Основоположник учения об электромагнитном поле

Шнейберг Ян

Никогда со времен Галилея свет не видел столь поразительных и разнообразных открытий, вышедших из одной головы, и едва ли скоро увидит другого Фарадея.

А.Г. Столетов

Когда в семье бедного лондонского кузнеца Джемса Фарадея родился сын, названный Майклом, никто и представить не мог, что этот мальчик, не имевший возможности даже окончить начальную школу, станет всемирно известным ученым. Членом 97 академий и научных обществ, в том числе почетным членом Петербургской академии наук!

Майкл родился 22 сентября 1791 года в дружной семье, где с детства прививалась любовь к труду и скромность. Отец Фарадея умер рано, а мать, простая необразованная женщина, дожив до глубокой старости, застала те счастливые дни, когда ее любимец – младший сын – получил всемирную известность ученого.

Заработок отца был весьма скудным, порции хлеба за обедом становились все меньше. Средств для обучения детей не хватало, и родители были вынуждены отдать старшего брата в ученики к кузнецу, а 14-летнего Майкла – к владельцу книжной лавки и переплетной мастерской. Кто знает, попади Майкл в обучение к сапожнику или портному, вряд ли он с раннего детства полюбил бы книги.

Вначале Майкл был разносчиком газет, а год спустя его стали обучать переплетному делу. Он увлекается чтением книг, тем более что хозяин мастерской, отмечая его ловкость и трудолюбие, всячески поощряет это увлечение.

Однажды в мастерскую принесли три маленьких томика «Химические беседы», популярно и интересно написанных швейцарской писательницей Морсе. Майкл буквально проглотил эти книжки и воспроизвел изложенные в них простейшие химические опыты. Возможно, с этих опытов и начинается биография выдающегося изобретателя.

Когда в мастерскую принесли многотомное издание «Британской энциклопедии» (каждый том весом почти полпуда), Майкл внимательно прочел статью об электричестве и необычайно увлекся этой таинственной силой природы. Он начал демонстрировать сотрудникам и посетителям мастерской занимательный опыт с электризацией палочки сургуча, натираемой суконной тряпочкой. Затем, используя имевшиеся под руками инструменты и подручные материалы, он по рисунку в «Энциклопедии» соорудил весьма эффективную электрическую машину, которая приводила в восторг всех, кто ее наблюдал. Шестнадцатилетний изобретатель очень гордился своим созданием, тем более что в процессе ее изготовления ему пришлось работать не только руками, но и головой, упрощая и заменяя некоторые детали машины.

Молодой Фарадей все более ощущает недостаточность своих знаний и начинает регулярно посещать общеобразовательные лекции по физике и астрономии. Оплачивать лекции ему помогает брат, а овладевать знаниями – друзья. С их помощью он научился грамотно писать и четко излагать свои мысли.

Жизненный путь Майкла Фарадея – замечательный пример удивительной жажды знания, трудолюбия, неутомимой настойчивости в преодолении трудностей, неизбежадея было знакомство с выдающимся английским ученым Хэмфри Дэви. Его пригласил на лекцию знаменитого физика и химика в Королевском институте один из посетителей переплетной мастерской, большой любитель химии. Эти четыре последних лекции Дэви решили судьбу Майкла. Он был, возможно, одним из самых внимательных слушателей, а сопровождавшие лекцию эксперименты вызвали у него восхищение.

Майклу казалась несбыточной мечта заняться научной работой. По совету того же знакомого Фарадей посылает Дэви письмо вместе с конспектами лекций, аккуратно переплетенными в отдельную тетрадь. Вскоре приходит ответ. Дэви отмечает его конспекты, обнаруживающие «большое прилежание, внимание и силу памяти». «Я буду рад, если смогу быть Вам полезен», – пишет Дэви. Трудно представить волнение, которое испытал Фарадей, перечитывая письмо.

В конце января 1813 года Майкл впервые встретился с Дэви, а 1 марта получил от него приглашение занять место лаборанта в лаборатории Королевского института. При этом Дэви предупредил Фарадея о нелегком пути ученого, стараясь рассеять иллюзии еще неопытного юноши. Вскоре Фарадей убедился в справедливости этого предупреждения. Он не только исполнял обязанности лаборанта, но был по существу и служителем, и лакеем, в том числе и у леди Дэви. А когда в конце 1813-го Дэви с женой уехали в путешествие по Европе, то взяли с собой Фарадея в качестве лакея и слуги.

Во время путешествия Фарадей познакомился с такими известными учеными, как Ампер, Вольта, Гумбольт, Гей-Люссак. Эти встречи заметно обогатили познания Фарадея и укрепили его желание заняться самостоятельными научными исследованиями. С 1815 года он помогает Дэви в проведении химических экспериментов, вскоре публикуются его первые научные статьи по химии, он привлекается к редактированию научного журнала, читает лекции в организованном им философском обществе, объединявшем молодых людей из бедных семей, интересующихся достижениями науки.

Звездным часом в творчестве Фарадея, по-видимому, нужно считать момент, когда он узнал о необычайно интересном открытии датского физика Г.Х. Эрстеда – действии электрического тока на магнитную стрелку. По образному выражению одного из ученых, с тех пор электромагнетизм привлек к себе не только железо, но и мысли виднейших европейских физиков.

В августе 1820 года Дэви ознакомил Фарадея с трехстраничным докладом Эрстеда. Они вместе повторили опыты датского физика, и с тех пор почти все важнейшие исследования Фарадея, принесшие ему мировую славу, были связаны с изучением электромагнитных явлений.

В опыте Эрстеда наблюдалось принципиально новое явление: уже не было привычного притягивающего и отталкивающего действия «электрической силы»; магнитная стрелка компаса поворачивалась и становилась поперек провода с током.

Фарадей подробно знакомится с открытиями в области электромагнетизма, сделанными в 1820 году французскими учеными Ампером, Араго, Био и Саваром. Закон о взаимодействии тока и магн вращательный характер движения проводника относительно магнита и магнита относительно проводника.

Проявив незаурядные способности экспериментатора, Фарадей в 1821 году впервые создает оригинальный прибор, в котором этот закон получил наглядное подтверждение (рис. 1). При подключении к источнику тока в левом сосуде со ртутью подвижный магнит вращался вокруг неподвижного провода, а в правом – подвижный проводник вращался вокруг неподвижного магнита.

Над своим прибором Фарадей, по его признанию, «долго ломал себе голову... даже ночами просыпался и думал».

Этот эксперимент наглядно иллюстрировал возможность построения электродвигателя.

По мнению одного из биографов, «...одно лишь открытие Фарадеем «электромагнитного вращения» доставило ему мировую известность... Этого было достаточно, для того чтобы занять видное место и в научном мире того времени, и в истории науки». Фарадей опубликовал в научном журнале Королевского общества статью с историческим обзором явлений электромагнетизма. После создания прибора он написал вторую статью по электромагнетизму «О новых электромагнитных движениях».

В том же 1821-м Фарадей записывает в своем дневнике замечательные слова: «Превратить магнетизм в электричество». Такая новаторская научная проблема могла быть сформулирована только незаурядным исследователем, глубоко понимавшим сложные взаимосвязи и взаимопревращения различных сил природы. Такие материалистические представления лежали в основе философского мировоззрения Фарадея еще задолго до открытия закона сохранения и превращения энергии.

Действительно, достижения науки и практики, хорошо известные Фарадею, убедительно подтверждали его веру в «единство сил природы» (термин «энергия» в то время еще не употреблялся): взаимное превращение тепловой и механической, электрической и химической энергий. Вот как писал об этом в своем дневнике Фарадей: «Все силы природы в основе своей едины. Тепло, расширяя пар в паровой машине, превращается в механическое движение.

Механическое движение, как, например, вращение колеса, остановленное трением тормоза, переходит обратно в тепло, нагревая тормоз и колесо. Такой взаимный переход должен несомненно существовать также между электричеством и магнетизмом». Так, если электрический ток создает магнитное поле, то можно предположить существование обратного процесса: магнетизм превращается в электричество.

Вот таким поразительным для своего времени научным предвидением, основанным на прочном фундаменте знаний, владел Фарадей. И запись в его дневнике появилась не случайно. Но потребовалось десять (!) лет упорнейшего труда, чтобы практически решить поставленную задачу.

Имя Фарадея уже стало известным в ученых кругах, но он неустанно занимался самообразованием: изучал труды знаменитых физиков и химиков. И хотя большую часть времени он посвящал изучению электромагнитных явлений, ему в отличие от Дэви удалось в 1823 году впервые получить жидкийка, который все более убеждался в одаренности и таланте молодого ученого.

Коллеги Фарадея выступили с предложением избрать его в члены Лондонского Королевского общества, президентом которого был Дэви. Вначале он резко возражал против избрания Фарадея: никак не мог примириться с мыслью, что его бывший лакей и ученик будет удостоен высшего научного звания. Однако под воздействием ряда ученых Дэви дал согласие на проведение выборов. 8 января 1824 года

Фарадей избирается членом Королевского общества. Как пишут биографы Фарадея, в баллотировочном ящике оказался лишь один черный шар «и Фарадей никогда не узнал, голосовал Дэви за или против его избрания». Но в кругу друзей Дэви любил повторять, что среди его немаловажных для науки открытий самым большим было «открытие Фарадея».

В 1827 году Фарадей получил «профессорскую кафедру» в Королевском институте. Его лекции вызывали всеобщий интерес. Но чем бы ни занимался Фарадей, все его мысли были о «превращении магнетизма в электричество».

Рассказывают, что он носил в кармане небольшую спираль из медной проволоки и тонкий железный брусок, нередко доставал эту своеобразную модель электромагнита и устанавливал детали в разнообразные положения. Многие друзья и коллеги считали его чудаком. Фарадею не давала покоя мысль о физической сущности явления, описанного в 1824 году французским ученым Араго и названного им «магнетизмом вращения».

Магнитная стрелка компаса, помещенная в медную коробку с медной крышкой (медь – немагнитный материал), при повороте крышки поворачивалась в том же направлении. При неподвижной крышке стрелка оставалась также неподвижной. Даже великий Ампер не мог объяснить это явление.

В течение долгих десяти лет день за днем Фарадей ставил опыт за опытом, тщательно записывая их в лабораторный журнал. Опытов были тысячи, но «возбуждения электричества посредством магнетизма» достичь не удавалось.

29 августа 1831 года – памятный день не только в жизни Фарадея, но и в истории науки.

В первом эксперименте на деревянную или картонную катушку была намотана медная проволока, между ее витками – вторая проволока, изолированная от первой хлопчатобумажной нитью (рис. 2). Одна из спиралей соединялась с гальванометром, другая – с сильной батареей из 100 пар пластин. При замыкании и размыкании электрической цепи стрелка гальванометра слабо отклонялась. Но при непрерывном прохождении тока через первую спираль гальванометр оставался неподвижным.

Очевидно, во вторичной цепи возникал ток. Но почему только при замыкании и размыкании первичной цепи? А каковы свойства этого тока? Поместив внутрь спирали, включенной во вторичную цепь, стальную иглу, Фарадей обнаружил, что она намагничивается индуктированным током. Следовательно, этот ток обладает теми же свойствами, что и ток, полученный от гальванической батареи.

Но почему все-таки стрелка гальванометра неподвижна, когда ток проходит по первой спирали и даже нагревает ик, а великий экспериментатор оставался наедине со своими сомнениями.

Было очевидно, что, поскольку спирали между собой электрически не соединены, первая действует на вторую через окружающую их среду. Естественно было предположить, как повлияет на отклонение стрелки гальванометра замена деревянной катушки железным кольцом? Ведь железо легко намагничивается током (рис. 3).

Оказалось, что стрелка отклоняется на больший угол, т. е. среда, окружающая проводник с током, играет активную роль и может усиливать явление индукции.

Отметим, кстати, что в опыте с железным кольцом и двумя спиралями можно увидеть прообраз простейшей конструкции трансформатора.

Стремясь выяснить причину возникновения индукционного тока только при замыкании и размыкании первичной цепи, Фарадей пытался логически представить физический процесс этого явления. При замыкании и размыкании цепи возникало и исчезало магнитное поле, создаваемое током. Другими словами, происходило изменение магнитного состояния среды, окружавшей первичную и вторичную спирали. Но ведь магнитное состояние среды можно получить и без электрического тока, применяя обыкновенные стержневые постоянные магниты.

Этот опыт Фарадей осуществил 24 сентября 1831 года. Он обмотал железный цилиндр медной изолированной проволокой, соединив ее концы с гальванометром. Цилиндр был помещен между двумя постоянными стержневыми магнитами, которые внизу соприкасались разноименными полюсами (рис. 4а). При смыкании и размыкании концов магнитов стрелка гальванометра отклонялась. Это явление Фарадей назвал уже «магнитно-электрической», а не «вольта-электрической индукцией». Позднее он подчеркнул, что принципиальной разницы между этими явлениями нет, и предложил название «электромагнитная индукция».

Проходит более двух недель, и 17 октября 1831 года Фарадей ставит самый убедительный эксперимент, дающий прямой ответ на поставленную задачу. Если изменение магнитного поля, вызванное размыканием и замыканием магнитов, возбуждает в катушке ток, то это изменение можно вызвать еще более просто.

На картонную катушку была намотана спираль из медной проволоки, соединявшейся концами с гальванометром (рис. 4б). Фарадей взял цилиндрический магнитный брусок и далее, пишет он в своем журнале, «... быстрым движением втолкнул магнит внутрь спирали на всю его длину, и стрелка гальванометра испытала толчок. Затем я так же быстро вытащил магнит... и стрелка 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».

Итак, «магнетизм превращался в электричество» – гениальная гипотеза ученого была убедительно подтверждена!

А через несколько дней Фарадей осуществляет еще один эксперимент, с помощью которого наглядно объясняет явление, открытое Араго, и показывает возможность егнита вышеописанным образом, я полагаю, что опыт г-на Араго может стать новым источником получения электричества, и надеялся, что... мне удастся сконструировать электрическую машину» (курсив Фарадея). Опыт заключался в следующем. Фарадей принес в лабораторию большой подковообразный электромагнит, хранящийся до сих пор в музее Лондонского Королевского общества (рис. 5). К полюсам магнита он прикрепил «два стальных бруска» и в промежуток между ними ввел край медного диска. Край диска и его ось были соединены посредством щеток с гальванометром. При вращении диска стрелка гальванометра «показывала наличие в нем электрического тока», причем стрелка испытывала не мгновенный толчок, а все время находилась в отклоненном положении, пока диск вращался. Это был первый в мире электромашинный генератор («диск Фарадея»), получивший позднее название униполярного генератора. С него начинается история электрических машин.

Действие своего генератора Фарадей объяснял так: медный диск можно представить в виде колеса с бесконечно большим числом спиц – радиальных проводников. При вращении диска эти спицы-проводники пересекают магнитные силовые линии, в них возникает индуктивный ток.

Создание первого электромашинного генератора обусловило зарождение и последующее бурное развитие не только электротехники, но и многих других отраслей науки и техники, связанных с электромагнитными явлениями, в том числе радиотехники и электросвязи.

Еще в 90-х годах XIX века известный сербский ученый Н. Тесла построил несколько типов электрических генераторов высокой частоты. В России первый высокочастотный генератор, использованный для получения радиоволн, был создан в 1912 году будущим членом-корреспондентом АН СССР В.П. Вологдиным. В 1922-м он создал высокочастотный генератор мощностью 150 кВт и частотой 15 кГц, который был использован для осуществления радиосвязи между Москвой и Нью-Йорком в 1925 году. Широкое применение нашли также дуговые электрические генераторы, дававшие возможность получения электрической дуги как источника электромагнитных волн. Незаменимым элементом радиотехнических устройств является трансформатор, прообраз которого создал Фарадей.

Читателям «Connect’a» будет интересно узнать о находке в архивах Лондонского Королевского общества в 1938 году конверта, в котором хранилось ранее неизвестное письмо Фарадея, датированное 12 марта 1832 года. Письмо начиналось словами: «Новые воззрения, подлежащие в настоящее время хранению в запечатанном конверте в Архиве Королевского общества». Далее Фарадей писал: «...Результаты исследований привели меня к заключению, что на распространение магнитного воздействия требуется время... которое, очевидно, оказывается весьма незначительным. Я полагаю также, что электрическая индукция распространяется точно таким же образом. Я полагаю, что распространение магнитных сил похоже на колебание взволнованной водной поверхности или же на звуковые колебания частиц воздуха (что близко к понятию «электрь намерен приложить теорию колебаний к магнитным явлениям, как это сделано по отношению к звуку и является наиболее вероятным объяснением световых явлений. Эти воззрения я хочу проверить экспериментально, но так как мое время занято... я хочу, передавая это письмо на хранение Королевскому обществу, закрепить открытие определенной датой. В настоящее время, насколько мне известно, никто из ученых, кроме меня, не имеет подобных взглядов» (курсив наш – Я.Ш.).

Фарадей утверждает, что распространение магнитных сил «похоже на колебание взволнованной водной поверхности». Никто до него не сумел найти столь простой и ощутимый образ сложного электромагнитного явления.

В тот день, когда Фарадей запечатал свое письмо, великому его соотечественнику Д.К. Максвеллу, сформулировавшему и математически обосновавшему основные положения теории электромагнитного поля, еще не исполнилось и года (он родился 13.06.1831).

Идеей о существовании электромагнитных волн и невиданной скорости их распространения Фарадей создал своеобразный плацдарм для последующего бурного развития электросвязи и радиотехники. Как указывает исследователь творчества Фарадея профессор П.С. Кудрявцев, Фарадей по праву считается «основателем физики электромагнитного поля».

Он впервые открыл активную роль среды, окружающей проводники с током или магниты. «Линиями магнитных сил, – писал Фарадей, – я называю те линии, которые становятся доступными нашему зрению, когда мы рассматриваем расположение железных опилок вокруг полюсов магнита». Какое зримое, образное описание сложного физического явления. Кстати, и сегодня в школьных физических кабинетах именно так демонстрируются «силовые линии» магнитного поля.

«Фарадей, – писал Максвелл, – своим мысленным оком видел силовые линии, проходящие по всему пространству там, где математики ...ничего не видели, кроме расстояния. Фарадей искал сущность явлений в том, что в действительности происходит в среде...» (курсив Максвелла).

Именно Максвеллу принадлежит заслуга в развитии и математической обработке идей Фарадея.

Перелистывая страницы фарадеевского лабораторного журнала (его содержание позднее было изложено в солидном труде), можно только поражаться широте и глубине его творческих поисков. Широко известны открытые им законы электролиза, исследования разряда в вакууме и газах (впоследствии на основе его наблюдений и выводов были открыты рентгеновские лучи и радиоактивность), открытие диамагнетизма и парамагнетизма, установление единой природы различных видов электричества – «животного», гальванического, статического, «магнитного», термоэлектричества, введение понятия «диэлектрик». Им также было открыто явление самоиндукции. При исследовании явлений электролиза Фарадей ввел термины электролиз, электролит, электрод, анод, катод, ион, которые сохранились до наших дней.

Результаты выдающихся экспериментов Фарадея с 1831 года в течение 24 лет регулярно печатались в научном журнале «P великолепный памятник научного творчества Фарадея представляет единственное и неповторимое научное произведение, в котором нашли свое отражение воззрения, мысли и труды великого ученого».

Однако напряженный повседневный труд не мог не сказаться на здоровье ученого, заметно ухудшилась его когда-то феноменальная память. Он стал меньше работать, но еще в семидесятилетнем возрасте проводил эксперименты. Ему было уже за 70, когда он, объехав по океану на лодке несколько маяков, дал авторитетное заключение о целесообразности замены масляных ламп электрическими фонарями.

Всемирно известный ученый оставался человеком исключительной скромности и высоких нравственных качеств. Он много лет получал небольшое жалованье и жил в маленькой квартире с «углем и свечами». И только в последние годы указом короля ему была назначена заслуженная пенсия.

Много лет он читал бесплатные общедоступные лекции в Королевском институте и в течение 25 лет выступал в дни Рождественских каникул с лекциями для юношества, сопровождавшимися замечательными опытами. Как популяризатор Фарадей занимает особое место в истории науки. Уже давно считается непревзойденной его популярная книжка «История свечи», которая содержит лекции, прочитанные для детей.

По свидетельству друзей и родных (детей у Фарадея не было), он был в высшей степени добрым и жизнерадостным человеком, в горе и несчастье первым приходил на помощь. Не забывая о своем происхождении, Фарадей всегда оказывал внимание простым и бедным людям.

Однако здоровье Фарадея все ухудшалось, и в 1865 году он подал заявление об освобождении от должности заведующего лабораторией. Но Совет Королевского института, поблагодарив его за многолетнюю плодотворную деятельность, попросил «...нести эти попечения, только поскольку это будет ему приятно...».

25 августа 1867 года, сидя в своем любимом кресле, Майкл Фарадей скончался. Перед смертью он пожелал, чтобы его кончина была отмечена так же скромно, как он провел свою жизнь. На могиле ученого на Хайгетском кладбище в Лондоне установлен простой надгробный памятник, указаны его имя и фамилия, даты рождения и смерти. И ни слова о его всемирной славе!..

За прошедшие 170 лет со дня открытия Фарадеем явления электромагнитной индукции это и многие другие открытия великого физика не устарели. Наоборот, их значение еще более возросло. Достаточно напомнить об успехах космических наук, космических кораблях и межпланетных связях.

Имя Фарадея увековечено открытыми им законами и понятиями: «фарадеево темное пространство», «Фарадея метод измерения», «число Фарадея (постоянная Фарадея)» и, наконец, единица измерения электрической емкости «фарада».

Как пророчески заметил крупнейший немецкий ученый Г. Гельмгольц, до тех пор пока люди пользуются благами электричества, они с благодарностью будут вспоминать Фарадея.