-м годам Даниил Бернулли, Пристли и Кавендиш пришли к выводу о том, что электростатическое взаимодействие изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния, как и в случае с гравитационным взаимодействием. В 1785 году Шарль Кулон измерил данную зависимость, представив ее в виде закона, который сейчас носит его имя. И все же, несмотря на некоторые достижения, электричество оставалось абсолютной загадкой.

Уже в 1812 году Фарадей, проявляя склонность к экспериментаторству, заинтересовался этой загадкой и изготовил гальваническую батарею из семи монеток по одному пенни, семи цинковых дисков и шести листов бумаги, смоченных в растворе соляной кислоты. К сожалению, юношу отвлекли от собственных исследований задания, полученные от Дэви, так что Фарадей вернулся к собственной линии экспериментов спустя многие годы — после смерти Дэви в 1829 году.

После открытия в 1821 году датским химиком Хансом Кристианом Эрстедом магнитного поля, образуемого электрическим током, Фарадей еще раз обратился к практике и создал серию аппаратов для получения, как он это называл, электромагнитного вращения. Так впервые появились электрический двигатель и динамо-машина. В 1831 году благодаря экспериментам, поставленным совместно с изобретателем и членом Королевского общества Чарльзом Уитстоуном, Фарадей начал изучать явление электромагнитной индукции и открыл, что при движении магнита в катушке индуцируется электрический ток. Это позволило математически описать закон, согласно которому магнит может производить электричество.

Майкл Фарадей (справа) с Джоном Фредериком Даниэлем (изобретателем электрохимической ячейки). Копия фотографии после оригинала 1843 год

Первый эксперимент по электромагнетизму

Эксперимент Ханса Кристиана Эрстеда, проведенный в 1819 году, стал первым в истории опытом по электромагнетизму. Ученый родился в Дании в 1777 году, изучал физику в Копенгагенском университете. Ему принадлежит первое эмпирическое доказательство взаимосвязи магнетизма и электричества. Об этом открытии стало известно в 1820 году, что ознаменовало собой новую научно-техническую революцию, подобную той, которую вызвало изобретение паровой машины. Первые опыты были проведены Эрстедом в 1819 году во время практического объяснения на занятии: он приближал намагниченную стрелку к проволоке, по которой проходил электрический ток. Стрелка разворачивалась перпендикулярно проволоке. При изменении направления тока стрелка поворачивалась на 180°, сохраняя перпендикулярность по отношению к проволоке.

Фарадей заметил в опытах Эрстеда одну маленькую деталь, которая, как казалось, содержала ключ к пониманию проблемы. Он догадался, что магнетизм электрического тока всегда отклоняет стрелку компаса в одну сторону. Например, если положить компас на стол, а электрический ток будет проходить от пола к потолку, стрелка компаса всегда будет вращаться против часовой стрелки и никогда — по часовой. Фарадей был не просто великим экспериментатором: он уделял большое внимание незначительным деталям, а не великим следствиям — возможно, эта привычка к скрупулезности была приобретена за годы работы переплетчиком. Как бы то ни было, ученый непрестанно думал об этой детали.

Тогда в голове Фарадея созрел образ, который помог ему сформулировать гипотезу, объясняющую это явление. Он представил себе, что как поток теплого воздуха иногда превращается в вихрь, так и восходящий электрический ток создает спиральные магнитные потоки, вызывающие отклонение стрелки компаса. Для проверки своей догадки Фарадей разработал эксперимент, который показал бы, что магнитные вихри могут двигать любой намагниченный предмет, а не только стрелку, как у Эрстеда.

Через несколько недель Фарадей достиг своей цели. В начале сентября он опустил в сосуд с ртутью намагниченный на одном конце стержень: он плавал вертикально, как маленький поплавок. Затем ученый вертикально поместил в сосуд проволоку, по которой сверху вниз шел электрический ток. Намагниченный поплавок начал двигаться вокруг проволоки против часовой стрелки, как будто влеченый невидимым вихрем. Таким образом, его догадки подтверждались, а кроме того, в результате получился первый в мире примитивный электрический двигатель. Фарадей превратил электричество в движение, которое могло выполнять работу. Произошло это 3 сентября 1821 года.

Описание эксперимента Фарадея было опубликовано в октябре 1821 года в Quarterly Journal of Science под ничем не примечательным заголовком: «О некоторых новых электромагнитных движениях и о теории магнетизма». Статья стала очень популярной и была переведена на более чем десяток языков, принимая во внимание следствия, которые повлекло за собой это открытие.

Источник: Кастильо Сержио Рарра, «Фарадей. Электромагнитная индукция [Наука высокого напряжения]»