Электрические и магнитные явления известны человечеству с античных времен, ведь все же видели молнию, и многие древние знали о магнитах, притягивающих некоторые металлы. Багдадская батарейка, изобретенная 4000 лет назад — одно из свидетельств того, что задолго до наших дней человечество электричеством пользовалось, и судя по всему знало как оно работает. Тем не менее, считается, что до начала 19 века электричество и магнетизм рассматривались всегда отдельно друг от друга, принимались как несвязанные между собой явления, и относились к различным разделам физики.
Изучение магнитного поля началось в 1269 году, когда французский учёный Пётр Перегрин (рыцарь Пьер из Мерикура) отметил магнитное поле на поверхности сферического магнита, применяя стальные иглы, и определил, что получающиеся линии магнитного поля пересекались в двух точках, которые он назвал «полюсами» по аналогии с полюсами Земли.
Эрстед в своих экспериментах только в 1819 году обнаружил отклонение стрелки компаса, расположенного вблизи проводника с током, и тогда ученым был сделан вывод о том, что существует некая взаимосвязь между электрическими и магнитными явлениями.
Спустя 5 лет, в 1824 году, Ампер сумел математически описать взаимодействие токонесущего проводника с магнитом, а также взаимодействие проводников между собой, так появился Закон Ампера: «сила, действующая на проводник с током, помещенный в однородное магнитное поле, пропорциональна длине проводника, вектору магнитной индукции, силе тока и синусу угла между вектором магнитной индукции и проводником».
Относительно действия магнита на ток, Ампер предположил, что внутри постоянного магнита присутствуют микроскопические замкнутые токи, которые и создают магнитное поле магнита, взаимодействующее с магнитным полем токонесущего проводника.
Например двигая постоянный магнит возле проводника, можно получить в нем пульсирующий ток, а подавая пульсирующий ток в одну из катушек, на общем железном сердечнике с которой находится вторая катушка, во второй катушке также появится пульсирующий ток.
Следствием этих важных выводов Максвелла явилось его предсказание о том, что в принципе любое изменение в электромагнитном поле должно порождать электромагнитные волны, которые распространяются в пространстве и в диэлектрических средах с некоторой конечной скоростью, которая зависит от магнитной и диэлектрической проницаемостей среды распространения волн.
Для вакуума эта скорость оказалась равна скорости света, в связи с чем Максвелл предположил, что свет — это тоже электромагнитная волна, и данное предположение позже подтвердилось (хотя еще за долго до экспериментов Эрстеда на волновую природу света указывал Юнг).
Максвелл же создал математическую основу электромагнетизма, и в 1884 году появились знаменитые уравнения Максвелла в современной форме. В 1887 году Герц подтвердит теорию Максвелла относительно электромагнитных волн: приемник зафиксирует посланные передатчиком электромагнитные волны.
Изучением электромагнитных полей занимается классическая электродинамика. В рамках же квантовой электродинамики электромагнитное излучение рассматривается как поток фотонов, в котором электромагнитное взаимодействие переносится частицами-переносчиками — фотонами — безмассовыми векторными бозонами, которые можно представить как элементарные квантовые возбуждения электромагнитного поля. Таким образом, фотон — это квант электромагнитного поля с точки зрения квантовой электродинамики.
Электромагнитное взаимодействие представляется сегодня одним из фундаментальных взаимодействий в физике, а электромагнитное поле — одно из фундаментальных физических полей наряду с гравитационным и фермионным.
Физические свойства электромагнитного поля
О наличии электрического, или магнитного, или и того и другого поля в пространстве можно судить по силовому действию со стороны электромагнитного поля на заряженную частицу или на ток.
Электрическое поле действует на электрические заряды, как на подвижные, так и на неподвижные, с определенной силой, зависящей от напряженности электрического поля в данной точке пространства в данный момент времени, и от величины пробного заряда q.
Зная силу (величину и направление), с которой электрическое поле действует на пробный заряд, и зная величину заряда, можно найти напряженность E электрического поля в данной точке пространства.
Сила, действующая на электрический заряд со стороны электрического поля — это часть силы, действующей на данный заряд со стороны электромагнитного поля.
Магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами (токами), либо изменяющимися во времени электрическими полями (об этом свидетельствуют уравнения Максвелла), и действует только на движущиеся электрические заряды.
На самом деле сила Лоренца включает в себя электрическую и магнитную составляющие. Магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами (токами), его силовые линии всегда замкнуты и охватывают ток.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Эволюция представлений о магнитном поле
При написании статьи использованы материалы статьи В. Околотина [1].
В истории развития теории магнетизма можно выделить (весьма упрощенно) следующие пять этапов развития: Древний мир, Средневековье – 1820 г., Этап Ампера-Вебера, Этап Фарадея-Максвелла, Электродинамика XXI века.
Фалес начинял магниты “душой”, Эмпедокл толковал об “истечениях”, Платон же пояснял, что “божественная сила магнита передаётся к железу, как вдохновение музы от поэта к слушателю”. А чтобы было понятнее, снисходительно добавлял: “. фигуры атомов, истекающих из магнита и железа, так подходят друг к другу, что легко сцепляются между собой; ударившись о твёрдые части магнита или железа, а затем, отскочив в середину, они одновременно и связываются между собой, и влекут железо”.
2. Средневековье – 1820 г.
Первый европейский трактат “О магнитах” от 1269 года почти на треть не устарел и сегодня. Автор Пьетро Перегрино учит нас определять полярность магнита, применять компас и намагничивать железо. Если магнит сломать, обе половинки останутся магнитами. Причину магнитного притяжения Перегрино ищет в космосе, ибо небо магнитно, и каждая его точка отражается в магните, в котором рождается подобие неба.
А средневековый схоласт Аверроэс наделил магнит даром искривлять пространство возле себя сообразно своей форме. Эти искажения (“специи”) друг за другом, слабея, доходят до железа и влияют на него.
Примерно так же думал и медик английской королевы Гильберт. В 1600 году появился его фундаментальный труд, который сделал придворного медика “дедушкой” электричества и магнетизма. Он проделал 600 опытов, и столь богатый посев не мог не дать плодов. Например, шар, выточенный из магнита, действует на компас, как Земля, значит, наша планета – огромный магнитный шар!
Почитатели Гильберта сразу же перенесли магнетизм Земли на другие планеты. По Галилею, Земля оттого и крутится, что магнитна. По Кеплеру, “магнитные истечения Земли создают около неё магнитные силы, проникающие сквозь все тела”, а “гравитация есть сила, подобная магнетизму – взаимному притяжению”. В 1644 году Рене Декарт заселил мир “вихрями тончайшей материи”. С помощью придуманных двух спиралеобразных частиц с тремя витками разного направления удалось ответить на все тогдашние 34 вопроса по магнетизму.
С небольшими отличиями говорил о том же магнитном флюиде Гюйгенс, а ещё лет через сто Эпинус уточнил: магнитная жидкость грубее электрической и потому с трудом течёт сквозь очень мелкие поры. Не увидел ничего общего между этими жидкостями и военный инженер Кулон, хотя найденные им законы взаимодействия зарядов и магнитных масс (масс магнитного флюида) по форме идентичны.
Учёные стали замечать, что удары молнии намагничивают железные предметы. Не давала им покоя и выявленная зависимость силы от квадрата расстояния, общая по форме для масс, зарядов и полюсов магнита. В их головах постепенно, “подспудно” созревала мысль о связи между электричеством и магнетизмом. И вот, наконец, в 1820 году на лекции профессора Эрстеда слушатели вдруг увидели, как стрелка компаса повернулась поперёк провода с током.
3. Этап Ампера-Вебера
Араго, Био, Дэви, Берцелиус, всерьёз доказывали, что провод с током есть магнит. Магнитные заряды не обнаружены и поныне, однако сторонников преобладания магнетизма над электричеством можно найти и среди современных учёных.
Второй путь избрал Ампер. Всего два месяца прошло после публикации Эрстеда, а он уже потряс мир предельно логичными тезисами. Два параллельных тока притягиваются; значит, притяжение разных полюсов магнитов можно объяснить, посчитав магнит круговым током. Эта идея Ампера давала одну-единственную причину, казалось бы, совсем разным явлениям: взаимодействию токов, тока и магнита, двух магнитов. Мало того, вместе с магнетизмом изгонялись и таинственные “поворачивающие силы” – два кусочка провода с токами всегда действовали друг на друга с силой, направленной по связывающей их линии. Заменив магнит круговыми токами (а потом, по совету Френеля, совокупностью молекулярных токов), Ампер пришёл к выводу, что “всякие допущения существования магнитных жидкостей или магнитных сил, отличных от электрических жидкостей и токов, есть концепция, лишённая оснований”. Зачем рассчитывать по току магнитное поле, а по магнитному полю силу его влияния на другой ток? Силу между двумя токами можно определить сразу, выбросив магнитного “посредника” за ненадобностью.
Тем не менее, Амперу не удалось перечеркнуть древний миф о магнетизме, несмотря на помощь таких корифеев, как Грассман, Риман, Ленц, Гаусс, Нейман и Вебер. Тому было, как это видно сейчас, несколько причин. А главная состояла вот в чём. Увлечённый постоянными во времени процессами, Ампер не смог или не успел, в отличие от Фарадея, открыть и объяснить в рамках своей, теории, почему изменение тока в одном проводе приводит к наведению тока в другом.
4. Этап Фарадея-Максвелла
Основные идеи Фарадея
Фарадей спас магнетизм, введя силовые линии. Невидимые линии натянулись в пространстве, словно упругая резиновая сетка, по которой передавалось силовое влияние. Кроме эластичной упругой паутины магнитных линий, Вселенная затянулась такими же сетками “тяготения”, “электростатической индукции” и т. д.
Своими “сетками” Фарадей превратил пространство в активную зону, вмещающую все тела. “Почему медь проводит ток, а сургуч нет?” – спрашивал Фарадей. Атомы меди и сургуча разобщены, далеки друг от друга, и, стало быть, определения “проводит” и “не проводит” относятся не к атомам, а к пространству, обволакивающему вещество. Противоречивость свойств пространства (оно то изолятор, то проводник) Фарадей отнёс за счёт неправильности исходной атомистической теории о независимом существовании тел и пространства. Атомизм пришлось заменить теорией пространства, которое брало на себя все активные функции, не дожидаясь помощи чего-либо другого. Так Фарадей подготовил почву для ещё более радикальных взглядов своих последователей.
Развитие идей Фарадея и их экспериментальное обоснование
Согласно Пойнтингу ток переносит энергию вовсе не в проводнике, а вдоль него снаружи. Столь необычные взгляды до сих пор трудно усвоить. Но с их помощъю удалось объяснить все известные явления и даже предсказать новые! Например, связанные волны электричества и магнетизма пульсируют, достигая антенны радиоприемника, – это сбывшееся пророчество Максвелла разве не подтверждает правоты Фарадея? Отключается источник, но ток в цепи затухает не сразу – значит, деформированная магнитная сетка, распрямляясь, отдаёт запасённую энергию току. Почему при включении постоянный ток нарастает как бы с трудом? Он совершает работу, искривляя магнитную паутину мира, которая (как сжатая пружина) запасает энергию и только ждёт любой возможности, чтобы распрямиться. Почему появляется ток в проводнике, скользящем в магнитном поле? Потому что он “режется” эластичными магнитными линиями – электроэнергия равна механической работе продавливания провода через упругий частокол. Свет – просто-напросто поперечное дрожание электрических и магнитных линий, сообщённое им Солнцем. Слюда увеличивает ёмкость конденсатора, засасывая и сгущая в себе электрическую сетку мира. То же самое проделывает железо с магнитной паутиной.
Некоторые проблемы электродинамики Фарадея-Максвелла
Время от времени подобную методику объяснения электромагнитных явлений приходилось корректировать, но все трудности считались трудностями роста. Уравнения Максвелла годились для неподвижных тел в неподвижном пространстве. Но лаборатория может перемещаться по Земле, сама Земля крутится вокруг Солнца, а Солнце мчится в Галактике и т. д. Силовые сетки надо было к чему-то привязать, а это рождало множество проблем. Драматические поиски выхода из положения привели в конце концов к такой картине мира: жёсткий диэлектрический эфир в пространстве неподвижен, телами не увлекается, но при перемещении сквозь него тела сплющиваются в направлении хода. Работа, затрачиваемая на это укорочение, должна вызывать подток энергии из дальних эфирных зон. Уравнения Максвелла пришлось “подремонтировать”, а скорость света стала независимой от скорости излучателя и приёмника. Несколько позднее было отброшено и представление об эфире, ибо поле перестало нуждаться в особом носителе.
Все эти меры по спасению методики неизбежно повлекли за собой некоторые ограничения кругозора учёных. “Хотя мы всё время интересуемся состоянием среды, заполняющей поле. мы не можем сказать о нём слишком много”, – признался Лоренц и добавил, что “реальной необходимости в этом нет. Поэтому математические соотношения приобретают исключительное значение”.
Ещё большее предпочтение математике за счёт физики сделал Эйнштейн: “. надо допустить, что пространство обладает физическим свойством передавать электромагнитные волны, и не слишком много заботиться о смысле этого утверждения”.
Вклад Г. А. Лоренца в электродинамику. Отказаться от магнетизма вслед за Ампером трудно, а превратить вещество в тень поля, подобно Фарадею, и вовсе невозможно. От Стони, который предложил термин “электрон” и рассчитал заряд одного иона на примере электролиза, демокритовская эстафета о зернистости сущего пришла к Лоренцу.
Забыв свои рекомендации о ненужности гипотез, он в мельчайших деталях разработал великолепную гипотезу об электронах. Так же как Фарадей “видел” силовые линии, так же и Лоренц почти осязал “крайне малые электрически заряженные частички, которые в громадном количестве присутствуют во всех весомых телах”. Электроны несли на себе свои поля, излучали энергию при торможении или ускорении, деформировались в блинообразное тело. При этом заряды на их поверхности перераспределяются, а сами “диски” под давлением эфира стремятся отклониться от трассы, что можно пояснить введением двух масс электрона – продольной и поперечной. Это смелое умозрительное построение блестяще подтвердилось!
На чём базируется современная электродинамика
Сейчас мы уверенно называем электрическим током движение зарядов именно в проводнике. С этих позиций весьма неубедительно выглядят доводы Фарадея о сути различия между сургучом и медью и об исключительной роли пространства. Трудно поверить и в то, что заряд вторичен по отношению к первичному электрическому полю. Невольно усомнишься и в теории Пойнтинга: энергия переноса зарядов сосредоточена вовсе не в самих движущихся зарядах, а вне их – в магнитном поле, распростёршемся в бесконечные дали.
И, тем не менее, на подобных взглядах базируется всё здание современного электромагнетизма! Современным специалистам в разных областях электротехники не так-то легко с первой попытки найти взаимопонимание. Например, при расчёте электрических полей и цепей приходится пользоваться совершенно различной терминологией. Зияет пропасть между классическим электромагнетизмом, преподаваемым в технических вузах, и квантовой электродинамикой.
Всё реже используются образные представления Фарадея о “силовых трубках”. Убран из пространства за ненадобностью эфир Максвелла. Стойко сохраняют последние рубежи магнитные массы Кулона и формулы “дополевых” теоретиков – сторонников дальнодействия. Силы между токами рассчитываются по Амперу, а наведение токов трактуется по диаметрально противоположной методике Фарадея. Энергия тока приравнивается или к энергии движущихся зарядов, или к энергии магнитного поля. Правда, взгляды Пойнтинга предпочтительнее, ибо носителем энергии всё же считается поле.
Критика концепции магнитного поля
Примерно каждый шестой из авторов многочисленных учебников считает, что магнитное поле – это то, что окружает летящий заряд. Каждый пятый называет поле особым состоянием пространства, особым физическим процессом или особым видом движения материи. Остальные же авторы дают более “солидную” формулировку, сводя магнитное поле к полю сил, которые действуют на движущийся заряд или на электрический ток. Все эти определения внушают сомнения.
Представьте, что рядом с магнитом находится заряженная частица. Если она неподвижна, то магнит на неё не действует. Тронулась с места частица, и появилась сила. И она тем значительнее, чем больше скорость частицы. Мало того, изменится направление движения, изменится и направление силы. Короче говоря, в одной и той же точке около магнита сила может принимать любое значение и любое направление в зависимости от скорости и направления движения частицы. Магнитное поле неизменно, а силовое поле переменно.
Критические для теории магнитного поля факты:
• Одно и то же магнитное поле порождает разные силы в зависимости от скорости заряда, поэтому магнитное поле не может быть силовым.
• Один и тот же заряд порождает в одной и той же точке пространства магнитное поле любой величины и направления.
• Магнитного поля в зазоре нет, а провод реагирует на каждый магнит по отдельности (парадокс Бьюли).
В квантовой электродинамике начинают отдавать предпочтение расчётам с помощью векторного и скалярного потенциалов, отходя, таким образом, от электродинамики Фарадея-Максвелла
О некоторых парадоксах электродинамики
Магнитное поле обладает не только определённой интенсивностью, но и направлением, как вода в реке. Совместим две встречные магнитные “реки” одной силы в одном русле. Теоретически они должны как бы погасить друг друга. Однако на практике это происходит далеко не всегда.
Между двумя магнитами, повёрнутыми друг к другу одноимёнными полюсами, находится провод. Магнитное поле в зазоре уничтожено. Однако, если сдвинуть магниты в разные стороны, в проводе наведётся такой ток, словно бы поля магнитов и не думали вычитаться.
А с 1926 года известен другой парадокс. Снаружи очень длинной катушки с током магнитного поля нет, поля отдельных витков как бы компенсируют друг друга. Тем не менее, на частицу, летящую мимо соленоида, действует сила.
5. Электродинамика XXI века
Для создания новой, непротиворечивой, безмагнитной электродинамики, на мой взгляд, необходимо:
1. Отказаться от понятия магнитного поля, как реально существющей материальной сущности. Термин «Магнитное поле» рекомендую заменить на другой термин, скажем на термин «Электродинамическое поле». Вектор индукции магнитного поля В тогда можно будет назвать вектором индукции электродинамического поля. Провести ревизию остальных терминов электродинамики Фарадея-Максвелла с целью максимального использования хорошо зарекомендовавших себя методов расчёта.
2. Понятие силовой линии электродинамического поля оставить в арсенале, как, очевидно, весьма полезное, но лишь в рамках математического формализма.
3. Создать новую теорию распространения электрических (по-старому, электромагнитных) колебаний, отказавшись от схемы Максвелла: Вихр.электр. поле – Ток смещения – Магнитное поле – Вихр. электр. поле и т.д.
4. Признать, наконец-то эфир (физический вакуум плюс светоносный эфир и ещё что-то) объективной реальностью и абсолютной системой отсчёта.
5. Официально признать СТО А. Эйнштейна ложной и на базе ТО Г. Лоренца разработать новую релятивистскую электродинамику.
Предлагаю читателю самому продолжить этот список, чтобы хоть в какой-то мере охватить весь грандиозный план по созданию электродинами XXI столетия.
1. В. Околотин, к.т.н. Теперь это называют магнитным полем.
«Техника–молодёжи», 1973, №12, стр. 20
22.01.2015
Сказка о том, как открыли Майкла Фарадея, который открыл электромагнитное поле
Журнальный вариант одной из научных сказок из новой книги Ник. Горькавого «Электрический дракон», которая вышла в свет в издательстве «АСТ» в начале этого года.
Майкл Фарадей. 1826 год. Иллюстрация: Н. W. Pickersgill, Engraveb by John Cochran / Wikimedia Commons / PD
В гости к принцессе Дзинтаре приехала королева Никки с мужем Джерри.
— У меня срочное дело к вашей маме, — заявила королева детям Дзинтары Галатее и Андрею, — поэтому я её забираю, а вам оставляю Джерри. Он расскажет очередную вечернюю сказку об электричестве.
— Я постараюсь не сильно искрить! — пообещал Джерри. — Надеюсь, вам понравится история про гениального самоучку — знаменитого английского физика Майкла Фарадея.
Его жизнь была увлекательнее любого романа. Майкл рос в лондонском пригороде вместе с двумя сёстрами и двумя братьями в бедной семье кузнеца. В 13 лет ему пришлось начать зарабатывать. Майкл поступил рассыльным в лондонский книжный магазин, принадлежавший французскому эмигранту Джорджу Рибо. После испытательного срока мальчика оставили работать в магазине переплётчиком. Всё свободное время Майкл читал. Особенно ему нравились книги по химии и электричеству. Он даже ставил описываемые в них опыты.
Книжный магазин Джорджа Рибо, где в юности работал и занимался самообразованием Майкл Фарадей. Старинная гравюра. Иллюстрация: Wikimedia Commons / PD
— Но как он мог это делать? — удивилась Галатея. — Ведь у него не было никакого оборудования.
— Конечно, Майклу были по силам только простые эксперименты, он проводил их с помощью инструментов и материалов из кузницы своего отца, который, как и Рибо, поощрял занятия любознательного подростка и помогал ему. Однажды отец купил Майклу необходимую для опытов «лейденскую банку» (см. «Науку и жизнь» № 4, 2017. — Прим. ред.).
Королевский институт в Лондоне. 1830-е годы. Иллюстрация: Thomas Hosmer Shepherd / Wikimedia Commons / PD
Посетители книжного магазина тоже старались оказать содействие смышлёному юноше. Один из них подарил Фарадею билет на цикл лекций знаменитого английского физика и химика Хэмфри Дэви, которые тот читал в Королевском институте. Майкл тщательно записал лекции, переплёл их в аккуратную книжку и послал Дэви с просьбой принять его на работу в институт. Этот, по словам самого Фарадея, наивный и смелый шаг принёс результат. Дэви был поражён усердием молодого человека, ответил ему и через несколько месяцев, в начале 1813 года, взял его на работу на освободившееся место лаборанта. Фарадей исполнял свои обязанности безукоризненно и вскоре стал незаменимым помощником Дэви, особенно после того, как учёный повредил глаза при взрыве химических реактивов в своей лаборатории.
Майкл никогда не учился в школе, и тем более в университете, но несколько лет, проведённых им в книжном магазине Рибо, сделали его образованным человеком.
Майкл Фарадей в своей лаборатории в Королевском институте. Иллюстрация: Harriet Jane Moore / Wikimedia Commons / PD
— Мне кажется, тут дело не в магазине, а в желании Фарадея учиться, — сказал Андрей.
— Согласен, но, если бы Майкл работал в угольной шахте, а в те времена многие дети его возраста вслед за отцами становились шахтёрами, возможностей для самообразования у него было бы гораздо меньше. Впоследствии Фарадей посвятил Джорджу Рибо одну из своих книг, а на книжном магазине, который существует до сих пор, появилась мемориальная доска, напоминающая о том, что здесь когда-то работал великий учёный.
Осенью того же 1813 года вместе с Дэви и его супругой 22-летний Майкл отправился в поездку по европейским научным центрам, где Дэви встречался с А. Ампером, Ж. Л. Гей-Люссаком и другими выдающимися учёными. Судьбоносная встреча с А. Вольтой (см. «Науку и жизнь» № 4, 2017, статья «Сказка об электрической лягушке и итальянском физике Алессандро Вольте, основоположнике учения об электричестве») произошла в доме знаменитого учёного на озере Комо в Италии и была довольно продолжительной.
Однажды к дому Алессандра Вольты подкатила карета, нагружённая сундуками и чемоданами. Рядом с кучером сидел молодой человек. Он спрыгнул на землю и открыл дверцу кареты. Из неё вышел элегантный господин, а за ним — его жена, пышно разодетая дама. Сварливым голосом она отдала распоряжение насчёт чемоданов, а её муж устремился к хозяину дома, который ожидал его возле крыльца.
— Приветствую вас, сэр Хэмфри Дэви, — сказал Вольта. — Трудна ли была ваша дорога?
Гость представил Вольте супругу, а потом, после некоторого колебания, своего помощника Майкла, молодого человека, ехавшего рядом с кучером и выполнявшего обязанности слуги.
К этому времени Дэви уже прославился своими открытиями в области химии и электролиза, сделанными с помощью вольтова столба. Немало часов провёл он в лаборатории Вольты, знакомясь с созданными великим учёным приборами. Майкл ходил следом и внимательно записывал пояснения хозяина, иногда задавая вопросы, которые своей глубиной удивляли его.
— Смышлёный у вас помощник, — сказал Вольта. А потом добавил: — Я нашёл пролив в новый таинственный океан электричества, которое вырабатывает моя батарея, но исследовать его придётся вам, молодому поколению. Верю, что вы откроете в нём множество секретов.
Галатея нетерпеливо спросила:
— Дэви оправдал надежды Вольты?
— Не совсем. Конечно, он был крупным учёным, но по-настоящему великим исследователем электричества, сумевшим разгадать основные тайны «электрического дракона», стал его молодой помощник Майкл Фарадей, который вошёл в историю благодаря своим выдающимся открытиям. Ранее электрические явления не связывали с магнитными, такими как указание стрелки компаса строго на север или притяжение магнитом железных опилок. Обнаружить единство электрических и магнитных явлений помог вольтов столб. Произошло это так.
Дождливым утром 1820 года профессор Копенгагенского университета Ханс Христиан Эрстед показывал студентам опыт по нагреванию проволоки из-за текущего по ней тока от вольтовой батареи. На лабораторном столе среди другого оборудования лежал компас. Истопник, принёсший в комнату дрова для камина, выпрямил усталую спину и вдруг заметил, что, когда профессор включил электрическую цепь, стрелка компаса дёрнулась.
— Сударь! — деликатно кашлянул остроглазый истопник, обращаясь к учёному, который проводил этот простой опыт, наверное, в сотый раз. — У вас тут компас. того. шалит!
Эрстед глубоко верил в связь магнитных и электрических явлений, поэтому обратил пристальное внимание на дрожание стрелки компаса, замеченное истопником. Ранее учёные пробовали пропускать электрический ток через магнитную стрелку, но не добились никакого результата. Эрстед провёл серию опытов и доказал, что стрелка компаса реагирует на включённый провод из любого, даже немагнитного, металла и располагается по касательной к окружности вокруг провода. Проще говоря, если расположить провод с током вертикально, то стрелка компаса укажет не на сам провод, а, например, влево. Если же окружить провод несколькими компасами, то их стрелки образуют горизонтальную окружность, в центре которой будет вертикальный провод.
После этого открытия Эрстед стал знаменитым, но история не сохранила имени остроглазого истопника. Исследователи, узнавшие об опыте Эрстеда, удивлялись тому, что магнитное взаимодействие между объектами направлено не от одного к другому, как в теории гравитации Ньютона и электростатическом законе Кулона, а в сторону.
— А что тут удивительного? — не поняла Галатея.
— А то, что электрически заряженные тела тянутся друг к другу. В гравитации все тела падают на Землю в направлении её центра. Представь себе, что ты выронила камушек и он полетел не вниз, а в сторону — параллельно земле. Результаты, полученные Эрстедом, были настолько сенсационными, что о них за считаные недели узнали во всей Европе.
В том же 1820 году французский исследователь Андре-Мари Ампер обнаружил, что два провода под током отталкиваются друг от друга или притягиваются в зависимости от направления течения тока. Он также показал, что катушка из намотанного электрического провода становится сильным магнитом. Ампер изобрёл электромагнитный телеграф, работа которого была основана на воздействии провода с током на магнитную стрелку. Он писал:
«. можно было бы, взяв столько проводников и магнитных стрелок, сколько имеется букв, и помещая каждую букву на отдельной стрелке, устроить своего рода телеграф с помощью одного вольтова столба, расположенного вдали от стрелок. Соединяя поочередно концы столба с концами соответствующих проводников, можно было бы лицу, которое наблюдало бы за буквами на стрелках, передавать сведения со всеми подробностями и через какие угодно препятствия. Если установить со стороны столба клавиатуру с буквами и производить соединения нажатием клавиш, то этот способ сообщения мог бы применяться достаточно просто и не требовал бы больше времени, чем необходимо для нажатия клавиш на одной стороне и чтения каждой буквы на другой».
Фарадея чрезвычайно увлекли эксперименты Эрстеда и Ампера. Майкл интерпретировал опыты Эрстеда следующим образом: ток в проводе создаёт вокруг магнитное поле, на которое реагирует стрелка компаса. Но можно ли создать электрический ток из магнитного поля? Фарадей был уверен: если Эрстед превратил электричество, текущее по проводу, в магнитное поле, воздействующее на компасную стрелку, то должен быть и обратный процесс!
В 1822 году Фарадей зафиксировал в дневнике поставленную перед собой задачу: «Превратить магнетизм в электричество». Примерно в это же время Дэви с другим английским физиком Волластоном попробовали сконструировать электрический двигатель, но потерпели неудачу. За решение этой сложной проблемы взялся Фарадей. Он продемонстрировал работоспособность сразу двух возможных конструкций электродвигателя. Фарадей научился превращать электрическую энергию в механическую!
Создать практичный электродвигатель пытались многие, а удалось это российскому учёному, инженеру и изобретателю немецкого происхождения Борису Семёновичу Якоби. Все остальные конструировали электродвигатель, который работал, как паровая машина, — двигал поршень вперёд и назад. В 1834 году Якоби предложил совершенно иной электродвигатель — с вращающейся внутренней частью. Современные электромоторы устроены именно по этому принципу. Двигатель Якоби испытали в 1839 году на Неве. В плавание по реке отправилась лодка с 14 пассажирами. Против течения её двигал мотор Якоби мощностью в одну лошадиную силу.
— Наверное, это очень не понравилось Дэви и Волластону! — воскликнул Андрей.
— Да. Они даже стали обвинять Майкла в плагиате. Фарадею эти склоки были настолько неприятны, что он попросту перестал работать в области электродинамики и переключился на другие научные проблемы. К электрическим опытам он вернулся, когда обоих его оппонентов уже не было в живых. В 1831 году Майкл совершил революцию в области электродинамики — открыл электромагнитную индукцию (способ превращения магнитного поля в электричество).
— А как он это сделал? — поинтересовалась Галатея. Джерри призадумался, но быстро нашёлся:
— А я сейчас вам покажу! У вас есть магнит?
— Конечно, есть! — воскликнул Андрей, и они стали копаться в большом ящике с игрушками.
— Отлично! — сказал Джерри, держа в руках подковообразный магнит. — Это лучшая детская игрушка всех времён. Теперь нам нужны провода и какой-нибудь простенький вольтметр или любой другой измеритель тока.
— Лапок дохлых лягушек у нас нет! — пошутила Галатея.
— Тогда вот этот приборчик сойдёт, — показал Джерри на найденный вольтметр, который Андрей использовал в электрических схемах, собираемых на уроках физики.
— Теперь сделаем катушку в сотню витков, а лучше ещё больше. — Джерри стал наматывать тонкий провод вокруг пустого пластикового стаканчика — и присоединим её свободные концы к вольтметру.
— И это всё? — удивилась Галатея.
— Да! — подтвердил Джерри. — Теперь мы можем приступать к опытам.
Он взял в руки магнит и опустил его конец в стаканчик. В этот момент стрелка вольтметра дёрнулась и переместилась в сторону на несколько милливольт.
— Я видела, видела! — завопила в восторге Галатея. — Появился ток!
— У тебя острый глаз! — похвалил девочку Джерри. — Теперь вытащи магнит.
Галатея быстро выдернула магнит из стаканчика — и стрелка вольтметра снова дёрнулась, только в обратную сторону.
— Я — настоящий Фарадей! — воскликнула Галатея. И они начали экспериментировать с новой игрушкой, вернее, с новым научным прибором.
Демонстрация электромагнитной индукции, открытой Майклом Фарадеем. Магнит, вставляемый в катушку, вызывает появление электрического тока в цепи. Опыт и фото Владислава Сыщенко
Джерри сказал, глядя на увлечённых детей:
— Фарадей доказал: изменение величины магнитного поля, пронизывающего замкнутый проводник, заставляет заряды в проводе двигаться, создаёт в нём электрический ток. Если собрать прибор, способный периодически изменять магнитное поле, пронизывающее катушку, то это будет электрический генератор — источник тока, во многих отношениях превосходящий батарею Вольты. С помощью простых предметов Фарадей создал прототип электрогенератора, который до сих пор служит главным источником получения электрического тока. По такому же принципу работают электрогенераторы, вращаемые огромными турбинами, на гидроэлектростанциях, на тепловых и на атомных станциях, вырабатывающих электрический ток.
— А электромоторы в автомобилях тоже придумал Фарадей?
— Он показал, как из электричества получать механическую энергию. В его опыте свободно висящий провод окунался в ванночку с ртутью, в середине которой был установлен магнит. Когда по проводу шёл ток, он начинал вращаться вокруг магнита. Но от этой конструкции до электродвигателя современного типа было ещё очень далеко. И всё же первым, кто доказал, что дракона можно заставить крутить колёса и винты, был Фарадей. Его имя стало всемирно известным, академии разных стран выбирали его своим почётным членом.
— Так-так, — закивала головой Галатея. — Из рассыльного книжного магазина — в академики! Здорово!
— Ещё как здорово, но, несмотря на головокружительный взлёт в науке, Фарадей оставался исключительно скромным человеком. Он отклонил честь быть возведённым в рыцарское достоинство, а рыцарей почитали и даже хоронили в Вестминстерском аббатстве, где покоятся английские короли и сам Исаак Ньютон. Фарадей дважды отказался от должности председателя Королевского общества — высшего научного поста в Великобритании. Он был полностью сосредоточен на науке и уклонялся от всего, что мешало ему ею заниматься.
За годы работы Фарадей поставил около 30 тысяч экспериментов. В течение 24 лет он проводил опыты по электричеству и магнетизму и посылал их описания в Лондонское королевское общество. Именно эти работы совершили революцию в электродинамике.
Одно из главных достижений Фарадея, имеющее теоретический характер, состоит в том, что он ввёл в науку понятие физического поля, что кардинально отличало электродинамику от теории гравитации Ньютона.
Майкл Фарадей даёт публичную лекцию в Королевском институте. 1856 год. Литография А. Блейкли. Иллюстрация: Wikimedia Commons / PD
— Но ведь у Ньютона тоже было поле, только гравитационное. В чём же их различие? — спросил Андрей.
— Ньютоновская теория основана на дальнодействии. Это значит, что каждое гравитирующее тело, например Юпитер, действует на другое тело, например на Сатурн, мгновенно на любом расстоянии.
— Но ведь это не так! — удивился Андрей. — Ничто не может действовать быстрее скорости света, а между Юпитером и Сатурном расстояние в несколько световых часов.
— Во времена Ньютона о конечной скорости взаимодействия никто не знал. Поэтому Ньютон исходил из бесконечной или мгновенной скорости передачи гравитационного взаимодействия. Его теория работала практически всегда хорошо, и её придерживались вплоть до начала XX века, пока Альберт Эйнштейн не построил свою теорию гравитации, согласно которой скорость распространения гравитационного поля ограничивается скоростью света.
Учёные XIX века представляли себе пространство между гравитирующими телами пустым. Фарадей считал, что пространство между зарядами и магнитами заполнено полем или средой с особыми нитями — силовыми линиями. В электродинамике не было мгновенного взаимодействия между зарядами: один заряд воздействовал на поле, оно менялось, и это изменение «чувствовал» другой заряд.
Майкл Фарадей. 1861 год. Фото: John Watkins / Wikimedia Commons / PD
— Это не совсем понятно, — заёрзала Галатея.
— Свяжи два шарика ниткой и повесь на крючок. Потяни один шарик вниз. Как он будет воздействовать на другой шарик? Через нитку, которая стала «передавать» взаимодействие и заставлять другой шарик двигаться вверх.
Электромагнитное поле, согласно Фарадею, стало переносчиком взаимодействия между зарядами, и эта концепция является основой современной физики. С помощью своих опытов Фарадей открыл основные законы электродинамики и создал первые образцы электрического двигателя, электрогенератора и трансформатора. Тем самым он заложил фундамент современной электрической цивилизации.
Однажды член парламента, будущий премьер-министр Великобритании Уильям Гладстон, спросил Фарадея:
— Чем же так важно это ваше электричество?
— Скоро вы будете обкладывать его налогами, — ответил Фарадей.
— А кто продолжил его дело? — у Галатеи горели глаза от нетерпения.
— Эстафету подхватил британский физик-теоретик шотландского происхождения Джеймс Максвелл, который превратил законы Фарадея в математические уравнения, названные в его честь законами электродинамики Максвелла. Джеймс послал свою работу Фарадею. Тот сразу откликнулся:
«Мой дорогой сэр, я получил Вашу статью и очень благодарен Вам за неё. Эта работа не только приятна мне, но и даёт мне стимул к дальнейшим размышлениям. Я поначалу испугался, увидев, какая мощная сила математики приложена к предмету, а затем удивился тому, насколько хорошо предмет её выдержал. »
Напряжённые исследования, которые часто были связаны с использованием вредных веществ, например ртути, подорвали здоровье Фарадея. В 1862 году он оставил работу и лишился жалования. Нехотя, лишь под воздействием общественного мнения, премьер-министр назначил ему небольшую пенсию.
— Безобразие! — возмутилась Галатея. — Учёный, который столько сделал для людей и для своей страны, остался нищим.
— Увы, это обычная история жизни многих великих людей. Для Фарадея она закончилась относительно благополучно: он получил от королевы в подарок дом в Хэмптон-Корте, по соседству с одним из королевских дворцов в Лондоне. В этом доме он прожил остаток своих лет с любимой супругой Сарой. Сейчас там музей.
Дом Майкла Фарадея в Хэмптон-Корте. Старинная гравюра. Иллюстрация: Unknown / Wikimedia Commons / PD
Научные достижения Фарадея высоко ценили многие выдающиеся личности. Немецкий физик Герман Гельмгольц высказался просто: «До тех пор, пока люди пользуются благами электричества, они всегда будут с благодарностью вспоминать имя Фарадея». А самый известный физик XX века Альберт Эйнштейн заявил: «Со времени обоснования теоретической физики Ньютоном наибольшие изменения в её теоретических основах, другими словами, в нашем представлении о структуре реальности, были достигнуты благодаря исследованиям электромагнитных явлений Фарадеем и Максвеллом». Ему же принадлежат слова: «. надо иметь могучий дар научного предвидения, чтобы распознать, что в описании электрических явлений не заряды и не частицы описывают суть явлений, а скорее пространство между зарядами и частицами».
Завершая вечернюю сказку, Джерри подытожил:
— Майкл Фарадей входит в десятку, а может быть, и в пятёрку самых влиятельных учёных в истории, но он единственный из них, кто не получил формального образования, а оказался самоучкой. В этом смысле Фарадей уникален.
Андрей задумался и стал размышлять:
— XVIII век — век электростатики, XIX — век электродинамики. А каким был XX век, ведь вся наука об электричестве уже была создана к его началу?
— Благодаря трудам Франклина и Вольты, Фарадея и Максвелла, многих других учёных люди изучили характер «электрического дракона», измерили его силу, узнали его слабости. В ХХ веке на первый план вышли инженеры и изобретатели. Они стали конструировать различные устройства, которые заставили «электрического дракона» работать на людей, так что XX век стал веком электрических машин.
Андре-Мари Ампер (1775–1836) — французский физик, математик и естествоиспытатель. Открыл важные законы электромагнетизма, в частности взаимное влияние проводников с током. В его честь названа единица силы электрического тока — ампер.
Уильям Хайд Волластон (1766–1828) — английский физик и химик. Открыл металлы палладий и родий и впервые получил в чистом виде платину, что позволило создать платиновую посуду для выделения серной кислоты и других едких веществ и работы с ними.
Хэмфри Дэви (1778–1829) — английский химик и физик, один из создателей электрохимии. Обнаружил несколько новых химических элементов.
Джеймс Максвелл (1831–1879) — британский физик, математик и механик. Создал современную теорию электродинамики, уравнения которой носят его имя. Предсказал существование электромагнитных волн.
Исаак Ньютон (1643–1727) — английский физик, математик и астроном. Один из создателей классической физики.
Майкл Фарадей (1791–1867) — английский физик-экспериментатор и химик. Открыл основные законы электродинамики и создал первые образцы электрического двигателя, электрогенератора и трансформатора. Ввёл в науку понятие физического поля. В его честь названы лунный кратер и единица измерения электрической ёмкости — фарад.
Альберт Эйнштейн (1879–1955) — немецкий физик-теоретик, создатель специальной и общей теорий относительности и ряда других теорий. Лауреат Нобелевской премии 1921 года.
Ханс Христиан Эрстед (1777–1851) — датский физик, исследователь электромагнетизма. Открыл влияние провода с током на стрелку компаса. В его честь названа единица напряжённости магнитного поля — эрстед.
Борис Семёнович Якоби (1801–1874) — российский физик, инженер и изобретатель немецкого происхождения. Создатель первого электродвигателя с вращающимся якорем, а также первого в мире телеграфа, печатающего буквы.
