Статья посвящена замечательному учёному Майклу Фарадею. Изучен его великий труд по открытию новых знаний в физике и химии. Рассмотрены основные эксперименты, проводимые Майклом Фарадеем. Показан вклад учёного в создание и развитие теории электромагнетизма.
Ключевые слова: Майкл Фарадей, эксперимент, электромагнитная индукция, электродинамика, электродвигатель, генератор, трансформатор, эффект Фарадея.
Величие может быть основано на масштабных победах, грандиозных достижениях в производстве, покорении бесконечного космоса, а может заключаться в каждодневной упорной работе по открытию тайн природы. В течение всей жизни, шаг за шагом, опыт за опытом, от одной тайны мироздания к другой, по непознанному пути знаний шёл великий учёный Майкл Фарадей.
Майкл Фарадей родился 22 сентября 1791 г. в Лондоне в небогатой семье рабочего. Его отец был кузнецом, а мать — дочь земледельца. Происхождение из трудолюбивой, строго религиозной и свободомыслящей семьи и первые детские впечатления, вынесенные из трудовой и религиозной жизни, оставили неизгладимый след на натуре Фарадея.
Семья будущего учёного испытывала материальные трудности, и после болезни отца Майкл вынужден был подумать о работе. В 12 лет он оставляет школу и начинает работать учеником переплётчика в книжном магазине и небольшой типографии Дж. Рибо (рис. 1). Рабочий день Фарадея был установлен с 6 часов утра до 7 вечера. Работал мальчик очень хорошо. По вечерам Майкл читал книги, которые переплетал. В первую очередь его интересовали научные книги по электричеству и химии. Он проводил опыты, описанные в книгах, используя приборы, купленные на собственные небольшие средства.
Некоторые из заказчиков его хозяина, принадлежавшие к научному миру и посещавшие переплетную мастерскую, заинтересовались преданным науке учеником переплетчика и устроили ему доступ на некоторые лекции ученых. Майкл Фарадей попал на лекции, читаемые физиком Дж. Татумом. Он прослушал и записал целый курс, состоявший из 13 лекций; эти лекции были платные — по шиллингу за лекцию. В то время для Фарадея шиллинг составлял огромную сумму, и он с трудом копил деньги на лекции.
Рис. 1. Книжный магазин-типография Дж. Рибо
Майкл любил записывать наблюдаемое и прочитанное с 9 лет в свой первый труд “Философский сборник разных статей, заметок, событий, приключений и так далее, относящихся к искусствам и наукам и собранных из газет, обозрений, журналов и других сочинений с целью содействовать удовольствию, самообучению, а также укреплению и разрушению теорий, распространенных в учёном мире с 1800 до 1809 года”. [1].
Майкл Фарадей старался всегда восполнить своё образование и посещал курсы городского философского общества. Он слушал лекции по астрономии и физике, а также участвовал в научных диспутах.
В 1812 г. произошло важное событие в жизни юного Майкла — посетитель книжного магазина, музыкант У. Денс, подарил Фарадею билет на цикл лекций знаменитого английского учёного Гэмфри Дэви. На этих лекциях Майкл Фарадей, внимательно слушая профессора Дэви, записывал и зарисовывал все объяснения и эксперименты. После лекций Майкл выслал учёному Дэви письмо, приложив к нему свои аккуратно переплетенные записи его лекций, где просил принять его на работу в Королевский институт, основанным королем Англии Георгом III (рис. 2). Профессор Дэви после полученной травмы во время экспериментов через некоторое время удовлетворил просьбу Майкла Фарадея принять его на работу, так как нуждался в помощнике.
С 1813–1815 гг. Майкл Фарадей работал лаборантом Королевского института. В это время Майкл помогал преподавателям Института в подготовке лекций и экспериментов. Майкл Фарадей широко воспользовался представившейся ему теперь возможностью слушать лекции в Королевском институте и буквально не пропускал ни одной из них. Сам Фарадей, будучи по природе скромным человеком, чувствовал, что его призвание — научная работа, что только на этом поприще его дух найдет полное удовлетворение.
Рис. 2. Королевский институт Великобритании
Майкл Фарадей стал постоянным помощником профессора Дэви. Вместе с ним он побывал в путешествии по научным центрам Европы, где ему удалось присутствовать на лекциях знаменитых учёных — Андре Мари Ампера, Алессандро Вольта, эти встречи обогатили его научные познания. [1].
По возвращении в Лондон Фарадей снова приступает к работе в Королевском институте уже в качестве ассистента. В 1816 году была напечатана в издававшемся Королевским институтом журнале первая работа Фарадея о химическом анализе тосканской извести. К 1818 году относится работа Фарадея по физике, посвященная исследованию поющего пламени.
В 1819 году ему было поручено редактирование журнала Королевского института. В 1820 году он напечатал работу “О двух новых соединениях хлора и углерода и о новом соединении йода, углерода и водорода”. Это был серьезный труд, который допустили к прочтению в заседании Королевского общества и выпуску его в журнале “Philosophical Transactions”. За три последующих года он уже опубликовал более 40 научных трудов. В это же время Майкл Фарадей вел научную переписку с видными европейскими учеными. Таким образом, упорный научный труд Майкла в библиотеках и лаборатории помог ему восполнить его образование. Рис. 3.
В 1820 г. он провёл опыт по выплавке стали с добавкой никеля. Данный опыт считается открытием нержавеющей стали. В 1821 г. стал техническим смотрителем здания и лабораторий Королевского института; опубликовал статью об изобретении электродвигателя. В 1821 г. известный физик У. Волластон пожаловался Дэви, что один из опытов Фарадея является плагиатом его идеи. Но вскоре Фарадей разъяснил свою позицию, и проблема была решена. Однако когда изобретатель стал членом Королевского общества, Дэви был единственным, кто был против этого. Отметим, что даже У. Волластон голосовал за избрание. Тем не менее, отношения Дэви и Фарадея позднее улучшились. Дэви любил повторять, что главным его открытием являлось «открытие Фарадея».
Рис. 3. В лаборатории Майкла Фарадея
В 1821 г. Фарадей женился на Саре Барнард, сестре его друга. Брак был счастливым. Супруги жили на верхнем этаже Королевского института. Впоследствии Фарадей, переживший свою жену, писал о своей семейной жизни, выражаясь о себе в третьем лице, следующее: “12 июня 1821 года он женился; это обстоятельство более всякого другого содействовало его земному счастью и здоровью его ума. Союз этот ни в чем не изменился, разве только взаимная привязанность с течением времени стала глубже и сильнее”. Рис. 4.
Рис. 4 Майкл Фарадей
В 1821 году Фарадей составил “Историю успехов электромагнетизма”, где было признано, что «электричество может превращаться в магнетизм». Сразу же был поставлен другой вопрос: «Нельзя ли магнетизм превратить в электричество?» [2].
Эта задача была успешно решена Майклом Фарадеем в 1831 году. Отклонение магнитной стрелки около проводника с током и отклонение проводника с током в магнитном поле имеют одну причину — магнитное действие электрического тока. При движении соленоида с током внутри проволочной катушки возникает ток Рис. 5.
Рис. 5. Катушка с током
Более 10 лет учёный трудился над решением этой задачи, ставил множество опытов, изобретая новые приборы (рис. 6), и в 1831 г Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию. Это открытие устранило трудности к внедрению электроэнергии.
Рис. 6. Трансформатор Майкла Фарадея
Фарадей изменил терминологию электрохимических явлений — он заменил название «полюсы гальванической пары» новым словом — электроды, назвав положительный электрод анодом, а отрицательный — катодом. Вещество, способное разлагаться электрическим током, Фарадей назвал электролитом, а сам процесс — электролизом.
Первый закон электролиза, установленный Фарадеем, состоит в том, что количество электрохимического действия не зависит ни от величины электродов, ни от напряженности тока, а единственно от количества электричества, проходящего в цепи. Второй закон — количество электричества, всегда обратно пропорционально атомному весу вещества и для разложения молекулы вещества требуется одно и то же количество электричества.
В 1825 г. Майкл занял пост директора физической и химической лабораторий Королевского института. В 1833 г. получил профессорскую кафедру в Королевском институте. В своих лекциях он сочетал доступность и наглядность с глубиной изучаемых научных теорий. Его знаменитые лекции «История свечи» издаются и в настоящее время. Рис. 7.
Рис. 7. История свечи Майкла Фарадея
К работам в области электрохимии принадлежит труд об улучшенной форме вольтова столба. В 1836 г. Фарадей доказал, что электрический заряд может воздействовать только на поверхность замкнутой оболочки-проводника, при этом он не оказывает никакого воздействия на объекты, находящиеся внутри неё. Это открытие было использовано в устройстве, известном как «клетка Фарадея». [3].
Опыты, которые предпринял Фарадей для разъяснения этого вопроса, привели к совершенно неожиданному результату. Обширные и разносторонние работы не могли не отразиться на здоровье Фарадея. В последние годы этого периода своей жизни он работал уже с большим трудом. В 1840 г. — Фарадей тяжело заболел, у него случилась частичная потеря памяти. По одной из версий, его болезнь был результатом отравления парами ртути, которые использовались при опытах. В это время ученый жил в крайней нужде на средства — £22 в год. Только через 5 лет ему назначили пенсию в £300 в год. В 1839 и 1840 годах состояние Фарадея было таково, что он нередко вынужден был прерывать свои занятия и уезжать куда-нибудь в приморские местечки Англии. В 1841 году друзья убедили Фарадея поехать в Швейцарию, чтобы основательным отдыхом собрать силы для новых работ. В Швейцарии Фарадей пробыл около года. После отдыха Майкл снова почувствовал в себе силы для работы и открытий. Первым открытием, опубликованным по возвращении, было “намагничивание света”, как выражался Фарадей, или “магнитное вращение плоскости поляризации”, как принято говорить теперь. Работы над магнетизмом кристаллов заняли вторую половину 40-х годов. [4].
Затем Фарадей обратился к магнитным явлениям пламени. Экспериментальная часть была необычайно трудноисполнима. Большинство газов невидимо — и, тем не менее, Фарадею нужно было следить за ними. Он ловил газы в трубки, удалял их из магнитного поля и исследовал, погружая один в другой. Таким путем Фарадей определил, что кислород, погруженный в другие газы, сильно притягивается магнитом, азот же отталкивается кислородом.
В 1845 г. учёный открыл эффект Фарадея и диамагнетизм. После обширных работ Фарадей занимался вопросами философского характера. К концу 50-х годов работы, продолжавшиеся четыре десятка лет почти без перерыва и сопровождавшиеся громаднейшим напряжением, не могли не ослабить сил Фарадея, возраст которого к этому времени становился уже почтенным.
В 1848 г. королева Виктория предоставила ученому в пожизненное пользование дом, который являлся частью дворцового комплекса Хэмптон-Корт (рис. 8). Все расходы и налоги она взяла на себя. Здесь Фарадей провёл свои последние годы. Исследования Фарадея приобрели в наше время огромное практическое значение. На вопрос министра Гладстона: «Какая же, в конце концов, от всего этого польза?» Фарадей ответил: «Сэр, не лишено возможности, что вы в ближайшем будущем из всего этого будете извлекать налоги». Фарадей открыл принцип действия электрического мотора, электрогенератора и трансформатора, то есть создал основы современной электротехники.
В 1862 г. Фарадей выдвинул гипотезу, что магнитное поле влияет на спектральные линии. Правда, оборудование тех лет не могло обнаружить этот эффект. Лишь в 1897 г. П. Зееман подтвердил данную гипотезу и получил за это Нобелевскую премию.
Правительство часто привлекало Майкла Фарадея к решению различных технических задач, таких как защита кораблей от коррозии, усовершенствование маяков, экспертиза судебных дел и т. д. Фарадей исследовал микро- и наночастицы разных металлов и описал их особенности. Эти опыты стали первым вкладом в будущее нанотехнологии.
Фарадей был всемирно известным ученым, но, по словам современников, всегда был скромным и добрым человеком. Так, он отклонил предложение возвести его в рыцарское достоинство, отказался стать президентом Королевского общества. На протяжении всей жизни он вел непритязательный образ жизни и не раз отклонял выгодные предложения, которые могли бы ему помешать заниматься наукой. [5].
Рис. 8. Дом Фарадея в Хэмптон-Корте
Ценя высоко науку, Фарадей желал, чтобы научные знания сделались общим достоянием. “Изучение естественных наук, — писал Фарадей на запрос комиссии общественных школ относительно целесообразности популяризации науки, — я считаю отличною школою для ума. Нет школы для ума лучше той, где объясняются законы, данные Создателем всему миру, и сообщается понятие о чудном единстве, неуничтожаемой материи и силах природы… Я удивляюсь, — продолжает Фарадей, — и понять не могу, почему естественнонаучные знания, сделавшие большие успехи в последние пятьдесят лет, остаются, так сказать, нетронутыми; почему вовсе не делают основательных попыток знакомить с ними подрастающую молодежь и давать ей хотя бы первые понятия в этих науках”.
На очень важный вопрос, в каком возрасте нужно начинать изучение физики, Фарадей отвечал: “Могу сказать только одно, что во время моих рождественских лекций для детей я не встречал такого ребёнка, который бы не понимал моих объяснений. Часто после лекций многие из детей подходили ко мне с вопросами, доказывавшими полное понимание”.
Комиссия Британского общества естествоиспытателей обратилась однажды к Фарадею с запросом о том, какие, по его мнению, средства могло бы употребить правительство для улучшения в Англии положения представителей науки. В ответ на этот запрос Фарадей писал, что “правительству ради своей выгоды следовало бы ценить людей, служащих стране и приносящих ей честь”, и что “во множестве случаев, требующих научных знаний, правительству следовало бы пользоваться учеными”; к сожалению, это не практикуется “в таких размерах, в каких могло бы делаться с пользою для всех; очевидно, правительство, еще не научившееся уважать ученых как особый класс людей, не может найти верных путей и средств вступать с ними в общение”.
В 1867 г. великий ученый скончался за письменным столом. Его похоронили на Хайгейтском кладбище. Современники Фарадея отмечали его доброжелательность, скромность и обаяние. Ж. Б. Дюма, известный политик и химик, считал, что Фарадей владел нравственными качествами. Д. К. Максвелл считал Фарадея математиком высокого порядка. Фарадей работал очень методично. Обнаружив какой-либо эффект, он старался изучить его максимально глубоко, выясняя от каких параметров зависит этот эффект он зависит. Фарадей является основоположником учения об электромагнитном поле. Майкл Фарадей отличался трудолюбием, методичностью, тщательностью исполнения экспериментов и стремлением проникнуть в суть исследуемой проблемы. Его называли «королем экспериментаторов». Всего он провел более 30 тыс. экспериментов. Рис. 9.
Рис. 9 Великий экспериментатор на лекции
Важные открытия Майкла Фарадея: создание первой модели электродвигателя и первого трансформатора, открытие химического действие тока и действия магнитного поля на свет, открытие законов электролиза и диамагнетизма, предсказание электромагнитных волн, обнаружение поворота плоскости поляризации света в магнитном поле — эффект Фарадея, открытие бензола и изобутилена, введение в научный терминов: ион, анод, катод, электролит, диамагнетизм, диэлектрик, парамагнетизм и др. Рис. 10.
В честь Фарадея названы: фарад — единица измерения электрической ёмкости, фарадей — единица измерения электрического заряда, диск Фарадея, эффект Фарадея, закон электромагнитной индукции, постоянная Фарадея, клетка Фарадея, законы электролиза, цилиндр Фарадея, премия Майкла Фарадея, астероид 37582, лунный кратер, корпус Лондонского института электротехники, одно из зданий Эдинбургского университета, ряд школ, гимназий и колледжей. [5].
Рис. 10 Эффект Фарадея
В Лондоне на Савойской площади у моста Ватерлоо установлен памятник учёному 1886 год. В октябре 1931 года в Вестминстерском аббатстве за могилой Исаака Ньютона были установлены рядом две мемориальные плиты — в честь Майкла Фарадея и Джеймса Клерка Максвелла. Недалеко от места рождения Фарадея открыт его мемориал, а неподалёку расположен небольшой Фарадеевский парк. Портрет Фарадея размещался на почтовых марках и английской банкноте в 20 фунтов выпуска 1991–1999 годов. В честь Фарадея названы несколько наград: Премия и медаль Майкла Фарадея, Фарадеевская лекция — Королевское химическое общество, Медаль Фарадея по электрохимии, Медаль Фарадея по экспериментальной физике. Рис. 11.
В настоящее время, когда электротехника, основанная на открытиях Фарадея, дала человечеству уже так много, что наступающий XX век будет, несомненно, именоваться веком электричества, мы можем оценить по достоинству великие открытия Фарадея и имеем полное основание считать Фарадея великим благодетелем человечества, подобных которому человечество насчитывает немного. И с каждым годом, с каждым новым применением электромагнетизма значение открытий Фарадея будет все возрастать, и его права на звание “благодетель человечества” будут увеличиваться.
Жизнь Майкла Фарадея была интересна и любопытна. Майкл, не получивший систематического образования, без дипломов, до 22 лет бывший учеником переплетного цеха, собственными усилиями добился возможности всецело отдаться научным занятиям, в течение всего нескольких лет превращается в первоклассного физика, которому наука обязана столь многочисленными и высокоценными открытиями. Своим трудолюбием он приводил в изумление всех, кто его знал. Образ жизни его был в высшей степени скромен, личную независимость он ставил выше всего.
Рис. 11 Портрет Майкла Фарадея на почтовой марке
Майкл Фарадей навсегда останется британским физиком и химиком, открывшим электромагнитную индукцию, которая стала основой промышленного производства электричества. Помимо высокого значения, биография Майкла Фарадея в высокой степени поучительна как описание жизни человека, преданного науке, простиравшего свое бескорыстие до отклонения от себя вполне заслуженных научных почестей. Знакомство с такого рода человеком не может не быть полезно, особенно в наш век, когда меркантильные расчеты часто отодвигают на второй план интересы чистой науки.
Герман Гельмгольц сказал о Майкле Фарадее: «До тех пор, пока люди пользуются благами электричества, они всегда будут с благодарностью вспоминать имя Фарадея».
Литература:
- Абрамов Я. В. Майкл Фарадей. Его жизнь и научная деятельность. — 1892. — (Жизнь замечательных людей. Биограф. библиотека Ф. Павленкова). — М.: Книга, 2011.
- Фарадей М. Экспериментальные исследования по электричеству, в трёх томах. — М.: Изд. АН СССР, 1959.
- Фарадей М. История свечи. Перевод с английского Е. Н. Драгуновой. Под редакцией М. П. Шаскольской. Москва: Детгиз, 1956.
- Diary / T. Martin. — 1932–1936. — published in eight vol. 2009 publication of Faraday’s diary.
- The Correspondence of Michael Faraday / F. A. James. — INSPEC, Inc., Vol. 1–4. 1999.
