Английский физик Майкл Фарадей

I Вступление

Законы естествознания постулируются на основании наблюдаемых опытных фактов. Сначала идет процесс накопления знаний в определенной области. Эти результаты анализируются и делается некоторое предположение. Это предположение не выводится из других законов. Оно возникает само по себе на основании опыта. Сделанное умозаключение, сформулированное в виде математической формулы, становится частью гипотезы. Если последующие опыты подтверждают правильность этого предположения, оно становится законом.

Майкл Фарадей был знаменит при жизни и на многие десятилетия вперед предугадал развитие научной мысли. Он был настолько противоречивой фигурой, что ученики и последователи считали его гениальные открытия следствием недостаточного образования и не доверяли точности проведенных им экспериментом из-за "странностей" характера ученого. Возможно, в этом есть доля истины: идя в науке своим особым путем, в полном противоречии с господствующим научным мировоззрением, Фарадей нередко находил закономерности и видел взаимные соотношения там, где никто до него их не признавал и не мог видеть...

II. 1 Биография

Майкл Фарадей был знаменит при жизни и на многие десятилетия вперед предугадал развитие научной мысли. Он был настолько противоречивой фигурой, что ученики и последователи считали его гениальные открытия следствием недостаточного образования и не доверяли точности проведенных им экспериментом из-за "странностей" характера ученого. Возможно, в этом есть доля истины: идя в науке своим особым путем, в полном противоречии с господствующим научным мировоззрением, Фарадей нередко находил закономерности и видел взаимные соотношения там, где никто до него их не признавал и не мог видеть...

Родился Майкл Фарадей в Ньюингтон-Батсе (графство Суррей, Великобритания). Его семья была катастрофически бедна, однако родители предпочитали накапливать духовные блага, а не гоняться за материальным благосостоянием. Существуя почти исключительно за счет пособия для малоимущих (одна буханка хлеба в неделю на человека), и взрослые, и дети не пропускали ни одного воскресного богослужения в пресвитерианской общине. Все остальное время маленький Майкл был предоставлен самому себе и получал "образование" на кривых и узких улочках родного городка.

В 13 лет Фарадей переселился на булыжные мостовые Лондона. Первые деньги он заработал доставкой газет и книг, затем пошел в переплетчики. Переплетая один из томов Британской энциклопедии, любознательный юноша прочитал статью об электричестве. Этот момент перевернул всю его жизнь: Майкл стал искать любые сведения об этом явлении, пытался самостоятельно ставить опыты.

Охваченный горячим желанием приобщиться к науке, Фарадей пишет к ученому сэру Г. Дэви, и вскоре заменяет одного из лаборантов в его лаборатории. В 20 с небольшим лет Майкл становится личным ассистентом сэра Дэви и отправляется вместе со своим патроном в турне по Европе. К этому времени он самозабвенно занимается наукой, ставит все более сложные эксперименты, размышляет, читает, сводит знакомство с ведущими учеными и уделяет много времени самообразованию. При этом он остается тихим и скромным молодым человеком, исправно посещающим радения сандемианцев, одной из крайних пресвитерианских сект. В довершение всего в 1820 году Фарадей женится на дочери одного из служителей церкви.

В то же время в лаборатории Британского королевского института он делает попытку получить электрический ток без батарей, проводит бесчисленные эксперименты с магнитами, пытаясь найти объяснение явлению электричества. И вот в 1831 году это удается. Успех принес опыт, кажущийся сейчас тривиальным: вокруг металлического кольца обвивались два отдельных витка провода. По одному из них, соединенному с батареей, пропускался электрический ток. Идея заключалась в том, чтобы выяснить, не возникнет ли ток в "мертвом" проводе под воздействием "живого". Так было открыто явление магнитной индукции.

Гениальный самоучка, глубоко религиозный человек, верящий в единство "Бога живого" и живой природы, изобрел динамо-машину, впоследствии получившую название генератора постоянного тока. При этом на все деловые предложения (как тут не вспомнить его родителей!), сулившие большие деньги, Фарадей отвечал отказом и продолжал возиться с проводами и магнитами.

В 1833-1834 годах ученый установил законы электролиза. Рядом опытов он доказал, что электростатическая индукция зависит от среды. Он заменил проводящую жидкость в электролитической ванне непроводящей. Металлические пластины, опущенные в нее, образуют конденсатор. Оказалось, что емкость конденсатора изменяется в зависимости того, какая именно жидкость находится между пластинами. С емкостью конденсатора связана какая-то определенная деформация. Понятие деформации среды Фарадей положил в основу учения об электричестве.

Фарадей экспериментально показал, что в зависимости от среды меняется сила взаимодействия между зарядами. Аналогично взаимодействие магнитных полюсов зависит от среды. Доказывая, что полюсы магнитов действуют на любую среду, Фарадей подвешивал немагнитные материалы под полюсами сильных магнитов, причем некоторые из них располагались перпендикулярно оси магнита. Так был открыт пара- и диамагнетизм.

В 1846 году Фарадей установил связь между магнитными и оптическими явлениями, которая позже стала подтверждением электромагнитной теории света, развитой Джеймсом Максвеллом.

В жизни Фарадея по-прежнему царило триединство: наука, семья и церковь. Почти одновременно Оксфордский университет присудил ему докторскую степень, а члены общины избрали его одним из служителей-"пророков". С одинаковым успехом он читал воскресные проповеди (которые часто приходили послушать его коллеги) и научные лекции, на которые члены королевской семьи приводили своих детей.

К 1854 году относится такое высказывание Фарадея: "Я уверен, что истину об этой жизни не получить даже самым беспримерным проявлением человеческой мудрости. Она открывается не посредством собственного разума, а благодаря элементарной вере в данное нам свидетельство". Судя по тому, насколько совершенными и удивительными в своей простоте были его опыты, можно сказать, что Фарадей служил науке в прямом смысле верой и правдой.

В последние годы жизни по высочайшему указу королевы Виктории Фарадею отводится резиденция в величественном дворце Хэмптон-Корт близ Лондона. К моменту смерти в 1867 году его научные открытия получили признание девяноста семи академий наук (в том числе 8 декабря 1830 г. его приняли в почетные члены С.-Петербургской академии наук), он также был носителем целой коллекции научных титулов, однако не счел нужным получить хотя бы одно звание. В своих лучших традициях Фарадей отказался и от дворянского титула.

В 1938 в архивах Королевского общества был найден длинный узкий конверт, подписанный: "Новые воззрения, подлежащие хранению в запечатанном конверте в архивах Королевского общества". Письмо было написано Майклом Фарадеем 12 марта 1832 года и содержало в себе суть открытия, сделанного Герцем спустя 55 лет после смерти Фарадея. Речь шла о существовании электромагнитных волн. Фарадей писал: "...Я хочу, передавая это письмо на хранение в Королевское общество, закрепить открытие за собой определенной датой и, таким образом, иметь право, в случае экспериментального подтверждения, объявить эту дату датой моего открытия. В настоящее время, насколько мне известно, никто из ученых, кроме меня, не имеет подобных взглядов".

Только очень немногие люди столь значительно изменили облик мира, как это сделал Фарадей. Он был одним из величайших экспериментаторов и мыслителей мира, и среди всех его открытий ни одно не имело таких грандиозных последствий как сделанное им в 1831 году. На нем основаны те формы применения электричества, которые составляют мускулы и нервы нашей современной жизни.

1.1) Внук сепаратиста

Жизненный путь Майкла Фарадея начинался весьма скромно. Его отец был деревенским кузнецом. Сначала он жил на севере Англии, а затем переехал в Лондон в поисках заработка. Майкл был третьим ребенком в семье. Он рос в перенаселенной квартире, получил самое скудное образование и большую часть своего детства провел на улице.

Но несмотря на бедность, семья Фарадеев была счастливой семьей, поскольку у них была вера, игравшая в семье очень важную роль. Согласно деревенским записям, прадед Майкла был «каменщиком, черепичным кровельщиком и сепаратистом» (последнее слово означало, что прадед был членом независимой протестантской церкви). Его потомки также усердно и преданно посещали церковь. В юности Майкл ни разу не пропустил воскресное богослужение в церкви на Аллее св. Павла в Лондонском Сити, где маленькая община христиан твердо верила в Библию, как в непогрешимое Слово Божье.

1.2) Увлечение электричеством

Когда Майклу исполнилось тринадцать лет, он начал зарабатывать разноской газет и книг. Вышагивая по лондонским мостовым начала ХIХ столетия, одетый в обносившийся сюртук старшего брата, он решил стать книготорговцем и переплетчиком. Но когда он стал подмастерьем, в его жизнь пришло совершенно другое увлечение. Переплетая изношенный том Британской Энциклопедии, он буквально впитал его содержание, неоднократно перечитывая при этом статью об электричестве. В свободное время он пробовал повторить опыты, описанные в статье. «Когда я был учеником в книжной лавке, — вспоминал Фарадей, — я очень увлекся экспериментами. Так случилось, что один джентльмен, член Королевского Института, взял меня послушать лекции сэра Хамфри Дэви на Альбемарл стрит. Я сделал записи и позже переписал их в книжку. Желание уйти из торговли, которую я считал порочным и эгоистичным занятием, и посвятить себя служению науке, которая, как я представлял себе, делала своих последователей добрыми и свободными, заставило меня, наконец, сделать смелый и прямой шаг: написать письмо сэру Хамфри Дэви».

Ответ был уклончивым, но, тем не менее, не заставил себя долго ждать, потому что сэр Хамфри вскоре уволил своего лаборанта. Здесь он и вспомнил молодого человека по имени Фарадей, а также его письмо. Фарадей был зачислен штатным лаборантом в Королевский Институт.

1. 3) Кризис веры

Благодаря воспитанию Майкл верил, что люди, хотя и могут делать много хорошего, по своей сути порочны и грешны. Он верил в то объяснение, которое давала Библия, что род человеческий возмутился против своего Создателя и находится в разобщении с Ним. Фарадей верил в то, что люди могут примириться с Богом только тогда, когда просят у Него прощения и уверуют в Спасителя, Который заплатил за вину греха Своей смертью на кресте. Эти убеждения составляли основы его веры с самых юных лет. Но к тому времени, когда ему исполнилось двадцать два года, Фарадей мучился многими сомнениями. Находясь под обаянием сэра Хамфри Дэви, его сомнения переросли в открытое неверие. Он стал считать, что сэр Хамфри является живым доказательством того, что человек может быть добрым и великим без веры в Христа. Но Фарадею не пришлось слишком долго сомневаться в библейском учении об испорченности человеческой природы, так как чем ближе он знакомился с этим «идеальным» человеком, тем меньше ему хотелось быть на него похожим. В течение восемнадцати месяцев Фарадею пришлось сопровождать сэра Хамфри в турне по Европе в качестве ассистента.

Вернувшись домой, он все еще питал чувство уважения к сэру Хамфри как к человеку науки, но теперь личные качества его характера не вызывали у него восторга. Во время путешествия великий ученый вел себя очень несдержанно, проявлял тщеславие, нечестность и злость. Фарадей с радостью вернулся в родной семейный круг, а также посетил свою старую церковь, чтобы поучиться мудрости у простых прихожан.

По возвращении в Королевский Институт Фарадей решил продолжить свое научное образование. Шли годы, и передовые ученые начали понимать, что этот незаметный, молодой человек, работавший под покровительством Дэви, был не простым ассистентом. К тридцати годам он сделал много важных открытий (в том числе синтез бензола). Его авторитет быстро поднимался. Без сомнения, самой примечательной чертой Фарадея-ученого являлось то, что он был мыслителем. Он считал себя больше философом, чем просто химиком, и старался, прежде всего, объяснить суть, а не произвести эффект.

1. 4) «Ум с человеком в придачу»

Когда Фарадей просил руки Сарры Бернард, двадцатилетней дочери одного из церковных старейшин, она сказала ему, что смотрит с некоторым опасением на его «ум с человеком в придачу». Тем не менее, их брак оказался одним из самых счастливых союзов среди знаменитых супружеских пар. До самой его смерти, которая наступила спустя сорок семь лет после свадьбы, они были связаны узами редкого взаимопонимания, преданности и любви.

Через месяц после бракосочетания ученый открыто заявил о решении стать членом церкви. Он рассказал собравшимся братьям и сестрам о том, что получил от Господа прощение грехов через молитву покаяния, и посвятил Ему целиком всю жизнь. Еще с детства Фарадей посещал церковь, однако до тридцати лет, пока не преодолел бурную пору сомнений и не испытал на личном опыте реальность Христа, не решался присоединиться к церкви.

Через три года после брака Фарадей приступил к поискам получения электроэнергии без химических батарей. В то время электрический ток получали в лабораториях с помощью простейших устройств с трущимися пластинами, либо с помощью громоздких дорогостоящих химических батарей. И вот в 1831 году Фарадей сделал свое великое открытие. Он начал экспериментировать со стальным кольцом шести дюймов в диаметре, обмотанным двумя изолированными проводами. Он хотел проверить, будет ли влиять провод, подключенный к батарее, на другой провод, оставшийся свободным. Будет ли «живой» проводник производить электрический ток в «мертвом»?

Через десять дней непрерывного поиска он добился полного успеха и изобрел первую в мире действующую динамо-машину. Он нашел способ получения электричества без использования батарей, и таким образом, заложил основу современному веку электричества. Великий мыслитель заметил то, чего не замечали другие: он обратил внимание на пространство около магнита, и таким образом увидел возможность существования магнитного поля и силовых линий.

1846 году Фарадей пришел к пониманию природы света, намного опередив свое время. Позже его идеями воспользовался Джеймс Кларк Максвелл, а затем и Альберт Эйнштейн. Обладая гениальным предвидением, Фарадей писал: «Моя точка зрения, которую я высказываю со всей уверенностью, заключается в том, что световое излучение представляет собой разновидность высокочастотных колебаний силовых линий, связывающих частицы, а также материю, обладающую массой».

1.5) Ученый проповедник

Фарадея мало интересовали повадки великосветского общества. Его личная жизнь была сосредоточена вокруг церкви и семьи. Церковное здание на Аллее св. Павла было типичным для нонконформистов «молитвенным домом». Это было простое прямоугольное здание, напротив входной двери возвышалась массивная деревянная кафедра, а по обеим сторонам и у входа в зал был расположен балкон. Двадцать с небольшим семей, входивших в церковный список, избрали Фарадея одним из своих служителей, когда ему было почти пятьдесят лет. Каждую неделю, с неизменным постоянством он проповедовал в церкви, пользуясь конспектами, написанными на небольших листках бумаги. Его друзья ученые часто заходили в церковь, чтобы посмотреть на то, во что верил Фарадей, и что делало его человеком, столь высоко почитаемым в научных кругах. Его проповеди говорили о доскональном знании Библии, так как он цитировал ее много и точно. «Всю свою жизнь, — сказал лорд Кельвин, его коллега по науке, — Фарадей твердо держался своей веры».

Говорили, что если кому посчастливилось подружиться с Фарадеем, тот имел настоящего друга. Те, кто принадлежал к семейному кругу Фарадея, были предметом его попечения, заботы, внимания и ежедневных молитв. Те, кто находился в его компании, видели в нем «нравственный стимулятор».

1. 6) Человек, знающий счастье

Фарадей пришел к пониманию смысла жизни через Библию, которую он изучал, в которую веровал и которую преподавал другим, а также через опыт личного познания Иисуса Христа. К концу своей жизни, он писал: «Мои земные силы слабеют изо дня в день. И наше счастье в том, что истинное благо — не в них. По мере того, как наши силы тают, пусть они сделают нас похожими на маленьких детей, которые доверяют себя Отцу милосердия, принимая Его невыразимый дар. Я преклоняюсь перед Тем, Кто есть Господь всего».

Фарадей умер в 1867 году. К этому моменту он был обладателем 97 почетных титулов от Академий наук разных стран, причем ни одного не было получено за соавторство. Замечательно, что не только Фарадей, но и другие передовые ученые, продолжившие его исследования, также искренне веровали в одну и ту же весть о спасении. Кларк Максвелл, лорд Кельвин и сэр Джон Амброз Флеминг — все они твердо держались таких же убеждений, и со смирением говорили о той великой перемене, которую они пережили в результате своего личного обращения к Богу

II. 2. Начало работы в Королевском институте.

2.1) Избрание в Королевское общество. Профессура

Один из клиентов переплетной мастерской, член Лондонского королевского общества Дено, заметив интерес Фарадея к науке, помог ему попасть на лекции выдающегося физика и химика Г. Дэви в Королевском институте. Фарадей тщательно записал и переплел четыре лекции и вместе с письмом послал их лектору. Этот «смелый и наивный шаг», по словам самого Фарадея, оказал на его судьбу решающее влияние. В 1813 Дэви (не без некоторого колебания) пригласил Фарадея на освободившееся место ассистента в Королевский институт, а осенью того же года взял его в двухгодичную поездку по научным центрам Европы. Это путешествие имело для Фарадея большое значение: он вместе с Дэви посетил ряд лабораторий, познакомился с такими учеными, как А. Ампер, М. Шеврель, Ж. Л. Гей-Люссак, которые в свою очередь обратили внимание на блестящие способности молодого англичанина.

Первые самостоятельные исследования. Научные публикации После возвращения в 1815 в Королевский институт Фарадей приступил к интенсивной работе, в которой все большее место занимали самостоятельные научные исследования. В 1816 он начал читать публичный курс лекций по физике и химии в Обществе для самообразования. В этом же году появляется и его первая печатная работа.

В 1821 в жизни Фарадея произошло несколько важных событий. Он получил место надзирателя за зданием и лабораториями Королевского института (т. е. технического смотрителя) и опубликовал две значительные научные работы (о вращениях тока вокруг магнита и магнита вокруг тока и о сжижении хлора). В том же году он женился и, как показала вся его дальнейшая жизнь, был весьма счастлив в браке.

В период до 1821 Фарадей опубликовал около 40 научных работ, главным образом по химии. Постепенно его экспериментальные исследования все более переключались в область электромагнетизма. После открытия в 1820 Х. Эрстедом магнитного действия электрического тока Фарадея увлекла проблема связи между электричеством и магнетизмом. В 1822 в его лабораторном дневнике появилась запись: «Превратить магнетизм в электричество». Однако Фарадей продолжал и другие исследования, в том числе в области химии. Так, в 1824 ему первому удалось получить хлор в жидком состоянии.

В 1824 Фарадей был избран членом Королевского общества, несмотря на активное противодействие Дэви, отношения с которым стали у Фарадея к тому времени довольно сложными, хотя Дэви любил повторять, что из всех его открытий самым значительным было «открытие Фарадея». Последний также воздавал должное Дэви, называя его «великим человеком».

Спустя год после избрания в Королевское общество Фарадея назначают директором лаборатории Королевского института, а в 1827 он получает в этом институте профессорскую кафедру.

2.2) Первые самостоятельные исследования

После возвращения в 1815 в Королевский институт Фарадей приступил к интенсивной работе, в которой всё большее место занимали самостоятельные научные исследования. В 1816 он начал читать публичный курс лекций по физике и химии в Обществе для самообразования. В этом же году появляется и его первая печатная работа. В 1820 Фарадей провёл несколько опытов по выплавке сталей, содержащих никель. Эта работа считается открытием нержавеющей стали, которое не заинтересовало в то время металлургов. В 1821 в жизни Фарадея произошло несколько важных событий. Он получил место надзирателя за зданием и лабораториями Королевского института (то есть технического смотрителя) и опубликовал две значительные научные работы (о вращениях тока вокруг магнита и магнита вокруг тока и о сжижении хлора). В том же году он женился и, как показала вся его дальнейшая жизнь, был весьма счастлив в браке.

В период до 1821 Фарадей опубликовал около 40 научных работ, главным образом по химии. В 1824 ему первому удалось получить хлор в жидком состоянии, а в 1825 г он впервые синтезирует гексахлоран — вещество, на основе которого в XX веке изготовлялись различные инсектициды.

Постепенно его экспериментальные исследования всё более переключались в область электромагнетизма. После открытия в 1820 Х.Эрстедом магнитного действия электрического тока Фарадея увлекла проблема связи между электричеством и магнетизмом. В 1822 в его лабораторном дневнике появилась запись: «Превратить магнетизм в электричество». В 1831 г. Фарадей экспериментально открыл явление электромагнитной индукции — возникновение электрического тока в проводнике, движущемся в магнитном поле. Фарадей также дал математическое описание этого явления, лежащего в основе современного электромашиностроения.

В 1832 г. Фарадей открывает электрохимические законы, которые ложатся в основу нового раздела науки — электрохимии, имеющего сегодня огромное количество технологических приложений.

2.3) Клетка Фарадея

Кле́тка Фараде́я (или «щит Фарадея») — специальное устройство, изобретённое английским физиком и химиком Майклом Фарадеем в 1836 году для экранирования аппаратуры от внешних электромагнитных полей. Обычно представляет собой заземлённую клетку из мелкой сетки, выполненной из хорошо проводящего материала.

Для того, чтобы клетка Фарадея эффективно работала, прутья должны быть достаточно тонкими, а размер ячейки сетки значительно меньше длины волны излучения, защиту от которого требуется обеспечить. Принцип действия устройства основан на перераспределении электронов в проводнике под воздействием электромагнитного поля.

2.4) Фарад

Фара́д (обозначение: Ф, F) — единица измерения электрической ёмкости в системе СИ (ранее называлась фара́да).