Текст книги "Квинтэссенция. Книга первая"

Автор книги: Ирина Радунская

Соавторы: Ирина Радунская
сообщить о нарушении

Текущая страница: 11 (всего у книги 16 страниц)

ПУТЬ ФАРАДЕЯ

В начале плодотворных двадцатых годов позапрошлого века в науку вошел сын кузнеца, переплетчик – самоучка М. Фарадей, лишь в двадцать шесть лет ставший ассистентом знаменитого химика Дэви. Руководящей мыслью Фарадея с самого начала его научной деятельности стала идея единства физических сил. В 1821 году он впервые осуществил вращение магнита вокруг проводника с током и проводника с током вокруг магнита. Это были, по существу, первые модели электрических двигателей. Здесь ясно продемонстрирована взаимосвязь электрических и магнитных сил, электрических и магнитных явлений.

Возродилась и вновь вошла в науку «поворачивающая сила», открытая Эрстедом. Но теперь не только ток поворачивал магнит, но и магнит поворачивал проводник с током. В том же 1821 году Фарадей поставил перед собой цель – превратить магнетизм в электричество.

Иногда говорят, что открытие – результат наития. Бывает и так. Но чаще – открытие возникает из глубокого обдумывания результатов эксперимента. Еще чаще – открытие рождается упорным систематическим трудом, тщательным проведением опытов, сопоставлением получаемых результатов с существующими теориями, выявлением неувязок, настойчивым стремлением к ясности.

Так Фарадей пришел к своему величайшему открытию. Десять лет упорного труда и глубоких размышлений привели его к пониманию явления электромагнитной индукции и получению электричества из магнетизма. Основные результаты получены при помощи простейшего приспособления: спирального проводника, присоединенного концами к гальванометру, и прямого постоянного магнита.

Стоит ввести магнит одним из концов внутрь спирали, как стрелка гальванометра отклонится. Если теперь извлечь магнит из спирали, стрелка гальванометра отклонится в противоположную сторону. Движение магнита порождает в проводнике электрический ток. Направление тока зависит от направления движения магнита.

Можно обойтись без постоянного магнита. Достаточно намотать на сердечник из мягкого железа две проволочные спирали. Концы одной из них нужно присоединить к гальванометру. Стоит присоединить концы второй спирали к электрической батарее, как стрелка гальванометра отклонится. При отключении батареи стрелка отклонится в противоположную сторону.

Здесь нет движущихся частей. Ток, порожденный батареей, проходя по второй спирали, превращает сердечник в магнит. В свою очередь этот магнит порождает электрический ток в первой спирали, о чем свидетельствует отклонение стрелки гальванометра. При отключении батареи сердечник размагничивается. Размагничивание сердечника порождает ток, направленный противоположно возникающему при намагничивании.

В этом случае тоже происходит двойное преобразование: ток, возникающий во второй спирали, намагничивает сердечник. Намагничивание сердечника порождает ток в первой спирали. Двойное преобразование сопровождает и выключение батареи.

Открытие электромагнитной индукции привело Фарадея к пониманию загадочного опыта Араго.

Он пришел к выводу о том, что вращение медного диска в магнитном поле Земли вызывает появление в диске индуктивных электрических токов. Магнитное поле этих токов отклоняет стрелку компаса.

Для доказательства правильности этого объяснения Фарадей поместил вращающийся медный диск между полюсами магнита. Затем присоединил гальванометр одним проводом к оси вращающегося диска, а другим к краю этого диска. Гальванометр показывал наличие электрического тока, величина которого изменялась в зависимости от скорости вращения диска.

Фарадей изменял направление тока, вращая диск в противоположную сторону или меняя расположение полюсов магнита при неизменном направлении вращения диска. Главный вывод из этих опытов: механическая работа, затрачиваемая на вращение диска, превращается в электрический ток.

Кто же открыл возможность преобразовывать механическую энергию в электрический ток, – Араго, поставивший свой опыт, повинуясь интуиции, или Фарадей, превративший комбинацию постоянного магнита и вращающегося диска в источник электрического тока?

Несомненно, что изобретение первого механического генератора электрического тока принадлежит Фарадею, создавшему свою модель на основе ясного понимания сущности электромагнитной индукции.

Из этого опыта Фарадей вывел знаменитое правило, позволяющее определить направление тока в прямолинейном проводнике, движущемся перед полюсом магнита. Но, об этом позже.

ЕДИНСТВО СИЛ

Фарадей настойчиво продвигался к цели, поставленной в начале научной деятельности. Его целью была проверка интуитивно возникшей у него идеи об единстве физических сил. На этом пути он не мог обойти вопроса о воздействии сил на вещество.

Один из важнейших шагов в этом направлении было введение в науку представления о магнитных кривых:

«Под магнитными кривыми, – писал Фарадей, – я понимаю линии магнитных сил… Эти линии вырисовываются железными опилками; к ним касательно располагались бы весьма малые магнитные стрелочки».

Известно, что Фарадей не изучал математики и почти не пользовался ею. Тем удивительней его способность умозрительно проникать в глубинную суть эксперимента, извлекать из нее наглядные понятия и строить на их основе теоретические представления, позволяющие предсказывать неизвестные явления. И он умел при помощи дополнительных опытов обнаруживать и изучать эти явления.

Так, по-своему, Фарадей трансформировал триаду Галилея: опыт – теория – опыт. Он отвергал каждое теоретическое построение, не имеющее предсказательной силы. Он не возлагал на других проверку правильности своих предвидений. Он брал эту обязанность на себя.

Вот как он это делал.

Исходный опыт:

«Когда через провод проходит электрический ток, этот провод во всех своих точках окружен магнитными кривыми, интенсивность которых убывает с расстоянием».

Рассуждение:

«Мысленно можно уподобить их кольцам, расположенным в плоскостях, перпендикулярных проводу, или, вернее, к протекающему в нем току. Хотя и отличные по форме, эти кривые являются совершенно аналогичными тем, которые существуют между двумя обращенными друг к другу разноименными полюсами» – (магнитов, Р.Ж.).

Вывод:

«Когда второй провод, параллельный тому, который несет ток, приближают к последнему, то он проходит через магнитные кривые точно такого же рода, которые он пересекал бы при своем перемещении в некотором направлении между противоположными полюсами».

Но Фарадей уже знает, что относительное перемещение проводника и магнитных кривых вызывает в проводнике появление электрического тока.

Контрольный опыт: Перемещение проводника относительно магнитных кривых, окружающих второй проводник, несущий ток, действительно вызывает в первом проводнике появление тока.

Последующие опыты показывают полную аналогию магнитных кривых, порождаемых током, и магнитных кривых, порождаемых магнитом.

Опыт: если нет перемещения одного проводника относительно другого проводника, несущего ток, то ток в первом проводнике не возникает.

Объяснение: в этом случае магнитные кривые не пересекают проводник.

Опыт: Если проводник удаляют от проводника с током, то ток в первом проводнике течет в противоположном направлении, чем при его приближении.

Объяснение: магнитные кривые пересекаются в противоположном направлении.

Наконец, еще один опыт: оба проводника неподвижны; при включении тока в одном из них, ток возникает и в другом проводнике. При выключении тока в первом проводнике, во втором возникает ток противоположного направления.

Объяснение: при включении тока возникают и развиваются магнитные кривые, окружающие ток. «Они как бы распространяются в стороны от провода и, следовательно, оказываются по отношению к неподвижному, индуцируемому проводу в том же положении, как если бы он двигался в противоположном направлении поперек них или по направлению к несущему ток проводу».

Здесь впервые описано магнитное поле как объективная реальность, проявляющая себя магнитными кривыми. Показано, что электрический ток появляется в проводнике, если проводник и магнитные кривые смещаются друг относительно друга. Ток появляется независимо от того, что вызвало появление магнитных кривых (магнитного поля) и их пересечение проводником.

Слово «поле» еще не введено в описание картины, но установлена суть дела. Существенно относительное смещение проводника и промежуточного агента, представленного магнитными кривыми.

Фарадей, мысливший конкретно, представлял себе магнитные силовые линии особыми натяжениями эфира. Тесная связь между электрическими и магнитными явлениями побудило его к тому, чтобы связать и электрические взаимодействия с электрическими натяжениями в эфире. При этом он опирался на возможность «обнаружения» магнитных силовых линий при помощи мелкого порошка железа, а электрических силовых линий – при помощи сухой пыльцы растений.

Так возник и остался без ответа вопрос: могут ли эти натяжения, эти силовые линии возникать в «старом» эфире или, наряду с ними, существует особый, электромагнитный эфир?

ЕДИНСТВО СИЛ

Теперь можно возвратиться к тому, как Фарадей определил направление тока в проводнике. Для каждого частного случая ему приходилось рассуждать о том, как пересекаются магнитные кривые.

В 1833 году петербургский академик Э. Х. Ленц показал, что условия, определяющие в правилах Фарадея направления пересечения магнитных кривых, можно объединить одним правилом. Оно известно теперь каждому, как закон Ленца: индуцируемый ток направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует тому изменению магнитного поля, которое вызывает этот ток.

Это правило относится ко всем случаям электромагнитной индукции. Если индукцию вызывает движение магнита, то направление индуцируемого тока оказывается таким, что магнитное поле этого тока препятствует движению магнита. Если индукцию вызывает перемещение или деформация проводника с током, то магнитное поле индуцируемого тока препятствует перемещению или деформации проводника.

Точнее: магнитное поле наведенного тока препятствует изменению первоначального магнитного поля.

Открытие электромагнитной индукции поставило перед Фарадеем новый вопрос. Электричество возникает в различных процессах: при трении, при помощи химических реакций (электрическая батарея Вольта и ее потомки), при помощи электростатической индукции и при помощи электромагнитной индукции. Вопрос, сформулированный Фарадеем, таков: обладает ли электричеством единой природой, независимо от способа его получения?

Целым рядом опытов Фарадей доказал идентичность всех видов электричества. С этой целью он впервые применил баллистический гальванометр. Такой гальванометр специально предназначен для измерения количества электричества, протекающего по проводам за короткое время. Мы теперь говорим – короткими импульсами. Так происходит, например, при разряде лейденской банки или другого конденсатора.

Баллистический гальванометр отличается от обычного утяжеленной рамкой, несущей обмотку гальванометра и стрелку. Легкая рамка обычного гальванометра, обладающая малой инерцией, позволяет его стрелке следовать за изменениями силы тока, указывая силу тока в данный момент. Мощный кратковременный импульс тока, проходя через обмотку легкой рамки, заставит стрелку такого гальванометра почти мгновенно дойти до упора, находящегося в конце шкалы. Даже если при этом гальванометр останется не подвижным, он не позволит судить о количестве протекшего электричества.

Иначе ведет себя баллистический гальванометр. Короткий импульс электрического тока тоже воздействует на тяжелую рамку, как толчок. Но инерция рамки не дает ей набрать большую скорость. И она будет отклоняться, постепенно уменьшая скорость поворота. Уменьшая до тех пор, пока пружина гальванометра, удерживающая рамку, не воспримет всю энергию, полученную рамкой от электрического импульса. Таким образом баллистический гальванометр суммирует (точнее – интегрирует) работу, производимую при прохождении кратковременного тока. Конечно, не следует забывать, что электрический ток, проходящий по обмотке рамки, заставляет рамку поворачиваться не сам по себе, а в результате взаимодействия порождаемого им магнитного поля с полем магнита, входящего в этот гальванометр.

Фарадей объединил эту способность баллистического гальванометра с наблюдавшимся Вольта разложением растворенных солей при прохождении электрического тока.

Он, со свойственным ему искусством экспериментатора, добился того, что электрические токи, полученные от различных источников (лейденской банки, кратковременно включающегося Вольтова столба) или путем индукции, вызывали одинаковое смещение стрелки баллистического гальванометра. То есть совершали одинаковую работу, деформируя пружинку, прикрепленную к рамке гальванометра. При этом он пропускал ток, проходящий через гальванометр, также через банку с раствором соли. Вот его вывод:

«Химическая сила, подобно магнитной силе, прямо пропорциональна абсолютному количеству прошедшего электричества».

Проводя эти опыты, Фарадей попутно открыл, что электрический ток разлагает не только растворы солей в воде. Заметив, что лед не проводит электричества, а образовавшаяся из него вода является проводником, Фарадей сразу заключил, что это не может быть особым свойством льда и воды. Вероятно, решил он, так же ведут себя и другие легкоплавкие вещества. Проделав опыты с твердыми и расплавленными соединениями хлора с калием он убедился в том, что его гипотеза правильна.

Так Фарадей сделал свое второе великое открытие. Он не только доказал ясными опытами родство электрических, магнитных и химических сил. Попутно он установил, что ряд химических соединений, являющихся в твердом состоянии изоляторами, способен в жидком состоянии проводить электрический ток и что количество продуктов электрического разложения пропорционально количеству электричества, прошедшего через жидкость.

КЛЕТКА ФАРАДЕЯ

Фарадей не нашел объяснения своему открытию. Его объяснение казалось очень искусственным (и по существу ошибочным). Он считал слишком сложным предположение о том, что в жидком состоянии некоторые вещества самопроизвольно распадаются. Но опыт показал, что исследованные жидкости проводят и очень слабые токи. Поэтому нельзя предполагать, что способность проводить электричество создается источником тока.

Лишь в 1857 году немецкий физик-теоретик Р. Клаузиус, один из создателей кинетической теории газов и термодинамики, преодолел сомнения Фарадея и показал, что тепловые движения молекул жидкости могут и в отсутствие электрического тока привести к распаду молекул на ионы, существующие самостоятельно. Его теория была встречена с недоверием. Только через тридцать лет шведский ученый С. Аррениус подтвердил правоту Клаузиуса многочисленными опытами и разработал теорию, объясняющую как происходит в жидкостях распад молекул на ионы. Так была построена теория электролитической диссоциации, один из надежных мостов между физикой и химией.

В предыдущих абзацах встречается без пояснения ряд терминов. Занявшись исследованием химических действий электрического тока, Фарадей, как в свое время Ампер, почувствовал затруднения, связанные с отсутствием терминов, способных сократить многословные рассуждения. Посоветовавшись с историком У. Уэвеллом, Фарадей предложил отказаться в новой области от термина «полюс», ибо с этим термином уже прочно ассоциируется представление о притяжении и отталкивании. Он ввел новый термин «электрод», уточнив, что электрод, соединенный с положительным полюсом батареи, следует называть «анодом», а электрод, связанный с отрицательным полюсом, получил наименование «катод».

Далее, он назвал молекулы, движущиеся к аноду «анионами», а движущиеся к катоду «катионами», объединив их общим термином «ион». Напомним, что Фарадей не верил в то, что молекулы в растворе способны распадаться. Поэтому его термины, по существу, не совпадают с современными. Ведь мы теперь называем ионами, анионами и катионами не сами молекулы вещества, а их «осколки», получающиеся при электролитической диссоциации.

Фарадей ввел также термин «электролит», обозначая им вещество, подвергающееся электрохимическому разложению, и «электролиз» – для названия процесса такого разложения.

Фарадей при помощи тщательных опытов не только установил основной закон электролиза: количество выделившихся продуктов электролиза в точности пропорционально количеству прошедшего электричества, но и указал, что собирая и взвешивая продукты электрохимического разложения можно с большой точностью измерять количество прошедшего электричества.

Цикл опытов с электролитами привлек внимание Фарадея к старому вопросу: представляет ли электрический ток в проводниках одновременное движение двух различных электрических флюидов в противоположных направлениях или движение одного флюида в одном направлении?

Фарадей решил этот вопрос радикально, в свойственной ему четкой форме: электрический ток – вовсе не флюид, а «… ось сил, в которой силы, в точности равные по величине, направлены в противоположные стороны».

Мы, с высот современности, можем считать это определение ошибочным. Ведь мы знаем, что электрический ток есть движение электрических зарядов.

Но следует признать, что Фарадей этим определением полностью отвергает возможность представлять электрический ток посредством механической модели, течением некоего флюида. Фарадей, далекий от математики, определяет сущность электрического тока посредством математического понятия – ось равных и противоположных сил.

Фарадей ставит перед собой следующий вопрос, волновавший физиков и философов со времен Ньютона: как осуществляется взаимодействие двух тел – на расстоянии или при помощи среды? Ньютон не верил в возможность действия на расстоянии. Но он уклонился от ответа на поставленный им же вопрос. Ведь математическая формула закона тяготения не содержит времени. Как объяснить это, отрицая дальнодействие?

Исследования электрических и магнитных сил снова возродили старую проблему. Многие крупные ученые верили в дальнодействие электрических и магнитных сил.

Фарадей считал, что проблема может быть решена эксперимантально и приступил к ней в 1837 году. Он рассуждал так. Действие на расстоянии может проявляться только по прямой линии, соединяющей взаимодействующие тела. Если же в процессе участвует среда, расположенная между взаимодействующими телами, то взаимодействие может передаваться и по кривой. И далее, – если среда не участвует во взаимодействии, то природа промежуточного вещества не должна влиять на результат; если же среда играет роль в передаче взаимодействия, то ее природа должна проявляться при измерениях.

Для проведения этих опытов Фарадей построил деревянную кабину, обтянутую металлической сеткой. Мы называем ее клеткой Фарадея. При сколь угодно больших зарядах, они располагаются на внешних поверхностях сетки, а внутри нее нет зарядов, мешающих проведению экспериментов.

Затем Фарадей проводит опыты со сферическими конденсаторами одинакового размера, но с различными изолирующими прокладками. Оказывается, что величина заряда сильно зависит от свойств изолятора. Значит среда влияет на взаимодействие, значит, взаимодействие происходит при участии среды, но так может быть только в случае близкодействия. Сняв верхнюю полусферу с заряженного конденсатора и коснувшись ею нижней полусферы, Фарадей «заряжал» их. Но поставив верхнюю полусферу на место, он убеждается, что конденсатор вновь оказывается заряженным. Его вывод – диэлектрик сохранил свое поляризованное состояние; заряд с его поверхности перешел на обкладку конденсатора.

Как объяснить в этом случае влияние среды, как она передает электрическое взаимодействие?

Ответ Фарадея: электростатическая индукция – влияние заряженного тела на тело, первоначально не заряженное, передается в веществе действием смежных частиц. Частицы вещества поляризуются под действием соседних заряженных частиц.

ДВА ПРОКЛЯТЫХ ВОПРОСА

Еще вопрос, мучивший Фарадея и ждавший своей очереди. Существует ли связь между электричеством и светом, между магнетизмом и светом?

В 1834–1838 годах Фарадей проводил опыты с целью обнаружить действие электричества на свет, но не обнаружил его. Затем он приступил к магнитооптическим опытам. Первые опыты тоже были неудачными.

Наконец, удача! Фарадей поместил между полюсами сильного электромагнита параллепипед из тяжелого стекла, содержавшего борнокислый свинец. Оптики называют его «флинтгас». Он пропускал через него поляризованный луч света, например света, прошедшего через кристалл исландского шпата, который исследовал еще Гюйгенс.

Кристалл был расположен так, что луч света оказывался поляризованным параллельно силовым линиям магнитного поля, возникавшим при включении электромагнита. При помощи второго кристалла исландского шпата, установленного таким образом, что он полностью задерживал свет, прошедший через первый кристалл и стекло, Фарадей обнаружил долгожданное действие магнитного поля на свет. При включении электромагнита свет проходил и через второй кристалл. Это могло происходить только в том случае, если магнитное поле при посредстве стекла влияло на проходящий через него свет. Оно поворачивало плоскость поляризации света.

Поясняя свое открытие Фарадей написал в ноябре 1845 года:

«Я полагаю, что в опытах, описываемых мною в настоящей статье, свет испытывал на себе магнитное действие, то есть, магнитному действию подвергалось то, что является магнитным в силах материи, а последнее, в свою очередь воздействовало на то, что является подлинно магнитным в свете».

Вспомним, что в то время общепризнанной была теория Френеля, объяснявшая оптические явления волнами в эфире, не имеющими ничего общего с магнетизмом!

Заменив магнит спиралью и пропустив через нее электрический ток, Фарадей наблюдал, что и в этом случае в стекле возникает вращение плоскости поляризации света в направление тока.

Влияние магнитного поля на поляризацию света, эффект Фарадея – имеет важные практические применения в радиотехнике сверхвысоких частот и в ряде оптических приборов. Так создают затворы или модуляторы электромагнитных волн, управляемые электрическим током.

Открыв влияние магнитного поля на свет, Фарадей установил, что оно возникает не во всех веществах и не наблюдается в пустоте.

Еще один многовековый вопрос: вопрос о строении материи. Почему некоторые вещества обладают специфическими свойствами, не наблюдаемыми в пустом пространстве?

Фарадей рассуждал: если атомы и пространство представляют собой две различные сущности, то следует считать, что непрерывно только пространство. Ведь атомы являются различными и отделенными друг от друга объектами. Таким образом пространство пронизывает все тела, отделяя каждый атом от соседних.

Далее: если бы пространство было проводником, то любой изолятор, например сургуч, должен был бы проводить ток, ибо ток шел бы по проводящему пространству. Но изоляторы существуют, значит пространство является изолятором.

Логично.

Но возьмем теперь проводник. Его атомы тоже разделены пространством. Внимание! Если пространство – изолятор, то ток не может переходить от одного атома проводника к другому. Значит, пространство является проводником!

Значит, атомистическая теория, пришедшая от древних и проверенная многими опытами, не применима к электрическим явлениям.

В поисках ответа Фарадей обратился к теории хорватского физика Р. Бошковича, который еще в 1758 году опубликовал трактат «Теория натуральной философии, приведенная к единому закону сил, существующих в природе». Уже из первых слов названия трактата «Теория натуральной философии …» можно усмотреть в авторе последователя Ньютона и его основного труда «Математические начала натуральной философии». В своем трактате Бошкович впервые развил теорию строения вещества, основанную на идеях Ньютона.

Он назвал свою теорию теорией динамического атомизма. Эта теория рассматривает атомы как непротяженные идентичные материальные точки, взаимодействующие между собой с помощью сил, подчиняющихся трем законам динамики Ньютона. При этом на значительных расстояниях две точки притягиваются. По мере сближения точек притяжение возрастает, достигая максимума, а при дальнейшем сближении притяжение уменьшается и переходит в отталкивание. Так решается конфликт между теорией тяготения и фактом устойчивого существования материальных тел. Ведь не будь ему противодействия, тяготение должно сжать все вещество Вселенной в точку!

Подобная смена притяжения и отталкивания может повторяться несколько раз, что позволяет согласовать теорию с многими опытными фактами и, как считал Бошкович, объяснить все физические явления.

Работа Бошковича вызвала всеобщее восхищение, но продолжение не имела. При попытке ее конкретизации требовалась неограниченная последовательность гипотез.

В 1844 году появляется замечательная статья Фарадея, в которой он ушел далеко вперед от гипотез Бошковича. Глубину проникновения Фарадея в суть вещей лучше всего передать его словами:

«… взгляд на строение материи с необходимостью приводит к заключению, что материя заполняет все пространство или по крайней мере все пространство, в котором действуют гравитационные силы (силы тяжести, Р.Ж.), потому что гравитация – это свойство материи, зависящее от определенной силы, а эта сила как раз и представляет собой материю. При таком понимании материи она не только взаимопроницаема, но и каждый отдельный атом ее простирается, так сказать, через всю солнечную систему, сохраняя, однако, свой собственный центр силы».

И еще. Высказывая предположение о том, что свет есть колебания силовых линий, Фарадей пишет: «Если допустить такую возможность, то можно было бы обойтись без эфира (подчеркнуто нами, Р.Ж.), который, согласно другой точке зрения, является той средой, в которой совершаются эти колебания».

К этому следует добавить фразу, написанную Фарадеем в 1832 году и опубликованную только через 106 лет. Речь идет о манускрипте под названием «Новые воззрения, подлежащие в настоящее время хранению в архивах Королевского общества». Среди многих мыслей там записано: «как магнитные, так и явления электрической индукции обязаны волновому процессу в непрерывной среде – пространстве».

Тут изложена самая важная идея Фарадея. По мнению Эйнштейна здесь содержится самое великое открытие со времен Ньютона: понятие поля. Ньютон и все его последователи рассматривали пространство как пассивное вместилище тел, атомов и электрических зарядов. Фарадей считал, что само пространство, а не неведомый эфир, принимает участие в явлениях, оно является средоточением явлений.

Предоставим слово Эйнштейну.

«Нужно обладать могучим даром научного воображения, чтобы распознать, что в описаниях электрических явлений не заряды и не частицы описывают суть явлений, а скорее пространство между зарядами и частицами».