Идея близкодействия в работах Фарадея

Идея близкодействия в работах Фарадея. Не буду подробно рассматривать всего, что сделал Фарадей для физики, перечислю лишь основные его открытия, остановившись подробно только на работах, связанных с обоснованием концепции близкодействия.

К числу основных открытий Фарадея относятся следующие а открытие сжижения газов и предвидение существования критической температуры а открытие вращения проводника с током вокруг магнита, что явилось прообразом современного электродвигателя а открытие явления электромагнитной индукции и самоиндукции, что позволило ему создать первую действующую модель униполярной динамо-машины а доказательство единой природы разного вида электричества, получаемого различными способами а установление законов электролиза и выдвижение идеи об атомарности электричества а создание теории электростатической индукции и поляризации диэлектриков, введение понятия диэлектрической проницаемости а изучение магнитных свойств вещества, открытие диа- и парамагнетизма а изучение проводимости газов а открытие вращения плоскости поляризации света под действием магнетизма а создание основ учения о поле. Обращусь к тем работам Фарадея, которые наиболее близки к проблеме поля, и прежде всего к открытию электромагнитной индукции.

Опыты Эрстеда и работы Ампера, доказавшие связь электричества и магнетизма, вызвали у молодого Фарадея глубокий интерес к электромагнетизму.

И это понятно - идея взаимосвязи явлений, единства сил природы была ведущей и мировоззрении Фарадея Я давно придерживаюсь мнения, ставшего почти убеждением, что различные формы, в которых проявляются силы материи, имеют общее происхождение или так взаимосвязаны, что они могут превращаться друг в друга. Не удивительно поэтому, что уже в 1821 г. он записывает в своем дневнике в качестве задачи Превратить магнетизм в электричество. После этого он все время носит в кармане магнит и проволоку, может быть, для того, чтобы они были постоянным напоминанием о поставленной цели и всегда были под руками для проверки возникающих мыслей.

Соображения симметрии невольно наталкивают на мысль если за счет электричества создается магнетизм, то должно быть справедливым и обратное суждение.

Мысль Фарадея 11 лет занята этой проблемой, но способ ее решения долго не давался в руки. Почему идея тех опытов, которые может выполнить ныне каждый старшеклассник, оказалась столь трудной для Фарадея, человека необычайного ума? Причин тут много. И прежде всего трудности теоретического характера. В науке того времени только зарождались понятия электрического тока, силы тока, напряжения, была неизвестна природа магнетизма.

К этому добавлялись трудности технического характера. Чтобы ныне обнаружить ЭДС индукции, используют многовитковую катушку. В то время только что узнали о том, что магнетизм тока усилится, если провод скрутить в спираль, но еще не имели способа изолировать провод. Индукционные токи на уроках физики регистрируются ныне гальванометром с чувствительностью 10-5 А дел, а тогда ток измерялся по отклонению магнитной стрелки. Чтобы стрелка заметно отклонилась, надо было пропускать по проводнику большой ток, а индукционные токи слабые.

К тому же стрелка-индикатор не должна испытывать влияния магнита, которым возбуждается ток. Для этого катушку удаляли от индикатора подчас в другое помещение. Вдвинув магнит в катушку, надо было идти смотреть на стрелку-индикатор, которая, естественно к этому времени уже приходила в состояние покоя. Отсутствие эффекта связывали со слабостью магнита. Так что 11 лет поисков для того времени - срок вполне объяснимый. Строго говоря, явление электромагнитной индукции обнаружил раньше Фарадея Джозеф Генри, американский физик, который одним из первых начал изолировать не магнит от голого провода, а сам провод, обматывая его полосками шелка.

Но Генри не сообщил о своем открытии, увлекшись опытами по созданию электромагнитов, и к тому же у него была и другая причина - его высокая требовательность хотелось свести полученные результаты в какую- то систему. Фарадей же идет не на ощупь, он сознательно ищет эффект, подсказанный ему его общими взглядами на мир. Он варьирует ЭДС батареи, магниты, габариты и формы проводников, число витков в катушке.

Очень общая первоначально идея постепенно конкретизируется. Уже в 1825 г. он высказывает мысль если ток действует на магнит, то и сам ток должен испытывать противодействие со стороны магнита, но изменения тока в катушке при введении в нее магнита не обнаружилось слабой была, конечно, возникшая в этом опыте ЭДС индукции , Тогда Фарадей выдвигает другую мысль.

Ток есть движение электрической жидкости, которая, перемещаясь по виткам соленоида, вызывает, по гипотезе Ампера, круговые токи в железном сердечнике, обусловливая его намагничивание. Тогда движущаяся жидкость в одном проводнике должна заставить двигаться электрическую жидкость в расположенном рядом проводнике, т.е. вызвать индукционный ток. Опыт с прямыми проводниками неудачен. Фарадей узнает об открытом Генри усилении магнетизма при использовании многослойной обмотки и берет уже не прямые проводники, а катушки. 29 августа 1831 г. при замыкании цепи тока в одной из катушек стрелка гальванометра, включенного в цепь другой катушки, отклонилась, а затем вновь вернулась в исходное положение, хотя по первой катушке ток продолжал идти. Фарадей размыкает цепь первой катушки и опять наблюдает отклонение стрелки.

Долгожданный эффект получился, но он кратковременный и связан не с прохождением тока, а с его изменением. Опыты продолжаются и в следующие дни. А может быть, чтобы возбудить длительный ток в катушке за счет тока в другой, рядом расположенной катушке, надо сблизить эти катушки? Фарадей перемещает их относительно друг друга и обнаруживает, что ток возникает, если катушки движутся.

Около месяца идут дальнейшие поиски условий возникновения тока. А 24 сентября Фарадей возбуждает ток в катушке, манипулируя постоянным магнитом. 17 октября подобные опыты приводят к выводу Электрическая волна ток возникает только при движении магнита, а не в силу свойств, присущих ему в покое . 28 октября Фарадей получает индукционный ток, снимаемый с оси и обода медного диска, вращаемого между полюсами подковообразного магнита.

Эта установка представляет собой первый генератор электрического тока. Такова очень приблизительная и упрощенная реставрация процесса установления Фарадеем явления электромагнитной индукции. Объяснение явления электромагнитной индукции, а также рассмотрение электрических и магнитных процессов, которые происходят в веществе под влиянием заряженных тел и магнитов, привели Фарадея к выдвижению идеи близкодействия, реализовавшейся в конце концов в идее существования поля. Проследить ход мыслей Фарадея, а тем более просто и доступно изложить его нелегко, поэтому ограничусь лишь упрощенным изложением его окончательных идей. Почему Фарадей в отличие от всех своих предшественников встает на позиции близкодействия? До него все внимание исследователей было обращено на силы, с которыми взаимодействуют заряды и токи, а не на процессы, происходящие в разделяющей среде.

Фарадей же первым тщательно изучил процессы, происходящие в веществе под влиянием зарядов, магнитов и токов.

Он рассматривал электрическую индукцию в проводниках и поляризацию диэлектриков. До него диэлектрик считался пассивным агентом, удерживающим электричество в проводниках. Фарадей же обратил внимание на роль среды он, например, обнаружил зависимость емкости конденсатора от рода диэлектрика. Почему на поверхностях проводника и диэлектрика под влиянием заряженного тела возникают заряды противоположного знака? Ученый объяснил это тем, что под влиянием заряженного тела в веществе происходит поляризация, своеобразное разделение зарядов в частицах, ближайших к наэлектризованному телу как это действительно происходит в диэлектриках с неполярными молекулами. Поляризованные частицы подобным же образом поляризуют смежные с ними, так что в среде происходит процесс передачи электрического действия, распространяющийся постепенно от точки к точке.

Подобным же образом происходит по Фарадею и процесс намагничивания.

До Фарадея магнитными материалами считали лишь небольшое число веществ. Фарадей обнаружил, что все вещества могут намагничиваться и магнитное действие, подобно поляризации, постепенно передается от одной частицы среды к другой. Итак, передача электрического и магнитного действия в веществе есть процесс не мгновенный, а длящийся некоторое время. Вот она первоначальная концепция близкодействия! Фарадей вводит понятие о силовых линиях.

Пока речь идет об электродинамических процессах в веществе, Фарадей рассматривает силовые линии как формальные линии действия силы, а не реальные образования. Как же передается действие силы в вакууме? Может быть, позволительно предполагать здесь, как и в других областях, гипотетический эфир? И считая пространство заполненным особой средой - эфиром, Фарадей рассматривает силовые линии как материальные образования, подобные резиновым жгутам, находящимся в натянутом состоянии.

Понятие силовых линий позволяет ему более определенно сформулировать закон электромагнитной индукции Количество электричества, вовлеченное в движение, прямо пропорционально количеству пересеченных линий, т.е. ЭДС индукции возникает лишь тогда, когда проводник пересекает силовые линии. Создается впечатление, что Фарадей представлял себе вовлечение в движение электрической жидкости в проводнике как процесс, вызванный действием реальных образований линий на электрическую жидкость в проводнике.

Взаимодействие зарядов он рассматривал как процесс, обусловленный взаимодействием находящихся в состоянии натяжения линий, которые в случае разноименных зарядов, стремясь выпрямиться, стягивают заряды, в случае одноименных зарядов отталкиваются друг от друга как упругие жгуты, обеспечивая отталкивание самих зарядов вспомним спектры соответствующих полей. Представление о силовых линиях как реальных образованиях имеющихся и в вакууме, и в веществе, позволяло просто и наглядно объяснить многие явления.

В частности, известный опыт Араго вращение металлического диска за счет вращения рядом расположенного магнита получил простое объяснение силовые линии вращающегося магнита воздействуют на электрическую жидкость в диске и как упругие образования вызывают его вращение. Впрочем, не следует переоценивать роль этих наглядных моделей-образов. Фарадей прекрасно понимал условность этих моделей и не считал эти представления законченными и единственно возможными.

В ходе последующего развития науки Фарадеевское представление о силовых линиях как реальных образованиях в эфире было отброшено, но существо его идей получило полное признание. По Фарадею, электромагнитное взаимодействие зарядов и токов обусловлено процессами, происходящими в окружающей их среде вне зависимости от того, вакуум это или вещество. В обоих случаях есть некий посредник, окружающий заряды и токи и обеспечивающий их взаимодействие. Является ли им эфир, в котором имеются силовые линии как реальные объекты, или это какое-то другое образование, Фарадей не предрешает и не высказывает окончательных суждений, предоставляя потомкам решить этот сложный вопрос.

Реальность силовых линий у Фарадея во многом связана с тем, что эти линии во всяком случае для магнитного поля не есть прямые. Ведь в концепции ньютоновского дальнодействия силы носят центральный характер, т.е. действуют по прямым, соединяющим взаимодействующие тела. Обнаружение того, что линии действия электродинамических тел есть кривые, и наводит Фарадея на мысль, что это не просто формальные изображения линий действия сил, а реальные образования.

Итак, распространение электрических и магнитных действий происходит как процесс, осуществляющийся в среде и требующий времени электрические и магнитные возбуждения могут существовать независимо от источника и приемника. Более того, Фарадей высказывает догадку, что это распространение действия осуществляется волнообразно.

В 1832 г. в разгар исследований по электромагнитной индукции Фарадей подготовил письмо о своих взглядах на проблему электромагнитного взаимодействия, закрепляющее его приоритет. В этом письме, которое обнаружили через 100 лет, Фарадей пишет На распространение магнитного воздействия требуется время Я полагаю, что и электрическая индукция распространяется таким же образом, что распространение магнитных сил от магнитного полюса похоже на колебание взволнованной водной поверхности или же на звуковые колебания частиц воздуха, т.е. я намерен приложить теорию колебаний к магнитным явлениям и к электрической индукции. Итак, пусть Фарадей не сформулировал четко понятие поля, но суть всех его воззрений сводится к тому, что все взаимодействия осуществляются посредством особой материальной среды, передающей за конечное время процесс взаимодействия зарядов и токов.

А это и значит, что Фарадей, по сути дела, ввел в физику идею поля, превратив заряды и токи из главных действующих лиц на арене электромагнитного взаимодействия во вспомогательные и передав главные роли среде, считая, что материя присутствует везде, и нет промежуточного пространства, не занятого ею. Но лучше всего об этом сказал Максвелл Фарадей своим мысленным взором видел линии сил, проходящие через все пространство, там, где математики видели центры сил, притягивающихся на расстоянии.

Фарадей видел среду там, где они не видели ничего, кроме расстояния. Фарадей видел источник явлений в реальных процессах, происходящих в среде.

Они же были удовлетворены тем, что нашли его в действующей на расстоянии силе, приложенной к электрическим флюидам. А теперь несколько слов о том, как Фарадей жил и каким он был человеком. Фарадей родился в семье лондонского кузнеца и, как пишет его биограф, вырос среди людей, принадлежащих к обширному классу, живущему тяжелейшим физическим трудом, в условиях, в которых он мог получить лишь немного духовной пищи. К 13 годам он закончил свое официальное образование в школе, так как надо было работать.

Трудовой путь он начинает учеником в книжной лавке, при которой была и переплетная мастерская. Будучи выходцем из среды простых рабочих людей, он до конца жизни сохранил глубокое уважение к людям труда. Работая в книжной лавке, он много читает. Об этих годах он пишет Не думайте, что я был глубоким мыслителем или отличался ранним развитием. Верил столько же в Тысячу и одну ночь, сколько в Энциклопедию. Но факты были важнее всего для меня, и это меня спасло.

Факту я мог довериться но каждому утверждению я мог всегда противопоставить возражение. Прочитав книгу Беседы по химии, он проверил опытами изложенное в ней, чтобы убедиться, что книга соответствует фактам, насколько я их понимал. Уже в эти годы у него развивается критическое мышление и глубочайшее уважение к фактам. Интерес к знаниям побуждает его посещать публичные лекции выдающегося физика и химика Хемфри Дэви. Естественнонаучные проблемы увлекают Фарадея, и он решает связать свою судьбу с изучением природы.

Он пишет Дэви письмо с просьбой предоставить ему любую работу в лаборатории и прилагает к письму отлично переплетенные собственные конспекты прослушанных лекций Дэви. Я желаю совершенно оставить ремесло и поступить на службу науке, которая делает своих поборников столь же добрыми, насколько ремесло - злыми и себялюбивыми. Дэви вначале отказывает Фарадею ввиду отсутствия вакансии и предупреждает его, что наука - особа черствая, и она в денежном отношении лишь скупо вознаграждает тех, кто посвящает себя служению ей. А администратор института, с которым советуется Дэви на счет просьбы Фарадея, отвечает Пусть моет посуду.

Если что-нибудь стоит, то начнет работать. Ежели откажется, то значит никуда не годится. Помог Фарадею несчастный случай. Взрывом колбы в лаборатории были повреждены глаза Дэви, и он не мог ни читать, ни писать, а потому решает взять Фарадея секретарем. Через некоторое время Фарадей становится лаборантом Дэви. В будущем, когда Дэви спросят о самом главном его научном достижении, он ответит Самым важным моим открытием было открытие Фарадея. Поездка с Дэви в Европу, встречи с такими учеными, как Ампер, Гей- Люссак, Вольта, во многом способствовали научному становлению Фарадея, который помогал Дэви в его опытах во время лекций, участвовал в беседах с учеными.

Из Европы он писал Я научился понимать свое невежество, стыжусь своих разнообразных недостатков и желаю воспользоваться теперь случаем исправить их. Но это лишь начало его научного пути, и столь самокритичная оценка вполне естественна.

Пройдут годы, а Фарадей, став признанным ученым с мировой известностью, останется столь же строгим к себе и столь же скромным. В последние годы жизни он дважды отклоняет почетнейшее предложение стать президентом Королевского общества - высшего научного учреждения Англии. Столь же категорично он отказывается от предложения о возведении его в рыцарское звание, дающее ему ряд прав и почестей, в числе которых и такое, как превращение в сэра Майкла Фарадея. Простота, благожелательность, доброта, скромность - вот его характернейшие черты.

Фарадей не был математиком. Его научная работа всегда связана с экспериментом. Все свои опыты в том числе и неудачные он со скрупулезной тщательностью записывал в особом дневнике, который потом вышел в виде обширного труда Экспериментальные исследования по электричеству. Последний параграф дневника помечен номером 16041. Всего с1816 по 1862 г. он опубликовал 220 работ.

В дневниках Фарадея не было ни одной формулы, и тем не менее это был один из глубочайших теоретиков, ценящий не математический аппарат, а физическую суть, механизм явлений. В записках Фарадея обнаружена школа научных заслуг, содержащая четыре ступени открытие нового факта сведение его к известным принципам открытие факта, не сводимого к известным принципам сведение всех фактов к еще более высоким принципам. Открытия самого Фарадея - высшая ступень по его шкале.

В своих экспериментальных исследованиях Фарадей не щадил себя. Он не обращал внимание на проливающуюся ртуть, столь широко использующуюся в опытах того времени, и это укоротило его жизнь. Не обходилось и без взрывов приборов при исследовании сжижения газов. В одном письме он пишет В прошлую субботу у меня случился один взрыв, который опять поранил мне глаза Первое время глаза мои были прямо-таки набиты кусочками стекла. Из них вынули тринадцать осколков. Его научное кредо, которым он руководствовался всю жизнь, выражено в следующих словах Ученый должен быть человеком, который стремится выслушать любое предположение, но сам определяет, справедливо ли оно. Внешние признаки явлений не должны связывать суждений ученого, у него не должно быть излюбленной гипотезы, он обязан быть вне школ и не иметь авторитетов.

Он должен относиться почтительно не к личностям, а к предметам. Истина должна быть главной целью его исследований. Если к этим качествам добавиться еще трудолюбие, то он может надеяться приподнять завесу в храме природы. До последних дней Фарадей сохранил верность своим жизненным идеалам. Ослабевали возможности к напряженной умственной работе, но оставались высочайшая порядочность, доброта, честность.

В 70 лет он, блестящий лектор, решает покинуть институт. Здесь я провел счастливые годы, но настало время уйти из-за потери памяти и усталости мозга. В числе мотивов ухода тускнеют и забываются прежние представления о правах, чувстве собственного достоинства и самоуважения.

Сильная потребность поступать справедливо по отношению к другим и неспособность сделать это. Удалиться. Последнюю лекцию он прервал, обратившись к слушателям со своими сомнениями - не слишком ли долго он находится с ними. Поднявшаяся в едином порыве аудитория овациями заставила его вернуться на кафедру. 25 августа 1867 г. в возрасте семидесяти пяти лет Фарадей умер. Дело Фарадея по обоснованию понятия поля продолжил другой величайший английский физик - Джеймс Клерк Максвелл 1831-1879 . 6.