Путешествие в космос - Электромагнетизм космических тел

8. Майкл ФАРАДЕЙ

Майкл Фарадей (Michael Faralay) — один из величайших физиков и привлекательнейших людей XIX века, родоначальник современной полевой концепции в электродинамике, автор ряда фундаментальных открытий, в том числе закона электромагнитной индукции, законов электролиза, явления вращения плоскости поляризации света при его распространении в веществе вдоль линий магнитного поля, один из первых исследователей воздействия магнитного поля на среды — по праву может считаться одним из основоположников современной физики.

Фарадей родился 22 сентября 1791г. в Лондоне в семье бедного кузнеца. Кузнецом был и его старший брат Роберт, всячески поощрявший тягу Майкла к знаниям и на первых порах поддержавший его материально. Мать Фарадея была прекрасной, трудолюбивой и мудрой, хотя и необразованной женщиной, она дожила до времени, когда ее сын достиг успехов и признания и по праву им гордилась.

Весьма скромные доходы кузнеца не позволили Майклу окончить даже среднюю школу, и двенадцати лет он поступил учеником к владельцу книжной лавки и переплетной мастерской, где ему предстояло пробыть 10 лет. Все это время Фарадей напряженно занимался самообразованием, прочитал всю доступную ему литературу по физике и по химии, повторяя, по возможности, в устроенной им домашней физико-химической лаборатории опыты, которые описывались в книгах, посещал по вечерам и воскресеньям частные лекции по физике и астрономии. По шиллингу на оплату каждой лекции он получал от брата. На этих лекциях у Фарадея появились новые знакомые, и он стал писать им письма, чтобы выработать ясный и лаконичный стиль изложения, прося друзей указывать ему на все недостатки; он старался также изучать приемы ораторского искусства.

Одним из клиентов переплетной мастерской был член Королевского общества Денс (Dence) который, заметив огромную тягу Фарадея к науке, помог ему попасть на лекции выдающегося физико-химика Гемфри Деви 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 1913 г. Деви (не без некоторого колебания) пригласил его на освободившееся место ассистента в Королевский институт. Осенью того же года Деви отправился на два года в поездку по научным центрам Европы, взяв с собой и Фарадея в качестве ассистента (а порой, заметим, и лакея, благодаря жене Деви, находившей нужным «ставить на место» молодого человека). Это путешествие имело для Фарадея большое значение: он вместе с Деви посетил ряд лабораторий, познакомился с выдающимися учеными: Ампером, Шеврелем, Гей-Люссаком, и они обратили внимание на блестящие способности молодого англичанина.

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

В 1821г. в жизни Фарадея произошло несколько важных событий. Он получил место надзирателя за зданием и лабораториями Королевского института (технического смотрителя, по нынешней терминологии); появились две крупные его работы (о вращении тока вокруг магнита и магнита вокруг тока и о сжижении хлора). В том же году он женился, и, как показала вся его дальнейшая жизнь, женился весьма счастливо.

В период до 1921г. Фарадей опубликовал около 40 работ, главным образом, по химии. Затем его блестящие экспериментальные исследования все более начали переключаться на область электромагнетизма.

К тому времени только что произошло открытие Эрстедом магнитного действия электрического тока, и Фарадея увлекала проблема связи между электричеством и магнетизмом. В 1922 г. в его лабораторном дневнике появляется запись: «Превратить магнетизм в электричество». Но он продолжал и другие исследования.

Вскоре Фарадей был избран членом Королевского общества. Это произошло несмотря на активное противодействие Деви, отношения Фарадея с которым стали к тому времени непростыми, хотя Деви любил повторять, что из всех его открытий самым значительным было открытие Фарадея. Последний также никогда не упускал случая воздать должное Деви. «Это был великий человек», — сказал он уже на склоне лет химику Дюма, когда тот начал говорить о слабостях Деви.

Спустя год после избрания в Королевское общество Фарадея назначили директором лаборатории Королевского института. В 1827г. он получил в этом институте профессорскую кафедру.

Несмотря на стесненное материальное положение, Фарадей в 1830 г. решительно бросает все свои побочные занятия, выполнение любых платных научно-технических исследований и других работ (кроме чтения лекций по химии), чтобы целиком посвятиться научным изысканиям.

Вскоре его труды увенчиваются блестящим успехом: 29 августа 1831г. Фарадей открывает явление электромагнитной индукции — явление порождения электрического поля переменным магнитным полем.

Как уже говорилось выше, электрические и магнитные явления долгое время казались независимыми и несвязанными друг с другом, хотя электростатика и магнитостатика в значительной степени друг друга «дублировали». Если рядом с несущим электрический заряд телом поместить постоянный магнит, то, казалось, он не влияет на заряды. Правда, уже было установлено, что магнит воздействует на провод, по которому течет электрический ток, но если тока нет, то действие магнита его и не порождает. Но только магнита неподвижного! Напомню читателю известный любому школьнику опыт: если внутри катушки провода (физики часто говорят «контура») покоится постоянный магнит, никакого тока в контуре не возникает, но если тот же магнит начать вдвигать в катушку, или выдвигать из нее, или заменить постоянный манит электромагнитом и менять силу протекающего по нему тока, то ток в контуре пойдет, какими бы причинами ни вызывалось изменение «магнитного потока» (наглядно говоря, числа силовых линий, пронизывающих площадку, ограниченную этим контуром).

Лишь позже была понята глубокая причина этого. Фарадей фактически открыл, что кроме электрического поля, порождаемого электрическими зарядами (его иногда называют «полем кулоновского типа») существует и другое электрическое поле, силовые линии которого, в отличие от поля кулоновского типа, не начинаются или не кончаются на зарядах, а замкнуты (такие поля называют поэтому вихревыми). Эти два типа полей носят одинаковое название «электрические» по простой, но важнейшей причине: они проявляются одинаковым образом в эксперименте по воздействию на заряды.

Здесь уместно небольшое отступление.

Если физику предлагается дать определение некоторого понятия, он указывает, как оно проявляется на опыте и как можно измерить величины, которые количественно его описывают. Так, на вопрос «что такое напряженность электрического поля», физик отвечает: «чтобы определить напряженность электрического поля в некоторой точке, нужно поместить в эту точку положительный единичный неподвижный заряд и измерить, какова действующая на него сила.

Читателю, склонному к «философскому осмыслению», такой ответ может показаться сухим и неинтересным. Возможно, ему больше импонирует мнение Гегеля, полагавшего, что «электричество есть яростная сущность материи», но для физика, не склонного к туманным и высокопарным словесам, он является точным и исчерпывающим.

Но как только принято такое определение и эксперимент подтверждает, что в переменном магнитное поле на покоящийся заряд действует сила, остается только согласиться, что переменное магнитное поле порождает электрическое поле, а оно, в свою очередь, может явиться и причиной тока в контуре.

Десять дней напряженнейшей работы позволили Фарадею всесторонне и полностью исследовать это открытое им явление, которое, без преувеличения, можно назвать фундаментом, на котором покоится, в частности, вся современная электротехника. Но сам Фарадей не интересовался прикладными возможностями своих открытий, он стремился к главному — к исследованию законов Природы.

Открытие электромагнитной индукции принесло Фарадею заслуженную известность. Но он 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 1835г. Но когда у Фарадея возникло впечатление, что министр казначейства относится к этой пенсии как к подачке ученому, последний направил ему полное гордого достоинства письмо, в котором отказывался от всякой пенсии. Министру пришлось просить извинения у Фарадея.

В 1833-1834 гг. Фарадей изучал прохождение электрических токов через растворы кислот, солей и щелочей, что привело его к открытию законов электролиза. Это можно назвать одним из первых важных шагов в сторону современной атомистики. Фарадей понял все основные черты процесса прохождения электролиза. Задолго до появления «микроскопической» модели этого процесса Фарадей уже «мысленным взором», как любили выражаться прежде, видел, что в растворах электролитов нейтральные молекулы разделяются на ионы, несущие противоположные по знаку заряды, причем эти заряды всегда кратны некоей одинаковой для всех ионов величине (мы теперь понимаем, что это заряд электрона, открытие которого, таким образом, Фарадей предвосхитил почти на три четверти века). Естественно, законы электролиза сыграли важную роль в становлении представлений о дискретных носителях электрического заряда и о величине заряда, который впоследствии называли элементарным.

До конца 30-х гг. Фарадей выполнил обширные исследования электрических явлений в диэлектриках.

Постоянное огромное умственное напряжение подорвало здоровье Фарадея и вынудило его в 1840 г. на пять лет прервать научную работу. Вернувшись к ней вновь, Фарадей в 1846 г. открыл явление вращения плоскости поляризации света, распространяющегося в прозрачных веществах, помещенных в магнитное поле, вдоль линий напряженности этого поля. 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 магнетизмом.

После появления выдвинутой Лоренцом программы объяснения электромагнитных процессов в веществе на базе «микроскопически-электронных» представлений, появилось объяснение этого явления: под действием линейно поляризованной световой волны электроны в атомах начинают совершать колебания, но если все это происходит в магнитном поле, то под его воздействием плоскость этих колебаний несколько поворачивается по отношению к плоскости, в которой лежит напряженность электрического поля в падающей волне. Во вторичной же световой волне, порождаемой начавшимися колебаниями электронов, плоскость колебаний электрического поля (а она определяется направлением порождающих ее колебаний электронов) оказывается уже несколько повернутой по сравнению с той, что была у «первичной» волны.

Убежденность в глубокой связи между электрическими, магнитными, оптическими и другими физическими (а также химическими) явлениями была вообще лейт-мотивом всего научного миропонимания Фарадея.

В 1855г. болезнь вновь заставила Фарадея прервать работу. Он значительно слабел, стал катастрофически терять память. Ему приходилось записывать в лабораторный журнал все, вплоть до того, куда и что он положил перед уходом из лаборатории и что он уже сделал и что собирался делать далее. Но даже когда он, чтобы все же продолжать работать, должен был отказаться от многого, в том числе и от посещений друзей, последнее, от чего он отказался, оставались лекции для детей. Они продолжались почти до последнего дня его жизни 25 июля 1867 г.

Последние экспериментальные работы Фарадея были посвящены исследованиям магнитных свойств сред. Одним из наиболее значительных результатов здесь явилось открытие диамагнетизма.

Даже приведенный далеко не полный перечень того, что внес в физику Фарадей, позволяет оценить исключительное значение его трудов.

Но в этом перечне отсутствует главное, что составляет его громадную научную заслугу: Фарадей был первым, кто 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 Фарадей последовательно развивал идею о том, что активным материальным переносчиком этого взаимодействия является электромагнитное поле. Об этом прекрасно написал Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879), ставший его последователем и развивший далее его учение и облекший представления об электромагнитном поле в четкую математическую форму: «Фарадей своим мысленным оком видел силовые линии, пронизывающие 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».

Полевая точка зрения на электродинамику, основоположником которой был Фарадей, стала неотъемлемой составной частью науки нашего времени.

Учению об электромагнитном поле придал блистательную физическую и математическую завершенность еще один из величайших физиков мира Джеймс Клерк Максвелл.

<<<Назад Страница 10 Далее>>>

WalkInSpace.Ru

Правила:

«Путешествие в космос» © 2024

Использование материалов допускается при условии указания авторства WalkInSpace.ru и активной ссылки на www.WalkInSpace.ru.

Используются технологии uCoz