Год открытия электромагнетизма майклом фарадеем. Биография майкла фарадея

Гэмфри Дэви стал профессором в 23 года. За свою долгую жизнь в науке он успел сделать очень много: открыл несколько новых химических элементов, сумел с помощью электрического тока выделить из расплава солей их составные части, в том числе очень чистые металлы, изобрел шахтерскую взрывобезопасную лампу, обнаружил обезболивающие свойства закиси азота и предложил применять ее во время хирургических операций, доказал, как полезно заменить воду в кислотой, что в несколько раз увеличило силу электрического тока, получаемого от источника электроэнергии, созданного Алессандро Вольтой.

Гэмфри Дэви заслужил много научных и общественных наград, прибавил к своему имени почетную приставку «сэр», был избран президентом Лондонского Королевского общества.

Но на вопрос о его самом большом открытии в жизни сэр Гэмфри Дэви ответил: «Самым великим моим открытием было открытие Фарадея». И он, несомненно, прав.

Один из историков науки справедливо писал: «…работы других ученых - Кулона, Гальвани, Эрстеда, Араго, Ампера - представляли собой отдельные «пики», тогда как Фарадей воздвиг «горную цепь» из взаимосвязанных работ».

Фарадей сумел значительно опередить свое время не только существом сделанных им открытий, но и цельным подходом к научному творчеству. Он считал, что необходимо искать общность разных процессов в Природе, изучать «точки соприкосновения» областей знания, ибо на стыке наук можно обнаружить совершенно новые закономерности исследуемого явления.

На стыке физики и химии сделаны работы Фарадея по изучению влияния электрического тока на осаждение и разложение веществ. Два основополагающих закона электролиза были установлены именно Фарадеем…

Изучая сходство и различие оптических и электрических явлений, Фарадей показал, что электрический ток может усиливать и ослаблять свет.

И конечно, главное - Фарадей доказал окончательно, что электричество и магнетизм неразрывно связаны.

Одиннадцать лет после открытий Эрстеда и Ампера размышлял Фарадей над этой проблемой. Электричество явно обладает магнитной силой, и теперь осталось подтвердить влияние магнитных явлений на электрические. Физическая природа их так близка!

29 августа 1831 года, как зафиксировано в лабораторном журнале Фарадея, был выполнен исторический эксперимент. На большую деревянную катушку Фарадей навил две электрические спирали, изолированные друг от друга хлопчатобумажной нитью. По одной из спиралей пропускался ток, который Фарадей резко включал и выключал, а другая была соединена с гальванометром - прибором, отмечавшим появление тока во второй спирали.

«При замыкании цепи,- записал Фарадей в журнале,- удавалось заметить внезапное, но чрезвычайно слабое действие на гальванометре, и то же самое замечалось при прекращении тока. При непрерывном прохождении тока через одну из спиралей не удавалось отметить… действия на гальванометр…»

Спирали из проводников, как доказал Ампер, подобны по своим свойствам магнитам, и Фарадей продолжает свои опыты, заменив одну из спиралей на магнит. Сильные всплески тока возникают, когда Фарадей двигает магнит в катушке со спиралью или, наоборот, перемещает катушку относительно магнита.

Фарадей замечает основные особенности явления: ток возникает только при движении катушки и магнита относительно друг друга; направление тока, возникающего в момент, когда магнит входит в катушку, изменяется на противоположное при выходе магнита из катушки.

Электромагнитная индукция Фарадея

Обнаруженное Фарадеем явление получило название электромагнитной индукции . Его недаром относят к наиболее выдающимся открытиям XIX века - работа миллионов электродвигателей и генераторов электрического тока во всем мире основана на явлении электромагнитной индукции…

Фарадей глубоко верил в единство электрических и магнитных явлений. Первым из ученых он предложил понятие об электрическом и магнитном поле, окружающем магниты и проводники с током. Эти поля переносят в пространстве, как считал Фарадей, электромагнитные сигналы.

Эта мысль оказалась настолько важной для всего последующего развития физики, что Альберт Эйнштейн назвал человека, которого она впервые посетила, «избранником».

Несколько десятилетий спустя Джеймс Кларк Максвелл разовьет идею Фарадея, облечет ее в ясную и точную математическую форму, и электромагнитное поле займет положенное ему по праву важнейшее место во всех разделах физики.

Науке очень повезло, что сэр Дэви открыл Фарадея! А ведь начало и первые годы их знакомства не предвещали столь редкого и искреннего признания…

В далеком 1812 году, когда на полях России происходили кровопролитные сражения с Наполеоном, блестящий лектор и выдающийся английский ученый Гэмфри Дэви получил присланный по почте подарок - прекрасно переплетенный том с записью последних четырех лекций его курса. Подарок ему прислал молодой человек из бедной семьи, с восхищением слушавший его лекции в часы, свободные от работы в переплетной мастерской. Звали молодого человека Майкл Фарадей .

Майкл Фарадей и фотография электрической спирали-катушки, непременной участницы его опытов, в результате которых было обнаружено явление электромагнитной индукции. Открытие Фарадея лежит в основе устройства электродвигателей и генераторов электрического тока.

Дэви устроил Фарадея ассистентом на работу в Королевский институт, взял с собой в поездку по Европе.

Талант Фарадея быстро расцветал, и ученик стал обгонять учителя.

Когда в 1823 году двадцать девять членов Королевского общества предложили избрать Фарадея членом общества на очередных выборах, президент общества - Гэмфри Дэви пытался воспрепятствовать этому и даже предложил Фарадею снять свою кандидатуру. Фарадей спокойно ответил, что об этом нужно просить не его, а двадцать девять членов общества.

Трудно сказать, что толкнуло Дэви на этот шаг, бросающий тень на добрую память о нем. Неужели мелочная обида на то, что Фарадей в своих двух последних статьях по химии не сослался на Дэви? Дэви публично ставил это в упрек Фарадею…

Конечно, Фарадей был принят в Королевское общество, их прежние отношения с Дэви восстановились.

Фарадей был удивительно скромным и доброжелательным человеком. Он любил делать друзьям на праздники подарки собственного изготовления, например бритвы из созданного им нового сорта стали. Находясь за границей, все время думал об оставшихся дома близких: «Этими сердечными чувствами,- писал Фарадей,- я дорожу как лучшим украшением человеческого сердца».

По манере поведения и характеру Фарадей был во многом противоположен сэру Дэви. Не добивался почестей, отказывался от наград и орденов. Когда его просили стать президентом Королевского общества, он отклонил это предложение, сказав, что «хочет до конца жизни остаться просто Майклом Фарадеем».

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Фарадей жил скромно и тихо, предпочитая всему занятия опытами.

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

Английский физик Майкл Фарадей, выросший в бедной семье, стал одним из величайших ученых в истории человечества. Его выдающиеся достижения были сделаны в то время, когда наука являлась уделом людей, рожденных в привилегированных семействах. В его честь названа единица электрической емкости - фарад.

Фарадей (физик): краткая биография

Майкл Фарадей родился 22 сентября 1791 года в столице Великобритании Лондоне. Он был третьим ребенком в семье Джеймса и Маргарет Фарадеев. Его отец был кузнецом, который имел слабое здоровье. До брака его мать работала служанкой. Семья жила бедно.

До 13 лет Майкл посещал местную школу, где получил начальное образование. Чтобы помочь семье, он начал работать посыльным в книжном магазине. Усердие мальчика впечатлило его работодателя. Через год его повысили до ученика переплетчика.

Переплет и наука

Майкл Фарадей хотел узнать больше о мире; он не ограничивался После усердного ежедневного труда он проводил все свое свободное время за чтением книг, которые он переплетал.

Постепенно он обнаружил, что увлекся наукой. Особенно ему понравились две книги:

• «Британская энциклопедия» - источник его познаний об электричестве и о многом другом.
• «Беседы о химии» - 600 страниц о химии в доступном изложении авторства Джейн Марсе.

Он был настолько очарован, что начал тратить часть своего скудного заработка на химические вещества и аппаратуру, чтобы подтвердить истинность того, о чем читал.

Расширяя свои научные познания, он услышал, что Джон Татум собирался дать серию публичных лекций по натуральной философии (физике). Для посещения лекций необходимо было внести плату в один шиллинг - слишком много для Майкла Фарадея. Его старший брат, кузнец, впечатленный растущей преданностью своего брата науке, дал ему необходимую сумму.

Знакомство с Хамфри Дэви

Фарадей сделал еще один шаг к науке, когда Уильям Дэнс, клиент книжного магазина, поинтересовался у Майкла, нет ли у него желания получить билеты на лекции в Королевском институте.

Лектор, сэр Хамфри Дэви, был одним из самых известных в мире ученых того времени. Фарадей ухватился за шанс и посетил четыре лекции, посвященные одной из новейших проблем химии - определении кислотности. Он наблюдал за экспериментами, которые проводил Дэви на лекциях.

Это был мир, в котором он хотел бы жить. Фарадей вел записи, а затем сделал так много дополнений в примечаниях, что произвел 300-страничную рукопись, которую сам переплел и отправил Дэви в знак благодарности.

В это время на заднем дворе книжного магазина Майкл начал проводить более сложные эксперименты по созданию электрической батареи из медных монет и цинковых дисков, разделенных влажной соленой бумагой. Он использовал ее для разложения химических веществ, например таких, как сульфат магния. В этой области химии Хамфри Дэви был пионером.

В октябре 1812 года ученичество Фарадея завершилось, и он начал работать переплетчиком у другого работодателя, которого он нашел неприятным.

Не было бы счастья, да несчастье помогло

И вот произошел счастливый для Фарадея случай. В результате неудачного эксперимента Хамфри Дэви был ранен: это временно повлияло на его способность писать. Майклу удалось в течение нескольких дней вести записи для Дэви, впечатленного книгой, которую тот ему послал.

Когда недолгий период работы помощником закончился, Фарадей отправил ученому записку с просьбой нанять его своим ассистентом. Вскоре после этого один из лаборантов Дэви был уволен за нарушение дисциплины, и Хамфри осведомился у Майкла, не хотел ли бы он занять вакантное место.

Не хотел ли он работать в Королевском институте с одним из самых известных ученых в мире? Это был риторический вопрос.

Карьера в Королевском институте

Ему хорошо платили и выделили для проживания комнату на чердаке Королевского института. Майкл был очень доволен, и его связь с этим учреждением больше не прерывалась в течение 54 лет, за которые ему удалось стать профессором химии.

Работа Фарадея состояла в подготовке аппаратуры для проведения экспериментов и лекций в Королевском институте. Поначалу он имел дело с трихлоридом азота, взрывчатым веществом, которое травмировало Дэви. Майкл тоже при очередном взрыве ненадолго потерял сознание, и когда Хамфри снова получил травму, опыты с этим соединением были прекращены.

Через 7 месяцев работы в Королевском институте Дэви взял с собой Фарадея в турне по Европе, длившееся 18 месяцев. За это время Майклу удалось встретить великих ученых, таких как Андрэ-Мари Ампер в Париже и Алессандро Вольта в Милане. В некотором смысле, тур заменил ему университетское образование - Фарадей многое узнал за это время.

Большую часть тура он, однако, был несчастлив, поскольку в дополнение к научной и секретарской работе должен был прислуживать Дэви и его жене. Супруга ученого не считала Фарадея равным себе из-за его происхождения.

По возвращении в Лондон все стало на свои места. Королевский институт возобновил контракт Майкла и увеличил его вознаграждение. Дэви даже начал упоминать о его помощи в научных работах.

В 1816 г. в возрасте 24 лет Фарадей прочитал свою первую лекцию о свойствах материи. Проходила она в Городском философском обществе. Тогда же в «Ежеквартальном научном журнале» он опубликовал свою первую научную статью об анализе гидроксида кальция.

В 1821 г. в возрасте 29 лет Фарадей был повышен до должности заведующего хозяйством и лабораторией Королевского института. В том же году он женился на Саре Барнард. Майкл со своей супругой прожили в институте большую часть следующих 46 лет, уже не на чердаке, а в удобном помещении, которое когда-то занимал Хамфри Дэви.

В 1824 г. биография Фарадея (физика) ознаменовалась его избранием в члены Королевского общества. Это было признанием того, что он стал заметным ученым.

В 1825 г. физик Фарадей стал директором лаборатории.

В 1833 г. он стал фуллеровским профессором химии в Королевском институте Великобритании. Фарадей занимал эту должность до конца своей жизни.

В 1848 и 1858 годах ему было предложено возглавить Королевское общество, но он отказался.

Научные достижения

Чтобы описать открытия Фарадея в физике, потребуется не одна книга. Не случайно Альберт Эйнштейн в своем кабинете хранил фотографии только троих ученых: Исаака Ньютона, Джеймса Максвелла и Майкла Фарадея.

Как ни странно, хотя еще при жизни ученого начали использовать слово «физик», ему самому оно не нравилось, и он всегда называл себя философом. Фарадей был человеком, шедшим к открытиям через эксперименты, и он был известен тем, что никогда не отказывался от идей, к которым приходил благодаря научной интуиции.

Если он полагал, что идея стоила того, он продолжал эксперименты, несмотря на множество неудач, пока не достигал ожидаемого или пока не убеждался в том, что мать-природа доказала его неправоту, что случалось крайне редко.

Так что открыл Фарадей в физике? Вот некоторые из его самых заметных достижений.

1821: открытие электромагнитного вращения

Оно стало предвестником того, что, в конечном итоге, привело к созданию электрического двигателя. Открытие базировалось на теории Эрстеда о магнитных свойствах провода, по которому проходит электрический ток.

1823: сжижение газа и охлаждение

В 1802 году Джон Далтон высказал мнение, что все газы могут быть сжижены при низких температурах или высоком давлении. Физик Фарадей доказал это опытным путем. Он впервые превратил хлор и аммиак в жидкость.

Жидкий аммиак был еще интересен тем, что, как заметил Майкл Фарадей, физика процесса его испарения вызывала охлаждение. Принцип охлаждения с помощью искусственного испарения был публично продемонстрирован Уильямом Калленом в Эдинбурге в 1756 г. Ученый с помощью насоса снизил давление в колбе с эфиром, в результате чего произошло его быстрое испарение. Это вызвало охлаждение, и на внешней стороне колбы из влаги воздуха образовался лед.

Важность открытия Фарадея состояла в том, что механические насосы могли превращать газ в жидкость при комнатной температуре. Затем жидкость испарялась, охлаждая все вокруг, полученный газ мог быть собран и с помощью насоса сжат в жидкость снова, повторяя цикл. Именно так работают современные холодильники и морозильники.

В 1862 году на Всемирной лондонской выставке Фердинанд Карре продемонстрировал первую в мире коммерческую машину по производству льда. В машине в качестве охлаждающей жидкости использовался аммиак, и она производила лед со скоростью 200 кг в час.

1825: открытие бензола

Исторически сложилось так, что бензол стал одним из наиболее важных веществ в химии, как в практическом смысле, т. е. он используется при создании новых материалов, так и в теоретическом - для понимания химической связи. Ученый обнаружил бензол в маслянистых остатках производства газа для освещения в Лондоне.

1831: закон Фарадея, формула, физика электромагнитной индукции

Это было чрезвычайно важным открытием для будущего науки и техники. Закон Фарадея (физика) гласит, что переменное магнитное поле вызывает в цепи электрический ток, и генерируемая прямо пропорциональна скорости изменения Одна из его возможных записей |E|=|dΦ/dt|, где Е - ЭДС, а Ф - магнитный поток.

Например, перемещение подковообразного магнита вдоль провода производит электрический ток, так как движение магнита вызывает переменное магнитное поле. До этого единственным источником тока была батарея. Майкл Фарадей, открытия в физике которого показали, что движение может быть превращено в электричество, или, более научным языком, кинетическая энергия может быть преобразована в электрическую, таким образом, причастен к тому, что большая часть энергии в наших домах сегодня производится именно по этому принципу.

Вращение (кинетическая энергия) преобразуется в электричество с помощью электромагнитной индукции. А вращение, в свою очередь, получают при действии на турбины пара высокого давления, создаваемого энергией угля, газа или атома, или напором воды в гидроэлектростанциях, либо давлением воздуха в

1834: законы электролиза

Фарадей-физик внес основной вклад в создание новой науки электрохимии. Она объясняет то, что происходит на границе раздела электрода с ионизированным веществом. Благодаря электрохимии мы пользуемся литий-ионными батареями и аккумуляторами, питающими современную мобильную технику. Законы Фарадея важны для нашего понимания электродных реакций.

1836: изобретение экранированной камеры

Физик Фарадей обнаружил, что, когда электрический проводник заряжен, весь лишний заряд скапливается на внешней его стороне. Это означает, что внутри комнаты или клетки, сделанной из металла, дополнительный заряд не появляется. Например, человек, одетый в костюм Фарадея, т. е. с металлической подкладкой, не подвергается действию внешнего электричества. Кроме защиты людей, клетка Фарадея может использоваться для проведения электрических или электрохимических экспериментов, чувствительных к внешним помехам. Экранированные камеры также могут создавать мертвые зоны для мобильной связи.

1845: открытие эффекта Фарадея - магнитооптического эффекта

Еще одним важным экспериментом в истории науки был опыт, впервые доказавший связь электромагнетизма и света, что в 1864 году было полностью описано уравнениями Джеймса Клерка Максвелла. Физик Фарадей установил, что свет представляет собой электромагнитную волну: «Когда противоположные магнитные полюса находились с той же стороны, это оказывало действие на поляризованный луч, что, таким образом, доказывает связь магнитной силы и света...

1845: открытие диамагнетизма как свойства всей материи

Большинство людей знакомо с ферромагнетизмом на примере обычных магнитов. Фарадей (физик) обнаружил, что все вещества диамагнитны - в большинстве своем слабо, но встречаются и сильные. Диамагнетизм противоположен направлению приложенного магнитного поля. Например, если поместить северный полюс у сильно диамагнитного вещества, то оно будет отталкиваться. Диамагнетизм в материалах, индуцированный очень сильными современными магнитами, может быть использован для достижения левитации. Даже живые существа, такие как лягушки, диамагнитны и могут парить в сильном магнитном поле.

Конец

Майкл Фарадей, открытия в физике которого произвели переворот в науке, умер 25 августа 1867 г. в Лондоне в возрасте 75 лет. Его жена Сара жила дольше. У четы не было детей. Всю свою жизнь он был набожным христианином и принадлежал к маленькой протестантской секте сандеманианцев.

Еще при жизни Фарадею было предложено погребение в Вестминстерском аббатстве вместе с королями и королевами Великобритании и учеными, подобно Исааку Ньютону. Он отказался ради более скромной церемонии. Его могилу, где также похоронена Сара, можно найти на кладбище Хайгейт в Лондоне.

Майкл Фарадей

Майкл Фарадей (1791-1867) - английский физик, основоположник учения об электромагнитном поле, иностранный почетный член Петербургской АН (1830). Обнаружил химическое действие электрического тока, взаимосвязь между электричеством и магнетизмом, магнетизмом и светом.

Открыл (1831) электромагнитную индукцию - явление, которое легло в основу электротехники. Установил (1833-34) законы электролиза, названные его именем, открыл пара- и диамагнетизм, вращение плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея).

Доказал тождественность различных видов электричества. Фарадей ввел понятия электрического и магнитного поля, высказал идею существования электромагнитных волн. Учился у химика и физика, одного из основателей электрохимииЭлектрохимия - раздел физической химии, в котором изучаются свойства систем, содержащих подвижные ионы (растворов, расплавов или твердых электролитов), а также явления, возникающие на границе двух фаз (напр., металла и раствора электролита) вследствие переноса заряженных частиц (электронов и ионов).

Электрохимия разрабатывает научные основы электролиза, электросинтеза, гальванотехники, защиты металлов от коррозии, создания химических источников тока и др. Электрохимические процессы играют важную роль в жизнедеятельности организмов, например, в передаче нервных импульсов. Гемфри Дэви.

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

Детство и юность

Майкл Фарадей родился в семье кузнеца. Кузнецом был и его старший брат Роберт, всячески поощрявший тягу Майкла к знаниям и на первых порах поддерживавший его материально. Мать Фарадея, трудолюбивая, мудрая, хотя и необразованная женщина,

дожила до времени, когда ее сын добился успехов и признания, и по праву гордилась им.

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

Начало работы в Королевском институте

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

Первые самостоятельные исследования. Научные публикации

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

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

был весьма счастлив в браке.

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

Избрание в Королевское общество. Профессура

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

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

Закон электромагнитной индукции. Электролиз

В 1830, несмотря на стесненное материальное положение, Фарадей решительно отказывается от всех побочных занятий, выполнения любых научно-технических исследований и других работ (кроме чтения лекций по химии), чтобы целиком посвятить себя научным изысканиям. Вскоре он добивается блестящего успеха: 29 августа 1831 открывает явление электромагнитной индукции - явление порождения электрического поля переменным магнитным полем. Десять дней напряженнейшей работы позволили Фарадею всесторонне и полностью исследовать это явление, которое без преувеличения можно назвать фундаментом, в частности, всей современной электротехники. Но сам Фарадей не интересовался прикладными возможностями своих открытий, он стремился к главному - исследованию законов Природы.

Открытие электромагнитной индукции принесло Фарадею известность. Но Майкл по-прежнему был очень стеснен в средствах, так что его друзья были вынуждены хлопотать о предоставлении ему пожизненной правительственной пенсии. Эти хлопоты увенчались успехом лишь в 1835. Когда же у Фарадея возникло впечатление, что министр казначейства относится к этой пенсии как к подачке ученому, он направил министру письмо, в котором с достоинством отказался от всякой пенсии. Министру пришлось просить извинения у Фарадея.

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

Болезнь Фарадея. Последние экспериментальные работы

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

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

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

Значение научных трудов

Даже далеко не полный перечень того, что внес в науку Фарадей, дает представление об исключительном значении его трудов. В этом перечне, однако, отсутствует то главное, что составляет громадную научную заслугу Фарадея: он первым создал полевую концепцию в учении об электричестве и магнетизме. Если до него господствовало представление о прямом и мгновенном взаимодействии зарядов и токов через пустое пространство, то Майкл Фарадей последовательно развивал идею о том, что активным материальным переносчиком этого взаимодействия является электромагнитное поле.

Об этом прекрасно написал Джеймс Клерк Максвелл, ставший его последователем, развивший далее его учение и облекший представления об электромагнитном поле в четкую математическую форму: «Фарадей своим мысленным оком видел силовые линии, принизывающие все пространство. Там, где математики видели центры напряжения сил дальнодействия, Фарадей видел промежуточный агент. Где они не видели ничего, кроме расстояния, удовлетворяясь тем, что находили закон распределения сил, действующих на электрические флюиды, Фарадей искал сущность реальных явлений, протекающих в среде».

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

22 сентября 2011 года исполнилось 220 лет со дня рождения Майкла Фарадея (1791–1867) - английского физика-экспериментатора, который ввел в науку понятие «поле» и заложил основы концепции о физической реальности электрических и магнитных полей. В наши дни понятие поля известно любому старшекласснику. Начальные сведения об электрических и магнитных полях и способах их описания при помощи силовых линий, напряженностей, потенциалов и т. п. давно вошли в школьные учебники по физике. В этих же учебниках можно прочитать о том, что поле - это особая форма материи, принципиально отличная от вещества. Но вот с объяснением того, в чем именно состоит эта «особость», возникают серьезные трудности. Естественно, винить в этом авторов учебников нельзя. Ведь если поле не сводимо к каким-то другим, более простым сущностям, то тут и объяснять нечего. Надо просто принять физическую реальность поля как экспериментально установленный факт и научиться работать с уравнениями, описывающими поведение этого объекта. К этому, например, призывает в своих «Лекциях» Ричард Фейнман, отметив, что ученые долгое время пытались объяснить электромагнитное поле при помощи различных механических моделей, но потом оставили эту затею и сочли, что физический смысл имеет лишь описывающая поле система знаменитых уравнений Максвелла.

Означает ли сказанное, что мы должны полностью отказаться от попыток понять, что такое поле? Думается, что существенную помощь в ответе на этот вопрос может оказать знакомство с «Экспериментальными исследованиями по электричеству» Майкла Фарадея - грандиозным трехтомным трудом, который гениальный экспериментатор создавал более 20 лет . Именно здесь Фарадей вводит понятие поля и шаг за шагом разрабатывает идею о физической реальности этого объекта. При этом важно отметить, что «Экспериментальные исследования» Фарадея - одна из величайших книг в истории физики - написаны прекрасным языком, не содержат ни единой формулы и вполне доступны школьникам.

Введение поля. Фарадей, Томсон и Максвелл

Термин «поле» (точнее: «магнитное поле», «поле магнитных сил») был введен Фарадеем в 1845 году в ходе исследований явления диамагнетизма (термины «диамагнетизм» и «парамагнетизм» также были введены Фарадеем) - обнаруженного ученым эффекта слабого отталкивания магнитом ряда веществ. Первоначально поле рассматривалось Фарадеем как сугубо вспомогательное понятие, по сути координатная сетка, образованная магнитными силовыми линиями и использовавшаяся при описании характера движения тел вблизи магнитов. Так, кусочки диамагнитных веществ, например висмута, перемещались из областей сгущения силовых линий в области их разрежения и располагались перпендикулярно направлению линий.

Несколько позже, в 1851–1852 годах, при математическом описании результатов некоторых экспериментов Фарадея, термин «поле» эпизодически использовал английский физик Уильям Томсон (1824–1907). Что же касается создателя теории электромагнитного поля Джеймса Клерка Максвелла (1831–1879), то в его работах термин «поле» поначалу тоже практически не встречается и используется лишь для обозначения той части пространства, в которой можно обнаружить магнитные силы. Только в опубликованной в 1864–1865 годах работе «Динамическая теория электромагнитного поля», в которой впервые появляется система «уравнений Максвелла» и предсказывается возможность существования электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света, о поле говорится как о физической реальности.

Такова вкратце история введения в физику понятия «поле». Из нее видно, что первоначально это понятие рассматривалось как сугубо вспомогательное, обозначавшее просто ту часть пространства (она может быть и неограниченной), в которой можно обнаружить магнитные силы и изобразить их распределение при помощи силовых линий. (Термин «электрическое поле» стал использоваться только после создания Максвеллом теории электромагнитного поля.)

Важно подчеркнуть, что ни силовые линии, известные физикам до Фарадея, ни «состоящее» из них поле не рассматривались (и не могли рассматриваться!) научным сообществом XIX века как физическая реальность. Попытки же Фарадея говорить о материальности силовых линий (или Максвелла - о материальности поля) воспринимались учеными как совершенно ненаучные. Даже Томсон, старый друг Максвелла, сам много сделавший для разработки математических основ физики поля (именно Томсон, а не Максвелл, первым показал возможность «перевода» языка силовых линий Фарадея на язык дифференциальных уравнений в частных производных), называл теорию электромагнитного поля «математическим нигилизмом» и долгое время отказывался ее признавать. Понятно, что поступать подобным образом Томсон мог, лишь имея на то очень серьезные основания. И такие основания у него были.

Поле сил и сила Ньютона

Причина, по которой Томсон не мог признать реальность силовых линий и полей, проста. Силовые линии электрического и магнитного полей определяются как непрерывные линии, проведенные в пространстве так, что касательные к ним в каждой точке указывают направления действующих в этой точке электрических и магнитных сил. Величины и направления этих сил вычисляются при помощи законов Кулона, Ампера и Био–Савара–Лапласа. Однако в основе этих законов лежит принцип дальнодействия, допускающий возможность мгновенной передачи на любое расстояние действия одного тела на другое и, тем самым, исключающий существование каких-либо материальных посредников между взаимодействующими зарядами, магнитами и токами.

Следует отметить, что многие ученые со скепсисом относились к принципу, по которому тела каким-то загадочным образом могут действовать там, где их нет. Даже Ньютон, который первым использовал этот принцип при выводе закона всемирного тяготения, полагал, что между взаимодействующими телами может существовать какая-то субстанция. Но строить гипотезы о ней ученый не пожелал, предпочитая заниматься разработкой математических теорий законов, опирающихся на твердо установленные факты. Аналогичным образом поступали и последователи Ньютона. По словам Максвелла, они буквально «вымели из физики» всевозможные невидимые атмосферы и истечения, которыми в XVIII веке окружали магниты и заряды сторонники концепции близкодействия. Тем не менее в физике XIX века постепенно начинает возрождаться интерес к, казалось бы, навсегда забытым идеям.

Одной из важнейших предпосылок этого возрождения стали проблемы, возникавшие при попытках объяснения новых явлений - прежде всего, явлений электромагнетизма - на основе принципа дальнодействия. Эти объяснения становились всё более искусственными. Так, в 1845 году немецкий физик Вильгельм Вебер (1804–1890) обобщил закон Кулона, введя в него члены, определяющие зависимость силы взаимодействия электрических зарядов от их относительных скоростей и ускорений. Физический смысл такой зависимости был непонятен, а веберовские добавки в закон Кулона явно носили характер гипотезы, введенной, чтобы объяснить явления электромагнитной индукции.

В середине XIX века физики всё более осознавали, что при изучении явлений электричества и магнетизма эксперимент и теория начинают говорить на разных языках. В принципе, ученые были готовы согласиться с идеей о существовании субстанции, передающей взаимодействие между зарядами и токами с конечной скоростью, однако принять идею о физической реальности поля они не могли. В первую очередь, из-за внутренней противоречивости этой идеи. Дело в том, что в физике Ньютона сила вводится как причина ускорения материальной точки. Ее (силы) величина равна, как известно, произведению массы этой точки на ускорение. Тем самым, сила как физическая величина определяется в точке и в момент ее действия. «Сам Ньютон напоминает нам, - писал Максвелл, - что сила существует только до тех пор, пока она действует; ее действие может сохраниться, но сама сила как таковая по существу явление преходящее».

Пытаясь рассматривать поле не как удобную иллюстрацию характера распределения сил в пространстве, а как физический объект, ученые входили в противоречие с тем исходным пониманием силы, на основе которого этот объект был построен. В каждой своей точке поле определяется величиной и направлением силы, действующей на пробное тело (заряд, магнитный полюс, виток с током). По сути, поле «состоит» только из сил, но сила в каждой точке рассчитывается на основе законов, согласно которым говорить о поле как физическом состоянии или процессе бессмысленно. Поле, рассматриваемое как реальность, означало бы реальность сил, существующих вне всякого действия, что полностью противоречило исходному определению силы. Максвелл писал, что в случаях, когда мы говорим о «сохранении силы» и т. п., лучше было бы пользоваться термином «энергия». Это, безусловно, правильно, но энергией чего является энергия поля? К тому времени, когда Максвелл писал приведенные выше строки, он уже знал, что плотность энергии, например, электрического поля пропорциональна квадрату напряженности этого поля, т. е. опять-таки силы, распределенной в пространстве.

С ньютоновским пониманием силы неразрывно связана и концепция мгновенного дальнодействия. Ведь если одно тело действует на другое, удаленное, не мгновенно (по сути, уничтожая расстояние между ними), то нам придется рассматривать силу перемещающейся в пространстве и решать вопрос о том, какая «часть» силы вызывает наблюдаемое ускорение и какой смысл тогда имеет понятие «сила». Либо мы должны допустить, что движение силы (или поля) происходит каким-то особым, не укладывающимся в рамки ньютоновской механики образом.

В 1920 году в статье «Эфир и теория относительности» Альберт Эйнштейн (1879–1955) писал, что, говоря об электромагнитном поле как реальности, мы должны допустить существование особого физического объекта, который принципиально нельзя представить состоящим из частиц, поведение каждой из которых поддается изучению во времени. Позже Эйнштейн охарактеризовал создание теории электромагнитного поля как величайший, со времен Ньютона, переворот в наших взглядах на структуру физической реальности. Благодаря этому перевороту, в физику наряду с представлениями о взаимодействии материальных точек вошли представления о полях, как ни к чему другому не сводимым сущностям.

Но как оказалось возможным это изменение взглядов на реальность? Как физике удалось выйти за свои границы и «увидеть» то, что для нее раньше как реальность просто не существовало?

Исключительно важную роль в подготовке этого переворота сыграли многолетние эксперименты Фарадея с силовыми линиями. Благодаря Фарадею, эти хорошо известные физикам линии превратились из способа изображения распределения в пространстве электрических и магнитных сил в своеобразный «мостик», двигаясь по которому удалось проникнуть в мир, находящийся как бы «за силой», в мир, в котором силы становились проявлениями свойств полей. Понятно, что такое превращение потребовало таланта совершенно особого рода, таланта, которым обладал Майкл Фарадей.

Великий Экспериментатор

Майкл Фарадей родился 22 сентября 1791 года в семье лондонского кузнеца, которая из-за недостатка средств не смогла дать своим детям образования. Майкл - третий ребенок в семье - не закончил и начальной школы и в 12 лет был отдан учеником в переплетную мастерскую. Там он получил возможность читать множество книг, в том числе и научно-популярных, восполняя пробелы своего образования. Вскоре Фарадей начал посещать публичные лекции, которые регулярно устраивали в Лондоне для распространения знаний среди широких слоев населения.

В 1812 году один из членов Лондонского Королевского общества, регулярно пользовавшийся услугами переплетной мастерской, пригласил Фарадея послушать лекции известного физика и химика Гемфри Дэви (1778–1829). Этот момент стал в жизни Фарадея переломным. Юноша окончательно увлекся наукой, а поскольку заканчивался срок его обучения в мастерской, Фарадей рискнул написать Дэви о своем желании заняться исследованиями, приложив к письму тщательно переплетенные конспекты лекций ученого. Дэви, который сам был сыном бедного резчика по дереву, не только ответил на письмо Фарадея, но и предложил ему место ассистента в Лондонском Королевском институте. Так началась научная деятельность Фарадея, продолжавшаяся почти до самой его смерти, наступившей 25 августа 1867 года.

История физики знает немало выдающихся экспериментаторов, но, пожалуй, только Фарадея называли Экспериментатором с большой буквы. И дело не только в его колоссальных достижениях, среди которых открытия законов электролиза и явлений электромагнитной индукции, исследования свойств диэлектриков и магнетиков и многое другое. Нередко важные открытия удавалось сделать более или менее случайно. О Фарадее сказать такое невозможно. Его исследования всегда отличались поразительной планомерностью и целеустремленностью. Так, в 1821 году Фарадей записал в рабочем дневнике, что начинает поиски связи магнетизма с электричеством и оптикой. Первую связь он обнаружил через 10 лет (открытие электромагнитной индукции), а вторую - через 23 года (открытие вращения плоскости поляризации света в магнитном поле).

В «Экспериментальных исследованиях по электричеству» Фарадея имеется около 3500 параграфов, многие из которых содержат описания проделанных им опытов. И это только то, что Фарадей счел нужным опубликовать. В многотомных «Дневниках» Фарадея, которые он вел с 1821 года, описано около 10 тысяч опытов, причем многие из них ученый поставил без чьей-либо помощи. Интересно, что в 1991 году, когда научный мир отмечал 200-летие со дня рождения Фарадея, английские историки физики решили повторить некоторые из его наиболее знаменитых опытов. Но даже на простое воспроизведение каждого из таких опытов коллективу современных специалистов потребовалось не менее дня работы.

Говоря о заслугах Фарадея, можно сказать, что его главным достижением стало превращение экспериментальной физики в самостоятельную область исследований, результаты которых нередко могут на многие годы опережать развитие теории. Фарадей считал крайне непродуктивным стремление многих ученых как можно быстрее переходить от полученных в экспериментах данных к их теоретическому обобщению. Более плодотворным Фарадею представлялось сохранение длительной связи с изучаемыми явлениями, чтобы иметь возможность детально проанализировать все их особенности, вне зависимости от того, соответствуют эти особенности принятым теориям или нет.

Этот подход к анализу опытных данных Фарадей распространил и на хорошо известные опыты по выстраиванию железных опилок вдоль силовых линий магнитного поля. Безусловно, ученый прекрасно знал, что узоры, которые образуют железные опилки, легко можно объяснить на основе принципа дальнодействия. Тем не менее, Фарадей считал, что в данном случае экспериментаторы должны исходить не из придуманных теоретиками концепций, а из явлений, свидетельствующих, по его мнению, о существовании в пространстве, окружающем магниты и токи, неких обладающих готовностью к действию состояний. Другими словами, силовые линии, по мнению Фарадея, указывали на то, что сила должна мыслиться не только как действие (на материальную точку), но и как способность к действию.

Важно подчеркнуть, что, следуя своей методике, Фарадей не пытался выдвигать какие-либо гипотезы о природе этой способности к действию, предпочитая постепенно накапливать опыт в ходе работы с силовыми линиями. Начало этой работе было положено в его исследованиях явлений электромагнитной индукции.

Затянувшееся открытие

Во многих учебниках и справочниках можно прочитать о том, что 29 августа 1831 года Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Историкам науки хорошо известно, что датировка открытий - вещь сложная и часто весьма запутанная. Не составляет исключение и открытие электромагнитной индукции. Из «Дневников» Фарадея известно, что это явление он наблюдал еще в 1822 году во время опытов с двумя проводящими контурами, надетыми на сердечник из мягкого железа. Первый контур был подключен к источнику тока, а второй - к гальванометру, который зафиксировал возникновение кратковременных токов при включении или отключении тока в первом контуре. Позже выяснилось, что подобные явления наблюдали и другие ученые, но, как и поначалу Фарадей, сочли их погрешностью эксперимента.

Дело в том, что в поисках явлений порождения электричества магнетизмом ученые были нацелены на обнаружение устойчивых эффектов, подобных, например, открытому Эрстедом в 1818 году явлению магнитного действия тока. От этой всеобщей «слепоты» Фарадея спасли два обстоятельства. Во-первых, пристальное внимание к любым явлениям природы. В своих статьях Фарадей сообщал как об удачных, так и о неудачных экспериментах, полагая, что неудачный (не обнаруживший искомый эффект), но осмысленно поставленный опыт тоже содержит какую-то информацию о законах природы. Во-вторых, незадолго до открытия Фарадей много экспериментировал с разрядами конденсаторов, что, несомненно, обострило его внимание к кратковременным эффектам. Регулярно просматривая свои дневники (для Фарадея это было постоянной составляющей исследований), ученый, судя по всему, по-новому взглянул на опыты 1822 года и, воспроизведя их, осознал, что имеет дело не с помехами, а с искомым явлением. Датой этого осознания и стало 29 августа 1831 года.

Далее начались интенсивные исследования, в ходе которых Фарадей открыл и описал основные явления электромагнитной индукции, включая возникновение индукционных токов при относительном движении проводников и магнитов. На основании этих исследований Фарадей пришел к выводу о том, что решающим условием возникновения индукционных токов является именно пересечение проводником линий магнитной силы, а не переход в области больших или меньших сил. При этом, например, возникновение тока в одном проводнике при включении тока в другом, расположенном рядом, Фарадей тоже объяснял как результат пересечения проводником силовых линий: «магнитные кривые как бы движутся (если можно так выразиться) поперек индуцируемого провода, начиная с момента, когда они начинают развиваться, и вплоть до момента, когда магнитная сила тока достигнет наибольшего значения; они как бы распространяются в стороны от провода и, следовательно, оказываются по отношению к неподвижному проводу в том же положении, как если бы он двигался в противоположном направлении поперек них».

Обратим внимание на то, сколько раз в приведенном отрывке Фарадей использует слова «как бы», а также на то, что у него пока нет привычной нам количественной формулировки закона электромагнитной индукции: сила тока в проводящем контуре пропорциональна скорости изменения числа магнитных силовых линий, проходящих через этот контур. Близкая к этой формулировка появляется у Фарадея лишь в 1851 году, причем она относится только к случаю движения проводника в статическом магнитном поле. По Фарадею, если проводник перемещается в таком поле с постоянной скоростью, то сила возникающего в нем электрического тока пропорциональна этой скорости, а количество приводимого в движение электричества пропорционально числу пересекаемых проводником силовых линий магнитного поля.

Осторожность Фарадея при формулировке закона электромагнитной индукции обусловлена, прежде всего, тем, что корректно пользоваться понятием силовой линии он мог только применительно к статическим полям. В случае же переменных полей это понятие приобретало метафорический характер, и непрерывные оговорки «как бы», когда речь идет о движущихся силовых линиях, показывают, что Фарадей это прекрасно понимал. Он также не мог не считаться с критикой тех ученых, которые указывали ему на то, что силовая линия - это, строго говоря, геометрический объект, говорить о движении которого просто бессмысленно. Кроме того, в опытах мы имеем дело с заряженными телами, проводниками с током и т. д., а не с абстракциями вроде силовых линий. Поэтому Фарадей должен был показать, что при изучении хотя бы некоторых классов явлений нельзя ограничиться рассмотрением проводников с током и не учитывать окружающее их пространство. Так, в работе, посвященной исследованиям явлений самоиндукции, ни разу не упомянув силовые линии, Фарадей выстраивает рассказ о проделанных им экспериментах таким образом, что читатель постепенно сам приходит к выводу о том, что подлинная причина наблюдаемых явлений - не проводники с током, а нечто, находящееся в окружающем их пространстве.

Поле как предчувствие. Исследования явлений самоиндукции

В 1834 году Фарадей опубликовал девятью часть «Экспериментальных исследований», которая называлась «Об индуктивном влиянии электрического тока на самого себя и об индуктивном действии токов вообще». В этой работе Фарадей исследовал явления самоиндукции, открытые в 1832 году американским физиком Джозефом Генри (1797–1878), и показал, что они представляют частный случай изученных им ранее явлений электромагнитной индукции.

Свою работу Фарадей начинает с описания ряда явлений, состоящих в том, что при размыкании электрической цепи, содержащей длинные проводники или обмотку электромагнита, в точке разрыва контакта возникает искра или ощущается удар током, если контакт разъединяют руками. В то же время, указывает Фарадей, если проводник короткий, то никакими ухищрениями получить искру или электрический удар не удается. Тем самым выяснилось, что возникновение искры (или удара) зависит не столько от силы тока, протекавшего по проводнику до разрыва контакта, сколько от длины и конфигурации этого проводника. Поэтому Фарадей в первую очередь стремится показать, что, хотя исходной причиной искры является ток (если в цепи его не было вообще, то никакой искры, естественно, не будет), сила тока решающего значения не имеет. Для этого Фарадей описывает последовательность экспериментов, в которых длина проводника сначала увеличивается, что приводит к усилению искры, несмотря на ослабление тока в цепи из-за увеличения сопротивления. Затем этот проводник перекручивают так, чтобы ток протекал только через его небольшую часть. Сила тока при этом резко возрастает, но искра при размыкании цепи исчезает. Таким образом, ни проводник сам по себе, ни сила тока в нем не могут рассматриваться как причина искры, величина которой, как выясняется, зависит не только от длины проводника, но и от его конфигурации. Так, при сворачивании проводника в спираль, а также при введении в эту спираль железного сердечника величина искры тоже возрастает.

В продолжение изучения этих явлений Фарадей подключил параллельно месту размыкания контакта вспомогательный короткий проводник, сопротивление которого значительно больше, чем у основного проводника, но меньше, чем у искрового промежутка или у тела человека, размыкающего контакт. В результате искра при размыкании контакта исчезла, а во вспомогательном проводнике возник сильный кратковременный ток (Фарадей называет его экстратоком), направление которого оказалось противоположным направлению тока, который протекал бы через него от источника. «Эти опыты, - пишет Фарадей, - устанавливают существенное различие между первичным, или возбуждающим, током и экстратоком в отношении количества, интенсивности и даже направления; они привели меня к заключению, что экстраток тождествен с описанным мной ранее индуцированным током».

Выдвинув идею о связи изучаемых явлений с явлениями электромагнитной индукции, Фарадей далее поставил ряд остроумных экспериментов, подтверждающих эту идею. В одном из таких экспериментов рядом со спиралью, подключенной к источнику тока, помещалась другая спираль, разомкнутая. При отключении от источника тока первая спираль давала сильную искру. Однако если концы другой спирали замыкались, искра практически исчезала, а во второй спирали возникал кратковременный ток, направление которого совпадало с направлением тока в первой спирали, если цепь размыкали, и было противоположно ему, если цепь замыкали.

Установив связь двух классов явлений, Фарадей смог легко объяснить выполненные ранее опыты, а именно усиление искры при удлинении проводника, сворачивании его в спираль, введении в нее железного сердечника и т. д.: «Если наблюдать индуктивное действие провода длиной в один фут на расположенный рядом провод длиной также в один фут, то оно оказывается очень слабым; но если тот же самый ток пропустить через провод длиной в пятьдесят футов, то он будет индуцировать в соседнем пятидесятифутовом проводе в момент замыкания или размыкания контакта значительно более сильный ток, как будто каждый лишний фут провода вносит нечто в суммарное действие; по аналогии мы заключаем, что такое же явление должно иметь место и тогда, когда соединительный проводник служит одновременно проводником, в котором образуется индуцированный ток». Поэтому, делает вывод Фарадей, увеличение длины проводника, сворачивание его в спираль и введение в нее сердечника усиливает искру. К действию одного витка спирали на другой прибавляется действие размагничивающегося сердечника. При этом совокупность таких действий может и компенсировать друг друга. Например, если сложить вдвое длинный изолированный провод, то из-за противоположности индуктивных действий двух его половин искра исчезнет, хотя в распрямленном состоянии этот провод дает сильную искру. К существенному ослаблению искры приводила и замена сердечника из железа на сердечник из стали, которая размагничивается очень медленно.

Итак, проводя читателя через детальные описания совокупностей проделанных экспериментов, Фарадей, не говоря ни слова о поле, формировал у него, читателя, представление о том, что решающая роль в изучаемых явлениях принадлежит не проводникам с током, а создаваемому ими в окружающем пространстве какому-то состоянию намагниченности, точнее - скорости изменения этого состояния. Однако вопрос о том, существует ли это состояние реально и может ли оно быть предметом экспериментальных исследований, оставался открытым.

Проблема физической реальности силовых линий

Существенный шаг в доказательстве реальности силовых линий Фарадею удалось сделать в 1851 году, когда он пришел к идее обобщения понятия силовой линии. «Магнитную силовую линию, - писал Фарадей, - можно определить как линию, которую описывает небольшая магнитная стрелка, когда ее перемещают в ту или иную сторону по направлению ее длины, так что стрелка все время остается касательной к движению; или, иначе, это та линия, вдоль которой можно в любую сторону перемещать поперечный провод и в последнем не появится никакого стремления к возникновению какого-нибудь тока, между тем как при перемещении его в любом ином направлении такое стремление существует».

Силовая линия, таким образом, определялась Фарадеем на основе двух различных законов (и пониманий) действия магнитной силы: ее механического действия на магнитную стрелку и ее способности (в соответствии с законом электромагнитной индукции) порождать электрическую силу. Это двойное определение силовой линии как бы «материализовало» ее, придавало ей смысл особых, экспериментально обнаруживаемых направлений в пространстве. Поэтому Фарадей назвал такие силовые линии «физическими», полагая, что теперь сможет окончательно доказать их реальность. Проводник в таком двойном определении можно было представить замкнутым и скользящим вдоль силовых линий так, чтобы, постоянно деформируясь, он не пересекал линий. Этот проводник выделил бы некоторое условное «количество» линий, сохраняющихся при их «сгущении» или «разрежении». Такое скольжение проводника в поле магнитных сил без возникновения в нем электрического тока могло бы рассматриваться как экспериментальное доказательство сохранения количества силовых линий при их «распространении», например из полюса магнита, и, тем самым, как доказательство реальности этих линий.

Безусловно, реальный проводник практически невозможно перемещать так, чтобы он не пересекал силовые линии. Поэтому гипотезу о сохранении их количества Фарадей обосновывал иначе. Пусть магнит с полюсом N и проводник abcd расположены так, что могут вращаться по отношению друг к другу вокруг оси ad (рис. 1; рисунок выполнен автором статьи на основе рисунков Фарадея). При этом часть проводника ad проходит через отверстие в магните и имеет свободный контакт в точке d . Свободный контакт сделан и в точке c , так что участок bc может вращаться вокруг магнита, не разрывая электрической цепи, подключенной в точках a и b (тоже посредством скользящих контактов) к гальванометру. Проводник bc при полном повороте вокруг оси ad пересекает все силовые линии, выходящие из полюса магнита N. Пусть теперь проводник вращается с постоянной скоростью. Тогда, сравнивая показания гальванометра при различных положениях вращающегося проводника, например в положении abcd и в положении ab"c"d , когда проводник за полный оборот вновь пересекает все силовые линии, но уже в местах их большей разреженности, можно обнаружить, что показания гальванометра одинаковы. По мнению Фарадея, это свидетельствует о сохранении некоторого условного количества силовых линий, которым можно охарактеризовать северный полюс магнита (чем больше это «количество», тем сильнее магнит).

Вращая в своей установке (рис. 2; рисунок Фарадея) не проводник, а магнит, Фарадей приходит к выводу о сохранении количества силовых линий во внутренней области магнита. При этом в основе его рассуждений лежит предположение о том, что силовые линии не увлекаются вращающимся магнитом. Эти линии остаются «на месте», а магнит вращается среди них. В этом случае ток по величине получается таким же, как при вращении внешнего проводника. Фарадей объясняет этот результат тем, что, хотя внешняя часть проводника не пересекает линий, его внутренняя часть (cd ), вращающаяся вместе с магнитом, пересекает все линии, проходящие внутри магнита. Если же внешнюю часть проводника закрепить и вращать вместе с магнитом, то ток не возникает. Это тоже можно объяснить. Действительно, внутренняя и внешняя части проводника пересекают одно и то же количество силовых линий, направленных в одном направлении, поэтому токи, индуцируемые в обеих частях проводника, компенсируют друг друга.

Из экспериментов следовало, что внутри магнита силовые линии идут не от северного полюса к южному, а наоборот, образуя с внешними силовыми линиями замкнутые кривые, что позволило Фарадею сформулировать закон сохранения количества магнитных силовых линий во внешнем и внутреннем пространствах постоянного магнита: «Этим поразительным распределением сил, которое выявляется с помощью движущегося проводника, магнит в точности походит на электромагнитную катушку как по тому, что силовые линии протекают в виде замкнутых кругов, так и по равенству их суммы внутри и снаружи». Тем самым, понятие «количество силовых линий» получало права гражданства, благодаря чему формулировка закона пропорциональности электродвижущей силы индукции количеству силовых линий, пересекаемых проводником в единицу времени, приобретала физический смысл.

Однако Фарадей признавал, что полученные им результаты не являются окончательным доказательством реальности силовых линий. Для такого доказательства, писал он, надо «установить отношение силовых линий ко времени», т. е. показать, что эти линии могут перемещаться в пространстве с конечной скоростью и, следовательно, могут быть обнаружены какими-либо физическими методами.

Важно подчеркнуть, что проблема «физических силовых линий» не имела для Фарадея ничего общего с попытками непосредственного обнаружения обычных силовых линий. Со времени открытия электромагнитной индукции Фарадей верил, что и обычные силовые линии, и законы электромагнетизма - это проявления каких-то особых свойств материи, ее особого состояния, которое ученый назвал электротоническим. При этом вопрос о сущности этого состояния и его связи с известными формами материи являлся, считал Фарадей, открытым: «Каково это состояние и от чего оно зависит, мы сейчас не можем сказать. Может быть, оно обусловлено эфиром, подобно световому лучу... Может быть, это - состояние напряжения, или состояние колебания, или еще какое-либо состояние, аналогичное электрическому току, с которым так тесно связаны магнитные силы. Необходимо ли для поддержания этого состояния присутствие материи, зависит от того, что понимать под словом «материя». Если понятие материи ограничить весомыми или тяготеющими веществами, тогда присутствие материи столь же мало существенно для физических линий магнитной силы, как для лучей света и теплоты. Но если, допуская эфир, мы примем, что это - род материи, тогда силовые линии могут зависеть от каких-либо ее действий».

Столь пристальное внимание, которое Фарадей уделял силовым линиям, было обусловлено в первую очередь тем, что он видел в них мостик, ведущий в какой-то совершенно новый мир. Однако пройти по этому мостику было трудно даже такому гениальному экспериментатору, как Фарадей. Собственно, эта задача вообще не допускала чисто экспериментального решения. Однако в пространство между силовыми линиями можно было попытаться проникнуть математически. Именно это и сделал Максвелл. Его знаменитые уравнения стали тем инструментом, который позволил проникнуть в несуществующие промежутки между силовыми линиями Фарадея и, в результате, обнаружить там новую физическую реальность. Но это уже другая история - история о Великом Теоретике.

Имеется в виду книга Р. Фейнмана, Р. Лейтона и М. Сэндса «Фейнмановские лекции по физике» (М.: Мир, 1967) (Прим. ред. )
В русском переводе первый том этой книги вышел в 1947 году, второй - в 1951, а третий - в 1959 году в серии «Классики науки» (М.: Издательство АН СССР). (Прим. ред. )
В 1892 году Уильям Томсон был удостоен дворянского титула «лорд Кельвин» за фундаментальные работы в различных областях физики, в частности по прокладке трансатлантического кабеля, связавшего Англию и США.