Электромагнитная индукция. Фарадей

⇐ ПредыдущаяСтр 21 из 33Следующая ⇒

После опытов Эрстеда стало ясно, что электрический ток производит магнитное действие, и для понимания взаимодействия между электричеством и магнетизмом необходимо было решить обратную задачу, которую Майкл Фарадей (1791-1867) сформулировал в своем дневнике предельно ясно: “Превратить магнетизм в электричество”.

Майкл Фарадей родился в Лондоне в семье кузнеца. До четырнадцати лет Майкл учился в начальной школе, но затем был вынужден оставить школу и пойти на работу сначала разносчиком газет, а затем переплетчиком. В переплетной мастерской ему были доступны различные книги, но одна из них “Разговоры о химии”, написанная госпожой Марсе, произвела на юношу особое впечатление. Он всю жизнь был благодарен этой случайности, считал Марсе своей первой учительницей и посылал ей свои сочинения. Заинтересовавшись естествознанием, Фарадей много читает, посещает публичные лекции, в частности лекции другого своего кумира Х. Дэви, известного химика. Фарадей обратился к Дэви с письмом, в котором просил принять его на работу в Королевский институт, где Дэви проводил свои опыты. В 1813 г. Майкл Фарадей был зачислен лаборантом в Королевский институт и стал помогать Дэви в проведении опытов. Во время одного из опытов взорвалась какая-то склянка с едким веществом, поранившим Дэви глаза. Некоторое время Дэви не мог писать и попросил Майкла Фарадея стать его секретарем. Сэр Дэви остался очень доволен активным, аккуратным и трудолюбивым помощником. Майкл Фарадей становится ассистентом и секретарем знаменитого ученого. Он жадно следит за его опытами, приобретает знания, много читает. Фарадей сопровождает своего патрона в поездке по Европе, знакомится там с лучшими лабораториями. Вскоре Фарадей получил возможность самостоятельно проводить опыты в Королевском институте. Первый период научной деятельности Фарадея связан с химическими исследованиями. Его опыты по сжижению газов положили начало целому научному направлению – физике низких температур, в котором процесс сожжения газов имеет большое значение.

Вопросами электричества и магнетизма Фарадей активно занимается с 1821 г. К этому времени относятся его первые опыты с вращением магнита вокруг проводника с током и проводника с током вокруг магнита. Фарадея не привлекает преподавательская работа, он отклонил выгодное предложение стать профессором химии Лондонского университета. Фарадей увлечен проведением опытов, в которых ему помогает единственный его лаборант – отставной солдат, умевший четко выполнять предписанное. Свои работы по электричеству и магнетизму Фарадей представляет в Лондонское Королевское общество в форме докладов, которые были впоследствии опубликованы в виде сборника “Экспериментальные исследования по электричеству”. Из года в год научный авторитет Фарадея растет. В 1824 г. он был избран членом Лондонского Королевского общества. Избранию Фарадея пытался воспрепятствовать его учитель – Х. Дэви, хотя и говоривший в шутку, что самым замечательным его открытием является “открытие” Фарадея, но, видимо, не сумевший превозмочь чувство ревности.

Но главные научные открытия Фарадея были в то время еще впереди. Явление электромагнитной индукции открыто Фарадеем в 1831 г. в серии знаменитых опытов. С этого времени имя Фарадея стало известным во всем мире. С 1833 г. Фарадей становится профессором химии Королевского института и остается на этой должности до 1862 г. Эту должность он оставил в связи с ухудшением здоровья. Примерно с 50-летнего возраста Фарадей стал терять память. В 1862 г. Фарадей записал свой последний опыт.

Как ученый Фарадей уникален по широте научных интересов. Ему принадлежит открытие законов электролиза, обнаружение поляризации диэлектриков, экспериментальное доказательство закона сохранения электрического заряда, открытие магнитооптических явлений и ряд других важнейших научных результатов. Но важнейшим научным достижением Фарадея, его величайшим открытием стало явление электромагнитной индукции и идея о передаче электромагнитных взаимодействий посредством поля. Эйнштейн писал, что “надо иметь могучий дар научного предвидения, чтобы распознать, что в описании электрических явлений не заряды и не частицы описывают суть явлений, а скорее пространство между зарядами и частицами”.

Наглядное проявление электромагнитной индукции было получено Фарадеем с помощью железного кольца с намотанными на него двумя раздельными спиралями. Одна из спиралей связана с электрической батареей, а другая с гальванометром. В момент замыкания первой цепи, во второй возникает ток, регистрируемый гальванометром. В момент размыкания цепи также возникает ток, но обратного направления. На уроках физики этот эффект демонстрирует обычно путем введения постоянного магнита в катушку, замкнутую на гальванометр. Фарадей различным образом видоизменял опыты по образованию “электричества из магнетизма”, и всякий раз выходило, что ток возникает только при условии изменяющегося во времени магнитного воздействия: в момент замыкания или размыкания цепи, при движении магнита относительно катушки и т.д. Постоянно находящийся в катушке неподвижный магнит и постоянно замкнутая цепь электрического тока не вызывают. Другими словами, электричество и магнетизм имеют динамическую, а не статическую связь. Это открытие имеет огромное и теоретическое, и практическое значение. Практическое значение этого открытия состоит, прежде всего, в том, что оно указывает путь получения электрического тока за счет механических перемещений, и обратный путь – преобразование тока в механическое перемещение. Именно на этих принципах строятся электрические машины – генераторы тока и электродвигатели, появившихся спустя 50 лет после открытия Фарадея.

Открытие электромагнитной индукции носило качественный характер. Предстояло многое объяснить, в частности физические причины возникновения тока и его направление. Фарадей, пытаясь объяснить направление индуцированного тока, приходит к идее “магнитных кривых”, он пишет: “Под магнитными кривыми я понимаю линии магнитных сил, хотя и искаженные соседством полюсов, эти линии вырисовываются железными опилками, к ним касательно располагались бы весьма маленькие магнитные стрелочки”.

Сегодня мы используем понятие силовой линии магнитного поля, понимая под таковой линию, проведенную в магнитном поле, касательная к которой в каждой точке совпадает с направлением силы, действующей на северный полюс магнитной стрелки. В этом определении используется понятие “магнитное поле”. Идея о передаче электромагнитных взаимодействий посредством поля сформировалась у Фарадея в самом конце его научной карьеры. К ней он шел практически всю жизнь. Фарадей признавал существование эфира и представляя себе электрическое и магнитное поля как состояние эфира, пронизанного силовыми линиями (“силовыми трубками”).

Объяснение Фарадеем направления индукционного тока было достаточно сложным и предусматривало несколько частных случаев. Петербургский академик Эмилий Христианович Ленц (1804-1865) с учетом закона Ампера сформулировал четкое и понятное правило, носящее его имя: возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван.

Особенностью научных работ Фарадея является отсутствие в них математических моделей описываемых явлений. Здесь, очевидно, сказалось отсутствие у Фарадея систематического математического образования. Вместе с тем, как отмечал Максвелл, образ его мыслей был вполне “математическим”. Ясность физических представлений, замечательная научная интуиция, восполнили недостатки математического образования. Образность мышления Фарадея, умение оперировать простыми ясными понятиями позволили ему стать лидером научной популяризации – редкой, но весьма важной сферы деятельности крупных ученых.

⇐ Предыдущая 16 17 18 19 202122 23 24 25 Следующая ⇒