"Экспериментальные исследования" Майкла Фарадея

Английский ученый Гемфри Дэви известен прежде всего как изобретатель шахтерской лампы, которая спасла жизнь многим и многим горнякам. Он открыл магний, кальций, барий, стронций, натрий. Он был основателем электрохимии... Однако сам Дэви считал своим главным открытием - открытие Фарадея, будущего автора фундаментального труда "Экспериментальные исследования по электричеству".

Поразителен и неповторим путь в науку переплетчика Майкла Фарадея - сына кузнеца из лондонского предместья. Природный ум, настойчивость, целеустремленность, непомерный труд позволили этому самоучке войти в храм науки, чтобы потом прославить свое имя поразительными исследованиями магнетизма и электричества. В свое время биография этого человека произвела на Максима Горького ошеломляющее впечатление.

...Едва получив в школе начальные навыки чтения, письма и арифметики, он стал работать в книжном магазине французского эмигранта Дж. Рибо. Отдан на семь лет учиться переплетному делу.

И все же можно сказать, что Майклу повезло - он мог читать книги. Поначалу он читает все, что переплетает: об извержениях вулканов и землетрясениях, об открытиях Уатта, Стефенсона. Из прочитанных книг он узнает имена Ньютона, Галилея, Коперника, Леонардо да Винчи. Потом его особенно заинтересовали статьи по электричеству в "Британской энциклопедии". А однажды Фарадею попались три маленьких тома "Химических бесед" г-жи Марсе. Они произвели на него сильное впечатление. Под их влиянием Майкл впервые приступил к опытам: он решил на практике проверить изложенные в книгах факты.

По воскресеньям магазин превращался в своеобразный клуб: здесь вслух читали газеты, оживленно обсуждали новости, хозяин знакомил посетителей с книжными новинками. Все это расширяло кругозор юного переплетчика. Жажда знаний была у него ненасытной. Он посещает платные лекции физика Татума (хозяин не запрещает на время оставлять мастерскую, а заветные шиллинги - плата за вход - дарит Фарадею старший брат); берет уроки рисования и черчения, читает и много думает о прочитанном. В 1809 г. Фарадей заводит дневник: "Философский сборник разных статей, заметок, событий, приключений и т. д., относящихся до искусств и наук и собранных из газет, обозрений, журналов и других сочинений с целью содействовать удовольствию самообучения, а также укреплению и разрушению теорий, распространенных в ученом мире".

Фарадей М

Один из друзей Фарадея пригласил его в Королевский институт на лекции Гемфри Дэви по химии. Лекции Дэви читал прекрасно, сопровождал их опытами, они привлекали много слушателей.

Фарадей тщательно записал лекции, а потом переплел их. Его записки превратились в изящную книгу. Сейчас эта рукописная книга в прекрасном кожаном переплете находится в Королевском институте. Она хранит автограф Фарадея: "Пусть эта книга будет проявлением моей искренней радости и дорогой памятью о чудесных лекциях Дэви".

После посещения Королевского института юноша понял: его призвание - наука. Но как попасть в этот великолепный и таинственный храм простому переплетчику? По совету друзей он пишет Гэмфри Дэви письмо и прилагает к нему томик лекций. И просит принять на любую работу в Королевский институт. Ученый ответил переплетчику, более того, он был готов повидать Фарадея... И свершилось чудо. Великий ученый-химик взял Майкла Фарадея своим секретарем. А в самом начале 1813 г. по ходатайству Дэви юноша был принят в Королевский институт ассистентом химической лаборатории.

В протоколе о приеме Фарадея на работу говорилось, что "его характер активный и бодрый, а образ действий разумный".

Вскоре Фарадею выпала еще одна удача: Дэви взял его с собой в путешествие по странам Европы, где он встречался с выдающимися учеными континента. Именно в это время Фарадей сформулировал свое правило -"Наблюдать, изучать и работать", правило, которому он следовал всю свою жизнь.

За границей Дэви знакомится со всем новым, что было достигнуто в области химии. Он повторяет наиболее ценные опыты и проверяет научные выводы. Фарадей помогает ему. Часы, проведенные в лаборатории, для него счастливые. Химические опыты перемежаются с увлекательными экспедициями - в кратер Везувия, в древние Помпеи...

Вначале Фарадей работал в области химии. И первая опубликованная в журнале его статья была посвящена результатам анализа тосканской извести (1816 г.). Заметка эта, снабженная введением Г. Дэви, принесла много радости автору, помогла преодолеть робость. После этого он стал часто писать в журнал отчеты о своих опытах.

Имя его получало известность в ученом мире.

Однако подлинную славу принесли Фарадею исследования по электричеству.

... 15 февраля 1820 г. датский ученый Г. Эрстед обнаружил удивительное явление: при протекании электрического тока по проводнику стрелка компаса отклоняется. Сейчас это знает каждый школьник, а тогда сообщение Эрстеда потрясло ученых - впервые была установлена связь между электричеством и магнетизмом. Оказалось, что электрический ток порождает магнетизм. Понятно, с каким вниманием ученый мир Лондона, Парижа, Мюнхена, Женевы, Петербурга изучал появившуюся в июле 1820 г. небольшую работу Эрстеда "Опыты, касающиеся действия электрического конфликта на магнитную стрелку". Опыты повторяли, снова и снова заставляя магнитную стрелку поворачиваться под действием электрического тока.

Английский ученый Волластон высказал предположение, что проволока, через которую пропущен ток, должна вращаться вокруг своей оси под действием магнита. Однако опыт положительного результата не дал. При разговоре присутствовал Фарадей. Шел 1821 г.

В это время по совету Р. Филиппса - редактора научного журнала - молодой ученый пишет "Опыт истории электромагнетизма", чтобы обобщить все, что было достигнуто в этой области. Он следует своему излюбленному методу - лично проверять все опыты. Неожиданно обобщение "чужого" опыта закончилось блестящим успехом. Фарадей добился непрерывного вращения магнитов и проводов, по которым идет электрический ток. Свое открытие он изложил в статье "О некоторых новых электромагнитных движениях и о теории магнетизма". Датирована она 11 сентября 1821 г. Чуть позже в двух заметках он дал описание приборов, с помощью которых можно продемонстрировать такое движение.

Обложка первого издания книги 'История свечки' (1866 г.)

Статья эта с двумя дополнениями была опубликована в конце года в научном журнале. Она сразу же привлекла всеобщее внимание и была переведена на французский и немецкий языки. (Позже Фарадей включил эту статью во второй том "Экспериментальных исследований по электричеству"). Ампер, познакомившись со статьей Фарадея, назвал его великим физиком. Один из переводчиков статьи - Гильберт, соглашаясь с Ампером, писал: "Автор показал столько экспериментальной ловкости, такое богатство средств для вопрошения природы и одновременно столько остроумия и выдержки, что ему подобает выдающееся положение среди новейших физиков".

Статью "О некоторых новых электромагнитных движениях и о теории магнетизма" сопровождали несколько рисунков, выполненных Фарадеем. На одном из них - прибор для создания непрерывного вращения. Такой прибор заработал в последних числах декабря 1821 г. Вращение проволочки привело Фарадея в неописуемый восторг. Обращаясь к брату своей жены Джорджу Барнарду, бывшему в лаборатории, он взволнованно воскликнул: "Ты видишь, ты видишь, ты видишь, Джордж!"

Приборчик был крошечный, игрушечный, но это - модель первого электродвигателя. Таким образом, впервые осуществилось непрерывное превращение электрической энергии в механическую. Открытие это послужило толчком к многочисленным попыткам создания новых двигателей.

Один из них, пригодный для практического применения, изобретен академиком Б. С. Якоби в 1834 г. Именно в этом году в мемуарах Парижской Академии появилась его заметка о новой "магнитной машине", т. е. об электродвигателе. А через три года он .сообщил Петербургской Академии наук, что созданный им двигатель работает вполне надежно. В 1838 г. на Неве состоялось испытание катера, приводившегося в движение электродвигателем. Катер - первый в мире электроход- с экипажем 14 человек несколько часов поднимался против течения Невы. В подготовке и успешном проведении этого необыкновенного эксперимента принимал участие знаменитый путешественник И. Ф. Крузенштерн.

Во втором томе "Исследований" опубликованы материалы, доказывающие приоритет Фарадея в открытии электромагнитного вращения.

Итак, было достигнуто превращение электричества в магнетизм.

Теперь Фарадей задумал "превратить магнетизм в электричество". Решение этой задачи - огромное событие, не уступающее ни одному из достижений прошлого века. Первый успех был достигнут 29 августа 1831 г. В этот день Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Он установил, что прохождение электрического тока по одной проволочной катушке вызывает ток в другой проволочной катушке.

Фарадей работает лихорадочно, опыты следуют один за другим. Он не теряет надежды, что ему "удастся построить новую электрическую машину". 28 октября можно считать днем рождения прототипа современной динамо-машины. В этот день Фарадей установил между полюсами подковообразного магнита вращающийся медный диск, с которого при помощи скользящих контактов можно было снимать электрическое напряжение. Заработал первый в мире генератор.

Описывая этот опыт, Фарадей впервые упоминает свои знаменитые "линии магнитных сил". Современники не зря называли его "властелином молний". Электромагнитные опыты, поставленные им,- ключ к последующему освоению человеком "электрического океана".

Результаты всех опытов по электромагнетизму Фарадей свел в одну статью и 24 ноября доложил собранию членов Королевского общества основные положения этой статьи.

Через пять дней после доклада Майкл Фарадей сообщает редактору научного журнала Королевского общества Ричарду Филиппсу о намерении публиковать систематически исследования под общим заглавием "Экспериментальные исследования по электричеству". Первая статья (их автор называл "сериями") датирована 24 ноября 1831 г. Открывалась она разделом "Об индукции электрических токов".

Яркую характеристику этому разделу дал советский исследователь творчества Фарадея Т. Кравец. Он писал: "Мы читаем страницы, которые вызвали небывалую по размеру перестройку силового хозяйства мира. Электричество решило задачу о передаче силы на расстояние, о ее трансформации, о ее экономичном использовании на месте потребления, оно открыло для эксплуатации невиданные запасы мировой энергии. И вся электроэнергия получается так, как научил мир Фарадей в ноябре 1831 года. Принципиально нового ничего не предложено. Сами опыты - один из немногих шедевров в истории физики".

В результате открытия оказалось возможным создать приспособление, вырабатывающее электрический ток непрерывно. Основа такого приспособления - проволока, вращающаяся в ноле постоянного магнита. Все наши современные электростанции, независимо от того, работают ли они на угле, нефти или за счет энергии воды, вырабатывают электроэнергию по такому же принципу.

...И на сей раз на новое великое открытие нашлись претенденты. Во втором томе "Экспериментальных исследований" Фарадей публикует материалы по электромагнитной индукции, защищая свой приоритет и в этом открытии. (Уже в примечании к первой серии Фарадей указывал, что сведения о его опытах распространились до их опубликования благодаря его письмам к доктору Гашейту).

Всего с 1831 по 1838 г. Фарадей опубликовал в журнале 14 серий. Невозможно перечислить содержание всех этих серий. От открытия электромагнитной индукции и догадки о существовании электромагнитных волн Фарадей переходит к установлению тождества различных видов электричества, к законам электролиза, к исследованию самоиндукции.

В марте 1839 г. Фарадей решил серии, которые появлялись "в течение последних семи лет", собрать в один том. Он хотел "представить возможность приобрести за умеренную цену полное собрание этих докладов, снабженное указателем,- тому, кто пожелал бы их иметь". Фарадей ничего не менял, он хотел дать "верное воспроизведение или отчет о ходе и результатах всего исследования".

С 1831 по 1855 г. Фарадей опубликовал 30 серий "Экспериментальных исследований". Вначале они печатались в журнале Королевского общества. (В Библиотеке АН СССР хранится собрание оттисков с автографами, присланных Фарадеем нашей Академии, почетным членом которой он состоял с 1830 г.). Потом эти "серии" вошли в три тома "Экспериментальных исследований", изданных в Лондоне в 1839, 1844, 1855 гг.

Таким образом, гигантский труд был завершен. Три тысячи с лишним параграфов, составляющих три тома "Исследований", шаг за шагом раскрывают сущность электромагнитных явлений. Этот труд вызвал справедливое восхищение современников. Не понимая всей глубины идей Фарадея, они тем не менее называли его "царем физики".

Фарадей пользовался огромной и заслуженной популярностью во многих странах мира. За свою жизнь он получил почти сто различных степеней, почетных дипломов, отличий, был избран в члены 72 ученых обществ в разных странах мира, но до конца своих дней оставался скромным тружеником науки.

Облик Фарадея-человека помогают нам восстановить воспоминания французского академика Дюма. Он пишет: "Фарадей был среднего роста, жив, весел, глаз всегда наготове, движения быстры и уверенны; ловкость в искусстве экспериментирования невероятная. Точен, аккуратен, весь - преданность долгу... Он жил в своей лаборатории, среди своих инструментов: он отправлялся в нее утром и уходил вечером с точностью купца, проводящего день в своей конторе". "Всю свою жизнь,- продолжает далее Дюма,- Фарадей посвятил все новым и новым опытам, находя, в большинстве случаев, что легче заставить говорить природу; чем ее разгадать...".

Фарадей не любил светского общества, но театр привлекал его и приводил в лихорадочное опьянение. Закат солнца в деревне, буря на морском берегу, альпийские туманы возбуждали в нем живейшие ощущения; он понимал их как художник, был взволнован как поэт или анализировал их как ученый. Взгляд, слово, жест - все выдавало в таких случаях тесную связь его души с душой природы.

Любил Фарадей и литературу. Он с удовольствием читал вслух Шекспира и Байрона, вел переписку с Диккенсом, из которой мы узнаем, как высоко ученый ценил его романы.

Таким был Фарадей, проложивший человечеству путь к овладению электроэнергией и магнетизмом, автор знаменитых "Экспериментальных исследований по электричеству".

Майкл Фарадей шел непроторенной дорогой... "Мы никогда не должны забывать,- писал Дж. Тиндаль,- что Фарадей работал на окраине нашего знания и что его ум занят был в области беспредельной тьмы, кольцом окружавшей нашу науку".

Еще не сложилась терминология, нет закона Ома, не существует электротехнических единиц. Более того, почти нет электроизмерительных приборов, нет даже проволоки с изоляцией. Наличие тока в цепи обнаруживают нагреванием тонкой проволоки, искоркой и даже... на вкус.

Поэтому, как остроумно заметил Гельмгольц, немного проволоки, несколько старых кусков дерева и железа дали Фа-радею возможность сделать величайшие открытия. Ни в одном из трех томов не встречаются такие термины, как сила тока, сопротивление, электродвижущая сила...

Порой описание самых изумительных опытов у Фарадея переполнено перечислением количества батарей, их размера, состава жидкости в них, размерами и материалами проводов. Стиль описаний тяжеловат. Трудности понимания усугублялись и тем, что Фарадей совершенно не пользуется математикой. В его "Исследованиях" нет ни одной формулы.

"Понять" Фарадея помог другой ученый - Д. Максвелл.

...Третий том "Экспериментальных исследований" был еще в типографии, когда Д. Максвелл - бакалавр Кембриджа - решил заняться изучением электричества (1854 г.). Начал он с чтения трудов Фарадея.

Вскоре - в 1856 г.- появилась и первая его работа "О фарадеевских силовых линиях", в которой Максвелл пытался "представить фарадеевскую теорию электричества в математической форме". Он писал: "По мере того как я подвигался вперед в изучении Фарадея, я убедился, что его способ понимания явлений также имеет математический характер, хотя он и не предстает нам облеченным в одежду общепринятых математических символов. Я увидел, что эти идеи можно выразить обычными математическими формулами и таким образом сравнить их с идеями профессиональных математиков".

Это был первый шаг молодого ученого в разработке и популяризации творчества Фарадея. Прошли годы, прежде чем Максвелл выпустил основной свой труд "Трактат об электричестве и магнетизме".

Сам же Максвелл в предисловии писал: "Если чем-либо из написанного здесь я окажу любому изучающему содействие в понимании способов мышления и выражений Фарадея, я буду считать, что одна из моих основных целей, а именно передать другим то восхищение, которое я испытывал сам, читая "Исследования" Фарадея, будет выполнена".

Однако значение "Трактата" этим не ограничивается. Максвелл создал стройную теорию электромагнитных явлений, охватывающую всю совокупность известных в то время фактов и предсказывающую новые открытия. Основные положения этой теории вскрывают взаимосвязь электрических зарядов с электрическими и магнитными полями. Самым поразительным в теории Масквелла было то, что из нее вытекала конечность скорости распространения электрического и магнитного полей. Масквелл предсказал существование электромагнитных волн, он сделал вывод, что световые волны являются электромагнитными по своей природе!

Сочинения М Фарадея

И это учение встречено было с недоверием. Максвелл не дожил до подтверждения своих замечательных открытий. Спустя несколько лет после его смерти Гельмгольц предложил своему ученику Генриху Герцу проверить вывод Максвелла. Герцу удалось с помощью созданной им аппаратуры зарегистрировать предсказанные Максвеллом электромагнитные волны (1888 г.). Опыты Герца сломили, наконец, лед недоверия к теории Фарадея - Максвелла. "Волны Герца" были как бы родоначальниками известных ныне радиоволн, световых волн, рентгеновского и гамма-излучений.

Как уже говорилось, первое издание "Экспериментальных исследований" вышло в Лондоне (1839-1855 гг.). В 1882 г. было осуществлено факсимильное издание. Спустя несколько лет "Исследования" переводятся на немецкий язык полностью в Берлине (1889-1891 гг.) и в Лейпциге - в извлечениях (1896-1903 гг.).

Первое упоминание о Фарадее в русской справочной литературе относится к 1838 г. В это время в Петербурге вышел XIII том "Энциклопедического лексикона", где была напечатана статья О. Сенковского "Гальваническая терминология Фараде (Фарадея)". Биография выдающегося английского ученого издавалась неоднократно. В 1871 г. были переведены воспоминания Джона Тиндаля "Фарадей и его открытия. С прибавлением Г. Гельмгольца". В павленковской серии "Жизнь замечательных людей" вышла книга Л. Абрамова "Фарадей, его жизнь и научная деятельность" (1892 г.).

На русском языке трехтомник Майкла Фарадея "Экспериментальные исследования по электричеству" издан Академией наук СССР в серии "Классики науки".

Что читать

Фарадей М. Экспериментальные исследования по электричеству. В 3-х т. М., 1947-1951.

Фарадей М. Избр. работы по электричеству. М., 1939.

Вавилов С.И. Михаил Фарадей.- В кн.: Вавилов С. И. Собрание сочинений. М., 1956, т. 3.

Максвелл Д. Фарадей.- В кн.: Максвелл Д. Речи и статьи, М.- Л., 1940,

Максвелл Д. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля. М., 1954.

Мак-Дональд К. Фарадей, Максвелл и Кельвин. М., 1967.

Карцев В. Максвелл. М., 1974.

Кудрявцев П. Фарадей. М., 1969.

Шаховская Н., Шик М. Повелитель молний. М.- Л., 1968.