Шнейберг Ян
Ніколи з часів Галілея світ не бачив настільки вражаючих і різноманітних відкриттів, що вийшли з однієї голови, і навряд чи скоро побачить іншого Фарадея.
А.Г. Столєтов
Коли в сім'ї бідного лондонського коваля Джемса Фарадея народився син, названий Майклом, ніхто й уявити не міг, що цей хлопчик, що не мав можливості навіть закінчити початкову школу, стане всесвітньо відомим вченим. Членом 97 академій та наукових товариств, у тому числі почесним членом Петербурзької академії наук!
Майкл народився 22 вересня 1791 року в дружній сім'ї, де з дитинства прищеплювалася любов до праці і скромність. Батько Фарадея помер рано, а мати, проста неосвічена жінка, доживши до глибокої старості, застала ті щасливі дні, коли її улюбленець - молодший син - отримав всесвітню популярність вченого.
Заробіток батька був вельми убогим, порції хліба за обідом ставали все менше. Коштів для навчання дітей не вистачало, і батьки були змушені віддати старшого брата в учні до коваля, а 14-річного Майкла - до власника книжкової крамниці і палітурної майстерні. Хто знає, потрап Майкл в навчання до шевця або кравця, навряд чи він з раннього дитинства полюбив би книги.
Спочатку Майкл був рознощиком газет, а рік по тому його стали навчати палітурної справи. Він захоплюється читанням книг, тим більше що господар майстерні, відзначаючи його спритність і працьовитість, всіляко заохочує це захоплення.
Одного разу в майстерню принесли три маленьких томика «Хімічні бесіди», популярно і цікаво написаних швейцарської письменницею Морс. Майкл буквально проковтнув ці книжки і відтворив викладені в них найпростіші хімічні досліди. Можливо, з цих дослідів і починається біографія видатного винахідника.
Коли в майстерню принесли багатотомне видання «Британської енциклопедії» (кожен том вагою майже півпуда), Майкл уважно прочитав статтю про електрику і надзвичайно захопився цією таємничою силою природи. Він почав демонструвати співробітникам і відвідувачам майстерні цікавий досвід з електризацією палички сургучу, натираємо суконної ганчірочкою. Потім, використовуючи наявні під руками інструменти і підручні матеріали, він по малюнку в «Енциклопедії» спорудив вельми ефективну електричну машину, яка приводила в захват усіх, хто її спостерігав. Шістнадцятирічний винахідник дуже пишався своїм створенням, тим більше що в процесі її виготовлення йому довелося працювати не тільки руками, але й головою, спрощуючи і замінюючи деякі деталі машини.
Молодий Фарадей все більше відчуває недостатність своїх знань і починає регулярно відвідувати загальноосвітні лекції з фізики та астрономії. Оплачувати лекції йому допомагає брат, а оволодівати знаннями - друзі. З їх допомогою він навчився грамотно писати і чітко викладати свої думки.
Життєвий шлях Майкла Фарадея - чудовий приклад дивовижної спраги знання, працьовитості, невтомною наполегливості у подоланні труднощів, неізбежадея було знайомство з видатним англійським ученим Хемфрі Деві. Його запросив на лекцію знаменитого фізика і хіміка в Королівському інституті один з відвідувачів палітурної майстерні, великий любитель хімії. Ці чотири останніх лекції Деві вирішили долю Майкла. Він був, можливо, одним із самих уважних слухачів, а супроводжували лекцію експерименти викликали у нього захоплення.
Майклу здавалася нездійсненною мрія зайнятися науковою роботою. За порадою того ж знайомого Фарадей посилає Деві лист разом з конспектами лекцій, акуратно переплетеними в окремий зошит. Незабаром приходить відповідь. Деві відзначає його конспекти, які виявляють «велике старанність, увага і силу пам'яті». «Я буду радий, якщо зможу бути корисним для Вас», - пише Деві. Важко уявити хвилювання, яке пережив Фарадей, перечитуючи листа.
В кінці січня 1813 Майкл вперше зустрівся з Деві, а 1 березня одержав від нього запрошення зайняти місце лаборанта в лабораторії Королівського інституту. При цьому Деві попередив Фарадея про нелегкий шлях вченого, намагаючись розвіяти ілюзії ще недосвідченого юнака. Незабаром Фарадей переконався в справедливості цього попередження. Він не тільки виконував обов'язки лаборанта, але був по суті і служителем, і лакеєм, в тому числі і в леді Деві. А коли наприкінці 1813-го Деві з дружиною поїхали в подорож по Європі, то взяли з собою Фарадея в якості лакея і слуги.
Під час подорожі Фарадей познайомився з такими відомими вченими, як Ампер, Вольта, Гумбольт, Гей-Люссак. Ці зустрічі помітно збагатили пізнання Фарадея і зміцнили його бажання зайнятися самостійними науковими дослідженнями. З 1815 року він допомагає Деві в проведенні хімічних експериментів, незабаром публікуються його перші наукові статті з хімії, він притягується до редагування наукового журналу, читає лекції в організованому ним філософському суспільстві, об'єднує молодих людей з бідних сімей, які цікавляться досягненнями науки.
Зоряним часом у творчості Фарадея, мабуть, треба вважати момент, коли він дізнався про надзвичайно цікавому відкритті датського фізика Г.Х. Ерстеда - дії електричного струму на магнітну стрілку. За образним висловом одного з учених, з тих пір електромагнетизм привернув до себе не тільки залізо, але і думки найвизначніших європейських фізиків.
У серпні 1820 року Деві ознайомив Фарадея з трьохсторінкову доповіддю Ерстеда. Вони разом повторили досліди датського фізика, і з тих пір майже всі найважливіші дослідження Фарадея, що принесли йому світову славу, були пов'язані з вивченням електромагнітних явищ.
У досвіді Ерстеда спостерігалося принципово нове явище: вже не було звичного притягає і відштовхуючого дії «електричної сили»; магнітна стрілка компаса поверталася і ставала поперек дроти з струмом.
Фарадей докладно знайомиться з відкриттями в області електромагнетизму, зробленими в 1820 році французькими вченими Ампером, Араго, Біо і Саварен. Закон про взаємодію струму і магн обертальний характер руху провідника щодо магніту і магніту щодо провідника.
Виявивши неабиякі здібності експериментатора, Фарадей в 1821 році вперше створює оригінальний прилад, в якому цей закон отримав наочне підтвердження (рис. 1). При підключенні до джерела струму в лівому посудині зі ртуттю рухливий магніт обертався навколо нерухомого дроти, а в правому - рухливий провідник обертався навколо нерухомого магніту.
Над своїм приладом Фарадей, за його зізнанням, «довго ламав собі голову ... навіть ночами прокидався і думав ».
Цей експеримент наочно ілюстрував можливість побудови електродвигуна.
На думку одного з біографів, «... одне лише відкриття Фарадеєм« електромагнітного обертання »принесло йому світову популярність ... Цього було досить, для того щоб зайняти чільне місце і в науковому світі того часу, і в історії науки ». Фарадей опублікував у науковому журналі Королівського товариства статтю з історичним оглядом явищ електромагнетизму. Після створення приладу він написав другу статтю з електромагнетизму «Про нові електромагнітних рухах».
У тому ж 1821-м Фарадей записує у своєму щоденнику чудові слова: «Перетворити магнетизм в електрику». Така новаторська наукова проблема могла бути сформульована тільки неабияким дослідником, глибоко розумів складні взаємозв'язки і взаємоперетворення різних сил природи. Такі матеріалістичні уявлення лежали в основі філософського світогляду Фарадея ще задовго до відкриття закону збереження і перетворення енергії.
Дійсно, досягнення науки і практики, добре відомі Фарадею, переконливо підтверджували його віру в «єдність сил природи» (термін «енергія» в той час ще не вживався): взаємне перетворення теплової та механічної, електричної та хімічної енергій. Ось як писав про це у своєму щоденнику Фарадей: «Усі сили природи в основі своїй єдині. Тепло, розширюючи пар в паровій машині, перетворюється на механічний рух.
Механічне рух, як, наприклад, обертання колеса, зупинене тертям гальма, переходить назад в тепло, нагріваючи гальмо і колесо. Такий взаємний перехід повинен безсумнівно існувати також між електрикою і магнетизмом ». Так, якщо електричний струм створює магнітне поле, то можна припустити існування зворотного процесу: магнетизм перетворюється в електрику.
Ось таким вражаючим для свого часу науковим передбаченням, заснованим на міцному фундаменті знань, володів Фарадей. І запис у його щоденнику з'явився не випадково. Але треба було десять (!) Років наполегливої праці, щоб практично вирішити поставлену задачу.
Ім'я Фарадея вже стало відомим у наукових колах, але він невпинно займався самоосвітою: вивчав праці знаменитих фізиків і хіміків. І хоча більшу частину часу він присвячував вивченню електромагнітних явищ, йому на відміну від Деві вдалося в 1823 році вперше отримати жідкійка, який все більше переконувався в обдарованості і талант молодого вченого.
Колеги Фарадея виступили з пропозицією обрати його в члени Лондонського Королівського товариства, президентом якого був Деві. Спочатку він різко заперечував проти обрання Фарадея: ніяк не міг примиритися з думкою, що його колишній лакей і учень буде удостоєний вищої наукового звання. Однак під впливом ряду вчених Деві дав згоду на проведення виборів. 8 січня 1824
Фарадей обирається членом Королівського товариства. Як пишуть біографи Фарадея, в баллотіровочном ящику виявився лише один чорний шар «і Фарадей ніколи не дізнався, голосував Деві за чи проти його обрання». Але в колі друзів Деві любив повторювати, що серед його досить важливих для науки відкриттів найбільшим було «відкриття Фарадея».
У 1827 році Фарадей отримав «професорську кафедру» в Королівському інституті. Його лекції викликали загальний інтерес. Але чим би не займався Фарадей, всі його думки були про «перетворення магнетизму в електрику».
Розповідають, що він носив у кишені невелику спіраль з мідного дроту і тонкий залізний брусок, нерідко діставав цю своєрідну модель електромагніта і встановлював деталі в різноманітні положення. Багато друзів і колег вважали його диваком. Фарадею не давала спокою думка про фізичної сутності явища, описаного в 1824 році французьким ученим Араго і названого їм «магнетизмом обертання».
Магнітна стрілка компаса, поміщена в мідну коробку з мідною кришкою (мідь - немагнітний матеріал), при повороті кришки поверталася в тому ж напрямку. При нерухомій кришці стрілка залишалася також нерухомою. Навіть великий Ампер не міг пояснити це явище.
Протягом довгих десяти років день за днем Фарадей ставив досвід за досвідом, ретельно записуючи їх в лабораторний журнал. Дослідів були тисячі, але «збудження електрики за допомогою магнетизму» досягти не вдавалося.
29 серпня 1831 - пам'ятний день не тільки в житті Фарадея, але і в історії науки.
У першому експерименті на дерев'яну або картонну котушку була намотана мідний дріт, між її витками - друга дріт, ізольована від першої бавовняною ниткою (мал. 2). Одна з спіралей з'єднувалася з гальванометром, інша - з сильною батареєю з 100 пар пластин. При замиканні і розмиканні електричного кола стрілка гальванометра слабо відхилялася. Але при безперервному проходженні струму через першу спіраль гальванометр залишався нерухомим.
Очевидно, у вторинному ланцюзі виникав струм. Але чому тільки при замиканні і розмиканні первинної ланцюга? А які властивості цього струму? Помістивши всередину спіралі, включеної у вторинну ланцюг, сталеву голку, Фарадей виявив, що вона намагнічується індуктірованное струмом. Отже, цей струм має ті ж властивості, що і струм, отриманий від гальванічної батареї.
Але чому все-таки стрілка гальванометра нерухома, коли струм проходить по першій спіралі і навіть нагріває ік, а великий експериментатор залишався наодинці зі своїми сумнівами.
Було очевидно, що, оскільки спіралі між собою електрично не з'єднані, перша діє на другу через навколишнє їх середовище. Природно було припустити, як вплине на відхилення стрілки гальванометра заміна дерев'яної котушки залізним кільцем? Адже залізо легко намагнічується струмом (рис. 3).
Виявилося, що стрілка відхиляється на більший кут, тобто середовище, що оточує провідник з струмом, відіграє активну роль і може посилювати явище індукції.
Відзначимо, до речі, що в досліді з залізним кільцем і двома спіралями можна побачити прообраз найпростішої конструкції трансформатора.
Прагнучи з'ясувати причину виникнення індукційного струму тільки при замиканні і розмиканні первинної ланцюга, Фарадей намагався логічно уявити фізичний процес цього явища. При замиканні і розмиканні ланцюга виникало і зникало магнітне поле, створюване струмом. Іншими словами, відбувалася зміна магнітного стану середовища, що оточувала первинну і вторинну спіралі. Але ж магнітне стан середовища можна отримати і без електричного струму, застосовуючи звичайні стрижневі постійні магніти.
Цей досвід Фарадей здійснив 24 вересня 1831. Він обмотав залізний циліндр мідної ізольованою дротом, з'єднавши її кінці з гальванометром. Циліндр був поміщений між двома постійними стрижневими магнітами, які внизу стикалися різнойменними полюсами (рис. 4а). При змиканні і розмиканні решт магнітів стрілка гальванометра відхилялася. Це явище Фарадей назвав вже «магнітно-електричного», а не «вольта-електричною індукцією». Пізніше він підкреслив, що принципової різниці між цими явищами немає, і запропонував назву «електромагнітна індукція».
Проходить більше двох тижнів, і 17 жовтня 1831 Фарадей ставить найпереконливіший експеримент, що дає пряму відповідь на поставлене завдання. Якщо зміна магнітного поля, викликане розмиканням і замиканням магнітів, збуджує в котушці струм, то ця зміна можна викликати ще більш просто.
На картонну котушку була намотана спіраль з мідного дроту, що з'єднувалася кінцями з гальванометром (рис. 4б). Фарадей взяв циліндровий магнітний брусок і далі, пише він у своєму журналі, «... швидким рухом заштовхнув магніт всередину спіралі на всю його довжину, і стрілка гальванометра зазнала поштовх. Потім я так само швидко витягнув магніт ... і стрілка хитнулася, але в протилежний бік. Ці хитання стрілки повторювалися кожного разу, як магніт заштовхували або виштовхували. Це означає, що електрична хвиля виникає тільки при русі магніту, а не в силу властивостей, притаманних йому в спокої ».
Отже, «магнетизм перетворювався на електрику» - геніальна гіпотеза вченого була переконливо підтверджено!
А через кілька днів Фарадей здійснює ще один експеримент, за допомогою якого наочно пояснює явище, відкрите Араго, і показує можливість егніта вищеописаним чином, я вважаю, що досвід пана Араго може стати новим джерелом отримання електрики, і сподівався, що ... мені вдасться сконструювати електричну машину »(курсив Фарадея). Дослід полягав у наступному. Фарадей приніс у лабораторію великий підковоподібний електромагніт, що зберігається до цих пір в музеї Лондонського Королівського товариства (рис. 5). До полюсів магніту він прикріпив «два сталевих бруска» і в проміжок між ними ввів край мідного диска. Край диска і його вісь були з'єднані за допомогою щіток з гальванометром. При обертанні диска стрілка гальванометра «показувала наявність в ньому електричного струму», причому стрілка відчувала не миттєвий поштовх, а весь час перебувала у відхиленому положенні, поки диск обертався. Це був перший у світі електромашинні генератор («диск Фарадея»), що одержав пізніше назву униполярного генератора. З нього починається історія електричних машин.
Дія свого генератора Фарадей пояснював так: мідний диск можна представити у вигляді колеса з нескінченно великим числом спиць - радіальних провідників. При обертанні диска ці спиці-провідники перетинають магнітні силові лінії, в них виникає індуктивний струм.
Створення першого електромашинного генератора зумовило зародження і подальше бурхливий розвиток не тільки електротехніки, а й багатьох інших галузей науки і техніки, пов'язаних з електромагнітними явищами, у тому числі радіотехніки та електрозв'язку.
Ще в 90-х роках XIX століття відомий сербський вчений Н. Тесла збудував кілька типів електричних генераторів високої частоти. У Росії перший високочастотний генератор, використаний для отримання радіохвиль, був створений в 1912 році майбутнім членом-кореспондентом АН СРСР В.П. Вологдина. У 1922-му він створив високочастотний генератор потужністю 150 кВт і частотою 15 кГц, який був використаний для здійснення радіозв'язку між Москвою і Нью-Йорком в 1925 році. Широке застосування знайшли також дугові електричні генератори, які давали можливість отримання електричної дуги як джерела електромагнітних хвиль. Незамінним елементом радіотехнічних пристроїв є трансформатор, прообраз якого створив Фарадей.
Читачам «Connect'a» буде цікаво дізнатися про знахідку в архівах Лондонського Королівського товариства в 1938 році конверта, в якому зберігалося раніше невідомий лист Фарадея, датований 12 березня 1832 року. Лист починався словами: «Нові погляди, що підлягають в даний час зберігання в запечатаному конверті в Архіві Королівського товариства». Далі Фарадей писав: «... Результати досліджень привели мене до висновку, що на поширення магнітного впливу потрібен час ... яке, очевидно, виявляється вельми незначним. Я вважаю також, що електрична індукція поширюється точно таким же чином. Я вважаю, що поширення магнітних сил схоже на коливання схвильованої водної поверхні або ж на звукові коливання частинок повітря (що близьке до поняття «електро має намір докласти теорію коливань до магнітних явищ, як це зроблено по відношенню до звуку і є найбільш вірогідним поясненням світлових явищ. Ці погляди я хочу перевірити експериментально, але так як мій час зайнято ... я хочу, передаючи цей лист на зберігання Королівському товариству, закріпити відкриття визначеною датою. В даний час, наскільки мені відомо, ніхто з учених, крім мене, не має подібних поглядів »(курсив наш - Я.Ш.).
Фарадей стверджує, що поширення магнітних сил «схоже на коливання схвильованої водної поверхні». Ніхто до нього не зумів знайти настільки простий і відчутний образ складного електромагнітного явища.
У той день, коли Фарадей запечатав свій лист, великому його співвітчизникові Д.К. Максвеллу, сформулював і математично обгрунтував основні положення теорії електромагнітного поля, ще не виповнилося й року (він народився 13.06.1831).
Ідеєю про існування електромагнітних хвиль і небаченої швидкості їх розповсюдження Фарадей створив своєрідний плацдарм для подальшого бурхливого розвитку електрозв'язку та радіотехніки. Як вказує дослідник творчості Фарадея професор П.С. Кудрявцев, Фарадей по праву вважається «засновником фізики електромагнітного поля».
Він вперше відкрив активну роль середовища, що оточує провідники зі струмом чи магніти. «Лініями магнітних сил, - писав Фарадей, - я називаю ті лінії, які стають доступними нашому зору, коли ми розглядаємо розташування ошурки навколо полюсів магніту». Яке зриме, образний опис складного фізичного явища. До речі, і сьогодні в шкільних фізичних кабінетах саме так демонструються «силові лінії» магнітного поля.
«Фарадей, - писав Максвелл, - своїм уявним оком бачив силові лінії, що проходять по всьому простору там, де математики ... нічого не бачили, крім відстані. Фарадей шукав сутність явищ в тому, що насправді відбувається в середовищі ... »(курсив Максвелла).
Саме Максвеллу належить заслуга в розвитку і математичній обробці ідей Фарадея.
Перегортаючи сторінки фарадеевского лабораторного журналу (його зміст пізніше було викладено в солідному працю), можна тільки дивуватися широті і глибині його творчих пошуків. Широко відомі відкриті ним закони електролізу, дослідження розряду у вакуумі і газах (згодом на основі його спостережень і висновків були відкриті рентгенівські промені та радіоактивність), відкриття діамагнетизму і парамагнетизму, встановлення єдиної природи різних видів електрики - «тварини», гальванічного, статичного, « магнітного », термоелектрики, введення поняття« діелектрик ». Їм також було відкрито явище самоіндукції. При дослідженні явищ електролізу Фарадей ввів терміни електроліз, електроліт, електрод, анод, катод, іон, які збереглися до наших днів.
Результати видатних експериментів Фарадея з 1831 року протягом 24 років регулярно друкувалися в науковому журналі «P чудовий пам'ятник наукової творчості Фарадея являє єдине і неповторне науковий твір, в якому знайшли своє відображення погляди, думки і праці великого вченого».
Однак напружений повсякденна праця не міг не позначитися на здоров'ї вченого, помітно погіршилася його колись феноменальна пам'ять. Він став менше працювати, але ще в сімдесятирічному віці проводив експерименти. Йому було вже за 70, коли він, об'їхавши по океану на човні кілька маяків, дав авторитетний висновок про доцільність заміни масляних ламп електричними ліхтарями.
Всесвітньо відомий учений залишався людиною виняткової скромності і високих моральних якостей. Він багато років отримував невеличку платню і жив у маленькій квартирі з «вугіллям і свічками». І тільки в останні роки указом короля йому була призначена заслужена пенсія.
Багато років він читав безкоштовні загальнодоступні лекції в Королівському інституті і протягом 25 років виступав у дні Різдвяних канікул з лекціями для юнацтва, що супроводжувалися чудовими дослідами. Як популяризатор Фарадей займає особливе місце в історії науки. Вже давно вважається неперевершеною його популярна книжка «Історія свічки», яка містить лекції, прочитані для дітей.
За свідченням друзів і рідних (дітей у Фарадея не було), він був надзвичайно доброю і життєрадісною людиною, в горі і нещастя першим приходив на допомогу. Не забуваючи про своє походження, Фарадей завжди надавав увагу простим і бідним людям.
Однак здоров'я Фарадея все погіршувався, і в 1865 році він подав заяву про звільнення з посади завідувача лабораторією. Але Рада Королівського інституту, подякувавши йому за багаторічну плідну діяльність, попросив «... нести ці піклування, тільки оскільки це буде йому приємно ...».
25 серпня 1867, сидячи у своєму улюбленому кріслі, Майкл Фарадей помер. Перед смертю він побажав, щоб його кончина була відзначена так само скромно, як він провів своє життя. На могилі вченого на Хайгетском кладовищі в Лондоні встановлений простий надгробний пам'ятник, вказані його ім'я та прізвище, дати народження і смерті. І ні слова про його всесвітньої слави! ..
За минулі 170 років з дня відкриття Фарадеєм явища електромагнітної індукції це та багато інших відкриття великого фізика не застаріли. Навпаки, їх значення ще більше зросло. Досить нагадати про успіхи космічних наук, космічних кораблях і міжпланетних зв'язках.
Ім'я Фарадея увічнено відкритими їм законами і поняттями: «фарадеево темний простір», «Фарадея метод вимірювання», «число Фарадея (постійна Фарадея)» і, нарешті, одиниця виміру електричної ємності «Фарадей».
Як пророче зауважив найбільший німецький учений Г. Гельмгольц, до тих пір поки люди користуються благами електрики, вони з вдячністю будуть згадувати Фарадея.