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.

---

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».

Эксперимент с кюветой также подтверждал принципы электростатического экранирования, наблюдаемые в клетке Фарадея и применяемые сегодня для защиты оборудования от электрических разрядов.

Фарадей реализовал первый эксперимент, количественно подтверждающий сохранение электростатического заряда: общее количество положительных электрических зарядов на предмете равно количеству отрицательных, то есть общее количество электрического заряда в любом случае будет постоянным. Так, например, если изначально заряд кюветы был + 15 при опускании заряженной сферы +3, на внутренней поверхности кюветы обнаруживался заряд -3, а на внешней поверхности — +18. Общий заряд кюветы не изменился, так как 18 + (-3) — 15.

Эксперимент Фарадея до сих пор используется на лекциях и лабораторных демонстрациях для пояснения принципов электростатики.

ЖИЗНЕННЫЙ КРИЗИС

В ходе восхождения по карьерной лестнице Фарадей в 1833 году стал преемником своего учителя Гемфри Дэви, заняв пост преподавателя химии Королевского института. В 1835 году ему назначили пожизненную пенсию в 300 фунтов ежегодно. Наконец Фарадей чувствовал, что занимался тем, для чего появился на свет. Однако в 1835 году его интеллектуальное и психологическое состояние ухудшилось, а в 1840 году изменения стали еще сильнее. Подобный кризис пережил родившийся за 150 лет до Фарадея Исаак Ньютон — несмотря на научные расхождения этих мыслителей.

Ньютон в возрасте 49 лет почувствовал умственное переутомление. Фарадей в том же возрасте оказался в похожей ситуации: после титанического труда, которого потребовали исследования по электролизу, у него появились признаки общей усталости. Наступивший кризис принес Фарадею много горя и неприятностей как в профессиональном, так и в личном плане: он страдал от головокружений, потери памяти, мог записывать или произносить бессмысленные фразы (нечто подобное было и у Ньютона). Для большей показательности приведем отрывок из его личных записей того периода, в котором как раз говорится о кризисе, постигшем ученого:

«По словам подлинно светского человека Талейрана, назначение языка — скрывать мысли. Но в настоящий момент, когда я чувствую, что неспособен больше вести длительных разговоров, я должен заявить, и это действительно будет означать без каких-либо ошибок, недопонимания, двойственного или двойного смысла, отговорки или упущения, что я не нахожу подходящих условий, ибо мой ум слаб и я не могу работать».

Чтобы побороть это физическое и умственное состояние, в 1835 году Фарадей позволил себе отдохнуть несколько месяцев в Швейцарии, но и это не помогло, и в 1840 году он начал терять сознание от переутомления. И вновь ученый решился на еще одну, более длительную, поездку в Швейцарию вместе с женой и братом Робертом. В тот период Фарадей совершал дальние прогулки, по 45–60 км в день. Впервые он был лишен каждодневного исследовательского труда. Однако, в отличие от Ньютона, который после кризиса так и не вернулся к решению интеллектуальных задач, Фарадей в 1844 году вновь принялся за исследовательскую деятельность, в этот раз связанную со сжижением газов.

* * * Первый программист Ада Лавлейс

После того как Фарадей восстановился после физического и умственного переутомления, у него состоялась встреча, которая, возможно, при других обстоятельствах произвела бы революцию в зарождавшихся тогда информационных технологиях. Это была встреча с Адой Байрон, дочерью лорда Байрона. Фарадей предстал перед ней в 1844 году со словами:

«Я принадлежу к маленькой и презираемой секте христиан, известных, если о нас кому-то известно, как сандеманианцы». Встреча с графиней Лавлейс является одним из таких моментов истории, когда невольно возникает вопрос: а что было бы, если? Дочь лорда Байрона уже работала с Чарльзом Бэббиджем и его аналитической машиной, создавая для нее первые компьютерные алгоритмы — набор четких инструкций для выполнения какой-либо операции. Но технические возможности той эпохи не позволяли довести до конца теоретические идеи этих двух незаурядных умов. Поэтому Ада Байрон, очарованная открытиями Фарадея в области электричества, вероятно, рассчитывала, что эти открытия помогут и ее собственным исследованиям, и попросила Фарадея взять ее в ученицы.

Портрет Ады Байрон (1838).

Искушение

Фарадей, верный своей религии, отказался, хотя был очарован этой красивой и умной женщиной, которую сегодня считают первым программистом в истории: он подумал, что таким образом может поставить под удар собственный брак. Несмотря на это переписка между исследователями продолжалась в течение нескольких лет, вплоть до преждевременной кончины Ады Байрон в 1852 году.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ МАГНЕТИЗМОМ И СВЕТОМ: ЭФФЕКТ ФАРАДЕЯ

Хотя казалось, что свет и магнетизм не имеют ничего общего, на самом деле они взаимосвязаны. Всякий раз, когда мы до чего-нибудь дотрагиваемся, атомы наших пальцев вступают во взаимодействие с атомами этого предмета, электроны атомов нашей руки и предмета контактируют и взаимно отталкиваются из-за электромагнитной силы. Материя — практически пустота, но именно взаимное отталкивание электронов нашей руки и электронов предмета подсказывает, что пустоты не существует.

Фарадей был убежден, что каждый вид силы в мире может превращаться в другой: он доказал это, когда воздействовал электричеством на магнетизм. Теперь, после длительного отдыха, Фарадея соблазнял поиск нового решения задачи: достичь того, чтобы электричество вступило во взаимодействие со светом. Не впервые он задумывался над этим: с начала 1820-х годов ученый сделал несколько попыток, каждый раз безуспешных, но все же, вдохновляемый Джоном Гершелем и его опытами 1823 года, по-прежнему обдумывал возможности воздействия на свет электромагнитной спиралью.

В июне 1845 года на собрании Британской ассоциации содействия развитию науки Фарадей познакомился с молодым Уильямом Томсоном, который был большим поклонником его работ, а впоследствии стал великим теоретиком электричества в Англии, участвовал в создании кабеля, который должен был соединить Англию и Америку, но об этом мы уже говорили. Молодой 21-летний шотландец был очарован Фарадеем, они долго беседовали, а позднее начали переписываться: Томсон рассказывал о своих успехах, которые сопутствовали ему при разработке понятия силовых линий, введенных Фарадеем. В конце концов, эта переписка вдохновила Фарадея на возобновление поисков связи света и электричества.

Он сразу же провел серию экспериментов, которые, как это уже случалось в прошлом, не принесли желаемых результатов. Тогда ученый решил вместо электричества, воздействовавшего в качестве силы на свет, использовать магнетизм. Для обнаружения возможного эффекта Фарадей использовал стекло с высоким индексом рефракции — то самое, которое он сделал для Королевского общества между 1829 и 1820 годами, когда его учитель Дэви давал ему много мелких поручений, чтобы научный талант его подопечного не сиял так ярко. Стекло было изготовлено из боросиликата свинца, ученый разместил его между двумя полюсами электромагнита и пропустил через него поляризованный свет параллельно линиям, проходящим от полюса к полюсу. В результате Фарадей заметил, что поляризованный луч подвергается воздействию.

Фарадей держит в руках стеклянный брусок, использованный в 1845 году для доказательства воздействия магнетизма на свет в диэлектриках. Работник Немецкого музея в Мюнхене залезает в клетку Фарадея, чтобы продемонстрировать ее работу. Рисунок на основе заметок Фарадея, иллюстрирующий эксперимент с кюветой льда. 

Рефракция — явление, состоящее в изменении направления света при прохождении через прозрачную среду, например через воздух или стекло. Это явление можно наблюдать, если мы опустим карандаш в стакан воды: кажется, что карандаш сломан у поверхности воды. Это связано с рефракцией, или преломлением, света при прохождении через воздух и воду. Отношение между скоростью света в вакууме и в определенной среде называется индексом рефракции, который определяется как частное между скоростью света в вакууме и скоростью света в данной среде: n = c/v.