https://slon.ru/posts/59156
Майкл Фарадей: как человек подчинил электричество
6 ноября, 13:32
Советник руководителя Аналитического центра при Правительстве РФ
Предмет этого очерка – работы Майкла Фарадея (1791–1867) в области теории и практики электромагнетизма. Физик и химик Фарадей вошел в историю как первооткрыватель электромагнитной индукции, создатель первого функционирующего электродвигателя и автор физического понятия «поле».
Жизнь Фарадея очень обстоятельно документирована и его перепиской и дневниками, и свидетельствами современников; и это изобилие создает источниковедческие проблемы: сложно различить, что достоверно, а что нет. Свидетельства разных лиц часто различаются, и отличить прямые факты биографии от известий понаслышке, приукрашивания фактов, вдохновляющих сочинений и просто сплетен достаточно сложно. Авторы биографий Фарадея часто передают сомнительные сообщения со ссылками друг на друга, придавая им достоверность, и не исключено, что и в этом очерке могут оказаться такие эпизоды. Нередко только детальный анализ документов и контекста позволяет признать сомнительным эпизод, достоверность которого ранее не ставилась под сомнение.
Классический пример – одна из наиболее популярных биографических легенд о налоге на динамо-машины. Премьер-министр Великобритании Роберт Пил (в орфографии XIX века Пиль) осматривал динамо-машину Фарадея. По окончании политик спросил ученого, на что годится его открытие. «Не знаю, на что оно годится, – якобы ответил Фарадей, – но готов биться об заклад, что правительство будет когда-нибудь брать с этого налоги» (Цит. по: Fisher, David E. A Race on the Edge of Time: Radar – The Decisive Weapon of World War II. 1987).
Анекдот про «налоги с динамо-машин» не находит подтверждения в документах Фарадея. По-видимому, он был изначально сочинен не для иллюстрации того, что Фарадей провидел практическое применение своих трудов, а для критики именем и авторитетом ведущего ученого Британии косвенных налогов Британии, бывших основой государственного бюджета много столетий. В зрелом возрасте Фарадей регулярно участвовал в различных публичных проектах, имевших мало отношения к его научным интересам, – от инспекции маяков до контроля загрязнения воды в Темзе. А Пил два раза за свою долгую политическую карьеру реформировал налоговую систему, вводя подоходный налог, и со второй реформы (закон о подоходном налоге 1847 года) подоходный налог взимается в Британии постоянно. Налоговые инновации Нового и Новейшего времени интересны сами по себе, и, говоря о Фарадее, мы укажем лишь, что именно косвенные налоги повлияли на начало его карьеры.
С 1712 года газеты в Британии облагались налогом полпенни на пол-листа и пенни на лист, в 1802 году налог был увеличен до трех пенсов, а в 1815 году до четырех пенсов – при цене самой газеты от двух до четырех пенсов. Целью этого налога, как было прямо сказано в законе о гербовом сборе 1819 года (60 Geo. III & 1 Geo. IV c. 9), было не только пополнение казны, но и пресечение «возбуждения ненависти и презрения к правительству и святой религии». Сперва налоги повышались для борьбы с пронаполеоновскими симпатиями, затем – для удушения собственных прогрессистов и диссидентов после «манчестерской бойни» (16 августа 1819 года митинг за всеобщее избирательное право был разогнан вооруженными гусарами, в результате 15 митингующих было убито и несколько сотен ранено). Дискриминационные налоги привели к тому, что многие газеты стали выходить без уплаты гербового сбора и распространяться по модели аренды – читатели брали газету в поденную аренду, ежедневно возвращая экземпляры. Именно такую работу и получил юный Майкл Фарадей в октябре 1805 года у книготорговца Жоржа Рибо.
А Рибо, в свой черед, дал место именно Фарадею, поскольку Фарадей родился и рос в семье членов протестантской секты сандеманиан. Эта уже не существующая крошечная секта отпала от Шотландской пресвитерианской церкви и состояла из нескольких семей, которых объединял стоицизм и суровый нравственный ригоризм. Советские биографы Фарадея из атеистических соображений обходили эту сторону его жизни почти целиком, и поэтому им приходилось игнорировать или выдумывать мотивы множества событий его долгой жизни (Радовский М.И. Фарадей. – М., 1932). Почему Фарадей отказался от рыцарского звания и от избрания главой Королевского общества? Почему он жил скромно на грани бедности? Почему он всю жизнь проработал на одном месте, в Королевском институте, где начал карьеру с лаборанта? Все эти решения исходили из морально-духовных принципов Фарадея. Первый шаг к ученой карьере и славе он сделал тоже благодаря тому, что Рибо и все окружающие знали: сандеманианин будет верно и тщательно исполнять свои обязанности, не пропустит ничего и не украдет ни пенни. Для подписки на левые газеты, где единственный упущенный экземпляр мог привести к серьезному штрафу, эти черты личности Фарадея были критически важны.
Попутно отметим, что англоязычные биографии Фарадея часто сообщают, что в зрелом возрасте Фарадей был якобы исключен из старост общины сандеманиан за то, что в воскресенье вместо церкви пошел на ланч к королеве Виктории. Только в конце XX века видный популяризатор науки Джон Гриббин, изучив источники Букингемского дворца и архивы церкви сандеманиан, пришел к выводу, что эта история маскирует раскол в крошечной общине (вместе с Фарадеем церковным репрессиям подверглись еще 19 человек), а ланча во дворце никогда не было (Gribbin, John, Gribbin, Mary. Faraday in 90 Minutes. Constable and Robinson, 1997).
Майкл Фарадей, читающий рождественскую лекцию в Королевском институте. Фрагмент литографии
В течение семи лет ученичества у Рибо Фарадей освоил переплетное дело и занимался научным самообразованием, чему способствовал доступ к книгам в магазине. К умению переплетать книги Фарадей часто прибегал впоследствии: его архивы сохранились в сделанных им самим переплетах, сообщается, что он переплел свой первый учебник по химии пополам с чистыми листами, чтобы иметь место для записей. Переплетное дело позволило ему в конечном итоге попасть на работу к Хэмфри Дэви (1778–1829), одному из первых электрохимиков в истории. Произошло это в начале 1813 года, вскоре после окончания ученичества у Рибо. К этому времени Фарадей уже имел за плечами занятия в лектории Городского философского общества и опыт самостоятельных химических и физических экспериментов. Фарадей посетил четыре лекции Дэви, сделал качественный конспект и переплел его в хорошую обложку. Эта работа через влиятельных знакомых попала к Дэви. Так Фарадей получил приглашение на собеседование, затем временную работу на период, пока Дэви лечил химический ожог глаз, а после этого и вакансию лаборанта в Королевском институте, где Дэви читал свои лекции (по другой версии, конспект обеспечил Фарадею приглашение на постоянную работу после временной). Так Дэви стал, как мы сказали бы сейчас, «научным руководителем» Фарадея.
История Дэви и Королевского института каждая сама по себе может быть предметом отдельного очерка, поэтому их характеристика здесь будет краткой. Королевский институт, несмотря на громкое имя, был частным научным лекторием, основанным в конце XVIII века. Дэви, начинавший как один из лекторов, к этому времени был главной звездой Королевского института и обеспечивал ему высокую посещаемость. Лондонские сплетни, отразившиеся и в карикатурах той эпохи, утверждали, что половину аудитории составляли дамы, которых привлекала не наука, а красноречие и красивая внешность Дэви. Крайне популярны были и эксперименты и вечеринки с «веселящим газом» (закисью азота), также любимые карикатуристами. Дэви не открывал закись азота, но первым обнаружил ее психотропные и анестезирующие свойства и сам употреблял «веселящий газ» в больших количествах как для опытов, так и для удовольствия, подробно описывая свои ощущения (Jay, Michael. «O, Excellent Air Bag»: Humphry Davy and Nitrous Oxide. The Public Domain Review, 2014.). Параллельно с медийной славой и тем, что в будущем создатель экстази А.Ф. Шульгин назовет «психоделическими трипами», Дэви занимался электрохимией (в терминологии эпохи – гальванизмом), открыв только в 1807–1808 годах несколько новых химических элементов (в том числе натрий, калий, кальций, магний и барий).
Отношения Фарадея и Дэви складывались непросто. Вскоре после того, как Фарадей попал к Дэви на работу, Дэви отправился в научную поездку по Европе (1813–1815). Хотя Франция была в состоянии войны с Британией, Дэви получил разрешение на путешествие, так как был в свое время награжден Наполеоном медалью за научные исследования. В ходе этого путешествия Дэви, и с ним Фарадей, встретились со многими научными светилами эпохи, включая Ж.-Л. Гей-Люссака и А. Вольта. Дэви и Гей-Люссак, в частности, совместно исследовали кристаллический йод, обнаруженный Б. Куртуа, и признали его новым элементом (продолжительный спор Гей-Люссака и Дэви о приоритете сейчас решен в пользу Куртуа). Впоследствии Фарадей вспоминал, что это путешествие радикально расширило его кругозор и понимание современной науки. Группа вернулась в Англию досрочно, оказавшись в Брюсселе во время «ста дней Наполеона» и беспокоясь за свою безопасность (небезосновательно, так как генеральное сражении при Ватерлоо, в котором Наполеон потерпел окончательное поражение, прошло вблизи от Брюсселя).
В ходе путешествия Фарадей испытывал серьезное давление из-за своего низкого социального происхождения и служебного статуса. «Классовые» категории были неформальными, но достаточно жесткими. Время их появления точно неизвестно, но уже в начале XIX века в обществе Британии признавалось разделение на «высший класс» – земельную и личную аристократию, «средний класс» – собственников предприятий, купечества и лиц «свободных профессий» (в основном докторов и юристов) и «низший класс», или «рабочий класс» – лиц, работающих по найму. Классовые различия в Британии XIX века настолько ярко проявляли себя в социальных отношениях, что Карл Маркс, наблюдая ранневикторианское общество, использует британские термины для создания своей теории «классовой борьбы», распространив ее на все общества мира.
Фарадей по рождению был из «низшего класса», Дэви – из «среднего», но вошел в «высший» в 1812 году, когда принц-регент Георг IV дал ему рыцарский титул баронета (баронет – младший наследный аристократический ранг, не дающий места в палате лордов). Это был один из первых актов регента и, возможно, первый прецедент возведения в рыцари за научные заслуги. Сразу после получения рыцарского звания Дэви женился на хозяйке известного литературного салона, богатой вдове Джейн Эприс. Леди Джейн Дэви была купеческой дочерью, чей первый муж умер, оставив ей состояние, но не успев унаследовать титул баронета. Накануне поездки камердинер Дэви уволился, не желая ехать во Францию, и Дэви взял Фарадея временным камердинером, планируя нанять постоянного в Париже. Но как известно, нет ничего постояннее временного. По неизвестной причине Дэви так и не нанял нового камердинера, и Фарадей наряду с научными обязанностями прислуживал Дэви все время путешествия. Леди Дэви, получив вожделенный титул, при каждой возможности демонстрировала свой ранг и указывала Фарадею на его «подобающее место» прислуги. Дэви, по-видимому, тоже иногда подчеркивал социальную дистанцию между собой и Фарадеем. Обстановка в семействе была непростой и помимо этого: у обоих супругов был взрывной темперамент, и жили они, по замечанию знавшего их Вальтера Скотта, «как кошка с собакой». Фарадей переносил унижения смиренно, но по его переписке заметно, что он сильно переживал по этому поводу, вплоть до мыслей об увольнении.
В 1815–1821 годах Фарадей работал под руководством Дэви, преимущественно над химическими задачами. Из проектов этого периода наиболее интересно его участие в работе над «лампой Дэви» – безопасной шахтной лампой. Это одно из немногих изобретений начала XIX века, которое производится до сих пор. Дэви взялся за этот проект по просьбе шотландских друзей, обративших его внимание на крупный взрыв «рудничного газа» в угольной шахте, от которого погибло 92 шахтера, многие из которых были подростками. «Рудничный газ» незадолго до этого был определен как в основном метан Дж. Дальтоном. Первый доклад Дэви в Королевском обществе по этому проекту относится уже к декабрю 1815 года, а доработка проекта шла до 1818 года.
«Лампа Дэви» состояла из фитиля, заключенного в кожух из металлической сетки. Кожух пропускал свет, рассеивал избыточное тепло и блокировал распространение взрывной волны. По мере роста содержания метана в воздухе лампа начинала гореть синим светом и издавать хлопки от микровзрывов метана. Лампа также угасала по мере роста содержания углекислого газа, предотвращая риск потери сознания шахтерами (Meurig Thomas, John. Sir Humphry Davy and the coal miners of the world: a commentary on Davy (1816) «An account of an invention for giving light in explosive mixtures of fire-damp in coal mines» 6 March 2015. Phil. Trans. R. Soc. A 2015 373 20140288; DOI: 10.1098/rsta.2014.0288). Практически одновременно (в ноябре 1815 г.) лампу собственного дизайна «Джорджи» представил будущий изобретатель паровоза Джордж Стефенсон; Дэви много лет обвинял его в плагиате, хотя многочисленные комиссии признали оригинальность обоих изобретений (лампа «Джорджи» имела стеклянный кожух).
«Лампа Дэви» спасла много жизней, хотя на первом этапе спровоцировала ряд катастроф – шахтеры начали продвигаться в ранее опасные галереи, и кожух, перегреваясь, иногда провоцировал катастрофические взрывы. Лампа «Джорджи» также много лет применялась в Шотландии, но до появления небьющегося закаленного стекла ее кожух также создавал риск взрыва, если разбивался. Только спустя много десятилетий эти лампы вытеснило электрическое освещение, которое сделал возможным Фарадей. А в этом периоде своей жизни Фарадей работал над экспериментами с горением метана, и отчеты Дэви указывают на его роль и вклад в решение проблемы. Сам Фарадей с особой гордостью отмечал, что создание лампы было не случайной находкой, а результатом множества экспериментов и применения «научного метода». По этой же причине Дэви критиковал Стефенсона, отказываясь признать, что малообразованный механик из Шотландии мог показать результат, равный полученному «научным методом».
Чувствительность Дэви к плагиату сыграла значительную роль и в отношении к первому значительному открытию Фарадея.
В 1820 году датчанин Ханс Эрстед (также видный представитель уже известного нам по Гумбольдту «романтического» направления в континентальной науке) разослал европейским коллегам латинскую брошюру с описанием опыта, демонстрировавшего вращение стрелки компаса под воздействием проводника, подключенного к вольтову столбу. Иногда сообщается, что Эрстед обнаружил этот эффект случайно во время лекции, но исследование лабораторного журнала Эрстеда показывает, что Эрстед в течение нескольких месяцев исследовал множество конфигураций проводников и стрелки, пока не обнаружил положение, в котором проводник создавал наиболее значительное отклонение стрелки (Martins, Roberto de Andrade. Resistance to the discovery of electromagnetism: Ørsted and the symmetry of the magnetic field. In: Bevilacqua, Fabio, Giannetto, Enrico (eds.), Volta and the History of Electricity, Pavia / Milano, 2003).
Современные описания опыта Эрстеда употребляют выражение «магнитное поле проводника», но это анахронизм, так как концепцию «поля» создал именно Фарадей по итогам многолетних экспериментальных работ и до «уравнений Максвелла» (1861) электромагнитное поле не было признано как единое. Эффект от воздействия проводника на магнитную стрелку наблюдал еще в 1802 году итальянец Джандоменико Романьоси, но тогда его отнесли на действие электростатических сил (Martins, Roberto de Andrade. Romagnosi and Volta’s pile: early difficulties in the interpretation of Voltaic electricity. In: Bevilacqua, Fabio, Giannetto, Enrico (eds.), Nuova Voltiana: Studies on Volta and his Times, Pavia / Milano, 2001). Эрстед зафиксировал феномен, понимание которого и им, и его коллегами по всей Европе было еще очень далеко от современного. Электрический «ток» с XVIII века понимался как «флюид», невидимая и невесомая «жидкость», которая «течет» по проводнику, и потребовалось пройти через кризис классической физики и создание физики элементарных частиц, чтобы понять уже в первой половине XX века физическую природу электричества. Наблюдать феномен и осознавать его природу – это разные вещи. Заслуга Эрстеда в том, что он подтвердил магнитную природу воздействия проводника под электрическим током на стрелку компаса.
С этого момента электромагнетизм стал модной темой исследований у европейских натурфилософов. Термин «натурфилософия» в этот период объединял физику, химию, медицину и другие науки о физическом мире, в середине XIX века его вытеснил термин «естественные науки». В том же 1820 году Андре-Мари Ампер продемонстрировал магнитное взаимодействие двух параллельных проводников.
В апреле 1821 года первооткрыватель платиновой металлургии и платиноидов палладия и родия Уильям Уоллестон (в транскрипции XIX века – Волластон) высказал гипотезу, что эффект Эрстеда обратим и проводник можно заставить вращаться в магнитном поле. Уоллестон полагал, что ток движется по проводнику по спирали, что и создает движущий эффект. Уоллестон обратился к Дэви с просьбой помочь ему поставить в Королевском институте эксперименты для проверки этой гипотезы. Фарадей не принимал участия в постановке этих экспериментов, но в обсуждении результатов участвовал.
Осенью того же 1821 года Фарадей писал для журнала «Анналы философии» обзор положения дел в электромагнетизме и воспроизводил для проверки эксперименты, о которых писал. В результате этих библиографических работ Фарадей пришел к мысли о том, что проводник и магнит стремятся занять положение под прямым углом друг к другу, и для демонстрации эффекта поместил проводящий стержень на подвесе в чашу с ртутью (служившей жидким проводником), в центре которой находился постоянный магнит. Включение тока начинало вращать проводник вокруг магнита. Так был создан первый электродвигатель в истории (использовавший постоянный ток).
В последующей публикации Фарадей сделал серьезную ошибку – не упомянул ни Уоллестона, ни Дэви. Уоллестон, по-видимому, не придал этому серьезного значения, принял письменные объяснения Фарадея любезно и в 1823 году номинировал его в члены Королевского общества. А вот Дэви, который в 1820 года сменил Уоллестона на посту председателя Королевского общества, был возмущен произошедшим. Современники расходятся, подвергал ли Дэви Фарадея публичной критике за плагиат; по крайней мере письменные отчеты Королевского общества таких высказываний Дэви не сохранили. Но, судя по всему, Дэви резко высказывал Фарадею претензии к его ученой этике и в лицо, и за глаза. Спустя годы Фарадей сообщал, что Дэви предлагал ему снять свою кандидатуру в члены Королевского общества и даже обещал в случае отказа сделать это председательской властью, но, по-видимому, правила не позволяли снять кандидатуру ни кандидату, ни председателю. Фарадей был избран в члены в январе 1824 года почти единогласно, и многие источники утверждают, что единственный «черный шар» подал именно Дэви.
Часто встречается утверждение, что резкая критика Дэви была причиной того, почему Фарадей прекратил эксперименты в области электромагнетизма до смерти Дэви. Но более разумно предположить, что Фарадей не находил дальнейших путей развития темы электромагнетизма – периодические опыты в этой области он проводил, например, в 1825 году. Дэви, со своей стороны, не только не предпринял попыток как-то наказать или ограничить своего ученика, но, наоборот, организовал ему в 1825 году повышение до директора лаборатории Королевского института.
На новом посту Фарадей осуществил целый ряд проектов, учредив в том числе Пятничные беседы о науке, которые проводятся с тех пор в Королевском институте непрерывно и стали одной из самых престижных лекционных серий мира. Благодаря этим и другим проектам (в частности, детскому лекторию, из которого выросла знаменитая научно-популярная книга Фарадея «История свечи») Королевский институт, с уходом Дэви медленно терявший посещаемость и деньги, снова вернулся к безубыточности. В научном отношении 1820-е годы для Фарадея тоже были достаточно продуктивными – в частности, в это время он открыл бензол.
Сам Дэви быстро терял здоровье и силы и в 1827 году уехал поправлять здоровье в Европу после перенесенного удара (вероятно, инсульта), где и умер. Биографии Дэви приписывают ему предсмертное высказывание: «Моим лучшим открытием был Фарадей»; достоверность этого известия неочевидна.
В 1830 году Чарльз Бэббидж, к этому времени уже создатель «дифференциальной машины» (первого аналогового компьютера в истории) и глава Лукасовской кафедры в Кембридже, начал кампанию по борьбе за переизбрание с поста председателя Королевского общества депутата парламента Дэвиса Гилберта, которого он обвинял в том, что Королевское общество стало превращаться в «клуб джентльменов» и критерии членства упали. По названию эссе Бэббиджа «Размышления об упадке науки в Англии и о некоторых причинах этого» (Babbage, Charles. Reflections on the Decline of Science in England, and on Some of Its Causes. London: B. Fellowes, 1830) его сторонники получили имя «упадочники» (Declinarians, от decline – «упадок»). Упадочники добились отставки Гилберта, на его место был избран сын короля, принц Август Фридрих. Принц был главой Великой масонской ложи Англии, его связи с наукой исчерпывались любительской гебраистикой (изучением языка и культуры евреев библейского периода). Но при этом он был способным администратором и организатором и навел некоторый порядок в финансах и организации Королевского общества (Boas Hall, Marie. The Library and Archives of the Royal Society. 1660–1990. The Royal Society, 1992). Но все-таки нельзя не заметить иронию истории: одновременно с возмущением Бэббиджа упадком науки в Британии Фарадей заканчивал работу над одним из крупнейших открытий в истории человечества – явлением электромагнитной индукции.
Открытие Фарадея сделали возможными два ключевых шага: изобретение электромагнита Уильямом Стерджоном в 1824 году и опыт Франсуа Араго с медным диском, вращающимся в магнитном поле. Электромагнит Стерджона был вполне современного типа – он состоял из железного сердечника с медной обмоткой. Араго продемонстрировал то, что он назвал «магнетизмом вращения» – медный диск, будучи немагнитным материалом, при вращении отклонял магнитную стрелку. Араго считал, что вращение создает собственный магнетизм; после опытов Фарадея явление получило современное объяснение – в металле возникали вихревые токи (токи Фуко), создававшие вторичное магнитное поле.
29 августа 1831 года Фарадей провел первый опыт, показавший существование электромагнитной индукции. Установка, которая сейчас экспонируется в музее Королевского института, состояла из кольцевого сердечника с двумя обмотками на противоположных сторонах. На одну обмотку подавался ток, создававший магнетизм, который должен был, по замыслу Фарадея, возбудить электрический ток в другой обмотке, подключенной к гальванометру. По сути, Фарадей собрал принципиальную схему современного трансформатора. Часто повторяемая биографическая легенда гласит, что Фарадей счел, что схема неработоспособна и только случайно заметил рывки стрелки в одну сторону при замыкании цепи и в другую при размыкании. Но отчет Фарадея об этом эксперименте говорит, что воздействие нарастало и сокращалось постепенно и наблюдалось им целенаправленно. Как и в случае с Эрстедом, художественный вымысел затушевывает кропотливый целеустремленный труд – и много неудачных промежуточных попыток.
Следующий успешный опыт реконструируется в окончательном виде как катушка-соленоид, в которую вдвигался и выдвигался электромагнит. Во время движения магнита под током в соленоиде возникал электрический ток. Эта установка, демонстрируемая в школах на уроках физики, на самом деле состояла из серии последовательных опытных приближений, в ходе которых Фарадею стало ясно, что сердечники и катушки не обязательно должны быть проводящими. И наконец, 28 октября 1831 года Фарадей создает на базе установки Араго «динамо-машину». В машине Фарадея проводящий диск из меди вращался между полюсами постоянного магнита. К диску Фарадей подвел щетки-токосниматели в виде гибких проводящих пластин – это, по-видимому, были первые токосниматели в истории. Вращение диска создавало на проводниках электрический ток – Фарадей создал первый электрогенератор (униполярный, постоянного тока). Задача «превратить магнетизм в электричество», записанная Фарадеем в лабораторный дневник еще в 1822 году, была решена.
Открытие индукции сделало Фарадея научной знаменитостью. В 1832 году Королевское общество вручило ему медаль Копли, и это была первая из числа многих научных почестей, полученных Фарадеем. От светских он отказывался, к денежным не стремился, жил небогато и до конца жизни проработал в Королевском институте (с большими перерывами на восстановление все более ухудшавшегося здоровья).
После открытия индукции Фарадей вел работы в целом ряде направлений, добившись еще большого количества результатов сопоставимого масштаба (результаты всех этих исследований сведены в многотомный сборник «Экспериментальные исследования электричества»). В 1832–1835 годах Фарадей показал единство всех видов электричества: статического, гальванического, животного, постоянного тока от своей машины. В 1834 году он описал законы электролиза, показывающие зависимость массы от заряда (константа Фарадея получила свое имя по этим исследованиям). Иногда Фарадею приписывают термины «анод», «катод» и «электрод», но эти термины не принадлежат Фарадею, популярными их сделала только его работа. В 1843 году Фарадей в эксперименте с ведерком для льда показал способ экранирования электрического поля (тогда еще не «поля»), который с тех пор носит название «клетка Фарадея». Наконец, в 1845 году Фарадей обнаружил диамагнетизм (свойство материалов отталкиваться от магнита) и экспериментально показал электромагнитную природу света, изменив плоскость поляризации света при прохождении через оптически неактивное вещество в магнитном поле.
Весь этот комплекс экспериментов, подтвердивших славу Фарадея как величайшего физика-экспериментатора своего времени, был объединен попыткой Фарадея на опыте понять природу обнаруженного им единства электричества и магнетизма. Начиная с 1832 года в бумагах Фарадея все чаще появляются слова «силовые линии», и в 1844–1845 годах на Пятничных беседах Фарадей впервые начинает говорить о том, что материя может быть представлена не как однородная среда-эфир, а как пустота, в которой пересекаются силовые линии, и атомы являются узлами этих линий, а свет движется по ним. Фарадей также предположил, что это поле распространяется не мгновенно, а с конечной скоростью. Одной из последних работ Фарадея была статья 1852 года «О физическом характере линий магнитной силы», где он оперирует термином «поле», рассматривая его как физическую реальность (McMullin, Ernan. The Origins of the Field Concept in Physics. Phys. perspect. 4, 2002).
Фарадей прожил после этого еще 15 лет, но постепенно терял память и ясность мысли. По-видимому, накануне потери работоспособности он узнал о работах Джеймса Максвелла и смог оценить его достижения – первый доклад Максвелла в Королевском обществе «О силовых линиях Фарадея», где изложены математические способы их выражения, был сделан в 1855 году, а их известная переписка восходит к 1857 году (Forbes, Nancy, Mahon, Basil. Faraday, Maxwell, and the Electromagnetic Field: How Two Men Revolutionized Physics. Prometheus Books, 2014). А вот теорию своего младшего современника Уильяма Томпсона-Кельвина об атомах как «вихрях эфира» он застать не успел. Она была создана уже в 1870-е годы, хотя очевидно, что Томпсон также развивал идеи Фарадея (но, возможно, не в том направлении, которое бы одобрил Фарадей). Теория Кельвина, как известно, не пережила «кризиса классической физики», но сделала его возможной. Альберт Эйнштейн, чьими усилиями это произошло, считал Фарадея своим главным вдохновителем.
В другом направлении от Фарадея развивались практические приложения электромагнитной индукции. Уже в 1832 году Ипполит Пикси во Франции создал первый генератор переменного тока. В 1834 году Мориц-Герман (Борис Семенович) Якоби в Кенигсберге создал первый электромотор с вращающимся валом, а в 1838 году, используя опять-таки открытия Фарадея, создает практическую гальванопластику (создание методом осаждения полых объектов). Гальванопластика Якоби была очень скоро использована в строительстве Исаакиевского собора – стоящие под его куполом 12 золотых статуй обвалили бы купол, будь они цельными, но они пустые изнутри, так как изготовлены в гальванических ваннах Якоби. В 1870 году машина Зеноба Теофила Грамма стала первым двусторонним устройством, способным преобразовывать ток в движение, а движение в ток. Конструкция «машины Грамма» позволила создать первые промышленные генераторы тока, и ее схема лежит в основе всех современных генераторов. На базе «машины Грамма» Никола Тесла в 1882–1887 годах создал свой «индукционный мотор», благодаря которому человечество сейчас массово пользуется переменным током. Так из исследований Фарадея выросла «вторая промышленная революция», или «век электричества», как иногда называют эпоху использования электричества как основного средства передачи и преобразования энергии.
Борис Якоби
Эксперименты Фарадея, призванные постичь фундаментальное единство электромагнитного поля, дали множество побегов. Попытка написать очерк о Фарадее, ни разу не употребив слово «поле», это хорошо показывает: мы привыкли мыслить концепциями, созданными Фарадеем, и выйти за них нам очень трудно – других слов для электромагнитных явлений у нас нет. Результаты трудов Фарадея окружают нас повсеместно – и не только в электромоторах всюду, от транспорта до стиральных машин, и в проводах, которые приводят в действие эти моторы, дают свет и питают компьютеры и смартфоны, на которых отображается этот текст. Новейшие «беспроводные зарядки» используют электромагнитную индукцию. Бесконтактные банковские карты и пропуска – индукционные. Под мостовыми в развитых странах лежат индуктивные элементы, фиксирующие интенсивность движения. Электромагнитная индукция служит для рекуперации энергии торможения в гибридных автомобилях и электромобилях. Электромагнитные волны, которые переносят со скоростью света голос, записки, фотки и смайлики, тоже в основе своей восходят к открытиям Фарадея середины XIX века, ведь и они создаются средствами индукции.
Словом, последствия работы Фарадея сейчас всюду, куда ни посмотри. Из них растет не только наше понимание жизни и Вселенной, но и наш быт, промышленность и в целом вся наша современная цивилизация.
3539. Майкл Фарадей
Линейный вид
