Майкл фарадей краткая биография и его открытия. Физик Фарадей: биография, открытия

Майкл Фарадей краткая биография английского физика-экспериментатора и химика, основоположника учения об электромагнитном поле. Биография поможет написать сообщение о Майкле Фарадее.

Майкл Фарадей краткая биография и его открытия

Родился 22 сентября 1791 года в поселке недалеко от Лондона в семье кузнеца. В семье было пятеро детей, жили они бедно. В 13 лет он вынужден был оставить школу и подрабатывать рассыльным в книжном магазине. А с 14 до 21 — он работал переплетчиком в книжной лавке

Все это время он занимается самообразованием. Любимыми науками Майкла становятся химия и физика. Он обустраивает домашнюю лабораторию, в которой ставит эксперименты, изготавливает электростатические приборы. Тогда же он посещает Городское философское общество, принимает участие в диспутах по физике и астрономии.

В 1812 году произошло незначительное событие, которое стало поворотным в жизни Фарадея. Один из клиентов мастерской отдал молодому переплетчику билеты на лекционные вечера Гемфри Дэви, который выступал в Королевском институте. Несколько раз посетив лекции Дэви, Майкл отправляет ему письмо с просьбой принять его в Королевский институт на работу. Дэви был поражен знаниями молодого человека, но открытых вакансий в институте тогда не было. Майклу пришлось подождать несколько месяцев, а затем он приступил к исполнению обязанностей лаборанта химической лаборатории при институте. Вскоре после этого Дэви, который с женой отправляется в путешествие по Европе, берет с собой и Фарадея. Во время этого путешествия Майкл познакомился с Гей-Люссаком, Ампером, Вольтом и некоторыми другими видными учеными того времени.

В 1815 году, по окончании путешествия, Фарадей начинает очень активно работать, сосредотачиваясь на самостоятельных научных исследованиях. Уже в следующем году в Обществе для самообразования Майкл приступает к чтению курса лекций по химии и физике.

В 1821 году Фарадей создает первую модель электродвигателя. На протяжении последующего десятилетия ученый исследует взаимосвязь магнитных явлений и электричества. В 1824 году Майкла избирают членом Королевского общества.

В 1831 году в результате многолетней работы Фарадей открывает явление электромагнитной индукции. Вскоре ученый выводит основные законы явления. Сегодня все генераторы переменного и постоянного тока работают именно благодаря открытиям Фарадея.

В 1833 году он сформулировал законы электролиза, известные также как «Законы Фарадея». Явления диамагнетизма и парамагнетизма были открыты ученым в 1850-е годы.

Майкл Фарадей умер в августе 1867 года в Лондоне в своем доме за письменным столом.

В этот день умер великий английский физик и химик Майкл Фарадей (Michael Faraday, 1791-1867). Он вошел также и в историю анестезиологии, благодаря описанию аналгетического, эйфорического и снотворного эффекта ингаляции серного эфира, аналогичному действию закиси азота. Сообщение Фарадея об этом было опубликовано в 1818 г. в «Ежекваратальном журнале науки и искусства» («Quarterly Journal of Science and the Arts Miscellanea»).

Майкл Фарадей

Детство и юность Фарадея. Знакомство с Гемфри Дэви.

ФАРАДЕЙ, МАЙКЛ (Michael Faraday, 1791-1867), английский физик и химик. Родился 22 сентября 1791 г. в предместье Лондона в семье кузнеца и горничной. В многочисленных биографиях ученого обычно упоминается, что Фарадей родился в провинциальной деревушке, называвшейся «Ньюингтонские полигоны». Этот взгляд так устоялся и укоренился, что многие биографы просто не замечают, что «Ньюингтонские полигоны» находились как раз в месте расположения известного лондонского вокзала Ватерлоо, практически в самом сердце современного Лондона.
Он рано узнал нужду. В девять лет, когда цены в Лондоне на продукты резко подскочили, каравай хлеба был ему недельной нормой пищи. Образование Майкла Фарадея, по его же собственным словам, «было самым заурядным и включало в себя начальные навыки чтения, письма и арифметики, полученные в обычной дневной школе» . Возможно, он так бы никогда и не стал великим ученым, если бы пошел, например, в ученики кузнеца к своему отцу. Но Фарадею повезло.
С 12 лет Майкл начал работать разносчиком газет, а затем учеником в переплетной мастерской при книжном магазине Жоржа Рибо. Это ремесло и познакомило его с печатным словом и открыло широкий простор для самообразования. Он получил возможность держать в руках тысячи книг, и не только держать, но и читать. Фарадей жадно прочитывал все журналы и книги, которые переплетал.
В переплетной мастерской Фарадей познакомился с книгами, навсегда поразившими его воображение и изменившими его судьбу: «Британской энциклопедией», «Беседами о химии» - сочинением мадам Марсэ (верность всех опытов была собственноручно проверена юным Фарадеем) и «Письмами о разных физических и философских материях, писанных к некоторой немецкой принцессе» русского академика Леонарда Эйлера, возникшими в большей мере под впечатлением долгой и плодотворной переписки автора с Ломоносовым. Последняя книга оставила особенно глубокий след: Эйлер, как и Ломоносов, считал, что все явления в своей основе едины и взаимосвязанны. Мы увидим потом, как подобная точка зрения помогла Фарадею сделать свои великие открытия.
Нельзя не удивляться тому, как усердно заучивал он сведения, добываемые из чтения журналов по химии, когда сама терминология должна была ставить его довольно часто в тупик.
Фарадей тратил много денег на постановку опытов, описывавшихся в «Энциклопедии». Чувство глубокой симпатии вызывает место из его письма к приятелю: «Первая построенная мною батарея состояла из несметного числа пар пластин!!! из семи пар. Каждая пластина - непомерной величины!!! с полупенсовик. Я, милостивый государь, сам, собственноручно, вырезал эти пластины...»
Но книги были не самым главным сокровищем лавки месье Рибо, беглого француза. Лавку посещало большое число образованных людей того времени, а завсегдатаи, естественно, не могли не приметить в лавке молодого (тем временем Фарадею уже исполнилось 19 лет) переплетчика, жадно любившего книги.
В 1813 г. некий мистер Денс (Dance), член Королевского института в Лондоне, принес ему для переплета стопку журналов по химии. Увлекшись их чтением, Фарадей просрочил выполнение переплетов и вызвал неудовольствие заказчика. Зато, когда Денс узнал причину опоздания и увидел, до какой степени серьезно этот переплетчик изучает химические журналы, он расстрогался и предложил ему взять в подарок одну из книг по собственному выбору. Фарадей выбрал книгу Гемфри Дэви (Humphry Davy, 1778-1829). Тогда Денс пригласил Фарадея послушать одну из ближайших публичных лекций своего друга Дэви, что окончательно вскружило голову юноше и предопределило всю его дальнейшую блестящую научную карьеру.
Под влиянием лекций Дэви Майкл решил навсегда связать свою жизнь с наукой. Сначала он написал наивное письмо о своем решении и желании самому президенту Лондонского Королевского общества сэру Джозефу Бэнксу (Joseph Banks). Письмо, само собой разумеется, осталось без ответа. Вот что писал по этому поводу сам Фарадей: «Когда я был подмастерьем, мне посчастливилось прослушать четыре последние лекции сэра Г. Дэви... Я сделал краткие записи этих лекций, а затем переписал их целиком, снабдив такими рисунками, какие сумел сделать. Желание заниматься научной работой, хотя бы и самой примитивной, побудило меня, новичка, не знакомого со светскими правилами, написать по душевной простоте сэру Джозефу Бэнксу, в то время президенту Лондонского Королевского общества. Вполне естественно было затем узнать у привратника, что моя просьба оставлена без ответа» .
Однако через несколько месяцев по совету Дэнса Фарадей повторяет тот же эксперимент с письмом, но на сей раз отправляет его лично сэру Гемфри Дэви, который и сам вышел из средних слоев английского общества. Майкл приложил к письму конспект лекций Дэви, разумеется, отлично переплетенный. Ответ пришел уже через 5 дней в большом конверте с пометкой золотыми буквами: «Королевский институт Великобритании».
Фарадей написал об этом в своих воспоминаниях: «Воодушевляемый мистером Дэнсом (который был членом Королевского института и достал мне билеты на лекции Дэви), я написал сэру Гемфри Дэви, послав в качестве доказательства серьезности моих намерений сделанные мною записи его последних четырех лекций. Ответ пришел немедленно, доброжелательный и благоприятный» .
Ответ был вежливым, но, в общем, скорее отрицательным - возможности принять Фарадея на работу не было - не было вакансии. Но Фарадею снова повезло, на этот раз за счет бедного сэра Гемфри. Во время одного из опытов в лаборатории произошел взрыв и осколки разорвавшейся колбы попали Дэви в глаза; в результате сэр Гемфри не мог ни читать, ни писать, потому-то сэр Гемфри, вспомнив про старательного переплетчика, решил взять его к себе до выздоровления секретарем, а заодно и поближе познакомиться с ним.

Гемфри Дэви (Humphry Davy, 1778-1829)
Портрет работы Джеймса Лонсдэйла.

«Везение» Фарадея продолжалось всего несколько дней - глаза Дэви постепенно зажили, и Дэви с сожалением расстался с понравившимся ему своими глубокими знаниями и старательностью юношей. Расстался всего на несколько недель - в лаборатории Дэви освободилась должность лаборанта. Протокол Королевского института от 1 марта 1813 г. сухо сообщает: «Сэр Гемфри Дэви имеет честь информировать директоров, что нашел человека, которого желательно назначить на должность... Его имя - Майкл Фарадей... Его данные кажутся хорошими, его характер активный и бодрый, а образ действий разумный. Решено: Майкл Фарадей займет место, ранее занимавшееся мистером Пейном, на тех же условиях» .
И вот, что пишет об этом Фарадей: «Когда я был еще журнальным переплетчиком, я уже интересовался химией и имел отвращение к торговым делам. Случилось, что мистер Денс, член Royal Institution, взял меня, чтобы послушать одну из лекций Гемфри Дэви. Мое желание уйти из торговли, которую я считал делом порочным и эгоистичным и стремление пойти на службу науки, которая, как мне казалось, двигается прямо и свободно, толкнули меня сделать смелый и простой шаг, - написать сэру Гемфри Дэви и просить его, не сможет ли он помочь осуществить мою идею. Когда при личном свидании он согласился на мою просьбу и взял меня работать в его лаборатории, он нашел нужным заметить, что наука - ревнивая любовница, которая приносит мало денежного благополучия тому, кто собирается жить с ней».

Совместное путешествие с Гемфри Дэви по Европе.

Гемфри Дэви только что женился и собирался в свадебное путешествие на континент. А так как, увлеченный научными исследованиями, он даже при таких обстоятельствах не хотел прерывать своих опытов, то ему пришло в голову захватить с собой портативную химическую лабораторию. Фарадей, который был на тринадцать лет моложе своего хозяина, должен был сопровождать его в качестве лакея, служителя для мытья химической посуды и секретаря. Он с радостью согласился, и осенью 1813 г. они уехали в Европу почти на два года.
Это путешествие сыграло огромную роль в становлении Фарадея как ученого. Фарадей вместе с сэром Гемфри и его молодой женой побывал во Франции, Италии, Германии, Бельгии, познакомился со многими выдающимися учеными Европы. «Это утро - начало новой эпохи в моей жизни. До сих пор, насколько мне помнится, я не отъезжал от Лондона на расстояние больше двенадцати миль» - вспоминал он о начале этого путешествия. В Париже они встречались с Ампером, Гей-Люссаком, Гумбольдтом. На глазах Фарадея Дэви сделал в Париже одно из своих блестящих открытий - он признал в неизвестном веществе, переданном ему Ампером, новый химический элемент - йод.
Химик Дюма писал, что «Фарадей оставил о себе самые приятные, никогда не увядающие воспоминания, которых не мог бы вызвать его шеф. Мы восхищались Дэви, но мы любили Фарадея» . В Генуе Фарадей помогал Дэви проводить опыты с электрическим скатом. Задача опытов - выяснить, не вызывает ли электрический разряд ската разложения воды.
Во Флоренции они провели сжигание алмаза в атмосфере кислорода и окончательное доказательство единой природы алмаза и графита. При этом Деэи воспользовался уникальной по величине линзой, принадлежавшей великому герцогу Тосканскому. С ее помощью Дэви вместе с Фарадеем направили лучи солнца на алмаз, лежащий в платиновой чашечке под стеклянным колпаком, заполненным кислородом. Фарадей вспоминал: «Сегодня мы выполнили великий эксперимент, заставив гореть алмаз, и, несомненно, то, что мы наблюдали, было исключительно интересным и красивым... Сэр Г. Дэви заметил внезапно, что алмаз явно горит. Когда алмаз убрали из фокуса линзы, он продолжал быстро сгорать. Сверкающий алмаз светился багровым светом, переходящим в пурпурный, и, помещенный в темноту, горел еще около четырех минут» .
В академии Чименто Фарадей и Дэви с восхищением осматривают уникальные экспонаты - бумажный телескоп самого Галилея и магнитный камень, поднимающий 150 фунтов.
В Риме они наблюдали, но без особого доверия, за опытами Моричини, пытающегося намагнитить стальные иголки с помощью солнечных лучей и считающего, что это ему блестяще удается.
В Милане - следующая запись: «Пятница 17 июня 1814 г. Милан. Видел Вольта, который пришел к сэру Г. Дэви: он бодрый старик, на груди - красная ленточка, очень легок в разговоре».
В Женеве - знакомство с членом правительства республики, врачом и физиком Шарлем де-ля Ривом и его сыном Огюстом, которому было в то время всего 13 лет (через шесть лет Огюст, девятнадцатилетний профессор, покажет Араго, Марсе, Пикте и другим известным лицам опыты Эрстеда, что повлечет за собой цепь великих событий).
Во время путешествия Фарадей начал довольно бегло говорить по-французски и по-немецки. И наконец, самое главное последствие общения Фарадея и Дэви -трудно себе представить более великолепную школу для Фарадея, глубоко преданного науке, но все же пока еще дилетанта. Очень скоро оказалось, что этот юноша-переплетчик, которого Дэви брал для услуг и в качестве служителя лаборатории, проявил такие яркие самостоятельные исследовательские способности и такую научную инициативу, что временами создавались довольно неприятные коллизии. Дэви умел, по-видимому, сдерживать свои дурные чувства и зарождавшуюся подозрительность по отношению к своему служителю и ассистенту. Кроме того, «растирание красок для великого художника» является, пожалуй, обязательной и лучшей школой для ученого, тем более что для Фарадея это «растирание красок» вылилось в совместные исследования со всемирно известным ученым и знакомство с наиболее заметными проблемами и людьми науки того времени. Фарадей писал в одном из своих писем из-за границы: «Я мог бы высказать тысячу жалоб, но, размышляя обо всем трезво и объективно, я думаю, что мне вообще нет никакой нужды жаловаться на кого бы то ни было» .
В связи с этим несколько удивляют сетования некоторых биографов Фарадея, подчеркивающих «несчастную судьбу» Майкла Фарадея, отправившегося «не по своей воле» в Европу в унизительном положении «слуги» сэра Гемфри, особо упирая на то, что Фарадей, мол, жестоко страдал, мучимый своенравной супругой Дэви. Действительно, жена Дэви, в отличие от своего супруга, явно не умела побороть в себе все возраставшую неприязнь к любознательности и научным успехам молодого лабораторного служителя. Она устраивала мужу сцены и отказывалась от визитов к европейским ученым, когда вместе с ними бывал приглашен к обеду и Фарадей, как это случилось в Женеве у физика де-ля Рив. Но тут надо твердо оговорить, что в конфликтах между Фарадеем и леди Джейн не последняя в них обычно одерживала верх. «...Леди Джейн... любит показать свою власть, и я с самого начала обнаружил с ее стороны серьезные намерения подавить меня. Случайные ссоры между нами, в каждой из которых я оказывался победителем, происходили так часто, что я перестал обращать на них внимание. Ее авторитет ослабевал, и после каждой ссоры она вела себя мягче» , - писал впоследствии Фарадей.
Хотя леди Джейн удалось в конечном счете добиться своего. Настороженность Дэви по отношению к помощнику усилилась, когда при личном знакомстве Фарадею оказывали открытые признаки внимания такие ученые, как Ампер, Шеврель и Гей-Люссак, заметившие необыкновенные исследовательские способности молодого лаборанта.
Надо сказать, что в блестящей карьере и яркой биографии Гемфри Дэви оказалось все же темное пятно. Это его дальнейшее неприязненное отношение к Фарадею, о чем мы расскажем несколько позже.

Начало научной карьеры Фарадея. Открытие наркотизирующих свойств серного эфира.

Майкл Фарадей в начале своей научной карьеры.
Портрет работы Чарльза Тёрнера (Charles Turner, 1773-1857).

Майкл Фарадей вернулся из путешествия зрелым, самостоятельно мыслящим ученым. По возращении в Англию Фарадей приступил к обширным и чрезвычайно плодотворным исследованиям в лаборатории Королевского института сначала в области химии, а затем и по электричеству. Как-то из Флоренции пришла посылка с образцами тосканского известняка - герцогиня, во время поездки познакомившаяся с Дэви, просила сделать анализ минерала, видимо, на предмет оценки принадлежащих ей природных богатств. Дэви, занятый в то время отработкой конструкции знаменитой безопасной шахтерской лампы, предложил выполнить достаточно тривиальную работу Фарадею. Тот скоро окончил анализы, передал результаты Дэви и был несказанно удивлен, когда последний отдал материал в научный журнал в качестве оригинальной статьи, первой научной статьи Майкла Фарадея - «О химическом анализе едкой тосканской извести» (1816).
Уже в первой статье четко прослеживаются основные черты Фарадея-исследователя: глубина, редкое упорство в достижении цели, исчерпывающая полнота, спокойствие, свойственное лишь великим умам. Следует упомянуть об убежденности Фарадея во всеобщей связи явлений - убежденности, разделявшейся тогда далеко не всеми. Восхищает любовь Фарадея к порядку и полной определенности - он не признавал непроверенных фактов, а манера точно составлять отчеты неоднократно приводила в восторг директоров института.
До 1821 г. Фарадей опубликовал около 40 научных работ по химии. Для нас, анестезиологов, конечно же, в первую очередь огромный интерес представляет его статья, посвященная свойствам серного эфира. Во время работы над изучением свойств сгущенных газов и паров жидкостей Фарадей установил с н о т в о р н о е действие паров эфира. Это было в 1818 г. и Фарадей напечатал об этом в «Ежекваратальном журнале науки и искусства» («Quarterly Journal of Science and the Arts Miscellanea»). Вот этот текст:

«V. Эффекты ингаляции паров серного эфира.

Когда пары эфира, смешанные с обыкновенным воздухом, подвергаются ингаляции, они производят эффект, весьма схожий с тем, который производится закисью азота. Для того, чтобы убедиться в этом действии, надо провести трубку в верхнюю часть бутылки, содержащей эфир, и дышать через нее. Стимулирующий эффект отмечается прежде всего с надгортанника, но вскоре он весьма сильно снижается. Вслед за этим обычно ощущается чувство наполнения в голове и последовательные эффекты, сходные с теми, кои производятся закисью азота.
Опуская трубку глубже внутрь бутылки, можно вдыхать больше эфира при каждой инспирации, эффект наступает более быстро, а ощущения получаются более отчетливыми в их сходстве с теми, которые бывают при газе.
Испытывая эффекты эфирных паров на лицах, которые особенно поддаются закиси азота, было обнаружено неожиданное тождество производимых ощущений. Одно лицо, которое уже испытало душевную депрессию при ингаляции газа, получило ощущения сходного рода при ингаляции паров (эфира).
Необходимо применять осторожность, производя эксперименты этого рода. Путем неразумной инспирации эфира некий джентльмен был повержен в совершенно летаргическое состояние, которое продолжалось с некоторыми периодами интермиссии более 30 часов при большом угнетении духа. В течение нескольких дней пульс был так замедлен, что создались значительные опасения за его жизнь».

Итак, наркотическое действие паров эфира, аналогичное закиси азота, было установлено и четко записано Майклом Фарадеем ещё в 1818 г. Но подобно тому, как в свое время записи его учителя Гемфри Дэви об обезболивающем действии закиси азота остались никем практически не использованными, так и теперь наблюдениям Майкла Фарадея суждено было кануть в Лету. Только через сорок лет за океаном другие люди, ничего не зная ни о Дэви, ни о Фарадее, испробовали и закись азота, и серный эфир целеустремленно, с прямой задачей хирургического обезболивания.
Можно бы задуматься, почему, отметив совершенно ясное сходство снотворного и обезболивающего действия закиси азота и эфира, оба молодых ученых совместно и при взаимной поддержке не довели дела до заметных практических результатов. Может быть потому, что к 1818 г. Дэви давно уже покончил со своими увлечениями «пневматической медициной» и был поглощен совсем иными проблемами, которые сулили ему гораздо более реальные успехи.

Достижения Майкла Фарадея в химии.

В настоящее время Майкл Фарадей известен прежде всего как выдающийся физик. К числу его фундаментальных достижений в этой области относятся открытие явлений электромагнитной индукции (1831), диамагнетизма (1845), парамагнетизма (1847), вращения плоскости поляризации света в магнитном поле (1845). Менее известны, хотя исключительно велики заслуги Фарадея в области химии, тем более, что ранняя слава пришла к Фарадею именно как к химику.

Майкл Фарадей в химической лаборатории Королевского института.
Рисунок Гэрриета Мура (Harriet Moore).

В 1815-1818 гг. он занимался химическим анализом известняка; с целью улучшения качества стали исследовал сплавы железа; изучал влияние различных добавок на качество стали. В 1821 г. он получил ряд хлорпроизводных углеводородов, в том числе гексахлорэтан C 2 Cl 6 . В 1824 г. Фарадей впервые получил в жидком состоянии хлор, затем сероводород, диоксид углерода, аммиак и диоксид азота, указав при этом общий метод сжижения газов. Он получил также в жидком виде также арсин, фосфин, бромоводород и иодоводород, этилен.

Майкл Фарадей демонстрирует своему другу
опыт по получению жидкого хлора.

В 1825 г. он заменил тяжело больного Гемфри Дэви в руководстве химической лабораторией института. В этом же году он открыл изобутилен и бензол, изучив его физические и некоторые химические свойства.

Одна из первых проб бензола, полученного Фарадеем.
Экспонат музея Фарадея, открытого в Королевском институте в 1973 г.
с высочайшего повеления Её Величества Королевы Англии.

Фарадей был одним из пионеров исследования каталитических реакций. В 1825 г. он пытался синтезировать аммиак из азота и водорода действием едкого калия в присутствии металлов. Он рассматривал адсорбцию на поверхности твердых катализаторов как чисто физическое явление. В 1826 г. он получил альфа- и бета-сульфокислоты нафталина и приготовил 15 их солей, а также положил начало исследованиям натурального каучука.
В 1828 г. впервые получил этилсерную кислоту взаимодействием этилена и
серной кислоты и показал возможность фотохимического хлорирования этилена за 15 лет до осуществленного Ж. Дюма открытия реакции металепсии.
В 1824-1830 гг. проводил работы по улучшению качества оптического стекла и предложил тяжелое свинцовое стекло, с помощью которого впоследствии, в 1845г., открыл явление магнитного вращения плоскости поляризации (эффект Фарадея).

Стекло, полученное М.Фарадеем.

В 1833-1834 гг. он установил количественные законы электролиза (законы Фарадея) и ввел термины «электролиз», «электрод», «катод», «анод», «катион», «анион», «ион», «электролит», «электрохимический эквивалент». В 1833 г. он стал Фуллеровским профессором химии Королевского института и занимал эту должность, созданную специально для него до 1862 г.

Прибор, изготовленный Фарадеем для проведения опытов по электролизу.
Экспонат музея Фарадея в Королевском институте.

Коллоидный раствор золота.
Экспонат музея Фарадея в Королевском институте .

Первые шаги Майкла Фарадея в изучении электромагнетизма.

Начав свою научную деятельность как химик, Майкл Фарадей постепенно обратил свои интересы на физику, а именно, на проблемы электромагнетизма. Перемена в тематике его занятий случилась в августе 1820 г. - в это время по Европе рассылался Эрстедом (Hans Christian Orsted) его знаменитый труд «О воздействии электрического конфликта на магнитную стрелку».
В августе Дэви получил по почте только что напечатанную в Англии работу Эрстеда. Дэви и Фарадей немедленно повторили эксперимент Эрстеда и с восхищением убедились, что Эрстед прав - протекание тока в проводе неизбежно вызывает отклонение размещенной поблизости магнитной стрелки.
И знаменитый Дэви, и еще неопытный Фарадей с внезапной ясностью ощутили, как и все, видевшие опыт, что рушится стена между двумя дотоле никак, казалось, не связанными друг с другом силами природы - электричеством и магнетизмом. Стена начала рушиться, и обнаружились неведомые связи, повеяло свежим воздухом новых открытий.

Фарадей демонстрирует опыт с прототипом электродвигателя.

Был август. Потрясенный Араго уже интенсивно работает, развивая опыты Эрстеда, показанные ему молодым де-ля Ривом; он замечает, что не только стрелки компаса, но и железные опилки легко «чувствуют» наличие электрического тока - они облепляют проволочку с током; при выключении тока опилки опадают черными хлопьями...
Был август. Только в сентябре об опытах Эрстеда узнает Ампер (Andre-Marie Ampere), которому суждено первому понять и истолковать их. Ампер, «этот докучливый умник Ампер», опередил всех, развив свою стройную теорию образования магнетизма за счет электричества и потратив всего две недели (плюс, разумеется, всю предыдущую жизнь).
Фарадею и Дэви это не удалось. Все произошло слишком быстро. В августе они узнали об опытах Эрстеда, а уже в сентябре Ампер предложил стройную теорию, объясняющую непонятные опыты.
Нельзя сказать, что Дэви и Фарадей были в восторге от теории Ампера. Но разрушить изящное здание было трудно: с какой бы стороны к нему ни подобраться, оно оказывалось безупречным. Шли месяцы, а Дэви и Фарадей не могли предложить ничего, что могло бы заменить теорию Ампера.
Кончилась осень, прошла зима, наступила весна 1821 года. Дэви постепенно отдалялся от задач, связанных с электричеством, Фарадей был упорен, но тоже никаких опровержений теории Ампера не находил.
Прошла весна, наступило лето, коллеги Фарадей разъехались кто куда. Дэви, как и его друг Волластон, известный химик и физик (он открыл палладий и родий, а также линии, которые впоследствии несправедливо назовут фраунгоферовыми, а не волластоновыми), уехал на курорт, а Фарадей остался в душном Лондоне и упорно работал над новыми проблемами связи электричества и магнетизма.
В то время произошло важное для Фарадея и его открытий событие. Редактор научного журнала «Философские анналы» доктор Филиппс предложил Фарадею написать обзорный очерк истории электромагнетизма. Предложение было весьма почетным, но в какой-то мере, по-видимому, объяснялось и тем, что Дэви и Волластона в Лондоне в то время не было.
Фарадей с жаром принялся за дело. Будучи, как уже говорилось, человеком пунктуальным, привыкшим все делать с исчерпывающей полнотой, привыкшим проверять всех и вся - «люди склонны ошибаться», - он решает лично проделать все опыты, которые привели к пониманию электромагнетизма. Он стал возвращаться домой еще на два часа позже, чтобы суметь выполнить многочисленные эксперименты. Под занавес (хочется говорить театральным языком: история возвышения Фарадея пока еще напоминает жизнеописания великих актеров и актрис, завоевавших сцену после того, как их случайно выпускали на публику из-за болезни «кумира» или другой неожиданности) Фарадей решил осуществить опыт, о котором как-то месяца 2 назад говорили в его присутствии Дэви и Волластон. Идея опыта была, по-видимому, ими еще недостаточно отработана - речь шла о том, что проволока, через которую пропущен ток, как будто должна под действием магнита вращаться вокруг своей оси.
В самом указании на возможность электромагнитного вращения нового ничего не было - о нем говорил еще Ампер. Но идея эксперимента была новой.
Установка состояла из серебряной чаши с ртутью, посреди которой ставился на торец брусковый магнит. В ртути плавала пробка, проткнутая медной проволокой; другой конец проволоки шарнирно укреплялся над магнитом и подсоединялся к полюсу вольтова столба. Другой полюс столба подсоединялся непосредственно к серебряному сосуду.
Таким образом образовалась электрическая цепь:

• «плюс» вольтова столба;
• серебряная чаша;
• ртуть;
• проволочка;
• «минус» вольтова столба;
• «вольтов столб»;
• «плюс» вольтова столба.

Когда цепь замыкалась и по ней тек электрический ток, появилась возможность изучить взаимодействие тока с магнитным полем брускового магнита. Поскольку проволочка могла легко передвигаться, можно было надеяться, что те «магнитные» силы, которые отклоняют магнитную стрелку в опытах Эрстеда, заставят вращаться и проволочку.
Действительно, при включении тока проволочка начала быстро вращаться вокруг магнита. Поменяв «плюс» с «минусом» или переставив магнитик «с ног на голову» (выставив из ртути наружу, скажем, северный полюс вместо южного), можно было добиться, чтоб направление вращения изменялось.
Таким образом, Фарадей создал первый в мире электродвигатель. Думаем ли мы теперь, глядя на впечатляющие махины гидрогенераторов, электродвигателей судов и электровозов, что они с их исполинской мощью суть порождения несложного прибора Фарадея, в котором впервые в мире взаимодействие поля и тока дало вращение легчайшей проволочке!
Итак, очерк по истории электромагнетизма, заказанный Фарадею, определенно «вытанцовывался» да еще столь эффектным образом! Впрочем, была одна заминка: как быть с тем, что Фарадей идею опыта фактически заимствовал из разговора, при котором случайно присутствовал (хотя, как выяснилось впоследствии, Фарадей понял основную роль опыта неправильно!).
Лучше всего было бы показать статью Дэви, но того не было в Лондоне, Волластон тоже уехал к морю, а редактор срочно требовал статью. И Фарадей сдал статью в номер.
Когда Дэви и Волластон вернулись из отпуска, их ожидал уже номер журнала со статьей Фарадея, где ни словом не упоминалось о Волластоне или Дэви... Статья была подписана одной буквой «М», а дополнения с описанием электромагнитного вращения - полным именем Фарадея.
По Королевскому институту поползли слухи...
Под, угрозу стал не только приоритет Фарадея в осуществлении электромагнитного вращения, но и вся его научная карьера - что может быть страшнее для ученого, чем обвинение в научной недобросовестности!
Фарадей решает поговорить с Волластоном начистоту. Он пишет ему обстоятельное и откровенное послание и через некоторое время получает ответ: «Сэр! Мне кажется, что Вы находитесь в заблуждении, преувеличивая силу моих чувств по поводу тех обстоятельств, о которых Вы пишете. Что касается мнения, которое другие лица могут иметь о Ваших поступках, то это дело целиком Ваше и меня не касается, но если Вы считаете, что не заслужили упрека в недобросовестном пользовании чужими мыслями, то Вам, как мне кажется, не следует придавать большого значения всему этому происшествию.
Однако, если Вы тем не менее не отказались от желания иметь беседу со мной и если Вам удобно зайти ко мне завтра утром, между десятью и 10,5 часами, то можете быть уверены, что застанете меня дома.
Ваш покорный слуга У.Х. Волластон».
Встреча состоялась, причем, по-видимому, Волластон принял во внимание обстоятельства, из-за которых его имя не было упомянуто в статье, и с высоты своих научных заслуг решил отказаться от каких-либо претензий к Фарадею, молодому, симпатичному ему ученому, не числящему еще за собой каких-либо серьезных научных заслуг. По-видимому, он так и не понял до конца революционности опыта, считая прибор Фарадея малозначащей игрушкой. А это был первый электродвигатель! Знай это Волластон, он, вероятно, не отказался бы от претензий так легко.
Так или иначе, после встречи отношение Волластона к Фарадею стало очень сердечным - он не упускал случая заглянуть в лабораторию молодого исследователя, замолвить о нем доброе слово.

Конфликт с Гемфри Дэви. Семейная жизнь Фарадея.

Хотя Фарадею удалось наладить взаимоотношения с Волластоном, то, к сожалению, того же нельзя было сказать об взаимоотношениях с Гемфри Дэви. Учитель относился к Фарадею все прохладнее и прохладнее. Он испытывал к бывшему ученику сложные чувства: и бесспорное восхищение способностями Фарадея, и ревность по отношению к более удачливому коллеге, и гордость за него, и обиду за отрицательный отзыв, написанный на одно из изобретений Дэви Фарадеем. Не разобрался Дэви как следует и в случае с открытием электромагнитного вращения.
Как это ни странно, но Дэви были явно неприятны крупные научные успехи его прежнего служителя. Чего ему не хватало? Богатство жены позволяло Дэви жить очень широко, путешествовать. Научная слава его была огромной и он был удостоен высшей чести, возможной в Англии - кресла президента Лондонского Королевского научного общества. Но когда Фарадей, ставший во главе тех лабораторий, в которых он работал простым служителем у Дэви, начал осуществлять одно за другим свои замечательные открытия, то Дэви дважды бросал тень на них и ставил под сомнение приоритет Фарадея как в идее сгущения газов, так и в самостоятельном открытии электромагнитной индукции.
Положение осложнилось тем, что Дэви был президентом Лондонского Королевского научного общества. Когда ввиду больших научных заслуг Майкла Фарадея встал вопрос об избрании его в Королевское общество (честь, эквивалентная нашему избранию в академики), Дэви не поддержал предложение (кстати сказать, первым подписал предложение Волластон). Потребовалось вмешательство друзей и доброжелателей Фарадея, чтобы сломить сопротивление Дэви и выставить кандидатуру Фарадея на голосование. Протокол общества от 1 мая 1823 г. сохраняет для нас заявление тех, кто предложил его кандидатуру:
«Сэр Майкл Фарадей, превосходно знающий основы химии, автор многих сочинений, опубликованных в трудах Королевского общества, изъявляет желание вступить в число членов этого общества, и мы, нижеподписавшиеся, рекомендуем лично нам известного Фарадея как лицо, безусловно, достойное этой чести, и полагаем, что он г будет для нас полезным и ценным членом».
Избрание Фарадея состоялось в 1824 году, через 11 лет после назначения его лаборантом. После голосования в урне оказался лишь один «черный шар». Многие исследователи полагают, что его бросил Дэви. Трудно через полтора столетия судить об этом с полной определенностью.
Звезда самого Дэви в те дни начала меркнуть. Уже несколько лет он не публиковал научных статей, в 1826 г. он в последний раз провел эксперимент в лаборатории Королевского института. Можно предположить, что он ушел на покой, устав от жизни в науке. Видимо, его созидательный гений уже иссяк, он тяжело осознавал это и удалился... Ему было всего лишь 48 лет. 50 лет он, тяжело переживая свой творческий кризис, поехал развеяться за границу, где вскоре скончался.
Он сделал много великих открытий, но, по его собственному признанию, самым великим его открытием было то, что он открыл Фарадея.
А ведь о самых великих открытиях своего ученика, Майкла Фарадея, Дэви узнать не успел - они еще впереди.
Непрятности, связанные с натянутыми отношениями с Дэви, сглаживались благополучной семейной жизнью Фарадея. В 1821 г. он женился на 21-летней Саре Бернар (Sarah Barnard). Свадьба Фарадея и дочки серебрянщика была более чем скромной - даже ближайшие друзья с удивлением узнали, что их не пригласили. Это стало началом прекрасной и неизменной преданности, дружбы и любви Сары и Майкла, любви, которую Майкл ценил выше, чем свои научные успехи. Брак был необыкновенно счастливым, хотя и бездетным.

Фарадей и Сара Бернар рождественским утром 1821 г.
Иллюстрация из книги «Электричество в повседневной жизни»
(«Electricity in Daily Life», C.F. Brackett et al., 1890).

Майкл Фарадей с женой Сарой Бернар.
Дагерротип.

Электромагнитная эпопея Майкла Фарадея.

Майкл Фарадей в 1831 г.
Художник William Brockedon (1787-1854). Рисунок углем.
Национальная портретная галерея, Лондон.

Одержимый идеями о неразрывной связи и взаимовлиянии сил природы, Фарадей безуспешно пытался каким-то образом показать, что раз уж с помощью электричества Ампер мог создавать магниты, точно так же с помощью магнитов можно создавать электричество. Логика его была проста: механическая работа легко переходит в тепло; наоборот, тепло можно преобразовать в механическую работу, например, в паровой машине. Вообще, среди сил природы чаще всего случается следующее соотношение: если А рождает В , то и В рождает А .
Если с помощью электричества получают магнетизм, то, по-видимому, возможно «получить электричество из обычного магнетизма» . Такую же задачу поставили перед собой Араго и Ампер в Париже, но они вскоре решили, что задача безнадежна.
Фарадей ставит множество опытов, ведет педантичные записи. Каждому небольшому исследованию он посвящает параграф в лабораторных записях (изданы в Лондоне полностью в 1931 г. под названием «Дневник Фарадея» ).
В записках Фарадея была найдена «шкала научных заслуг», включающая четыре ступени:

Открытие нового факта.
Сведение его к известным принципам.
Открытие факта, несводимого к известным принципам.
Сведение всех фактов к еще более общим принципам.

В соответствии с этой шкалой открытия самого Фарадея - высшая ступень. Открытие Герцем электромагнитных волн - это вторая ступень, открытие радиоактивности Беккерелем - третья ступень. Заслуга Эйнштейна - четвертая, высшая ступень.
О работоспособности Фарадея говорит хотя бы тот факт, что последний параграф «Дневника» помечен номером 16041. Блестящее мастерство Фарадея-экспериментатора и его одержимость дали результат - через 11 лет после Эрстеда, 17 октября 1831 г., он, быстро вдвигая железный сердечник в катушку, убедился в том, что в какой-то момент в цепи катушки возникает ток. Будь прибор Фарадея не на виду у него или у его ассистента в тот самый момент, когда он вставлял сердечник, неизвестно, сколько времени ему пришлось бы биться над своей задачей.

Электромагнитная индукционная катушка Фарадея.
Экспонат музея Фарадея в Королевском институте.

Интересно, что до Фарадея абсолютно такие же опыты проводил Ампер. Чтобы избежать ошибок, связанных с сотрясением приборов, и Фарадей, и Ампер поместили измерительный прибор в отдельную комнату. Разница, казалось бы, была очень небольшой: Ампер сначала вдвигал сердечник, а потом следовал в соседнюю комнату посмотреть, не появился ли ток. Пока Ампер шел из комнаты в комнату, ток, который возникает лишь во время вдвигания, то есть во время изменения магнитного поля во времени, уже успокаивался, и Ампер, придя в соседнюю комнату, убеждался в том, что «никакого эффекта нет». Фарадей же работал с ассистентом.
Об ассистенте следует, быть может, рассказать поподробнее. Артиллерийский сержант Андерсен был помощником Фарадея в течение 40 лет: «Он помогал мне при всех опытах, и я ему много обязан и благодарен за его заботливость, невозмутимость, пунктуальность и добросовестность» . Гельмгольц отмечал впоследствии, что Андерсен отличался интересной чертой - он серьезно считал, что сам выдумывает и исполняет фарадеевские опыты, оставляя на долю того «пустые разговоры».
Когда Фарадей вдвигал в катушку сердечник, Андерсен заметил отклонение стрелки прибора...
Можно снова и снова повторять за Гельмгольцем: «И от этих случайных обстоятельств зависело великое открытие!»
Через несколько дней после открытия электромагнитной индукции Фарадей набрасывает пером на бумаге и строит первый в мире электрогенератор. Очень интересно, что Фарадей изобрел униполярный генератор, то есть наиболее сложный по принципу действия из всех генераторов, известных сегодня. Еще интереснее, что точно такой же по принципу действия генератор Фарадей мог получить 9 лет назад. Стоило ему самому начать крутить вокруг магнита проволочку своего первого двигателя, а не ждать, пока она закрутится при пропускании тока, и он имел бы электрогенератор! Ведь сейчас каждому школьнику известно, что электродвигатель и электрогенератор обратимы! Но Фарадей не догадался покрутить проволочку вокруг магнитика...
«И от этой мелочи...» и так далее, по Гельмгольцу.

Первый электрогенератор Фарадея.
Экспонат музея Фарадея в Королевском институте.

Итак, Фарадей с интервалом в 9 лет сделал два величайших открытия, которые, можно сказать с уверенностью, произвели революцию в жизни человечества, - он изобрел электродвигатель и электрогенератор.
Интересно теперь более подробно проследить, как пришел Фарадей к своему открытию. Кроме интуитивной убежденности во всеобщей связи явлений, его, собственно, в поисках «электричества из магнетизма» ничто не поддерживало. К тому же он, как и его учитель Дэви, больше полагался на свои опыты, чем на мысленные построения. Дэви учил его:
«Хороший эксперимент имеет большие ценности, чем глубокомыслие такого гения, как Ньютон».
Все лабораторные записи Фарадея, сделанные на протяжении многих десятилетий и собранные в восьмитомном «Дневнике», не содержат ни одной математической формулы, ни одного логического построения, не подтвержденного опытом.
К тому же Фарадей не знал математики, и изящные построения блестящих математиков Ампера, Био, Савара и Лапласа были ему попросту непонятны.
И тем не менее именно Фарадею суждены были великие открытия. Дело в том, что Фарадей порой стихийно рвал путы эмпирики, некогда навязанные ему Дэви, и в такие минуты его осеняло великое прозрение - он приобретал способность к глубочайшим обобщениям.
Сейчас даже из соображений симметрии ясно, что если электрический ток (то есть движущийся электрический заряд) создает магнитное поле, то электрическое поле должно создаваться при движении магнита или магнитного поля. Для того чтобы прийти к этому выводу, Фарадею потребовалось 11 лет. За многие годы Фарадей перебрал множество комбинаций проводников, спиралей, сердечников и магнитов. Говорят, он в течение всего этого времени таскал в кармане магнит и кусок проволоки, чтобы в любое время исследовать, что произойдет при новом их взаимном расположении.
Нельзя сказать, чтобы искал он совсем уж вслепую. Фарадей опирался на аналогию с электростатической индукцией. Если к телу поднести заряд, то поверхность тела, близкая к заряду, тоже зарядится, но только электричеством другого знака. А Фарадей искал индукцию электрического тока (движущихся зарядов), полагая, что она может быть вызвана магнетизмом.
Первый проблеск удачи появился, как уже было сказано, лишь через 11 лет после начала опытов.
29 августа 1831 г. он собрал в лаборатории следующую несложную установку: на железное кольцо диаметром около шести дюймов он намотал изолированной проволокой две обмотки. Когда Фарадей подключил к зажимам одной обмотки батарею, артиллерийский сержант увидел, как дернулась стрелка гальванометра, подсоединенного к другой обмотке.
Дернулась и успокоилась, хотя постоянный ток продолжал течь по первой обмотке. Фарадей тщательно просмотрел все детали простой установки - все было в порядке.
Но стрелка гальванометра упрямо стояла па нуле. С досады Фарадей решил выключить ток, и тут случилось чудо - во время размыкания цепи стрелка гальванометра, показывающего электрическое напряжение в другой обмотке, опять качнулась и опять застыла на нуле! Вот как описывал сам Фарадей события великого дня:
«Я изготовил железное кольцо из мягкого круглого железа толщиной в 7/8 дюйма. Внешний диаметр кольца был 6 дюймов. Я намотал на одну половину кольца много витков медной проволоки, изолированных шнуром и коленкором. Всего на этой половине было намотано три куска проволоки, каждый длиной около 24 футов. Концы проволоки можно было соединить в одну обмотку или применить раздельно.
Испытание показало, что каждый из кусков проволоки вполне изолирован от двух других. Эту сторону кольца я обозначу буквой А. На другую половину кольца, отступив на некоторый промежуток от стороны А, я намотал еще два куска той же проволоки общей длиной около 60 футов. Направление витков было то же, что и на половине А. Эту сторону кольца я обозначу буквой В.
Я зарядил батарею из десяти пар пластинок, 4 квадратных дюйма каждая. На стороне В я соединил оба конца проволоки в общую цепь и приключил ее к гальванометру, который был удален от моего кольца на 3 фута. Тогда я подключил концы одной из проволок на стороне А к батарее, и тотчас же произошло заметное действие на стрелку гальванометра. Она заколебалась и затем вернулась в свое первоначальное положение. Когда я прервал контакт стороны А с батареей, немедленно же произошел новый бросок стрелки».
Фарадей был в недоумении: во-первых, почему стрелка ведет себя так странно? Во-вторых, имеют ли отношение замеченные им всплески к явлению, которое он искал?
Вот тут-то и открылись Фарадею во всей ясности великие идеи Ампера - связь между электрическим током и магнетизмом. Ведь первая обмотка, в которую он подавал ток, сразу становилась магнитом. Если рассматривать ее как магнит, то эксперимент 29 августа показал, что магнетизм как будто бы рождает электричество.
Только две вещи оставались странными: почему всплеск электричества при включении электромагнита стал быстро сходить на нет? И более того, почему всплеск появляется при выключении магнита?
На следующий день, 30 августа, новая серия экспериментов. Эффект ясно выражен, но тем не менее абсолютно непонятен.
Фарадей чувствует, что открытие где-то рядом.
23 сентября он пишет своему другу Р. Филиппсу: «Я теперь опять занимаюсь электромагнетизмом и думаю, что напал на удачную вещь, но не могу еще утверждать это. Очень может быть, что после всех моих трудов я в конце концов вытащу водоросли вместо рыбы».
К следующему утру, 24 сентября, Фарадей подготовил много различных устройств, в которых основными элементами были уже не обмотки с электрическим током, а постоянные магниты. И эффект тоже существовал! Стрелка отклонялась и сразу же устремлялась на место. Легкое движение происходило при самых неожиданных манипуляциях с магнитом, иной раз казалось - случайно. Нет, не может того быть! Разгадка где-то рядом. Но где?
Следующий эксперимент - 1 октября. Фарадей решает вернуться к самому началу - к двум обмоткам: одной с током, другой - подсоединенной к гальванометру. Различие с первым экспериментом - отсутствие стального кольца - сердечника. Всплеск почти незаметен. Результат тривиален. Ясно, что магнит без сердечника гораздо слабее магнита с сердечником. Поэтому и эффект выражен слабее. Тривиально и ясно для нас, уже знающих, в чем тут дело. Но для Фарадея роль железного сердечника ясна отнюдь не была.
Фарадей разочарован. Две недели он не подходит к приборам, размышляя о причинах неудачи.
Эксперимент триумфальный - 17 октября.
Фарадей заранее знает, как это будет. Опыт удается блестяще.
«Я взял цилиндрический магнитный брусок (3/4 дюйма в диаметре и 81/4 дюйма длиной) и ввел один его конец в просвет спирали из медной проволоки (220 футов длиной), соединенной с гальванометром. Потом я быстрым движением втолкнул магнит внутрь спирали на всю его длину, и стрелка гальванометра испытала толчок. Затем я так же быстро вытащил магнит из спирали, и стрелка опять качнулась, но в противоположную сторону. Эти качания стрелки повторялись всякий раз, как магнит вталкивался или выталкивался».
Секрет - в движении магнита! Импульс электричества определяется не положением магнита, а движением!
«Это значит, что электрическая волна возникает только при движении магнита, а не в силу свойств, присущих ему в покое».
Идея оказалась плодотворной. Если движение магнита относительно проводника создает электричество, то, видимо, и движение проводника относительно магнита должно рождать электричество! «Электрическая волна» не исчезнет до тех пор, пока будет продолжаться взаимное перемещение проводника и магнита. Значит, есть возможность создать генератор электрического тока, действующий сколь угодно долго, лишь бы продолжалось взаимное движение проволоки и магнита!
Здесь - путь к современным электрогенераторам. И поскольку Фарадей правильно оценил принцип действия нового устройства, оно было им быстро построено и испытано.
28 октября Фарадей установил между полюсами подковообразного магнита вращающийся медный диск, с которого при помощи скользящих контактов (один на оси, другой на периферии диска) можно было снимать электрическое напряжение. Это был первый электрический генератор, созданный руками человека.
Таким образом, в в 1831 г. Фарадей открыл электромагнитную индукцию, лежащую в основе работы всех электрогенераторов постоянного и переменного тока.
Кстати, говоря о том, что фарадеевский генератор вырабатывает электричество, мы никогда не задаемся вопросом: какое? Ответ для нас ясен - на свете есть лишь одно электричество, находящееся обычно в самых различных формах. Это не было ясным во времена Фарадея, и вопрос «какое?» был вполне уместен.
Фарадей сравнил действие различных «электричеств» и доказал тождественность известных тогда «видов» электричества: «животного», «магнитного», термоэлектричества, гальванического электричества и т.д. Выяснилось, что все электричества идентичны по свойствам, но различны по количеству. Например, все они могут разлагать воду, только с различной скоростью. Вывод Фарадея о том, что электричество, каким бы путем оно ни было получено, едино по своей природе, - тоже один из важнейших в истории электричества. Открытие Фарадея еще раз подтверждает остроумную мысль, некогда выраженную Исааком Ньютоном: «Природа проста и не роскошествует излишними причинами».
В 1830-х годах Фарадей также предложил понятие «поля», прекрасно продемонстрировав эту концепцию в опыте с железными опилками, помещенными в электрическом поле (см. рис.).

«Линии Фарадея» - линии электрического поля,
выложенные железными опилками.

В 1833 г. он изобрел вольтметр. В 1845 г. он впервые употребил термин «магнитное поле», а в 1852 г. сформулировал концепцию поля.
В 1845 г. Фарадей обнаружил явление вращения плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея). В том же году открыл диамагнетизм, в 1847 г. - парамагнетизм.

Набор лабораторного оборудования, с помощью которого
Фарадей обнаружил явление вращения плоскости
поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея).
Экспонат музея Фарадея в Королевском институте.

Майкл Фарадей в 1849 г.
Литография W. Bosley, сделанная с дагерротипа A. F. J. Claudet.

Свои основные работы по электричеству и магнетизму Фарадей представил Лондонскому Королевскому научному обществу в виде серий докладов под названием Экспериментальные исследования по электричеству (Experimental Researches in Electricity) . Кроме Исследований , Фарадей опубликовал работу Химические манипуляции (Chemical Manipulation, 1827) . Широко известна его книга История свечи (A Course of Six Lectures on the Chemical History of a Candle, 1861) .
Широкую известность получили публичные лекции Фарадея.

Профессор Фарадей читает лекцию по электромагнетизму в Королевском институте. На лекции присутствуют члены королевской фамилии. В первом ряду сидит муж английской королевы с сыновьями: принцем Уэльским и герцогом Эдинбургским. Художник Alexander Blaikley.

Фарадей много внимания уделял и школьному образованию. Ежегодно он читал в Королевском институте рождественские лекции для детей. Традиция фарадеевских чтений для детей продолжается и в настоящее время.

Последние годы жизни Майкла Фарадея.

После «электромагнитной эпопеи» Фарадей был вынужден прекратить на несколько лет свою научную работу - настолько была истощена нервная система непрестанными напряженными раздумьями.

Фарадей в последние годы жизни.

Вообще Фарадей никогда не щадил себя, занимаясь наукой. Серьезно укоротили его жизнь химические опыты, где широко использовалась ртуть, беспрерывно, хотя и не намеренно, проливающаяся на пол, а затем испаряющаяся.
Оборудование его лаборатории было абсолютно негодным с точки зрения самой элементарной техники безопасности. Вот письмо самого Фарадея:
«В прошлую субботу у меня случился еще один взрыв, который опять поранил мне глаза. Одна из моих трубок разлетелась вдребезги с такой силой, что осколком пробило оконное стекло, точно ружейной пулей. Мне теперь лучше, и я надеюсь, что через несколько дней буду видеть так же хорошо, как и раньше. Но в первое мгновение после взрыва глаза мои были прямо-таки набиты кусочками стекла. Из них вынули тринадцать осколков...»
Когда, за несколько лет до смерти, Фарадею предложили квартиру в Хэмптон-Корте, дворце за Темзой, в 10 милях от Лондона, его здоровье было уже сильно подорвано работой. В одном из флигелей дворца и провел девять последних лет жизни гениальный Майкл Фарадей, великий физик, член Лондонского Королевского общества, академик Санкт-Петербургской, Флорентийской, Парижской и других славных академий.
Дворец Хэмптон-Корт был построен в XVI веке кардиналом Волсеем и оставлен им для короля Генриха VIII; в XVII веке дворец был перестроен для Вильяма III известным архитектором Кристофером Рэном (Christopher Wren, 1632-1723), прославившимся строительством лондонского собора святого Павла, дружбой с Ньютоном и песенкой, которую про него распевают:

Как-то сэр Кристофер Рен
Пошел откушать кое с кем.
Предупредил: коль спросят скоро -
Я - на строительстве собора.

Еще позже, во времена долгого царствования королевы Виктории, флигели дворца были превращены в «дома благосклонности и благорасположения», где наиболее заслуженные люди Англии могли получить бесплатные квартиры (сейчас там в основном живут теле- и кинозвезды). Нельзя сказать, что щедрость была чрезмерной - королева дворец не любила, ей был больше по душе старый Виндзор, да и слава у Хэмптон-Корта была неважная - считалось, что по нему бродят привидения - две жены Генриха VIII и няня Эдуарда VI, умершие здесь когда-то насильственной смертью.
Для Фарадея, оклад которого ни в коей мере не был соизмерим с его заслугами (Фарадей подрабатывал, будучи «смотрителем маяков» и судебным экспертом по качеству промышленных товаров), предложение бесплатной квартиры было как нельзя более кстати, и он, скрепя сердце, принял его, хотя ранее отказался от предоставления ему королевой дворянского звания и предложенной в недостаточно корректной форме пенсии - 300 фунтов стерлингов в год.
С годами он стал отказываться от всего, что могло бы помешать ему работать, от писем, от лекций, от встреч с друзьями. Последняя лекцию он прочитал на рождество 1860 г. В октябре 1861 г. сложил с себя обязанности профессора. В последний раз он работал в лаборатории 12 марта 1862 г. В 1864 г. сложил с себя обязанности главы христианской общины. В 1865 г. перестал выполнять обязанности, связанные с электрическим освещением маяков. И вообще, он в последний раз интересовался электричеством в 1865 г. - его восхитила громадная электрическая машина Хольтца.
Он писал: «... Настало время уйти из-за потери памяти и усталости мозга. Причины:
1. Колебания и неопределенность в доказательствах, на которых лектор должен настаивать.
2. Неспособность извлечь из памяти ранее накопленные сокровища знаний.
3. Тускнеют и забываются прежние представления о своих правах, чувство собственного достоинства и самоуважения.
4. Сильная потребность поступать справедливо по отношению к другим и неспособность сделать это.
Удалиться».

Со временем он отказался даже от писем друзьям: «Снова и снова рву я свои письма, потому что пишу ерунду. Я не могу уже плавно писать и проводить линии. Смогу ли я преодолеть этот беспорядок? Не знаю. Больше писать не буду. Моя любовь с Вами».
Он умер в своем рабочем кресле, в последний раз глядя из окна кабинета на осеннюю зелень и детей, играющих у ручья. Это случилось 25 августа 1867 года...
Прах его покоится на Хайгетском кладбище в Лондоне, недалеко от места захоронения Карла Маркса, столь высоко оценившего революционность идей Фарадея.
В Вестминстерском аббатстве установлена мемориальная доска Фарадею, его имя здесь находится рядом с именами самых великих ученых Англии - Ньютона, Максвелла, Резерфорда.

Надгробная плита над могилой Майкла Фарадея на
Хайгетском кладбище в Лондоне.

Использованная литература.

Карцев В. П. «Приключения великих уравнений». М.: Знание, 1986.

Юдин С.С. «ОБРАЗЫ ПРОШЛОГО В РАЗВИТИИ ХИРУРГИЧЕСКОГО ОБЕЗБОЛИВАНИЯ» (Юдин С.С. Избранные произведения. Вопросы обезболивания в хирургии. Медгиз. 1960.).

Майкл Фарадей (Michael Faraday). Родился 22 сентября 1791 года в Лондоне - умер 25 августа 1867 года в Лондоне. Английский физик-экспериментатор и химик. Член Лондонского королевского общества (1824) и множества других научных организаций, в том числе иностранный почётный член Петербургской академии наук (1830).

Открыл электромагнитную индукцию, лежащую в основе современного промышленного производства электричества и многих его применений. Создал первую модель электродвигателя. Среди других его открытий - первый трансформатор, химическое действие тока, законы электролиза, действие магнитного поля на свет, диамагнетизм. Первым предсказал электромагнитные волны. Фарадей ввёл в научный обиход термины ион, катод, анод, электролит, диэлектрик, диамагнетизм, парамагнетизм и др.

Фарадей - основоположник учения об электромагнитном поле, которое затем математически оформил и развил Максвелл. Основной идейный вклад Фарадея в физику электромагнитных явлений заключался в отказе от ньютонова принципа дальнодействия и во введении понятия физического поля - непрерывной области пространства, сплошь заполненной силовыми линиями и взаимодействующей с веществом.

Майкл Фарадей родился 22 сентября 1791 года в посёлке Ньюингтон-Баттс близ Лондона (ныне Большой Лондон), в семье кузнеца. Семья - отец Джеймс (1761-1810), мать Маргарет (1764-1838), братья Роберт и Майкл, сестры Элизабет и Маргарет - жила дружно, но в нужде, поэтому уже в 13 лет Майкл, оставив школу, начал работать рассыльным в лондонском книжном магазине, принадлежащем французу-эмигранту Рибо. После испытательного срока он стал учеником переплётчика.

Фарадей так и не сумел получить систематическое образование, но рано проявил любознательность и страсть к чтению. В магазине было немало научных книг; в позднейших воспоминаниях Фарадей особо отметил книги по электричеству и химии, причём по ходу чтения он сразу начал проводить простые самостоятельные опыты. Отец и старший брат Роберт в меру своих возможностей поощряли тягу Майкла к знаниям, поддерживали его материально и помогли изготовить простейший источник электричества - «Лейденскую банку». Поддержка брата продолжалась и после скоропостижной смерти отца в 1810 году.

Важным этапом в жизни Фарадея стали посещения Городского философского общества (1810-1811 годы), где 19-летний Майкл по вечерам слушал научно-популярные лекции по физике и астрономии, участвовал в диспутах. Некоторые учёные, посещавшие книжный магазин, отметили способного юношу; в 1812 году один из посетителей, музыкант Уильям Денс (William Dance), подарил ему билет на цикл публичных лекций в Королевском институте знаменитого химика и физика, первооткрывателя многих химических элементов Гемфри Дэви.

Майкл не только с интересом выслушал, но и подробно записал и переплёл четыре лекции Дэви, которые послал ему вместе с письмом с просьбой взять его на работу в Королевский институт. Этот, как выразился сам Фарадей, «смелый и наивный шаг» оказал на его судьбу решающее влияние. Профессор, сам прошедший путь от ученика аптекаря, был восхищён обширными знаниями юноши, но в тот момент в институте не было вакантных мест, и просьба Майкла была удовлетворена лишь через несколько месяцев. В начале 1813 года Дэви, который был в Институте директором химической лаборатории, пригласил 22-летнего юношу на освободившееся место лаборанта Королевского института.

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

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

После возвращения в мае 1815 года в Королевский институт Фарадей приступил к интенсивной работе в новой должности ассистента, с довольно высоким для того времени окладом 30 шиллингов в месяц. Он продолжил самостоятельные научные исследования, за которыми засиживался допоздна. Уже в это время проявились отличительные черты Фарадея - трудолюбие, методичность, тщательность исполнения экспериментов, стремление проникнуть в сущность исследуемой проблемы. В первой половине XIX века он заслужил славу «короля экспериментаторов». Всю жизнь он вёл аккуратные лабораторные дневники своих опытов (изданы в 1931 году). Последний эксперимент по электромагнетизму помечен в соответствующем дневнике номером 16041, всего Фарадей провёл за свою жизнь около 30000 экспериментов.

В 1816 году появилась первая печатная работа Фарадея (об анализе химического состава тосканского известняка), в следующие 3 года число публикаций превысило 40, главным образом по химии. Завязывается переписка Фарадея с крупными европейскими химиками и физиками. В 1820 году Фарадей провёл несколько опытов по выплавке сталей с добавками никеля. Эта работа считается открытием нержавеющей стали, которое в то время не заинтересовало металлургов.

В 1821 году в жизни Фарадея произошло несколько важных событий. В июле он женился на 20-летней Саре Барнард (Sarah Barnard, 1800-1879), сестре его друга. По отзывам современников, брак был счастливым, Майкл и Сара прожили вместе 46 лет. Жили супруги на верхнем этаже Королевского института, за отсутствием собственных детей они воспитывали малолетнюю племянницу-сироту Джейн; Фарадей также постоянно заботился о своей матери Маргарет (умерла в 1838 году). В Институте Фарадей получил место технического смотрителя здания и лабораторий Королевского института (Superintendent of the House). Наконец, его экспериментальные исследования начали неуклонно перемещаться в область физики. Несколько значительных работ по физике, опубликованных в 1821 году, показали, что Фарадей вполне сложился как крупный учёный. Главное место среди них занимала статья об изобретении электродвигателя, с которой фактически начинается промышленная электротехника.

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

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

После серии опытов Фарадей опубликовал в 1821 году трактат «О некоторых новых электромагнитных движениях и о теории магнетизма», где показал, как заставить намагниченную стрелку непрерывно вращаться вокруг одного из магнитных полюсов. По существу эта конструкция представляла собой ещё несовершенный, но вполне практичный электродвигатель, впервые в мире осуществивший непрерывное превращение электрической энергии в механическую. Имя Фарадея становится всемирно известным.

Конец 1821 года, в целом триумфального для Фарадея, омрачила клевета. Известный химик и физик Уильям Волластон пожаловался Дэви, что опыт Фарадея с вращением стрелки является плагиатом его, волластоновской идеи (практически никогда им не реализованной). История получила большую огласку и доставила Фарадею немало неприятностей. Дэви стал на сторону Волластона, отношения его с Фарадеем заметно ухудшились. В октябре Фарадей добился личной встречи с Волластоном, где разъяснил свою позицию, и состоялось примирение. Однако в январе 1824 года, когда Фарадей был избран членом Лондонского королевского общества, Дэви, тогдашний президент Королевского общества, был единственным, голосовавшим против (сам Волластон голосовал за избрание). Отношения Фарадея и Дэви позднее улучшились, но лишились прежней сердечности, хотя Дэви любил повторять, что из всех его открытий самым значительным было «открытие Фарадея».

Признанием научных заслуг Фарадея стало избрание его членом-корреспондентом Парижской Академии наук (1823). В 1825 году Дэви решил оставить руководство лабораторией Королевского института и рекомендовал назначить Фарадея директором физической и химической лабораторий, что и было вскоре сделано. Дэви скончался после продолжительной болезни в 1829 году.

После первых успехов в фарадеевских исследованиях электромагнетизма наступила десятилетняя пауза и до 1831 года он почти не публиковал работы на эту тему: опыты не давали желаемого результата, новые обязанности отвлекали, возможно, повлиял также неприятный скандал 1821 года.

В 1830 году Фарадей получил профессорскую кафедру сначала в Королевской военной академии (Вулидж), а с 1833 года - и в Королевском институте (по химии). Читал он лекции не только в Королевском институте, но и в нескольких других научных организациях и кружках. Современники чрезвычайно высоко оценивали преподавательские качества Фарадея, умевшего сочетать наглядность и доступность с глубиной рассмотрения предмета. Его научно-популярный шедевр для детей «История свечи» (популярные лекции, 1861 год) издаётся до сих пор.

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

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

Сообщение об опытах Фарадея немедленно вызвало сенсацию в научном мире Европы, массовые газеты и журналы также уделяли им немало внимания. Множество научных организаций избрали Фарадея своим почётным членом (всего он получил 97 дипломов). Если открытие электродвигателя показало, как можно использовать электричество, то опыты по индукции указывали, как создать мощный его источник (электрогенератор). С этого момента трудности на пути широкого внедрения электроэнергии стали чисто техническими. Физики и инженеры активно занялись исследованием индукционных токов и конструированием всё более совершенных электротехнических устройств; первые промышленные модели появились ещё при жизни Фарадея (генератор переменного тока Ипполита Пикси, 1832), а в 1872 году Фридрих фон Хефнер-Альтенек представил высокоэффективный генератор, впоследствии улучшенный Эдисоном.

В 1832 году Фарадей исследовал ещё одну важную в те годы проблему. На тот момент были известны несколько источников электричества: трение, вольтов столб, некоторые животные (например, электрический скат), фарадеевская индукция, термоэлемент (открыт в 1821 году, см. эффект Зеебека). Отдельные учёные выражали сомнение в том, что все эти эффекты имеют единую природу, и даже использовали разные термины: «гальванизм», «животное электричество» и т. п. Фарадей провёл сотни опытов и закрыл проблему, показав, что все проявления электричества (тепловые, световые, химические, физиологические, магнитные и механические) совершенно одинаковы, независимо от источника его получения.

В 1835 году переутомление Фарадея привело к первому приступу болезни, которая мешала ему работать до 1837 года.

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

В 1840 году Фарадей вновь тяжело заболел (резкий упадок сил, ухудшение и частичная потеря памяти) и смог вернуться к активной работе только 4 года спустя, на короткий срок. Существует версия, что болезнь стала следствием отравления парами ртути, часто использовавшейся в его опытах. Рекомендованное врачами путешествие по Европе (1841) помогло мало. Друзья стали хлопотать о назначении всемирно известному физику государственной пенсии. Премьер-министр Великобритании (Уильям Лэм, лорд Мельбурн) сначала отнёсся к этому неодобрительно, но под давлением общественного мнения вынужден был дать своё согласие. Биограф и друг Фарадея Джон Тиндаль подсчитал, что после 1839 года Фарадей жил в крайней нужде (менее 22 фунтов в год), а после 1845 года пенсия (300 фунтов в год) стала его единственным источником дохода. Тиндаль с горечью добавляет: «Он умер бедняком, но имел честь поддерживать на почётном месте научную славу Англии в продолжение сорока лет».

В 1845 году Фарадей ненадолго вернулся к активной работе и сделал несколько выдающихся открытий, в том числе: поворот плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея) и диамагнетизм.

Это были последние его открытия. В конце года болезнь возобновилась. Но Фарадей сумел вызвать ещё одну общественную сенсацию. В 1853 году он, со всей обычной тщательностью, исследовал модное в те годы «столоверчение» и уверенно заявил, что стол движется не вызванными духами умерших, а бессознательными движениями пальцев участников. Этот результат вызвал лавину возмущённых писем оккультистов, но Фарадей ответил, что примет претензии только от самих духов.

В 1848 году королева Виктория предоставила Фарадею в пожизненное пользование дом, входящий в дворцовый комплекс Хэмптон-Корт. Все домовые расходы и налоги королева взяла на себя. В 1858 году Фарадей ушёл в отставку с большинства своих постов и поселился в Хэмптон-Корте, где провёл последние 9 лет жизни.

Время от времени состояние здоровья позволяло Фарадею ненадолго возвращаться к активной деятельности. В 1862 году он выдвинул гипотезу, что магнитное поле может смещать спектральные линии. Однако оборудование тех лет было недостаточно чувствительно, чтобы обнаружить этот эффект. Только в 1897 году Питер Зееман подтвердил гипотезу Фарадея (сославшись на него как на автора) и получил в 1902 году за это открытие Нобелевскую премию.

Майкл Фарадей умер 25 августа 1867 года за письменным столом, немного не дожив до 76-летия. Похоронен на Хайгейтском кладбище, участок для лиц неангликанского вероисповедания.

Английский физик Майкл Фарадей, выросший в бедной семье, стал одним из величайших ученых в истории человечества. Его выдающиеся достижения были сделаны в то время, когда наука являлась уделом людей, рожденных в привилегированных семействах. В его честь названа единица электрической емкости - фарад.

Фарадей (физик): краткая биография

Майкл Фарадей родился 22 сентября 1791 года в столице Великобритании Лондоне. Он был третьим ребенком в семье Джеймса и Маргарет Фарадеев. Его отец был кузнецом, который имел слабое здоровье. До брака его мать работала служанкой. Семья жила бедно.

До 13 лет Майкл посещал местную школу, где получил начальное образование. Чтобы помочь семье, он начал работать посыльным в книжном магазине. Усердие мальчика впечатлило его работодателя. Через год его повысили до ученика переплетчика.

Переплет и наука

Майкл Фарадей хотел узнать больше о мире; он не ограничивался После усердного ежедневного труда он проводил все свое свободное время за чтением книг, которые он переплетал.

Постепенно он обнаружил, что увлекся наукой. Особенно ему понравились две книги:

• «Британская энциклопедия» - источник его познаний об электричестве и о многом другом.
• «Беседы о химии» - 600 страниц о химии в доступном изложении авторства Джейн Марсе.

Он был настолько очарован, что начал тратить часть своего скудного заработка на химические вещества и аппаратуру, чтобы подтвердить истинность того, о чем читал.

Расширяя свои научные познания, он услышал, что Джон Татум собирался дать серию публичных лекций по натуральной философии (физике). Для посещения лекций необходимо было внести плату в один шиллинг - слишком много для Майкла Фарадея. Его старший брат, кузнец, впечатленный растущей преданностью своего брата науке, дал ему необходимую сумму.

Знакомство с Хамфри Дэви

Фарадей сделал еще один шаг к науке, когда Уильям Дэнс, клиент книжного магазина, поинтересовался у Майкла, нет ли у него желания получить билеты на лекции в Королевском институте.

Лектор, сэр Хамфри Дэви, был одним из самых известных в мире ученых того времени. Фарадей ухватился за шанс и посетил четыре лекции, посвященные одной из новейших проблем химии - определении кислотности. Он наблюдал за экспериментами, которые проводил Дэви на лекциях.

Это был мир, в котором он хотел бы жить. Фарадей вел записи, а затем сделал так много дополнений в примечаниях, что произвел 300-страничную рукопись, которую сам переплел и отправил Дэви в знак благодарности.

В это время на заднем дворе книжного магазина Майкл начал проводить более сложные эксперименты по созданию электрической батареи из медных монет и цинковых дисков, разделенных влажной соленой бумагой. Он использовал ее для разложения химических веществ, например таких, как сульфат магния. В этой области химии Хамфри Дэви был пионером.

В октябре 1812 года ученичество Фарадея завершилось, и он начал работать переплетчиком у другого работодателя, которого он нашел неприятным.

Не было бы счастья, да несчастье помогло

И вот произошел счастливый для Фарадея случай. В результате неудачного эксперимента Хамфри Дэви был ранен: это временно повлияло на его способность писать. Майклу удалось в течение нескольких дней вести записи для Дэви, впечатленного книгой, которую тот ему послал.

Когда недолгий период работы помощником закончился, Фарадей отправил ученому записку с просьбой нанять его своим ассистентом. Вскоре после этого один из лаборантов Дэви был уволен за нарушение дисциплины, и Хамфри осведомился у Майкла, не хотел ли бы он занять вакантное место.

Не хотел ли он работать в Королевском институте с одним из самых известных ученых в мире? Это был риторический вопрос.

Карьера в Королевском институте

Ему хорошо платили и выделили для проживания комнату на чердаке Королевского института. Майкл был очень доволен, и его связь с этим учреждением больше не прерывалась в течение 54 лет, за которые ему удалось стать профессором химии.

Работа Фарадея состояла в подготовке аппаратуры для проведения экспериментов и лекций в Королевском институте. Поначалу он имел дело с трихлоридом азота, взрывчатым веществом, которое травмировало Дэви. Майкл тоже при очередном взрыве ненадолго потерял сознание, и когда Хамфри снова получил травму, опыты с этим соединением были прекращены.

Через 7 месяцев работы в Королевском институте Дэви взял с собой Фарадея в турне по Европе, длившееся 18 месяцев. За это время Майклу удалось встретить великих ученых, таких как Андрэ-Мари Ампер в Париже и Алессандро Вольта в Милане. В некотором смысле, тур заменил ему университетское образование - Фарадей многое узнал за это время.

Большую часть тура он, однако, был несчастлив, поскольку в дополнение к научной и секретарской работе должен был прислуживать Дэви и его жене. Супруга ученого не считала Фарадея равным себе из-за его происхождения.

По возвращении в Лондон все стало на свои места. Королевский институт возобновил контракт Майкла и увеличил его вознаграждение. Дэви даже начал упоминать о его помощи в научных работах.

В 1816 г. в возрасте 24 лет Фарадей прочитал свою первую лекцию о свойствах материи. Проходила она в Городском философском обществе. Тогда же в «Ежеквартальном научном журнале» он опубликовал свою первую научную статью об анализе гидроксида кальция.

В 1821 г. в возрасте 29 лет Фарадей был повышен до должности заведующего хозяйством и лабораторией Королевского института. В том же году он женился на Саре Барнард. Майкл со своей супругой прожили в институте большую часть следующих 46 лет, уже не на чердаке, а в удобном помещении, которое когда-то занимал Хамфри Дэви.

В 1824 г. биография Фарадея (физика) ознаменовалась его избранием в члены Королевского общества. Это было признанием того, что он стал заметным ученым.

В 1825 г. физик Фарадей стал директором лаборатории.

В 1833 г. он стал фуллеровским профессором химии в Королевском институте Великобритании. Фарадей занимал эту должность до конца своей жизни.

В 1848 и 1858 годах ему было предложено возглавить Королевское общество, но он отказался.

Научные достижения

Чтобы описать открытия Фарадея в физике, потребуется не одна книга. Не случайно Альберт Эйнштейн в своем кабинете хранил фотографии только троих ученых: Исаака Ньютона, Джеймса Максвелла и Майкла Фарадея.

Как ни странно, хотя еще при жизни ученого начали использовать слово «физик», ему самому оно не нравилось, и он всегда называл себя философом. Фарадей был человеком, шедшим к открытиям через эксперименты, и он был известен тем, что никогда не отказывался от идей, к которым приходил благодаря научной интуиции.

Если он полагал, что идея стоила того, он продолжал эксперименты, несмотря на множество неудач, пока не достигал ожидаемого или пока не убеждался в том, что мать-природа доказала его неправоту, что случалось крайне редко.

Так что открыл Фарадей в физике? Вот некоторые из его самых заметных достижений.

1821: открытие электромагнитного вращения

Оно стало предвестником того, что, в конечном итоге, привело к созданию электрического двигателя. Открытие базировалось на теории Эрстеда о магнитных свойствах провода, по которому проходит электрический ток.

1823: сжижение газа и охлаждение

В 1802 году Джон Далтон высказал мнение, что все газы могут быть сжижены при низких температурах или высоком давлении. Физик Фарадей доказал это опытным путем. Он впервые превратил хлор и аммиак в жидкость.

Жидкий аммиак был еще интересен тем, что, как заметил Майкл Фарадей, физика процесса его испарения вызывала охлаждение. Принцип охлаждения с помощью искусственного испарения был публично продемонстрирован Уильямом Калленом в Эдинбурге в 1756 г. Ученый с помощью насоса снизил давление в колбе с эфиром, в результате чего произошло его быстрое испарение. Это вызвало охлаждение, и на внешней стороне колбы из влаги воздуха образовался лед.

Важность открытия Фарадея состояла в том, что механические насосы могли превращать газ в жидкость при комнатной температуре. Затем жидкость испарялась, охлаждая все вокруг, полученный газ мог быть собран и с помощью насоса сжат в жидкость снова, повторяя цикл. Именно так работают современные холодильники и морозильники.

В 1862 году на Всемирной лондонской выставке Фердинанд Карре продемонстрировал первую в мире коммерческую машину по производству льда. В машине в качестве охлаждающей жидкости использовался аммиак, и она производила лед со скоростью 200 кг в час.

1825: открытие бензола

Исторически сложилось так, что бензол стал одним из наиболее важных веществ в химии, как в практическом смысле, т. е. он используется при создании новых материалов, так и в теоретическом - для понимания химической связи. Ученый обнаружил бензол в маслянистых остатках производства газа для освещения в Лондоне.

1831: закон Фарадея, формула, физика электромагнитной индукции

Это было чрезвычайно важным открытием для будущего науки и техники. Закон Фарадея (физика) гласит, что переменное магнитное поле вызывает в цепи электрический ток, и генерируемая прямо пропорциональна скорости изменения Одна из его возможных записей |E|=|dΦ/dt|, где Е - ЭДС, а Ф - магнитный поток.

Например, перемещение подковообразного магнита вдоль провода производит электрический ток, так как движение магнита вызывает переменное магнитное поле. До этого единственным источником тока была батарея. Майкл Фарадей, открытия в физике которого показали, что движение может быть превращено в электричество, или, более научным языком, кинетическая энергия может быть преобразована в электрическую, таким образом, причастен к тому, что большая часть энергии в наших домах сегодня производится именно по этому принципу.

Вращение (кинетическая энергия) преобразуется в электричество с помощью электромагнитной индукции. А вращение, в свою очередь, получают при действии на турбины пара высокого давления, создаваемого энергией угля, газа или атома, или напором воды в гидроэлектростанциях, либо давлением воздуха в

1834: законы электролиза

Фарадей-физик внес основной вклад в создание новой науки электрохимии. Она объясняет то, что происходит на границе раздела электрода с ионизированным веществом. Благодаря электрохимии мы пользуемся литий-ионными батареями и аккумуляторами, питающими современную мобильную технику. Законы Фарадея важны для нашего понимания электродных реакций.

1836: изобретение экранированной камеры

Физик Фарадей обнаружил, что, когда электрический проводник заряжен, весь лишний заряд скапливается на внешней его стороне. Это означает, что внутри комнаты или клетки, сделанной из металла, дополнительный заряд не появляется. Например, человек, одетый в костюм Фарадея, т. е. с металлической подкладкой, не подвергается действию внешнего электричества. Кроме защиты людей, клетка Фарадея может использоваться для проведения электрических или электрохимических экспериментов, чувствительных к внешним помехам. Экранированные камеры также могут создавать мертвые зоны для мобильной связи.

1845: открытие эффекта Фарадея - магнитооптического эффекта

Еще одним важным экспериментом в истории науки был опыт, впервые доказавший связь электромагнетизма и света, что в 1864 году было полностью описано уравнениями Джеймса Клерка Максвелла. Физик Фарадей установил, что свет представляет собой электромагнитную волну: «Когда противоположные магнитные полюса находились с той же стороны, это оказывало действие на поляризованный луч, что, таким образом, доказывает связь магнитной силы и света...

1845: открытие диамагнетизма как свойства всей материи

Большинство людей знакомо с ферромагнетизмом на примере обычных магнитов. Фарадей (физик) обнаружил, что все вещества диамагнитны - в большинстве своем слабо, но встречаются и сильные. Диамагнетизм противоположен направлению приложенного магнитного поля. Например, если поместить северный полюс у сильно диамагнитного вещества, то оно будет отталкиваться. Диамагнетизм в материалах, индуцированный очень сильными современными магнитами, может быть использован для достижения левитации. Даже живые существа, такие как лягушки, диамагнитны и могут парить в сильном магнитном поле.

Конец

Майкл Фарадей, открытия в физике которого произвели переворот в науке, умер 25 августа 1867 г. в Лондоне в возрасте 75 лет. Его жена Сара жила дольше. У четы не было детей. Всю свою жизнь он был набожным христианином и принадлежал к маленькой протестантской секте сандеманианцев.

Еще при жизни Фарадею было предложено погребение в Вестминстерском аббатстве вместе с королями и королевами Великобритании и учеными, подобно Исааку Ньютону. Он отказался ради более скромной церемонии. Его могилу, где также похоронена Сара, можно найти на кладбище Хайгейт в Лондоне.

22 сентября 2011 года исполнилось 220 лет со дня рождения Майкла Фарадея (1791–1867) - английского физика-экспериментатора, который ввел в науку понятие «поле» и заложил основы концепции о физической реальности электрических и магнитных полей. В наши дни понятие поля известно любому старшекласснику. Начальные сведения об электрических и магнитных полях и способах их описания при помощи силовых линий, напряженностей, потенциалов и т. п. давно вошли в школьные учебники по физике. В этих же учебниках можно прочитать о том, что поле - это особая форма материи, принципиально отличная от вещества. Но вот с объяснением того, в чем именно состоит эта «особость», возникают серьезные трудности. Естественно, винить в этом авторов учебников нельзя. Ведь если поле не сводимо к каким-то другим, более простым сущностям, то тут и объяснять нечего. Надо просто принять физическую реальность поля как экспериментально установленный факт и научиться работать с уравнениями, описывающими поведение этого объекта. К этому, например, призывает в своих «Лекциях» Ричард Фейнман, отметив, что ученые долгое время пытались объяснить электромагнитное поле при помощи различных механических моделей, но потом оставили эту затею и сочли, что физический смысл имеет лишь описывающая поле система знаменитых уравнений Максвелла.

Означает ли сказанное, что мы должны полностью отказаться от попыток понять, что такое поле? Думается, что существенную помощь в ответе на этот вопрос может оказать знакомство с «Экспериментальными исследованиями по электричеству» Майкла Фарадея - грандиозным трехтомным трудом, который гениальный экспериментатор создавал более 20 лет . Именно здесь Фарадей вводит понятие поля и шаг за шагом разрабатывает идею о физической реальности этого объекта. При этом важно отметить, что «Экспериментальные исследования» Фарадея - одна из величайших книг в истории физики - написаны прекрасным языком, не содержат ни единой формулы и вполне доступны школьникам.

Введение поля. Фарадей, Томсон и Максвелл

Термин «поле» (точнее: «магнитное поле», «поле магнитных сил») был введен Фарадеем в 1845 году в ходе исследований явления диамагнетизма (термины «диамагнетизм» и «парамагнетизм» также были введены Фарадеем) - обнаруженного ученым эффекта слабого отталкивания магнитом ряда веществ. Первоначально поле рассматривалось Фарадеем как сугубо вспомогательное понятие, по сути координатная сетка, образованная магнитными силовыми линиями и использовавшаяся при описании характера движения тел вблизи магнитов. Так, кусочки диамагнитных веществ, например висмута, перемещались из областей сгущения силовых линий в области их разрежения и располагались перпендикулярно направлению линий.

Несколько позже, в 1851–1852 годах, при математическом описании результатов некоторых экспериментов Фарадея, термин «поле» эпизодически использовал английский физик Уильям Томсон (1824–1907). Что же касается создателя теории электромагнитного поля Джеймса Клерка Максвелла (1831–1879), то в его работах термин «поле» поначалу тоже практически не встречается и используется лишь для обозначения той части пространства, в которой можно обнаружить магнитные силы. Только в опубликованной в 1864–1865 годах работе «Динамическая теория электромагнитного поля», в которой впервые появляется система «уравнений Максвелла» и предсказывается возможность существования электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света, о поле говорится как о физической реальности.

Такова вкратце история введения в физику понятия «поле». Из нее видно, что первоначально это понятие рассматривалось как сугубо вспомогательное, обозначавшее просто ту часть пространства (она может быть и неограниченной), в которой можно обнаружить магнитные силы и изобразить их распределение при помощи силовых линий. (Термин «электрическое поле» стал использоваться только после создания Максвеллом теории электромагнитного поля.)

Важно подчеркнуть, что ни силовые линии, известные физикам до Фарадея, ни «состоящее» из них поле не рассматривались (и не могли рассматриваться!) научным сообществом XIX века как физическая реальность. Попытки же Фарадея говорить о материальности силовых линий (или Максвелла - о материальности поля) воспринимались учеными как совершенно ненаучные. Даже Томсон, старый друг Максвелла, сам много сделавший для разработки математических основ физики поля (именно Томсон, а не Максвелл, первым показал возможность «перевода» языка силовых линий Фарадея на язык дифференциальных уравнений в частных производных), называл теорию электромагнитного поля «математическим нигилизмом» и долгое время отказывался ее признавать. Понятно, что поступать подобным образом Томсон мог, лишь имея на то очень серьезные основания. И такие основания у него были.

Поле сил и сила Ньютона

Причина, по которой Томсон не мог признать реальность силовых линий и полей, проста. Силовые линии электрического и магнитного полей определяются как непрерывные линии, проведенные в пространстве так, что касательные к ним в каждой точке указывают направления действующих в этой точке электрических и магнитных сил. Величины и направления этих сил вычисляются при помощи законов Кулона, Ампера и Био–Савара–Лапласа. Однако в основе этих законов лежит принцип дальнодействия, допускающий возможность мгновенной передачи на любое расстояние действия одного тела на другое и, тем самым, исключающий существование каких-либо материальных посредников между взаимодействующими зарядами, магнитами и токами.

Следует отметить, что многие ученые со скепсисом относились к принципу, по которому тела каким-то загадочным образом могут действовать там, где их нет. Даже Ньютон, который первым использовал этот принцип при выводе закона всемирного тяготения, полагал, что между взаимодействующими телами может существовать какая-то субстанция. Но строить гипотезы о ней ученый не пожелал, предпочитая заниматься разработкой математических теорий законов, опирающихся на твердо установленные факты. Аналогичным образом поступали и последователи Ньютона. По словам Максвелла, они буквально «вымели из физики» всевозможные невидимые атмосферы и истечения, которыми в XVIII веке окружали магниты и заряды сторонники концепции близкодействия. Тем не менее в физике XIX века постепенно начинает возрождаться интерес к, казалось бы, навсегда забытым идеям.

Одной из важнейших предпосылок этого возрождения стали проблемы, возникавшие при попытках объяснения новых явлений - прежде всего, явлений электромагнетизма - на основе принципа дальнодействия. Эти объяснения становились всё более искусственными. Так, в 1845 году немецкий физик Вильгельм Вебер (1804–1890) обобщил закон Кулона, введя в него члены, определяющие зависимость силы взаимодействия электрических зарядов от их относительных скоростей и ускорений. Физический смысл такой зависимости был непонятен, а веберовские добавки в закон Кулона явно носили характер гипотезы, введенной, чтобы объяснить явления электромагнитной индукции.

В середине XIX века физики всё более осознавали, что при изучении явлений электричества и магнетизма эксперимент и теория начинают говорить на разных языках. В принципе, ученые были готовы согласиться с идеей о существовании субстанции, передающей взаимодействие между зарядами и токами с конечной скоростью, однако принять идею о физической реальности поля они не могли. В первую очередь, из-за внутренней противоречивости этой идеи. Дело в том, что в физике Ньютона сила вводится как причина ускорения материальной точки. Ее (силы) величина равна, как известно, произведению массы этой точки на ускорение. Тем самым, сила как физическая величина определяется в точке и в момент ее действия. «Сам Ньютон напоминает нам, - писал Максвелл, - что сила существует только до тех пор, пока она действует; ее действие может сохраниться, но сама сила как таковая по существу явление преходящее».

Пытаясь рассматривать поле не как удобную иллюстрацию характера распределения сил в пространстве, а как физический объект, ученые входили в противоречие с тем исходным пониманием силы, на основе которого этот объект был построен. В каждой своей точке поле определяется величиной и направлением силы, действующей на пробное тело (заряд, магнитный полюс, виток с током). По сути, поле «состоит» только из сил, но сила в каждой точке рассчитывается на основе законов, согласно которым говорить о поле как физическом состоянии или процессе бессмысленно. Поле, рассматриваемое как реальность, означало бы реальность сил, существующих вне всякого действия, что полностью противоречило исходному определению силы. Максвелл писал, что в случаях, когда мы говорим о «сохранении силы» и т. п., лучше было бы пользоваться термином «энергия». Это, безусловно, правильно, но энергией чего является энергия поля? К тому времени, когда Максвелл писал приведенные выше строки, он уже знал, что плотность энергии, например, электрического поля пропорциональна квадрату напряженности этого поля, т. е. опять-таки силы, распределенной в пространстве.

С ньютоновским пониманием силы неразрывно связана и концепция мгновенного дальнодействия. Ведь если одно тело действует на другое, удаленное, не мгновенно (по сути, уничтожая расстояние между ними), то нам придется рассматривать силу перемещающейся в пространстве и решать вопрос о том, какая «часть» силы вызывает наблюдаемое ускорение и какой смысл тогда имеет понятие «сила». Либо мы должны допустить, что движение силы (или поля) происходит каким-то особым, не укладывающимся в рамки ньютоновской механики образом.

В 1920 году в статье «Эфир и теория относительности» Альберт Эйнштейн (1879–1955) писал, что, говоря об электромагнитном поле как реальности, мы должны допустить существование особого физического объекта, который принципиально нельзя представить состоящим из частиц, поведение каждой из которых поддается изучению во времени. Позже Эйнштейн охарактеризовал создание теории электромагнитного поля как величайший, со времен Ньютона, переворот в наших взглядах на структуру физической реальности. Благодаря этому перевороту, в физику наряду с представлениями о взаимодействии материальных точек вошли представления о полях, как ни к чему другому не сводимым сущностям.

Но как оказалось возможным это изменение взглядов на реальность? Как физике удалось выйти за свои границы и «увидеть» то, что для нее раньше как реальность просто не существовало?

Исключительно важную роль в подготовке этого переворота сыграли многолетние эксперименты Фарадея с силовыми линиями. Благодаря Фарадею, эти хорошо известные физикам линии превратились из способа изображения распределения в пространстве электрических и магнитных сил в своеобразный «мостик», двигаясь по которому удалось проникнуть в мир, находящийся как бы «за силой», в мир, в котором силы становились проявлениями свойств полей. Понятно, что такое превращение потребовало таланта совершенно особого рода, таланта, которым обладал Майкл Фарадей.

Великий Экспериментатор

Майкл Фарадей родился 22 сентября 1791 года в семье лондонского кузнеца, которая из-за недостатка средств не смогла дать своим детям образования. Майкл - третий ребенок в семье - не закончил и начальной школы и в 12 лет был отдан учеником в переплетную мастерскую. Там он получил возможность читать множество книг, в том числе и научно-популярных, восполняя пробелы своего образования. Вскоре Фарадей начал посещать публичные лекции, которые регулярно устраивали в Лондоне для распространения знаний среди широких слоев населения.

В 1812 году один из членов Лондонского Королевского общества, регулярно пользовавшийся услугами переплетной мастерской, пригласил Фарадея послушать лекции известного физика и химика Гемфри Дэви (1778–1829). Этот момент стал в жизни Фарадея переломным. Юноша окончательно увлекся наукой, а поскольку заканчивался срок его обучения в мастерской, Фарадей рискнул написать Дэви о своем желании заняться исследованиями, приложив к письму тщательно переплетенные конспекты лекций ученого. Дэви, который сам был сыном бедного резчика по дереву, не только ответил на письмо Фарадея, но и предложил ему место ассистента в Лондонском Королевском институте. Так началась научная деятельность Фарадея, продолжавшаяся почти до самой его смерти, наступившей 25 августа 1867 года.

История физики знает немало выдающихся экспериментаторов, но, пожалуй, только Фарадея называли Экспериментатором с большой буквы. И дело не только в его колоссальных достижениях, среди которых открытия законов электролиза и явлений электромагнитной индукции, исследования свойств диэлектриков и магнетиков и многое другое. Нередко важные открытия удавалось сделать более или менее случайно. О Фарадее сказать такое невозможно. Его исследования всегда отличались поразительной планомерностью и целеустремленностью. Так, в 1821 году Фарадей записал в рабочем дневнике, что начинает поиски связи магнетизма с электричеством и оптикой. Первую связь он обнаружил через 10 лет (открытие электромагнитной индукции), а вторую - через 23 года (открытие вращения плоскости поляризации света в магнитном поле).

В «Экспериментальных исследованиях по электричеству» Фарадея имеется около 3500 параграфов, многие из которых содержат описания проделанных им опытов. И это только то, что Фарадей счел нужным опубликовать. В многотомных «Дневниках» Фарадея, которые он вел с 1821 года, описано около 10 тысяч опытов, причем многие из них ученый поставил без чьей-либо помощи. Интересно, что в 1991 году, когда научный мир отмечал 200-летие со дня рождения Фарадея, английские историки физики решили повторить некоторые из его наиболее знаменитых опытов. Но даже на простое воспроизведение каждого из таких опытов коллективу современных специалистов потребовалось не менее дня работы.

Говоря о заслугах Фарадея, можно сказать, что его главным достижением стало превращение экспериментальной физики в самостоятельную область исследований, результаты которых нередко могут на многие годы опережать развитие теории. Фарадей считал крайне непродуктивным стремление многих ученых как можно быстрее переходить от полученных в экспериментах данных к их теоретическому обобщению. Более плодотворным Фарадею представлялось сохранение длительной связи с изучаемыми явлениями, чтобы иметь возможность детально проанализировать все их особенности, вне зависимости от того, соответствуют эти особенности принятым теориям или нет.

Этот подход к анализу опытных данных Фарадей распространил и на хорошо известные опыты по выстраиванию железных опилок вдоль силовых линий магнитного поля. Безусловно, ученый прекрасно знал, что узоры, которые образуют железные опилки, легко можно объяснить на основе принципа дальнодействия. Тем не менее, Фарадей считал, что в данном случае экспериментаторы должны исходить не из придуманных теоретиками концепций, а из явлений, свидетельствующих, по его мнению, о существовании в пространстве, окружающем магниты и токи, неких обладающих готовностью к действию состояний. Другими словами, силовые линии, по мнению Фарадея, указывали на то, что сила должна мыслиться не только как действие (на материальную точку), но и как способность к действию.

Важно подчеркнуть, что, следуя своей методике, Фарадей не пытался выдвигать какие-либо гипотезы о природе этой способности к действию, предпочитая постепенно накапливать опыт в ходе работы с силовыми линиями. Начало этой работе было положено в его исследованиях явлений электромагнитной индукции.

Затянувшееся открытие

Во многих учебниках и справочниках можно прочитать о том, что 29 августа 1831 года Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Историкам науки хорошо известно, что датировка открытий - вещь сложная и часто весьма запутанная. Не составляет исключение и открытие электромагнитной индукции. Из «Дневников» Фарадея известно, что это явление он наблюдал еще в 1822 году во время опытов с двумя проводящими контурами, надетыми на сердечник из мягкого железа. Первый контур был подключен к источнику тока, а второй - к гальванометру, который зафиксировал возникновение кратковременных токов при включении или отключении тока в первом контуре. Позже выяснилось, что подобные явления наблюдали и другие ученые, но, как и поначалу Фарадей, сочли их погрешностью эксперимента.

Дело в том, что в поисках явлений порождения электричества магнетизмом ученые были нацелены на обнаружение устойчивых эффектов, подобных, например, открытому Эрстедом в 1818 году явлению магнитного действия тока. От этой всеобщей «слепоты» Фарадея спасли два обстоятельства. Во-первых, пристальное внимание к любым явлениям природы. В своих статьях Фарадей сообщал как об удачных, так и о неудачных экспериментах, полагая, что неудачный (не обнаруживший искомый эффект), но осмысленно поставленный опыт тоже содержит какую-то информацию о законах природы. Во-вторых, незадолго до открытия Фарадей много экспериментировал с разрядами конденсаторов, что, несомненно, обострило его внимание к кратковременным эффектам. Регулярно просматривая свои дневники (для Фарадея это было постоянной составляющей исследований), ученый, судя по всему, по-новому взглянул на опыты 1822 года и, воспроизведя их, осознал, что имеет дело не с помехами, а с искомым явлением. Датой этого осознания и стало 29 августа 1831 года.

Далее начались интенсивные исследования, в ходе которых Фарадей открыл и описал основные явления электромагнитной индукции, включая возникновение индукционных токов при относительном движении проводников и магнитов. На основании этих исследований Фарадей пришел к выводу о том, что решающим условием возникновения индукционных токов является именно пересечение проводником линий магнитной силы, а не переход в области больших или меньших сил. При этом, например, возникновение тока в одном проводнике при включении тока в другом, расположенном рядом, Фарадей тоже объяснял как результат пересечения проводником силовых линий: «магнитные кривые как бы движутся (если можно так выразиться) поперек индуцируемого провода, начиная с момента, когда они начинают развиваться, и вплоть до момента, когда магнитная сила тока достигнет наибольшего значения; они как бы распространяются в стороны от провода и, следовательно, оказываются по отношению к неподвижному проводу в том же положении, как если бы он двигался в противоположном направлении поперек них».

Обратим внимание на то, сколько раз в приведенном отрывке Фарадей использует слова «как бы», а также на то, что у него пока нет привычной нам количественной формулировки закона электромагнитной индукции: сила тока в проводящем контуре пропорциональна скорости изменения числа магнитных силовых линий, проходящих через этот контур. Близкая к этой формулировка появляется у Фарадея лишь в 1851 году, причем она относится только к случаю движения проводника в статическом магнитном поле. По Фарадею, если проводник перемещается в таком поле с постоянной скоростью, то сила возникающего в нем электрического тока пропорциональна этой скорости, а количество приводимого в движение электричества пропорционально числу пересекаемых проводником силовых линий магнитного поля.

Осторожность Фарадея при формулировке закона электромагнитной индукции обусловлена, прежде всего, тем, что корректно пользоваться понятием силовой линии он мог только применительно к статическим полям. В случае же переменных полей это понятие приобретало метафорический характер, и непрерывные оговорки «как бы», когда речь идет о движущихся силовых линиях, показывают, что Фарадей это прекрасно понимал. Он также не мог не считаться с критикой тех ученых, которые указывали ему на то, что силовая линия - это, строго говоря, геометрический объект, говорить о движении которого просто бессмысленно. Кроме того, в опытах мы имеем дело с заряженными телами, проводниками с током и т. д., а не с абстракциями вроде силовых линий. Поэтому Фарадей должен был показать, что при изучении хотя бы некоторых классов явлений нельзя ограничиться рассмотрением проводников с током и не учитывать окружающее их пространство. Так, в работе, посвященной исследованиям явлений самоиндукции, ни разу не упомянув силовые линии, Фарадей выстраивает рассказ о проделанных им экспериментах таким образом, что читатель постепенно сам приходит к выводу о том, что подлинная причина наблюдаемых явлений - не проводники с током, а нечто, находящееся в окружающем их пространстве.

Поле как предчувствие. Исследования явлений самоиндукции

В 1834 году Фарадей опубликовал девятью часть «Экспериментальных исследований», которая называлась «Об индуктивном влиянии электрического тока на самого себя и об индуктивном действии токов вообще». В этой работе Фарадей исследовал явления самоиндукции, открытые в 1832 году американским физиком Джозефом Генри (1797–1878), и показал, что они представляют частный случай изученных им ранее явлений электромагнитной индукции.

Свою работу Фарадей начинает с описания ряда явлений, состоящих в том, что при размыкании электрической цепи, содержащей длинные проводники или обмотку электромагнита, в точке разрыва контакта возникает искра или ощущается удар током, если контакт разъединяют руками. В то же время, указывает Фарадей, если проводник короткий, то никакими ухищрениями получить искру или электрический удар не удается. Тем самым выяснилось, что возникновение искры (или удара) зависит не столько от силы тока, протекавшего по проводнику до разрыва контакта, сколько от длины и конфигурации этого проводника. Поэтому Фарадей в первую очередь стремится показать, что, хотя исходной причиной искры является ток (если в цепи его не было вообще, то никакой искры, естественно, не будет), сила тока решающего значения не имеет. Для этого Фарадей описывает последовательность экспериментов, в которых длина проводника сначала увеличивается, что приводит к усилению искры, несмотря на ослабление тока в цепи из-за увеличения сопротивления. Затем этот проводник перекручивают так, чтобы ток протекал только через его небольшую часть. Сила тока при этом резко возрастает, но искра при размыкании цепи исчезает. Таким образом, ни проводник сам по себе, ни сила тока в нем не могут рассматриваться как причина искры, величина которой, как выясняется, зависит не только от длины проводника, но и от его конфигурации. Так, при сворачивании проводника в спираль, а также при введении в эту спираль железного сердечника величина искры тоже возрастает.

В продолжение изучения этих явлений Фарадей подключил параллельно месту размыкания контакта вспомогательный короткий проводник, сопротивление которого значительно больше, чем у основного проводника, но меньше, чем у искрового промежутка или у тела человека, размыкающего контакт. В результате искра при размыкании контакта исчезла, а во вспомогательном проводнике возник сильный кратковременный ток (Фарадей называет его экстратоком), направление которого оказалось противоположным направлению тока, который протекал бы через него от источника. «Эти опыты, - пишет Фарадей, - устанавливают существенное различие между первичным, или возбуждающим, током и экстратоком в отношении количества, интенсивности и даже направления; они привели меня к заключению, что экстраток тождествен с описанным мной ранее индуцированным током».

Выдвинув идею о связи изучаемых явлений с явлениями электромагнитной индукции, Фарадей далее поставил ряд остроумных экспериментов, подтверждающих эту идею. В одном из таких экспериментов рядом со спиралью, подключенной к источнику тока, помещалась другая спираль, разомкнутая. При отключении от источника тока первая спираль давала сильную искру. Однако если концы другой спирали замыкались, искра практически исчезала, а во второй спирали возникал кратковременный ток, направление которого совпадало с направлением тока в первой спирали, если цепь размыкали, и было противоположно ему, если цепь замыкали.

Установив связь двух классов явлений, Фарадей смог легко объяснить выполненные ранее опыты, а именно усиление искры при удлинении проводника, сворачивании его в спираль, введении в нее железного сердечника и т. д.: «Если наблюдать индуктивное действие провода длиной в один фут на расположенный рядом провод длиной также в один фут, то оно оказывается очень слабым; но если тот же самый ток пропустить через провод длиной в пятьдесят футов, то он будет индуцировать в соседнем пятидесятифутовом проводе в момент замыкания или размыкания контакта значительно более сильный ток, как будто каждый лишний фут провода вносит нечто в суммарное действие; по аналогии мы заключаем, что такое же явление должно иметь место и тогда, когда соединительный проводник служит одновременно проводником, в котором образуется индуцированный ток». Поэтому, делает вывод Фарадей, увеличение длины проводника, сворачивание его в спираль и введение в нее сердечника усиливает искру. К действию одного витка спирали на другой прибавляется действие размагничивающегося сердечника. При этом совокупность таких действий может и компенсировать друг друга. Например, если сложить вдвое длинный изолированный провод, то из-за противоположности индуктивных действий двух его половин искра исчезнет, хотя в распрямленном состоянии этот провод дает сильную искру. К существенному ослаблению искры приводила и замена сердечника из железа на сердечник из стали, которая размагничивается очень медленно.

Итак, проводя читателя через детальные описания совокупностей проделанных экспериментов, Фарадей, не говоря ни слова о поле, формировал у него, читателя, представление о том, что решающая роль в изучаемых явлениях принадлежит не проводникам с током, а создаваемому ими в окружающем пространстве какому-то состоянию намагниченности, точнее - скорости изменения этого состояния. Однако вопрос о том, существует ли это состояние реально и может ли оно быть предметом экспериментальных исследований, оставался открытым.

Проблема физической реальности силовых линий

Существенный шаг в доказательстве реальности силовых линий Фарадею удалось сделать в 1851 году, когда он пришел к идее обобщения понятия силовой линии. «Магнитную силовую линию, - писал Фарадей, - можно определить как линию, которую описывает небольшая магнитная стрелка, когда ее перемещают в ту или иную сторону по направлению ее длины, так что стрелка все время остается касательной к движению; или, иначе, это та линия, вдоль которой можно в любую сторону перемещать поперечный провод и в последнем не появится никакого стремления к возникновению какого-нибудь тока, между тем как при перемещении его в любом ином направлении такое стремление существует».

Силовая линия, таким образом, определялась Фарадеем на основе двух различных законов (и пониманий) действия магнитной силы: ее механического действия на магнитную стрелку и ее способности (в соответствии с законом электромагнитной индукции) порождать электрическую силу. Это двойное определение силовой линии как бы «материализовало» ее, придавало ей смысл особых, экспериментально обнаруживаемых направлений в пространстве. Поэтому Фарадей назвал такие силовые линии «физическими», полагая, что теперь сможет окончательно доказать их реальность. Проводник в таком двойном определении можно было представить замкнутым и скользящим вдоль силовых линий так, чтобы, постоянно деформируясь, он не пересекал линий. Этот проводник выделил бы некоторое условное «количество» линий, сохраняющихся при их «сгущении» или «разрежении». Такое скольжение проводника в поле магнитных сил без возникновения в нем электрического тока могло бы рассматриваться как экспериментальное доказательство сохранения количества силовых линий при их «распространении», например из полюса магнита, и, тем самым, как доказательство реальности этих линий.

Безусловно, реальный проводник практически невозможно перемещать так, чтобы он не пересекал силовые линии. Поэтому гипотезу о сохранении их количества Фарадей обосновывал иначе. Пусть магнит с полюсом N и проводник abcd расположены так, что могут вращаться по отношению друг к другу вокруг оси ad (рис. 1; рисунок выполнен автором статьи на основе рисунков Фарадея). При этом часть проводника ad проходит через отверстие в магните и имеет свободный контакт в точке d . Свободный контакт сделан и в точке c , так что участок bc может вращаться вокруг магнита, не разрывая электрической цепи, подключенной в точках a и b (тоже посредством скользящих контактов) к гальванометру. Проводник bc при полном повороте вокруг оси ad пересекает все силовые линии, выходящие из полюса магнита N. Пусть теперь проводник вращается с постоянной скоростью. Тогда, сравнивая показания гальванометра при различных положениях вращающегося проводника, например в положении abcd и в положении ab"c"d , когда проводник за полный оборот вновь пересекает все силовые линии, но уже в местах их большей разреженности, можно обнаружить, что показания гальванометра одинаковы. По мнению Фарадея, это свидетельствует о сохранении некоторого условного количества силовых линий, которым можно охарактеризовать северный полюс магнита (чем больше это «количество», тем сильнее магнит).

Вращая в своей установке (рис. 2; рисунок Фарадея) не проводник, а магнит, Фарадей приходит к выводу о сохранении количества силовых линий во внутренней области магнита. При этом в основе его рассуждений лежит предположение о том, что силовые линии не увлекаются вращающимся магнитом. Эти линии остаются «на месте», а магнит вращается среди них. В этом случае ток по величине получается таким же, как при вращении внешнего проводника. Фарадей объясняет этот результат тем, что, хотя внешняя часть проводника не пересекает линий, его внутренняя часть (cd ), вращающаяся вместе с магнитом, пересекает все линии, проходящие внутри магнита. Если же внешнюю часть проводника закрепить и вращать вместе с магнитом, то ток не возникает. Это тоже можно объяснить. Действительно, внутренняя и внешняя части проводника пересекают одно и то же количество силовых линий, направленных в одном направлении, поэтому токи, индуцируемые в обеих частях проводника, компенсируют друг друга.

Из экспериментов следовало, что внутри магнита силовые линии идут не от северного полюса к южному, а наоборот, образуя с внешними силовыми линиями замкнутые кривые, что позволило Фарадею сформулировать закон сохранения количества магнитных силовых линий во внешнем и внутреннем пространствах постоянного магнита: «Этим поразительным распределением сил, которое выявляется с помощью движущегося проводника, магнит в точности походит на электромагнитную катушку как по тому, что силовые линии протекают в виде замкнутых кругов, так и по равенству их суммы внутри и снаружи». Тем самым, понятие «количество силовых линий» получало права гражданства, благодаря чему формулировка закона пропорциональности электродвижущей силы индукции количеству силовых линий, пересекаемых проводником в единицу времени, приобретала физический смысл.

Однако Фарадей признавал, что полученные им результаты не являются окончательным доказательством реальности силовых линий. Для такого доказательства, писал он, надо «установить отношение силовых линий ко времени», т. е. показать, что эти линии могут перемещаться в пространстве с конечной скоростью и, следовательно, могут быть обнаружены какими-либо физическими методами.

Важно подчеркнуть, что проблема «физических силовых линий» не имела для Фарадея ничего общего с попытками непосредственного обнаружения обычных силовых линий. Со времени открытия электромагнитной индукции Фарадей верил, что и обычные силовые линии, и законы электромагнетизма - это проявления каких-то особых свойств материи, ее особого состояния, которое ученый назвал электротоническим. При этом вопрос о сущности этого состояния и его связи с известными формами материи являлся, считал Фарадей, открытым: «Каково это состояние и от чего оно зависит, мы сейчас не можем сказать. Может быть, оно обусловлено эфиром, подобно световому лучу... Может быть, это - состояние напряжения, или состояние колебания, или еще какое-либо состояние, аналогичное электрическому току, с которым так тесно связаны магнитные силы. Необходимо ли для поддержания этого состояния присутствие материи, зависит от того, что понимать под словом «материя». Если понятие материи ограничить весомыми или тяготеющими веществами, тогда присутствие материи столь же мало существенно для физических линий магнитной силы, как для лучей света и теплоты. Но если, допуская эфир, мы примем, что это - род материи, тогда силовые линии могут зависеть от каких-либо ее действий».

Столь пристальное внимание, которое Фарадей уделял силовым линиям, было обусловлено в первую очередь тем, что он видел в них мостик, ведущий в какой-то совершенно новый мир. Однако пройти по этому мостику было трудно даже такому гениальному экспериментатору, как Фарадей. Собственно, эта задача вообще не допускала чисто экспериментального решения. Однако в пространство между силовыми линиями можно было попытаться проникнуть математически. Именно это и сделал Максвелл. Его знаменитые уравнения стали тем инструментом, который позволил проникнуть в несуществующие промежутки между силовыми линиями Фарадея и, в результате, обнаружить там новую физическую реальность. Но это уже другая история - история о Великом Теоретике.

Имеется в виду книга Р. Фейнмана, Р. Лейтона и М. Сэндса «Фейнмановские лекции по физике» (М.: Мир, 1967) (Прим. ред. )
В русском переводе первый том этой книги вышел в 1947 году, второй - в 1951, а третий - в 1959 году в серии «Классики науки» (М.: Издательство АН СССР). (Прим. ред. )
В 1892 году Уильям Томсон был удостоен дворянского титула «лорд Кельвин» за фундаментальные работы в различных областях физики, в частности по прокладке трансатлантического кабеля, связавшего Англию и США.