РАБОТЫ МАЙКЛА ФАРАДЕЯ

11. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ

То, что все физические явления представляют собой лишь различные проявления одной и той же сущности, или, говоря словами Анджело Секки (1818-1879), идея «единства физических сил», было основной философской предпосылкой физики прошлого века. Систематическое применение этого принципа мы постоянно находим в работах одного из самых проницательных исследователей всех времен - Майкла Фарадея (1791-1867). Какова связь между электричеством и магнетизмом? Можно ли превратить одно в другое? Эти вопросы ставил перед собой Фарадей, начиная в 1822 г. свои экспериментальные исследования и вновь безуспешно возвращаясь к ним в 1825 г.

Эксперименты, поставленные после открытия Эрстеда, показали, что электрический ток сильно изменяет намагниченность магнита. В связи с этим Фарадей ожидал, что и магнит должен влиять на силу тока. В конце концов в 1831 г. Фарадей сделал свое самое великое открытие - явление электромагнитной индукции. Наиболее наглядное проявление электромагнитной индукции было получено Фарадеем с помощью нехитрого прибора. На железное кольцо наматывались две отдельные спирали, из коих одна соединялась с батареей, а другая - с гальванометром. При замыкании первой цепи наблюдалось резкое отклонение стрелки гальванометра, при размыкании цепи наблюдалось отклонение противоположного знака. Этот важный опыт, всячески видоизменявшийся, позволил Фарадею «получить электричество из магнетизма» простейшим, сейчас хорошо известным способом: достаточна вводить магнит в спиральный проводник, соединенный с гальванометром, чтобы получить отклонение стрелки в одну сторону; при выводе магнита из спирали стрелка отклоняется в противоположную сторону.

Майкл Фарадей. Портрет кисти Т. Филлипса

В 1824 г. Араго заметил, что массивный медный корпус довольно сильно замедляет колебания стрелки компаса. Это наблюдение навело его на мысль поставить свой знаменитый опыт, в ходе которого обнаружилось отклонение магнитной стрелки при вращении медного диска, расположенного над или под нею. Придуманные для объяснения этого явления теории были столь искусственны, что для большинства ученых опыт Араго так и остался загадкой. После открытия явления электромагнитной индукции Фарадей подумал, что обнаруженное Араго явление может также объясняться появлением индуктивных токов в диске. Чтобы убедиться в этом, Фарадей стал вращать медный диск между полюсами магнита, подсоединив концы цепи гальванометра один к оси, а другой к краю диска. При вращении диска гальванометр указывал на наличие тока постоянного направления, величина которого менялась в зависимости от скорости вращения диска. Этим опытом Фарадей не только установил новое физическое явление, но и дал первый образец генератора электрического тока, отличного от батареи, т. е. дал этим первый толчок к развитию мощной современной электротехнической промышленности с ее всевозможнейшими практическими применениями.

Прибор Фарадея для исследования индуктивных токов. (Philosophical Transactions, 1832)

Однако Фарадея не интересовали практические применения. Проведенный опыт позволял выявить качественные законы явления индукции. Из этого опыта Фарадей вывел правило, позволяющее определить направление тока в прямолинейном проводнике, движущемся перед полюсом магнита. Именно в связи с этим Фарадей впервые говорит о «магнитных кривых»:

«Под магнитными кривыми я понимаю линии магнитных сил, хотя и искаженные соседством полюсов; эти линии вырисовываются железными опилками; к ним касательно располагались бы весьма маленькие магнитные стрелочки» (Michael Faraday, Experimental Researches in Electricity, § 114. (Есть русский перевод; M. Фарадей, Экспериментальные исследования по электричеству, т. 1 и 2, М., 1947-1951.) Эта книга содержит самые важные научные работы Фарадея в области электричества, которые он постепенно, одну за другой, представил в тридцати сериях Лондонскому Королевскому обществу с 24 ноября 1831 г. по 24 октября 1855 г. и которые затем публиковались в Philosophical Transactions. Сам Фарадей объединил их в два тома: первый (1839 г.) содержит четырнадцать первых серий, а второй (1855 г.)- остальные. Все серии подразделяются на параграфы с единой нумерацией, поэтому мы, следуя общей традиции, будем также указывать параграфы)

Фарадей видоизменял свои опыты самыми различными способами: применял и нитеобразные проводники, и дискообразные, вращал то магнит по отношению к электрическому контуру, то контур относительно магнита или земли. В результате он пришел к выводу, что электродвижущая сила индукции не зависит от природы проводника, и выдвинул следующую теорию относительно этого явления, в общих чертах оставшуюся неизменной с 1831 г. до наших дней:

«Когда через провод проходит электрический ток, то этот провод во 'всех своих точках окружен магнитными кривыми, интенсивность которых убывает с расстоянием', мысленно можно уподобить их кольцам, расположенным в плоскостях, перпендикулярных проводу, или, вернее, 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. Когда второй провод, параллельный тому, который несет ток, приближают к последнему, то он проходит через магнитные кривые точно того же рода, которые он пересекал бы при своем перемещении в некотором направлении между противоположными полюсами» (§232).

Если нет перемещения индуцирующего проводника относительно проводника, в котором индуцируется ток, то ток не появляется, потому что тогда силовые линии не пересекаются. Когда индуцирующий проводник удаляется от второго проводника, силовые линии пересекаются в противоположном направлении и возникающий ток также идет в обратном направлении. Если оба проводника неподвижны, то при включении тока в индуцирующем проводнике происходит то же самое, как если бы магнитные кривые двигались

«...с момента, когда они начинают развиваться, и вплоть до того момента, когда магнитная сила тока достигает наибольшего значения] 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» (§ 238).

В этих немногих словах заключаются очень важные и новые мысли: первое описание электромагнитного поля, мысль о зависимости интенсивности поля от числа магнитных кривых, распространение во времени магнитных возмущений.

Исследованиями в этом новом направлении, указанном Фарадеем, занялись многие физики: Джозеф Генри (1797-1878), который, как считают американцы, еще до Фарадея открыл явление индукции, обнаружил также явление самоиндукции, независимо от него открытое в 1833 г. Саль-ваторе даль Негро (1768-1839), а в следующем году - одновременно Уильям Дженкин и Антуан Массой (1806-1858). Особенно важными были работы Генри (1838 г.) по исследованию «токов высшего порядка», т. е. токов, индуцированных другими индуцированными токами. Это явление за год до того экспериментально установил Марианини. Явление это вовсе не так уж само собой очевидно, как может показаться сегодня. Исследования токов высшего порядка привели Генри в 1842 г. к выводу, что разряд лейденской банки состоит не из одного перехода электричества с одной обкладки на другую, а из целой серии быстро затухающих электрических колебаний. К этому же выводу в 1847 г. пришел Гельмгольц в своей статье «О сохранении силы», о которой мы уже упоминали в гл. 9.

В 1834 г. петербургский академик Эмиль Христианович Ленц (1804-1865) заметил, что правила Фарадея и Нобили, служащие для определения направления индуктивных токов, предусматривали слишком много различных случаев, тогда как, учитывая электродинамический закон Ампера, их можно было легко свести к одному-единственному правилу, применимому во всех случаях. Исходя из этого, Ленц сформулировал правило, носящее сейчас его имя.

Франц Нейман (1798-1895) положил в основу своей теории индукции, изложенной в двух замечательных работах 1845 и 1847 гг., закон Ленца, применимость закона Ома также к индуктивным токам и выдвинутый им новый принцип, согласно которому индукция, возникающая в определенный момент времени, пропорциональна скорости, с которой передвигается проводник.

На вопрос, поставленный Ампером, ответ был найден Гауссом, но не был им опубликован. Взаимодействие двух электрических зарядов зависит не только от расстояния между ними, но и от скорости, с которой они перемещаются относительно друг друга. Закон же Кулона действителен только для двух неподвижных зарядов. В 1846 г. Вильгельм Вебер, развивая идею своего учителя, вывел формулу, заменяющую формулу Кулона в случае двух движущихся зарядов. Из этой формулы следовало, что взаимодействие двух элементов тока подчиняется закону Ампера, и выводилась вся теория индукции, целиком согласующаяся с теорией Неймана.

Более оригинальной представлялась теория Гельмгольца, изложенная в уже несколько раз упоминавшейся нами работе «О сохранении силы» (1847 г.) и дополненная затем Томсоном. Гельмгольц показал, что индукция электрических токов может быть математически выведена из электромагнитных явлений Эрстеда и электродинамических явлений Ампера, если только принять принцип сохранения энергии.

Но законы Неймана, Вебера, Гельмгольца и аналогичные исследования Абриа и Генри, казалось, заключали в себе теоретические предпосылки не целиком основывающиеся на опыте, поэтому Риккардо Феличи (1819-1902) поставил перед собой задачу выявить законы электромагнитной индукции, опираясь

«только на данные опыта, с помощью метода, которым пользовался Ампер при выведении формулы взаимодействия элементов тока».

Феличи проводил тщательные экспериментальные и теоретические исследования в этом направлении непрерывно с 1851 по 1856 г.; о результатах этих исследований он по ходу работ время от времени делал сообщения и, наконец, изложил их в большой работе, озаглавленной «Sulla teoria matematica dell'induzione elettrodinamica» («О математической теории электромагнитной индукции»), опубликованной в 1854 и 1857 гг. В этой работе теоретически рассмотрены явления индукции, наблюдающиеся при размыкании первичной цепи, при взаимном передвижении индуцируемого и индуцирующего токов, при движении проводника в магнитном поле и при взаимном движении двух частей одного и того же электрического контура. Теория Феличи была предметом оживленных споров на протяжении всего XIX века, но в конце концов стало ясно, особенно после разъясняющих работ Максвелла, что она эквивалентна теориям Неймана и Вебера, но имеет лишь, несколько более эмпирическое обоснование.

12. ЭЛЕКТРОЛИЗ

К электричеству, которое получается при трении, а также от химических и термоэлектрических батарей, прибавлялось еще электричество, возникающее при электромагнитной индукции. Поэтому Фарадей считал необходимым вмешаться во все еще продолжавшиеся, хотя уже и не такие жаркие, как в начале века, споры относительно того, обладает ли электричество единой природой независимо от способа, каким оно получено. В начале этой главы мы уже упоминали о том, что Фарадею удалось окончательно устранить все сомнения, доказав опытным путем идентичность всех видов электричества.

Доказав тождественность различных видов электричества, Фарадей счел необходимым установить общую единицу измерения. С этой целью, впервые применив баллистический гальванометр, он показал, что батарея из лейденских банок, заряженных определенным образом, и вольтов столб, работавший в течение определенного времени, одинаково воздействовали на стрелку гальванометра и вызывали одинаковые химические эффекты. На основе этого он вывел фундаментальный закон:

«Химическая сила, подобно магнитной силе, прямо пропорциональна абсолютному количеству проходящего электричества» (§ 377).

В ходе этих исследований, проводившихся им в начале 1833 г., Фарадей открыл химическое разложение безводных веществ. Он заметил, что кусочек льда, помещенный в цепь батареи, прерывает ток, который, после того как лед растает, вновь восстанавливается. Чтобы удостовериться в том, что это явление не связано с особыми свойствами льда, Фарадей последовательно провел опыты с хлористым свинцом, хлористым серебром и хлористым калием, представляющими собой при обычной температуре твердые тела, не проводящие электричества. Он убедился, что все эти тела в расплавленном состоянии проводят ток и разлагаются им. Подвергнув анализу многие сложные вещества, Фарадей пришел к выводу, что проводимость этих веществ связана с химическим разложением, отвергнув тем самым мнение, разделявшееся всеми исследователями, будто наличие воды есть необходимое условие для электрохимического разложения, а значит, и для конструирования батареи. Фарадей подтвердил свой вывод, сделанный на основе этих опытов, построив батареи с жидкостями, не содержащими воду (хлорат калия, различные хлористые и йодистые соединения и т. п.).

Так Фарадей подошел к теории электрохимической диссоциации. По причинам, которые и сейчас излагаются в книгах по физике, он отказался ют представления о том, будто силы электрического поля вызывают расщепление молекул, и выдвинул свою собственную теорию, очень похожую на теорию Гроттгуса (см. § 2), но гораздо более искусственную. Интересно в этом исследовании его определение тока. Представляет ли ток движение двух электрических флюидов в противоположных направлениях или движение в одном направлении единого флюида? Смело опрокинув философские понятия науки своего времени, Фарадей отверг все представления о токе как о флюиде и определил электрический ток как

«...ось сил, в которой силы, в точности равные по величине, направлены в противоположные стороны» (§ 517).

Таким образом, величайший физик-экспериментатор прошлого века лишает понятие электрического тока возможности его представления в виде механической модели, а объявляет его чисто математическим.

Химическое действие электрического тока в основном исследуется в седьмой серии работ Фарадея, появившейся в 1834 г. Этот раздел начинается с предложения установить новую терминологию для явлений электрохимического разложения. Посоветовавшись с известным историком науки Уильямом Уэвеллом (1794-1866), Фарадей предложил заменить термин «полюс», с которым связано представление о притяжении, термином электрод или, более конкретно, анод и катод. При выборе этих терминов он руководствовался не представлением о движении частей молекул, которого теория Фарадея не признавала, а направлением, которое должны иметь предполагаемые земные токи, если земной магнетизм действительно, как он думал, определяется ими (см. § 4). Далее соответственно вводятся термины анион и катион и более общий термин ион и, наконец, термины электролит для обозначения тела, которое подвергается химическому разложению, и электролиз для обозначения самого явления разложения.

Собрав цепь, состоящую из главной ветви и двух побочных, как это описывается в современных учебниках, и поместив в каждую ветвь вольтаметр, он устранил всякие сомнения относительно того, что количество разложенного электролита

«...в точности пропорционально количеству прошедшего электричества, несмотря, на изменения на тысячи ладов тех обстоятельств и условий, в которые электролит в данный момент поставлен», так что «продукты разложения могут быть собраны с такой точностью, что дают превосходное и ценное средство для измерения количества электричества» (§ 732).

Такие измерительные приборы Фарадей назвал «вольтаэлектрометрами» (впоследствии этот термин сократился в «вольтаметр»). Он описывает пять различных конструкций таких приборов и предлагает первую практическую единицу количества электричества: такое количество электричества, которое разлагает сотую часть кубического дюйма воды.

Проводя опыты с несколькими последовательно соединенными вольта-метрами, содержащими различные растворы, Фарадей заметил, что при одном и том же количестве электричества количество разложенного электролита зависит от природы электролита, и после многочисленных проверок пришел к выводу, не всегда, однако, подтверждавшемуся на опыте, что, выражаясь современным языком, одно и то же количество электричества освобождает количество простого вещества, пропорциональное его химическому эквиваленту.

Огромное значение этих исследований Фарадея было сразу же признано-учеными того времени, свидетельством чего является блестящее развитие последующих исследований в этой области.

Что же касается теории электролитической проводимости, теории Гроттгуса, слегка измененной Фарадеем, как мы уже упоминали, а затем Вильгельмом Гитторфом (1824-1914), то она претерпела глубокое изменение в 1857 г. благодаря работам Клаузиуса, который вновь вернулся к вопросу, поднимавшемуся еще Фарадеем: силы электрического поля не могут быть причиной разделения ионов в молекуле, ибо в этом случае процесс электролиза начинался бы только тогда, когда электродвижущая сила, приложенная к электродам, превосходила бы некий предел. Между тем опыт показывает, что процесс происходит всегда, независимо от электродвижущей силы. Чтобы преодолеть эту трудность, Клаузиус, опираясь на кинетическую теорию (см. гл. 9), предположил, что ионы или какая-то их часть не связаны постоянно, а существуют в растворе уже в отделенном, свободном состоянии. Однако эта теория, хотя ею и пользовались Квинке и Кольрауш, была встречена с недоверием и не получала признания вплоть до 1887 г., когда Сванте Аррениус (1859-1927) привел многочисленные доказательства ее, основывавшиеся на явлениях осмотического давления и на теории разбавленных растворов Вант-Гоффа. Эти работы Аррениуса, продолженные затем Оствальдом и Нернстом, знаменуют собой то сближение физики с химией, о котором мы говорили в § 2 и которое начиная с конца прошлого века становится постепенно все более тесным.

13. ПОСТОЯННЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

«Ваши открытия в области электрохимии представляют собой одну из самых больших революций в химии и открывают эру новых исследований» (The Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 126, 107 (1836)), - писал Даниэль Фарадею в январе 1836 г., сообщая ему, что предметом своих университетских лекций выбрал электрохимические открытия Фарадея. В процессе подготовки своих лекций Даниэль заметил, что на медной пластинке элемента, остававшейся в цепи в течение некоторого времени, образовывались прилипшие к ней пузырьки водорода. Это наблюдение навело его на мысль, что, может быть, именно это отложение водорода на медной пластинке и служило причиной уменьшения активности батареи с течением времени. Проверить это можно было, помешав водороду отлагаться на меди, для чего его следовало вовлечь в химическую реакцию. Так после нескольких попыток был создан первый образец батареи с деполяризатором, описание которой можно найти в любом учебнике физики. Даниэль назвал его постоянным элементом.

После этого по аналогии с элементом Даниэля были построены сотни других различных постоянных элементов. Мы упомянем здесь, не приводя их описания, которое легко можно найти во многих учебниках, лишь элемент Грове (1839 г.), элемент Бунзена (1841 г.), элемент Лекланше (1867 г.), элемент Кларка (1878 г.), принятый за международный эталон электродвижущей силы, которому Рэлей в 1884 г. придал Н-образную форму; элемент Чапского (1861-1907), предложенный им в 1884 г. и вновь предложенный и реализованный Вестоном в 1893 г. и заменивший элемент Кларка в качестве эталона.

14. ТЕОРИЯ ПОТЕНЦИАЛА

Историки обычно приписывают Лапгранжу заслугу введения (в 1777 г.) в механику функции, которую Грин впоследствии назвал потенциалом. На самом же деле эта заслуга принадлежит Эйлеру, который еще в 1765 г.всвоей«Теории движения твердых тел», рассматривая такую% функцию, хотя и несколько более простую, получил в 1767 г. так называемое «уравнение Лапласа», к которому сам Лаплас пришел позже, в 1796 г.

В своей исторической работе 1811 г. Пуассон распространил теорию потенциала и на явления электростатики, сформулировав, в частности, важную теорему, согласно которой напряженность поля в точке у поверхности проводника пропорциональна плотности заряда на проводнике в этой точке. Из этой теоремы он легко вывел, что электростатическое давление, или «электростатическое напряжение», как его называли в прошлом веке, пропорционально квадрату плотности распределения заряда, или «густоты электрической атмосферы», как говорил Пуассон (см. гл. 7). Далее Пуассон переходит к исследованию распределения электричества по поверхности проводников и получает результаты, совпадающие с экспериментальными данными Кулона.

В двух докладах, зачитанных в 1824 г., Пуассон распространяет теорию потенциала и на магнетизм. В основу своих исследований он положил концепцию Кулона, которая заменила теорию Эпинуса о строении магнитов. Согласно Эпинусу, в магнитах в одинаковом количестве существуют два магнитных флюида, отделенных друг от друга и сосредоточенных на концах намагниченного тела. Согласно Кулону, оба магнитных флюида заключены в каждой «молекуле» тела, из которой они не могут выйти, а могут лишь отделиться друг от друга и расположиться на ее концах. Поэтому любой магнит состоит из множества элементарных магнитиков, надлежащим образом ориентированных. Пуассон принимает эту гипотезу и основывает на ней математическую теорию, которая, хотя и была во многих отношениях раскритикована, имеет тем не менее громадное значение, потому что полученные результаты остаются справедливыми даже при изменении основной предпосылки, как это показал Томсон в 1851 г.

Не меньше и историческое значение теории Пуассона, непосредственно приведшей к теории диэлектриков. Среди многих следствий из теории Пуассона необходимо упомянуть следующее: в полом шаре из магнитного материала постоянной плотности при определенных условиях точки внутри шара не испытывают действия внешних магнитных масс, а внешние точки не испытывают действия магнитных масс внутри шара. Иными словами, Пуассон теоретически открыл магнитные экраны, известные из опыта еще со времен Джован Баттисты Порты (см. гл. 3).

Полученный результат побудил Пуассона рассмотреть поведение полого проводящего шара в электрическом поле. Он показал, что и в этом случае шар обладает указанными экранирующими свойствами, но с некоторым отличием: в то время как для магнитного поля экранирующий эффект зависит от толщины стенок экрана, для электрического поля он от нее не зависит.

Работы Пуассона были повторены и продолжены выдающимся английским математиком Джорджем Грином (1793-1841), который до сорокалетнего возраста был пекарем и мельником. В 1828 г. опубликовал свою первую и главную работу «An Essay on the Application of mathematical Analysis in the theories of Electricity and Magnetism» («Опыт применения математического анализа в теориях электричества и магнетизма»). Для этой работы характерно, что главную роль в ней играет математическая функция, Которую Грин назвал «потенциальной функцией», как мы ее называем и до сих пор. Грин определяет ее как «сумму всех электрических частиц, действующих на данную точку, разделенных на их расстояния от этой точки». В центре внимания теории Грина находится установление соотношений между значениями потенциала и распределениями плотности зарядов, создающих потенциал. Выведенные Грином основные теоремы до сих пор приводятся в работах по математической физике. Мы ограничимся лишь указанием на то, что если мы рассмотрим некоторую проводящую оболочку и назовем «внутренней системой» совокупность всех тел, находящихся внутри оболочки, и внутреннюю поверхность этой оболочки, а «внешней системой» совокупность всех внешних тел и внешнюю поверхность, то для таких систем Грин формулирует следующую теорему»

«Все электрические явления во внутренней системе, относящиеся к притяжению, отталкиванию и распределению плотности, происходят точно так, как если бы внешней системы вовсе не существовало, а внутренняя поверхность являлась бы совершенным проводником, соединенным с землей, а все явления во внешней системе происходят точно так, как если бы внутренней системы не существовало, а внешняя поверхность была бы совершенным проводником, содержащим количество электричества, равное сумме всего электричества, первоначально содержавшегося на оболочке и на всех внутренних телах»(George Green, An Essay..., Journal fur die reine und angewandte Mathematik, 47, 167 (1854)).

Итак, правильнее было бы считать, что открытие теоремы полной индукции принадлежит Грину, а не Фарадею. То, что Фарадей не был знаком с работой Грина, не вызывает сомнений, потому что работа Грина осталась совершенно незамеченной, не была опубликована в научном журнале и принадлежала малоизвестному автору. Лишь в 1850г. Томсон обратил внимание на важность этой работы и перепечатал ее по частям в журнале Крелле. Мы не говорим уже о том, что Фарадей не мог читать работ математического характера.

15. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ

Как осуществляется взаимодействие двух тел - на расстоянии или же через посредство среды? Этот вопрос задавали себе физики и философы еще со времен Ньютона. Сам Ньютон, как мы видели (см. гл. 6), практически уклонился от решения этой проблемы, хотя и не верил в возможность действия на расстоянии. Представители математической физики склонялись к признанию действия на расстоянии, причем не столько потому, как это принято считать, что Ньютон в своих исследованиях предполагал действие «как бы» происходящим на расстоянии, сколько просто по той причине, что при отсутствии удовлетворительных теорий действие на расстоянии представлялось наиболее простой моделью для математического истолкования явлений. Изучение электрических и магнитных явлений снова выдвинуло эту старую проблему. В действие на расстоянии верили Эпинус, Кавендиш, Кулон, Пуассон.

Фарадей занялся этим вопросом в 1837 г., считая, что эта проблема может быть решена экспериментальным путем. В самом деле, думал Фарадей, действие на расстоянии должно проявляться только по прямой линии, тогда как действие опосредствованное должно быть способным проявляться и по кривой; кроме того, если среда не участвует в процессе распространения электрического действия, то природа промежуточного вещества не должна влиять на это явление; если же действие опосредствовано, то такое влияние должно проявляться. Руководствуясь этими представлениями, он провел многочисленные и остроумнейшие эксперименты, из которых следовало, что электрическое действие проявляется также по кривым линиям и что промежуточная среда значительно влияет на это действие.

В ходе этих исследований Фарадей провел свой знаменитый опыт с деревянной кабинкой, окруженной заземленной металлической сеткой («клетка Фарадея»), внутри которой нельзя было обнаружить ни малейшего признака электричества даже при очень большом заряде на стенках, и аналогичный опыт с «цилиндром Фарадея», представлявший собой более тщательное и более полно проведенное повторение эксперимента с «колодцем» Беккариа (см. гл. 7). Эти опыты Фарадея подтверждали то, что уже отмечали наблюдатели предшествовавшего века и что доказывалось, как мы видели, математической физикой.

Проводя опыты с сферическими конденсаторами одинакового размера, но с различными изолирующими прокладками, Фарадей устранил всякие сомнения относительно существования некоторой удельной индуктивной способности (этот термин введен Фарадеем), развивая таким образом исследования, начатые Беккариа семьдесят лет назад (см. гл. 7).

В результате этих опытов Фарадей сформулировал свою теорию диэлектрической поляризации. Как объяснить влияние диэлектрика в конденсаторе? Авогадро в 1806 г. предположил, что молекулы непроводящего тела поляризуются под воздействием заряженного проводника. Но Фарадей, по-видимому, не знал этой работы Авогадро и руководствовался двумя аналогиями: теорией магнетизма Пуассона (см. § 14) и теорией электролитического действия Гроттгуса (см. § 2). Он был поражен сходством вольтаметра с конденсатором: если к кусочку льда с двух сторон приложить два заряженных проводника, то получится конденсатор, если же лед растопить, то получится (см. § 12) вольтаметр, в котором, согласно гипотезе Гроттгуса, поляризованные молекулы ориентированы в направлении тока. Но, по мнению Фарадея, поляризация должна уже существовать в молекулах льда, жидкое состояние лишь позволяет ионам перемещаться. Поэтому, заключает Фарадей, обычная электростатическая индукция представляет собой «действие смежных частиц». Частицы тела, будь то изолятор или проводник, являются совершенными проводниками, которые в обычном состоянии не поляризованы, но могут поляризоваться под действием соседних заряженных частиц. Заряженное тело, помещенное в изолирующую среду, поляризует ее частицы слой за слоем. Теория магнетизма Кулона и Пуассона, таким образом, переносится целиком на теорию диэлектриков.

На объявленный Итальянским научным обществом конкурс по разработке математической теории электростатической индукции, основанной. на идеях Фарадея, откликнулся Оттавиано Фабрицио Моссотти (1791-1863), один из крупнейших представителей математической физики прошлого векаг чьи произведения теперь собраны и изданы в двух томах (Пиза, 1942-1951). Он представил замечательную работу «Discussione analitica suirinfluenza che Vazione di un mezzo dielettrico ha sulla distribuzione dell'elettricita alia superfide di pid corpi elettrici disseminati in esso» («Аналитическое рассмотрение влияния диэлектрической среды на распределение электричества по поверхности расположенных в ней электрических тел»), Модена, 1850г (Некоторые отрывки из этой статьи были опубликованы еще в 184R г., а ее краткое изложение появилось в 1847 г. в Женевском «Archives des sciences physiques et naturelles»,. VI, 193 (1847)).

Моссотти представляет диэлектрик состоящим из множества проводящих частиц, погруженных в изолирующую среду, и применяет к этой системе пуассоновскую теорию магнетизма. Полученные выводы используются затем для исследования распределения электричества по поверхности проводников, погруженных в диэлектрик. Теория Моссотти была затем (в 1867 г.) применена и расширена Клаузиусом в его механической теории теплоты. Мы увидим в дальнейшем, как ее использовал Максвелл. Добавим еще, что к первоисточникам современной теории диэлектриков следует отнести и другую известную работу Моссотти (опубликованную в Турине в 1836г.), в которой, исходя из теории Эпинуса (см. гл. 7), он приходит к новой теории молекулярных сил и дает ее аналитическую разработку.

16. МАГНИТООПТИКА

Фарадей не раз задавал себе вопрос, существует ли связь между электричеством и светом, между магнетизмом и светом, и если да, то в чем она состоит. Другие физики тоже ставили перед собой эту проблему, которая соответствовала общей тенденции науки того времени, тяготевшей к унифицирующим теориям. Еще в 1812 г. Доменико Морикини (1773-1836) и в 1826 г. Гюнтер Кристи ошибочно считали, что им удалось добиться намагничивания под воздействием света. Но Фарадея убедили не опыты Морикини, который продемонстрировал их специально в 1814 г. в Риме, когда Фарадей, сопровождая Дэви, путешествовал по Италии. Большое влияние на него оказали идеи Джона Гершеля, который в отклонении магнитной стрелки под действием тока видел спиралевидную симметрию, аналогичную вращению плоскости поляризации светового луча при его прохождении через некоторые тела. Однако проведенные Фарадеем в 1834 г. и повторенные в 1838 г. опыты с целью обнаружения действия электрического поля на свет не дали желаемого результата. Оставив эти попытки электрооптических исследований, Фарадей в 1845 г. приступил к магнитооптическим опытам. После первых неудач, которые его, однако, не обескуражили, он обнаружил новое явление. Параллелепипед из тяжелого стекла (флинтгласа) был помещен между полюсами электромагнита и через него пропускался поляризованный луч света параллельно силовым линиям поля. При возбуждении электромагнита плоскость поляризации света поворачивалась.

Фарадей сообщил об этом открытии в ноябре 1845 г. в девятнадцатой серии своих «Экспериментальных исследований по электричеству», озаглавленной «Magnetization of light, and the illumination of the lines of magnetic force» («Намагничивание света и освещение магнитных силовых линий»). Еще до появления в печати этой статьи ее заглавие было многими раскритиковано, особенно из-за выражения «освещение магнитных силовых линий». Поэтому уже в корректуре Фарадей добавил примечание, чтобы пояснить и оправдать это выражение:

«Я полагаю, что в опытах, описываемых мною в настоящей статье, свет испытал на себе магнитное действие, то есть что магнитному действию подвергалось то, что является, магнитным в силах материи, а последнее в свою очередь воздействовало на то, что является подлинно магнитным в силе света» (§ 2146).

Иначе говоря, Фарадей считал, что в свете присутствует некий магнетизм. Эти слова тогда, в 1845 г., казались физикам еще более непонятными, чем то выражение, которое они должны были пояснить, ибо по теории Френеля, которая тогда глубоко укоренилась, свет не имел ничего общего с магнетизмом.

Убедившись в существовании этого явления, Фарадей приступил к изучению его свойств. Он обнаружил, что многие другие вещества, кроме тяже лого стекла, обладали тем же свойством. Однако обнаружить это явление в опытах с золотой пластинкой ему не удалось, и лишь много лет спустя, в 1884 г., Кундт установил, что металлические пленки в сильной степени обладают способностью магнитного вращения плоскости поляризации, чем можно объяснить магнитооптический эффект, открытый Керром в 1877 г.

Заменив магнит спиралью, по которой проходит ток, Фарадей наблюдал вращение плоскости поляризации света в направлении тока и сразу же понял существенное различие между естественной вращательной способностью и магнитной вращательной способностью: симметрия первой - геликоидальная, а второй - цилиндрическая. Воспользовавшись этим различием, Фарадей экспериментально доказал, что вращение плоскости поляризации зависит от природы того тела, через которое проходит луч, и что оно пропорционально толщине проходимого тела и интенсивности магнитного поля. Вращение получается наибольшим, когда направление поля параллельно направлению луча,и исчезает, когда оба направления перпендикулярны друг другу. Таким образом, закон, называемый сейчас «законом Верде», открыт Фарадеем. Верде подтвердил эти закономерности своими многочисленными и разнообразными экспериментами, которые привели его в 1863 г. к выводу о приблизительной пропорциональности магнитного вращения плоскости поляризации квадрату длины волны. В своем «Трактате» 1873 г. Максвелл попытался создать теорию этого явления.

Фарадей заметил, что вращение плоскости поляризации запаздывает по отношению к изменениям интенсивности поля. Это явление в 1870 г. вновь подверг анализу Эмилио Виллари (1836-1904) при помощи очень простого по идее прибора. Он подтвердил наблюдение Фарадея и проделал первые количественные исследования этого явления.

17. СТРОЕНИЕ МАТЕРИИ

Заметив, что открытое им магнитооптическое явление проявляется, только когда свет проходит через определенные тела, а не в пустоте, Фарадей решил заняться рассмотрением многовековой проблемы строения материи, которой он, впрочем, уже не раз касался, особенно при исследовании диэлектриков (см. § 15). Начал он с того, что подверг суровой критике атомистическую теорию материи. Коротко говоря, он утверждал следующее: если атомы и пространство представляют собой две различные вещи, то следует признать непрерывность только пространства, потому что атомы представляют собой разные и отделенные друг от друга индивидуальности. Так что пространство пронизывает все тела, отделяя каждый атом от соседних с ним. Возьмем какой-нибудь изолятор, например сургуч. Если бы пространство было проводником, то изолятор должен был бы проводить ток, потому что пространство служило бы как бы металлической сеткой; следовательно, пространство является изолятором. Теперь возьмем какой-нибудь проводник. Здесь, как и раньше, все атомы тоже как бы окружены пространством, но если пространство - изолятор, то ток не может проходить от одного атома к другому, и все же проводник проводит ток; получается, что пространство - проводник. Теория, приводящая к таким противоречиям, не может считаться верной сама по себе.

Но если атомистическая гипотеза не выдерживает критики, чем же ее заменить, ведь какая-то гипотеза все же должна быть? И Фарадей, проанализировав различные гипотезы, объявил себя приверженцем доктрины Босковича (см. гл. 7).

«Мы знаем силы и наблюдаем их присутствие в каждом явлении, но отвлеченной материи мы не встречаем ни в одном из них. Почему же мы должны признавать существование некоей вещи, о которой мы не можем составить себе никакого представления, вещи, представление о которой вовсе не является необходимостью для нашего мышления?» (М. Fаradау, A speculation touching Electric Conduction and the Nature of Matter, Philosophical Magazine, [3], 24, 136 (1844))

По мнению Босковича и Фарадея, материя, т. е. системы сил, исходящих из центров сил, существует повсюду; нет такой области пространства, в которой бы их не было.

«Такой взгляд на строение материи, - продолжает Фарадей в своей статье, которую мы только что цитировали, - с необходимостью приводит, очевидно, к заключению, что материя заполняет собой все пространство или по крайней мере все пространство, в котором действуют гравитационные силы, 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 ее атом простирается, так сказать, через всю солнечную систему, сохраняя, однако, свой собственный центр силы».

Итак, здесь доведена до логического конца, быть может, самая оригинальная идея Фарадея, идея, которая, по мнению Эйнштейна, была самым важным открытием со времен Ньютона: понятие поля. Пространство рассматривалось Ньютоном, а вслед за ним и другими учеными как пассивное безучастное вместилище тел и электрических зарядов. У Фарадея же пространство принимает участие в явлениях - оно как раз и представляет собой средоточие явлений.

«Нужно было обладать могучим даром научного воображения, - говорит Эйнштейн, - чтобы распознать, что в описаниях электрических явлений не заряды и не частицы описывают суть явлений, а скорее пространство между зарядами и частицами» (A. Einstein, L. Infeld, The Evolution of Physics, New York, 1942. (Есть русский перевод: А. Эйнштейн, Л. Инфельд, Эволюция физики, Собр. научи, трудов А. Эйнштейна, т. IV.) ).

Такой ход мыслей Фарадея находит свое конкретное выражение в его известном письме 1846 г. к Ричарду Филлипсу (1778-1851), в котором выдвигается предположение, что колебания света представляют собой дрожание силовых линий.

«Если допустить такую возможность, - говорит он, - то можно было бы обойтись без эфира, который, согласно другой точке зрения, является той средой, в которой совершаются эти колебания».

Но, может быть из опасения слишком далеко зайти в область фантазии, он так заканчивает свое письмо:

«Я считаю вполне вероятным, что сделал на предыдущих страницах много ошибок, ибо даже мне самому мои представления по этому вопросу кажутся лишь как бы отражением тех построений в голове исследователя, часто мимолетных, которые, однако, могут иметь свою временную ценность как руководящая нить для нашего мышления и исканий. Те, кто работает в области экспериментальных исследований, знают, как многочисленны эти мысленные комбинации и как часто их кажущаяся пригодность и красота исчезают по мере того, как идет вперед и развивается познание настоящей естественнонаучной истины» (М. Faraday, Thoughts on Ray-vibrations, Philosophical Magazine, [3], 28, 350(1846)).

18. ДИАМАГНЕТИЗМ

Наблюдая магнитооптические явления, Фарадей пришел к убеждению, что изменяется сама внутренняя структура тела, помещенного в магнитное поле. Поэтому он решил исследовать, испытывают ли тела, помещаемые в магнитное поле, механические изменения и какие именно. В ходе этих исследований он в том же 1845 г. сделал еще одно большое открытие, последнее в его столь плодотворной научной деятельности, - обнаружил, что кусок тяжелого стекла (отлитого им в 1822 г. и содержащего борнокислый свинец), помещенный перед полюсом мощного электромагнита, испытывает слабое отталкивание. Чтобы яснее обнаружить это явление, Фарадей подвесил на нитке между полюсами мощного подковообразного электромагнита стерженек из тяжелого стекла. При включении электромагнита стерженек поворачивался, располагаясь перпендикулярно силовым линиям поля, или, как говорит Фарадей, экваториально. Стерженек из обычного магнитного вещества, помещенный точно таким же образом, располагается вдоль оси, т. е. вдоль силовых линий.

Опыт Фуко с индуктивными токами в металлических массах. (A. Gar no t, Traite elementaire de physique experimentale et appliquee, 1857.) Диск D, приведенный в быстрое вращательное движение, почти мгновенно останавливается, как только включаются электромагниты. Вращение диска при включенных электромагнитах вызывает сильное его нагревание

Уитстон сообщил Фарадею, что наблюдавшееся им явление магнитного отталкивания не ново: его описал в 1778 г. А. Бругманс (1732-1789), наблюдая его в опытах с висмутом, а в 1827 г. аналогичное явление заметил А. Беккерель в опытах с сурьмой. Но то были отрывочные наблюдения, оставшиеся неизвестными большинству физиков, хотя некоторые эрудированные авторы того времени, как, например, Пуйе во втором издании своих «Elements de physique» («Элементы физики»), 1832 г., писали о них как о некоей диковинке. Открытие Фарадея также показалось некоторым лишенным интереса.

Эдмон Беккерель, сын Антуана Беккереля, считал (и его поддерживал в этом Гальда), что в опытах Фарадея не было ничего нового, поскольку как Кулон, так и А. Беккерель обнаружили, что тела, содержащие в себе в рассеянном виде небольшое число частиц железа стреловидной формы, располагаются в магнитном поле экваториально. Но Маттеуччи справедливо возразил (1846 г.), что главным в открытии Фарадея было не экваториальное расположение тела, а отталкивание некоторых тел магнитным полюсом.

Итак, критические замечания были легко опровергнуты, тем более что это свойство, как показал Фарадей, вовсе не было исключением: оно обнаружено и у многих других твердых тел, жидкостей и тканей человеческого тела; им обладают также многие газы. Последнее было доказано в 1847 г. Микеле Альберто Банкалари (1805-1864) и подтверждено Фарадеем в процессе дальнейших исследований. Все эти тела Фарадей назвал диамагнетиками.

Электромотор П. А. Фромана (1815-1865) мощностью в одну лошадиную силу (1835 г.). (A. Garnot, Traite elementaire de physique experimentale et appliquee, 1857.) При надлежащих направлениях токов электромагниты А и В тянут перекладины М всегда в одном направлении

После долгих терпеливых исследований Фарадей установил, что все тела - либо парамагнетики, либо диамагнетики и что нейтральных тел не существует, т. е. нет таких тел, которые бы не притягивались и не отталкивались полюсом магнита достаточной силы.

Теория диамагнетизма была одной из самых щекотливых проблем второй половины XIX века. Фарадей выдвинул две различные гипотезы. Согласно первой, молекулы диамагнитных веществ под действием поля намагничиваются в направлении, противоположном направлению намагничивания парамагнитных веществ; согласно второй гипотезе, отталкивание диамагнитных тел магнитным полюсом лишь кажущееся и обусловлено разностью притяжений, т. е. тем, что среда, в которой тело находится, притягивается сильнее, чем само тело. Но принимая вторую гипотезу, приходится также предположить, что пустота или некая среда, заполняющая пустоту, обладает магнитными свойствами. Фарадей склонялся к первой гипотезе, потому что не считал возможным приписывать пространству свойство притягиваться или представлять его заполненным весьма проблематичным эфиром.

В течение нескольких десятилетий как та, так и другая теория имели своих сторонников. Большинство, следуя за Вебером, который в 1852 г. сконструировал свой диамагнетометр, принимало первую гипотезу Фарадея. Но в 1889 г. Дж. Паркер заметил, что такая интерпретация явления находится в противоречии со вторым началом термодинамики, что было затем подтверждено и П. Дюэмом. Это замечание было сделано как раз в момент расцвета термодинамики, поэтому привело к резкому кризису, в результате чего в конце прошлого века физики склонялись к теории влияния среды. Однако теория, которой придерживались Фарадей и Вебер, по существу довольно скоро (в 1905 г.) вновь возродилась в теории Ланжевена, - самой простой и всеобъемлющей из всех доквантовых электронных теорий.

Прежде чем перейти к другим вопросам, упомянем следующее: входеЪвоих исследований диамагнетизма Фарадей заметил, что медный стержень, подвешенный в магнитном поле, не совершал колебаний, даже если его подталкивали, как если бы он испытывал в среде сильное сопротивление трения. Фарадей понял, что причиной являются токи, индуцируемые в стержне, и получил подтверждение своего предположения в опытах с медным кубом, который, будучи приведен во вращение между полюсами электромагнита, при включении магнитного поля останавливается. Фуко повторил в 1855 г. опыт Фарадея, придав ему более эффектный вид. Он применил маятник, качающийся между полюсами электромагнита, который был уже ранее использован Стердженом в 1825 г. при опытах с «вращательным магнетизмом» (см. § 11). Таким образом, в вопросе о индуцируемых в металлических массах токах, наблюдавшихся и Джоулем в 1843 г., Фуко принадлежит лишь способ их уменьшения посредством разбиения сплошной массы на тонкие пластины.

19. ПРИМЕНЕНИЯ

О теоретическом значении открытий Фарадея мы уже говорили. Сих последующим развитием мы встретимся еще в дальнейшем, здесь же подчеркнем лишь их практическое значение, ограничившись промышленным использованием открытия электромагнитной индукции. Все машины современной электропромышленности - генераторы, трансформаторы, электромоторы - основаны на явлении электромагнитной индукции.

Как мы уже видели (см. § 11), первый генератор тока был построен самим Фарадеем.

В 1832 г. Ипполит Пиксий, парижский конструктор физических инструментов, построил небольшую электромагнитную машину, в которой подковообразный магнит вращался перед электромагнитом в виде U-образного куска железа, обвитого длинным (30 м) медным проводом в шелковой изоляции. Концы провода шли в две чашечки, с которых начиналась внешняя цепь переменного тока. Машина Пиксия имеет историческое значение, поскольку показала, что получающийся за счет нового явления электромагнитной индукции ток обладает значительной силой, о чем свидетельствовали опыты с химическим разложением и образованием искр. Но то, что ток во внешней цепи все время менял свое направление, казалось недостатком этой машины, поэтому Пиксий сразу же стал работать над тем, чтобы получить однонаправленный ток, и подсоединил к машине известный коммутатор Ампера, который автоматически менял соединения концов внешней цепи при каждой перемене направления тока. В 1844 г. появилось описание «земно-электрической машины» (или «круга») Луиджи Пальмьери (1807-1896) как генератора переменного тока. Уже во второй половине прошлого века авторы учебников присоединили к ней в дидактических целях коллектор, превратив ее таким образом в прототип генератора постоянного тока.

'Земно-электрическая машина' (1845 г.) Луиджи Пальмьери. (G.Majocchi, Element! di fisica, Torino, 1853.) В желобок эллиптической рамы уложено 210 витков медной проволоки, концы которой соединены с металлическими цилиндрами h, h. Если ось вращения машины расположена перпендикулярно магнитному меридиану, при быстром вращении катушки возникает индуктивный ток, вызывающий физические, физиологические и химические действия

Возможность производить механическую работу с помощью электрического тока была известна до открытия электромагнитной индукции. Мы уже видели (см. § 5), как колесо Барлоу преобразовывало электрическую энергию в механическую. В 1831 г. Сальваторе даль Негро (1768-1839) построил первый электромотор, а в 1838 г. в Петербурге Б. С. Якоби (1801-1874) впервые с помощью электромотора привел в движение лодку. В обоих случаях использовалось притяжение неподвижными электромагнитами подвижных. Позже подвижные электромагниты были заменены якорями, а переменное движение превратилось во вращательное, как в паровых машинах. Однако эти электромоторы широкого распространения не получили, потому что стоимость производимой ими работы (согласно опытам, проведенным на Парижской выставке 1855 г.) была примерно в двадцать раз больше» стоимости работы, производимой паровыми машинами. И применение этих моторов ограничилось областью маломощных точных приборов.

Но вернемся к генератору Пиксия, конструкцию которого улучшили Кларк, Пэйдж, Молле и другие, после чего этот генератор получил первое практическое применение в гальванопластике, а с 1862 г. в Англии стал использоваться для электрического освещения маяков.

Индукционные машины с прерыванием тока нуждались в быстром прерывателе тока, первая модель которого была изобретена в 1837 г. Антуаном Массовом (1806-1860) и состояла из зубчатого колеса, ударявшего своими зубцами по язычку, замыкавшему таким образом цепь. По высоте получаемого звука Массой определял частоту прерываний. Так ему удалось получить индукционный ток высокого напряжения, применявшийся, в частности, в лечебных целях. В 1851 г. Генрих Даниил Румкорф (1803-1877), известный парижский конструктор физических аппаратов, заметил, что аппарат Массона мог бы быть более эффективным, если бы имел более длинный индуктивный провод и частота прерываний была бы больше. Так возникла «индукционная катушка», названная в честь Румкорфа его именем. Начиная с 1838 г. американец Чарльз Пэйдж (1812-1868) постепенно совершенствовал конструкцию индукционных катушек, но в Европе о его работах ничего не было известно. Первые модели индукционных катушек Румкорфа давали искры длиной до 2 см, но в 1859 г. Ритчи получил в воздухе искры длиной 35 см, а вскоре после этого Румкорфу удалось получить в воздухе искры длиной 50 см.

Применение генераторов, как мы уже сказали, было весьма ограничено, особенно из-за несовершенства коммутаторов. Устранение этих несовершенств стало одной из главных задач электротехники того времени. В 1860г. Антонио Пачинотти (1841-1912) дал гениальное решение этой задачи, применив свою «машинку», представлявшую собой мотор постоянного тока с коллектором. Эта машинка описана в статье в 1864 г., где указывается также возможность превращения мотора в динамомашину постоянного тока.

Антонио Пачинотти

С изобретения Пачинотти, получившего начиная с 1871 г. широкое распространение после внесения кое-каких практических изменений Зиновием Граммом (1826-1901), с введения трансформатора, который был предложен Голаром в 1882 г., с изобретения мотора с вращающимся магнитным полем, описанного в 1888 г. Галилео Феррарисом (1847-1897), и начинается современная электротехника.

'Машинка' Пачинотти. Хранится в Галилеевском музее в Пизе

Краткого упоминания заслуживает еще одно применение явления электромагнитной индукции - телефон, о приоритете на изобретение которого ®елись ожесточенные споры и даже судебные процессы. Теперь уже представляется несомненным, что первым изобрел телефон Антонио Меуччи (1808-1889) в 1849 г., но первый телефонный аппарат был показан лишь в 1876 г. на Филадельфийской выставке Александром Грехемом Беллом -(1847-1922). Приемная часть телефона Белла осталась без изменений до наших дней, передающая же была очень несовершенной. Ее усовершенствовал Эдисон в том же 1876 г., введя угольный передатчик, но существенное улучшение в 1878 г. внес Дэвид Юз (1831-1900), изобретя микрофон, в основных чертах сходный с тем, который применяется в наше время. Первый, кто применил телефон при физических исследованиях, был, пожалуй, Кольрауш, использовавший его в своих работах по измерению сопротивления электролитов.

Мотор с вращающимся магнитным полем Галилео Феррариса. Хранится в Национальном институте электротехники в Турине