Ідея близкодействия в роботах Фарадея

Не буду докладно розглядати всього, що зробив Фарадей для фізики, перелічу лише основні його відкриття, зупинившись докладно тільки на роботах, пов’язаних з обґрунтуванням концепції близкодействия. До числа основних відкриттів Фарадея ставляться наступні:

  • відкриття скраплення газів і передбачення існування критичної температури;
  • відкриття обертання провідника зі струмом навколо магніту, що з’явилося прообразом сучасного електродвигуна;
  • відкриття явища електромагнітної індукції й самоіндукції, що дозволило йому створити першу діючу модель уніполярної динамо-машини;
  • доказ єдиної природи різного виду електрики, одержуваного різними способами;
  • установлення законів електролізу й висування ідеї про атомарности електрику;
  • створення теорії електростатичної індукції й поляризації діелектриків, введення поняття діелектричної проникності;
  • вивчення магнітних властивостей речовини, відкриття диа- і парамагнетизму;
  • вивчення провідності газів;
  • відкриття обертання площини поляризації світла під дією магнетизму;
  • створення основ навчання ополе.

Звернуся до тих роботам Фарадея, які найбільш близькі до проблеми поля, і насамперед до відкриття електромагнітної індукції

Досвіди Ерстеда й роботи Ампера, що довели зв’язок електрики й магнетизму, викликали в молодого Фарадея глибокий інтерес до електромагнетизму. І це зрозуміло – ідея взаємозв’язку явищ, єдності сил природи була провідної й світогляді Фарадея: “Я давно дотримуюся думки, що стали майже переконанням, що різні форми, у яких проявляються сили матерії, мають загальне походження або … так взаємозалежні, що вони можуть перетворюватися друг у друга”. Не дивно тому, що вже в 1821 р. він записує у своєму щоденнику як завдання: “Перетворити магнетизм в електрику”. Після цього він увесь час носить у кишені магніт і дріт, може бути, для того, щоб вони були постійним нагадуванням про поставлену мету й завжди були під руками для перевірки виникаючих думок

Міркування симетрії мимоволі наштовхують на думку: якщо за рахунок електрики створюється магнетизм, то повинне бути справедливим і зворотним судженням. Думка Фарадея 11 років зайнята цією проблемою, але спосіб її рішення довго не давався вруки.

Чому ідея тих досвідів, які може виконати нині кожний старшокласник, виявилася настільки важкої для Фарадея, людини надзвичайного розуму? Причин отут багато. І насамперед труднощі теоретичного характеру. У науці того часу тільки зароджувалися поняття електричного струму, сили струму, напруги, була невідома природа магнетизму. До цього додавалися труднощі технічного характеру. Щоб нині виявити еДС індукції, використовують многовитковую котушку. У той час тільки що довідалися про те, що магнетизм струму підсилиться, якщо проведення скрутити в спіраль, але ще не мали способу ізолювати проведення. Індукційні струми на уроках фізики реєструються нині гальванометром із чутливістю 10 -5 А/справ, а тоді струм вимірявся по відхиленню магнітної стрілки. Щоб стрілка помітно відхилилася, треба було пропускати по провіднику великий струм, а індукційні струми слабкі. До того ж стрілка-індикатор не повинна випробовувати впливи магніту, яким збуджується струм. Для цього котушку видаляли від індикатора часом в інше приміщення. Всунувши магніт у котушку, треба було йти дивитися на стрілку-індикатор, що, природно до цього часу вже приходила в стан спокою. Відсутність ефекту зв’язували зі слабістю магніту. Так що 11 років пошуків для того часу – строк цілком з’ясовний

Строго говорячи, явище електромагнітної індукції виявив раніше Фарадея Джозеф Генрі, американський фізик, що одним з перших початків ізолювати не магніт від голого проведення, а саме проведення, обмотуючи його смужками шовку. Але Генрі не повідомив про своє відкриття, захопившись досвідами по створенню електромагнітів, і до того ж у нього була й інша причина – його висока вимогливість: “хотілося звести отримані результати в якусь систему”.

Фарадей же йде не на дотик, він свідомо шукає ефект, підказаний йому його загальними поглядами на мир. Він варіює еДС батареї, магніти, габарити й форми провідників, число витків у котушці. Дуже загальна спочатку ідея поступово конкретизується. Уже в 1825 р. він висловлює думку: якщо струм діє на магніт, те й сам струм повинен випробовувати протидію з боку магніту, але зміни струму в котушці при введенні в неї магніту не виявилося (слабкої була, звичайно, що виникла в цьому досвіді еДС індукції),

Тоді Фарадей висуває іншу думку. Струм є рух електричної рідини, що, переміщаючись по витках соленоїда, викликає, по гіпотезі Ампера, кругові струми в залізному сердечнику, обумовлюючи його намагнічування. Тоді, що рухається рідина, в одному провіднику повинна змусити рухатися електричну рідину в розташованому поруч провіднику, тобто викликати індукційний струм. Досвід із прямими провідниками невдалий

Фарадей довідається про відкритий Генрі посиленні магнетизму при використанні багатошарової обмотки й бере вже не прямі провідники, а котушки

29 серпня 1831 р. при замиканні ланцюга струму в одній з котушок стрільця гальванометра, включеного в ланцюг іншої котушки, відхилилася, а потім знову повернулася у вихідне положення, хоча по першій котушці струм продовжував іти. Фарадей розмикає ланцюг першої котушки й знову спостерігає відхилення стрілки. Довгоочікуваний ефект вийшов, але він короткочасний і зв’язаний не із проходженням струму, а з його зміною. Досвіди тривають і в наступні дні. А може бути, щоб збудити тривалий струм у котушці за рахунок струму в інший, поруч розташованій котушці, треба зблизити ці котушки? Фарадей переміщає їх відносно один одного й виявляє, що струм виникає, якщо котушки рухаються. Біля місяця йдуть подальші пошуки умов виникнення струму. А 24 вересня Фарадей збуджує струм у котушці, маніпулюючи постійним магнітом. 17 жовтня подібні досвіди приводять до висновку: “Електрична хвиля (струм) виникає тільки при русі магніту, а не в силу властивостей, властивих йому в спокої”. 28 жовтня Фарадей одержує індукційний струм, що знімається з осі й обода мідного диска, що обертається між полюсами подковообразного магніту. Ця установка являє собою перший генератор електричного струму

Така дуже приблизна й спрощена реставрація процесу встановлення Фарадеєм явища електромагнітної індукції

Пояснення явища електромагнітної індукції, а також розгляд електричних і магнітних процесів, які відбуваються в речовині під впливом заряджених тіл і магнітів, привели Фарадея до висування ідеї близкодействия, що реалізувалася зрештою в ідеї існування полючи

Простежити хід думок Фарадея, а тим більше просто й доступно викласти його нелегко, тому обмежуся лише спрощеним викладом його остаточних ідей

Чому Фарадей на відміну від всіх своїх попередників встає на позиції близкодействия? До нього вся увага дослідників бути звернено на сили, з якими взаємодіють заряди й струми, а не на процеси, що відбуваються в поділяючому середовищі. Фарадей же першим ретельно вивчив процеси, що відбуваються в речовині під впливом зарядів, магнітів і струмів. Він розглядав електричну індукцію в провідниках і поляризацію діелектриків. До нього діелектрик уважався пасивним агентом, що втримує електрику в провідниках. Фарадей же звернув увагу на роль середовища (він, наприклад, виявив залежність ємності конденсатора від роду діелектрика). Чому на поверхнях провідника й діелектрика під впливом зарядженого тіла виникають заряди протилежного знака? Учений пояснив це тим, що під впливом зарядженого тіла в речовині відбувається поляризація, своєрідний поділ зарядів у частках, найближчих до наелектризованого тіла (як це дійсно відбувається в діелектриках з неполярними молекулами). Поляризовані частки подібним же чином поляризують суміжні з ними, так що в середовищі відбувається процес передачі електричної дії, що поширюється поступово від крапки до крапки. Подібним же чином відбувається по Фарадею й процес намагнічування. До Фарадея магнітними матеріалами вважали лише невелике число речовин. Фарадей виявив, що всі речовини можуть намагнічуватися й магнітну дію, подібно поляризації, поступово передається від однієї частки середовища кдругой.

Отже, передача електричної й магнітної дії в речовині є процес не миттєвий, а триваючий якесь час

От вона первісна концепція близкодействия!

Фарадей уводить поняття про силові лінії. Поки мова йде про електродинамічні процеси в речовині, Фарадей розглядає силові лінії як формальні лінії дії сили, а не реальні утворення. Як же передається дія сили у вакуумі? “Може бути, дозволено припускати тут, як і в інших областях, гіпотетичний ефір?” І вважаючи простір заповненим особливим середовищем – ефіром, Фарадей розглядає силові лінії як матеріальні утворення, подібні до гумових джгутів, що перебуває в натягнутому стані. Поняття силових ліній дозволяє йому більш виразно сформулювати закон електромагнітної індукції: “Кількість електрики, залучене в рух, прямо пропорційно кількості пересічених ліній”, тобто еДС індукції виникає лише тоді, коли провідник перетинає силові лінії

Створюється враження, що Фарадей уявляв собі залучення в рух електричної рідини в провіднику як процес, викликаний дією реальних утворень (ліній) на електричну рідину в провіднику. Взаємодія зарядів він розглядав як процес, обумовлений взаємодією ліній, що перебувають у стані натягу, які у випадку різнойменних зарядів, прагнучи випрямитися, стягають заряди, у випадку однойменних зарядів відштовхуються друг від друга як пружні джгути, забезпечуючи відштовхування самих зарядів (згадаємо спектри відповідних полів).

Подання про силові лінії як реальних утвореннях наявних і у вакуумі, і в речовині, дозволяло просто й наочно пояснити багато явищ. Зокрема, відомий досвід Араго (обертання металевого диска за рахунок обертання поруч розташованого магніту) одержало просте пояснення: силові лінії обертового магніту впливають на електричну рідину в диску і як пружні утворення викликають його обертання

Втім, не слід переоцінювати роль цих наочних моделей-образів. Фарадей прекрасно розумів умовність цих моделей і не вважав ці подання закінченими і єдино можливими. У ході наступного розвитку науки Фарадеевское подання про силові лінії як реальних утвореннях в ефірі було відкинуто, але істота його ідей одержало повне визнання. По Фарадею, електромагнітна взаємодія зарядів і струмів обумовлено процесами, що відбуваються в навколишнім їхньому середовищі поза залежністю від того, вакуум це або речовина. В обох випадках є якийсь посередник, що оточує заряди й струми й обеспечивающий їхню взаємодію. Чи є їм ефір, у якому є силові лінії як реальні об’єкти, або це якесь інше утворення, Фарадей не прирікає й не висловлює остаточних суджень, надаючи нащадкам вирішити це складне питання

Реальність силових ліній у Фарадея багато в чому пов’язана з тим, що ці лінії (у всякому разі для магнітного поля) не є прямі. Адже в концепції ньютоновского дальнодействия сили носять центральний характер, тобто діють по прямих, що з’єднує взаємодіючі тіла. Виявлення того, що лінії дії електродинамічних тіл є криві, і наводить Фарадея на думку, що це не просто формальні зображення ліній дії сил, а реальні утворення

Отже, поширення електричних і магнітних дій відбувається як процес, що здійснюється в середовищі й вимагає часі; електричні й магнітні порушення можуть існувати незалежно від джерела й приймача. Більше того, Фарадей висловлює здогад, що це поширення дії здійснюється хвилеподібно. В 1832 р. у розпал досліджень по електромагнітній індукції Фарадей підготував лист про свої погляди на проблему електромагнітної взаємодії, що закріплює його пріоритет. У цьому листі, що виявили через 100 років, Фарадей пише: ”На поширення магнітного впливу потрібен час… Я думаю, що й електрична індукція поширюється в такий же спосіб…, що поширення магнітних сил від магнітного полюса схоже на коливання схвильованої водної поверхні або ж на звукові коливання часток повітря, тобто я має намір прикласти теорію коливань до магнітних явищ… і до електричної індукції”.

Отже, нехай Фарадей не сформулював чітко поняття поля, але суть всіх його поглядів зводиться до того, що всі взаємодії здійснюються за допомогою особливого матеріального середовища, що передає за кінцевий час процес взаємодії зарядів і струмів. А це й виходить, що Фарадей, по суті справи, увів у фізику ідею поля, перетворивши заряди й струми з головних діючих осіб на арені електромагнітної взаємодії в допоміжні й передавши головні ролі середовищу, уважаючи, що “матерія присутня скрізь, і немає проміжного простору, не зайнятого нею”. Але найкраще про це сказав Максвелл: “Фарадей своєю думкою бачив лінії сил, що проходять через весь простір, там, де математики бачили центри сил, що притягаються на відстані. Фарадей бачив середовище там, де вони не бачили нічого, крім відстані. Фарадей бачив джерело явищ у реальних процесах, що відбуваються в середовищі. Вони ж були задоволені тим, що знайшли його в діючій на відстані силі, прикладеної до електричних флюїдів”.

А тепер кілька слів про те, як Фарадей жил і яким він був людиною.

Фарадей народився в сім’ї лондонського коваля й, як пише його біограф, “виріс серед людей, що належать до великого класу, що живе найтяжкою фізичною працею, в умовах, у яких він міг одержати лише небагато духовного хліба“. ДО 13 років він закінчив своє офіційне утворення в школі, тому що треба було працювати. Трудовий шлях він починає учнем у книжковій крамниці, при якій була й палітурня майстерня. Будучи вихідцем із середовища простих робочих людей, він до кінця життя зберіг глибоку повагу до людей праці. Працюючи в книжковій крамниці, він багато читає.

Про ці роки він пише: “Не думайте, що я був глибоким мислителем або відрізнявся раннім розвитком. Вірив стільки ж в “Тисячу й одна ніч”, скільки в “Енциклопедію”. Але факти були важливіше всього для мене, і це мене врятувало. Факту я міг довіритися; але кожному твердженню я міг завжди протиставити заперечення”. Прочитавши книгу “Бесіди по хімії”, він перевірив досвідами викладене в ній, щоб “переконатися, що книга відповідає фактам, наскільки я їх розумів”. Уже в ці роки в нього розвивається критичне мислення й найглибша повага до фактів.

Інтерес до знань спонукує його відвідувати публічні лекції видатного фізика й хіміка Хемфри Деви. Естественнонаучние проблеми захоплюють Фарадея, і він вирішує зв’язати свою долю з вивченням природи. Він пише Деви лист із проханням надати йому будь-яку роботу в лабораторії й додає до листа відмінно переплетені власні конспекти прослуханих лекцій Деви. “Я бажаю зовсім залишити ремесло й надійти на службу науці, що робить своїх поборників настільки ж добрими, наскільки ремесло – злими й себелюбними”.

Деви спочатку відмовляє Фарадею через відсутність вакансії й попереджає його, що “наука – особа черства, і вона в грошовому відношенні лише скупо винагороджує тих, хто присвячує себе служінню їй”. А адміністратор інституту, з яким радиться Деви на рахунок прохання Фарадея, відповідає: “Нехай миє посуд. Якщо що-небудь коштує, то почне працювати. Коли відмовиться, то значить ні на що не годиться”. Допоміг Фарадею нещасний випадок. Вибухом колби в лабораторії були ушкоджені очі Деви, і він не міг не читати, не писати, а тому вирішує взяти Фарадея секретарем. Через якийсь час Фарадей стає лаборантом Деви. У майбутньому, коли Деви запитають про самому головному його наукове досягнення, він відповість: “Найважливішим моїм відкриттям було відкриття Фарадея”.

Поїздка з Деви в Європу, зустрічі з такими вченими, як Ампер, Гей- Люссак, Вольта, багато в чому сприяли науковому становленню Фарадея, що допомагав Деви в його досвідах під час лекцій, брав участь у бесідах із ученими. З Європи він писав: “Я навчився розуміти своє неуцтво, соромлюся своїх різноманітних недоліків і бажаю скористатися тепер випадком виправити їх”. Але цей лише початок його наукового шляху, і настільки самокритична оцінка цілком природна. Пройдуть роки, а Фарадей, ставши визнаним ученим зі світовою популярністю, залишиться настільки ж строгим до себе й настільки ж скромним. В останні роки життя він двічі відхиляє почетнейшее речення стати президентом Королівського суспільства – вищої наукової установи Англії. Настільки ж категорично він відмовляється від речення про зведення його в лицарське звання, що дає йому ряд прав і почестей, у числі яких і таке, як перетворення в “сера Майкла Фарадея”. Простота, доброзичливість, доброта, скромність – от його характернейшие риси.

Фарадей не був математиком. Його наукова праця завжди пов’язана з експериментом. Всі свої досвіди (у тому числі й невдалі) він зі скрупульозною старанністю записував в особливому щоденнику, що потім вийшов у вигляді великої праці “Експериментальні дослідження з електрики”. Останній параграф щоденника позначений номером 16041. Усього з1816 по 1862 р. він опублікував 220 робіт. У щоденниках Фарадея не було ні однієї формули, і проте це був один з найглибших теоретиків, що цінує не математичний апарат, а фізичну суть, механізм явищ. У записках Фарадея виявлена “школа наукових заслуг”, що містить чотири щаблі: відкриття нового факту; відомість його до відомих принципів; відкриття факту,; відомість, що зводиться не до відомих принципів, всіх фактів до ще більш високих принципів. Відкриття самого Фарадея – вищий щабель по його шкалі.

У своїх експериментальних дослідженнях Фарадей не щадив себе. Він не звертав увагу на ртуть, що проливається, що настільки широко використовується в досвідах того часу, і це вкоротило його життя. Не обходилося й без вибухів приладів при дослідженні скраплення газів. В одному листі він пише: “У минулу суботу в мене трапився один вибух, що знову поранив мені ока… Перший час ока мої були прямо-таки набиті шматочками скла. З них вийняли тринадцять осколків”.

Його наукове кредо, яким він керувався все життя, виражено в наступних словах: “Учений повинен бути людиною, що прагне вислухати будь-яке припущення, але сам визначає, чи справедливо воно. Зовнішні ознаки явищ не повинні зв’язувати суджень ученого, у нього не повинне бути улюбленої гіпотези, він зобов’язаний бути поза школами й не мати авторитетів. Він повинен ставитися шанобливо не до особистостей, а до предметів. Істина повинна бути головною метою його досліджень. Якщо до цих якостей додатися ще працьовитість, то він може сподіватися підняти завісу в храмі природи”.

До останніх днів Фарадей зберіг вірність своїм життєвим ідеалам. Слабшали можливості до напруженої розумової роботи, але залишалися найвища порядність, доброта, чесність. В 70 років він, блискучий лектор, вирішує покинути інститут. “Тут я провів щасливі роки, але прийшов час піти через втрату пам’яті й утоми мозку”. У числі мотивів відходу: “тьмяніють і забуваються колишні подання про права, почуття власного достоїнства й самоповаги. Сильна потреба надходити справедливо стосовно інших і нездатність зробити це. Вийти”. Останню лекцію він перервав, звернувшись до слухачів зі своїми сумнівами – чи не занадто довго він перебуває з ними. аудиторія, Що Піднялася в єдиному пориві, оваціями змусила його повернутися на кафедру.

25 серпня 1867 р. у віці сімдесятьох п’яти років Фарадей умер.

Справа Фарадея по обґрунтуванню поняття поля продовжив інший найбільший англійський фізик – Джеймс Клерк Максвелл ( 1831-1879).

(function(){