В июне 1833 г. появилась пятая серия «Экспериментальных исследований», посвященная явлениям электролиза. В этой серии, а также в последующих - шестой, седьмой и восьмой - сериях Фарадей занимается изучением химических действий тока.

Рис. 14. Опыт по электромагнитной индукции. Рисунок Фарадея

Химические действия тока были открыты сразу после изобретения вольтова столба. Дэви открыл электролитическим разложением щелочные металлы. Иоганн Риттер обнаружил поляризацию гальванического элемента. Пропуская ток через подкисленную воду, он установил, что электроды, опущенные в электролит и отключенные от источника, снова дают после их соединения проводником электрохимическое разложение, но в обратном направлении. Так был открыт аккумулятор.

Рис. 15. Униполярная машина. Рисунок Фарадея

Прибалтийский ученый Кристиан Гротгус (1785--1822) впервые пытался представить механизм электролиза посредством цепочек полярно заряженных молекул.

В пятой серии Фарадей формулирует точный закон электролиза: «Что бы собой ни представляло разлагаемое вещество: воду, растворы солей, кислоты, расплавленные тела и т. д., - для одного и того же количества электричества сумма электрохимических действий есть также величина постоянная, т. е. она всегда эквивалентна стандартному химическому действию, основанному на обычном химическом сродстве»

В седьмой серии Фарадей формулирует этот закон более сжато:

«Химическое действие электрического тока прямо пропорционально абсолютному количеству проходящего электричества».

Фарадей вводит новую терминологию, ныне общеупотребительную. Электроды, подводящие ток к разлагаемому раствору, он называет анодом и катодом. Разложимые вещества он называет электролитами, вещества, на которые разлагаются электролиты, - ионами, а именно анионами и катионами, смотря по тому, где отлагается вещество - у анода или катода.

«Числа, соответствующие весовым количествам, в которых они выделяются, я называю электрохимическими эквивалентами».

Фарадей устанавливает важный факт, что для выделения любого вещества в количестве, равном его электрохимическому эквиваленту, требуется одно и то же количество электричества. Эта величина играет важную роль в современной физике, являясь одной из основных физических констант, и называется «число фарадея». Фарадей связывает этот факт с основными представлениями химии. Он пишет:

«Согласно этой теории эквивалентные веса тел представляют собой такие количества их, которые содержат равные количества электричества... Иначе если принять атомную теорию и соответствующие ей выражения, то атомы тел, эквивалентные друг другу в отношении их обычного химического действия, содержат равные количества электричества, естественно связанного с ними».

Таким образом, Фарадей приходит к представлению о некотором элементарном заряде, связанном с атомами вещества. Он указывает, что «атомы материи каким-то образом одарены электрическими силами или связаны с ними и им они обязаны своими наиболее замечательными качествами, и в том числе своим химическим сродством друг к другу» Тамм И. Е., Основы теории электричества, 7 изд., М., 1957, гл. 1, §21, гл. 2, §24..

Все это позволяет высказать утверждение, что Фарадей является основателем электронной теории вещества, впервые высказавшим мысль о дискретности электричества, об элементарном электрическом заряде. Тринадцатый раздел седьмой серии, в котором содержатся эти глубокие мысли, называется «Об абсолютном количестве электричества, связанном с частицами или атомами материи». Это название говорит само за себя.

В девятой серии, озаглавленной «Об индуктивном влиянии электрического тока на самого себя и об индуктивном действии электрических токов вообще», Фарадей описывает явление самоиндукции. Это явление было открыто независимо друг от друга американцем Генри и англичанином Дженкиным. Фарадей упоминает только о последнем, очевидно, не зная об открытии Генри. Современная физика увековечила приоритет Генри, присвоив единице индуктивности название генри.

Фарадей описывает экспериментальную установку, посредством которой и доныне демонстрируют на лекциях явление самоиндукции. Он констатирует, что самоиндукция аналогична инерции в механике, указывает, что индуктивность проводника зависит от его формы и особенно возрастает, если проводник свернуть в спираль. Все это заставляет его еще раз вернуться к идее электротонического состояния и к исследованию связи между электрическими и магнитными силами. Мысль Фарадея неустанно обращается к пространству, окружающему проводники, и в его уме постепенно вызревает глубокая идея поля.

В одиннадцатой серии Фарадей подробно исследует диэлектрические свойства веществ, вводя для их характеристик особое число, которое он называет удельной индукцией или удельной индуктивной способностью. Эту величину позже назвали диэлектрической постоянной, а ныне называют диэлектрической проницаемостью. Исследование диэлектриков вновь подводит Фарадея к мысли о существовании роли среды в электрических взаимодействиях, которые как бы разливаются в окружающем пространстве по кривым линиям. Это последнее обстоятельство особенно подчеркивает фарадей, считая, что оно противоречит картине действия на расстоянии, принятой сторонниками мгновенного дальнодействия.

От опытов с диэлектриками Фарадей переходит к исследованию электрического разряда в газах. Он описывает различные формы разряда в газах при атмосферном давлении и в разреженном состоянии. В последнем случае Фарадею удалось обнаружить темное пространство, разделяющее, области свечения у катода и у анода. Это темное пространство ныне называется Фарадеевым. Так Фарадей положил начало детальному изучению разрядов в газах, той области физики, которую он сам считал важной и из которой в дальнейшем историческом развитии возникли электроника, рентгенофизика, радиоактивность.

Рис. 16. Рисунок Фарадея по электролизу

В шестнадцатой и семнадцатой сериях «Экспериментальных исследований по электричеству» Фарадей рассматривает спор между сторонниками контактной теории источника электрического тока и сторонниками химической теории. Контактная теория, ведущая свое происхождение от Вольты, «находит источник мощности в контакте» разнородных проводников, а химическая - «в химической силе», как выражается Фарадей, или в химической энергии, как бы сказали мы. Свое мнение Фарадей - он является сторонником химической теории - обосновывает многочисленными соображениями и экспериментальными фактами. В качестве окончательного вывода он прямо указывает, что «контактная теория допускает, что сила... может будто бы возникнуть из ничего, что без всякого изменения действующей материи и без расхода какой-либо производящей силы может производиться ток, который будет вечно идти против постоянного сопротивления...». «Это было бы поистине сотворением силы, -- продолжает Фарадей, -- и это не похоже ни на какую другую силу в природе» Кудрявцев П.С.Курс истории физики. Электромагнетизм - М, 1959, с. 397..

Эти слова были написаны в январе 1840 г., когда закон сохранения энергии еще не был открыт, но фарадей пишет так, как будто ему этот закон известен. Более того, он ясно представляет картину превращения энергии из одного вида в другой. «Мы имеем много процессов, -- пишет он, -- при которых форма силы может претерпеть такие изменения, что происходит явное превращение ее в другую. Так мы можем превратить химическую силу в электрический ток или ток в химическую силу. Прекрасные опыты Зеебека и Пельтье показывают взаимную превращаемость теплоты и электричества, а опыты Эрстеда и мои собственные показывают взаимную превращаемость электричества в магнетизм. Но ни в одном случае, даже с электрическим угрем и скатом, нет чистого сотворения силы; нет производства силы без соответствующего израсходования чего-либо, что питает ее».

Этот 2071-й параграф семнадцатой серии, датированный 29 декабря 1839 г., представляет по сути дела законченную качественную формулировку закона сохранения и превращения энергии. Мысли, высказанные здесь Фарадеем, очень близки воззрениям Энгельса на закон сохранения энергии. Энгельс подчеркивает в законе именно превращаемость форм энергии, фарадей на собственном опыте осознал эту сторону закона. Он «превратил магнетизм в электричество», исследовал химические превращения в электрической цепи, он, наконец, искал превращения света в магнетизм, тяготения -- в электричество и магнетизм. Читая летом 1834 года популярные лекции о взаимоотношении электрических и магнитных явлений, он последнюю, шестую лекцию посвятил вопросу о взаимоотношении «химического сродства, электричества, теплоты, магнетизма и других сил материи».

Эта философская установка Фарадея в значительной степени способствовала его научным достижениям. Он открыл электромагнитную индукцию не случайно, он напряженно искал ее десять лет. Осенью 1845 г. он открывает магнитное вращение плоскости поляризации, получившее в науке название эффекта фарадея. Этот тонкий эффект опять-таки не был случайным открытием.

Девятнадцатую серию, посвященную эффекту Фарадея, он открывает следующим признанием: «Я давно уже придерживался мнения -- и оно почти достигло степени убеждения -- ... что различные формы, в которых проявляются силы материи, имеют общее происхождение, или, другими словами, настолько близко родственны друг другу и взаимно зависимы, что они могут, как бы превращаться друг в друга, и обладают в своем действии эквивалентами силы», фарадей сообщает, что он давно и безуспешно пытался «открыть прямую связь между светом и электричеством» и что «в конце концов мне удалось намагнитить и наэлектризовать луч света и осветить магнитную силовую линию». Далее он описывает свои опыты по вращению плоскости поляризации света магнитным полем.

Фундаментальная идея о взаимосвязи, взаимопревращаемости различных сил природы дополнялась у Фарадея другой фундаментальной идеей об активной роли среды, в том числе и пустого пространства, в физических процессах. В двадцатой серии он описывает влияние магнитного поля на различные среды и находит диамагнетизм и парамагнетизм (термины введены Фарадеем).

Тщательное изучение электрических и магнитных свойств вещества в конце концов привело Фарадея к установлению фундаментальной новой идеи, идеи поля. Фарадей разработал экспериментальную методику исследования магнитного поля с помощью пробной катушки и баллистического гальванометра. Он ввел метод изображения магнитного поля с помощью силовых линий. Он писал в 1851 г.: «Я..., изучая отношение вакуума к магнитной силе и общий характер магнитных явлений, протекающих вне магнита, больше склоняюсь к мысли, что передача силы представляет собой именно такое явление, протекающее вне магнита; я считаю невероятным, что эти явления представляют собой простое притяжение и отталкивание на расстоянии». Следует отметить, что современники Фарадея предпочитали идею «простого притяжения и отталкивания на расстоянии». Фарадей М., Экспериментальные исследования по электричеству, пер. с англ., т. 1, [М.], 1947, с. 176-226, 265-346.

Слишком осязательны были успехи Ньютона, формула закона тяготения, которого так блестяще оправдалась в небесной механике. Напоминающие эту формулу законы Кулона дали возможность развить математическую теорию электростатики и магнитостатики. Амперу удалось включить в эту схему и электромагнетизм. Теперь оставалось так обобщить закон Ампера, чтобы он включил в себя и индукционные процессы, открытые и изученные Фарадеем. Эту задачу поставил перед собой Вильгельм Вебер (1802-1891), которому в конце концов удалось найти формулу взаимодействия заряженных электрических частиц (1846). Однако в эту формулу входили не только заряды взаимодействующих частиц и их положения, но также их относительная скорость и ускорение, что делало ее совсем непохожей на законы Ньютона и Кулона и сложной для расчетов.

Фарадей же вообще отказался от концепции действия на расстоянии и ввел в физику совершенно новый объект -- физическое поле. «При этой точке зрения на магнит, -- писал Фарадей в 1852 г.,- среда или пространство, его окружающие, играют столь же существенную роль, как и самый магнит, будучи частью настоящей и полной магнитной системы». Для Фарадея поле -- это то, что излучается, распространяется с конечной скоростью в пространстве, взаимодействует с веществом. Примером такого поля является излучение Солнца. «В этом случае лучи (которые представляют собой силовые линии) проходят через промежуточное пространство; но здесь мы можем оказывать на эти линии действие при помощи различных сред, расположенных на их пути. Мы можем изменить их направление посредством отражения или преломления; мы можем заставить их идти по криволинейным или ломаным путям. Мы можем отрезать их от их источника и затем искать их и найти, прежде чем они достигнут своей конечной цели. Они связаны с временем и требуют 8 минут, чтобы пройти от Солнца до Земли; таким образом, они могут существовать независимо и от своего источника и от места, в которое в конце концов приходят. Таким образом, они имеют ясно различимое физическое существование» Кудрявцев П.С.Курс истории физики. Электромагнетизм - М, 1959, с. 396..

Такова концепция поля, к которой Фарадей пришел в результате длительного научного пути и первоначальный набросок которой он дал в своем запечатанном письме 1832 г. С Фарадеем в физику наряду с частицами вещества вошла и новая форма материи -- поле, излучаемое и поглощаемое частицами и распространяющееся в пространстве с конечной скоростью. Математически эта идея была разработана гениальным преемником Фарадея Джемсом Клерком Максвеллом.

2.2 Модельное представление об электромагнитных процессах

В развитой науке теоретические схемы вначале строятся как гипотетические модели. Такое построение осуществляется за счет использования абстрактных объектов, ранее сформированных в сфере теоретического знания и применяемых в качестве строительного материала при создании новой модели.

Только на ранних стадиях научного исследования, когда осуществляется переход от преимущественно эмпирического изучения объектов к их теоретическому освоению, конструкты теоретических моделей создаются путем непосредственной схематизации опыта. Но затем они используются в функции средств для построения новых теоретических моделей, и этот способ начинает доминировать в науке. Прежний же метод сохраняется только в рудиментарной форме, а его сфера действия оказывается резко суженной. Он используется главным образом в тех ситуациях, когда наука сталкивается с объектами, для теоретического освоения которых еще не выработано достаточных средств. Тогда объекты начинают изучаться экспериментальным путем, и на этой основе постепенно формируются необходимые идеализации как средства для построения первых теоретических моделей в новой области исследования. Примером таких ситуаций могут служить ранние стадии становления теории электричества, когда физика формировала исходные понятия - “проводник”, “изолятор”, “электрический заряд” и т. д. - и тем самым создавала условия для построения первых теоретических схем, объясняющих электрические явления.

Большинство теоретических схем науки конструируются не за счет прямой схематизации опыта, а методом трансляции уже созданных абстрактных объектов. Чтобы выявить эту специфику построения теоретических моделей, обратимся к конкретному материалу истории физики.

Одним из важных этапов становления классической электродинамики было открытие Фарадеем явления электромагнитной индукции.

Многочисленные эксперименты по изучению этого явления (опыты с магнитом, который при движении относительно замкнутого провода порождал в нем индукционный ток; аналогичные опыты с соленоидами и проводами различной конфигурации, опыт Араго и т. д.) были объяснены Фарадеем в рамках закона индукции. Согласно этому закону, когда проводящее вещество, движущееся относительно потока магнитных силовых линий, пересекает его, то в проводящем веществе возникает электродвижущая сила (э. д. с.).

Данный закон выражал корреляции между абстрактными объектами теоретической схемы, которая характеризовала электромагнитную индукцию через отношение абстрактных объектов “магнитные силовые линии” и “проводящее вещество”. Эти объекты не содержались внутри эмпирических схем индукции, а были перенесены из других областей теоретического знания.

Фарадей заимствовал конструкт “магнитные силовые линии” из смежной области теоретического знания, которая была введена для объяснения опытов магнитостатики (исследование возможных ориентаций миниатюрных магнитных стрелок в поле действия постоянных магнитов и токов). Другой же абстрактный объект -- “проводящее вещество” -- был перенесен им из области знаний о токе проводимости. Эти объекты были “погружены” в новую систему отношений, благодаря чему приобрели новые признаки.

Конструкт “магнитные силовые линии” приобрел признак “вызывать электродвижущую силу (э. д. с.) в проводящем веществе” (тогда как раньше, в знаниях магнитостатики, он определялся только по признаку воздействия на пробный магнит). Конструкт “проводящее вещество”, который ранее репрезентировал только свойства проводников, связанные с действием тока проводимости, оказался наделенным новым признаком - “возникновением в проводнике э. д. с. индукции”. Наделение данных конструктов новыми признаками означало перестройку прежних абстрактных объектов, поскольку каждый из них определялся только как носитель некоторых жестко фиксированных признаков. Таким путем наука сформировала первоначальный вариант теоретической схемы электромагнитной индукции. Генезис теоретических знаний в классической науке - http://ru.philosophy.kiev.ua/library/stepin/04.html

При построении фарадеевской модели индукции, которая создавалась для объяснения уже осуществленных экспериментов, обнаруживших явление электромагнитной индукции, важнейшую роль как в выборе абстрактных объектов, так в нахождении их связей сыграла развиваемая Фарадеем картина физической реальности. В ней все электрические и магнитные процессы рассматривались как проявление некоторой единой сущности, а центр тяжести анализа этих процессов переносился с зарядов и магнитов на пространство между ними, которое рассматривалось как “заполненное кривыми электрических и магнитных сил”. Эти первоначальные представления картины мира, выработанные Эрстедом, Воллостоном и Фарадеем, основывались на предшествующих достижениях электродинамики, рассмотренных под углом зрения философских идей единства мира и единства материи и силы.

Опираясь на эту картину физической реальности, Фарадей при построении теоретической схемы электромагнитной индукции перенес на новую область выработанное в магнитостатике представление о перемещениях магнитных силовых линий в пространстве. Таким путем было введено одно из главных отношений между проводящим веществом и силовыми линиями в модели индукции, а именно, что э. д. с. появляется тогда, когда число силовых линий, пересекающих проводник, меняется во времени в каждой единице его объема.

Сквозь призму этого представления можно было легко понять все эффекты, возникающие при относительном движении проводников и магнитов. Но из знания самих этих эффектов представление о силовых линиях вывести было чрезвычайно трудно, а практически и невозможно. Достаточно вспомнить, насколько неожиданным для современников Фарадея было его объяснение явлений электромагнитной индукции, хорошо известных из экспериментов, чтобы убедиться, что само по себе знание таких экспериментов отнюдь не подсказывало идею связи между э.д.с. индукции и изменением числа силовых линий в проводнике. В этом отношении особенно характерно неожиданное объяснение Фарадеем опыта Араго.

Фарадей сумел объяснить его: при вращении магнита в пространстве перемещаются окружающие его силовые линии и, пересекая проводящее вещество (медный диск), порождают в нем индукционные токи, что делает на время диск источником магнетизма (ток рождает магнетизм) и приводит его во взаимодействие с прямолинейным магнитом, вызывая вращение диска. Таким образом, чтобы ввести такое объяснение, нужно было заранее иметь картину движения магнитных силовых линий в пространстве. Но эта картина не следовала из самих опытов по индукции. Фарадей выработал ее в магнитостатике, а затем экстраполировал на область новых явлений. Процесс такой экстраполяции стал возможен только благодаря выработанной Фарадеем картине мира, согласно которой все процессы электромагнетизма следовало объяснять исходя из “конфликта” электрических и магнитных сил в пространстве.

Образ изменения направлений силы в пространстве, как причины всех электромагнитных явлений, постоянно был перед внутренним взором Фарадея. Поэтому для него было совершенно естественно использовать модели магнитостатики, основанные на представлении о магнитных силовых линиях, в качестве аналогов при объяснении электромагнитной индукции.

Сам перенос моделей из одной области знаний об электричестве и магнетизме в другую был возможен только потому, что фарадеевская картина физического мира постулировала связь предметов исследования каждой из таких областей. Если учесть, что в этот же период Фарадею приходилось доказывать, что различные виды электричества (электричество трения, гальваническое, магнитоэлектричество и т. д.) - суть проявления одного и того же электричества, то подобные переносы моделей выглядят отнюдь не тривиальными.

2.3 Достоинства и недостатки идей Фарадея

Как физик-теоретик Майкл Фарадей завоевал славу первопроходца. Фарадей в высшей степени обладал способностью делать впечатляюще наглядными результаты своих исследований при помощи геометрическо-механических моделей.

Путем объединения явлений электричества и упругости он пришел к понятию «силовые линии». Фарадей с пластической ясностью представлял себе действие электрических сил от точки к точке в пространстве между ними, в их «силовом поле». «Сами электрические и магнитные силы, - писал Генрих Герц в 1889 году, - были для него чем-то существующим реально, действительным, ощутимым; электричество, магнетизм были для него вещами» Кудрявцев П.С.Курс истории физики. Электромагнетизм - М, 1959, с. 399..

Причина возникновения электрических сил лежала, по мнению Фарадея, в процессах, происходящих в пространстве между телами. При поисках признаков различий между намагниченными предметами ему удалось доказать, что все вещества, считавшиеся до тех пор немагнитными, под действием большой магнитной силы обнаруживают явные следы намагниченности. Точно так же он смог доказать, что все считавшиеся надежными изоляторы изменяются под действием электрических сил. Выяснилось, что между проводниками и непроводниками различие не принципиальное, а лишь количественное.

Эти экспериментальные открытия привели к тому, что Фарадей, как физик, мыслящий строго эмпирически, признающий только факты, которые можно наблюдать, отверг представление об электрических силах дальнодействия.

На основе своего представления о силовых линиях Фарадей предполагал уже примерно в 1845 году глубокое родство электричества и света. Эта мысль была необычайно смела для того времени, но она была достойна исследователя, который считал, что только тот находит великое, кто исследует маловероятное. Фарадей, таким образом, пришел к мнению, что учение об электричестве и оптика, стоявшие тогда рядом, но еще не связанные между собой, взаимосвязаны и образуют единую область.

Фарадей, однако, не обладал математическим образованием. Говорили, что он не мог даже возвести в квадрат бином. Таким образом, он был не в состоянии изложить результаты своих исследований при помощи обычных математических средств, он мог охватить их лишь качественно. Формально это являлось очевидным недостатком, но содержанию все-таки в данном случае не наносило ущерба. Отсутствие академически-математической подготовки, по мнению Планка, спасло Фарадея от предубеждений, порождаемых математическими и астрономическими источниками, которые в то время неблагоприятно влияли на многих значительных исследователей.

Это был “ ум, который никогда не погрязал в формулах”, - скажет о нём А. Эйнштейн.

2.4 Использование идей Фарадея Максвеллом

Дело Фарадея по обоснованию понятия поля продолжил другой величайший английский физик - Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879).

Учение о физических силовых линиях является центральным пунктом воззрений Фарадея, оно подвело его к основанию физики электромагнитного поля. И хотя в его трудах нет математических формул, Максвелл подчеркивал, что «его метод понимания явлений был также математическим» и его легко можно выразить в обычной математической формуле. Шнейберг Я.А. Переплетчик, ставший академиком. //«Энергия» 2002, N 2. С. 69.

Открытия, сделанные Фарадеем в области электромагнетизма, находили всё большее и большее использование. Однако его концепция силовых линий, занимающих всё пространство, долгое время не принималась всерьёз: она не могла конкурировать со стройными теориями Кулона, Ампера, Лапласа. Не владея хорошо математическим методом, Фарадей не стремился привязать его к своим исследованиям. Он считал, что самые сложные вопросы можно изложить просто, не прибегая к “ языку иероглифов”. Вот почему молодой Максвелл, взявшись за “ атаку электричеств”, имёл все основания заявить: “ Современное состояние учения об электричестве представляется особенно неблагоприятным для теоретической разработки”. В это время Максвеллу было 24 года. Прежде чем говорить о его дальнейшей работе, обратимся к его биографии.

В 1847 году по совету профессоров, не закончив гимназии, Максвелл поступил в Эдинбургский университет. Здесь он увлекается опытами по оптике, химии, магнетизму, тщательно штудирует книги по механике и физике, много занимается математикой. “ Я прочёл ” Лекции” Юнга Диксона и “ Оптику” Муаньо”, -- пишет он в 1850 году одному из друзей. Видя увлечение сына исследованиями, отец помог ему образовать в Глендлэре физико-химическую лабораторию. В 1850 году Максвелл основательно занялся вопросами упругости и в этом же году уже сам выступил перед членами Королевского общества с докладом “ О равенстве упругих тел”. Девятнадцатилетний Максвелл доказал очень важную теорему о теории упругости и строительной механике. Теперь она называется его именем в этом же году он разработал метод изучения напряжений в поляризованном свете.

Исчерпав возможности Эдинбургского университета за 3 года, Максвелл в 1850 году переводится в Кембридж, в Тринити-колледж, где в своё время учился Ньютон.

Максвелл, который обладал уже огромным запасом знаний, правда, находящихся пока в беспорядке, твёрдо решил посвятить себя физике. Он начинает изучать “ Экспериментальные исследования по электричеству” Фарадея. “ Я решил, -- писал Джеймс, -- не читать ни одного математического труда из этой области, пока не изучу основательно это сочинение”.

В 1854 году Максвелл успешно выдержал выпускной экзамен, заняв второе место, и был оставлен в Тринити-колледже для подготовки к профессорскому званию. Здесь он читает лекции по гидравлике и оптике, занимается исследованиями по теории.

В 1855 - 1856 гг. Максвелл закончил свою первую работу по электромагнетизму “ О фарадеевых силовых линиях” и вместе с письмом отправил своему кумиру - Фарадею. Фарадей поразился силе таланта молодого учёного, его владению математикой и, глубоко тронутый вниманием, писал Максвеллу: «Ваша работа приятна мне и даёт мне большую поддержку. Сначала я даже испугался, когда увидел такую математическую силу, применённую к вопросу, но потом изумился, видя, что вопрос выдерживает это столь хорошо».

Максвелл берёт под защиту метод Фарадея, его идею близкодействия поля. Он опровергает версию о якобы «антиматематичности фарадеевского мышления». «Я убеждён, что его идеи могут быть выражены в виде обычных математических формул и эти формулы вполне сравнимы с формулами профессиональных математиков. Он сообщил своей концепцией силовых линий такую ясность и точность, каковые математикам удалось сообщить своими формулами», -- писал Максвелл.

Сразу после открытия Фарадеем закона электромагнитной индукции учёные стремились придать ему строгую количественную формулу. Сейчас трудно представить себе те мучительные усилия, которые потребовались для формулировки этого закона на языке концепции действия на расстоянии. И в конце концов были получены (Нейманом и Вебером) весьма и весьма сложные формулы, неясные по своему физическому содержанию, но всё же способные количественно описывать опытные факты. В настоящее время их можно найти только в книгах по истории физики.

Истинный смысл закона электромагнитной индукции был найден Максвеллом. Он же предал закону ту простоту и ясную математическую форму, базирующуюся на представлении о поле, которую знает сейчас весь мир.

Попробуем представить себе, с помощью какого рода рассуждений Максвелл смог усмотреть в явлении электромагнитной индукции новое фундаментальное свойство электромагнитного поля.

Допустим, перед нами обыкновенный трансформатор. Включив первичную обмотку в сеть, мы немедленно получим ток в соседней вторичной обмотке, если только она замкнута. Электроны, находящиеся в проволоке обмотки, придут в движение.

Но ведь электронам закон электромагнитной индукции не известен. Короче говоря, какие силы приводят электроны в движение?

Само поле, пронизывающее катушку, этого сделать не может. Ведь магнитное поле действует исключительно на движущиеся заряды (этим-то оно и отличается от электрического), а проводник с находящимися в нём электронами неподвижен. Что же тогда действует?

Кроме магнитного, на заряды, мы знаем, действует ещё электрическое поле. Причём оно-то как раз может действовать и на неподвижные заряды. Это его главное свойство. Но ведь то поле, о котором шла речь (электрическое поле), создаётся непосредственно электрическими зарядами, а индукционный ток появляется под действием переменного магнитного поля. Уж не замешаны ли здесь какие-то новые физические поля, коль скоро идея близкодействия считается незыблемой?

Не будем спешить с выводами и при первом же затруднении искать спасения в придумывании новых полей, как в своё время вывод из всех трудностей видели во введении новых сил. Ведь у нас нет никакой гарантии, что все главные свойства магнитного и электрического полей известны. В законах Кулона и Ампера, заключающих в себе основную информацию о свойствах поля, фигурируют постоянные поля.

А что, если у переменных полей появляются новые свойства? Будем надеяться, что идея единства электрических и магнитных явлений, плодотворная до сих пор, не откажет и дальше.

Тогда остаётся единственная возможность: предположить, что электроны ускоряются во вторичной обмотке электрическим полем, и это поле порождается переменным магнитным полем непосредственно в пустом пространстве. Тем самым утверждается новое фундаментальное свойство магнитного поля: изменяясь во времени, оно продолжает вокруг себя электрическое поле.

Теперь явление электромагнитной индукции предстаёт перед нами в совершенно новом свете. Главное - это процесс в пустом пространстве: рождение магнитным полем электрического. Есть ли проводящий контур (катушка) или нет, это не меняет существа дела. Проводник с его запасом свободных электронов - просто индикатор (регистратор) возникающего электрического поля: оно приводит в движение электроны в проводнике и тем самым обнаруживает себя.

Сущность явления электромагнитной индукции совсем не в появлении индукционного тока, а в возникновении электрического поля.

В 1860 году Максвелл покинул Абердин, получив кафедру в Кингс- колледже в ЛондоЭском университете. Здесь впервые Максвелл встретился с Фарадеем. Именно в лондонский период учёный развивает свою теорию поля. Ей посвящается ряд работ: «О физических линиях силы» (1861-1862), «Динамическая теория поля» (1864-1865). Вот в этой последней работе и дана система знаменитых уравнений.

Теория Максвелла, по словам Герца, - это уравнения Максвелла. Суть этой теории сводилась к тому, что изменяющееся магнитное поле создаёт не только в окружающих телах, но и в вакууме вихревое электрическое поле, а оно, в свою очередь, вызывает появление магнитного поля. «Теория, которую я предлагаю, - пишет Максвелл, - может быть названа теорией электромагнитного поля, потому что она имеет дело с пространством, окружающим электрические или динамические тела, и она может быть названа также динамической теорией, поскольку она допускает, что в этом пространстве имеется материя, находящаяся в движении, посредством которой и производится наблюдаемые электромагнитные явления».

Теория электромагнитного поля Максвелла знаменовала собой начала нового этапа в физике. Именно на этом этапе развития физики поле стало реальностью, материальным носителем взаимодействия. Мир постепенно стал представляться электродинамической системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля. Большинство физиков исключительно высоко оценили теорию Максвелла. Пуанкаре считал её “Вершиной математической мысли”. “Самым увлекательным предметом во время моего обучения была теория Максвелла. Переход от сил дальнодействия к полям, как основным величинам, делал эту теорию революционной”, - писал А. Эйнштейн.

Анализируя свои уравнения, Максвелл пришёл к выводу, что должны существовать электромагнитные волны, причём скорость их распространения должна равняться скорости света. Отсюда был сделан совершенно новый вывод: свет есть разновидность электромагнитных волн.

Так, по словам Луи де Бройля, Максвелл “сделал всю оптику частной главой электромагнетизма”. На основе своей теории Максвелл предсказал существование давления, оказываемого электромагнитной волной (а значит, и светом), и вычислил его. Оно оказалось равным плотности энергии электромагнитного поля. Предсказание Максвелла позднее было блестяще доказано Петром Николаевичем Лебедевым в 1899 году.

В 1867 году умирает Фарадей. Глубоко переживает Максвелл смерть своего кумира. Он убеждён, что лучшим памятником Фарадею будет наибыстрейшее окончание “ Трактата об электричестве и магнетизме”. Восемь лет отдал Максвелл “Трактату”. Это вершина его научного творчества, это настоящая энциклопедия электромагнетизма.

“Трактат” вышел в свет в 1873 году, когда Максвелл уже работал в Кембридже, куда он переехал в 1871 году, чтобы возглавить кафедру экспериментальной физики.

Максвелл, отстаивая выдвинутую Фарадеем идею близкодействия, доказал, что электрические и магнитные поля взаимосвязаны и могут существовать независимо от создавшего их источника, распространяясь в пространстве в виде электромагнитных волн. В этом и заключается сущность теории Максвелла, ядром которой являются уравнения Максвелла.

Четыре строчки уравнений, поразивших современников соей математической совершенностью и красотой, впервые появились в 1873 году в книге Максвелла “Трактат об электричестве и магнетизме”, в которой объединены в единое целое оптика, электричество и магнетизм.

Фарадей был приверженцем идеи силовых линий, которые соединяют положительный и отрицательный электрические заряды или северный и южный полюсы магнита. Силовые линии заполняют все окружающее пространство (поле, по терминологии Фарадея) и обусловливают электрические и магнитные взаимодействия.

Следуя Фарадею, Максвелл разработал гидродинамическую модель силовых линий и выразил известные тогда соотношения электродинамики на математическом языке, соответствующем механическим моделям Фарадея. Основные результаты этого исследования отражены в работе Фарадеевы силовые линии (Faraday's Lines of Force, 1857). В 1860-1865 Максвелл создал теорию электромагнитного поля, которую сформулировал в виде системы уравнений (уравнения Максвелла), описывающих основные закономерности электромагнитных явлений:

1-е уравнение выражало электромагнитную индукцию Фарадея;

2-е - магнитоэлектрическую индукцию, открытую Максвеллом и основанную на представлениях о токах смещения;

3-е - закон сохранения количества электричества;

4-е - вихревой характер магнитного поля.

Эти уравнения имеют вид:

1)

2)

3)

4)

В современной интерпретации:

Уравнение 1 выражает закон Гаусса. Для статистических полей этот закон эквивалентен закону Кулона. Утверждается, что поток электрического поля через замкнутую поверхность пропорционален полному заряду, сосредоточенному в объёме, ограниченной данной поверхностью.

Уравнение 2 представляет собой закон Гаусса для магнитного поля. Он утверждает, что поток магнитного поля через замкнутую поверхность равен нулю. Это означает, что не существует магнитных аналогов электрического заряда.

Уравнение 3 выражает закон электромагнитной индукции Фарадея. Он утверждает, что интеграл от электрического поля вдоль замкнутого контура пропорционален скорости изменения потока магнитного поля через поверхность, натянутую на этот контур. Таким образом, изменяющееся магнитное поле сопровождается переменным электрическим полем.

Наконец, уравнение 4 представляет собой модифицированный закон Ампера. Максвелл изменил это уравнение, добавив в него второе слагаемое в правой части, названное током смещения, которое описывает изменение потока электрического поля. Модифицированный закон Ампера утверждает, что интеграл от магнитного поля по замкнутому контуру пропорционален сумме двух слагаемых. Первое из них содержит полный ток, протекающий сквозь поверхность, натянутую на этот замкнутый контур. Второе слагаемое (введенное Максвеллом) содержит скорость изменения потока электрического поля через эту поверхность. Благодаря внесённому Максвеллом дополнению к закону Ампера четвертое уравнение Максвелла есть утверждение, что переменное электрическое поле сопровождается переменным магнитным полем.

Продолжая развивать эти идеи, Максвелл пришел к выводу, что любые изменения электрического и магнитного полей должны вызывать изменения в силовых линиях, пронизывающих окружающее пространство, т.е. должны существовать импульсы (или волны), распространяющиеся в среде. Скорость распространения этих волн (электромагнитного возмущения) зависит от диэлектрической и магнитной проницаемости среды и равна отношению электромагнитной единицы к электростатической. По данным Максвелла и других исследователей, это отношение составляет 3*10¹⁰ см/с, что близко к скорости света, измеренной семью годами ранее французским физиком А.Физо.

В октябре 1861 Максвелл сообщил Фарадею о своем открытии: свет - это электромагнитное возмущение, распространяющееся в непроводящей среде, т.е. разновидность электромагнитных волн. Этот завершающий этап исследований изложен в работе Максвелла «Динамическая теория электромагнитного поля» (Treatise on Electricity and Magnetism, 1864), а итог его работ по электродинамике подвел знаменитый «Трактат об электричестве и магнетизме» (1873) http://www.krugosvet.ru/articles/04/1000472/1000472a1.htm.

Максвелл развивал свои уравнения и следствия из них на основе созданной Фарадеем модели электрических и магнитных полей. Мысленные модели описываемые его уравнениями, были сложнее, чем те, которые используют теперь. Максвелл и другие ученые того времени считали поля и волновые движения физическими свойствами реальной всепроникающей среды, которую они называли эфиром. И, тем не менее, в 1862 году Максвелл предложил, что «свет состоит из поперечных волнообразных движений той же самой среды, которая служит причиной электрических и магнитных явлений».

К тому времени на основе своих уравнений он рассчитал скорость электромагнитных волн и нашел, что эта скорость была приблизительно такой же, как и незадолго до этого скорость света.

Более точную наглядную иллюстрацию уравнений Максвелла предложил английский физик Брэгг в виде воображаемой модели, известной под названием «цепочка Брэгга». «Представьте себе цепочку, сделанную из чередующихся железных и медных колец . Замыкая на мгновение ключ К, мы посылаем ток от батареи в первое медное кольцо. Следующее, сделанное из железа кольцо намагничивается. Возникновение магнитного поля в нем вызывает индукционный ток в третьем кольце. Этот ток вызывает магнитное поле и т. д.»

Генрих Герц писал о теории Максвелла: «Нельзя изучать эту удивительную теорию, не испытывая по времени такого чувства, будто математические формулы живут собственной жизнью, обладают собственным разумом -- кажется, что эти формулы умнее нас, умнее даже самого автора, как будто они дают нам больше, чем в свое время в них заложено» http://fizmag.narod.ru/pages/rus5.html.

«Трактат по электричеству и магнетизму»', в котором Джеймс Кларк Максвелл подвёл итоги двухвековому развитию учения об электрических и магнитных явлениях, был издан в 1873 году. Современники называли его «библией электричества»'. Книга содержала более 1000 страниц, из которых лишь десяток относился непосредственно к знаменитым уравнениям. Сами уравнения были разбросаны по разным частям, и было их довольно много - 12.

По характеру изложения ''Трактат'' был слишком сложным. Знаменитый голландский физик Г. А. Лоренц, которому было суждено впоследствии развить и продолжить электромагнитную теорию, познакомившись в молодости с уравнениями Максвелла, не смог понять их физического смысла.

2.5 Современный взгляд на электродинамику Фарадея-Максвелла

Среди физиков электромагнитная теория Фарадея - Максвелла не сразу завоевала признание. Отдельные выдающиеся исследователи, подобно Гельмгольцу и Больцману, признавали ее значение и выступали в ее защиту, но даже такой проницательный мыслитель-физик, как Густав Кирхгоф, до конца своей жизни - он умер в 1887 году - твердо придерживался старых представлений об электрической жидкости и в своих лекциях затрагивал теорию Максвелла лишь мимоходом http://historic.ru/books/item/f00/s00/z0000027/st030.shtml.

Анри Пуанкаре (1854-1912г.) одним из первых разобрался в многосложном изложении Максвелла. Его правильная и стройная интерпретация идей английского ученого помогла рассеять невразумительную путаницу у комментаторов этой теории. В своих лекциях Пуанкаре проводит глубокий анализ различных попыток теоретического обобщения экспериментально установленных законов электричества и магнетизма. Он подробно разбирает электродинамику Ампера и постепенно подводит слушателей к выводу о преимуществах уравнений Максвелла, наиболее полно охватывающих электромагнитные процессы и предсказывающие неизвестные ещё физике явления.

Выводы теории получают экспериментальное подтверждение в 1887 г., когда Генрих Герц (1857-1894) экспериментально получил электромагнитные волны. С 1887 г. Герц начинает ставить свои опыты. Прежде всего, он находит способ генерирования самых высокочастотных в то время колебаний, используя открытый колебательный контур (вибратор Герца). Обладая малой емкостью и индуктивностью, вибратор действительно позволял получать колебания высокой частоты, возникающие при проскакивании искр в разрядном промежутке диполя. Рядом с этим генератором находился незамкнутый виток. Герц обнаружил, что в момент разряда в генераторе происходит проскакивание искры между незамкнутыми концами витка, расположенного генератора. Это были первые в мире передатчик и приемник.

Рис.17. Первый радиатор Герца. Герц использовал два метровых провода, связанных с индукционной катушкой

Далее Герц заметил, что влияние генератора на приемник особенно сильно в случае резонанса (частота колебаний генератора совпадает с собственной частотой) Продолжая исследования, Герц при удалении резонатора от вибратора обнаружил, что в большом помещении с увеличением расстояния размер искр не убывает монотонно, а периодически меняется. Он объяснил это тем, что происходит интерференция прямой волны. Этот опыт наиболее убедительно доказывал, что электромагнитные волны, предсказанные Максвеллом, действительно существуют. Герц ставит опыты с целью проверки тождества световых и электромагнитных волн.

Почти сразу он обнаруживает ''тень''- непрозрачность металлических листов для ''электрических лучей'', но не наблюдает огибания. Значит, диэлектрики ''прозрачны'' для волн. Но они должны вызывать преломление. И Герц обнаруживает явление преломления волн в асфальтовой призме весом более чем в тонну, причем отклонение соответствует тому, которое должно быть по Максвеллу. Последующие опыты показали существование отражения волн, а затем и и поляризацию. Герц ставит между генераторм и приемником решетку из параллельных проволок, от ориентации которой меняется интенсивность искры в приемнике. Зная период колебаний вибратора и измерив длину волны, Герц вычислил скорость распространения электромагнитных волн; она оказывается равной скорости света.

Все это было изложено в работе «О лучах электрической силы», вышедшей в декабре 1888 года. Этот год считается годом открытия электромагнитных волн и экспериментального подтверждения теории Максвелла. В 1889 г., выступая на съезде немецких естествоиспытателей, Герц говорил: ''Все эти опыты очень просты в принципе, тем не менее, они влекут за собой важнейшие следствия. Они рушат всякую теорию, которая считает, что электрические силы перепрыгивают пространство мгновенно. Они означают блестящую победу теории Максвелла. Насколько маловероятным казалось ранее её воззрение на сущность света, настолько трудно теперь не разделить это воззрение''. Если Максвелл преобразовал представления Фарадея в математические образы, то Герц превратил эти образы в видимые и слышимые электромагнитные волны. Но даже после опытов Герца учение английского физика не получило широкого распространения.

Главная причина его невосприятия - необычность предложенных идей. В общепринятом понимании тогда понимании теория Максвелла только описывала электромагнитные явления на строгом математическом языке, но не давала их объяснения. Объяснить - значило, по мнению физиков того времени, построить механическую модель явления. Механика представлялась незыблемым фундаментом всех разделов физики. Поэтому большинство учёных считало, что для завершения электромагнитной теории необходимо ещё открыть механическую интерпретацию уравнений Максвелла. В плену этого предвзятого представления находились все физики. Не избежал этого и Максвелл. В первых своих работах по электромагнетизму он основное внШмание отводил именно механическим моделям. Подчёркивая непривлекательность одного из предложенных объяснений, Пуанкаре писал: ''Можно подумать, что читаешь описание завода с целой системой зубчатых колёс, рычагами, передающими движение и сгибающимися от усилия, центробежными регуляторами и передаточными ремням''. Однако позднее Максвелл меняет свою точку зрения, он выражает желание ''просто направить внимание читателя на механические явления, которые помогут ему в понимании электрических явлений. Все подобные фразы в настоящей статье должны пониматься как иллюстративные, а не объяснительные''.

Нарушение соответствия между механикой и электродинамикой стало причиной глубокого кризиса физики. Кризис физической теории, вызванный проблемой объяснения установленных на опыте свойств света, усугубился неожиданно последовавшими как из рога изобилия величайшими открытиями совершенно новых и удивительных явлений.

Начиная с 1895 года, когда Рентген открыл проникающие лучи, буквально каждый следующий год приносил ошеломляющиее открытие:

· 1896 год - открытие явления радиоактивности,

· 1897 год - открытие электрона,

· 1898 год - открытие радия и полония,

· 1899 год - открытие сложного свойства радиоактивного излучения.

Пуанкаре пристально следил за крутой ломкой, происходящей в физике конца XIX века. В это время голландский физик Г. А. Лоренц считает, что теория Максвелла нуждается в дополнении, так как в ней не учитывается структура вещества. В ней свойства тел характеризуются различными коэффициентами: диэлектрической и магнитной проницаемостью, проводимостью. ''Мы не можем удовлетвориться простым введением для каждого вещества этих коэффициентов, значения которых должны определяться из опыта; мы будем принуждены обратиться к какой-нибудь гипотезе относительно механизма, лежащего в основе этих явлений. Эта необходимость привела к представлению об электронах, т. е. крайне малых электрически заряженных частицах, которые в громадном количестве присутствуют во всех весомых телах'', - писал Лоренц.

Все эти вставшие перед физикой проблемы настоятельно требовали выработки новых физических понятий и представлений и создания на их основе теоретического обобщения всей совокупности недавно полученных экспериментальных данных.

В 1895 г. в работе ''Опыт теории электрических и оптических явлений в движущихся телах'' Лоренц даёт систематическое изложение электронной теории, опирающейся, с одной стороны, на теорию Максвелла, а с другой - на представление об атомарности электричества.

В начале 90-х годов XIX в. Г. Лоренц на основе своей электронной теории и гипотезы о неподвижном эфире выводит уравнения электромагнитного поля для движущихся сред. И делает очень важный вывод: никакие оптические и электромагнитные опыты, проведенные в равномерно и прямолинейно движущейся системе отсчёта, не в состоянии обнаружить этого движения.

Таким образом, Лоренц сформулировал принцип относительности для электромагнитных процессов. В 1904 г., называя принцип относительности в числе основных принципов физики.

Развивая электродинамику и стремясь объяснить опыты, Лоренц и Пуанкаре опирались на концепцию эфира. Подойдя к принципу относительности, они не смогли поставить вопрос о постоянстве и, особенно о предельном значении скорости света. Это и было сделано А. Эйнштейном (1879-1955).

Основополагающая работа Эйнштейна по теории относительности называлась ''К электродинамике движущихся сред''. Она поступила в редакцию журнала ''Анналы физики'' 30 июня 1905 г. Работа состояла из двух частей. В первой из них были изложены основы новой теории пространства и времени, во второй - применение этой теории к электродинамике движущихся сред. В основу своей теории Эйнштейн кладёт два постулата:

1. Принцип относительности - в любых инерциальных системах все физические процессы - механические, оптические, электрические и другие - протекают одинаково.

2. Принцип постоянства скорости света - скорость света в вакууме не зависит от движения источника и приемника, она одинакова во всех направлениях, во всех инерциальных системах и равна 3 108 м/с.

На статью Эйнштейна обратил внимание редактор журнала ''Анналы физики'', профессор Макс Планк. Работа Эйнштейна вызвала у него интерес возможностью провести ''такое грандиозное упрощение всех проблем электродинамики движущихся тел, что вопрос о допустимости принципа относительности должен ставиться в первую очередь в любой теоретической работе, посвященной этой области''. Вместе с тем, не найдя в работе Эйнштейна того обобщения уравнений механики, которое требовалось новым принципам относительности, он сам приступил к решению этой задачи. Свои результаты Планк доложил 23 марта 1906 г. на заседании Немецкого общества. Отметив, что ''принцип относительности, предложенный недавно Лоренцом и в более общей формулировке Эйнштейном'', требует пересмотров законов механики, он привёл вывод новых уравнений движения. Эта работа завершала создание релятивистской механики.