Майкл Фарадей

Силы материи и их взаимодействия

Лекция V. Магнетизм. Электричество

Вспомните, что мы говорили о взаимном притяжении, или тяготении, всех тел при их приближении друг к другу. Вспомните о взаимном притяжении частиц в массах, притягивающих частицы железа к железу, меди к меди, воды к воде и т. д. Вспомните, далее, что в воде мы нашли частицы двух различных родов, притягивающие друг друга: это уже большой шаг вперед в познании притяжения и сцепления, потому что здесь мы имели дело с притяжением между различными частицами материи. Водород может притягивать кислород и, соединяясь с ним, образовывать воду, ко он не в состоянии притягивать какую-либо из своих собственных частиц. Таким образом, здесь мы имели первое указание на существование двух родов притяжения.

Сегодня мы рассмотрим притяжение еще более интересное, а именно притяжение, обладающее двойственной натурой. Прежде всего, я постараюсь разъяснить вам сущность этой двойственности. Иногда тела бывают наделены удивительным свойством притяжения, которого они не обнаруживают в обыкновенном состоянии. Вот, например, кусок сургуча, имеющий свойства притяжения, тяготения и сцепления; а когда я зажигаю его, то в нем обнаруживается и притяжение химического сродства к кислороду воздуха. Все эти силы мы находим в сургуче, как будто они составляли часть его вещества.

Но есть еще одно свойство сургуча — свойство, которое я постараюсь показать вам при помощи легкого гуттаперчевого пузыря, наполненного воздухом и висящего на нити. В настоящее время между шаром и сургучом нет никакого притяжения: может быть, шар колеблется под влиянием легкого ветра в комнате, но он не притягивается сургучом.

Если же я потру сургуч куском фланели, поднеся его близко к шару, то вы увидите, что в сургуче только вследствие трения его о фланель возбуждена сила притяжения, прежде не проявлявшаяся в нем. Вы видите, как он притягивает шар. Притяжение это я легко могу уничтожить, как и возбудить. Для этого мне стоит только провести сургучом по моей руке.

Я повторяю опыт, возбуждаю притяжение в сургуче посредством трения и вновь уничтожаю его, проведя по моей руке. Вы увидите, что тот же опыт можно повторить и с другими телами. Например, я возьму стеклянную палку и потру ее шелковой тряпкой, покрытой веществом, которое называется амальгамой. Оказывается, и в стекле будет возбуждено притяжение. Смотрите, как палка притягивает к себе шар: в стекле, как и в сургуче, я легко могу уничтожить это притяжение, слегка проведя палкой по моей руке, и также снова возбудить его трением о шелк.

Перейдем теперь к другому явлению. Я возьму кусок сургуча и посредством трения возбужу в нем притягательную силу. Вы помните, что всякий раз, когда мы имели дело с притяжением тяготения, химического сродства, сцепления или (как в данном случае) электричества, всегда притягивающее тело само в свою очередь притягивается другим телом: шар притягивается сургучом, но и сургуч в свою очередь притягивается шаром. Теперь я повешу кусок натертого фланелью сургуча в бумажном стремени (рис. 33) так, чтобы его движение сделать более свободным; затем я возьму другой кусок сургуча, также потру его фланелью и приближу к первому.

Казалось бы, что они должны притягивать друг друга, но смотрите, что происходит. Они не только не притягиваются, а, напротив того, очень сильно отталкиваются друг от друга, и я могу таким образом заставить подвижной кусок сургуча вертеться сколько мне угодно. Мы видим, что эти два куска сургуча, каждый из которых одарен в такой значительной степени способностью притяжения, отталкивают друг друга, и притом с такой силой, что заставляют тяжелый кусок сургуча вертеться несколько раз сряду.

Но как вы думаете, что произойдет, если в куске сургуча возбудить электричество, и приблизить к смоле кусок стекла, потертого шелком? Я приближаю возбужденное стекло к возбужденному сургучу. Вы видите, что они сильно притягивают друг друга. Следовательно, между этими двумя родами притяжения есть некое различие. Здесь имеются два рода притяжения, совершенно отличные от всего того, что мы до сих пор видели; однако сила, действующая в обоих случаях, одна и та же. Таким образом, мы имеем здесь двойственную силу: силу притяжения и отталкивания.

Я покажу вам еще один опыт, который должен помочь вам уяснить себе это. Я устанавливаю грубый указатель, т. е. возбужденный сургуч, висящий опять в стремени: этот указатель груб, но для моей цели он достаточно чувствителен. Беру теперь другой кусок сургуча и уничтожаю в нем эту силу, легонько проводя им по моей руке; затем я беру тщательно высушенный и сшитый в форме шапочки кусок фланели (рис. 34); вставл5по сургуч в эту шапочку и буду тереть сургуч и фланель друг о друга, что легко сделать, вертя палку сургуча, вставленную в шапочку. Я оставляю шапочку на сургуче и вместе приближаю их к нашему указателю. Посмотрим теперь, какова же будет наша притягательная сила.

Никакой силы нет! Но теперь я опять вынимаю сургуч из фланелевой шапочки и посмотрю, как же они будут вести себя порознь. Вы видите, что сургуч так же, как и прежде, отталкивает указатель, а шапочка получила способность притягивать его; однако когда я соединяю их вместе, притяжение перестает действовать. Я повторяю опыт, и вы еще раз видите, что притяжение в последнем случае действительно исчезает. Таким образом, мы ясно видим, что сургуч и фланелевая шапочка отдельно друг от друга действуют на указатель, но, будучи соединены вместе, перестают на него действовать.

Для начала этого будет достаточно, чтобы дать понятие о характере силы, называемой электричеством. Силу эту вы можете возбудить в огромном числе предметов. Для этой цели можно взять хотя бы небольшую палку сургуча и устроить следующего рода указатель (рис. 35).

На часовое стекло или непосредственно на часы (нужно иметь только какое-нибудь тело с выпуклой поверхностью) надо положить кусок плоского стекла; вы получите довольно подвижный центр. Теперь я беру эту плоскую рейку и кладу ее на плоское стекло.

Я ищу центр тяжести рейки, которую мне нужно уравновесить на часовом стекле так, чтобы рейка весьма легко вращалась около центра часового стекла. Теперь я возьму кусок сургуча, потру его о мою одежду и попробую, имеет ли он притягательную способность, для чего держу его близ рейки. Вы видите, как сильно рейка притягивается сургучом: я даже могу вращать рейку около центра благо даря притяжению сургуча.

Таким образом, получился прекрасный указатель: ведь небольшим куском сургуча, потертым о полу моего сюртука, я смог повернуть рейку. Для обнаружения электрического притяжения можно придумать множество различного рода указателей. Почти нет тела, которого вы не могли бы употребить для этой цели. Вот, например, я сгибаю в обруч полоску бумаги (рис. 36) и получаю указатель, лучше которого нечего и желать; смотрите, как он катится вслед за сургучом. Если сделать его меньше, то он, разумеется, будет катиться скорее; иногда он даже притягивается сургучом вверх на воздух. Возьмем небольшой шарик из коллодиума. Он до такой степени наэлектризовывается, что его с трудом можно отделить от моей руки, он отстанет от нее разве для того, чтобы прилипнуть к другой руке. Смотрите, как сильно в нем электричество; почти нет возможности прикоснуться к нему, не возбуждая в нем этой силы. А вот другое тело, резина, нарезанная тонкими полосками. Удивительно, как сильно можете вы ее наэлектризовать путем трения в руках.

Итак, вы ясно видите, что есть два рода электричества, из которых одно получается трением сургуча о фланель, а другое трением стекла о шелк.

В природе существуют замечательные тела, называемые магнитами; два образчика их лежат здесь на столе.

Магнит представляет Собой род железной руды, значительное количество которой добывается в Швеции. Магниты одарены притяжением тяготения, сцепления, равно как и известным химическим притяжением; кроме того, они обладают еще сильной способностью притягивать некоторые другие тела. Этот ключ, например, поддерживается магнитом. Притяжение, действующее в этом случае, не есть ни притяжение химического сродства, ни притяжение сцепления, ни притяжение электричества (ведь камень не притягивает приближенного к нему резинового шара). Это притяжение совершенно особенного рода: оно двойственно по своим свойствам и, что еще более замечательно, оно не может быть легко уничтожена в одаренном им веществе, — оно существовало в этих камнях в продолжение веков, когда они лежали в недрах земли.

Мы можем приготовить и искусственные магниты. Завтра я приготовлю очень сильный искусственный магнит. Пока же возьмем один из готовых искусственных магнитов и постараемся узнать, в какой части его сосредоточена эта сила и двойственна ли она по своему характеру. Вы видите, что магнит притягивает два или три железных ключа один за другим; он притянет и очень большой кусок железа. Как видите, это притяжение совсем иное, нежели то, которое мы возбуждали в сургуче, ибо сургуч притягивал только легкий шарик, а магнит поднимает несколько золотников железа. И если мы рассмотрим повнимательнее это притяжение, то увидим, что оно имеет ряд других замечательных особенностей. Во-первых, мы видим, что концы магнитной полосы притягивают ключ (рис. 37), между тем как середина ее не обладает такой способностью. По-видимому, следовательно, не все вещества магнита одарены притягательной силой. Если я приставлю этот маленький ключ к середине полосы, то он к ней не пристает, однако, если приставить его немного ближе к концу ее, он пристает, хотя и слабо. Не замечательно ли, что в концах полосы есть притягательная сила, а в середине она отсутствует, и что в полосе есть два места, в которых как бы сосредоточена вся притягательная сила?

Я возьму полосу магнита, тщательно уравновешу ее на одной точке, на которой она могла бы свободно вращаться, и посмотрю, какое действие производит на полосу магнита кусок железа. Вы видите, что железо притягивает как один, так и другой концы ее, так точно, как действовали сургуч и стекло в прежних наших опытах, с той разницей, что железо не притягивает середины полосы. Но если вместо куска железа я возьму другой магнит и испробую таким же образом действие его на подвижную магнитную полосу, то вы увидите, что один из его концов отталкивает подвижной магнит; здесь, следовательно, действует уже не притяжение, а отталкивание. В то же время, если я возьму другой противоположный конец магнита и придвину его к тому же концу подвижного магнита, то он притянет этот магнит.

На другом опыте можно еще лучше увидеть это. Вот (рис. 38) небольшой магнит в виде иглы, концы которой окрашены различно, так что вы можете отличить их один от другого. Этот конец (S) магнита притягивается неокрашенным концом иглы, неокрашенный конец иглы следует за ним, когда я двигаю этот конец S по окружности круга. Вы видите, они притягиваются с большой силой. Но если я постепенно приближу середину магнитной полосы к неокрашенному концу иглы, то она не произведет на стрелку никакого действия, ни притяжения,, ни отталкивания.

Между тем, когда я приближаю противоположный конец полосы N к этому же концу стрелки, то окрашенный конец стрелки отталкивается. То же самое мы можем сделать с концами магнитной полосы и относительно другого конца магнитной стрелки. Мы и тут увидим, что один конец магнитной полосы притягивает конец стрелки, между тем как другой конец полосы его отталкивает. Следовательно, мы имеем здесь дело с двумя родами силы, действующими на разных концах магнита, или, вернее, с двойственной силой, уже заложенной в этих телах и проявляющейся в виде притяжения и отталкивания. Теперь, когда я буду употреблять слово магнетизм, вы уже будете знать, что таково название этой двойственной силы.

С помощью этого магнита вы можете изготовлять искусственные магниты. Вот искусственный магнит (рис. 39), оба конца которого соединены для того, чтобы увеличить производимое им впечатление. Этим магнитом можно приподнять кусок железа; более того, если на верхнюю часть этого магнита положить кусок железа, называемый якорем, то якорь с такой силой притягивается магнитом, что, взявшись; а его ручку, можно приподнять весь магнит. Если вы возьмете иглу и проведете одним концом ее по одному из концов магнита, а другим концом по другому, затем осторожно положите ее на воду (благодаря легкому слою жира, которым игла покрылась вследствие прикосновения ваших рук, она может плавать на воде), то, приближая к плавающей игле другую намагниченную иглу, вы сможете наблюдать все явления притяжения и отталкивания.

Заметьте, что хотя на этих магнитах я показал, что двойственная сила преимущественно обнаруживается на их концах, тем не менее, в проявлении этой силы участвует весь магнит. Сначала это покажется вам странным, и поэтому мне придется на опыте доказать, что это не случайность и что действительно вся масса магнита участвует в проявлении магнетизма, точно так же, как при падении тел сила тяготения действует во всей их массе.

Вот стальная полоса (рис. 40), которую я хочу намагнитить посредством трения о большой магнит (рис. 39).

Теперь оба конца полосы стали магнитными, причем характеры их противоположны. Покуда я не в состоянии отличить один конец полосы от другого, но сделать это легко. Вы видите, что, когда я приближаю полосу к магнитной стрелке (рис. 38), один конец ее притягивает, а другой отталкивает один и тот же конец стрелки; между тем как середина полосы не производит на стрелку никакого действия: она не может действовать потому, что находится на половине расстояния между обоими концами. Но теперь я выломаю из полосы кусок NS.

Посмотрите, как сильно один конец этого куска N притягивает конец стрелки (рис. 38) и как другой конец ее S отталкивает тот же конец стрелки. Таким образом, можно показать, что притягательная и отталкивающая сила содержится в каждой части магнита, но обнаруживается она только на концах магнита. Вы скоро поймете, как это происходит, но сейчас надо усвоить, что каждая часть взятой нами стальной полосы сама по себе есть магнит.

Вот здесь у меня в руках находится очень маленький кусочек, выломанный из самого центра полосы; как он ни мал, вы все же видите, что один конец его обладает притяжением, а другой отталкиванием. Ну, не замечательна ли эта сила!

Весьма удивительны средства, позволяющие заимствовать эту силу от одного тела и передавать ее другим. Я не могу сделать кусок железа или другого тела тяжелее или легче, чем он есть, подобно тому, как по природе своей всякое тело должно иметь и действительно имеет известную силу сцепления: силу же магнетизма мы можем придавать или отнимать и располагать ею почти по нашему произволу.

Теперь опять вернемся на короткое время к предмету, о котором мы говорили в начале этой лекции. Вы видите здесь большую машину (рис. 41), устроенную для того, чтобы тереть стекло о шелк и таким образом получать силу, называемую электричеством. При повороте рукоятки немедленно развивается известное количество электричества, что вы видите по движению вверх маленького соломенного указателя А. Отталкивание бузинного шарика на конце соломинки служит признаком того, что в этих медных проводниках В есть электричество.

Я хочу показать вам, каким образом это электричество может быть удалено из них. Для этого я прикасаюсь к проводнику и извлекаю из него таким образом искру, вслед за чем соломенный указатель немедленно опускается. Таким образом, все электричество, по-видимому, исчезло; и в том, что я действительно удалил его, вы убедитесь благодаря следующему опыту. Я беру медный цилиндр за его стеклянную ручку и прикасаюсь им к проводнику, в результате я удалю некоторое количество электричества из проводника в цилиндр, указатель при этом немного опускается, что должно означать потерю некоторого количества электричества.

Но электричество не исчезло, оно собрано здесь в медном цилиндре. Я могу уносить и переносить электричество из одного тела в другое не потому, что само по себе электричество представляет собой какое-нибудь материальное вещество, а благодаря какому-то особенному свойству его, не встречавшемуся нам еще ни в одной из сил.

Посмотрим, есть ли в самом деле электричество, в этом цилиндре. Я подношу наш цилиндр к отверстие, из которого вытекает газ. Вы видите искру, перескакивающую от цилиндра к струе газа. Правда, газ от нее все же не воспламеняется, но искру вы во всяком случае видели, а если она не зажгла газа, то это произошло, вероятно, оттого, что легкий ветер в комнате Отклонил в сторону струю его, иначе опыт должен был бы удаться. Этот опыт мы повторим после. Перескочившая искра показывает вам, что мы можем переносить силу электричества из машины в цилиндр, уносить ее вместе с ним и передавать затем какому-нибудь другому телу.

Вы знаете очень хорошо по опыту, что Мы можем переносить силу теплоты из одного тела в другое. Например, если я держу мою руку около огня, то она нагревается. Я могу показать вам опыт, перенесения теплоты с помощью этого шара, накаленного докрасна.

Если я прижму к нему проволоку, то часть теплоты шара передается проволоке, и стоит только прикоснуться ею к хлопчатобумажному пороху, чтобы показать вам возможность передачи теплоты шара проволоке и проволоки пороху: порох немедленно загорается. Вы видите, таким образом, что некоторые силы передаются от одного тела к другому, а другие не передаются. Заметьте, что теплота долго сохраняется в шаре. Я могу прикоснуться к нему проволокой или пальцем, и если сделаю последнее быстро, то обожгу лишь поверхность кожи. В противоположность этому, если я прикоснусь пальцем к нашему цилиндру, то как бы быстро я ни сделал это, электричество немедленно исчезает из него, мгновенно рассеивается.

Теперь я хочу показать вам, каким образом теплота и электричество передаются от одного тела другому. Дело в том, что способы проводимости или передачи силы весьма замечательны, а для нас очень важно понять их. Посмотрим, каким образом эти силы переходят с места на место. Как теплота, так и электричество могут передаваться по проводникам. Вот прибор, который покажет вам, каким образом распространяется первая из этих сил — теплота Прибор этот (рис. 42) состоит из медной полосы, проходящей через трубу; если поместить спиртовую лампу (это один из способов получения теплоты) под этой трубой, то пламя будет подниматься к медной полосе и нагреет ее. Теплота передается от пламени лампы к медной полосе, и скоро молено будет видеть, что она проводится по меди от частички к частичке; по мере того как теплота по полосе распространяется, от полосы начинают отпадать деревянные шарики, которые я прилепил к ней воском. Сначала отпадают шарики, ближайшие к нагреваемому месту, а затем постепенно и более удаленные от него. Вы видите, таким образом, что теплота постепенно распространяется по меди.

Заметьте, что эта сила распространяется по проводнику весьма медленно сравнительно с распространением электричества. Если я оберну бумагой два цилиндра, деревянный и металлический, соприкасающиеся своими концами, и стану нагревать лампой место соприкосновения металла с деревом, то вы увидите, что теплота накопится в дереве и сожжет бумагу, его покрывающую, тогда как по металлу теплота распространится настолько быстро, что не успеет зажечь бумагу. Соединяя кусок дерева с металлом и заставляя пламя действовать равномерно на оба тела, мы найдем, что металл нагревается скорее, нежели дерево: если я положу на дерево и на медь по куску фосфора, то вы увидите, что кусок фосфора, положенный на медь, загорится раньше, нежели расплавится кусок фосфора, лежащий на дереве. Это показывает, как плохо дерево проводит тепло.

Но что касается электричества, то скорость перехода его от одного тела к другому просто удивительна. При помощи кусков стекла и металла я сделаю несколько опытов над проводимостью электричества; между прочим, эти опыты объяснят вам, почему стекло не теряет электричества, которое оно приобретает при трении шелком. Если приблизить к электрической машине кусок меди, то можно видеть, что электричество перейдет из машины в медный цилиндр. Опять-таки, если я возьму металлический прут и прикоснусь им к машине, то указатель машины немедленно понизится; однако, прикасаясь к машине стеклянной палочкой, мы не отнимаем от нее никакой силы, из чего можно заключить, что электричество проводится совершенно различно через стекло и через металл.

Чтобы сделать это еще яснее, возьмем одну из лейденских банок. Когда мы прикасаемся куском металла к пуговке наверху банки и к металлической оболочке банки, то вы увидите, что электричество проходит по куску металла в незаметное для нас время. Если я возьму для нашего опыта длинную (любой длины) металлическую проволоку и одним концом ее прикоснусь к внешней оболочке, а другим к пуговке вверху банки, то мы увидим, как в этом случае проходит электричество. Оно проскакивает мгновенно по всей длине проволоки. Электричество передается совершенно иначе, нежели теплота, проходившая через медную полосу (рис. 42): ведь там прошло до часа, пока она достигла первого шара.

Вот еще опыт, который покажет вам, что электричество проходит через некоторые тела и не проходит через другие. Почему эти части электрической машины сделаны из меди? (рис. 41). Потому что медь проводит электричество. А почему для столбиков машины взято стекло? Потому что стекло препятствует прохождению электричества. Почему я устанавливаю эту бумажную кисточку, прикрепленную к деревянному пруту, на стеклянный столбик (рис. 43) и соединяю ее с помощью проволоки с электрической машиной? Вы сразу увидите, что при повороте рукоятки машины электричество, развивающееся в ней, немедленно переходит по проволоке и деревянному стержню к кисточке, прикрепленной наверху его. Вы замечаете отталкивающую силу, которую приобрели теперь полоски бумаги, составляющие нашу кисточку: каждая из них выпрямляется по направлению к потолку и стенам комнаты. Снаружи эта проволока покрыта резиной. Если бы я прикоснулся к проволоке рукой, то резина все-таки не помешала бы электрической силе прорваться и уйти; но сейчас для наших целей резина вполне подходит.

Итак, вы видите, как легко посылать силу электричества с места на место, выбирая только для этого надлежащий материал способный проводить эту силу. Положим, мне нужно зажечь порох: это легко сделать посредством передаваемого с места на место электричества. Я возьму лейденскую банку или другой прибор, дающий нам эту силу, насыплю немного пороха на концы идущих от него проводов, и в то мгновение, как я соединю их с помощью этого разрядника, вы увидите, что порох воспламеняется.

Смотрите: я произвожу это соединение, и порох, в самом деле, вспыхивает. И если я покажу вам этот маленький табурет, вам будет нетрудно понять, почему у него стеклянные ножки: очевидно, потому, что стекло не дает электричеству уйти в землю. Поэтому если я встану на этот табурет и приму в себя электричество через проводник, то я буду в состоянии передать силу тому предмету, к которому прикоснусь.

Я встал на табурет и прикоснулся к проводнику, теперь я наэлектризован и чувствую, что волосы мои приподнимаются, как приподнимались полоски бумажной кисточки в предыдущем опыте. Попробую, не удастся ли мне зажечь газ прикасаясь к струе ею пальцем. Я приближаю палец к отверстию, из которого выходит газ. Вы видите, мне удадось, хотя и не сразу, зажечь его искрой, вышедшей из моего пальца.

Вы теперь видите, каким образом сила электричества может быть передаваема из предмета, в котором она была возбуждена, как она проводится по проводам к другим телам и может служить для достижения целей, совершенно недостижимых посредством тех сил, о которых мы говорили в наших первых беседах. Вам нетрудно будет теперь сравнить силу электричества с другими силами, которые мы уже рассмотрели. В следующий раз мы будем продолжать изучение сил, способных переходить с места на место.

---

Материал сверстал и разместил в Сети Олег Акимов 4 декабря 2014 года