Фарадей. Электромагнитная индукция

Когда Фарадей начал работу в Королевском институте, электричество еще считалось частью химии, прежде всего потому что батарейка, изобретенная итальянским физиком Алессандро Вольтой в 1800 году, позволяла получать электричество химическим способом.

Поэтому Фарадей продолжал свои исследования в области физики с использованием методов, характерных в его эпоху для химии. Был и другой фактор, благоприятствующий склонности Фарадея к этой науке: в химии не было математики, которой он не владел, при этом она включала активные опыты с природными явлениями, а Фарадей стал знаменит именно как экспериментатор.

Несмотря на поздний возраст для вступления на научную стезю, ученый под руководством Гемфри Дэви сразу же получил известность среди химиков. Позднее, в 1823 году, он провел ряд успешных экспериментов, также лежащих в области химии, по сжижению газов под давлением.

Первые химические работы Фарадея появились благодаря его учителю Дэви, которому в 1808 и 1809 годах удалось выделить натрий и калий с помощью самой большой в мире батарейки, созданной самим Дэви. Через год он использовал батарейку для выделения других элементов: стронция, бора, кальция и магния; в 1810-м — хлора; в 1812-м — йода; в 1826-м — брома. Этот успех был таким эффектным, что Наполеон, несмотря на то что Франция находилась в состоянии войны с Англией, наградил Дэви престижной премией Бонапарта Французской академии наук. Фарадей самостоятельно открыл в 1825 году бензол, который позже будет играть решающую роль в работах о молекулярной структуре Августа Кекуле (1829–1896).

ПЕРВЫЕ ОТКРЫТИЯ

Несмотря на то что Дэви принял Фарадея на работу, чтобы тот просто мыл пробирки и выполнял аналогичные задания, Майкл согласился на эти условия, пользуясь любой возможностью для того, чтобы приблизиться к настоящей науке.

Некоторое время спустя, в октябре 1814 года, Дэви попросил Фарадея стать его помощником и камердинером во время путешествия за границу. Для другого человека, не обладавшего скромностью Фарадея, это стало бы невыносимым унижением: сначала мойщик пробирок, теперь слуга. Ho Фарадей решил воспользоваться возможностью путешествовать с Дэви и увидеть Париж и города Италии — Геную, Флоренцию, Рим, Неаполь, Милан. Во время поездки он познакомился с лучшими учеными Европы — Алессандро Вольтой, которому было уже 70 лет, Андре-Мари Ампером, чьи публикации Фарадей с жадностью прочел еще в переплетной мастерской Рибо. Фарадей всегда носил с собой дневник, в котором тщательно описывал важные события, чтобы не забыть деталей, поэтому сейчас мы можем прочесть его впечатления от посещения Неаполя и восхождения на Везувий:

Путешествие длилось полтора года, за это время Фарадей немного научился говорить на французском и итальянском.

Кроме того, должность камердинера и готовность выполнить любую просьбу Дэви принесли свои плоды: по возвращении в Лондон Дэви в качестве компенсации обеспечил Фарадею двойное повышение по службе — Майкл стал ответственным за оборудование, помощником в лаборатории и коллекции минералов, а также получил разрешение проводить самостоятельные эксперименты.

Итак, скромное поведение бедного переплетчика позволило ему поступить в Королевский институт. Гемфри Дэви взял над ним покровительство, и Фарадей смог путешествовать по Европе и знакомиться со знаменитыми учеными — именно так жили молодые британские аристократы после нескольких лет учебы в Оксфорде или Кембридже. Кроме того, перед исследователем открывалась первая возможность ставить собственные опыты. Фарадей, не обладая ни деньгами, ни связями, умудрился получить такое же образование, как и любой другой студент высокого происхождения.

ПЕРВЫЙ СОБСТВЕННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

В 1815 году, после возвращения в Англию, Фарадей длительное время занимался подготовкой материалов для лекторов Королевского института, а также проводил химический анализ проб воды, взятых в разных регионах Великобритании. Кроме того, он помогал Дэви в его исследованиях, среди которых можно выделить изобретение лампы для горняков. По всей видимости, мысль о данном изобретении, в конечном итоге спасшем много горных рабочих, пришла в голову Дэви из-за несчастного случая, произошедшего в 1812 году, когда от взрыва на глубине 180 метров погибли 92 взрослых и ребенка. Подземный газ метан, содержавшийся в рудничном газе, легко воспламенялся от свечей и ламп, используемых горняками. Дэви сконструировал лампу, в которую метан проникал и выходил через маленькие трубки. Пламя было защищено сеткой из проволоки с 127 отверстиями на квадратный сантиметр, поэтому тепло от лампы не распространялось наружу и не вызывало воспламенения газа.

Однако возможность показать себя представилась Фарадею несколько позже. Его первым собственным экспериментом стал анализ образца негашеной извести, взятого в Италии. Результаты этого эксперимента были опубликованы в 1816 году в Quarterly Journal of Science под заглавием «Анализ каустического известняка из Тосканы». Благодаря передовому техническому оборудованию, которое попало в распоряжение Фарадея, он сразу же проявил себя как прекрасный экспериментатор, так что распространилось мнение, что его по заслугам можно назвать достойным преемником Дэви.

Вскоре Фарадей открыл два хлорида углерода и вместе с Ричардом Филлипсом подтвердил наличие третьего. В 1826 году он установил, что каучук состоит из углеводородных цепей, и предположил, что в дальнейшем будет возможно создание синтетического каучука. Это открытие для той эпохи нельзя недооценивать, так как каучук — довольно странное вещество. Когда европейцы (это были португальцы), вернувшиеся из Бразилии, привезли первые образцы каучука, многие решили, что это вещество наверняка связано с колдовством: его кусочки не только обладали эластичностью, но и могли стирать написанное карандашом — так появилась первая в истории резинка (до этого вместо нее использовали хлебный мякиш).

Затруднение состояло в том, что дерево (Hevea brasilensis), из которого получали каучук, росло только в Южной Америке. Одному английскому биологу пришлось перевезти на родину 70 тысяч его семян. В 1770 году инженер Эдвард Нэрн (1726–1806) впервые начал продавать в Лондоне маленькие блоки каучука, которые предполагалось использовать в качестве стирательной резинки, стоили они по три шиллинга, и такая цена делала их настоящим предметом роскоши. При этом блоки быстро портились и начинали издавать ужасный запах. Проблема была решена только в 1839 году, когда американец Чарльз Гудьир (1800–1860) обнаружил, что при нагревании каучука с серой масса становилась менее липкой, более твердой, сохраняла при этом эластичность и, самое главное, больше не портилась. Процесс назвали вулканизацией в честь римского бога огня Вулкана.

ОТКРЫТИЕ БЕНЗОЛА

Одно из самых важных открытий Фарадея в области химии было связано с его братом, китами и прозрачной бесцветной жидкостью, имевшей запах миндаля.

В середине 1820-х годов старший брат Фарадея, Роберт, начал работать в компании по поставкам газа, использовавшей в качестве сырья китовое масло — вещество, дающее лучший свет в ту эпоху.

Масло получали из спермацета, содержащегося в голове кашалота. От одного кашалота можно было получить до трех тонн спермацета. Моряки назвали это вещество так, потому что при контакте с воздухом оно из жидкого и прозрачного превращалось в беловатый крем. Его природная функция до сих пор неизвестна, возможно, спермацет требуется кашалоту, чтобы избежать декомпрессии при плавании на глубинах более 500 метров. Продукт был очень ценным: он использовался для освещения, в качестве эмолента при производстве мыла и красок, так что, по оценкам, с 1830 по 1870 год было истреблено около 300 тысяч китов. Спрос был настолько высок, что около 1850 года галлон китового масла продавался за 2,5 доллара — половину недельной зарплаты рабочего.

В процессе распределения газа по емкостям образовывались отходы в виде легкого масла. Фарадей сделал его анализ в 1825 году. После длительной и трудоемкой процедуры дистилляции, в течение которой нужно было отделить сотни составляющих, ученый получил вещество, распространяющее аромат, похожий на миндальный. Это был очищенный углеводород, который Фарадей назвал бикарбидом водорода, так как он состоял из водорода и углерода. Позднее, в 1834 году, немецкий химик Эйльхард Митчерлих (1794–1863) дал этому углеводороду название бензол.

В начале развития органической химии органические соединения разделялись на ароматические (душистые) и алифатические (жирные). Первые соединения имели различные запахи, например толуол пах ванилью и корицей. В основном все запахи были приятными, отсюда и название «ароматические».

Когда позднее была изучена необыкновенная стабильность связи водород — углерод в других соединениях, термин «ароматические» распространился на все соединения, обладавшие такой стабильностью независимо от запаха.

В 1865 году немецкий химик Фридрих Кекуле увидел сон, в котором змея кусала себя за хвост, и открыл кольцевую структуру молекулы бензола за два года до смерти Фарадея. В ту эпоху уже было известно, что бензол состоит из шести атомов углерода и шести атомов водорода (C₆H₆), но структура его молекулы была неясна.

Кекуле уверял, что идея, приведшая его к открытию структуры молекулы ароматического углеводорода бензола, возникла у него после увиденного сна, в котором появлялась змея, кусавшая себя за хвост, — традиционный символ древнейших культур, известный как уроборос. Это и привело ученого к идее рассмотреть возможность кольцевой молекулы бензола.

В 1865 году Кекуле опубликовал статью, в которой высказал мнение, что атомы углерода составляют замкнутую структуру в виде шестиугольника, используя поочередно одну или две валентности для соединения между собой, а атомы водорода присоединяются к оставшимся валентностям (см. схему). Это новое понимание структуры бензола и всех ароматических соединений оказалось очень важным для дальнейшего развития науки.

Сегодня бензол — один из основных химических продуктов по мировым объемам производства, количество способов его применения бесконечно: он используется при изготовлении разных видов резин, смазок, красок, порошков, медикаментов, пестицидов, на его основе производятся другие химические продукты, используемые при изготовлении пластмасс, смол и синтетических волокон, в том числе кевлар. Хотя свойства бензола сегодня изучены наиболее хорошо по сравнению с другими органическими соединениями, точная химическая структура вещества не была определена до недавнего времени — 1931 года.

Продолжительное воздействие бензола может вызывать лейкемию — уменьшение количества красных кровяных телец и увеличение белых.

Фарадей объединил результаты всех исследований в области химии в работе «Химические манипуляции» (Chemical manipulation), в которую включил и открытие бензола — свое последнее важное открытие, относящееся исключительно к области химии. Книга понятна даже неспециалистам, так как адресована студентам, не имеющим предварительных знаний по предмету. Фарадей избегал в ней сложных теоретических описаний, характерных для учебников той эпохи, и акцентировал внимание на экспериментах, так что работу можно считать своеобразным практическим руководством по химическим процессам.

СЖИЖЕНИЕ ГАЗОВ

Вернемся на несколько лет назад, в 1823 год, когда, используя сжатие и охлаждение, Фарадей смог добиться сжижения различных газов — хлора, диоксида водорода, сульфгидрильной кислоты — и опубликовал первое серьезное исследование по сжижению газов, что было его важнейшим открытием в области химии. Ученый также стал пионером криогенеза и первым получил температуру ниже 100 градусов по Фаренгейту.

Процесс сжижения газов состоит в общем виде из нескольких этапов, включающих изменение температуры и давления для перевода вещества из газообразного состояния в жидкое. Уже в 1681 году Дени Папен установил, что вода в закрытой емкости остается в жидком состоянии даже при превышении температуры кипения 100 ºС. С тех пор велись исследования, чтобы выяснить роль давления и температуры в процессах сжижения газов. В 1783 году Джеймс Уатт, создатель первой паровой машины, открыл, что латентное тепло парообразования (или энергия, необходимая для перехода из жидкого состояния в газообразное) изменяется с увеличением давления.

При увеличении давления и повышении предела точки кипения Уатт наблюдал, что латентное тепло постепенно уменьшается до достижения предела, в котором практически пропадает.

Фарадей знал о возможности сжижения газов: с 1799 года — аммиака (NH₃) с помощью сжатия или охлаждения, с 1800 года — диоксида серы (SO₂) с помощью охлаждения, хлора (Cl₂) с помощью сжатия. В 1823 году ученый осуществил серию экспериментов, являющихся первой попыткой систематизировать исследования по сжижению газов. Во время этих экспериментов были сжижены диоксид углерода (CO₂), диоксид серы (SO₂), оксид азота (N₂O), этилен (C₂H₄), моноксид азота (NO), аммиак (NH₃), хлоргидридная кислота (ClH), хлор (Cl₂), сульфгидрильная кислота (SH₂), цианистоводородная кислота (CNH). Также он смог добиться сжижения водорода (H₂), кислорода (O₂), азота (N₂) и моноксида углерода (CO).

В 1845 году Фарадей вернулся к своим экспериментам и пришел к выводу: при достижении определенной температуры маловероятно, что увеличение давления, за исключением очень больших скачков, превратит газ в жидкость. Хотя он рассматривал и другую возможность — что некоторые газы, которые он не смог превратить в жидкость, являются постоянными, то есть газами, сжижение которых невозможно. Сегодня известно, что все газы можно подвергнуть сжижению. В 1869 году ирландский химик Томас Эндрюс (1813–1885) открыл, что диоксид углерода можно превратить в жидкость под давлением при температуре ниже 31 ºС. Выше этой температуры невозможно достичь давления, которое могло бы превратить этот газ в жидкость.

Все эксперименты подкрепляли атомные гипотезы той эпохи. В случае с водой, например, объяснялось, что плотность жидкости выше плотности газа, соответственно при сжатии газа возможно сжать или приблизить друг к другу атомы, при этом будет «выжиматься» теплота. Также существовало мнение, что можно сжижать вещества при достаточном охлаждении на основании того, что при нагревании они испаряются. В течение XIX и первой половины XX века было выяснено: все вещества могут становиться твердыми или, по крайней мере, сжижаться до достижения температуры -273ºC, что является наименьшей теоретически возможной температурой.

В заключение можно сказать, что все газы могут быть сжижены, но существуют температурные пределы, выше которых сжижение некоторых газов невозможно даже при воздействии на них колоссальным давлением. Этот предел называется критической температурой газа. Также существует величина критического давления, измеряемая в атмосферах[1], определяющая необходимую величину давления для сжижения газа при его критической температуре.

Так, для углекислого газа критическая температура равна 31ºС, критическое давление — 73 атмосферам; для кислорода — 119ºC и 50 атмосфер; для азота — 147ºC и 34 атмосферы; для аммиака — 132ºС и 112 атмосфер.

СЕКРЕТЫ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО УСПЕХА ФАРАДЕЯ

Среди характерных черт Фарадея (например, способность к самообучению и влияние религии на мышление) нужно подчеркнуть и его приверженность в исследованиях некоторым интеллектуальным установкам, которые помогли ему добиться признания. Эти установки ученый почерпнул в книге «Совершенствование разума» (1815, The improvement of the mind) Исаака Уоттса (1674–1748), которую он в юности переплетал в книжной лавке Рибо.

Уоттс говорил, что в первую очередь нужно поддерживать обширную переписку. В течение своей жизни Фарадей обменивался письмами с учеными и экспертами по всем дисциплинам. Также необходимо иметь сотрудников, с которыми можно обсуждать идеи. Фарадей сразу понял, что научная работа — это не борьба героев-одиночек в поисках ускользающей правды, это скорее обмен мнениями, сотрудничество. По мере возможности необходимо избегать деструктивных споров: личные конфликты никаким образом не способствует поиску научного знания.

Также Уоттс настаивал на том, что необходимо проверять все, что говорится и делается без обобщений, а говорить и писать нужно точно и понятно. Как мы видим, Фарадей был прекрасным писателем, способным дать представление о своих открытиях в понятной и четкой форме, не прибегая к математическим уравнениям, будто бы перенося свой ясный ход мыслей на бумагу. Также он стал одним из крупнейших популяризаторов науки своей эпохи, особенно это касалось его участия в публичных лекциях.

Еще одним важным аспектом, который выделял Уоттс, было ведение постоянных записей в блокноте. Фарадей строго следовал этому правилу и даже планировал собственноручно переплести все свои записи, чтобы получить большую книгу обо всех вещах, которые он узнал и не хотел бы забыть. Стремясь к порядку, ученый преобразовывал все данные, полученные в ходе экспериментов, в письменные работы — так он сам следовал собственному лозунгу, который однажды раскрыл английскому химику Уильяму Круксу: «Работай. Заверши. Опубликуй». Кроме 450 статей, его наследие включает следующие публикации: «Химические манипуляции» (изложение в четырех томах исследований Фарадея в области химии, 1827), «Экспериментальные исследования по химии и физике» (дополнение к предыдущей работе, 1859), «Экспериментальные исследования по электричеству» (три тома, опубликованных с 1839 по 1855 год), «Силы материи и их взаимоотношения» и «История свечи» (обе работы основаны на рождественских лекциях для юношества за 1860 и 1861 год соответственно), «Дневник Фарадея» (изложение семи томов рукописных записей ученого по лабораторным исследованиям в Королевском институте с 1820 по 1862 год).

Фарадей записывал различные идеи, которые надеялся однажды рассмотреть подробнее, а также вопросы, требовавшие ответов. Вопросы, на которые ему удавалось найти ответ, вычеркивались из списка, рядом он ставил дату, когда нашел решение. Например, среди ряда его идей, которые планировались для изучения в 1822 году, были переход магнетизма в электричество, состояние электричества внутри и на поверхности проводников, связь отклонения шарика из косточки бузины с изменением электричества в результате индукции.

Шотландский физик Джемс Клерк Максвелл (1831–1879), собравший наследие Фарадея, чтобы расширить его исследования и перевести его идеи на язык математики, так пишет о жизненных установках ученого, противопоставляя его другому гению электричества, французу Андре-Мари Амперу: