Идеи Фарадея о превращении магнетизма в электричество и электричества в магнетизм

Талантливый экспериментатор, наделённый научной интуицией, Фарадей поставил ряд опытов, в которых были открыты фундаментальные физические законы и явления. Ознакомившись с работой Х. Эрстеда об отклонении магнитной стрелки вблизи проводника с током (1820), Ф. занялся исследованием связи между электрическим и магнитными явлениями и в 1821году  впервые обнаружил вращение магнита вокруг проводника с током и вращение проводника с током вокруг магнита. В течение последующих 10 лет Фарадей пытался «превратить магнетизм в электричество»; его исследования завершились в 1831году открытием индукции электромагнитной. Он детально изучил явление электромагнитной индукции, вывел её основной закон, выяснил зависимость индукционного тока от магнитных свойств среды, исследовал явление самоиндукции и экстратоки замыкания и размыкания. Открытие явления электромагнитной индукции сразу же приобрело огромное научное и практическое значение; оно легло в основу электротехники.

Работам Фарадея в области электричества положило начало исследование так называемых электромагнитных вращений. Из серии опытов Эрстеда, Араго, Био, Савара, проведенных в 1820 г., стало известно не только об электромагнетизме, но и о своеобразии взаимодействий тока и магнита: здесь действовали не привычные для классической механики центральные силы, а силы иные, стремившиеся установить магнитную стрелку перпендикулярно проводнику. Фарадей поставил перед собой вопрос: не стремится ли магнит к непрерывному движению вокруг проводника с током? Опыт подтвердил гипотезу.

В 1821 году Фарадей дал описание физического прибора. В левом сосуде с ртутью находился стержневой постоянный магнит, закрепленный шарнирно в нижней части. При включении тока его верхняя часть вращалась вокруг неподвижного проводника. В правом сосуде стержень магнита был неподвижен, а проводник с током, свободно подвешенный на кронштейне, скользил по ртути, совершая вращение вокруг полюса магнита. Это было первое электромагнитное устройство с непрерывным движением. Именно с этого момента, судя по всему, у Фарадея начинают складываться представления о всеобщей ''взаимопревращаемости сил''. Получив при помощи электромагнетизма непрерывное механическое движение, он ставит перед собой задачу обратить явление или, по терминологии Фарадея, превратить магнетизм в электричество.

Схема прибора изображена на рис. 9. В левом сосуде с ртутью находился постоянный магнит, закрепленный шарнирно в нижней части. В сосуд опускался неподвижный проводник, и при включении тока верхняя часть магнита начинала вращаться вокруг проводника. В правом сосуде стержень был неподвижен, а проводник с током,свободно подвешенный на кронштейне, скользил по ртути, совершая вращение вокруг полюса магнита.

Рис.9. Схема «электромагнитных вращений» (по рисунку Фарадея): 1,2 — чаши с ртутью; 3 — подвижный магнит; 4 — неподвижный магнит; 5, 6 — провода, идущие к батарее; 7 — медный стержень; 8 — неподвижный проводник; 9 — подвижный проводник.

Это явление было названо «эффектом электромагнитных вращений»; таким образом, Фарадей впервые показал возможность построения электрического двигателя и опубликовал в журнале Королевского общества статью «О новых электромагнитных движениях».

В качестве примера, характеризующего ход мыслей ученого и формирование его представлений об электромагнитном поле, рассмотрим явление, получившее тогда название ''магнетизма вращения''. За много лет до работ Фарадея мореплаватели заметили тормозящее влияние медного корпуса компаса на колебания магнитной стрелки. В 1824 году Араго описал это явление, но ни он, ни другие физики объяснить явление ''магнетизма вращения'' не могли. Сущность явления состояла в следующем. Подковообразный магнит мог вращаться вокруг вертикальной оси, а над его полюсами находился алюминевый диск, который также мог вращаться на оси, совпадающей по направлению с осью вращения магнита. В состоянии покоя никаких взаимодействий между диском и магнитом не наблюдалось. Но стоило начать вращать магнит, как диск устремлялся вслед за ним и наоборот. Чтобы исключить возможность увлечения диска потоками воздуха, магнит и диск были разделены стеклом. Открытие электромагнитной индукции помогло Фарадею объяснить явление Араго и уже в самом начале исследования записать: ''Я надеялся сделать из опыта господина Араго новый источник электричества'' Только абсолютная убежденность в справедливости гипотезы ''взаимопревращаемости'' может объяснить целеустремленность и настойчивость Фарадея.  Прошло целых семь лет, пока Фарадей, и никто другой, сумел объяснить «загадку» Араго. Но прежде он должен добиться «превращения магнетизма в электричество». 29 августа 1831 г. — памятный день не только в жизни Фарадея, но и в истории науки. Из рисунков в лабораторном журнале видна последовательность его заключительных экспериментов, приведших к величайшему открытию.

На деревянную катушку 4 (рис. 10, а) была намотана медная проволока 1, а между ее витками наматывалась вторая проволока 2, изолированная от первой хлопчатобумажной нитью. Одна из спиралей соединялась с гальванической батареей 3, другая с гальванометром 5. При замыкании и размыкании цепи стрелка гальванометра слабо отклонялась. Но (и это очень важное наблюдение) если ток проходил по первой спирали непрерывно, стрелка гальванометра оставалась неподвижной. Было очевидно, что в первом случае во вторичной цепи возникал ток. Но почему он появлялся только при замыкании или размыкании цепи, то есть при возникновении «магнитных сил» вокруг проводника или при их исчезновении? Чтобы выяснить свойства тока, индуктированного во вторичной цепи, Фарадей поместил внутрь вторичной обмотки стальную иглу 8 (рис. 10, 6) и убедился, что она намагничивается.

Следовательно, возникший ток обладал теми же свойствами, что и ток, полученный от батареи. Эти явления Фарадей назвал «вольтаэлектрической индукцией».

Рис.10. Схема основных опытов при открытии электромагнитной индукции
(по рисункам Фарадея).

Но почему гальванометр отклоняется только при замыкании и размыкании цепи? На этот вопрос в наши дни может легко ответить любой старшеклассник, а великий экспериментатор оставался наедине со своими сомнениями. Подозревая, что взаимодействие двух обмоток осуществляется через окружающую среду, он заменил деревянную катушку железным кольцом 1 (рис. 10, г). И оказалось, что стрелка гальванометра отклонялась на больший угол, то есть окружающая проводник с током среда действовала сильнее, когда воздух заменяло железное кольцо, легко намагничивающееся током. Так Фарадей пришел к одному из самых фундаментальных своих открытий — установлению активной роли среды, окружающей спирали,; то есть магнитного поля. Заметим, кстати, что в опыте с железным кольцом и двумя спиралями можно увидеть прообраз простейшего трансформатора (Рис. 12).

Но Фарадей знал, что магнитное состояние среды можно изменить и без электрического тока с помощью обычных стержневых постоянных магнитов. Он расположил два постоянных магнита (рис. 10, д) так, что при поднятии и опускании их полюсов исчезает и возникает магнитное поле вокруг катушки. При этом стрелка гальванометра заметно отклоняется. Это явление Фарадей назвал «магнитоэлектрической индукцией». Ввиду того, что между «вольтаэлектрической» и «магнитоэлектрической» индукцией принципиальной разницы не было, позднее оба эти явления были объединены Фарадеем термином «электромагнитная индукция». Два заключительных эксперимента (рис. 2, е-ж) демонстрировали появление тока при движении внутри соленоида постоянного магнита или катушки с током. При этом особенно наглядно демонстрировалась возможность «превращения магнетизма в электричество» — гениальная гипотеза ученого была убедительно подтверждена!

А через несколько дней Фарадей осуществил еще один эксперимент, с помощью которого наглядно объяснил явление Араго: при вращении магнита в медном диске наводились индуктированные токи и они, взаимодействия с полюсами магнита, вызывали вращение диска.

Но Фарадей не был бы Фарадеем, если бы не предложил использовать это явление на практике. Он писал: «Получив электричество из магнетизма вышеописанным образом, я полагаю, что опыт г-на Араго может стать новым источником получения электричества, и я надеялся, что... мне удастся сконструировать электрическую машину».

Ученый принес в лабораторию большой подковообразный электромагнит (хранящийся до сих пор в музее Лондонского Королевского общества), прикрепил к полюсам магнита «два стальных бруска», а в промежуток между ними ввел край медного диска. Край диска и его ось были соединены посредством щеток с гальванометром (рис. 11). При вращении диска в нем возникал ток. Так была создана электрическая машина, позднее получившая название «униполярный генератор».

Рис.11. Схема униполярного генератора
(по рисунку Фарадея).

При объяснении возникновения тока в диске машины Фарадей вводит понятие «магнитных силовых линий», при пересечении которых возбуждается ток. «Эти линии магнитных сил, — писал Фарадей, — становятся доступными нашему зрению, когда мы рассматриваем расположение железных опилок вокруг полюса магнита». Так удивительно образно сумел он описать сложное физическое явление.

В августе 1831 г. был сделан решающий опыт, а 24 ноября на заседании в Королевском обществе была изложена сущность явления электромагнитной индукции. Семнадцатого октября 1831 г. Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Это был хорошо подготовленный и заранее продуманный опыт. Вот как об этом писал Фарадей: ''Я взял цилиндрический магнитный брусок и ввел один его конец в просвет спирали из медной проволоки, соединенной с гальванометром. Потом я быстрым движением втолкнул магнит внутрь спирали на всю его длину, и стрелка гальванометра испытала толчок. Затем я так же быстро вытащил магнит из спирали, и стрелка опять 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''.

Вслед за открытием электромагнитной индукции Фарадей проверяет новую идею. Если движение магнита относительно проводника создает электричество, то, видимо, движение проводника относительно магнита должно приводить к такому же результату. Значит, есть возможность создать генератор электрического тока, обеспечив непрерывное относительное движение проводника и магнита. Фарадей быстро строит и испытывает новое устройство: между полюсами подковообразного магнита вращается медный диск, с которого при помощи скользящих контактов (один на оси, другой на периферии) снимается напряжение. Это был первый генератор электрического тока!

Рис. 12. Первый генератор электрического тока Фарадея

С ноября 1831 г. Фарадей начал систематически печатать свои ''Экспериментальные исследования по электричеству'', составившие 30 серий более чем из 3000 параграфов. Первая серия посвящена электромагнитной индукции; последняя - законам намагничивания (1855 г.). В этих сериях отражена двадцатичетырехлетняя работа Фарадея, в них жизнь, мысли и воззрения ученого.

          Фарадей высказал новые, оправдавшиеся в дальнейшем идеи о природе тока и магнетизма, о механизме проводимости в различных средах и др. Он доказал тождество различных видов электричества: полученного от трения, «животного», «магнитного» и др.

Роль Фарадея в человеческой цивилизации совершенно уникальна. До него ученые - естествоиспытатели исследовали круг явлений, известных из повседневного опыта и воспринимаемых каким-либо из пяти органов чувств человека. Фарадей же открыл новый вид материи, органами чувств не воспринимаемый - электоромагнитное поле, положив новые пути развития науки и техники. Не зря говорят: «Гений творит то, что должен».

Джозеф Генри – человек, которого не признали современники, - решал проблему получения электричества с помощью магнитного поля. Он пришел к выводу, что вызвать электрический ток в замкнутом витке проводника можно, если магнит перемещать возле провода. Далее, создав магнитное поле, он, меняя ток, заставил колебаться и магнитное поле. В другом проводе, находящемся в переменном магнитном поле, индуцировался ток. Генри оттягивал публикацию, пытаясь накопить побольше фактов, и... в мае 1832 года он прочел в журнале:

«17 февраля. Господин Фарадей сделал отчет (в Королевском обществе) о первых двух разделах его исследований в области электричества, а именно, о вольто-электрической и магнитно-электрической индукции...

Если перемещать магнит вблизи проводника, не подключенного к источнику электрической энергии, то в последнем индуцируется электрический ток, который легко обнаружить».

Опыты, на основании которых Фарадей подготовил статью, были проведены несколькими месяцами раньше, а Генри... трудился над этой проблемой многие годы и был обойден заслуженной им славой по своей вине.
Слава, таким образом, пришла к Майклу Фарадею, чье имя увековечено в двух физических единицах, что крайне редко: единица электролитической емкости – «фарада» - и число, определяющее величину электрического заряда в электролите, переносящего одну грамм-молекулу вещества, - «число Фарадея».

Было еще одно обстоятельство, которое способствовало тому, что легко и просто донесло до читателей (естественно, ученых) суть изложенного Фарадеем материала. Он много внимания уделил тому, чтобы статья читалась легко, была привлекательной по стилю.

К сожалению, не только наши ученые иногда присылают «вымученные» статьи, которые вряд ли заинтересуют кого-либо. Вот исторический пример.

Когда Гельмгольц свою статью о скорости распространения нервного возбуждения направил для рассмотрения товарищу, Дюбуа Реймон ответил:

«Твоя работа – я это говорю с гордостью и горечью – здесь в Берлине понята и оценена только мною. Ты изложил сущность дела (не обижайся на меня) так непоследовательно и туманно, что твоя работа может служить лишь пособием к разгадке метода исследования».

Гельмгольц учел критику друга и впоследствии не раз переписывал статьи, чтобы довести их до совершенства.

Долгое время ученым не удавалось обнаружить связь между магнитным полем и электрическим током. Именно движущийся магнит, или меняющееся во времени магнитное поле, может возбудить электрический ток в катушке.

Эту же задачу решал в то же самое время швейцарский физик Колладон. Чтобы магнит не воздействовал на стрелку гальванометра, концы катушки, в которую Колладон вдвигал магнит, он вывел в другую комнату, куда ему приходилось выходить для проведения эксперимента. Но, вставив магнит в катушку, перейдя в другую комнату, он убеждался, что стрелка «мертва». Так было утеряно великое открытие. И в этом случае Фарадею «повезло». В течение одного месяца он, ставя опыты, сделал целый ряд открытий особенностей электромагнитной индукции.

Благодаря блестящему таланту и великому трудолюбию М.Фарадей сделал так много открытий, изменивших человеческую жизнь. В этом его великая заслуга и роль.

Трудно удержаться от перечисления всех великих открытий Фарадея. Здесь и диа- и парамагнетизм, и вращение плоскости поляризации света в магнитном поле, и магнитная анизотропия, и постановка вопроса о влиянии магнитного поля па излучение, и исследование электрического разряда в газе и многое другое. Но совершенно невозможно не упомянуть еще об одной стороне деятельности Фарадея - стремлении доводить результаты научных исследований до применения их на практике.