Майкл Фарадей. Его жизнь и научная деятельность
- -
- 100%
- +
Только после исследований Фарадея в области электромагнетизма и индукционного электричества, только после открытия им этого вида проявления электрической энергии появилась возможность превратить электричество в послушного слугу человека и совершать с ним те чудеса, которые творятся теперь. Телеграфы, телефоны, электрическое освещение, электрические железные дороги и суда, передача силы на расстояние, электротерапия и многие тысячи других приложений электричества – все это стало возможным лишь после открытия индукционного электричества, так как во всем этом работают индукционные токи, токи Фарадея. Кто имеет хоть самое общее представление о современных успехах электротехники, тот поймет, какое величайшее благодеяние для человечества составляют открытия Фарадея, какой неоценимый дар принесен миру гением этого ученого!
Исследования в области электромагнетизма и индукционного электричества, составляющие наиболее ценный алмаз в венце славы Фарадея, поглотили большую часть его жизни и его сил. Не сразу, однако, великий исследователь всецело отдался этим работам. Долго, очевидно, он сам недостаточно оценивал значение тех тайн природы, которые удалось ему обнаружить, и он не раз отрывался от работ в этом направлении, оставляя их порою надолго, словно забывая о них. В других занятиях, которым Фарадей предавался в промежутках между работами по электричеству, он оставался все тем же проницательным ученым и здесь также сделал целый ряд капитальных открытий и исследований, как это мы сейчас увидим.
Как мы уже знаем, еще с первых лет сознательной жизни внимание Фарадея из всех наук особенно сильно привлекли химия и физика (собственно, отдел физики, трактующий об электричестве). Верность этим наукам он сохранил и в зрелом возрасте, но долго колебался между тою и другою, пока, наконец, не специализировался в области электромагнитных явлений и индукционного электричества.
Как всегда это бывает в области мысли и знания, Фарадей имел в своих открытиях в области электричества предшественников и соперников. Но ни те, ни другие не дали ничего существенного, и великие открытия Фарадея принадлежат всецело ему. В 1820 году физик Эрштед открыл, что гальванический ток отклоняет магнитную стрелку от ее обычного направления. Исходя из этого открытия, Ампер чисто теоретическим путем выяснил, что все известные магнитные явления могут быть сведены на взаимные действия электрических токов. Под влиянием этих умозрений Ампера доктор Вульстен высказывал соображения о том, что можно превратить замеченное отклонение магнитной стрелки в непрерывное вращение ее вокруг проводника гальванического тока и что, быть может, окажется возможным получить даже обратное действие, то есть заставить проводник вращаться вокруг стрелки. Вот все, что мог найти Фарадей по данному предмету в трудах тогдашних физиков. Все это были почти исключительно умозрения и даже просто гадания, фактов же почти совсем не было. Последние дал Фарадей, который пошел при этом неизмеримо дальше своих предшественников.
В 1821 году Вульстен высказывал сэру Дэви вышеуказанные соображения по поводу отклонения магнитной стрелки под влиянием гальванического тока. При разговоре присутствовал и Фарадей. Он так заинтересовался этим предметом, что немедленно стал изучать его, прочел все, что мог найти относящегося к нему, повторил опыты своих предшественников, скомбинировал несколько собственных опытов и к сентябрю того же 1821 года составил “Историю успехов электромагнетизма”, напечатанную в “Annales of philosophy”. Уже в это время он составил вполне правильное понятие о сущности явления отклонения магнитной стрелки под действием тока. “Я смотрю на все обыкновенные, производимые проводником, притяжения и отталкивания магнитной стрелки как на простое обольщение; в действительности движение происходит ни от притяжения, ни от отталкивания, ни даже от действия других каких-нибудь притягивающих или отталкивающих сил; но эти притяжения и отталкивания скорее происходят от действия силы в самой проволоке; сила эта не приближает полюс стрелки к проволоке и не удаляет его, но скорее стремится двигать полюс в бесконечном вращении вокруг проволоки во все время действия батареи”. Вскоре Фарадей имел возможность убедиться в полной верности такого воззрения. В первый день Рождества 1821 года он с глубокой радостью позвал жену полюбоваться первым вращением магнитной стрелки вокруг проводника гальванического тока.
Добившись этого успеха, Фарадей на целых десять лет оставляет занятия в области электричества, посвятив себя исследованию целого ряда предметов иного рода. В том же 1821 году, еще работая над вопросом о вращении магнитной стрелки под влиянием тока, он случайно натолкнулся на явление испарения ртути при обыкновенной температуре. Позже Фарадей посвятил немало внимания изучению этого предмета и, основываясь на своих исследованиях, установил совершенно новый взгляд на сущность испарения. Теперь же он скоро оставил этот вопрос, увлекаясь все новыми предметами исследований. Так, вскоре он стал заниматься опытами над составом стали и впоследствии любил одаривать своих друзей стальными бритвами из открытого им сплава. В 1823 году Фарадей занялся исследованием вещества, долго принимавшегося за хлор в твердом состоянии, но оказавшегося, по исследованию Дэви, гидратом хлора, то есть соединением хлора и воды. Фарадей первым анализировал это вещество и написал отчет о его составе. При чтении отчета Дэви подал мысль Фарадею разогреть гидрат хлора под давлением в запаянной стеклянной трубке. Фарадей произвел этот опыт, при этом гидрат расплавился, трубка наполнилась желтым паром и расплавленное вещество разделилось на две жидкости. В это время в лабораторию зашел некто доктор Парис и, заметив в трубке, над которою возился Фарадей, маслянистое вещество, с пренебрежением осмеял молодого химика, работающего с “грязными” инструментами. Фарадей промолчал и продолжал свое дело. Когда он отпилил конец трубки, в котором находилось маслянистое вещество, произошел взрыв, чуть не изуродовавший Фарадея. Взрыв этот сильно обрадовал молодого ученого, наведя его на мысль, что маслянистое вещество было не что иное, как жидкий хлор. Он немедленно повторяет опыт, несмотря на всю его опасность, исследует полученное вещество, убеждается, что это действительно жидкий хлор, и таким образом получает возможность препроводить высокомерному доктору Парису следующий достойный ответ на его выходку: “Милостивый государь! Масло, замеченное вами вчера, было не что иное, как жидкий хлор. Преданный вам Фарадей”.
Так было произведено одно из важнейших открытий в области физики – первое сжижение газа, и вместе с тем установлен простой, но действительный метод обращения газов в жидкость. Когда гидрат хлора был нагрет, он разложился на составные части, и хлор принял свою обычную газообразную форму. Давление собравшейся в одном конце запаянной трубки массы газообразного хлора было так велико, что под влиянием его часть хлора сгустилась в жидкость. Этот простой метод Фарадей затем применил еще к нескольким газам, считавшимся дотоле постоянными, и превратил их в жидкость. Вскоре он, однако, оставил работы в этом направлении и возвратился к ним не ранее 1844 года. Тогда он применил, кроме давления, образующегося в трубке от скопления самого газа, еще и искусственное, внешнее давление и этим путем превратил в жидкость еще несколько наиболее “упорных” газов. Надо заметить, что опыты эти были очень небезопасны: во время одного из них лицо Фарадея было буквально засыпано осколками взорванной стеклянной трубки, и глаза уцелели только чудом.
Эти опыты совершенно изменили господствовавший дотоле взгляд на природу газов, так как они твердо установили, что газы – это просто пары жидкостей, имеющих низкую точку кипения. Во время Фарадея еще далеко не все газы были обращены в жидкое состояние; но в наше время, когда ученые располагают способами воздействовать на газы такими чудовищными давлениями, которые во времена Фарадея можно было только воображать, и присоединять к действию давления еще и действие искусственных чрезвычайно низких температур, уже не остается газов, которые не могли бы быть обращены в жидкость. Помимо чисто научного интереса – выяснения сущности молекулярного строения тел, – сжижение газов начинает получать и громадное практическое значение: достаточно упомянуть о применении жидкой углекислоты (для чрезвычайного понижения температуры) и жидкого воздуха (подводные лодки и ружья Жиффара).
Работы по сжижению газов заняли 1823-й и часть вокруг проволоки во все время действия батареи”. Вскоре Фарадей имел возможность убедиться в полной верности такого воззрения. В первый день Рождества 1821 года он с глубокой радостью позвал жену полюбоваться первым вращением магнитной стрелки вокруг проводника гальванического тока.
Добившись этого успеха, Фарадей на целых десять лет оставляет занятия в области электричества, посвятив себя исследованию целого ряда предметов иного рода. В том же 1821 году, еще работая над вопросом о вращении магнитной стрелки под влиянием тока, он случайно натолкнулся на явление испарения ртути при обыкновенной температуре. Позже Фарадей посвятил немало внимания изучению этого предмета и, основываясь на своих исследованиях, установил совершенно новый взгляд на сущность испарения. Теперь же он скоро оставил этот вопрос, увлекаясь все новыми предметами исследований. Так, вскоре он стал заниматься опытами над составом стали и впоследствии любил одаривать своих друзей стальными бритвами из открытого им сплава. В 1823 году Фарадей занялся исследованием вещества, долго принимавшегося за хлор в твердом состоянии, но оказавшегося, по исследованию Дэви, гидратом хлора, то есть соединением хлора и воды. Фарадей первым анализировал это вещество и написал отчет о его составе. При чтении отчета Дэви подал мысль Фарадею разогреть гидрат хлора под давлением в запаянной стеклянной трубке. Фарадей произвел этот опыт, при этом гидрат расплавился, трубка наполнилась желтым паром и расплавленное вещество разделилось на две жидкости. В это время в лабораторию зашел некто доктор Парис и, заметив в трубке, над которою возился Фарадей, маслянистое вещество, с пренебрежением осмеял молодого химика, работающего с “грязными” инструментами. Фарадей промолчал и продолжал свое дело. Когда он отпилил конец трубки, в котором находилось маслянистое вещество, произошел взрыв, чуть не изуродовавший Фарадея. Взрыв этот сильно обрадовал молодого ученого, наведя его на мысль, что маслянистое вещество было не что иное, как жидкий хлор. Он немедленно повторяет опыт, несмотря на всю его опасность, исследует полученное вещество, убеждается, что это действительно жидкий хлор, и таким образом получает возможность препроводить высокомерному доктору Парису следующий достойный ответ на его выходку: “Милостивый государь! Масло, замеченное вами вчера, было не что иное, как жидкий хлор. Преданный вам Фарадей”.
Так было произведено одно из важнейших открытий в области физики – первое сжижение газа, и вместе с тем установлен простой, но действительный метод обращения газов в жидкость. Когда гидрат хлора был нагрет, он разложился на составные части, и хлор принял свою обычную газообразную форму. Давление собравшейся в одном конце запаянной трубки массы газообразного хлора было так велико, что под влиянием его часть хлора сгустилась в жидкость. Этот простой метод Фарадей затем применил еще к нескольким газам, считавшимся дотоле постоянными, и превратил их в жидкость. Вскоре он, однако, оставил работы в этом направлении и возвратился к ним не ранее 1844 года. Тогда он применил, кроме давления, образующегося в трубке от скопления самого газа, еще и искусственное, внешнее давление и этим путем превратил в жидкость еще несколько наиболее “упорных” газов. Надо заметить, что опыты эти были очень небезопасны: во время одного из них лицо Фарадея было буквально засыпано осколками взорванной стеклянной трубки, и глаза уцелели только чудом.
Эти опыты совершенно изменили господствовавший дотоле взгляд на природу газов, так как они твердо установили, что газы – это просто пары жидкостей, имеющих низкую точку кипения. Во время Фарадея еще далеко не все газы были обращены в жидкое состояние; но в наше время, когда ученые располагают способами воздействовать на газы такими чудовищными давлениями, которые во времена Фарадея можно было только воображать, и присоединять к действию давления еще и действие искусственных чрезвычайно низких температур, уже не остается газов, которые не могли бы быть обращены в жидкость. Помимо чисто научного интереса – выяснения сущности молекулярного строения тел, сжижение газов начинает получать и громадное практическое значение: достаточно упомянуть о применении жидкой углекислоты (для чрезвычайного понижения температуры) и жидкого воздуха (подводные лодки и ружья Жиффара).
Работы по сжижению газов заняли 1823-й и часть 1824 года. В том же 1824 году Фарадей сделал несколько второстепенных открытий в области физики. Среди прочего он установил тот факт, что свет влияет на цвет стекла, изменяя его. В следующем, 1825 году Фарадей снова обращается от физики к химии, и результатом его работ в этой области является открытие бензина и серно-нафталиновой кислоты. Нет надобности объяснять, какое громадное значение имеет открытие первого из этих веществ; достаточно напомнить, что, помимо непосредственного разнообразного употребления бензина, последний лег в основание играющих теперь такую видную роль анилиновых красок. Вслед за тем Фарадей снова возвращается к физике и останавливается на вопросе о пределах испарения. Работы, предпринятые Фарадеем в этом направлении, привели его к убеждению, что для всякого тела есть предел испарения, что при определенной низкой температуре и определенном давлении всякое тело перестает давать пары. Новейшая физика, однако, начинает склоняться к противоположному воззрению – об отсутствии пределов испарения.
В 1825 году Фарадей был избран Королевским обществом в члены комиссии, имевшей целью улучшить фабрикацию стекла. Это было первым выражением признания со стороны высшего ученого ареопага компетентности Фарадея в вопросах физики и химии. Фарадей усиленно принялся за порученное ему дело и занимался им наряду с другими работами в течение четырех лет. Между прочим, в это время он составил сплав особого рода для оптических стекол. Стекла Фарадея не получили широкого распространения на практике вследствие их дороговизны; но для самого Фарадея они позднее послужили основанием важных открытий.
В 1831 году Фарадей опубликовал трактат “Об особого рода оптическом обмане”, послуживший основанием прекрасного и любопытного оптического снаряда, именуемого “хромотропом”. В том же году вышел трактат Фарадея “О вибрирующих пластинках”. Вопрос, которому был посвящен этот последний трактат, очень занимал ученых того времени и казался крайне трудным для разрешения. Было замечено, что легкие тела – например, семена ликоподия – собираются на вибрирующих местах звучащих поверхностей, тогда как песок располагается по узловым линиям. Фарадей показал, что вопрос решается очень просто: он доказал, что легкие тела увлекаются небольшими воздушными вихрями, между тем как это воздушное движение не производит влияния на более тяжелые тела. Все эти разнообразные работы, частью имеющие только чисто научный интерес, частью приведшие к значительным практическим результатам, были для Фарадея только подготовительной школой для работ в области электричества, которым он всецело отдался с 1831 года. Этот подготовительный период выработал в Фарадее остроумного экспериментатора и вместе с тем тонкого мыслителя, который в равной мере владел и анализом, и синтезом. В течение этого периода Фарадей испытал свои силы, проверил свои склонности и окончательно остановился на области знания, которая тогда была еще не разработана и привлекала его пытливый ум своею таинственностью. Работы в этой области и наполнили затем жизнь Фарадея, начиная с 1831 года, доставив ему ту славу “царя физиков”, которая остается за ним доселе.
ГЛАВА III. “ЦАРЬ ФИЗИКОВ”
Электромагнитная индукция; индукционное электричество. – Индукция, возбуждаемая земным магнетизмом. – Тождество электричества. – Измерение количества электричества. – Закон электрической проводимости. – Электрохимия. – Металлы, сгущающие газы. – Законы электрохимического разложения. – Источник силы в вольтовом столбе и общий закон сил. – Кривые электричества. – Проводники и изоляторы. – Усталость и поездка в Швейцарию
“Физику необходимо двадцать лет работы, чтобы возмужать, – говорил Фарадей, – до того он переживает состояние детства”. Справедливость этой мысли, прежде всего, оправдалась на самом Фарадее. Только к сорока годам у Фарадея развернулись вполне его силы, и он начинает делать открытие за открытием, приводящие в изумление весь мир. Все же предыдущие работы за почти 20 лет, из которых, впрочем, некоторые (например, сжижение газов) могли сами по себе обессмертить имя их автора, являются действительно детскими сравнительно с колоссальными открытиями, сделанными Фарадеем во второй период его научной деятельности (1831–1840 гг.).
К тому времени, когда Фарадей окончательно посвятил себя исследованиям в области электричества, было установлено, что при обыкновенных условиях достаточно присутствия наэлектризованного тела, чтобы влияние его возбудило электричество во всяком другом теле. Вместе с тем, было известно, что проволока, по которой проходит ток и которая также представляет собою наэлектризованное тело, не оказывает никакого влияния на помещенные рядом другие проволоки. Отчего зависело это исключение? Вот вопрос, который заинтересовал Фарадея и решение которого привело его к важнейшим открытиям относительно индукционного электричества.
По своему обыкновению Фарадей начал ряд опытов, долженствовавших выяснить суть дела. На одну и ту же деревянную скалку Фарадей намотал параллельно друг другу две изолированные проволоки; концы одной проволоки он соединил с батареей из десяти элементов, а концы другой – с чувствительным гальванометром. Когда был пропущен ток через первую проволоку, Фарадей обратил все свое внимание на гальванометр, ожидая заметить по колебаниям его появление тока и во второй проволоке. Однако ничего подобного не было: гальванометр оставался спокойным. Фарадей решил увеличить силу тока и ввел в цепь 120 гальванических элементов; результаты снова те же. Фарадей повторил этот опыт десятки раз и все с тем же успехом. Всякий другой на его месте оставил бы опыты, убежденный, что ток, проходящий через проволоку, не оказывает никакого действия на соседнюю проволоку. Но Фарадей старался всегда извлечь из своих опытов и наблюдений все, что они могут дать, и потому, не получив прямого действия на проволоку, соединенную с гальванометром, стал искать побочные явления. Сразу же он заметил, что гальванометр, оставаясь совершенно спокойным во все время прохождения тока, приходит в колебание при самом замыкании цепи и при размыкании ее. Оказалось, что в тот момент, когда в первую проволоку пропускается ток, а также когда это пропускание прекращается, во второй проволоке также возбуждается ток, имеющий в первом случае противоположное направление с первым током и одинаковое с ним во втором случае и продолжающийся всего одно мгновение. Эти вторичные мгновенные токи, вызываемые влиянием первичных, индукцией, названы были Фарадеем индуктивными, и это название сохранилось за ними доселе. Будучи мгновенными, моментально исчезая вслед за своим появлением, индуктивные токи не имели бы никакого практического значения, если бы Фарадей не нашел способ при помощи остроумного приспособления (коммутатора) беспрестанно прерывать и снова проводить первичный ток, идущий от батареи по первой проволоке, благодаря чему во второй проволоке беспрерывно возбуждаются все новые и новые индуктивные токи, становящиеся, таким образом, постоянными. Так был найден новый источник электрической энергии, помимо ранее известных (трения и химических процессов), – индукция, и новый вид этой энергии – индукционное электричество.
Продолжая свои опыты, Фарадей открыл далее, что достаточно простого приближения проволоки, закрученной в замкнутую кривую, к другой, по которой идет гальванический ток, чтобы в нейтральной проволоке возбудить индуктивный ток направления, обратного гальваническому току, что удаление нейтральной проволоки снова возбуждает в ней индуктивный ток уже одинакового направления с гальваническим, идущим по неподвижной проволоке, и что, наконец, эти индуктивные токи возбуждаются только во время приближения и удаления проволоки к проводнику гальванического тока и что без этого движения токи не возбуждаются, как бы близко друг к другу проволоки ни находились. Таким образом, было открыто новое явление, аналогичное вышеописанному явлению индукции при замыкании и прекращении гальванического тока.
Эти открытия повели за собою новые. Если можно вызвать индуктивный ток замыканием и прекращением гальванического тока, то не получится ли тот же результат от намагничивания и размагничивания железа? Работы Эрштеда и Ампера установили уже родство магнетизма и электричества; было известно, что железо делается магнитом, когда вокруг него обмотана изолированная проволока и по последней проходит гальванический ток, и что магнитные свойства этого железа прекращаются, как только прекращается ток. Исходя из этого, Фарадей придумал такого рода опыт: вокруг железного кольца были обмотаны две изолированные проволоки; причем одна проволока была обмотана вокруг одной половины кольца, а другая – вокруг другой. Через одну проволоку пропускался ток от гальванической батареи, а концы другой были соединены с гальванометром. И вот, когда ток замыкался или прекращался и когда, следовательно, железное кольцо намагничивалось или размагничивалось, стрелка гальванометра быстро колебалась и затем быстро останавливалась, то есть в нейтральной проволоке возбуждались все те же мгновенные индуктивные токи – на этот раз уже под влиянием магнетизма. Таким образом, здесь впервые магнетизм был превращен в электричество.
Получив эти результаты, Фарадей стал разнообразить свои опыты. Вместо железного кольца он стал употреблять железную полосу; вместо возбуждения в железе магнетизма гальваническим током он намагничивал железо прикосновением его к постоянному стальному магниту, – результат получался тот же: в проволоке, обматывавшей железо, всегда возбуждался ток в момент намагничивания и размагничивания железа. Затем Фарадей вносил в проволочную спираль стальной магнит – приближение и удаление последнего вызывало в проволоке индукционные токи. Словом, магнетизм, в смысле возбуждения индукционных токов, действовал совершенно так же, как и гальванический ток.
В данное время физиков усиленно занимало одно загадочное явление, открытое в 1824 году Араго и не находившее объяснения, несмотря на то, что этого объяснения усиленно искали такие выдающиеся ученые того времени, как сам Араго, Ампер, Пуассон, Бабэдж и Гершель. Дело состояло в следующем. Магнитная стрелка, свободно висящая, быстро приходит в состояние покоя, если под нее подвести круг из немагнитного металла; если затем круг привести во вращательное движение, магнитная стрелка начинает двигаться за ним. В спокойном состоянии нельзя было открыть ни малейшего притяжения или отталкивания между кругом и стрелкой, между тем как тот же круг, находившийся в движении, тянул за собою не только легкую стрелку, но и тяжелый магнит. Это поистине чудесное явление казалось ученым того времени таинственной загадкой, чем-то выходящим за пределы естественного. Фарадей, исходя из своих вышеизложенных данных, сделал предположение, что кружок немагнитного металла, под влиянием магнита, во время вращения обегается индуктивными токами, которые оказывают воздействие на магнитную стрелку и влекут ее за магнитом. И действительно, введя край кружка между полюсами большого подковообразного магнита и соединив проволокою центр и край кружка с гальванометром, Фарадей получил при вращении кружка постоянный электрический ток.
Вслед за тем Фарадей остановился на другом вызывавшем тогда общее любопытство явлении. Как известно, если посыпать на магнит железных опилок, они группируются по определенным линиям, называемым магнитными кривыми. Фарадей, обратив внимание на это явление, дал в 1831 году магнитным кривым название “линий магнитной силы”, вошедшее затем во всеобщее употребление. Изучение этих “линий” привело Фарадея к новому открытию: оказалось, что для возбуждения индуктивных токов приближение и удаление источника от магнитного полюса необязательны и что для возбуждения токов достаточно пересечь известным образом линии магнитной силы.
Дальнейшие работы Фарадея в упомянутом направлении принимали с современной ему точки зрения характер чего-то совершенно чудесного. В начале 1832 года он демонстрировал прибор, в котором возбуждались индуктивные токи без помощи магнита или гальванического тока. Прибор состоял из железной полосы, помещенной в проволочной катушке. Прибор этот при обыкновенных условиях не давал ни малейшего признака появления в нем токов; но лишь только ему давалось направление, соответствующее направлению магнитной стрелки, в проволоке возбуждался ток. Затем Фарадей давал положение магнитной стрелки одной катушке и потом вводил в нее железную полосу: ток снова возбуждался. Причиною, вызывавшею в этих случаях ток, был земной магнетизм, вызывавший индуктивные токи подобно обыкновенному магниту или гальваническому току. Чтобы нагляднее показать и доказать это, Фарадей предпринял еще один опыт, вполне подтвердивший его соображения. Он рассуждал, что если круг из немагнитного металла, например, из меди, вращаясь в положении, при котором он пересекает линии магнитной силы соседнего магнита, дает индуктивный ток, то тот же круг, вращаясь в отсутствие магнита, но в положении, при котором круг будет пересекать линии земного магнетизма, тоже должен дать индуктивный ток. И действительно, медный круг, вращаемый в горизонтальной плоскости, дал индуктивный ток, производивший заметное отклонение стрелки гальванометра.