«Мы никогда не должны забывать, что Фарадей работал на окраине нашего знания и что его ум занят был в области беспредельной тьмы, кольцом окружавшей нашу науку».
ПОСЛЕСЛОВИЕ,
1. Электромагнитное поле
В результате своих блестящих опытов гениальный английский физик Майкл Фарадей построил простую и ясную теорию электромагнитных явлений.
Во времена Фарадея было произведено уже много опытов над электричеством и магнетизмом, но все это были разрозненные факты и наблюдения. Не было еще системы, объясняющей и объединяющей все эти явления.
Ампер показал, как можно рассчитать механическую силу, с которой действует электрический ток на магнитную стрелку. Но как передается эта сила от провода, по которому идет ток, до магнитной стрелки? Что происходит на пути между проводником и стрелкой?
На это формулы Ампера не давали никакого конкретного ответа.
Уже задолго до Фарадея, со времен Декарта и Ньютона, физики привыкли выражать открываемые законы о соотношении физических сил природы точным языком математических формул.
Фарадей мыслил не отвлеченным языком математики, а наглядными образами своих опытов. Он утверждал, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле. Силы, действующие в каждой точке такого поля, распределяются в виде кривых линий, которые можно увидеть, если наложить на полюсы магнита тонкую бумагу и посыпать ее железными опилками. Если мы легкими щелчками поможем опилкам преодолеть трение о бумагу, то увидим, что опилки расположатся вокруг полюсов вдоль определенных кривых линий. Эти линии Фарадей назвал линиями сил магнитного поля.
Закон электромагнитной индукции Фарадей выразил так:
«Когда движущийся проводник пересекает силовые линии магнитного поля или же когда пространстве, занимаемом неподвижным проводником, возникает или исчезает магнитное поле, в проводнике появляются индукционные электрические токи».
Этот закон подтверждался на опыте во всех без исключения случаях.
Через двадцать лет после открытия электромагнитной индукции, в 1851 году, Фарадей постарался придать своим соображениям о силовых магнитных линиях еще более точную формулировку.
После длинного ряда с обычной тщательностью проведенных опытов он так выразил количественное соотношение между индукционными токами и силовыми линиями магнитного поля:
«Когда проводник движется в однородном магнитном поле с равномерной скоростью, то сила тока прямо пропорциональна скорости движения проводника и количество электричества прямо пропорционально количеству пересекаемых линий».
Математического способа, каким можно было бы вычислить количество пересекаемых магнитных силовых линий, Фарадей не дал.
Нашелся, однако же, человек, одаренный блестящим математическим талантом, который проник в тайники мысли Фарадея. Его звали Джемс Максвелл. Он родился а самый год открытия Фарадеем магнитной индукции. Максвелл рассказывал о себе, почему он понял учение Фарадея: приступая к изучению явлений электромагнитной индукции, он заранее решил ничего не читать из того, что было написано об этом вопросе другими физиками, и углубиться только в работы самого Фарадея.
Когда Фарадей доживал свои последние годы, Максвелл переложил его мысли на язык математики и развил дальше в математических формулах и уравнениях его теорию магнитного поля.
Говоря о теории Фарадея, Максвелл в конце своей жизни писал:
«Величие и своеобразие открытия Фарадея можно полностью оценить, лишь узнав его последующую историю. Опыты и теория Фарадея немедленно по опубликовании стали предметом проверки во всем ученом мире. Но даже самые изощренные физики не смогли избежать ошибок, когда они пытались описать открытые Фарадеем и проверенные ими явления более научным языком, чем это сделал сам Фарадей. Уже прошло полвека со времени открытия Фарадея и безмерно умножились как способы его практического использования, так и их значение для нашей жизни. И в этой практике ни разу не обнаружилось ни малейшего противоречия или исключения из тех законов этих явлений, какие установил Фарадей. Больше того — та первоначальная форма этих законов, какую придал им Фарадей, остается до нынешнего дня единственной формой, которая выражает ровно столько, сколько можно утверждать на основании опыта — ни больше, ни меньше. Она выражает совершенно точно и количественное соотношение явлений, хотя не выходит за пределы самых элементарных приемов изложения».
Практические выводы теории магнитного поля Фарадея, математически обработанной Джемсом Клерком Максвеллом, вошли в курс физики, который читается в высших учебных заведениях.
Инженеры-электрики не могут обойтись в своей практической работе без теории магнитного поля Фарадея при расчете динамо-машин, трансформаторов, генераторов высокой частоты и т. д. Множество самых разнообразных электроизмерительных приборов, телефон, телеграф, кино, телевидение, точнейшие автоматы, помогающие людям осваивать землю, океан и небо, действуют также на основе явления электромагнитной индукции.
2. Основатель новой науки — электрохимии.
Когда Фарадей исследовал способность разных родов электричества разлагать химические соединения, он задумался над самой природой химического действия тока.
Он когда-то обсуждал это с Дэви, который так блестяще и многообразно использовал химические действия электричества для своих открытий. Дэви говорил ему:
— Я полагаю, что разложение химических соединений электрическим током происходит вследствие притягивающего и отталкивающего действия электрических полюсов, погруженных в раствор. Одна составная часть соединения притягивается положительным полюсом и отталкивается отрицательным, другая же испытывает противоположное действие. Оттого и происходит химическое разложение.
Так же думал Делярив и другие химики. В молодости Фарадей мог принимать на веру подобное объяснение. Но теперь он в нем усомнился.
Если бы это было верно, рассуждал он, то в тех объемах раствора, которые ближе к полюсам, разложение должно было бы совершаться энергичнее. На самом же деле разложение раствора совершается равномерно во всех его частях, независимо от того, на каком расстоянии от полюса каждая находится. Фарадей дал другое объяснение процесса химического разложения электрическим током.
Выделившиеся составные части раствора движутся по всему пространству между полюсами в двух противоположных направлениях, параллельных направлению электрического тока. Полюсы же представляют собой не что иное, как просто двери, через которые электричество входит в разлагаемый раствор и выходит из него.
Чтобы точно описать этот процесс, Фарадей предпочел не употреблять старых обозначений, с которыми в умах ученых было связано много ложных представлений. Он изобрел совершенно новые слова, которые заимствовал из корней греческого языка. Он подробно обсуждал этот вопрос с профессором философии Кембриджского университета и знатоком древних языков, своим другом Хьюэллом.
Фарадей нарисовал такую схему: в середине — разлагаемый током раствор. Его Фарадей предложил назвать электролитом, а самый процесс химического разложения электрическим током он назвал электролизом.
По обеим сторонам нарисованы пластинки полюсов и присоединенные к ним электрические провода. Стрелки указывают, откуда ток входит (положительный полюс) и куда выходит (отрицательный полюс). Полюсы Фарадей назвал электродами, от греческого слова «одос» — путь. При этом для отличия положительного полюса от отрицательного первый он назвал анодом (по-гречески «ана» — вверх), а второй — катодом («ката» — вниз). Молекулы разлагаемого соединения разделяются на две части, направляющиеся к разным электродам. Эти заряженные частицы разложенных молекул Фарадей предложил назвать ионами (по-гречески «ион» — идущий). При этом ион, движущийся в сторону анода, называется анионом, а движущийся в сторону катода — катионом.