Статья: Основоположник учения об электромагнитном поле
В 1827 году Фарадей получил «профессорскую кафедру» в Королевском институте. Его лекции вызывали всеобщий интерес. Но чем бы ни занимался Фарадей, все его мысли были о «превращении магнетизма в электричество».
Рассказывают, что он носил в кармане небольшую спираль из медной проволоки и тонкий железный брусок, нередко доставал эту своеобразную модель электромагнита и устанавливал детали в разнообразные положения. Многие друзья и коллеги считали его чудаком. Фарадею не давала покоя мысль о физической сущности явления, описанного в 1824 году французским ученым Араго и названного им «магнетизмом вращения».
Магнитная стрелка компаса, помещенная в медную коробку с медной крышкой (медь – немагнитный материал), при повороте крышки поворачивалась в том же направлении. При неподвижной крышке стрелка оставалась также неподвижной. Даже великий Ампер не мог объяснить это явление.
В течение долгих десяти лет день за днем Фарадей ставил опыт за опытом, тщательно записывая их в лабораторный журнал. Опытов были тысячи, но «возбуждения электричества посредством магнетизма» достичь не удавалось.
29 августа 1831 года – памятный день не только в жизни Фарадея, но и в истории науки.
В первом эксперименте на деревянную или картонную катушку была намотана медная проволока, между ее витками – вторая проволока, изолированная от первой хлопчатобумажной нитью (рис. 2). Одна из спиралей соединялась с гальванометром, другая – с сильной батареей из 100 пар пластин. При замыкании и размыкании электрической цепи стрелка гальванометра слабо отклонялась. Но при непрерывном прохождении тока через первую спираль гальванометр оставался неподвижным.
Очевидно, во вторичной цепи возникал ток. Но почему только при замыкании и размыкании первичной цепи? А каковы свойства этого тока? Поместив внутрь спирали, включенной во вторичную цепь, стальную иглу, Фарадей обнаружил, что она намагничивается индуктированным током. Следовательно, этот ток обладает теми же свойствами, что и ток, полученный от гальванической батареи.
Но почему все-таки стрелка гальванометра неподвижна, когда ток проходит по первой спирали и даже нагревает ик, а великий экспериментатор оставался наедине со своими сомнениями.
Было очевидно, что, поскольку спирали между собой электрически не соединены, первая действует на вторую через окружающую их среду. Естественно было предположить, как повлияет на отклонение стрелки гальванометра замена деревянной катушки железным кольцом? Ведь железо легко намагничивается током (рис. 3).
Оказалось, что стрелка отклоняется на больший угол, т. е. среда, окружающая проводник с током, играет активную роль и может усиливать явление индукции.
Отметим, кстати, что в опыте с железным кольцом и двумя спиралями можно увидеть прообраз простейшей конструкции трансформатора.
Стремясь выяснить причину возникновения индукционного тока только при замыкании и размыкании первичной цепи, Фарадей пытался логически представить физический процесс этого явления. При замыкании и размыкании цепи возникало и исчезало магнитное поле, создаваемое током. Другими словами, происходило изменение магнитного состояния среды, окружавшей первичную и вторичную спирали. Но ведь магнитное состояние среды можно получить и без электрического тока, применяя обыкновенные стержневые постоянные магниты.
Этот опыт Фарадей осуществил 24 сентября 1831 года. Он обмотал железный цилиндр медной изолированной проволокой, соединив ее концы с гальванометром. Цилиндр был помещен между двумя постоянными стержневыми магнитами, которые внизу соприкасались разноименными полюсами (рис. 4а). При смыкании и размыкании концов магнитов стрелка гальванометра отклонялась. Это явление Фарадей назвал уже «магнитно-электрической», а не «вольта-электрической индукцией». Позднее он подчеркнул, что принципиальной разницы между этими явлениями нет, и предложил название «электромагнитная индукция».
Проходит более двух недель, и 17 октября 1831 года Фарадей ставит самый убедительный эксперимент, дающий прямой ответ на поставленную задачу. Если изменение магнитного поля, вызванное размыканием и замыканием магнитов, возбуждает в катушке ток, то это изменение можно вызвать еще более просто.
На картонную катушку была намотана спираль из медной проволоки, соединявшейся концами с гальванометром (рис. 4б). Фарадей взял цилиндрический магнитный брусок и далее, пишет он в своем журнале, «... быстрым движением втолкнул магнит внутрь спирали на всю его длину, и стрелка гальванометра испытала толчок. Затем я так же быстро вытащил магнит... и стрелка качнулась, но в противоположную сторону. Эти качания стрелки повторялись всякий раз, как магнит вталкивался или выталкивался. Это значит, что электрическая волна возникает только при движении магнита, а не в силу свойств, присущих ему в покое».
Итак, «магнетизм превращался в электричество» – гениальная гипотеза ученого была убедительно подтверждена!
А через несколько дней Фарадей осуществляет еще один эксперимент, с помощью которого наглядно объясняет явление, открытое Араго, и показывает возможность егнита вышеописанным образом, я полагаю, что опыт г-на Араго может стать новым источником получения электричества, и надеялся, что... мне удастся сконструировать электрическую машину» (курсив Фарадея). Опыт заключался в следующем. Фарадей принес в лабораторию большой подковообразный электромагнит, хранящийся до сих пор в музее Лондонского Королевского общества (рис. 5). К полюсам магнита он прикрепил «два стальных бруска» и в промежуток между ними ввел край медного диска. Край диска и его ось были соединены посредством щеток с гальванометром. При вращении диска стрелка гальванометра «показывала наличие в нем электрического тока», причем стрелка испытывала не мгновенный толчок, а все время находилась в отклоненном положении, пока диск вращался. Это был первый в мире электромашинный генератор («диск Фарадея»), получивший позднее название униполярного генератора. С него начинается история электрических машин.
Действие своего генератора Фарадей объяснял так: медный диск можно представить в виде колеса с бесконечно большим числом спиц – радиальных проводников. При вращении диска эти спицы-проводники пересекают магнитные силовые линии, в них возникает индуктивный ток.
Создание первого электромашинного генератора обусловило зарождение и последующее бурное развитие не только электротехники, но и многих других отраслей науки и техники, связанных с электромагнитными явлениями, в том числе радиотехники и электросвязи.
Еще в 90-х годах XIX века известный сербский ученый Н. Тесла построил несколько типов электрических генераторов высокой частоты. В России первый высокочастотный генератор, использованный для получения радиоволн, был создан в 1912 году будущим членом-корреспондентом АН СССР В.П. Вологдиным. В 1922-м он создал высокочастотный генератор мощностью 150 кВт и частотой 15 кГц, который был использован для осуществления радиосвязи между Москвой и Нью-Йорком в 1925 году. Широкое применение нашли также дуговые электрические генераторы, дававшие возможность получения электрической дуги как источника электромагнитных волн. Незаменимым элементом радиотехнических устройств является трансформатор, прообраз которого создал Фарадей.
Читателям «Connect’a» будет интересно узнать о находке в архивах Лондонского Королевского общества в 1938 году конверта, в котором хранилось ранее неизвестное письмо Фарадея, датированное 12 марта 1832 года. Письмо начиналось словами: «Новые воззрения, подлежащие в настоящее время хранению в запечатанном конверте в Архиве Королевского общества». Далее Фарадей писал: «...Результаты исследований привели меня к заключению, что на распространение магнитного воздействия требуется время... которое, очевидно, оказывается весьма незначительным. Я полагаю также, что электрическая индукция распространяется точно таким же образом. Я полагаю, что распространение магнитных сил похоже на колебание взволнованной водной поверхности или же на звуковые колебания частиц воздуха (что близко к понятию «электрь намерен приложить теорию колебаний к магнитным явлениям, как это сделано по отношению к звуку и является наиболее вероятным объяснением световых явлений. Эти воззрения я хочу проверить экспериментально, но так как мое время занято... я хочу, передавая это письмо на хранение Королевскому обществу, закрепить открытие определенной датой. В настоящее время, насколько мне известно, никто из ученых, кроме меня, не имеет подобных взглядов» (курсив наш – Я.Ш.).
Фарадей утверждает, что распространение магнитных сил «похоже на колебание взволнованной водной поверхности». Никто до него не сумел найти столь простой и ощутимый образ сложного электромагнитного явления.
В тот день, когда Фарадей запечатал свое письмо, великому его соотечественнику Д.К. Максвеллу, сформулировавшему и математически обосновавшему основные положения теории электромагнитного поля, еще не исполнилось и года (он родился 13.06.1831).
Идеей о существовании электромагнитных волн и невиданной скорости их распространения Фарадей создал своеобразный плацдарм для последующего бурного развития электросвязи и радиотехники. Как указывает исследователь творчества Фарадея профессор П.С. Кудрявцев, Фарадей по праву считается «основателем физики электромагнитного поля».
Он впервые открыл активную роль среды, окружающей проводники с током или магниты. «Линиями магнитных сил, – писал Фарадей, – я называю те линии, которые становятся доступными нашему зрению, когда мы рассматриваем расположение железных опилок вокруг полюсов магнита». Какое зримое, образное описание сложного физического явления. Кстати, и сегодня в школьных физических кабинетах именно так демонстрируются «силовые линии» магнитного поля.
«Фарадей, – писал Максвелл, – своим мысленным оком видел силовые линии, проходящие по всему пространству там, где математики ...ничего не видели, кроме расстояния. Фарадей искал сущность явлений в том, что в действительности происходит в среде...» (курсив Максвелла).
Именно Максвеллу принадлежит заслуга в развитии и математической обработке идей Фарадея.
Перелистывая страницы фарадеевского лабораторного журнала (его содержание позднее было изложено в солидном труде), можно только поражаться широте и глубине его творческих поисков. Широко известны открытые им законы электролиза, исследования разряда в вакууме и газах (впоследствии на основе его наблюдений и выводов были открыты рентгеновские лучи и радиоактивность), открытие диамагнетизма и парамагнетизма, установление единой природы различных видов электричества – «животного», гальванического, статического, «магнитного», термоэлектричества, введение понятия «диэлектрик». Им также было открыто явление самоиндукции. При исследовании явлений электролиза Фарадей ввел термины электролиз, электролит, электрод, анод, катод, ион, которые сохранились до наших дней.