Сержио Рарра Кастильо - Наука высокого напряжения. Фарадей. Электромагнитная индукция

• Название: Наука высокого напряжения. Фарадей. Электромагнитная индукция
• Автор: Сержио Рарра Кастильо
• Издательство: Де Агостини
• Жанр: Научпоп
• Год: 2015
• ISBN: 2409-0069

Майкл Фарадей родился в XVIII веке в бедной английской семье, и ничто не предвещало того, что именно он воплотит в жизнь мечту об освещенном и движимом электроэнергией мире. Этот человек был, вероятно, величайшим из когда-либо живших гениев экспериментальной физики и химии. Его любопытство и упорство позволили раскрыть множество тайн электричества и магнетизма, а также глубинную связь этих двух явлений. Фарадей изобрел электродвигатель и динамо-машину — два устройства, революционно изменившие промышленность, а также сделал другие фундаментальные открытия. Герой этой книги был самоучкой, он многое постиг экспериментальным путем, поэтому одной из его важнейших задач стало распространение знаний о своих открытиях среди коллег и современников.

---

— Закон Грэма, сформулированный Томасом Грэмом в 1829 году, утверждает, что движение молекул двух или более газов дает в результате смешение молекул, в закрытой емкости такое смешение быстро образует гомогенную массу. Однако этот процесс меняется при наличии возможности для газа выйти из емкости через маленькие отверстия, или поры (так называемая эффузия газа). Скорость эффузии газов обратно пропорциональна квадратному корню плотности газа.

* * * 

Фарадей знал о возможности сжижения газов: с 1799 года — аммиака (NH3) с помощью сжатия или охлаждения, с 1800 года — диоксида серы (SO2) с помощью охлаждения, хлора (Cl2) с помощью сжатия. В 1823 году ученый осуществил серию экспериментов, являющихся первой попыткой систематизировать исследования по сжижению газов. Во время этих экспериментов были сжижены диоксид углерода (CO2), диоксид серы (SO2), оксид азота (N2O), этилен (C2H4), моноксид азота (NO), аммиак (NH3), хлоргидридная кислота (ClH), хлор (Cl2), сульфгидрильная кислота (SH2), цианистоводородная кислота (CNH). Также он смог добиться сжижения водорода (H2), кислорода (O2), азота (N2) и моноксида углерода (CO).

В 1845 году Фарадей вернулся к своим экспериментам и пришел к выводу: при достижении определенной температуры маловероятно, что увеличение давления, за исключением очень больших скачков, превратит газ в жидкость. Хотя он рассматривал и другую возможность — что некоторые газы, которые он не смог превратить в жидкость, являются постоянными, то есть газами, сжижение которых невозможно. Сегодня известно, что все газы можно подвергнуть сжижению. В 1869 году ирландский химик Томас Эндрюс (1813–1885) открыл, что диоксид углерода можно превратить в жидкость под давлением при температуре ниже 31 ºС. Выше этой температуры невозможно достичь давления, которое могло бы превратить этот газ в жидкость.

Все эксперименты подкрепляли атомные гипотезы той эпохи. В случае с водой, например, объяснялось, что плотность жидкости выше плотности газа, соответственно при сжатии газа возможно сжать или приблизить друг к другу атомы, при этом будет «выжиматься» теплота. Также существовало мнение, что можно сжижать вещества при достаточном охлаждении на основании того, что при нагревании они испаряются. В течение XIX и первой половины XX века было выяснено: все вещества могут становиться твердыми или, по крайней мере, сжижаться до достижения температуры -273ºC, что является наименьшей теоретически возможной температурой.

Портрет Фарадея, написанный в 1842 году Томасом Филлипсом. Безопасная лампа, изобретенная Гемфри Дэви. Аппарат для сжижения газов, придуманный Луи-Полем Кайете. Гравюра опубликована в журнале Scientific American в 1878 году. 

В заключение можно сказать, что все газы могут быть сжижены, но существуют температурные пределы, выше которых сжижение некоторых газов невозможно даже при воздействии на них колоссальным давлением. Этот предел называется критической температурой газа. Также существует величина критического давления, измеряемая в атмосферах[1], определяющая необходимую величину давления для сжижения газа при его критической температуре.

Так, для углекислого газа критическая температура равна 31ºС, критическое давление — 73 атмосферам; для кислорода — 119ºC и 50 атмосфер; для азота — 147ºC и 34 атмосферы; для аммиака — 132ºС и 112 атмосфер.

СЕКРЕТЫ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО УСПЕХА ФАРАДЕЯ

Среди характерных черт Фарадея (например, способность к самообучению и влияние религии на мышление) нужно подчеркнуть и его приверженность в исследованиях некоторым интеллектуальным установкам, которые помогли ему добиться признания. Эти установки ученый почерпнул в книге «Совершенствование разума» (1815, The improvement of the mind) Исаака Уоттса (1674–1748), которую он в юности переплетал в книжной лавке Рибо.

Истина все же скорее возникает из ошибки, чем из спутанности.

Афоризм Фрэнсиса Бэкона, который больше всего ценил Фарадей

Уоттс говорил, что в первую очередь нужно поддерживать обширную переписку. В течение своей жизни Фарадей обменивался письмами с учеными и экспертами по всем дисциплинам. Также необходимо иметь сотрудников, с которыми можно обсуждать идеи. Фарадей сразу понял, что научная работа — это не борьба героев-одиночек в поисках ускользающей правды, это скорее обмен мнениями, сотрудничество. По мере возможности необходимо избегать деструктивных споров: личные конфликты никаким образом не способствует поиску научного знания.

* * * Записи прославленных умов

Интеллектуал, всегда носящий с собой блокнот для записи мыслей и открытий, является традиционным образом, возникшим много веков назад. Эразм Роттердамский (1466–1536), например, обычно делал записи в книгах, которые читал, усваивая их идеи, а также удерживая в памяти информацию, которую удалось почерпнуть.

Он предлагал студентам и профессорам носить с собой блокнот, организованный по темам. Это же советовал и Сенека: «Мы должны подражать пчелам: вычитанное из разных книг разделять, потому что порознь все сохраняется лучше». В эпоху Возрождения студенты, как правило, носили при себе тетрадь, называемую книга общих мест, или просто общие места, в которую записывали все, что было достойно запоминания.

Фрэнсис Бэкон замечал, что «с трудом можно найти что-либо более полезное […], чем хорошее и мудрое обобщение записей из общих мест».

По словам преподавателя лингвистики Американского университета Наоми Барон, в XVIII веке книга общих мест была «средством выражения, хроникой интеллектуального развития». Тетради для записи всегда вел и Чарльз Дарвин, благодаря чему мы можем шаг за шагом проследить, как он пришел к теории об эволюции видов. Джон Локк начал вести такие тетради в 1652 году, на первом курсе Оксфорда.

Тетрадь Чарльза Дарвина, 1837 год. B ней впервые можно увидеть диаграмму в форме дерева, лежащую в основе эволюционной теории * * * 

Также Уоттс настаивал на том, что необходимо проверять все, что говорится и делается без обобщений, а говорить и писать нужно точно и понятно. Как мы видим, Фарадей был прекрасным писателем, способным дать представление о своих открытиях в понятной и четкой форме, не прибегая к математическим уравнениям, будто бы перенося свой ясный ход мыслей на бумагу. Также он стал одним из крупнейших популяризаторов науки своей эпохи, особенно это касалось его участия в публичных лекциях.

Еще одним важным аспектом, который выделял Уоттс, было ведение постоянных записей в блокноте. Фарадей строго следовал этому правилу и даже планировал собственноручно переплести все свои записи, чтобы получить большую книгу обо всех вещах, которые он узнал и не хотел бы забыть. Стремясь к порядку, ученый преобразовывал все данные, полученные в ходе экспериментов, в письменные работы — так он сам следовал собственному лозунгу, который однажды раскрыл английскому химику Уильяму Круксу: «Работай. Заверши. Опубликуй». Кроме 450 статей, его наследие включает следующие публикации: «Химические манипуляции» (изложение в четырех томах исследований Фарадея в области химии, 1827), «Экспериментальные исследования по химии и физике» (дополнение к предыдущей работе, 1859), «Экспериментальные исследования по электричеству» (три тома, опубликованных с 1839 по 1855 год), «Силы материи и их взаимоотношения» и «История свечи» (обе работы основаны на рождественских лекциях для юношества за 1860 и 1861 год соответственно), «Дневник Фарадея» (изложение семи томов рукописных записей ученого по лабораторным исследованиям в Королевском институте с 1820 по 1862 год).

Фарадей записывал различные идеи, которые надеялся однажды рассмотреть подробнее, а также вопросы, требовавшие ответов. Вопросы, на которые ему удавалось найти ответ, вычеркивались из списка, рядом он ставил дату, когда нашел решение. Например, среди ряда его идей, которые планировались для изучения в 1822 году, были переход магнетизма в электричество, состояние электричества внутри и на поверхности проводников, связь отклонения шарика из косточки бузины с изменением электричества в результате индукции.

Шотландский физик Джемс Клерк Максвелл (1831–1879), собравший наследие Фарадея, чтобы расширить его исследования и перевести его идеи на язык математики, так пишет о жизненных установках ученого, противопоставляя его другому гению электричества, французу Андре-Мари Амперу:

«Фарадей, напротив, показывает нам как свои неудавшиеся эксперименты, так и успешные, свои смутные догадки и хорошо разработанные идеи, поэтому читатель вне зависимости от уровня своих мыслительных способностей чувствует интерес, восхищение и думает, что при возможности тоже мог бы быть великим открывателем. Таким образом, каждый студент обязан прочесть работы Ампера, представляющие безукоризненный пример научного стиля при обосновании открытия, но также нужно изучать Фарадея, чтобы культивировать свой научный дух с помощью рассмотрения воздействия и реакции между новыми фактами, раскрытыми и представленными Фарадеем, и процессом рождения идей в его голове».