Майкл Фарадей - путь к известности

Вот уже более века многие поколения учащихся на уроках физики и из многочисленных книг узнают историю замечательной жизни одного из самых знаменитых ученых, члена 68 научных обществ и академий

Английский физик Майкл Фарадей родился в предместье Лондона в семье кузнеца. Окончив начальную школу, с двенадцати лет он работал разносчиком газет, а в 1804 г. поступил в ученики к переплетчику Рибо, французскому эмигранту, всячески поощрявшему страстное стремление Фарадея к самообразованию.

. Чтением и посещением публичных лекций молодой Фарадей стремился пополнить свои знания, причем его влекли главным образом естественные науки – химия и физика. В 1813 г. один из заказчиков подарил Фарадею пригласительные билеты на лекции Гемфри Дэви в Королевском институте, сыгравшие решающую роль в судьбе юноши.

«В двадцать один год Фарадей закончил обучение в лавке и получил звание мастера. Тут ему посчастливилось попасть на лекции Гемфри Дэви в Королевском обществе. И лекции, и сам лектор произвели на юношу неизгладимое впечатление, что предопределяло всю его последующую жизнь. Позже Фарадей вспоминал: «Желание уйти из торговли, которую я считал порочным и эгоистичным занятием, и посвятить себя служению науке, которая, как я представлял себе, делала своих последователей добрыми и свободными, заставило меня наконец сделать смелый и наивный шаг: написать письмо сэру Дэви». К просьбе взять его на работу Фарадей приложил оригинальный подарок - сделанный им конспект лекций Дэви в искусном кожаном переплёте. (Этот трёхсотстраничный манускрипт до сих пор бережно сохраняется в Королевском обществе.) Дэви встретился с соискателем, поблагодарил за подарок, но просьбу отклонил. Не было счастья, да несчастье помогло. При очередном взрыве в лаборатории Дэви поранил глаз, и ему потребовался помощник для записи результатов опытов. Тут он и вспомнил о Фарадее, о его хорошем почерке, аккуратности и готовности выполнять любую работу

В обязанности Фарадея входили в основном помощь профессорам и другим лекторам Института при подготовке лекций, учёт материальных ценностей и уход за ними. Но сам он старался использовать любую возможность для пополнения своего образования, и в первую очередь — внимательно слушал все подготовленные им лекции. Одновременно Фарадей, при благожелательном содействии Дэви, проводил собственные химические эксперименты по интересующим его вопросам. Свои служебные обязанности Фарадей исполнял настолько тщательно и умело, что вскоре стал незаменимым помощником Дэви^[9].

Осенью 1813 года Фарадей отправился вместе с профессором и его женой, как помощник и секретарь, в двухлетнее путешествие по научным центрам Европы, только что разгромившей Наполеона. Это путешествие имело для Фарадея большое значение: Дэви как знаменитость мирового масштаба приветствовали многие выдающиеся учёные того времени, в том числе А. Ампер, М. Шеврель, Ж. Л. Гей-Люссак и А. Вольта. Некоторые из них обратили внимание на блестящие способности молодого англичанина^[10]

Во Флоренции Дэви впервые доказал, что алмаз представляет собой чистый углерод. Для этого пришлось сжечь несколько алмазов, включая крупный бриллиант из перстня герцога Тосканы, но - наука требует жертв. В сущности, Дэви воспроизвёл опыт средневековых флорентийских учёных, внеся в него существенное изменение. Он  помещал алмаз в заполненный кислородом стеклянный сосуд, запаивал его, а затем фокусировал на алмазе солнечный луч; алмаз при этом «испарялся», а единственным веществом, которое удавалось обнаружить в сосуде, был углекислый газ.

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).

С 1820 года Фарадея чрезвычайно увлекла проблема исследования связей между электричеством и магнетизмом. К этому моменту уже существовала и стараниями К. Гаусса и Дж. Грина была в основном разработана наукаэлектростатика. В 1800 году А. Вольта открыл мощный источник постоянного тока («вольтов столб»), и начала стремительно развиваться новая наука —электродинамика. Сразу же были сделаны два выдающихся открытия:электролиз (1800 год) и электрическая дуга (1802).

Но главные события начались в 1820 году, когда Эрстед обнаружил на опытеотклоняющее действие тока на магнитную стрелку. Первые теории, связывающие электричество и магнетизм, построили в том же году Био, Савари позже Лаплас (см. Закон Био — Савара — Лапласа). А. Ампер, начиная с 1822 года, опубликовал свою теорию электромагнетизма, по которой первичным явлением является дальнодействующее взаимодействие проводников с током. Формула Ампера для взаимодействия двух элементов тока вошла в учебники. Среди прочего, Ампер открыл электромагнит(соленоид).

После серии опытов Фарадей опубликовал в 1821 году трактат «О некоторых новых электромагнитных движениях и о теории магнетизма», где показал, как заставить намагниченную стрелку непрерывно вращаться вокруг одного из магнитных полюсов. По существу эта конструкция представляла собой ещё несовершенный, но вполне практичный электродвигатель, впервые в мире осуществивший непрерывное превращение электрической энергии в механическую^[17]. Имя Фарадея становится всемирно известным. Конец 1821 года, в целом триумфального для Фарадея, омрачила клевета. Известный химик и физик Уильям Волластон пожаловался Дэви, что опыт Фарадея с вращением стрелки является плагиатом его, волластоновской идеи (практически никогда им не реализованной). История получила большую огласку и доставила Фарадею немало неприятностей. Дэви стал на сторону Волластона, отношения его с Фарадеем заметно ухудшились. В октябре Фарадей добился личной встречи с Волластоном, где разъяснил свою позицию, и состоялось примирение. Однако в январе 1824 года, когда Фарадей был избран членом Лондонского королевского общества, Дэви, тогдашний президент Королевского общества, был единственным^[18], голосовавшим против (сам Волластон голосовал за избрание)^[19]. Отношения Фарадея и Дэви позднее улучшились, но лишились прежней сердечности, хотя Дэви любил повторять, что из всех его открытий самым значительным было «открытие Фарадея»

В 1822 году в лабораторном дневнике Фарадея появилась запись: «Превратить магнетизм в электричество». Рассуждения Фарадея были следующими: если в опыте Эрстеда электрический ток обладает магнитной силой, а, по убеждению Фарадея, все силы взаимопревращаемы, то и движение магнита должно возбуждать электрический ток.

Путь к электрогенератору оказался нелёгким — первые опыты были неудачны. Главной причиной неудач было незнание того факта, что электрический ток порождается только переменным магнитным полем, причём достаточно сильным (иначе ток будет слишком слаб для регистрации). Для усиления эффекта следовало магнит (или проводник) быстро двигать, а проводник свернуть в катушку^[23]. Только десять лет спустя, в 1831 году, Фарадей нашёл, наконец, решение проблемы, обнаружив электромагнитную индукцию. С этого открытия начался самый плодотворный период исследований Фарадея (1831—1840), давший научному миру его знаменитую серию статей «Экспериментальные исследования по электричеству» (всего он опубликовал в «Philosophical Transactions» 30 выпусков, выходивших с 1831 по 1835 год). Уже в 1832 году Фарадей за открытие индукции был награждён медалью Копли.

Сообщение об опытах Фарадея немедленно вызвало сенсацию в научном мире Европы, массовые газеты и журналы также уделяли им немало внимания. Множество научных организаций избрали Фарадея своим почётным членом (всего он получил 97 дипломов)^[24]. Если открытие электродвигателя показало, как можно использовать электричество, то опыты по индукции указывали, как создать мощный его источник (электрогенератор). С этого момента трудности на пути широкого внедрения электроэнергии стали чисто техническими. Физики и инженеры активно занялись исследованием индукционных токов и конструированием всё более совершенных электротехнических устройств; первые промышленные модели появились ещё при жизни Фарадея (генератор переменного тока Ипполита Пикси, 1839), а в 1872 году Фридрих фон Хефнер-Альтенек представил высокоэффективный генератор, впоследствии улучшенный Эдисоном

Несмотря на всемирную славу, Фарадей до конца жизни оставался скромным добросердечным человеком^[15]. Он отклонил предложение возвести его, как ранее Ньютона и Дэви, в рыцарское достоинство, дважды отказался стать президентом Королевского общества (в 1848 и 1858 годах)^[28]. Во время Крымской войны правительство Великобритании предложило ему участвовать в разработкехимического оружия против русской армии, но Фарадей с возмущением отверг это предложение как аморальное^[29]. Фарадей вёл непритязательный образ жизни и часто отклонял выгодные предложения, если они мешали бы ему заниматься любимым делом.

Основные опыты состоялись в период 29 августа — 4 ноября 1831 года, главными из них стали два^[37]:

·                    При движении магнитного сердечника внутри проволочной катушки в последней возникал электрический ток.

·                    Включение или выключение тока в проволочной катушке приводило к появлению тока во вторичной катушке, чьи витки чередуются с витками первой.

17 октября 1831 года Фарадей пришёл к выводу: «электрическая волна возникает только при движении магнита, а не в силу свойств, присущих ему в покое». Он поставил решающий эксперимент^[12]:

Я взял цилиндрический магнитный брусок (3/4 дюйма в диаметре и 8 1/4 дюйма длиной) и ввёл один его конец внутрь 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.

Ещё раньше, 29 августа, Фарадей провёл аналогичный опыт с электромагнитом^[38]:

Двести три фута медной проволоки в одном куске были намотаны на большой деревянный барабан; другие двести три фута такой же проволоки были проложены в виде спирали между витками первой обмотки, причем металлический контакт был везде устранен посредством шнурка. Одна из этих спиралей была соединена с гальванометром, а другая — с хорошо заряженной батареей из ста пар пластин в четыре квадратных дюйма с двойными медными пластинками. При замыкании контакта наблюдалось внезапное, но очень слабое действие на гальванометр, и подобное же слабое действие имело место при размыкании контакта с батареей.

Таким образом, перемещающийся возле проводника магнит (или включение/выключение тока в соседнем проводнике) порождают в данном проводнике электрический ток. Это явление Фарадей назвал электромагнитной индукцией.

28 октября он собрал первый полноценный генератор постоянного тока («диск Фарадея»): при вращении медного диска рядом с магнитом на диске возникаетэлектрический потенциал, который снимается прилегающим проводом. Фарадей показал, как механическую энергию вращения преобразовать в электрическую. Толчком к этому изобретению послужил опыт Араго (1824 год): крутящийся магнит увлекал в своё вращение расположенный ниже медный диск, хотя медь неспособна намагничиваться^[39]. И обратно, если вращать медный диск вблизи магнита, подвешенного таким образом, что он может вращаться в плоскости, параллельной плоскости диска, то при вращении диска магнит следует за его движением. Араго обсуждал этот эффект с Ампером, Пуассоном и другими знаменитыми физиками, но объяснить его им не удалось.

В отчёте о полученных результатах, обнародованном Фарадеем 24 ноября 1831 года перед Королевским обществом, он впервые употребил ключевой термин «магнитные силовые линии». Это означало переход от дискретной картины «заряды/магниты» прежних теорий, построенных по образцудальнодействующего ньютоновского тяготения, к совершенно новому непрерывному и близкодейственному физическому объекту, которое мы теперь называем полем. Несколько позже Фарадей аналогично ввёл электрические силовые линии.

До Фарадея электрические силы понимались как взаимодействие зарядов на расстоянии — где нет зарядов, нет и сил. Фарадей изменил эту схему: заряд создаёт протяжённое электрическое поле, и уже с ним взаимодействует другой заряд, дальнодействия на расстоянии нет. С магнитным полем положение оказалось более сложным — оно не является центральным, и именно для определения направления магнитных сил в каждой точке Фарадей ввёл понятие силовых линий^[44]. Веским основанием для отказа от действия на расстоянии были опыты Фарадея с диэлектриками и диамагнетиками — они ясно показали, что среда между зарядами активно участвует в электромагнитных процессах^[45]. Более того, Фарадей убедительно показал, что в ряде ситуаций электрические силовые линии искривляются, подобно магнитным — например, экранировав два изолированных шара друг от друга и зарядив один из них, можно наблюдать индуктивные заряды на втором шаре^[27]. Из полученных результатов Фарадей сделал вывод, «что сама обычная индукция во всех случаях является действием смежных частиц и что электрическое действие на расстоянии (то есть обыкновенное индуктивное действие) происходит только благодаря влиянию промежуточнойматерии»^[46]

Фарадей работал чрезвычайно методично — обнаружив эффект, он изучал его максимально глубоко — например, выяснял, от каких параметров и как он зависит (материал, температура и т. п.). Поэтому число опытов (и соответственно — число выпусков «Опытных исследований по электричеству») так велико. Нижеследующий краткий перечень тематики выпусков даёт представление о размахе и глубине исследований Фарадея^[54].

1.    Индукция электрических токов. Образование электричества из магнетизма.

2.    Земная магнито-электрическая индукция.

3.    Тождество отдельных видов электричества, происходящих от различных источников (в то время многие физики считали, что разные способы получения генерируют принципиально «разное электричество»).

4.    О новом законе электрической проводимости.

5.    Об электрохимическом разложении. Влияние воды на электрохимическое разложение. Теория электрохимического разложения.

6.    О способности металлов и других твёрдых тел вызывать соединение газообразных тел.

7.    Об электрохимическом разложении (продолжение). О некоторых общих условиях электрохимического разложения. О новом приборе для измерения гальванического электричества. О первичном или вторичном характере выделяющихся у электродов химических веществ. Об определённой природе и о размерах электрохимического разложения.

8.    Об электричестве гальванического элемента; его источник, количество, напряжение и основные свойства его. О напряжении, необходимом для электролиза.

9.    Об индуктивном влиянии электрического тока на самого себя и об индуктивном действии электрических токов вообще.

10.  О гальванической батарее усовершенствованного типа. Некоторые практические указания.

11.  Теория индукции. Общие выводы относительно природы индукции.

12.  Об индукции (продолжение). Проводимость, или кондуктивный разряд. Электролитический разряд. Разрывной разряд и изоляция.

13.  Об индукции (продолжение). Разрывной разряд (продолжение).

14.  Природа электрической силы или сил. Связь между электрической и магнитной силами. Замечания об электрическом возбуждении.

15.  Заключение о характере направления электрической силы у электрического угря.

16.  Об источнике мощности гальванического элемента.

17.  Об источнике мощности гальванического элемента (продолжение). Действие температуры. Действие разведения. Изменения порядка металлических элементов в гальванических цепях. Неправдоподобность предположения о контактной природе силы.

18.  Об электричестве, развивающемся при трении воды и пара о другие тела.

19.  Действие магнитов на свет. Действие электрических токов на свет.

20.  О новых магнитных действиях и о магнитном состоянии всякого вещества. Действие магнитов на тяжёлое стекло. Действие магнитов на другие вещества, оказывающие магнитное действие на свет. Действие магнитов на металлы вообще.

21.  О новых магнитных действиях и о магнитном состоянии всякого вещества (продолжение). Действие магнитов на магнитные металлы и их соединения. Действие магнитов на воздух и газы.

22.  О кристаллической полярности висмута и других тел и её отношении к магнитной форме силы. Кристаллическая полярность висмута, сурьмы, мышьяка. Кристаллическое состояние различных тел. О природе магнекристаллической силы и общие соображения. О положении кристалла сульфата железа в магнитном поле.

23.  О полярном или ином состоянии диамагнитных тел.

24.  О возможной связи между тяготением и электричеством.

25.  О магнитном и диамагнитном состоянии тел. Газообразные тела под влиянием магнитной силы не расширяются. Разностное магнитное действие. Магнитные свойства кислорода, азота и пустоты.

26.  Способность проводить магнетизм. Магнитная проводимость. Полярность проводимости. Магнекристаллическая проводимость. Атмосферный магнетизм.

27.  Об атмосферном магнетизме (продолжение). Экспериментальное исследование законов магнитного действия атмосферы и их применение к отдельным случаям. Доклад об атмосферном магнетизме.

28.  О магнитных силовых линиях, определённость их характера и их распределение в магните и в окружающем пространстве.

29.  О применении индукционного магнитоэлектрического тока для обнаружения и измерения магнитной силы.

В 1836 году, работая над проблемами статического электричества, Фарадей провёл эксперимент, показавший, что электрический заряд воздействует только на поверхность замкнутой оболочки-проводника, не оказывая никакого воздействия на находящиеся внутри неё объекты. Данный эффект связан с тем, что противоположные стороны проводника приобретают заряды, поле которых компенсирует внешнее поле. Соответствующие защитные свойства используются в устройстве, известном ныне как клетка Фарадея.

Фарадей обнаружил поворот плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея). Это означало, что свет и электромагнетизм тесно связаны. Убеждённость Фарадея в единстве всех сил природы нашла ещё одно подтверждение. Позже Максвелл строго доказал электромагнитную природу света.

Химия

бензол

Фарадей сделал немало открытий в области химии. В 1824 году он открылбензол и изобутилен, одним из первых получил в жидком состоянии хлор,сероводород, диоксид углерода, аммиак, этилен и диоксид азота^[57]. В 1825 году впервые синтезировал гексахлоран — вещество, на основе которого в XX веке изготовлялись различные инсектициды^[11]. Изучал каталитические реакции^[57].

В 1825—1829 годах Фарадей, в составе комиссии Королевского общества, детально исследовал, как химический состав стекла влияет на его физические свойства^[58]. Стёкла Фарадея были слишком дороги для практического применения, но полученный практический опыт пригодился позже при экспериментах с действием магнита на свет^[59] и для выполнения правительственного задания по усовершенствованию маяков^[60].

Фарадей верил в единство всех сил в природе, поэтому естественно было ожидать, что химические свойства и законы связаны с электрическими. Подтверждение этому предположению он получил в 1832 году, открыв фундаментальныезаконы электролиза. Эти законы легли в основу нового раздела науки —электрохимии, имеющего сегодня огромное количество технологических приложений^[61]. Вид законов Фарадея наводил на мысль о существовании «электрических атомов» с наименьшим возможным зарядом; действительно, на рубеже XIX—XX веков эта частица (электрон) была обнаружена, и законы Фарадея помогли оценить её заряд^[61]. Предложенные Фарадеем терминыион, катод, анод, электролит укоренились в науке^[3].

Опыты по электрохимии дали ещё одно доказательство близкодействия электромагнетизма. Многие учёные считали тогда, что электролиз вызывается притяжением на расстоянии (ионов к электродам). Фарадей провёл простой опыт: отделил электроды от смоченной соляным раствором бумаги двумя воздушными промежутками, после чего отметил, что искровой разряд вызвал разложение раствора. Отсюда вытекало, что электролиз вызывается не дальним притяжением, а местным током, и происходит он только в местах прохождения тока. Движение ионов к электродам происходит уже после (и вследствие) разложения молекул^[62].

В 1846 году Фарадей открыл диамагнетизм — эффект намагничивания некоторых веществ (например, кварца, висмута, серебра) противоположно направлению действующего на него внешнего магнитного поля, то есть отталкивание их от обоих полюсов магнита. Эти и другие опыты Фарадея заложили основу магнитохимии^[63].

Британское правительство неоднократно привлекало Фарадея, как признанного авторитета в области прикладной физики, к решению насущных технических задач — усовершенствование маяков^[64], защита днищ кораблей от коррозии^[65], экспертиза в судебных делах и др.^[66]

Фарадей исследовал наночастицы металла в коллоиде золота и описал их оптические и другие особенности по сравнению с частицами более крупных размеров. Этот опыт может считаться первым вкладом в нанотехнологию^[67]. Объяснение замеченным эффектам дала в XX веке квантовая теория.

В личном общении знакомые Фарадея всегда, до конца жизни учёного отмечали его скромность, доброжелательность и покоряющее человеческое обаяние^[68] [15].

Жан Батист Дюма, известный химик и политик^[34]:

Всякий из знавших его — я твердо убеждён — желал бы только приблизиться к тому нравственному совершенству, которое, по-видимому, было дано Фарадею от рождения. Это была какая-то, на него одного сошедшая, благодать, в которой он почерпал силы для своей кипучей деятельности, будучи одновременно горячим проповедником истины, неутомимым художником, человеком, исполненным радушия и веселости, в высшей степени гуманным и мягким в частной жизни… Я не знал человека, который был бы более достоин любви и уважения, чем он, и утрата которого стоила бы более искреннего сожаления.

Джеймс Клерк Максвелл^[69]:

Способ, которым Фарадей использовал свою идею силовых линий, чтобы координировать явления электромагнитной индукции, доказывает, что он был математиком высокого порядка — одним из тех, у кого математики будущего могут черпать ценные и плодотворные методы.

Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц^[70]:

До тех пор, пока люди пользуются благами электричества, они всегда будут с благодарностью вспоминать имя Фарадея.

Уильям Томсон (лорд Кельвин)^[71]:

Необычайная быстрота и живость отличали его. Отблеск его гения окружал его какой-то особенной, сияющей аурой. Определённо каждый чувствовал это обаяние — будь то глубокий философ или простой ребёнок.

Альберт Эйнштейн^[69]:

Со времени обоснования теоретической физики Ньютоном наибольшие изменения в её теоретических основах, другими словами, в нашем представлении о структуре реальности, были достигнуты благодаря исследованиям электромагнитных явлений Фарадеем и Максвеллом.

Фарадей, как и его родители (а также жена), был членом протестантской общины, которую по именам её основателей называют «гласиты» или «сандеманиане» (англ. Glasites, Sandemanians). Эта конфессия появилась в Шотландии около 1730 года, отколовшись от пресвитерианской церкви Шотландии^[72]. Фарадей добросовестно исполнял свои обязанности как член лондонской общины, несколько раз избирался старейшиной общины идиаконом. Судя по его высказываниям, Фарадей был искренне верующим, однако в одном из писем отрицал, что в своих исследованиях руководствуется какой-либо религиозной философией^[34]:

Хотя в природе творения Бога никогда не могут находиться в противоречии с высшими предметами, относящимися к нашей будущей жизни, и хотя эти творения должны служить, подобно всему другому, для Его возвеличения и восхваления,— я всё же не нахожу нужным сочетать изучение естественных наук с религией и всегда считал религию и науку вещами совершенно различными.