Основоположник учения об электромагнитном поле

Шнейберг Ян

Никогда со времен Галилея свет не видел столь поразительных и разнообразных открытий, вышедших из одной головы, и едва ли скоро увидит другого Фарадея.

А.Г. Столетов

Когда в семье бедного лондонского кузнеца Джемса Фарадея родился сын, названный Майклом, никто и представить не мог, что этот мальчик, не имевший возможности даже окончить начальную школу, станет всемирно известным ученым. Членом 97 академий и научных обществ, в том числе почетным членом Петербургской академии наук!

Майкл родился 22 сентября 1791 года в дружной семье, где с детства прививалась любовь к труду и скромность. Отец Фарадея умер рано, а мать, простая необразованная женщина, дожив до глубокой старости, застала те счастливые дни, когда ее любимец – младший сын – получил всемирную известность ученого.

Заработок отца был весьма скудным, порции хлеба за обедом становились все меньше. Средств для обучения детей не хватало, и родители были вынуждены отдать старшего брата в ученики к кузнецу, а 14-летнего Майкла – к владельцу книжной лавки и переплетной мастерской. Кто знает, попади Майкл в обучение к сапожнику или портному, вряд ли он с раннего детства полюбил бы книги.

Вначале Майкл был разносчиком газет, а год спустя его стали обучать переплетному делу. Он увлекается чтением книг, тем более что хозяин мастерской, отмечая его ловкость и трудолюбие, всячески поощряет это увлечение.

Однажды в мастерскую принесли три маленьких томика «Химические беседы», популярно и интересно написанных швейцарской писательницей Морсе. Майкл буквально проглотил эти книжки и воспроизвел изложенные в них простейшие химические опыты. Возможно, с этих опытов и начинается биография выдающегося изобретателя.

Когда в мастерскую принесли многотомное издание «Британской энциклопедии» (каждый том весом почти полпуда), Майкл внимательно прочел статью об электричестве и необычайно увлекся этой таинственной силой природы. Он начал демонстрировать сотрудникам и посетителям мастерской занимательный опыт с электризацией палочки сургуча, натираемой суконной тряпочкой. Затем, используя имевшиеся под руками инструменты и подручные материалы, он по рисунку в «Энциклопедии» соорудил весьма эффективную электрическую машину, которая приводила в восторг всех, кто ее наблюдал. Шестнадцатилетний изобретатель очень гордился своим созданием, тем более что в процессе ее изготовления ему пришлось работать не только руками, но и головой, упрощая и заменяя некоторые детали машины.

Молодой Фарадей все более ощущает недостаточность своих знаний и начинает регулярно посещать общеобразовательные лекции по физике и астрономии. Оплачивать лекции ему помогает брат, а овладевать знаниями – друзья. С их помощью он научился грамотно писать и четко излагать свои мысли.

Жизненный путь Майкла Фарадея – замечательный пример удивительной жажды знания, трудолюбия, неутомимой настойчивости в преодолении трудностей, неизбежадея было знакомство с выдающимся английским ученым Хэмфри Дэви. Его пригласил на лекцию знаменитого физика и химика в Королевском институте один из посетителей переплетной мастерской, большой любитель химии. Эти четыре последних лекции Дэви решили судьбу Майкла. Он был, возможно, одним из самых внимательных слушателей, а сопровождавшие лекцию эксперименты вызвали у него восхищение.

Майклу казалась несбыточной мечта заняться научной работой. По совету того же знакомого Фарадей посылает Дэви письмо вместе с конспектами лекций, аккуратно переплетенными в отдельную тетрадь. Вскоре приходит ответ. Дэви отмечает его конспекты, обнаруживающие «большое прилежание, внимание и силу памяти». «Я буду рад, если смогу быть Вам полезен», – пишет Дэви. Трудно представить волнение, которое испытал Фарадей, перечитывая письмо.

В конце января 1813 года Майкл впервые встретился с Дэви, а 1 марта получил от него приглашение занять место лаборанта в лаборатории Королевского института. При этом Дэви предупредил Фарадея о нелегком пути ученого, стараясь рассеять иллюзии еще неопытного юноши. Вскоре Фарадей убедился в справедливости этого предупреждения. Он не только исполнял обязанности лаборанта, но был по существу и служителем, и лакеем, в том числе и у леди Дэви. А когда в конце 1813-го Дэви с женой уехали в путешествие по Европе, то взяли с собой Фарадея в качестве лакея и слуги.

Во время путешествия Фарадей познакомился с такими известными учеными, как Ампер, Вольта, Гумбольт, Гей-Люссак. Эти встречи заметно обогатили познания Фарадея и укрепили его желание заняться самостоятельными научными исследованиями. С 1815 года он помогает Дэви в проведении химических экспериментов, вскоре публикуются его первые научные статьи по химии, он привлекается к редактированию научного журнала, читает лекции в организованном им философском обществе, объединявшем молодых людей из бедных семей, интересующихся достижениями науки.

Звездным часом в творчестве Фарадея, по-видимому, нужно считать момент, когда он узнал о необычайно интересном открытии датского физика Г.Х. Эрстеда – действии электрического тока на магнитную стрелку. По образному выражению одного из ученых, с тех пор электромагнетизм привлек к себе не только железо, но и мысли виднейших европейских физиков.

В августе 1820 года Дэви ознакомил Фарадея с трехстраничным докладом Эрстеда. Они вместе повторили опыты датского физика, и с тех пор почти все важнейшие исследования Фарадея, принесшие ему мировую славу, были связаны с изучением электромагнитных явлений.

В опыте Эрстеда наблюдалось принципиально новое явление: уже не было привычного притягивающего и отталкивающего действия «электрической силы»; магнитная стрелка компаса поворачивалась и становилась поперек провода с током.

Фарадей подробно знакомится с открытиями в области электромагнетизма, сделанными в 1820 году французскими учеными Ампером, Араго, Био и Саваром. Закон о взаимодействии тока и магн вращательный характер движения проводника относительно магнита и магнита относительно проводника.

Проявив незаурядные способности экспериментатора, Фарадей в 1821 году впервые создает оригинальный прибор, в котором этот закон получил наглядное подтверждение (рис. 1). При подключении к источнику тока в левом сосуде со ртутью подвижный магнит вращался вокруг неподвижного провода, а в правом – подвижный проводник вращался вокруг неподвижного магнита.

Над своим прибором Фарадей, по его признанию, «долго ломал себе голову... даже ночами просыпался и думал».

Этот эксперимент наглядно иллюстрировал возможность построения электродвигателя.

По мнению одного из биографов, «...одно лишь открытие Фарадеем «электромагнитного вращения» доставило ему мировую известность... Этого было достаточно, для того чтобы занять видное место и в научном мире того времени, и в истории науки». Фарадей опубликовал в научном журнале Королевского общества статью с историческим обзором явлений электромагнетизма. После создания прибора он написал вторую статью по электромагнетизму «О новых электромагнитных движениях».

В том же 1821-м Фарадей записывает в своем дневнике замечательные слова: «Превратить магнетизм в электричество». Такая новаторская научная проблема могла быть сформулирована только незаурядным исследователем, глубоко понимавшим сложные взаимосвязи и взаимопревращения различных сил природы. Такие материалистические представления лежали в основе философского мировоззрения Фарадея еще задолго до открытия закона сохранения и превращения энергии.

Действительно, достижения науки и практики, хорошо известные Фарадею, убедительно подтверждали его веру в «единство сил природы» (термин «энергия» в то время еще не употреблялся): взаимное превращение тепловой и механической, электрической и химической энергий. Вот как писал об этом в своем дневнике Фарадей: «Все силы природы в основе своей едины. Тепло, расширяя пар в паровой машине, превращается в механическое движение.

Механическое движение, как, например, вращение колеса, остановленное трением тормоза, переходит обратно в тепло, нагревая тормоз и колесо. Такой взаимный переход должен несомненно существовать также между электричеством и магнетизмом». Так, если электрический ток создает магнитное поле, то можно предположить существование обратного процесса: магнетизм превращается в электричество.

Вот таким поразительным для своего времени научным предвидением, основанным на прочном фундаменте знаний, владел Фарадей. И запись в его дневнике появилась не случайно. Но потребовалось десять (!) лет упорнейшего труда, чтобы практически решить поставленную задачу.

Имя Фарадея уже стало известным в ученых кругах, но он неустанно занимался самообразованием: изучал труды знаменитых физиков и химиков. И хотя большую часть времени он посвящал изучению электромагнитных явлений, ему в отличие от Дэви удалось в 1823 году впервые получить жидкийка, который все более убеждался в одаренности и таланте молодого ученого.

Коллеги Фарадея выступили с предложением избрать его в члены Лондонского Королевского общества, президентом которого был Дэви. Вначале он резко возражал против избрания Фарадея: никак не мог примириться с мыслью, что его бывший лакей и ученик будет удостоен высшего научного звания. Однако под воздействием ряда ученых Дэви дал согласие на проведение выборов. 8 января 1824 года

Фарадей избирается членом Королевского общества. Как пишут биографы Фарадея, в баллотировочном ящике оказался лишь один черный шар «и Фарадей никогда не узнал, голосовал Дэви за или против его избрания». Но в кругу друзей Дэви любил повторять, что среди его немаловажных для науки открытий самым большим было «открытие Фарадея».

В 1827 году Фарадей получил «профессорскую кафедру» в Королевском институте. Его лекции вызывали всеобщий интерес. Но чем бы ни занимался Фарадей, все его мысли были о «превращении магнетизма в электричество».

Рассказывают, что он носил в кармане небольшую спираль из медной проволоки и тонкий железный брусок, нередко доставал эту своеобразную модель электромагнита и устанавливал детали в разнообразные положения. Многие друзья и коллеги считали его чудаком. Фарадею не давала покоя мысль о физической сущности явления, описанного в 1824 году французским ученым Араго и названного им «магнетизмом вращения».

Магнитная стрелка компаса, помещенная в медную коробку с медной крышкой (медь – немагнитный материал), при повороте крышки поворачивалась в том же направлении. При неподвижной крышке стрелка оставалась также неподвижной. Даже великий Ампер не мог объяснить это явление.

В течение долгих десяти лет день за днем Фарадей ставил опыт за опытом, тщательно записывая их в лабораторный журнал. Опытов были тысячи, но «возбуждения электричества посредством магнетизма» достичь не удавалось.