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.

---

С другой стороны, свет представляет собой волновое движение (взаимно перпендикулярные электрическое и магнитное поля вибрируют также в направлении распространения волн, поэтому свет состоит из электромагнитных волн). Как правило, свет, испускаемый предметами, не поляризован, поскольку он идет в разных направлениях. Однако свет поляризуется при колебаниях электрического поля в одной плоскости.

Существуют различные способы получения поляризованного света. Один из них, названный поляризацией отражением, открыл в 1808 году Этьен Луи Малюс: он направил луч света на поверхность стекла под углом в 57º, отраженный луч поляризовался, потому что плоскость колебаний была перпендикулярна плоскости воздействия.

Таким же образом Фарадей открыл первый известный случай взаимодействия между магнетизмом и светом в 1845 году. Это отклонение плоскости поляризации света (определенной плоскостью колебаний электрического поля) — результат пересечения магнитным полем прозрачного материала, такого как стекло. Он известен как эффект Фарадея, или магнитооптический эффект, и наблюдается на многих твердых, жидких и газообразных предметах. Эффект возникал, только когда лучи света пересекались на протяжении линий электромагнитной индукции между полюсами.

* * *  Природа света

Co времен Ньютона существовали две интерпретации природы света. Согласно первой, свет — это поток частиц; именно эту корпускулярную теорию защищал Ньютон. Вторая интерпретация утверждает, что свет — это волна; за ней стоял Христиан Гюйгенс (1629–1695). В конце концов, эксперименты Юнга и Френеля, а также других исследователей установили в начале XIX века волновой характер света. Следующим концептуальным шагом стало доказательство того, что свет является электромагнитной волной. Сам Фарадей доказал возможность взаимодействия света с электрическими и магнитными явлениями, указав на то, что статическое магнитное поле может изменять скорость распространения света на определенных материалах (знаменитый эффект Фарадея). Формулировка данного эффекта позволила Фарадею утверждать, что свет является электромагнитной волной. Это утверждение с одновременным отрицанием, по его мнению, устаревшей идеи об эфире — теории, согласно которой для перенесения световых волн требуется специальная среда флюида, эфир, — было опубликовано в 1846 году в знаменитых Вечерних лекциях по пятницам.

Теория Максвелла

Максвелл собрал данные, полученные Фарадеем, и сформулировал полную математическую теорию, ставшую основой современной оптики. Эта теория представлена в серии из четырех докладов, озаглавленной «О физических силовых линиях» (On Physical Lines of Force), где мы можем прочесть: «Мы едва ли можем отказаться от вывода, что свет состоит из поперечных колебаний той же самой среды, которая является причиной электрических и магнитных явлений». Максвелл также предсказал возможность существования электромагнитных волн с длиной волны, превышающей видимый свет, которые сегодня мы называем радиоволнами.

ДИАМАГНЕТИЗМ

Уже полностью восстановившись после кризиса, Фарадей вернулся к исследованиям и работал с таким энтузиазмом, что накануне дня, когда он собирался передать в Королевское общество статью об эффекте Фарадея, 4 ноября 1845 года, он сделал еще одно открытие с помощью стекла из боросиликата свинца. Ученый писал:

«Если квадратный брусок вещества толщиной полдюйма и шириной два дюйма подвесить между двумя полюсами мощного электромагнита в форме подковы, при включении электромагнита брусок поворачивался и останавливался, но не вдоль линии между полюсами, а экваториально или перпендикулярно силовым линиям».

Если тело из парамагнитного материала повернулось бы вдоль силовых линий, то стекло поворачивалось перпендикулярно. Фарадей открыл диамагнетизм. Также он поставил эксперименты, в которых луч поляризованного света линейно распространялся через стекло. При воздействии на стекло магнитным полем плоскость поляризации света вращалась. Сегодня это явление известно как эффект Фарадея.

Возвращаясь к диамагнетизму, надо сказать, что Фарадей открыл существование материалов, которые отталкивались магнитом, то есть были противоположностью ферромагнетиков, которые сильно магнитом притягивались. Этот эффект не был чем-то новым, его уже обнаруживали другие ученые, но никому из них он не казался важным. Кроме того, эффект был довольно слабым и трудно поддавался измерениям.

Продолжая эту линию исследования, необходимо было проверить и другие вещества. Так Фарадей открыл, что в зависимости от вещества бруски поворачивались по направлению магнитных силовых линий (их он назвал парамагнетики) или перпендикулярно (диамагнетики). То есть парамагнетики, помещенные во внешнее магнитное поле, притягивались в зону, где поле было наиболее сильным. С диамагнетиками наблюдался противоположный эффект — они притягивались в зону с более слабым полем.

Таким образом, мы можем дать следующее определение парамагнетизму: эффект слабого магнитного притяжения, при котором материалы стремятся развернуться соответственно силовым линиям. Такими материалами являются хром, платина или алюминий.

К веществам-диамагнетикам относятся медь, висмут, фосфор, бумага, сургуч, коровье молоко, яблоки, хлеб. Человеческое существо, по всей видимости, тоже должно относится к диамагнетикам. Фарадей сообщил в Королевском обществе 18 декабря 1845 года:

«[…] если бы человека можно было аккуратно подвесить, как это делал Дюфе, и поместить в магнитное поле, он бы повернулся в стороны экватора, так как все вещества, из которых он состоит, включая кровь, являются диамагнетиками».

Фарадей подчеркивает, что между диамагнетиками существуют различия:

«Доскональное исследование показало, что даже материалы-диамагнетики, отличные от других тел, так как еще нагретые они неактивны в отношении обычных магнитов или при других опытах, не являются абсолютными диамагнетиками, поскольку удерживают часть магнитного потенциала вне зависимости от температуры».

После этого водопада открытий Фарадей сообщил Королевскому обществу, что его работа в области диамагнетизма завершена. Это произошло 7 марта 1850 года.

* * *  Ферромагнетики, парамагнетики и диамагнетики

В зависимости от ситуации материалы, помещенные в магнитное поле, могут разделяться на следующие виды.

— Ферромагнетики: легко намагничиваются даже небольшим магнитным полем. Кроме того, они стремятся оставаться намагниченными после их помещения во внешнее магнитное поле. Линии магнитного потока проходят через ферромагнетики с большей легкостью, чем через пустоту. Все эти материалы имеют критическую температуру, называемую температура Кюри, выше которой ферромагнетик теряет свои свойства в результате термического возбуждения и превращается в парамагнетик. Например, температура Кюри для железа равна примерно 1043 К.

— Парамагнетики: в отсутствие внешнего магнитного поля имеют случайный порядок магнитных моментов. Однако под действием внешнего магнитного поля магнитные моменты парамагнетиков стремятся повернуться параллельно магнитному полю. Если устранить действие внешнего магнитного поля, парамагнетики не сохраняют магнитных свойств.

— Диамагнетики: очень слабо намагничиваются, при индуцированном магнитном моменте поворачиваются в направлении, противоположном магнитному полю. Если ферромагнетики притягиваются магнитами, то диамагнетики отталкиваются ими. В действительности все материалы имеют свойства диамагнетиков, но это может быть неявно выражено при слабом притяжении к магниту (парамагнетики) и при сильном притяжении к магниту (ферромагнетики).

Теория Пуассона

Феноменологическая теория, разработанная французским математиком Симеоном Дени Пуассоном (1781–1840) и его немецким коллегой Карлом Фридрихом Гауссом (1777–1855), позволяет рассчитать эффект любого числа произвольно расположенных статических электрических зарядов. Две противоположно заряженные частицы притягиваются, и у них обнаруживается свойство ускоряться друг к другу, их скорость можно определить при учете сопротивления среды: если сопротивление среды присутствует, они могут двигаться с постоянной скоростью, , если сопротивление отсутствует, они двигаются с постоянным ускорением. После того как Фарадей установил, что электрические поля воздействуют силами на заряженные частицы, из-за того, что они обладают зарядом и вне зависимости от их скорости, а магнитные поля воздействуют силами на движущиеся заряженные частицы, благодаря уравнениям Максвелла, которые появились позднее, стало возможным определить поля на основе знаний о зарядах и токах.