Вслед за открытием электромагнитной индукции Фарадей проверяет новую идею. Если движение магнита относительно проводника создает электричество, то, видимо, движение проводника относительно магнита должно приводить к такому же результату. Значит, есть возможность создать генератор электрического тока, обеспечив непрерывное относительное движение проводника и магнита. Фарадей быстро строит и испытывает новое устройство: между полюсами подковообразного магнита вращается медный диск, с которого при помощи скользящих контактов (один на оси, другой на периферии) снимается напряжение. Это был первый генератор электрического тока!

Рис. 12. Первый генератор электрического тока Фарадея

С ноября 1831 г. Фарадей начал систематически печатать свои ''Экспериментальные исследования по электричеству'', составившие 30 серий более чем из 3000 параграфов. Первая серия посвящена электромагнитной индукции; последняя - законам намагничивания (1855 г.). В этих сериях отражена двадцатичетырехлетняя работа Фарадея, в них жизнь, мысли и воззрения ученого.

 Фарадей высказал новые, оправдавшиеся в дальнейшем идеи о природе тока и магнетизма, о механизме проводимости в различных средах и др. Он доказал тождество различных видов электричества: полученного от трения, "животного", "магнитного" и др.

Роль Фарадея в человеческой цивилизации совершенно уникальна. До него ученые - естествоиспытатели исследовали круг явлений, известных из повседневного опыта и воспринимаемых каким-либо из пяти органов чувств человека. Фарадей же открыл новый вид материи, органами чувств не воспринимаемый - электоромагнитное поле, положив новые пути развития науки и техники. Не зря говорят: "Гений творит то, что должен".

Джозеф Генри – человек, которого не признали современники, - решал проблему получения электричества с помощью магнитного поля. Он пришел к выводу, что вызвать электрический ток в замкнутом витке проводника можно, если магнит перемещать возле провода. Далее, создав магнитное поле, он, меняя ток, заставил колебаться и магнитное поле. В другом проводе, находящемся в переменном магнитном поле, индуцировался ток. Генри оттягивал публикацию, пытаясь накопить побольше фактов, и... в мае 1832 года он прочел в журнале:

"17 февраля. Господин Фарадей сделал отчет (в Королевском обществе) о первых двух разделах его исследований в области электричества, а именно, о вольто-электрической и магнитно-электрической индукции...

Если перемещать магнит вблизи проводника, не подключенного к источнику электрической энергии, то в последнем индуцируется электрический ток, который легко обнаружить".

Опыты, на основании которых Фарадей подготовил статью, были проведены несколькими месяцами раньше, а Генри... трудился над этой проблемой многие годы и был обойден заслуженной им славой по своей вине. Слава, таким образом, пришла к Майклу Фарадею, чье имя увековечено в двух физических единицах, что крайне редко: единица электролитической емкости – "фарада" - и число, определяющее величину электрического заряда в электролите, переносящего одну грамм-молекулу вещества, - "число Фарадея".

Было еще одно обстоятельство, которое способствовало тому, что легко и просто донесло до читателей (естественно, ученых) суть изложенного Фарадеем материала. Он много внимания уделил тому, чтобы статья читалась легко, была привлекательной по стилю.

К сожалению, не только наши ученые иногда присылают "вымученные" статьи, которые вряд ли заинтересуют кого-либо. Вот исторический пример.

Когда Гельмгольц свою статью о скорости распространения нервного возбуждения направил для рассмотрения товарищу, Дюбуа Реймон ответил:

"Твоя работа – я это говорю с гордостью и горечью – здесь в Берлине понята и оценена только мною. Ты изложил сущность дела (не обижайся на меня) так непоследовательно и туманно, что твоя работа может служить лишь пособием к разгадке метода исследования".

Гельмгольц учел критику друга и впоследствии не раз переписывал статьи, чтобы довести их до совершенства.

Долгое время ученым не удавалось обнаружить связь между магнитным полем и электрическим током. Именно движущийся магнит, или меняющееся во времени магнитное поле, может возбудить электрический ток в катушке.

Эту же задачу решал в то же самое время швейцарский физик Колладон. Чтобы магнит не воздействовал на стрелку гальванометра, концы катушки, в которую Колладон вдвигал магнит, он вывел в другую комнату, куда ему приходилось выходить для проведения эксперимента. Но, вставив магнит в катушку, перейдя в другую комнату, он убеждался, что стрелка "мертва". Так было утеряно великое открытие. И в этом случае Фарадею "повезло". В течение одного месяца он, ставя опыты, сделал целый ряд открытий особенностей электромагнитной индукции.

Благодаря блестящему таланту и великому трудолюбию М.Фарадей сделал так много открытий, изменивших человеческую жизнь. В этом его великая заслуга и роль.

Трудно удержаться от перечисления всех великих открытий Фарадея. Здесь и диа- и парамагнетизм, и вращение плоскости поляризации света в магнитном поле, и магнитная анизотропия, и постановка вопроса о влиянии магнитного поля па излучение, и исследование электрического разряда в газе и многое другое. Но совершенно невозможно не упомянуть еще об одной стороне деятельности Фарадея - стремлении доводить результаты научных исследований до применения их на практике.

Глава 2. Исследование электродинамики Фарадея-Максвелла

2.1 Роль Фарадея в развитие электродинамики и электромагнетизма

Открытие датским естествоиспытателем Эрстедом действия замкнутого на батарею проводника на магнитную стрелку послужило отправной точкой для исследований Фарадея, ставших главным делом его жизни. Современников поразило, что сила, действующая на стрелку компаса, поворачивалась не по направлению к проводнику, а перпендикулярно ему. Фарадей пошел дальше: он сконструировал прибор с ртутными контактами и заставил вращаться проводник вокруг магнита, а незакрепленный конец магнита ("полюс") - вокруг тока. Уже в этой работе, написанной в сентябре 1821 года, содержались в зародыше многие развитые им в последствии идеи.

Тогда же у Фарадея возникло желание получить обратный эффект - "превратить магнетизм в электричество". Подобные попытки предпринимали также Френель, Ампер, Де ля Рив и др... Но даже в тех случаях, когда индукционные эффекты наблюдались, они либо не были правильно поняты, либо сочтены случайными.

Первые научные работы Фарадея относятся к химии. Они обратили на себя внимание европейских химиков и сделали его имя широко известным Д.И.Менделеев в своих знаменитых "Основах химии" неоднократно упоминает имя Фарадея. Он цитирует его характеристику пламени, воспроизводит описание его опыта по анализу пламени свечи, неоднократно упоминает его результаты в области сжижения газов и его закон электролиза. Менделеев сочувственно упоминает о фарадеевском понимании электрического тока как переносчика химического движения. В истории химии Фарадей занимает видное место.

Всемирную славу Фарадею принесли его электрические исследования. Открытие Эрстеда взволновало ученых Королевского института. Дэви и Волластон не только повторили его опыты, но и придумали новые демонстрации взаимодействия токов и магнитов, Фарадей, заинтересовавшись новым открытием, тщательно изучил литературу по этому вопросу и выступил в 1821—1822 гг. со статьей "Опыт истории электромагнетизма". Статья Эрстеда подсказывала мысль о наличии вращения вокруг тока. Идею электромагнитного вращения высказал Волластон.

Фарадей, придя к ней самостоятельно, стал думать о том, как экспериментально обнаружить его. Ему удалось обеспечить действие тока лишь на один из полюсов магнита и с помощью ртутного контакта осуществить непрерывное вращение магнита вокруг проводника с током.

Этот первый электродвигатель заработал у Фарадея в декабре 1821 г. Тогда же Фарадей записал в своем дневнике задачу: превратить магнетизм в электричество. Решение этой задачи потребовало около десяти лет. С ноября 1831 г. Фарадей начал систематическую публикацию своих исследований по электричеству, составивших трехтомный труд под заглавием "Экспериментальные исследования по электричеству".

В первой серии, датированной 24 ноября 1831 г. и содержащей разделы:

·                   об индукции электрических токов,

·                   об образовании электричества и магнетизма,

·                   о новом электрическом состоянии материи,

·                   объяснение магнитных явлений Араго,- описаны основные опыты Фарадея по электромагнитной индукции.

В первом опыте, с помощью которого и было открыто новое явление, Фарадей использовал деревянный цилиндр, на который были намотаны две изолированные друг от друга обмотки. Одна из них была соединена с гальванической батареей, другая - с гальванометром. При замыкании и размыкании тока в первой обмотке стрелка гальванометра во второй обмотке отклонялась при замыкании тока в одну сторону, при размыкании в противоположную. Действие одной цепи электрического тока на другую фарадей назвал вольта-электрической индукцией. Вольта-электрическая индукция усиливалась, если внутрь обмотки помещали железо, фарадей устроил индукционный прибор в виде железного кольца (тора), на которое были намотаны две изолированные обмотки — первичная с источником тока и вторичная с гальванометром. Кольцо фарадея было первой моделью трансформатора.

Затем Фарадей получил индукционные действия с помощью обыкновенных магнитов. Явления эти Фарадей назвал магнитоэлектрической индукцией. Фарадей считал, что проводник, подвергающийся индукционному воздействию со стороны другого тока или магнита, находится в особом состоянии, которое он назвал электротоническим. Это название не удержалось в науке, но именно отсюда началось исследование фарадеем роли среды в электромагнитных взаимодействиях.

Существенно, что Фарадей, отмечая переменный характер процесса индукции, говорит об "индуцированной волне электричества". Несколькими месяцами позже, 12 марта 1832 г., он фиксировал результат своих наблюдений над временным характером индукционных явлений в специальном письме, озаглавленном "Новые воззрения, подлежащие в настоящее время хранению в запечатанном конверте в архивах Королевского общества".

В этом замечательном письме, обнаруженном в архивах лишь спустя 106 лет, т. е. в 1938 г., содержится совершенно определенный вывод, "что на распространение магнитного взаимодействия требуется время", что действие одного магнита на другой "распространяется от магнитных тел постепенно и для своего распространения требует определенного времени". фарадей указывает, "что электрическая индукция распространяется точно таким же образом", и считает "возможным применить теорию колебаний к распространению электрической индукции". Процесс распространения индукции похож "на колебания взволнованной водной поверхности или же на звуковые колебания частиц воздуха". Фарадей пишет, что он хотел бы проверить свои идеи экспериментально, но ввиду занятости решил передать свое письмо на хранение, чтобы закрепить за собой открытие фиксированной датой. Он указывает, что "в настоящее время, насколько мне известно, никто из ученых, кроме меня, не имеет подобных взглядов".

Поразительна интуиция Фарадея, позволившая ему вскоре после открытия электромагнитной индукции прийти к идее электромагнитных волн. Он совершенно прав, считая эту идею чрезвычайно важной и утверждая свой приоритет в специальном письме, датированном точной датой.

Вполне понятны заботы Фарадея о приоритете. В конце раздела "Об электротоническом состоянии" он упоминает о претензиях на приоритет в открытии индукции со стороны Френеля и Ампера. К открытию независимо от фарадея пришел и Генри. После публикации фарадея многие физики осознали, что они наблюдали в своих экспериментах по магнитному действию токов аналогичные явления. Открытие "носилось в воздухе". В истории науки действует закон созревания открытий: наступает время, когда открытие должно быть сделано, оно созрело. Так было с законом тяготения, с открытием математического анализа, так было и с законом индукции.

В последнем разделе первой серии Фарадей объясняет явление, открытое Араго. Магнитная стрелка, помещенная под плоскостью медного диска, приходит во вращение, когда диск вращается. Точно так же при вращении магнита приходит во вращение подвешенный над ним медный диск, фарадей объяснил это открытое Араго загадочное явление действием электромагнитной индукции и указал, что эффект Араго дает возможность получить "новый источник электричества". Между полюсами магнита вращался медный диск. Скользящие контакты у периферии и центра диска отводили генерируемый при вращении диска ток к цепи, содержащей гальванометр. "Этим было показано, - пишет Фарадей, - что можно создать постоянный ток электричества при помощи обыкновенных магнитов", Фарадей в этом опыте сконструировал униполярную динамо-машину. Варьируя опыты с получением индукционного тока вращением проводников или магнитов, Фарадей приходит к важному выводу: "Все эти результаты,- пишет он, - доказывают, что способность индуцировать токи проявляется по окружности вокруг магнитной равнодействующей или силовой оси точно так, как расположенный по окружности магнетизм возникает вокруг электрического тока и им обнаруживается". Установленную фарадеем связь Максвелл позднее выразил математически.

Рис. 13. Электромагнитное вращение. Рисунок Фарадея

Установленный Фарадеем факт, что электродвижущая сила индукции возникает при изменении магнитного потока (замыкании, размыкании, изменении тока в индуцирующих проводниках, приближении и удалении магнита и т. д.), Максвелл выразил равенством:

Здесь ε — электродвижущая сила индукции, Ф — магнитный поток, охватываемый проводником, в котором индуцируется ток. Фарадей говорит о том, что способность индуцировать токи "проявляется по окружности вокруг магнитной равнодействующей". Это, как показал Максвелл, означает, что переменное магнитное поле окружено вихревым электрическим полем. В векторной форме закон, открытый Фарадеем, выражается уравнением:

Знак минус, поставленный в равенствах (1) и (1'), соответствует правилу, установленному петербургским академиком Э. X. Ленцем.

В 1846 г. франц Нейман (1798-1895) нашел выражение закона индукции в следующем виде:

V=-δA/dt

где знак минус показывает, что на создание индукционного тока надо затратить энергию.

Фарадей продолжал изучение электромагнитной индукции во второй серии своих "Экспериментальных исследований" (январь 1832 г.).

В третьей серии (январь 1833 г.) Фарадей кладет конец спору о различных видах электричества: обыкновенном, гальваническом, животном, индукционном.

Рядом опытов он показывает, что все виды электричества тождественны между собой, различаясь только знаком. Исследуя действия, производимые обыкновенным, гальваническим, магнитным, термическим и животным электричеством, Фарадей приходит к фундаментальному заключению: "Отдельные виды электричества тождественны по своей природе, каков бы ни был их источник".

В июне 1833 г. появилась пятая серия "Экспериментальных исследований", посвященная явлениям электролиза.

В этой серии, а также в последующих - шестой, седьмой и восьмой - сериях Фарадей занимается изучением химических действий тока.

Рис. 14. Опыт по электромагнитной индукции. Рисунок Фарадея

Химические действия тока были открыты сразу после изобретения вольтова столба. Дэви открыл электролитическим разложением щелочные металлы. Иоганн Риттер обнаружил поляризацию гальванического элемента. Пропуская ток через подкисленную воду, он установил, что электроды, опущенные в электролит и отключенные от источника, снова дают после их соединения проводником электрохимическое разложение, но в обратном направлении. Так был открыт аккумулятор.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10