Он поставил перед собой задачу, основываясь на опыте, вывести формулу взаимодействия элементов тока. Задача была нелегкой. Опыт давал только интегральное взаимодействие. Ампер варьировал опыты с взаимодействием токов, пытаясь нащупать правильную формулу и, интегрируя ее для различных случаев конечных контуров тока, сравнить результат с опытом, формула Ампера открывает длинный ряд элементарных законов электродинамики.

Важно, что элементарные взаимодействия двух элементов тока не удовлетворяют третьему закону Ньютона, это новый тип взаимодействия, отличный от обычных центральных сил. Впрочем, то обстоятельство, что физика открыла новый тип сил, отличный от гравитационных, электростатических и магнитных сил, было ясно уже из опыта Эрстеда. Электродинамические силы, как правильно заметил Ампер, новые силы, отличные от сил, известных в электростатике.

Однако сам Ампер искал свой закон, опираясь на третий закон механики. Он полемизировал с Био, установившим, что силы, действующие со стороны элемента тока на магнитный полюс, образуют пару с силой, действующей со стороны полюса на элемент тока. Так началась проблема закона сохранения количества движения в электродинамике. Ампер еще не подозревал о существовании поля, о запаздывании электромагнитных действий. Он стоял на позициях дальнодействия, что для постоянных токов было допустимо. Но ему и его современникам уже пришлось столкнуться с новыми фактами, трудно объяснимыми при помощи ньютоновских представлений.

Рис. 8. Станок Ампера

Эрстед, а затем и Фарадей ясно увидели вихревой характер магнитного поля. В 1821 г. Фарадей доказал экспериментально, что отдельный магнитный полюс, помещенный вблизи проводника с током, приходит в непрерывное вращение. Ему пришлось проявить немало изобретательности, чтобы придумать такое расположение проводников и магнита, чтобы действию тока подвергался только один полюс. Магнит в опыте Фарадея вращался безостановочно, пока цепь была замкнута. Это была первая модель электродвигателя.

Как всегда бывает в науке, когда открывается новое поле исследования, появляется большое количество экспериментаторов и изобретателей, возникают бесчисленные споры о приоритете того или иного открытия. Имена этих экспериментаторов и изобретателей ныне забыты или полузабыты, Фарадею пришлось выдержать длительный спор о приоритете в открытии электромагнитных вращений.

Из многочисленных открытий и изобретений в области электричества, сделанных в 20-е годы XIX в., следует упомянуть об открытии в 1821 г. термоэлектричества. Оно принадлежит прибалтийскому физику Томасу Зеебеку (1770--1831). Это открытие стало возможным благодаря открытию Эрстеда и некоторое время даже именовалось термомагнетизмом. В свою очередь, открытие Зеебека и изобретение мультипликатора дали возможность немецкому учителю Георгу Ому (1787--1854) открыть количественный закон цепи электрического тока, носящий ныне его имя.

Ома закон, устанавливает, что сила постоянного электрического тока I в проводнике прямо пропорциональна разности потенциалов (напряжению) U между двумя фиксированными точками (сечениями) этого проводника:

RI = U

Опыты и теоретические рассуждения Ома, который находился под сильным влиянием вышедшего в 1822 г. сочинения Фурье (1768-1830) "Аналитическая теория тепла", были описаны им в основном труде "Гальваническая цепь, разработанная математически" (1827). Следует отметить, что этот закон, без которого мы сейчас не представляем себе учебника электричества, не сразу был принят физиками и стал входить в науку только в конце 30-х - начале 40-х годов XIX в. Его признание шло параллельно с успехами электрометрии. Одним из первых принял и применил закон Ома русский академик Э.Х.Ленц, который рассматривал и вопросы распределения тока в разветвленных проводниках, явившись предшественником Кирхгофа.

Ленц занимался также изучением электромагнитов, впервые на основе опытов Араго и теории Ампера созданных Вильямом Стердженом (1783-1850) в 1825 г. Электромагниты с большой подъемной силой были построены американским физиком Джозефом Генри (1799-1878), независимо от Фарадея открывшим электромагнитную индукцию. Однако его публикация об этом открытии запоздала, и слава великого открытия принадлежит Майклу Фарадею.

1.2 Труды М.Фарадея по постоянному току

Истоки современной электротехники восходят к замечательным трудам английского ученого Майкла Фарадея, которые, в свою очередь, были подготовлены предшествовавшими работами по изучению электрических и магнитных явлений.

Фарадея для науки открыл Хэмфри Дэви. Он очень много дал Фарадею, который признавал роль учителя в своем становлении как ученого. Многие работы Фарадея как бы логически вытекали из работ или идей Дэви.

Остановимся на законах электролиза, которые он открыл уже после смерти учителя, базируясь на теории Дэви, развитой Берцелиусом и другими известными учеными. Но количественных закономерностей изменений, происходящих в растворе, никто установить не смог. А звучат законы настолько просто, что диву даешься, как их не смогли сформулировать маститые ученые.

Количество разложенного при электролизе вещества увеличивается пропорционально силе тока и времени его прохождения.

Количество выделенных на электродах веществ пропорциональны их химическим эквивалентам.

Но законы не только позволили вести количественные расчеты. Благодаря законам Фарадея стало возможным сделать вывод "об электрической природе материи и об атомном строении электричества, на которых зиждется все современное материалистическое естествознание".

Д. Максвелл писал: "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 (т.е. заряды - с современной точки зрения), Фарадей искал сущность реальных явлений, протекающих в среде".

Нет нужды повторяться о той огромной роли, которую сыграл Дэви в судьбе Фарадея. Но рассказ будет неполным и искаженным, если мы упустим некоторые факты взаимоотношений учителя и ученика. Когда в 1823 г. Фарадей опубликовал несколько работ, связанных с проблемами химии, Дэви, напечатавшего всего одну статью за год, это задело за живое. Кроме того, ученые все больше ссылались в своих работах на Фарадея, а не на его учителя. Кончилось тем, что когда Фарадей подал заявление о приеме его в члены Королевского общества, президент сэр Хэмфри Дэви выступил против. Правда, Дэви одумался, и Фарадея в следующем году почти единогласно избрали членом Королевского общества (один голос против).

В 1834 г. Фарадей в работе "Об электрохимическом разложении" предложил ввести новую терминологию. И на этот раз, как и все, что выходило из-под пера Фарадея, терминология была проста, научно обоснованна и понятна: Электролиты, ионы (путешественники), катионы (к отрицательному полюсу), катод (путь вниз), анод (путь вверх) и соответственно, анионы. Это был вклад в основу единого языка и международного сотрудничества. Справедливо говорил Бульвер-Литтон, английский писатель: "Гений творит то, что он должен, талант - то, что может".

Знаменитый опыт Фарадея с тороидальным сердечником из мягкого железа и двумя обмотками, соединенными одна через ключ с батареей, другая с гальванометром, известен всем со школьной скамьи.

Явление электромагнитной индукции воспринимали, как открытие нового вида электричества - "магнитоэлектричества". Фарадей решил окончательно доказать, что в природе не существует разных "электричеств". Для этого он получил восемь различных действий от пяти видов "электричества" (обыкновенного, гальванического, животного, термоэлектричества и магнитоэлектричества). Следующая серия исследований Фарадея была посвящена электрохимическим явлениям. Он предложил и ныне принятую терминологию: электролиз, электрод, катод, анод, анион, катион.

Электролиз (от электро... и греч. lysis - разложение, растворение, распад), совокупность процессов электрохимического окисления-восстановления на погруженных в электролит электродах при прохождении через него электрического тока. Электролиз лежит в основе электрохимического метода лабораторного и промышленного получения различных веществ - как простых (электролиз в узком смысле слова), так и сложных (электросинтез).

Изучение и применение электролиза началось в конце 18 - начале 19 вв., в период становления электрохимии. Для разработки теоретических основ электролиза большое значение имело установление М. Фарадеем в 1833-34 точных соотношений между количеством электричества, прошедшего при электролизе, и количеством вещества, выделившегося на электродах.

Промышленное применение электролиза стало возможным после появления в 70-х гг. 19 в. мощных генераторов постоянного тока.

Особенность электролиза - пространственное разделение процессов окисления и восстановления: электрохимическое окисление происходит на аноде, восстановление - на катоде. электролиз осуществляется в специальных аппаратах - электролизёрах.

Электролиз происходит за счёт подводимой энергии постоянного тока и энергии, выделяющейся при химических превращениях на электродах. Энергия при электролизе расходуется на повышение гиббсовой энергии системы в процессе образования целевых продуктов и частично рассеивается в виде теплоты при преодолении сопротивлений в электролизёре и в других участках электрической цепи.

На катоде в результате электролиза происходит восстановление ионов или молекул электролита с образованием новых продуктов. Катионы принимают электроны и превращаются в ионы более низкой степени окисления или в атомы, например при восстановлении ионов железа (F³⁺ +e = Fe²⁺), электроосаждении меди (Cu²⁺ + 2e = Cu). Нейтральные молекулы могут участвовать в превращениях на катоде непосредственно или реагировать с промежуточными продуктами катодного процесса. На аноде в результате электролиза происходит окисление ионов или молекул, находящихся в электролите или принадлежащих материалу анода (анод растворяется или окисляется), например: выделение кислорода (4OH^- = 4e + 2H₂O + O₂) и хлора (2C1^- =2e + Cl₂), образование хромата (Cr³⁺ + 3OH^- + H₂O = CrO₄^2- + 5H⁺ + 3e), растворение меди (Cu = Cu²⁺ + 2e), оксидирование алюминия (2Al + 3H₂O = Al₂O₃ +6Н⁺ + 6e).

Электрохимическая реакция получения того или иного вещества (в атомарном, молекулярном или ионном состоянии) связана с переносом от электрода в электролит (или обратно) одного или нескольких зарядов в соответствии с уравнением химической реакции. В последнем случае такой процесс осуществляется, как правило, в виде последовательности элементарных одноэлектронных реакций, то есть постадийно, с образованием промежуточных ионов или радикальных частиц на электроде, часто остающихся на нём в адсорбированном состоянии.

Скорости электродных реакций зависят от состава и концентрации электролита, от материала электрода, электродного потенциала, температуры и ряда других факторов. Скорость каждой электродной реакции определяется скоростью переноса электрических зарядов через единицу поверхности электрода в единицу времени; мерой скорости, следовательно, служит плотность тока.

Были установлены соотношения между весами различных веществ, выделяемых на электродах при пропускании одного и того же количества электричества, связь между химическими и электрохимическими эквивалентами. При этом Фарадей пришел к выводу о необходимости ввести понятие "абсолютного количества электричества" - заряда грамм-атома одновалентного вещества, названного потом "числом Фарадея".

Количественные законы электролиза, открытые М. Фарадеем (1833 - 34) выражают связь между количеством прошедшего через электролит электричества, массой и химической природой (через эквиваленты химические) веществ, претерпевших превращение на электродах,

1-й закон.: массы т превращенных веществ пропорциональны количеству электричества q, прошедшего через электролит,

2-й закон.: массы различных веществ, превращенных в результате прохождения через электролит одного и того же количества электричества, пропорциональны химическим эквивалентам А этих веществ.

Из второго закона Фарадея следует, что для выделения электрическим током 1 г-экв. различных веществ необходимо одно и то же количество электричества, называемое Фарадея числом F. Математически законы Фарадея можно записать в виде одного уравнения т = (A/F) q = kq (коэффициент k = A/F называется электрохимическим эквивалентом).

Оба закона Фарадея абсолютно точны, если ионами электролита переносится всё прошедшее через него количество электричества. Наблюдаемые в некоторых случаях отклонения от этих законов могут быть связаны с неучтенными побочными электрохимическими реакциями (например, выделение газообразного водорода при электроосаждении некоторых металлов) или с частичной электронной проводимостью (например, при электролизе некоторых расплавов).

Не будучи сторонником теории о существовании неделимых атомов, он открыл путь к введению понятия атома электричества (заряда электрона) и, таким образом, к мысли о сложности строения самого атома. Величина заряда электрона определяется, как известно, делением числа Фарадея на число Авогадро.

1.3 Исследование положений М.Фарадея о существовании электрического и магнитного полей

В 1838 году Фарадей провел серию разнообразных опытов с газовыми разрядами различных типов и, в частности, обнаружил необъяснимое в то время "темное пространство" (названное его именем), свидетельствующее об отсутствии симметрии в поведении положительных и отрицательных носителей разрядного тока.

С 1839 года силы Фарадея пришли в упадок. Как показал проведенный в последствии анализ симптомов болезни ученого, это было ртутное отравление (Фарадей постоянно пользовался ртутными контактами). Но могло сказаться и переутомление от чрезвычайно напряженной умственной работы. В 1845 году, когда самочувствие его улучшилось, он осуществил давно задуманный опыт по выявлению связи света и магнетизма и обнаружил вращение плоскости поляризованного света в магнитном поле.

К началу 1850 г.г. Фарадей сконцентрировал внимание на магнитных явлениях, достиг важных результатов, как в экспериментах, так и в развитии своих теоретических воззрений.

В эпохальных опытах Гальвани, Эрстеда, Фарадея и др. открытые ими явления были неожиданными, непредсказуемыми, трудно поддававшимися объяснению. В конце концов, их открытия привели к осмыслению новой картины мира, а практически - к совершенно новым видам связи, новой энергетике, новому образу жизни.

При этом главную роль в теоретическом осмыслении нового круга явлений сыграл именно Фарадей. Он не был в плену общепринятых механистических концепций и опирался на наблюдения, опыты, интуицию и упомянутую уже идею о взаимосвязи и взаимопревращаемости сил природы.

Фарадей категорически отвергал мнение о мгновенном дальнодействии. Ключевое слово для него - индукция. И не только в трактовке опытов, но и в стиле их проведения. Его интересовал механизм действия сил в разных средах, электрические и магнитные процессы, происходящие как в веществе, так и в пространстве. Им было введено понятие диэлектрика, диэлектрической проницаемости, которую он называл удельной индуктивной способностью, открыт диамагнетизм, как универсальное свойство материи, в парамагнетике подавляемое. В то время существовала гипотеза об эфире, помогающая понять поперечность световых волн, как механических колебаний. Фарадей ею не пользуется. Он совершает смелый шаг, утверждая самостоятельное существование электрических и магнитных силовых линий, предвосхищая этим идею существования поля, как физической реальности.

Подвиг Фарадея состоит в том, что он завершил накопление экспериментальных открытий в области электромагнетизма и положил начало их теоретическому осмыслению, завершенному Максвеллом. Наглядность перестала быть обязательной для объяснения физических явлений.

Мысль об объяснении световых явлений с помощью колебаний электрических и магнитных сил, распространяющихся с конечной скоростью, возникла у него еще в 1832 году, когда он оставил в Лондонском Королевском обществе описание своей гипотезы в запечатанном пакете, но хотел закрепить свой приоритет. Пакет был вскрыт только через сто с лишним лет, в 1938 году, через пол века после того, как Генрих Герц окончательно доказал существование электромагнитных (в том числе световых) волн.

В 1845 году М. Фарадеем открыт эффект Фарадея, который явился первым доказательством наличия прямой связи между магнетизмом и светом.

Эффект Фарадея, один из эффектов магнитооптики, заключается во вращении плоскости поляризации электромагнитного излучения (например, света), распространяющегося в веществе вдоль силовых линий постоянного магнитного поля, проходящих через это вещество.

Феноменологическое объяснение эффекта Фарадея заключается в следующем. Намагниченное вещество в общем случае уже нельзя охарактеризовать единым преломления показателем n.

Показатели преломления n + и n- для излучения правой и левой круговых поляризаций становятся различными. Проходящее через изотропную среду линейно поляризованное излучение всегда может быть формально представлено как суперпозиция (наложение) двух поляризованных по правому и левому кругу волн с противоположным направлением вращения.

Различие n + и n- приводит к тому, что поляризованные по правому и левому кругу составляющие излучения распространяются в среде с различными фазовыми скоростями, приобретая разность хода, линейно зависящую от оптической длины пути. В результате плоскость поляризации монохроматического света с длиной волны (после прохождения в среде пути l поворачивается на угол ц: (= ц_l (n + - n-)/ц. Разность (n + - n-) линейно зависит от напряжённости магнитного поля Н в области не очень сильных полей, в которой в общем случае справедливо соотношение ц = VH_l, где константа пропорциональности V зависит от свойств вещества, длины волны излучения и температуры и носит название постоянной Верде.

Эффект Фарадея оказался тесно связанным с Зеемана эффектом, открытым в 1896 и обусловленным расщеплением уровней энергии атомов и молекул магнитным полем. Частоты, соответствующие отщепленным уровням, сдвигаются симметрично по отношению к основной частоте. Эта симметричность проявляется, в частности, в том, что квантовые переходы между этими уровнями при продольном относительно поля распространении света (в этом случае можно считать исходный уровень расщепленным лишь на 2 подуровня) происходят с испусканием и поглощением фотонов, поляризованных по кругу направо и налево. В результате показатели преломления (и коэффициент поглощения), слабо зависящие от длины волны (частоты) света, становятся различными для право- и левополяризованных по кругу компонент монохроматического излучения. Грубо можно сказать, что различие скоростей обусловлено различием длин волн (частот) света, поглощаемого и переизлучаемого частицами вещества. Строгое описание Ф. э. возможно лишь в рамках квантовой теории.

В эффекте Фарадея ярко проявляется специфический характер вектора напряжённости магнитного поля Н (Н - осевой вектор, "псевдовектор"). Обусловленное Н направление поворота плоскости поляризации при эффекте Фарадея, в отличие от явления естественной оптической активности, не зависит от направления распространения излучения. Поэтому многократное прохождение света через среду, помещенную в магнитное поле, приводит к возрастанию угла поворота плоскости поляризации в соответствующее число раз. Эта особенность эффекта Фарадея нашла применение при конструировании так называемых невзаимных оптических и микроволновых устройств, циркуляторов, гираторов, фазовращателей СВЧ и т.д. Эффект Фарадея широко используется в научных исследованиях.

В этой области столько открытий и идей, предложенных Фарадеем, что только перечисление эффектов, явлений и физических величин, названных именем Фарадея, очень впечатляет.

Фарада, единица электрической ёмкости в Международной системе единиц и в МКСА системе единиц. Названа в честь М. Фарадея. Обозначения: рус. ф, международное F. 1 Ф. - ёмкость конденсатора, при которой заряд в 1 кулон создаёт на обкладках конденсатора разность потенциалов 1 вольт. Единица ёмкости системы СГСЭ 1 см = (с - числовое значение скорости света в вакууме, выраженное в см/сек). В практике чаще применяются дольные от Ф. единицы: микрофарада (мкф, ?F), 1 мкф = 10-6 ф, и пикофарада (пф, pF), 1 пф = 10-12ф.

Фарадей, внесистемная единица количества электричества, применяется в электрохимии; названа в честь М. Фарадея. 1 Ф. = (9,648456 ± 0,000027) (104 к (на 1973), т. е. равен стольким же кулонам, сколько к/моль содержится в Фарадея числе.

В 1840 году, ещё до открытия закона сохранения энергии, Фарадей высказал мысль о единстве "сил" природы (различных видов энергии) и их взаимном превращении. Он ввёл представления о силовых линиях, которые считал физически существующими.

Силовые линии, линии, проведённые в каком-либо силовом поле (электрическом, магнитном, гравитационном), касательные к которым в каждой точке пространства совпадают по направлению с вектором, характеризующим данное поле (напряжённостью электрического или гравитационного полей, магнитной индукцией). Изображение силовых полей с помощью Силовых линии - частный случай изображения любых векторных полей с помощью линий тока. Так как напряжённости полей и магнитная индукция - однозначные функции точки, то через каждую точку пространства может проходить только одна Силовая линия. Густота силовых линий обычно выбирается так, чтобы через единичную площадку, перпендикулярную к силовой линии, проходило число силовых линий, пропорциональное напряжённости поля (или магнитной индукции) на этой площадке.

Таким образом, силовые линии дают наглядную картину распределения поля в пространстве: густота силовых линий и их направление характеризуют величину и направление напряжённости поля. Силовые линии электростатического поля всегда незамкнуты: они начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных (или уходят на бесконечность). Силовые линии вектора магнитной индукции всегда замкнуты, т. е. магнитное поле является вихревым. Железные опилки, помещенные в магнитное поле, выстраиваются вдоль силовых линий; благодаря этому можно экспериментально определять вид силовых линий магнитной индукции. Вихревое электрическое поле, порождаемое изменяющимся магнитным полем, также имеет замкнутые силовые линии.

Идеи Фарадея об электрическом и магнитном полях оказали большое влияние на развитие всей физики. В 1832 году Фарадей высказал мысль о том, что распространение электромагнитных взаимодействий есть волновой процесс, происходящий с конечной скоростью.

1.4 Исследование положений Фарадея о превращении магнетизма в электричество и электричества в магнетизм

Талантливый экспериментатор, наделённый научной интуицией, Фарадей поставил ряд опытов, в которых были открыты фундаментальные физические законы и явления. Ознакомившись с работой Х. Эрстеда об отклонении магнитной стрелки вблизи проводника с током (1820), Ф. занялся исследованием связи между электрическим и магнитными явлениями и в 1821году впервые обнаружил вращение магнита вокруг проводника с током и вращение проводника с током вокруг магнита. В течение последующих 10 лет Фарадей пытался "превратить магнетизм в электричество"; его исследования завершились в 1831году открытием индукции электромагнитной. Он детально изучил явление электромагнитной индукции, вывел её основной закон, выяснил зависимость индукционного тока от магнитных свойств среды, исследовал явление самоиндукции и экстратоки замыкания и размыкания. Открытие явления электромагнитной индукции сразу же приобрело огромное научное и практическое значение; оно легло в основу электротехники.

Работам Фарадея в области электричества положило начало исследование так называемых электромагнитных вращений. Из серии опытов Эрстеда, Араго, Био, Савара, проведенных в 1820 г., стало известно не только об электромагнетизме, но и о своеобразии взаимодействий тока и магнита: здесь действовали не привычные для классической механики центральные силы, а силы иные, стремившиеся установить магнитную стрелку перпендикулярно проводнику. Фарадей поставил перед собой вопрос: не стремится ли магнит к непрерывному движению вокруг проводника с током? Опыт подтвердил гипотезу.

В 1821 году Фарадей дал описание физического прибора. В левом сосуде с ртутью находился стержневой постоянный магнит, закрепленный шарнирно в нижней части. При включении тока его верхняя часть вращалась вокруг неподвижного проводника. В правом сосуде стержень магнита был неподвижен, а проводник с током, свободно подвешенный на кронштейне, скользил по ртути, совершая вращение вокруг полюса магнита. Это было первое электромагнитное устройство с непрерывным движением. Именно с этого момента, судя по всему, у Фарадея начинают складываться представления о всеобщей ''взаимопревращаемости сил''. Получив при помощи электромагнетизма непрерывное механическое движение, он ставит перед собой задачу обратить явление или, по терминологии Фарадея, превратить магнетизм в электричество.

Схема прибора изображена на рис. 9. В левом сосуде с ртутью находился постоянный магнит, закрепленный шарнирно в нижней части. В сосуд опускался неподвижный проводник, и при включении тока верхняя часть магнита начинала вращаться вокруг проводника. В правом сосуде стержень был неподвижен, а проводник с током,свободно подвешенный на кронштейне, скользил по ртути, совершая вращение вокруг полюса магнита.

Рис.9. Схема "электромагнитных вращений" (по рисунку Фарадея): 1,2 -- чаши с ртутью; 3 -- подвижный магнит; 4 -- неподвижный магнит; 5, 6 -- провода, идущие к батарее; 7 -- медный стержень; 8 -- неподвижный проводник; 9 -- подвижный проводник.

Это явление было названо "эффектом электромагнитных вращений"; таким образом, Фарадей впервые показал возможность построения электрического двигателя и опубликовал в журнале Королевского общества статью "О новых электромагнитных движениях".

В качестве примера, характеризующего ход мыслей ученого и формирование его представлений об электромагнитном поле, рассмотрим явление, получившее тогда название ''магнетизма вращения''. За много лет до работ Фарадея мореплаватели заметили тормозящее влияние медного корпуса компаса на колебания магнитной стрелки. В 1824 году Араго описал это явление, но ни он, ни другие физики объяснить явление ''магнетизма вращения'' не могли. Сущность явления состояла в следующем. Подковообразный магнит мог вращаться вокруг вертикальной оси, а над его полюсами находился алюминевый диск, который также мог вращаться на оси, совпадающей по направлению с осью вращения магнита. В состоянии покоя никаких взаимодействий между диском и магнитом не наблюдалось. Но стоило начать вращать магнит, как диск устремлялся вслед за ним и наоборот. Чтобы исключить возможность увлечения диска потоками воздуха, магнит и диск были разделены стеклом. Открытие электромагнитной индукции помогло Фарадею объяснить явление Араго и уже в самом начале исследования записать: ''Я надеялся сделать из опыта господина Араго новый источник электричества'' Только абсолютная убежденность в справедливости гипотезы ''взаимопревращаемости'' может объяснить целеустремленность и настойчивость Фарадея. Прошло целых семь лет, пока Фарадей, и никто другой, сумел объяснить "загадку" Араго. Но прежде он должен добиться "превращения магнетизма в электричество". 29 августа 1831 г. -- памятный день не только в жизни Фарадея, но и в истории науки. Из рисунков в лабораторном журнале видна последовательность его заключительных экспериментов, приведших к величайшему открытию.

На деревянную катушку 4 (рис. 10, а) была намотана медная проволока 1, а между ее витками наматывалась вторая проволока 2, изолированная от первой хлопчатобумажной нитью. Одна из спиралей соединялась с гальванической батареей 3, другая с гальванометром 5. При замыкании и размыкании цепи стрелка гальванометра слабо отклонялась. Но (и это очень важное наблюдение) если ток проходил по первой спирали непрерывно, стрелка гальванометра оставалась неподвижной. Было очевидно, что в первом случае во вторичной цепи возникал ток. Но почему он появлялся только при замыкании или размыкании цепи, то есть при возникновении "магнитных сил" вокруг проводника или при их исчезновении? Чтобы выяснить свойства тока, индуктированного во вторичной цепи, Фарадей поместил внутрь вторичной обмотки стальную иглу 8 (рис. 10, 6) и убедился, что она намагничивается.

Следовательно, возникший ток обладал теми же свойствами, что и ток, полученный от батареи. Эти явления Фарадей назвал "вольтаэлектрической индукцией".

Рис. 10. Схема основных опытов при открытии электромагнитной индукции (по рисункам Фарадея).

Но почему гальванометр отклоняется только при замыкании и размыкании цепи? На этот вопрос в наши дни может легко ответить любой старшеклассник, а великий экспериментатор оставался наедине со своими сомнениями. Подозревая, что взаимодействие двух обмоток осуществляется через окружающую среду, он заменил деревянную катушку железным кольцом 1 (рис. 10, г). И оказалось, что стрелка гальванометра отклонялась на больший угол, то есть окружающая проводник с током среда действовала сильнее, когда воздух заменяло железное кольцо, легко намагничивающееся током. Так Фарадей пришел к одному из самых фундаментальных своих открытий -- установлению активной роли среды, окружающей спирали,; то есть магнитного поля. Заметим, кстати, что в опыте с железным кольцом и двумя спиралями можно увидеть прообраз простейшего трансформатора (Рис. 12).

Но Фарадей знал, что магнитное состояние среды можно изменить и без электрического тока с помощью обычных стержневых постоянных магнитов. Он расположил два постоянных магнита (рис. 10, д) так, что при поднятии и опускании их полюсов исчезает и возникает магнитное поле вокруг катушки. При этом стрелка гальванометра заметно отклоняется. Это явление Фарадей назвал "магнитоэлектрической индукцией". Ввиду того, что между "вольтаэлектрической" и "магнитоэлектрической" индукцией принципиальной разницы не было, позднее оба эти явления были объединены Фарадеем термином "электромагнитная индукция". Два заключительных эксперимента (рис. 2, е-ж) демонстрировали появление тока при движении внутри соленоида постоянного магнита или катушки с током. При этом особенно наглядно демонстрировалась возможность "превращения магнетизма в электричество" -- гениальная гипотеза ученого была убедительно подтверждена!А через несколько дней Фарадей осуществил еще один эксперимент, с помощью которого наглядно объяснил явление Араго: при вращении магнита в медном диске наводились индуктированные токи и они, взаимодействия с полюсами магнита, вызывали вращение диска.

Но Фарадей не был бы Фарадеем, если бы не предложил использовать это явление на практике. Он писал: "Получив электричество из магнетизма вышеописанным образом, я полагаю, что опыт г-на Араго может стать новым источником получения электричества, и я надеялся, что... мне удастся сконструировать электрическую машину". Ученый принес в лабораторию большой подковообразный электромагнит (хранящийся до сих пор в музее Лондонского Королевского общества), прикрепил к полюсам магнита "два стальных бруска", а в промежуток между ними ввел край медного диска. Край диска и его ось были соединены посредством щеток с гальванометром (рис. 11). При вращении диска в нем возникал ток. Так была создана электрическая машина, позднее получившая название "униполярный генератор".

Рис. 11. Схема униполярного генератора (по рисунку Фарадея).

При объяснении возникновения тока в диске машины Фарадей вводит понятие "магнитных силовых линий", при пересечении которых возбуждается ток. "Эти линии магнитных сил, -- писал Фарадей, -- становятся доступными нашему зрению, когда мы рассматриваем расположение железных опилок вокруг полюса магнита". Так удивительно образно сумел он описать сложное физическое явление.

В августе 1831 г. был сделан решающий опыт, а 24 ноября на заседании в Королевском обществе была изложена сущность явления электромагнитной индукции. Семнадцатого октября 1831 г. Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Это был хорошо подготовленный и заранее продуманный опыт. Вот как об этом писал Фарадей: ''Я взял цилиндрический магнитный брусок и ввел один его конец в просвет спирали из медной проволоки, 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. Это значит, что электрическая волна возникает только при движении магнита, а не в силу свойств, присущих ему в покое''.

Вслед за открытием электромагнитной индукции Фарадей проверяет новую идею. Если движение магнита относительно проводника создает электричество, то, видимо, движение проводника относительно магнита должно приводить к такому же результату. Значит, есть возможность создать генератор электрического тока, обеспечив непрерывное относительное движение проводника и магнита. Фарадей быстро строит и испытывает новое устройство: между полюсами подковообразного магнита вращается медный диск, с которого при помощи скользящих контактов (один на оси, другой на периферии) снимается напряжение. Это был первый генератор электрического тока!

Рис. 12. Первый генератор электрического тока Фарадея

С ноября 1831 г. Фарадей начал систематически печатать свои ''Экспериментальные исследования по электричеству'', составившие 30 серий более чем из 3000 параграфов. Первая серия посвящена электромагнитной индукции; последняя - законам намагничивания (1855 г.). В этих сериях отражена двадцатичетырехлетняя работа Фарадея, в них жизнь, мысли и воззрения ученого.

Фарадей высказал новые, оправдавшиеся в дальнейшем идеи о природе тока и магнетизма, о механизме проводимости в различных средах и др. Он доказал тождество различных видов электричества: полученного от трения, "животного", "магнитного" и др.

Роль Фарадея в человеческой цивилизации совершенно уникальна. До него ученые - естествоиспытатели исследовали круг явлений, известных из повседневного опыта и воспринимаемых каким-либо из пяти органов чувств человека. Фарадей же открыл новый вид материи, органами чувств не воспринимаемый - электоромагнитное поле, положив новые пути развития науки и техники. Не зря говорят: "Гений творит то, что должен".

Джозеф Генри - человек, которого не признали современники, - решал проблему получения электричества с помощью магнитного поля. Он пришел к выводу, что вызвать электрический ток в замкнутом витке проводника можно, если магнит перемещать возле провода. Далее, создав магнитное поле, он, меняя ток, заставил колебаться и магнитное поле. В другом проводе, находящемся в переменном магнитном поле, индуцировался ток. Генри оттягивал публикацию, пытаясь накопить побольше фактов, и... в мае 1832 года он прочел в журнале:

"17 февраля. Господин Фарадей сделал отчет (в Королевском обществе) о первых двух разделах его исследований в области электричества, а именно, о вольто-электрической и магнитно-электрической индукции...

Если перемещать магнит вблизи проводника, не подключенного к источнику электрической энергии, то в последнем индуцируется электрический ток, который легко обнаружить".

Опыты, на основании которых Фарадей подготовил статью, были проведены несколькими месяцами раньше, а Генри... трудился над этой проблемой многие годы и был обойден заслуженной им славой по своей вине. Слава, таким образом, пришла к Майклу Фарадею, чье имя увековечено в двух физических единицах, что крайне редко: единица электролитической емкости - "фарада" - и число, определяющее величину электрического заряда в электролите, переносящего одну грамм-молекулу вещества, - "число Фарадея".

Было еще одно обстоятельство, которое способствовало тому, что легко и просто донесло до читателей (естественно, ученых) суть изложенного Фарадеем материала. Он много внимания уделил тому, чтобы статья читалась легко, была привлекательной по стилю.

К сожалению, не только наши ученые иногда присылают "вымученные" статьи, которые вряд ли заинтересуют кого-либо. Вот исторический пример.

Когда Гельмгольц свою статью о скорости распространения нервного возбуждения направил для рассмотрения товарищу, Дюбуа Реймон ответил:

"Твоя работа - я это говорю с гордостью и горечью - здесь в Берлине понята и оценена только мною. Ты изложил сущность дела (не обижайся на меня) так непоследовательно и туманно, что твоя работа может служить лишь пособием к разгадке метода исследования".

Гельмгольц учел критику друга и впоследствии не раз переписывал статьи, чтобы довести их до совершенства.

Долгое время ученым не удавалось обнаружить связь между магнитным полем и электрическим током. Именно движущийся магнит, или меняющееся во времени магнитное поле, может возбудить электрический ток в катушке.

Эту же задачу решал в то же самое время швейцарский физик Колладон. Чтобы магнит не воздействовал на стрелку гальванометра, концы катушки, в которую Колладон вдвигал магнит, он вывел в другую комнату, куда ему приходилось выходить для проведения эксперимента. Но, вставив магнит в катушку, перейдя в другую комнату, он убеждался, что стрелка "мертва". Так было утеряно великое открытие. И в этом случае Фарадею "повезло". В течение одного месяца он, ставя опыты, сделал целый ряд открытий особенностей электромагнитной индукции.

Благодаря блестящему таланту и великому трудолюбию М.Фарадей сделал так много открытий, изменивших человеческую жизнь. В этом его великая заслуга и роль.

Трудно удержаться от перечисления всех великих открытий Фарадея. Здесь и диа- и парамагнетизм, и вращение плоскости поляризации света в магнитном поле, и магнитная анизотропия, и постановка вопроса о влиянии магнитного поля па излучение, и исследование электрического разряда в газе и многое другое. Но совершенно невозможно не упомянуть еще об одной стороне деятельности Фарадея - стремлении доводить результаты научных исследований до применения их на практике.

Глава 2. Исследование электродинамики Фарадея-Максвелла

Открытие датским естествоиспытателем Эрстедом действия замкнутого на батарею проводника на магнитную стрелку послужило отправной точкой для исследований Фарадея, ставших главным делом его жизни. Современников поразило, что сила, действующая на стрелку компаса, поворачивалась не по направлению к проводнику, а перпендикулярно ему. Фарадей пошел дальше: он сконструировал прибор с ртутными контактами и заставил вращаться проводник вокруг магнита, а незакрепленный конец магнита ("полюс") - вокруг тока. Уже в этой работе, написанной в сентябре 1821 года, содержались в зародыше многие развитые им в последствии идеи.

Тогда же у Фарадея возникло желание получить обратный эффект - "превратить магнетизм в электричество". Подобные попытки предпринимали также Френель, Ампер, Де ля Рив и др... Но даже в тех случаях, когда индукционные эффекты наблюдались, они либо не были правильно поняты, либо сочтены случайными.

Первые научные работы Фарадея относятся к химии. Они обратили на себя внимание европейских химиков и сделали его имя широко известным Д.И.Менделеев в своих знаменитых "Основах химии" неоднократно упоминает имя Фарадея. Он цитирует его характеристику пламени, воспроизводит описание его опыта по анализу пламени свечи, неоднократно упоминает его результаты в области сжижения газов и его закон электролиза. Менделеев сочувственно упоминает о фарадеевском понимании электрического тока как переносчика химического движения. В истории химии Фарадей занимает видное место.

Всемирную славу Фарадею принесли его электрические исследования. Открытие Эрстеда взволновало ученых Королевского института. Дэви и Волластон не только повторили его опыты, но и придумали новые демонстрации взаимодействия токов и магнитов, Фарадей, заинтересовавшись новым открытием, тщательно изучил литературу по этому вопросу и выступил в 1821--1822 гг. со статьей "Опыт истории электромагнетизма". Статья Эрстеда подсказывала мысль о наличии вращения вокруг тока. Идею электромагнитного вращения высказал Волластон.

Фарадей, придя к ней самостоятельно, стал думать о том, как экспериментально обнаружить его. Ему удалось обеспечить действие тока лишь на один из полюсов магнита и с помощью ртутного контакта осуществить непрерывное вращение магнита вокруг проводника с током.

Этот первый электродвигатель заработал у Фарадея в декабре 1821 г. Тогда же Фарадей записал в своем дневнике задачу: превратить магнетизм в электричество. Решение этой задачи потребовало около десяти лет. С ноября 1831 г. Фарадей начал систематическую публикацию своих исследований по электричеству, составивших трехтомный труд под заглавием "Экспериментальные исследования по электричеству".

В первой серии, датированной 24 ноября 1831 г. и содержащей разделы:

· об индукции электрических токов,

· об образовании электричества и магнетизма,

· о новом электрическом состоянии материи,

· объяснение магнитных явлений Араго,- описаны основные опыты Фарадея по электромагнитной индукции.

В первом опыте, с помощью которого и было открыто новое явление, Фарадей использовал деревянный цилиндр, на который были намотаны две изолированные друг от друга обмотки. Одна из них была соединена с гальванической батареей, другая - с гальванометром. При замыкании и размыкании тока в первой обмотке стрелка гальванометра во второй обмотке отклонялась при замыкании тока в одну сторону, при размыкании в противоположную. Действие одной цепи электрического тока на другую фарадей назвал вольта-электрической индукцией. Вольта-электрическая индукция усиливалась, если внутрь обмотки помещали железо, фарадей устроил индукционный прибор в виде железного кольца (тора), на которое были намотаны две изолированные обмотки -- первичная с источником тока и вторичная с гальванометром. Кольцо фарадея было первой моделью трансформатора.

Затем Фарадей получил индукционные действия с помощью обыкновенных магнитов. Явления эти Фарадей назвал магнитоэлектрической индукцией. Фарадей считал, что проводник, подвергающийся индукционному воздействию со стороны другого тока или магнита, находится в особом состоянии, которое он назвал электротоническим. Это название не удержалось в науке, но именно отсюда началось исследование фарадеем роли среды в электромагнитных взаимодействиях.

Существенно, что Фарадей, отмечая переменный характер процесса индукции, говорит об "индуцированной волне электричества". Несколькими месяцами позже, 12 марта 1832 г., он фиксировал результат своих наблюдений над временным характером индукционных явлений в специальном письме, озаглавленном "Новые воззрения, подлежащие в настоящее время хранению в запечатанном конверте в архивах Королевского общества".

В этом замечательном письме, обнаруженном в архивах лишь спустя 106 лет, т. е. в 1938 г., содержится совершенно определенный вывод, "что на распространение магнитного взаимодействия требуется время", что действие одного магнита на другой "распространяется от магнитных тел постепенно и для своего распространения требует определенного времени". фарадей указывает, "что электрическая индукция распространяется точно таким же образом", и считает "возможным применить теорию колебаний к распространению электрической индукции". Процесс распространения индукции похож "на колебания взволнованной водной поверхности или же на звуковые колебания частиц воздуха". Фарадей пишет, что он хотел бы проверить свои идеи экспериментально, но ввиду занятости решил передать свое письмо на хранение, чтобы закрепить за собой открытие фиксированной датой. Он указывает, что "в настоящее время, насколько мне известно, никто из ученых, кроме меня, не имеет подобных взглядов".

Поразительна интуиция Фарадея, позволившая ему вскоре после открытия электромагнитной индукции прийти к идее электромагнитных волн. Он совершенно прав, считая эту идею чрезвычайно важной и утверждая свой приоритет в специальном письме, датированном точной датой.

Вполне понятны заботы Фарадея о приоритете. В конце раздела "Об электротоническом состоянии" он упоминает о претензиях на приоритет в открытии индукции со стороны Френеля и Ампера. К открытию независимо от фарадея пришел и Генри. После публикации фарадея многие физики осознали, что они наблюдали в своих экспериментах по магнитному действию токов аналогичные явления. Открытие "носилось в воздухе". В истории науки действует закон созревания открытий: наступает время, когда открытие должно быть сделано, оно созрело. Так было с законом тяготения, с открытием математического анализа, так было и с законом индукции.

В последнем разделе первой серии Фарадей объясняет явление, открытое Араго. Магнитная стрелка, помещенная под плоскостью медного диска, приходит во вращение, когда диск вращается. Точно так же при вращении магнита приходит во вращение подвешенный над ним медный диск, фарадей объяснил это открытое Араго загадочное явление действием электромагнитной индукции и указал, что эффект Араго дает возможность получить "новый источник электричества". Между полюсами магнита вращался медный диск. Скользящие контакты у периферии и центра диска отводили генерируемый при вращении диска ток к цепи, содержащей гальванометр. "Этим было показано, - пишет Фарадей, - что можно создать постоянный ток электричества при помощи обыкновенных магнитов", Фарадей в этом опыте сконструировал униполярную динамо-машину. Варьируя опыты с получением индукционного тока вращением проводников или магнитов, Фарадей приходит к важному выводу: "Все эти результаты,- пишет он, - доказывают, что способность индуцировать токи проявляется по окружности вокруг магнитной равнодействующей или силовой оси точно так, как расположенный по окружности магнетизм возникает вокруг электрического тока и им обнаруживается". Установленную фарадеем связь Максвелл позднее выразил математически.

Рис. 13. Электромагнитное вращение. Рисунок Фарадея

Установленный Фарадеем факт, что электродвижущая сила индукции возникает при изменении магнитного потока (замыкании, размыкании, изменении тока в индуцирующих проводниках, приближении и удалении магнита и т. д.), Максвелл выразил равенством:

Здесь е -- электродвижущая сила индукции, Ф -- магнитный поток, охватываемый проводником, в котором индуцируется ток. Фарадей говорит о том, что способность индуцировать токи "проявляется по окружности вокруг магнитной равнодействующей". Это, как показал Максвелл, означает, что переменное магнитное поле окружено вихревым электрическим полем. В векторной форме закон, открытый Фарадеем, выражается уравнением:

Знак минус, поставленный в равенствах (1) и (1'), соответствует правилу, установленному петербургским академиком Э. X. Ленцем.

В 1846 г. франц Нейман (1798-1895) нашел выражение закона индукции в следующем виде:

V=-дA/dt

где знак минус показывает, что на создание индукционного тока надо затратить энергию.

Фарадей продолжал изучение электромагнитной индукции во второй серии своих "Экспериментальных исследований" (январь 1832 г.).

В третьей серии (январь 1833 г.) Фарадей кладет конец спору о различных видах электричества: обыкновенном, гальваническом, животном, индукционном.

Рядом опытов он показывает, что все виды электричества тождественны между собой, различаясь только знаком. Исследуя действия, производимые обыкновенным, гальваническим, магнитным, термическим и животным электричеством, Фарадей приходит к фундаментальному заключению: "Отдельные виды электричества тождественны по своей природе, каков бы ни был их источник".

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".