Повелитель молний

ПОСЛЕСЛОВИЕ,

1. Электромагнитное поле

В результате своих блестящих опытов гениальный английский физик Майкл Фарадей построил простую и ясную теорию электромагнитных явлений.

Во времена Фарадея было произведено уже много опытов над электричеством и магнетизмом, но все это были разрозненные факты и наблюдения. Не было еще системы, объясняющей и объединяющей все эти явления.

Ампер показал, как можно рассчитать механическую силу, с которой действует электрический ток на магнитную стрелку. Но как передается эта сила от провода, по которому идет ток, до магнитной стрелки? Что происходит на пути между проводником и стрелкой?

На это формулы Ампера не давали никакого конкретного ответа.

Уже задолго до Фарадея, со времен Декарта и Ньютона, физики привыкли выражать открываемые законы о соотношении физических сил природы точным языком математических формул.

Фарадей мыслил не отвлеченным языком математики, а наглядными образами своих опытов. Он утверждал, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле. Силы, действующие в каждой точке такого поля, распределяются в виде кривых линий, которые можно увидеть, если наложить на полюсы магнита тонкую бумагу и посыпать ее железными опилками. Если мы легкими щелчками поможем опилкам преодолеть трение о бумагу, то увидим, что опилки расположатся вокруг полюсов вдоль определенных кривых линий. Эти линии Фарадей назвал линиями сил магнитного поля.

Закон электромагнитной индукции Фарадей выразил так:

«Когда движущийся проводник пересекает силовые линии магнитного поля или же когда пространстве, занимаемом неподвижным проводником, возникает или исчезает магнитное поле, в проводнике появляются индукционные электрические токи».

Этот закон подтверждался на опыте во всех без исключения случаях.

Через двадцать лет после открытия электромагнитной индукции, в 1851 году, Фарадей постарался придать своим соображениям о силовых магнитных линиях еще более точную формулировку.

После длинного ряда с обычной тщательностью проведенных опытов он так выразил количественное соотношение между индукционными токами и силовыми линиями магнитного поля:

«Когда проводник движется в однородном магнитном поле с равномерной скоростью, то сила тока прямо пропорциональна скорости движения проводника и количество электричества прямо пропорционально количеству пересекаемых линий».

Математического способа, каким можно было бы вычислить количество пересекаемых магнитных силовых линий, Фарадей не дал.

Нашелся, однако же, человек, одаренный блестящим математическим талантом, который проник в тайники мысли Фарадея. Его звали Джемс Максвелл. Он родился а самый год открытия Фарадеем магнитной индукции. Максвелл рассказывал о себе, почему он понял учение Фарадея: приступая к изучению явлений электромагнитной индукции, он заранее решил ничего не читать из того, что было написано об этом вопросе другими физиками, и углубиться только в работы самого Фарадея.

Когда Фарадей доживал свои последние годы, Максвелл переложил его мысли на язык математики и развил дальше в математических формулах и уравнениях его теорию магнитного поля.

Говоря о теории Фарадея, Максвелл в конце своей жизни писал:

«Величие и своеобразие открытия Фарадея можно полностью оценить, лишь узнав его последующую историю. Опыты и теория Фарадея немедленно по опубликовании стали предметом проверки во всем ученом мире. Но даже самые изощренные физики не смогли избежать ошибок, когда они пытались описать открытые Фарадеем и проверенные ими явления более научным языком, чем это сделал сам Фарадей. Уже прошло полвека со времени открытия Фарадея и безмерно умножились как способы его практического использования, так и их значение для нашей жизни. И в этой практике ни разу не обнаружилось ни малейшего противоречия или исключения из тех законов этих явлений, какие установил Фарадей. Больше того — та первоначальная форма этих законов, какую придал им Фарадей, остается до нынешнего дня единственной формой, которая выражает ровно столько, сколько можно утверждать на основании опыта — ни больше, ни меньше. Она выражает совершенно точно и количественное соотношение явлений, хотя не выходит за пределы самых элементарных приемов изложения».

Практические выводы теории магнитного поля Фарадея, математически обработанной Джемсом Клерком Максвеллом, вошли в курс физики, который читается в высших учебных заведениях.

Инженеры-электрики не могут обойтись в своей практической работе без теории магнитного поля Фарадея при расчете динамо-машин, трансформаторов, генераторов высокой частоты и т. д. Множество самых разнообразных электроизмерительных приборов, телефон, телеграф, кино, телевидение, точнейшие автоматы, помогающие людям осваивать землю, океан и небо, действуют также на основе явления электромагнитной индукции.

2. Основатель новой науки — электрохимии.

Когда Фарадей исследовал способность разных родов электричества разлагать химические соединения, он задумался над самой природой химического действия тока.

Он когда-то обсуждал это с Дэви, который так блестяще и многообразно использовал химические действия электричества для своих открытий. Дэви говорил ему:

— Я полагаю, что разложение химических соединений электрическим током происходит вследствие притягивающего и отталкивающего действия электрических полюсов, погруженных в раствор. Одна составная часть соединения притягивается положительным полюсом и отталкивается отрицательным, другая же испытывает противоположное действие. Оттого и происходит химическое разложение.

Так же думал Делярив и другие химики. В молодости Фарадей мог принимать на веру подобное объяснение. Но теперь он в нем усомнился.

Если бы это было верно, рассуждал он, то в тех объемах раствора, которые ближе к полюсам, разложение должно было бы совершаться энергичнее. На самом же деле разложение раствора совершается равномерно во всех его частях, независимо от того, на каком расстоянии от полюса каждая находится. Фарадей дал другое объяснение процесса химического разложения электрическим током.

Выделившиеся составные части раствора движутся по всему пространству между полюсами в двух противоположных направлениях, параллельных направлению электрического тока. Полюсы же представляют собой не что иное, как просто двери, через которые электричество входит в разлагаемый раствор и выходит из него.

Чтобы точно описать этот процесс, Фарадей предпочел не употреблять старых обозначений, с которыми в умах ученых было связано много ложных представлений. Он изобрел совершенно новые слова, которые заимствовал из корней греческого языка. Он подробно обсуждал этот вопрос с профессором философии Кембриджского университета и знатоком древних языков, своим другом Хьюэллом.

Фарадей нарисовал такую схему: в середине — разлагаемый током раствор. Его Фарадей предложил назвать электролитом, а самый процесс химического разложения электрическим током он назвал электролизом.

По обеим сторонам нарисованы пластинки полюсов и присоединенные к ним электрические провода. Стрелки указывают, откуда ток входит (положительный полюс) и куда выходит (отрицательный полюс). Полюсы Фарадей назвал электродами, от греческого слова «одос» — путь. При этом для отличия положительного полюса от отрицательного первый он назвал анодом (по-гречески «ана» — вверх), а второй — катодом («ката» — вниз). Молекулы разлагаемого соединения разделяются на две части, направляющиеся к разным электродам. Эти заряженные частицы разложенных молекул Фарадей предложил назвать ионами (по-гречески «ион» — идущий). При этом ион, движущийся в сторону анода, называется анионом, а движущийся в сторону катода — катионом.

Эти названия оказались удобными и прочно вошли в науку и технику.

Это след, который Фарадей оставил в научном словаре.

Но еще большее значение имеет то, что в электрохимии утвердились новые законы Фарадея. Он исследовал количественную сторону электролиза и установил пропорциональность между количеством протекшего электричества и количеством вещества, выделившегося из раствора на электроде.

Фарадей так сформулировал установленный им закон:

«Количество разложенного вещества увеличивается пропорционально силе тока и времени его прохождения».

Это первый закон Фарадея.

Второй закон Фарадея устанавливает связь между количеством элемента, выделяемого из раствора на электроде одним ампером за 1 секунду, химическими свойствами этого элемента: зная химические свойства[20] вещества, можно вычислить, какое количество каждого вещества будет выделено за данное время током определенной силы.

Эти законы прочно вошли в электрохимию, которая после открытий Фарадея встала на новую дорогу. На почве этой науки выросла важная ветвь современной техники — электрохимическая промышленность.

Из законов электролиза, установленных Фарадеем, ученые сделали еще более важные, далеко идущие выводы.

Ионы Фарадея, на которые распадается электролит, представляют собою частицы вещества, атомы[21] или группы атомов, которые несут на себе электрические заряды.

Электрический заряд иона состоит всегда из целого числа зарядов определенной постоянной величины. Такой постоянный заряд называется электроном. Теперь доказано, что электрон — это элементарная частица, как бы атом электричества. Величина этого элементарного заряда была впервые определена из законов Фарадея. Так из открытий Фарадея выросло учение об электронах — одна из важнейших глав современной физики.

3. Как возникает электрический ток?

Когда в юности своей Фарадей читал и слышал на лекциях мистера Татума о вольтовом столбе, этот простой прибор казался ему чудодейственным. Он казался таким и людям гораздо более ученым.

«Простого прикосновения двух металлов, которые ничего не теряют и ничего не получают, достаточно, чтобы этот волшебный прибор давал истечения, способные своим светом соперничать с самыми сильными горючими веществами…»

Так писал Араго, и так думали вместе с ним многие физики. Сам Вольта, изобретатель гальванической батареи, тоже думал, что ток возникает просто от соприкосновения, от контакта разных металлов. Химики — Дэви, Делярив и другие — не соглашались с этим. Они думали, что ток в вольтовом столбе возникает лишь в результате химического процесса.

Но доказал это только Фарадей. Как мы уже знаем, он установил, что количество разложенного вещества при электролизе пропорционально количеству проходящего электричества. Фарадей тщательно изучил процессы, происходящие в гальванической батарее, когда она находится в действии, и пришел к тому же выводу: химические и электрические процессы в батарее количественно пропорциональны друг другу и неразделимы.

В работающей электрической батарее происходит химический процесс, и работа ее идет за счет выделяющейся при этом энергии. Когда все химические процессы заканчиваются, батарея разряжается, то есть она не может больше создавать электрический ток. Точно так же, но медленно, разряжается вольтов столб.

Уже во времена Фарадея изучение самых различных явлений природы наталкивало многих ученых на мысль о том, что энергия, или, как тогда говорили, «сила», не может быть создана или уничтожена. Хотя закон сохранения энергии не был еще сформулирован, однако представление о том, что электрический ток может возникнуть «из ничего», казалось Фарадою, как и многим его современникам, абсурдным.

Фарадей не однажды возвращался к этой теме в своих докладах Королевскому обществу.

«Контактная теория, — писал Фарадей в 1839 году, — предполагает, что сила, способная преодолеть мощное сопротивление, например сопротивление проводников, хороших или плохих, по которым проходит ток, а также сила электролиза, которой тела разлагаются, могут возникнуть из ничего. Без всякого изменения действующего вещества или потребления порождающей силы вызывается ток, который идет вечно против постоянного сопротивления или задерживается лишь, как в вольтовой ванне, продуктами разрушения, нагромождаемыми самим током на его пути. Это действительно было бы творением силы и не похоже ни на одну другую силу в природе. Есть много процессов, которыми форма силы изменяется так, что происходит видимое превращение одной в другую. Но ни в одном случае, даже в опытах над электрическим угрем и электрическим скатом, нет чистого творения силы без соответствующего исчезновения чего-либо взамен ее».

Так Фарадей одним из первых высказал идею сохранения энергии, которая лежит в основе научного понимания происходящих в природе процессов.

4. Свет и электромагнетизм

Мысли Фарадея часто обращались к вопросу: что такое свет? Не существует ли связи между светом и электромагнитными силами, над исследованием которых он так много и так плодотворно трудился! Ряд опытов наталкивал его на мысль, что между светом и электричеством есть нечто общее.

До первого приступа своей болезни и после нее Фарадей не раз возвращался к опытам для исследования этой связи. Много страниц его лабораторного журнала заполнено описанием этих опытов. Но все опыты кончались неудачей. Луч света, введенный в поле электрического тока, не испытывал никаких изменений.

Наконец, в 1845 году Фарадей решил испытать действие на световой луч не электрического тока, а магнитного поля.

Статью, описывающую эти опыты, Фарадей начинает такими словами:

«Я давно придерживался мнения, ставшего почти убеждением, согласного с мнением многих любителей естествознания, что различные формы, в которых обнаруживаются силы материи, имеют общее происхождение или, другими словами, так непосредственно связаны и взаимно зависимы, что превращаются друг в друга и в своих действиях обладают эквивалентами силы…

Это убеждение распространилось на свойства света и привело ко многим исследованиям с целью открыть прямую связь света и электричества и их взаимодействие в телах, подверженных их совместному действию. Но результаты были отрицательны… Эти безуспешные изыскания и многие другие, никогда не обнародованные, не могли поколебать моего глубокого убеждения, основанного на философских соображениях, и потому я недавно возобновил опыты в самой точной и строгой форме…»

Целое утро 13 сентября провел Фарадей с сержантом Эндерсоном, испытывая разные тела, жидкие и твердые. Он искал среду, которая была бы прозрачна для световых лучей и в тоже время проницаема для силовых линий электромагнитного поля. После ряда неудач Эндерсон притащил стеклянный кубик. Восемнадцать лет назад, во время работы над улучшением оптического стекла, Фарадей изготовил стекло нового состава — из соединения борной, свинцовой и кремниевой кислот. Оно обладало хорошими оптическими свойствами.

Теперь Эндерсон вспомнил об этом борно-свинцовом стекле и принес его Фарадею для магнитного испытания.

Фарадей поместил стеклянный кубик между полюсами своего большого электромагнита. Как только через витки электромагнита был пропущен ток, Фарадей заметил, что поведение луча поляризованного света[22], проходящего через стекло, меняется: магнитное поле вызывало изменение плоскости поляризации света. Это изменение исчезало, стоило лишь выключить ток. Повторные опыты подтвердили это наблюдение.

Фарадей был в восторге: он получил ясное доказательств того, что луч света чувствителен к действию магнитного поля. Значит, его затаенная мысль верна: между природой света и магнетизмом есть что-то общее.

Эту связь полностью раскрыл и теоретически обосновал тот же Максвелл, который математически развил учение Фарадея о силовых линиях магнитного поля. Еще при жизни Фарадея Максвелл создал свое учение об электромагнитной природе света.

Максвелл высказал предположение, что магнитное поле электрического тока распространяется в виде электромагнитных волн. Он утверждал, что в природе существуют электромагнитные волны разной длины и частоты и что видимый свет тоже представляет собой электромагнитные волны. Он вычислил скорость, с которой должны распространяться эти волны.

Максвелл умер сравнительно молодым. Через пятнадцать лет после его смерти другой молодой физик, Герц, обнаружил на опыте невидимые электромагнитные волны и измерил их скорость; эта скорость оказалась в точности той, которую вычислил Максвелл, Еще через десять лет, уже в последние годы XIX века, русский физик А. С. Попов, а затем итальянец Маркони нашли способ устройства беспроволочного телеграфа или радио.

Теперь физиками изучено множество электромагнитных волн с самыми разными свойствами.

Вся энергия солнца, которая доходит к нам на Землю через мировое пространство в форме видимых и невидимых лучей и представляет собой основной источник энергии на земле, доходит в виде электромагнитных волн. Воспринимаемые глазом цветные лучи солнечного спектра, незримые ультрафиолетовые лучи, обладающие большой химической энергией, а также невидимые тепловые инфракрасные лучи — все это электромагнитные волны. Рентгеновские лучи, которые применяются для просвечивания человеческого тепа при распознавании болезней, излучения катодных ламп в наших ламповых радиоприемниках, — это тоже электромагнитные волны, то есть волнообразно распространяющиеся изменения магнитного поля. Длина всех этих волн точно измерена и свойства их изучены уже настолько, что дают возможность технике ввести их в практическую жизнь.

Работы Фарадея и Максвелла привели к созданию электромагнитной теории света — одной из самых блестящих и глубоких глав современной физики!

Прошло более ста лет со дня смерти Фарадея, За это время науки о природе, в особенности физика и химия, прошли огромный путь. Взгляды ученых на природу вещества, из которого сложен мир, изменились настолько, точно в науке произошла революция. Мало что уцелело из теории и взглядов, высказанных учеными — современниками Фарадея. Однако то, что добыл своей научной работой Фарадей, не только не потеряло ценности за эти годы, но даже выросло в своем значении, Ь его научных открытиях и взглядах заложены корни тех воззрений, которыми проникнута сейчас вся физическая наука.

Электрон и электромагнитное поле — вот два основных понятия, с помощью которых физика наших дней старается понять устройство природы Оба эти понятия выросли, как из зерна, из открытий Фарадея.