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.

---

Догадки? Я ими не занимаюсь. Я лишь опираюсь на факты.

Майкл Фарадей, ответ на вопрос о жизни после смерти

Но если версия Фарадея была справедливой и электричество проходило одинаково через все вещества, материя не могла считаться континуумом, а должна была состоять из частиц.

Эта идея была слишком передовой для того времени, и Фарадей оставил атомистические рассуждения к весне 1834 года, установив тем не менее, не зная этого сам, основы электронной теории материи. Для каждого вида материи имеется минимальная порция, в которой сохраняются физико-химические характеристики, свойственные данной материи, — молекула; при этом данные характеристики исчезают при уменьшении этой порции. Фарадей также заложил основы электролитической диссоциации: он ввел термин ион для обозначения заряженных частиц, переносящих электричество внутри проводящего раствора, но не уточнил, из чего в действительности состоят ионы.

Обе теории были разработаны в достаточной мере через 50 лет.

Таким образом, хотя ученый постоянно обнаруживал следы атомной структуры материи, он намеренно отвергал данную теорию. В 1834 году он заявлял:

«Должен признать, что меня смущает термин «атом». Несмотря на то что говорить об атомах просто, довольно сложно сформировать четкую идею об их природе, особенно в отношении составных тел».

То, что Фарадей отвергал атомы, позволило ему создать теорию силовых полей, которая противоречила доминирующей теории корпускул Ньютона. Он не мог вернуться к этой старой концепции для окончательного прояснения функционирования электричества. При этом немецкий физик и физиолог Герман Людвиг Фердинанд фон Гельмгольц (1821–1894) приводил доказательства того, что Фарадей подразумевал наличие электрона, или атома электричества.

КЛЕТКА ФАРАДЕЯ И ДИЭЛЕКТРИКИ

Если бы мы могли перенестись в Королевский институт в конце 1835 года, мы бы увидели Фарадея, погруженного в конструирование необычного гигантского приспособления. Оно было настолько огромным, что его пришлось переместить в лекционный зал института: размеры лаборатории в подвале не могли вместить огромный деревянный каркас, покрытый алюминиевыми листами. Несведущий наблюдатель, вероятно, решил бы, что Фарадей конструирует какой-нибудь вид оружия, что-то вроде боевого танка. Может быть, это было похожим на клетку для фантастического существа, заземленную и подсоединенную к электростатическому генератору. Но внутри нее был только сам Фарадей, он сидел там в ожидании, пока его ассистент, сержант Чарльз Андерсон, подаст заряд на клетку, и от нее полетят искры.

Эксперимент несколько напоминал книгу о докторе Франкенштейне, когда его изуродованный помощник подключал электрический аппарат, чтобы вернуть тело к жизни. Однако Фарадей не ожидал получить от электричества никакой живительной силы. Он надеялся на обратное — не произойдет вообще ничего — и достиг этого: даже самые точные измерительные аппараты не смогли обнаружить никаких электрических эффектов внутри клетки, как будто она ограждала сидящего внутри от искрящего повсюду электричества.

Эта система экранирования получила название клетки Фарадея и в последующем начала использоваться для защиты чувствительных инструментов от радио- или электромагнитных явлений. Например, обычный лифт, если он представляет собой закрытый металлический ящик, может иметь свойства клетки Фарадея, поэтому часто в лифте не работает мобильная связь. В микроволновках также используется принцип клетки Фарадея для того, чтобы волны не проникали наружу. Самолеты также функционируют по этому принципу: если молния попадет в самолет, пассажиры останутся невредимы.

В эксперименте, несмотря на то что электростатический генератор подавал ток высокого напряжения, никто и ничто в клетке не подвергалось действию электричества. Для проверки того, что внутри клетки не было электрических зарядов, Фарадей использовал электроскоп — инструмент, позволяющий обнаруживать и измерять заряд отдельного тела. Электроскоп показал, что на внутренних стенках клетки заряд не обнаруживается.

Клетка Фарадея при отсутствии электрического поля (слева); заряженные частицы на стенке клетки Фарадея отвечают на приложение электрического поля (в центре); электрические поля внутри стенки устраняют приложенное электрическое поле, нейтрализуя внутреннее пространство клетки (справа).

Принцип работы клетки Фарадея относительно прост (см. схему). Сама клетка — из металла и работает как полый проводник. Когда на нее действует внешнее электромагнитное поле, положительные заряды остаются на поверхности, а отрицательные — электроны — свободно перемещаются по металлу в противоположном направлении по отношении к электрическому полю. На одной стороне клетки собираются электроны, с другой стороны образуется их недостаток. При поляризации проводника генерируется внутреннее электрическое поле такой же величины, но противоположное по направлению внешнему полю, поэтому сумма полей внутри проводника равна нулю. Силы нейтрализуют сами себя. Благодаря явлению электростатического экранирования ни один заряд не может пройти через клетку, так как внутри нее поле отсутствует.

ДИЭЛЕКТРИКИ

В 11-м выпуске серии «Экспериментальные исследования по электричеству» (1855, Experimental Researches in Electricity) Фарадей предлагает в качестве первого принципа науки об электричестве индукцию как свойство вызывать противоположное состояние, а также дает новое определение термину заряд — состояние напряженности, поддерживаемое материей. Кроме того, ученый высказывает мысль о том, что существуют тела, проводящие электричество, а также тела, с той же эффективностью не проводящие его.

Первый класс тел был назван проводниками, второй, по совету коллеги Уэвелла, получил название диэлектриков. Другими словами, по отношению к своему поведению под воздействием электрического поля материальные тела классифицируются на проводники и диэлектрики, при этом не существует постоянной градации, которая исключала бы отнесение тела к одной из категорий, то есть тело может классифицироваться как проводник или диэлектрик в зависимости от ситуации.

Важно различать изоляторы и диэлектрики. Все тела-диэлектрики являются изоляторами, поскольку плохо проводят электричество, но не все изоляторы являются диэлектриками. Чтобы стать диэлектриком, материал при воздействии электрического поля должен быть способен сохранять внутреннее электрическое поле. Диэлектрик может превратиться в проводник, если мы настолько увеличим внешнее поле, что оно превзойдет максимальное напряжение диэлектрика, называемое электрической прочностью.

Фарадей начал измерять диэлектрические константы разных изоляторов и назвал отношение между зарядом и напряжением диэлектриков специфической индуктивной способностью.

* * * Диэлектрические константы

Чем больше величина диэлектрического коэффициента, или диэлектрической константы, обозначаемой как К, тем выше уровень электропроводимости материала. Например, константа воздуха — 1,00054, вакуума — 1,0. Другие значения К для разных материалов следующие.

— Стекло: 5–10.

— Нейлон: 3,5.

— Полиэтилен: 2,3.

— Хлорид натрия: 6,1.

— Дерево: 2,5–8,0.

— Этиловый спирт (0ºC): 28,4.

— Дистиллированная вода (20ºC): 80,1.

Если электрическое поле диэлектрика становится очень интенсивным, электроны покидают молекулы и материал превращается в проводник. Максимальное электрическое поле, которое диэлектрик может выдержать до момента разрушения, называется электрической прочностью.

Вот некоторые примеры диэлектрических материалов: стекло, резина, воск, бумага, сухое дерево или фарфор.

ЭКСПЕРИМЕНТ С КЮВЕТОЙ CO ЛЬДОМ

Работы по статическому электричеству и изолирующему эффекту клетки Фарадея были подтверждены в эксперименте 1843 года с использованием кюветы со льдом.

Схема аппарата, использованного Фарадеем для эксперимента с кюветой льда. Для изоляции кюветы от пола использовалась деревянная табуретка. Электрически заряженный латунный шарик, подвешенный на шелковой нити — изоляторе, опускался в кювету. Кювета была соединена проводом с электроскопом, чувствительным к заряду на ее стенках. 

В полую металлическую кювету (см. схему) с отверстием сверху клали лабораторный лед. К стенке кюветы подключали электроскоп. Далее Фарадей опускал в кювету металлическую заряженную сферу. В этот момент электроскоп регистрировал заряд внутри кюветы, противоположный заряду сферы. Снаружи кюветы заряд был такой же, как у сферы. Пока сфера находилась внутри кюветы, электроскоп показывал тот же заряд; когда сферу вынимали, электроскоп не показывал никакого заряда. Таким образом, внутренние стенки сосуда приобретали заряд, противоположный заряду сферы, а внешние — такой по знаку заряд, как у сферы. Этот эксперимент Фарадея подтвердил, что «индуцированные заряды всегда будут иметь одну величину, но будут разные по знаку между собой и зарядом индуктора».