Рис. 15. Униполярная машина. Рисунок Фарадея

Прибалтийский ученый Кристиан Гротгус (1785—1822) впервые пытался представить механизм электролиза посредством цепочек полярно заряженных молекул.

В пятой серии Фарадей формулирует точный закон электролиза: "Что бы собой ни представляло разлагаемое вещество: воду, растворы солей, кислоты, расплавленные тела и т. д., - для одного и того же количества электричества сумма электрохимических действий есть также величина постоянная, т. е. она всегда эквивалентна стандартному химическому действию, основанному на обычном химическом сродстве"

В седьмой серии Фарадей формулирует этот закон более сжато:

"Химическое действие электрического тока прямо пропорционально абсолютному количеству проходящего электричества".

Фарадей вводит новую терминологию, ныне общеупотребительную. Электроды, подводящие ток к разлагаемому раствору, он называет анодом и катодом. Разложимые вещества он называет электролитами, вещества, на которые разлагаются электролиты, - ионами, а именно анионами и катионами, смотря по тому, где отлагается вещество - у анода или катода.

"Числа, соответствующие весовым количествам, в которых они выделяются, я называю электрохимическими эквивалентами".

Фарадей устанавливает важный факт, что для выделения любого вещества в количестве, равном его электрохимическому эквиваленту, требуется одно и то же количество электричества. Эта величина играет важную роль в современной физике, являясь одной из основных физических констант, и называется "число фарадея". Фарадей связывает этот факт с основными представлениями химии. Он пишет:

"Согласно этой теории эквивалентные веса тел представляют собой такие количества их, которые содержат равные количества электричества... Иначе если принять атомную теорию и соответствующие ей выражения, то атомы тел, эквивалентные друг другу в отношении их обычного химического действия, содержат равные количества электричества, естественно связанного с ними".

Таким образом, Фарадей приходит к представлению о некотором элементарном заряде, связанном с атомами вещества. Он указывает, что "атомы материи каким-то образом одарены электрическими силами или связаны с ними и им они обязаны своими наиболее замечательными качествами, и в том числе своим химическим сродством друг к другу".

Все это позволяет высказать утверждение, что Фарадей является основателем электронной теории вещества, впервые высказавшим мысль о дискретности электричества, об элементарном электрическом заряде. Тринадцатый раздел седьмой серии, в котором содержатся эти глубокие мысли, называется "Об абсолютном количестве электричества, связанном с частицами или атомами материи". Это название говорит само за себя.

В девятой серии, озаглавленной "Об индуктивном влиянии электрического тока на самого себя и об индуктивном действии электрических токов вообще", Фарадей описывает явление самоиндукции. Это явление было открыто независимо друг от друга американцем Генри и англичанином Дженкиным. Фарадей упоминает только о последнем, очевидно, не зная об открытии Генри. Современная физика увековечила приоритет Генри, присвоив единице индуктивности название генри.

Фарадей описывает экспериментальную установку, посредством которой и доныне демонстрируют на лекциях явление самоиндукции. Он констатирует, что самоиндукция аналогична инерции в механике, указывает, что индуктивность проводника зависит от его формы и особенно возрастает, если проводник свернуть в спираль. Все это заставляет его еще раз вернуться к идее электротонического состояния и к исследованию связи между электрическими и магнитными силами. Мысль Фарадея неустанно обращается к пространству, окружающему проводники, и в его уме постепенно вызревает глубокая идея поля.

В одиннадцатой серии Фарадей подробно исследует диэлектрические свойства веществ, вводя для их характеристик особое число, которое он называет удельной индукцией или удельной индуктивной способностью. Эту величину позже назвали диэлектрической постоянной, а ныне называют диэлектрической проницаемостью. Исследование диэлектриков вновь подводит Фарадея к мысли о существовании роли среды в электрических взаимодействиях, которые как бы разливаются в окружающем пространстве по кривым линиям. Это последнее обстоятельство особенно подчеркивает фарадей, считая, что оно противоречит картине действия на расстоянии, принятой сторонниками мгновенного дальнодействия.

От опытов с диэлектриками Фарадей переходит к исследованию электрического разряда в газах. Он описывает различные формы разряда в газах при атмосферном давлении и в разреженном состоянии. В последнем случае Фарадею удалось обнаружить темное пространство, разделяющее, области свечения у катода и у анода. Это темное пространство ныне называется Фарадеевым. Так Фарадей положил начало детальному изучению разрядов в газах, той области физики, которую он сам считал важной и из которой в дальнейшем историческом развитии возникли электроника, рентгенофизика, радиоактивность.

Рис. 16. Рисунок Фарадея по электролизу

В шестнадцатой и семнадцатой сериях "Экспериментальных исследований по электричеству" Фарадей рассматривает спор между сторонниками контактной теории источника электрического тока и сторонниками химической теории. Контактная теория, ведущая свое происхождение от Вольты, "находит источник мощности в контакте" разнородных проводников, а химическая - "в химической силе", как выражается Фарадей, или в химической энергии, как бы сказали мы. Свое мнение Фарадей - он является сторонником химической теории - обосновывает многочисленными соображениями и экспериментальными фактами. В качестве окончательного вывода он прямо указывает, что "контактная теория допускает, что сила... может будто бы возникнуть из ничего, что без всякого изменения действующей материи и без расхода какой-либо производящей силы может производиться ток, который будет вечно идти против постоянного сопротивления...". "Это было бы поистине сотворением силы, — продолжает Фарадей, — и это не похоже ни на какую другую силу в природе".

Эти слова были написаны в январе 1840 г., когда закон сохранения энергии еще не был открыт, но фарадей пишет так, как будто ему этот закон известен. Более того, он ясно представляет картину превращения энергии из одного вида в другой. "Мы имеем много процессов, — пишет он, — при которых форма силы может претерпеть такие изменения, что происходит явное превращение ее в другую. Так мы можем превратить химическую силу в электрический ток или ток в химическую силу. Прекрасные опыты Зеебека и Пельтье показывают взаимную превращаемость теплоты и электричества, а опыты Эрстеда и мои собственные показывают взаимную превращаемость электричества в магнетизм. Но ни в одном случае, даже с электрическим угрем и скатом, нет чистого сотворения силы; нет производства силы без соответствующего израсходования чего-либо, что питает ее".

Этот 2071-й параграф семнадцатой серии, датированный 29 декабря 1839 г., представляет по сути дела законченную качественную формулировку закона сохранения и превращения энергии. Мысли, высказанные здесь Фарадеем, очень близки воззрениям Энгельса на закон сохранения энергии. Энгельс подчеркивает в законе именно превращаемость форм энергии, фарадей на собственном опыте осознал эту сторону закона. Он "превратил магнетизм в электричество", исследовал химические превращения в электрической цепи, он, наконец, искал превращения света в магнетизм, тяготения — в электричество и магнетизм. Читая летом 1834 года популярные лекции о взаимоотношении электрических и магнитных явлений, он последнюю, шестую лекцию посвятил вопросу о взаимоотношении "химического сродства, электричества, теплоты, магнетизма и других сил материи".

Эта философская установка Фарадея в значительной степени способствовала его научным достижениям. Он открыл электромагнитную индукцию не случайно, он напряженно искал ее десять лет. Осенью 1845 г. он открывает магнитное вращение плоскости поляризации, получившее в науке название эффекта фарадея. Этот тонкий эффект опять-таки не был случайным открытием.

Девятнадцатую серию, посвященную эффекту Фарадея, он открывает следующим признанием: "Я давно уже придерживался мнения — и оно почти достигло степени убеждения — ... что различные формы, в которых проявляются силы материи, имеют общее происхождение, или, другими словами, настолько близко родственны друг другу и взаимно зависимы, что они могут, как бы превращаться друг в друга, и обладают в своем действии эквивалентами силы", фарадей сообщает, что он давно и безуспешно пытался "открыть прямую связь между светом и электричеством" и что "в конце концов мне удалось намагнитить и наэлектризовать луч света и осветить магнитную силовую линию". Далее он описывает свои опыты по вращению плоскости поляризации света магнитным полем.

Фундаментальная идея о взаимосвязи, взаимопревращаемости различных сил природы дополнялась у Фарадея другой фундаментальной идеей об активной роли среды, в том числе и пустого пространства, в физических процессах. В двадцатой серии он описывает влияние магнитного поля на различные среды и находит диамагнетизм и парамагнетизм (термины введены Фарадеем).

Тщательное изучение электрических и магнитных свойств вещества в конце концов привело Фарадея к установлению фундаментальной новой идеи, идеи поля. Фарадей разработал экспериментальную методику исследования магнитного поля с помощью пробной катушки и баллистического гальванометра. Он ввел метод изображения магнитного поля с помощью силовых линий. Он писал в 1851 г.: "Я..., изучая отношение вакуума к магнитной силе и общий характер магнитных явлений, протекающих вне магнита, больше склоняюсь к мысли, что передача силы представляет собой именно такое явление, протекающее вне магнита; я считаю невероятным, что эти явления представляют собой простое притяжение и отталкивание на расстоянии". Следует отметить, что современники Фарадея предпочитали идею "простого притяжения и отталкивания на расстоянии".

Слишком осязательны были успехи Ньютона, формула закона тяготения, которого так блестяще оправдалась в небесной механике. Напоминающие эту формулу законы Кулона дали возможность развить математическую теорию электростатики и магнитостатики. Амперу удалось включить в эту схему и электромагнетизм. Теперь оставалось так обобщить закон Ампера, чтобы он включил в себя и индукционные процессы, открытые и изученные Фарадеем. Эту задачу поставил перед собой Вильгельм Вебер (1802-1891), которому в конце концов удалось найти формулу взаимодействия заряженных электрических частиц (1846). Однако в эту формулу входили не только заряды взаимодействующих частиц и их положения, но также их относительная скорость и ускорение, что делало ее совсем непохожей на законы Ньютона и Кулона и сложной для расчетов.

Фарадей же вообще отказался от концепции действия на расстоянии и ввел в физику совершенно новый объект — физическое поле. "При этой точке зрения на магнит, — писал Фарадей в 1852 г.,- среда или пространство, его окружающие, играют столь же существенную роль, как и самый магнит, будучи частью настоящей и полной магнитной системы". Для Фарадея поле — это то, что излучается, распространяется с конечной скоростью в пространстве, взаимодействует с веществом. Примером такого поля является излучение Солнца. "В этом случае лучи (которые представляют собой силовые линии) проходят через промежуточное пространство; но здесь мы можем оказывать на эти линии действие при помощи различных сред, расположенных на их пути. Мы можем изменить их направление посредством отражения или преломления; мы можем заставить их идти по криволинейным или ломаным путям. Мы можем отрезать их от их источника и затем искать их и найти, прежде чем они достигнут своей конечной цели. Они связаны с временем и требуют 8 минут, чтобы пройти от Солнца до Земли; таким образом, они могут существовать независимо и от своего источника и от места, в которое в конце концов приходят. Таким образом, они имеют ясно различимое физическое существование".

Такова концепция поля, к которой Фарадей пришел в результате длительного научного пути и первоначальный набросок которой он дал в своем запечатанном письме 1832 г. С Фарадеем в физику наряду с частицами вещества вошла и новая форма материи — поле, излучаемое и поглощаемое частицами и распространяющееся в пространстве с конечной скоростью. Математически эта идея была разработана гениальным преемником Фарадея Джемсом Клерком Максвеллом.

2.2 Модельное представление об электромагнитных процессах

В развитой науке теоретические схемы вначале строятся как гипотетические модели. Такое построение осуществляется за счет использования абстрактных объектов, ранее сформированных в сфере теоретического знания и применяемых в качестве строительного материала при создании новой модели.

Только на ранних стадиях научного исследования, когда осуществляется переход от преимущественно эмпирического изучения объектов к их теоретическому освоению, конструкты теоретических моделей создаются путем непосредственной схематизации опыта. Но затем они используются в функции средств для построения новых теоретических моделей, и этот способ начинает доминировать в науке. Прежний же метод сохраняется только в рудиментарной форме, а его сфера действия оказывается резко суженной. Он используется главным образом в тех ситуациях, когда наука сталкивается с объектами, для теоретического освоения которых еще не выработано достаточных средств. Тогда объекты начинают изучаться экспериментальным путем, и на этой основе постепенно формируются необходимые идеализации как средства для построения первых теоретических моделей в новой области исследования. Примером таких ситуаций могут служить ранние стадии становления теории электричества, когда физика формировала исходные понятия - "проводник", "изолятор", "электрический заряд" и т. д. - и тем самым создавала условия для построения первых теоретических схем, объясняющих электрические явления.

Большинство теоретических схем науки конструируются не за счет прямой схематизации опыта, а методом трансляции уже созданных абстрактных объектов. Чтобы выявить эту специфику построения теоретических моделей, обратимся к конкретному материалу истории физики.

Одним из важных этапов становления классической электродинамики было открытие Фарадеем явления электромагнитной индукции.

Многочисленные эксперименты по изучению этого явления (опыты с магнитом, который при движении относительно замкнутого провода порождал в нем индукционный ток; аналогичные опыты с соленоидами и проводами различной конфигурации, опыт Араго и т. д.) были объяснены Фарадеем в рамках закона индукции. Согласно этому закону, когда проводящее вещество, движущееся относительно потока магнитных силовых линий, пересекает его, то в проводящем веществе возникает электродвижущая сила (э. д. с.).

Данный закон выражал корреляции между абстрактными объектами теоретической схемы, которая характеризовала электромагнитную индукцию через отношение абстрактных объектов "магнитные силовые линии" и "проводящее вещество". Эти объекты не содержались внутри эмпирических схем индукции, а были перенесены из других областей теоретического знания.

Фарадей заимствовал конструкт "магнитные силовые линии" из смежной области теоретического знания, которая была введена для объяснения опытов магнитостатики (исследование возможных ориентаций миниатюрных магнитных стрелок в поле действия постоянных магнитов и токов). Другой же абстрактный объект — "проводящее вещество" — был перенесен им из области знаний о токе проводимости. Эти объекты были "погружены" в новую систему отношений, благодаря чему приобрели новые признаки.

Конструкт "магнитные силовые линии" приобрел признак "вызывать электродвижущую силу (э. д. с.) в проводящем веществе" (тогда как раньше, в знаниях магнитостатики, он определялся только по признаку воздействия на пробный магнит). Конструкт "проводящее вещество", который ранее репрезентировал только свойства проводников, связанные с действием тока проводимости, оказался наделенным новым признаком - "возникновением в проводнике э. д. с. индукции". Наделение данных конструктов новыми признаками означало перестройку прежних абстрактных объектов, поскольку каждый из них определялся только как носитель некоторых жестко фиксированных признаков. Таким путем наука сформировала первоначальный вариант теоретической схемы электромагнитной индукции.

При построении фарадеевской модели индукции, которая создавалась для объяснения уже осуществленных экспериментов, обнаруживших явление электромагнитной индукции, важнейшую роль как в выборе абстрактных объектов, так в нахождении их связей сыграла развиваемая Фарадеем картина физической реальности. В ней все электрические и магнитные процессы рассматривались как проявление некоторой единой сущности, а центр тяжести анализа этих процессов переносился с зарядов и магнитов на пространство между ними, которое рассматривалось как "заполненное кривыми электрических и магнитных сил". Эти первоначальные представления картины мира, выработанные Эрстедом, Воллостоном и Фарадеем, основывались на предшествующих достижениях электродинамики, рассмотренных под углом зрения философских идей единства мира и единства материи и силы.

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