ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 28.06.2024
Просмотров: 424
Скачиваний: 0
«Хороший эксперимент имеет большие ценности, чем глубокомыслие такого гения, как Ньютон».
Все лабораторные записи Фарадея, сделанные на протяжении многих десятилетий и собранные в восьмитомном «Дневнике», не содержат ни одной математической формулы, ни одного логического построения, не подтвержденного опытом.
К тому же Фарадей не знал математики, и изящные построения блестящих математиков Ампера, Био, Савара и Лапласа были ему попросту непонятны.
И тем не менее именно Фарадею суждены были великие открытия. Дело в том, что Фарадей порой стихийно рвал путы эмпирики, некогда навязанные ему Дэви, и в такие минуты его осеняло великое прозрение – он приобретал способность к глубочайшим обобщениям.
Сейчас даже из соображений симметрии ясно, что если электрический ток (то есть движущийся электрический заряд) создает магнитное поле, то электрическое поле должно создаваться при движении магнита или магнитного поля. Для того чтобы прийти к этому выводу, Фарадею потребовалось 11 лет.
За многие годы Фарадей перебрал множество комбинаций проводников, спиралей, сердечников и магнитов. Говорят, он в течение всего этого времени таскал в кармане магнит и кусок проволоки, чтобы в любое время исследовать, что произойдет при новом их взаимном расположении.
Нельзя сказать, чтобы искал он совсем уж вслепую. Фарадей опирался на аналогию с электростатической индукцией. (Если к телу поднести заряд, то поверхность тела, близкая к заряду, тоже зарядится, но только электричеством другого знака.) А Фарадей искал индукцию электрического тока (движущихся зарядов), полагая, что она может быть вызвана магнетизмом.
Первый проблеск удачи появился, как уже было сказано, лишь через 11 лет после начала опытов.
29 августа 1831 года он собрал в лаборатории следующую несложную установку: на железное кольцо диаметром около шести дюймов он намотал изолированной проволокой две обмотки. Когда Фарадей подключил к зажимам одной обмотки батарею, артиллерийский сержант увидел, как дернулась стрелка гальванометра, подсоединенного к другой обмотке.
Дернулась и успокоилась, хотя постоянный ток продолжал течь по первой обмотке. Фарадей тщательно просмотрел все детали простой установки – все было в порядке.
Но стрелка гальванометра упрямо стояла па нуле. С досады Фарадей решил выключить ток, и тут случилось чудо – во время размыкания цепи стрелка гальванометра, показывающего электрическое напряжение в другой обмотке, опять качнулась и опять застыла на нуле! Вот как описывал сам Фарадей события великого дня:
«Я изготовил железное кольцо из мягкого круглого железа толщиной в 7/8 дюйма. Внешний диаметр кольца был 6 дюймов. Я намотал на одну половину кольца много витков медной проволоки, изолированных шнуром и коленкором. Всего на этой половине было намотано три куска проволоки, каждый длиной около 24 футов. Концы проволоки можно было соединить в одну обмотку или применить раздельно.
Испытание показало, что каждый из кусков проволоки вполне изолирован от двух других. Эту сторону кольца я обозначу буквой А. На другую половину кольца, отступив на некоторый промежуток от стороны А, я намотал еще два куска той же проволоки общей длиной около 60 футов. Направление витков было то же, что и на половине А. Эту сторону кольца я обозначу буквой В.
Я зарядил батарею из десяти пар пластинок, 4 квадратных дюйма каждая. На стороне В я соединил оба конца проволоки в общую цепь и приключил ее к гальванометру, который был удален от моего кольца на 3 фута. Тогда я подключил концы одной из проволок на стороне А к батарее, и тотчас же произошло заметное действие на стрелку гальванометра. Она заколебалась и затем вернулась в свое первоначальное положение. Когда я прервал контакт стороны А с батареей, немедленно же произошел новый бросок стрелки».
Фарадей был в недоумении: во-первых, почему стрелка ведет себя так странно? Во-вторых, имеют ли отношение замеченные им всплески к явлению, которое он искал?
Вот тут-то и открылись Фарадею во всей ясности великие идеи Ампера – связь между электрическим током и магнетизмом. Ведь первая обмотка, в которую он подавал ток, сразу становилась магнитом. Если рассматривать ее как магнит, то эксперимент 29 августа показал, что магнетизм как будто бы рождает электричество.
Только две вещи оставались странными: почему всплеск электричества при включении электромагнита стал быстро сходить на нет? И более того, почему всплеск появляется при выключении магнита?
На следующий день, 30 августа, новая серия экспериментов. Эффект ясно выражен, но тем не менее абсолютно непонятен.
Фарадей чувствует, что открытие где-то рядом.
23 сентября он пишет своему другу Р. Филиппсу: «Я теперь опять занимаюсь электромагнетизмом и думаю, что напал на удачную вещь, но не могу еще утверждать это. Очень может быть, что после всех моих трудов я в конце концов вытащу водоросли вместо рыбы».
К следующему утру, 24 сентября, Фарадей подготовил много различных устройств, в которых основными элементами были уже не обмотки с электрическим током, а постоянные магниты. И эффект тоже существовал! Стрелка отклонялась и сразу же устремлялась на место. Легкое движение происходило при самых неожиданных манипуляциях с магнитом, иной раз казалось – случайно. Нет, не может того быть! Разгадка где-то рядом. Но где?
Следующий эксперимент – 1 октября. Фарадей решает вернуться к самому началу – к двум обмоткам: одной с током, другой – подсоединенной к гальванометру. Различие с первым экспериментом – отсутствие стального кольца – сердечника. Всплеск почти незаметен. Результат тривиален. Ясно, что магнит без сердечника гораздо слабее магнита с сердечником. Поэтому и эффект выражен слабее. (Тривиально и ясно для нас, уже знающих, в чем тут дело. Но для Фарадея роль железного сердечника ясна отнюдь не была.)
Фарадей разочарован. Две недели он не подходит к приборам, размышляя о причинах неудачи.
Эксперимент триумфальный – 17 октября.
Фарадей заранее знает, как это будет. Опыт удается блестяще.
«Я взял цилиндрический магнитный брусок (3/4 дюйма в диаметре и 81/4 дюйма длиной) и ввел один его конец в просвет спирали из медной проволоки (220 футов длиной), соединенной с гальванометром. Потом я быстрым движением втолкнул магнит внутрь спирали на всю его длину, и стрелка гальванометра испытала толчок. Затем я так же быстро вытащил магнит из спирали, и стрелка опять качнулась, но в противоположную сторону. Эти качания стрелки повторялись всякий раз, как магнит вталкивался или выталкивался».
Секрет – в движении магнита! Импульс электричества определяется не положением магнита, а движением!
«Это значит, что электрическая волна возникает только при движении* магнита, а не в силу свойств, присущих ему в покое».
* В Фарадеевском оригинале – «approximation», т.е. собственно «приближение», но понимаемое, несомненно, в плане именно приближения в движении.
Идея оказалась плодотворной. Если движение магнита относительно проводника создает электричество, то, видимо, и движение проводника относительно магнита должно рождать электричество! «Электрическая волна» не исчезнет до тех пор, пока будет продолжаться взаимное перемещение проводника и магнита. Значит, есть возможность создать генератор электрического тока, действующий сколь угодно долго, лишь бы продолжалось взаимное движение проволоки и магнита!
Здесь – путь к современным электрогенераторам. И поскольку Фарадей правильно оценил принцип действия нового устройства, оно было им быстро построено и испытано.
28 октября Фарадей установил между полюсами подковообразного магнита вращающийся медный диск, с которого при помощи скользящих контактов (один на оси, другой на периферии диска) можно было снимать электрическое напряжение. Это был первый электрический генератор, созданный руками человека.
Кстати, говоря о том, что фарадеевский генератор вырабатывает электричество, мы никогда не задаемся вопросом: какое? Ответ для нас ясен – на свете есть лишь одно электричество, находящееся обычно в самых различных формах. Это не было ясным во времена Фарадея, и вопрос «какое?» был вполне уместен.
Фарадей сравнил действие различных «электричеств»: получаемого с помощью змея, «янтарного», от электрических рыб. Выяснилось, что все электричества идентичны по свойствам, но различны по количеству. Например, все они могут разлагать воду, только с различной скоростью. Вывод Фарадея о том, что электричество, каким бы путем оно ни было получено, едино по своей природе, – тоже один из важнейших в истории электричества. Открытие Фарадея еще раз подтверждает остроумную мысль, некогда выраженную Исааком Ньютоном: «Природа проста и не роскошествует излишними причинами».
После «электромагнитной эпопеи» Фарадей был вынужден прекратить на несколько лет свою научную работу – настолько была истощена нервная система непрестанными напряженными раздумьями.
Вообще Фарадей никогда не щадил себя, занимаясь наукой. Серьезно укоротили его жизнь химические опыты, где широко использовалась ртуть, беспрерывно, хотя и не намеренно, проливающаяся на пол, а затем испаряющаяся.
Оборудование его лаборатории было абсолютно негодным с точки зрения самой элементарной техники безопасности. Вот письмо самого Фарадея:
«В прошлую субботу у меня случился еще один взрыв, который опять поранил мне глаза. Одна из моих трубок разлетелась вдребезги с такой силой, что осколком пробило оконное стекло, точно ружейной пулей. Мне теперь лучше, и я надеюсь, что через несколько дней буду видеть так же хорошо, как и раньше. Но в первое мгновение после взрыва глаза мои были прямо-таки набиты кусочками стекла. Из них вынули тринадцать осколков...»
Когда, за несколько лет до смерти, Фарадею предложили квартиру в Хэмптон-Корте, его здоровье было уже сильно подорвано работой.
С годами он отказывался от всего, что могло бы помешать ему работать, от писем, от лекций, от встреч с друзьями.
Последняя лекция – на рождество 1860 года.
Сложил с себя обязанности профессора – октябрь 1861 года.
Последняя работа в лаборатории – 12 марта 1862 года.
Сложил с себя обязанности главы христианской общины в 1864 году.
Сложил с себя обязанности, связанные с электрическим освещением маяков, в 1865 году.
Последний раз интересовался электричеством – его восхитила громадная электрическая машина Хольтца – в 1865 году.
Силы его непрерывно слабели...
Он умер спокойно и без сожаления.
Прах его покоится на Хайгетском кладбище в Лондоне, недалеко от места захоронения Карла Маркса, столь высоко оценившего революционность идей Фарадея.
В Вестминстерском аббатстве установлена мемориальная доска Фарадею, его имя здесь находится рядом с именами самых великих ученых Англии – Ньютона, Максвелла, Резерфорда.
Рождение уравнений
Всего несколько
месяцев разделяют рождение закона
электромагнитной индукции Фарадея и
рождение Джеймса Клерка Максвелла,
гениального
.
(
= JCM,
формула термодинамики.
–
псевдоним, которым подписывал Джеймс
Клерк Максвелл стихотворные опусы и
письма к друзьям.)
Фарадей сделал свое гениальное открытие 4 октября 1831 года, а несколько раньше – 13 июня того же года в семье шотландского лендлорда Джона Клерка Максвелла родился сын Джеймс.
И теория Фарадея, и юный отпрыск знатного старинного шотландского рода должны будут еще пройти рука об руку немало лет, а пока предстоит им прожить первые, самые трудные годы жизни.
Нельзя сказать, что появление на свет фарадеевских идей, прочно связанных с понятием «силовых линий» и «тепловых трубок», было встречено с восторгом.
Непричесанное дитя не знающего математики бывшего переплетчика было не под стать стройным, прекрасно математически оформленным созданиям знаменитых французов Кулона, Ампера, Био и Лапласа, разработавших на базе представлений о мгновенном действии на расстоянии блестящие теории и изящные формулы.
Фарадеевская теория силовых линий и трубок, занимающих все пространство, в этой блестящей компании была явной золушкой, хотя и заметной, но слишком уж непрезентабельной, чтобы ее принимать всерьез.
Поэтому-то первые годы жизни новой теории нельзя назвать счастливыми. Некоторые исследователи допускают мысль, что встреча Максвелла с новой теорией вполне могла не состояться – в этом случае развитие физики, возможно, пошло бы совсем иным путем и идеи Фарадея были бы забыты.
Детство Джеймса Клерка Максвелла было счастливым. Двухэтажный каменный дом Максвелла стоял в живописной малонаселенной местности на севере Англии. Его друзья – лошадка пони, собака, осы, лягушки (чтобы лучше слышить их «пение», мастер Джеймс брал их в рот), вообще все живое (через несколько лет он писал: «Как поживают травы, кустарники и деревья? Коровы, овцы, лошади, собаки и люди?»).