Майкл Фарадей
Силы материи и их взаимодействия
Лекция VI. Соотношение физических сил
В течение наших бесед мы не раз видели, что одна из тех сил материи, названия которых я написал на доске, производит результаты, получающиеся и от действия какой-нибудь другой силы. Так, например, мы знаем, что электричество, кроме притяжения, производит еще другие действия: ведь мы видели, что своим Влиянием на силу химического сродства оно соединяет и разлагает тела. Следовательно, уже этот случай представляет нам пример связи между двумя силами.
Но бывают и другие, более глубокие соотношения. Мы должны рассматривать не только, как одна сила влияет на другую, каким образом, например, сила теплоты действует на силу химического сродства и т. д., но мы должны постараться понять, в каком отношении эти силы находятся друг к другу и каким образом одна сила может быть превращена в другую. Я должен буду ограничиться одним или двумя примерами, потому что человеческая наука не может пока что охватить взаимной связи и превращения сил в полном объеме.
Для начала я возьму кусок листового цинка, разрежу его на узкие полоски и нагрею их, т. е. приложу к ним силу теплоты, допуская в то же время соприкосновение их с воздухом, и вы увидите, что они при этом будут гореть. Видя горение, вы уже сами скажете, что в этом случае происходит химическое действие. Как вы видите, достаточно держать этот кусок цинка около пламени так, чтобы он нагревался, и, кроме того, не препятствовать доступу воздуха к нему.
Кусок цинка горит так же, как дерево, только с большей яркостью. Часть цинка уходит в воздух в виде белого дыма, а часть его падает на стол. Таким образом, мы имеем дело с действием химического сродства между цинком и кислородом воздуха. Чтобы показать вам, как удивителен этот род сродства, я сделаю опыт, с первого взгляда весьма поразительный.
Вот немного железных опилок и пороха: я тщательно перемешаю опилки с порохом, соблюдая при этом возможную осторожность. Теперь мы сравним способность горения обоих веществ. В пламя горящего спирта я буду бросать нашу смесь пороха с опилками, так что частички пороха и опилок будут иметь одинаковую возможность загореться. Теперь скажите мне, которые из них горят? Вы видите яркое горение железных опилок; но обратите внимание на то, что большая часть пороха остается нетронутой, хотя он имеет такую же возможность загореться. Мне нужно только слить спирт из чашки, дать просохнуть пороху, прошедшему через пламя, для чего достаточно нескольких минут, и затем испытать его зажженной спичкой.
Теперь порох просох, я прикасаюсь к нему зажженной спичкой, и вы видите по сильной вспышке, Как много пороха не сгорело во время падения через спиртовое пламя. Значит, расположение железа к горению так' велико, что при некоторых обстоятельствах оно требует для своего воспламенения меньше времени, нежели порох.
Во всех этих случаях мы имеем дело с химическим сродством. Остановимся на них и рассмотрим этот на первый взгляд род химического сродства, а также посмотрим, есть ли возможность обратить эту силу в электричество, магнетизм или в какую-нибудь другую из сил, с которыми мы познакомились. Вот немного цинка (я продолжаю употреблять цинк, потому что он очень удобен для нашей цели). Поместив его в реторту с серной кислотой, я могу получить водород. Цинк разлагает воду на ее составные части и освобождает из нее водородный газ.
Но из опыта в то же время известно, что если поверхность этого цинка покрыта незначительным слоем ртути, то способность его разлагать воду от этого не теряется, но изменяется весьма значительным образом. Смотрите, как кипит смесь цинка с серной кислотой, но если прибавить к ней немного ртути, то газ перестанет выделяться. Теперь из смеси не выходит почти ни одного пузырька водорода, так что действие цинка на серную кислоту на время прекращено. Мы не уничтожили при этом химического сродства, а только видоизменили его.
Вот несколько пластинок цинка, покрытых слоем ртути точно так же, как покрыт цинк, находящийся в реторте: если я вставлю такую пластинку цинка в серную кислоту, то газ не будет выделяться. Однако замечательно то, что если вместе с цинком я вставлю в кислоту еще другой металл, не имеющий в такой же степени способности гореть, как цинк, то действие возобновится.
В реторту с серной кислотой и цинком, покрытым слоем ртути, я помещаю теперь немного медной проволоки (медь не такой горючий металл, как цинк). Вы видите, что водород начинает выделяться точно так же, как выделялся в начале опыта. Пузыри его проходят через воду и собираются все скорее и скорее в колоколе, — цинк действует теперь вследствие своего соприкосновения с медью.
Всякий шаг, который мы делаем вперед, приводит нас к познанию нового явления. Водород, который, как видите, так обильно освобождается теперь, выделяется не от цинка, как прежде, а от меди. Вот у меня сосуд, содержащий раствор меди. Кусок амальгамированного цинка не производит на него почти никакого действия: если я помещу в раствор пластинку платины, то я могу оставить ее там на сколько угодно времени, и она тоже не произведет никакого действия.
Но если я одновременно вставлю в раствор пластинки цинка и платины и приведу их в соприкосновение между собой (рис. 44), то вы заметите, что платина немедленно покроется слоем меди. Отчего это происходит? Платина сама по себе не имеет способности выделять металл из жидкости, но она получает эту способность каким-то таинственным образом вследствие соприкосновения с цинком. Вы видите здесь какую-то странную передачу химической силы от одного металла к другому, от цинка к платине, вследствие простого соприкосновения этих металлов.
Вместо платины я мог бы поместить в раствор медь или серебро, которые сами по себе тоже не произведут на него ни какого действия, но, как только я втавлю в него еще цинк и приведу его в сопрокосновение с этими метеллами, действие немедленно начнется, и они покроются медью. Однако и химическую силу частиц цинка или ее действие мы каким-то странным образом можем перемещать с места на место. В замечательном опыте, который я показал вам, мы заставили химическую силу перейти от цинка к платине, помещая оба металла в одну и ту же жидкость и приводя их в соприкосновение между собой.
Рассмотрим теперь немного поближе эти явления. На рис. 45 изображен сосуд с растворов кислоты вместе с пластинками цинка и плагины или меди, ‘соединенными! между собой вне сосуда проводами, отходящими от каждой из этих пластинок. Все равно, происходит ли соприкосновение между металлами в самой жидкости или вне ее, с помощью прикрепленных к ним металлических проводов: и в последнем случае они сохраняют силу, способную передаваться от одного из них к другому. Если же вместо одного сосуда я возьму несколько сосудов, вставлю в каждый из них цинк и платину и соединю платину одного сосуда с цинком другого, то целый ряд сосудов будет дсйствовать вместе. Позади меня вы видите такой прибор.
Я употребляю так называемую гальваническую батарею Грове, в которой действуют цинк и платина: сила от всех 40 пар металлических пластинок действует в этом приборе одновременно, и все количество возбужденной таким образом химической силы передается по этим проводам, которые проходят под полом и могут быть соединены там с этими двумя прутами, проходящими через стол. Стоит только привести в соприкосновение концы этих проводов, как искра покажет вам присутствие силы в них.
Не замечательно ли, что эта, сила переносится из батареи, стоящей позади меня, и передается по проводам? Вот прибор (рис. 46), который Гемфри Дэви устроил много лет тому назад для того, чтобы узнать, производит ли сила гальванической батареи взаимное притяжение тел, так же как обыкновенное электричество. Он устроил его для опытов со своей большой гальванической батареей, самой сильной из существовавших в то время. В этом стеклянном сосуде вы видите два золотых листка, которые я могу приближать и удалять друг от друга с помощью винта наверху его. Каждый из этих листков я соединяю с одним из проводов батареи, и если батарея достаточно сильна, то я смогу показать вам, что при этом листки даже на расстоянии притягивают друг друга.
Если близко придвинуть золотые листки друг к другу, то от действия притяжения они соприкоснутся; вы сразу увидите, когда это произойдет, потому что листки тогда загорятся от действия нашей силы, что может случиться, лишь если они действительно прикасаются друг к другу.
Итак, я начинаю медленно сближать их и не сомневаюсь, что некоторые из вас увидят приближение листков прежде, нежели они загорятся, а те, которые находятся слишком далеко от стола и не могут заметить это приближение, увидят по горению листков, что они пришли в соприкосновение. Вот теперь листки коснулись друг друга задолго до того, как я их полностью сблизил, и они загорелись: вы видите блестящую вспышку. Притягательная сила в обоих концах батареи показывает, что мы действительно имеем теперь дело с явлениями электрическими.
Посмотрим, однако, что это за искра? Я беру оба конца проводов, соединяю их и получаю прекрасную искру, с сильным блеском, подобным блеску солнца в небе над нами. Что же это за явление?
Это то же самое, что происходит при разряде большой электрической машины, где вы также наблюдали блестящую искру. Явление в обоих случаях действительно одинаково, только искра от проводов батареи продолжительнее, потому что прибор этот действует сильнее Вместо машины, которую нужно долго вертеть, мы имеем здесь химическую силу, которая особым образом передается по этим проводам и образует искру. Я хочу показать вам, по возможности, что эта искра и производимая ею теплота (ибо тут есть и теплота) не более и не менее, как химическая сила цинка, которая переносится по проводам и доходит до их концов.
Я возьму кусок цинка и сожгу его в кислороде, чтобы показать, какой именно свет производится настоящим сгоранием в кислороде одного из употребляемых нами металлов. Смотрите, я зажигаю на спиртовой лампе кисточку из листового цинка и вставляю ее в сосуд с кислородом. Она горит с ярким блеском. Это показывает вам энергию и силу химического сродства. В батарее, находящейся позади меня, цинк сгорает гораздо быстрее, нежели в этом сосуде, ибо цинк растворяется, горит и производит сильный электрический свет.
Та же сила, которая развивается в сосуде с кислородом при горении в нем цинка, передается по проводам батареи и обнаруживается у их концов в виде электрического света. Вы Можете поэтому, если хотите, рассматривать дело так, что цинк сгорает в сосудах батареи и что свет от этого горения обнаруживается при сближении концов проводов. Я мог бы устроить наш прибор таким образом, чтобы показать, что в обоих случаях развивается одно и то же количество силы. Таким образом мы по произволу можем располагать силой химического сродства и проводить ее с места на место.
Когда мы хотим произвести взрыв пороха, то можем в мину направить силу химического сродства, превращенную в электричество: не запасаясь заранее огнем, мы можем получить его когда угодно. Вот сосуд (рис. 47), в котором помещены две заостренные палочки из древесного угля: этот прибор может также служить примером удивительной способности силы электричества передаваться с места на место. Стоит только соединить посредством проводов палочки из угля с батареей и привести угли в соприкосновение между собой, сила химического сродства сейчас же обнаружится. Мы ее обнаруживаем здесь в виде электрического света.
Чтобы доказать это, мы выкачали воздух из сосуда, так что уголь не может гореть, и поэтому свет, который вы видите, происходит именно от сгорания цинка в батарее, находящейся позади меня: уголь не исчезает, хотя и дает нам великолепный электрический свет. Как только я прерываю соединение углей с батареей, свет прекращается.
Вот другой пример, который еще лучше покажет вам, с какой уверенностью мы можем проводить силу химического сродства в такие места, в которых при обыкновенных обстоятельствах она не могла бы действовать. Мы можем поместить угольные полюсы даже под воду и получить там электрический свет. Смотрите, теперь они под водой. Соединяя их батареей, мы получаем тот же свет, который имели в стеклянном сосуде.
Кроме такого образования света горящий цинк производит еще и другие действия. Вот несколько тугоплавких проволок: одну из них, тонкую платиновую проволоку, я укреплю двумя столбиками, которые могут быть соединены с батареей (рис. 48). Производя это соединение, мы получаем огромное количество теплоты. Не удивительно ли это явление?
Провода, идущие от батареи, представляют собой настоящий мост для прохождения силы. В нашем приборе сила всюду проводится по металлу, но вы видите, что большое количество теплоты выделяется в платиновой проволоке, которая до некоторой степени сопротивляется прохождению силы. Это та теплота, которую цинк дал бы при горении в кислороде, но он горит в гальванической батарее, и теплота выделяется в другом месте.
Я буду теперь укорачивать проволоку, чтобы показать вам, что чем короче проволока, затрудняющая прохождение силы, тем сильнее выделяющаяся в ней теплота, пока, наконец, платина не будет расплавлена ею и упадет, вследствие чего сообщение прервется.
Вот другой пример. Кладу кусок серебра на древесный уголь, представляющий один полюс батареи; другой полюс ее я также приведу в соприкосновение с серебром. Смотрите, как ярко горит серебро! (рис. 49). Я кладу на уголь кусок железа, и вы видите, что он сгорает. Мы можем сжигать, таким образом, между полюсами батареи почти все вещества.
Я хочу показать вам теперь, что эта сила есть не что иное, как химическое сродство; хотя мы и называем ее теплотой, электричеством или каким-нибудь другим именем, соображаясь с ее источником или способом передачи, но в сущности она — химическое сродство. Вот окрашенная жидкость, в которой влияние химического действия можно обнаружить по перемене цвета. Я налью часть этой жидкости в стакан, и вы увидите, что провода батареи произведут в ней весьма сильную перемену.
Это действие не есть ни горение, ни образование теплоты. Я возьму две платиновые пластинки, прикреплю их к проводам батареи, одну к одному полюсу, другую к другому, и затем вставлю в наш раствор: очень скоро вы увидите, что голубой цвет раствора полностью исчезнет. Смотрите, раствор уже обесцвечивается. Мне стоило только опустить концы проводов в раствор индиго, и проходящая через них сила электричества проявилась в этом химическом действии.
Говоря о химическом действии электричества, я должен упомянуть еще об одном замечательном явлении, а именно, что цвет раствора разрушается от действия одного только полюса. В плоскую чашку я налью немного больше этой серно-индиговой кислоты и поставлю в ней глиняную скважистую перегородку, которая разделит жидкость на две части (рис. 50).
Теперь мы сможем увидеть, есть ли различие в действии обоих полюсов батареи и который из них, собственно говоря, обесцвечивает жидкость. Вы видите, что на правой стороне полюс действительно уничтожает синий цвет раствора, — правая часть раствора совершенно побелела, тогда как на другой стороне в ней не произошло, по- видимому, никакого изменения. Я говорю "по-видимому", потому что мы не должны думать, что на этой стороне не произошло никакого действия, раз мы не замечаем его.
Вот другой пример химического действия. Берем снова платиновые пластинки и погружаем их в медный раствор, из которого мы прежде осадили часть меди, поместив в него одновременно платину и цинк. Вы видите, что платиновые пластинки сами по себе не производят никакого химического действия на раствор: они могут оставаться в нем сколько угодно времени, не осаждая из него меди. Но как только я соединяю их с проводами батареи, так сейчас же химическое действие, превращающееся в батарее в электричество и передающееся по проводам, снова обнаруживается как химическое действие у двух платиновых полюсов, осаждая с левой стороны медь из раствора на платиновую пластинку.
Я мог бы показать вам много таких любопытных примеров тех удивительных путей, по которым химическое действие или электричество может быть перенесено с места на место. Замечательный самородок золота (модель которого находится в другой комнате) представляет особенно интересное явление в истории золота. Он был найден в Балларате и по выплавлении его, в ноябре 1859 г., стоил от восьми до девяти тысяч фунтов стерлингов. Самородок этот был образован в недрах земли, быть может, много сотен лет тому назад какой-нибудь силой, подобной тем, которые я вам показывал.
А вот еще один замечательный результат действия химического сродства: прекрасное свинцовое дерево, которое находится перед нами образовалось также под влиянием этой силы, путем постепенного нарастания свинца. Способ соединения свинца и цинка в маленьком гальваническом приборе имеет для нас важное значение. В природе постоянно и незаметно происходят подобного рода действия; они чрезвычайно важны для осаждения металлов, образования минеральных жил и т. д. Эти малые действия не ограничены временем, как в моей батарее, а продолжаются неопределенно долго, производя, таким образом, с веками огромные результаты.
Я показал вам несколько примеров превращения химического сродства в электричество и электричества в химическое сродство. Ограничимся покуда ими и постараемся ознакомиться немного глубже с химическим сродством или электричеством, — я не знаю, какую силу назвать прежде, так как каждая из них переходит в другую весьма различными путями.
Силы эти замечательны также своей способностью производить еще одну из известных нам сил, а именно магнетизм. Вы, наверное, знаете, что эта способность электричества и химической силы производить магнетизм стала известна лишь в последнее время.
Открытие связи между электричеством и магнетизмом обычно приписывают Эрстеду (1771—1851 гг.), опубликовавшему в 1820 г. свои наблюдения над отклонением магнитной стрелки током. Эрстед, однако, имел предшественников, в той или иной форме указывавших на родство электричества и магнетизма. Из них следует упомянуть Романьози (1761 – 1835), Мансона (1772 — 1836) и Швейггера (1779 – 1857).
Естествоиспытатели давно предчувствовали это родство между названными силами и давно уже питали надежду доказать существование его в науке всегда сперва начинают с надежд, и ожиданий, и когда они осуществляются, то на них опять основывает новые ожидания, дальнейшие открытия; таким путем наука идет все вперед, преследуя известную мысль, осуществляя ее, добывая результаты и основывая на них дальнейшие надежды.
Проделаем теперь следующий опыт. Вот кусок проволоки, из которого я сделаю мост для силы, т. е. попросту говоря, соединю им оба конца батареи. Эта простая медная проволока сама по себе не обнаруживает магнетизма. Мы испытаем ее с помощью нашей магнитной стрелки: действительно, покуда проволока соединена с одним лишь кондом батареи, она не оказывает никакого действия на магнитную стрелку (рис. 51), но вот я соединяю оба конца, и вы видите, как стрелка повертывается и становится на то же место, как только я размыкаю цепь батареи. Отсюда можно заключить, что проволока во время прохождения через нее электрического тока, очевидно, действует на магнитную стрелку.
Я хочу показать вам этот опыт немного нагляднее. Беру очень длинную проволоку, свернутую в спираль; действие ее на нашу стрелку будет очень интересным: благодаря своей форме она будет на нее действовать почти как настоящий магнит. Однако медная спираль сама по себе не действует на магнитную стрелку; но что произойдет, если я пущу по ней электрический ток, соединив концы ее с полюсами батареи? Смотрите, как спираль сильно притягивает один конец стрелки, отталкивая другой конец ее. Таким образом, вы видите, что со спиралью я получил такой же результат, как с настоящим магнитом. Не замечательно ли, что мы можем устроить магнит из меди?
Далее, я помещаю железную полосу в медную спираль. Покуда через проволоку не проходит электрический ток, спираль не оказывает никакого действия на эту полосу: полоса совершенно не притягивает железных опилок. Но когда я соединю концы спирали с батареей, полоса сейчас же начинает притягивать железные опилки. Она сразу стала настолько сильным магнитом, что притягивает теперь к себе несколько кусков железа (рис. 52), лежащих на столе в разных местах . На другом опыте Я покажу вам особенности электромагнитного притяжения. Вы видите, что этот кусок железа и многие другие куски с силой притягиваются к полосе, однако, как только я прерываю соединение спирали с батареей, магнитная сила исчезает.
Что может быть лучшим в более строгим доказательством соотношения между электричеством и магнетизмом? Я беру маленький кусок железа, еще не намагниченный. Сейчас он не притягивает ни одного из этих гвоздей. Теперь я возьму кусок проволоки и обовью ее вокруг этой железной подковы (проволока должна быть покрыта шелком, чтобы медь не соприкасалась с железом), так что электрический fox должен проходить по виткам этой спирали.
Я сделал, таким образом, электромагнит.
Этим названием мы выражаем то, что здесь с помощью силы электричества получается магнит, притом магнит гораздо более сильный, чем обыкновенный стальной магнит. Теперь электромагнит готов, и я повторю уже виденный вами опыт с образованием моста из железных опилок. Я соединяю спираль с батареей. Теперь через нее проходит ток, и она становится мощным магнитом. Вот здесь лежат железные опилки, которые мы употребляли в прошлый раз. Когда я подношу к ним наш магнит, они пристают к нему так сильно, что я едва могу подвинуть их рукой (рис. 53), и отпадают, как только прерывается контакт. Что может лучше, чем этот опыт, показать вам магнитное притяжение, которым мы наделили кусок железа?
Рассмотрим еще один пример могущественной силы магнетизма. Перед нами такой же магнит. Я пропускаю ток через обвивающие его провода, чтобы показать, какой мощный эффект мы получим. Вот полюсы этого магнита. Положим на один из них длинную железную полосу. Оказывается, что как только произведено соединение, полоса сейчас же принимает определенное стойкое положение (рис. 54).
Если я возьму железный цилиндр, то он притянется к магниту так сильно, что мне будет больно, если я попробую всунуть палец между ними. Я могу катать цилиндр, но если я попробую оторвать его, у меня не хватит сил, чтобы преодолеть проявляющуюся силу магнетизма. Далее, я кладу на магнит длинную железную полосу и не сомневаюсь, что другой конец ее проявит теперь значительную магнитную силу; вы видите, он удерживает не только гвозди, но и все эти куски железа, следовательно, он обладает весьма значительной силой.
Ну, что может превзойти это доказательство перехода химической силы в электричество и электричества в магнетизм! Я мог бы показать вам еще несколько таких опытов, где я бы получал из магнита электричество и химическую силу, теплоту и свет. Нужно ли, однако, показывать вам еще что-нибудь, чтобы доказать всеобщее соотношение сил материи и их взаимные превращения?
А теперь отдадим дань уважения старшим. Прежде всего, позвольте мне обратиться к тем из взрослых, кто почтил меня своим присутствием на этих лекциях. Я хочу сейчас выразить им свою благодарность, а также поблагодарить вас за внимание, с которым вы следили за моими лекциями. Я надеюсь, что познания, которые вы приобрели теперь о некоторых законах, управляющих вселенной, поведут некоторых из вас к полнейшему и более всестороннему изучению этих законов. В самом деле, какие науки более свойственны' уму человека, чем науки естественные? И что помогает человеку больше всего проникать в действие тех законов, познание которых показывает, как интересны даже самые незначительные явления природы, а обнаруживает
«...язык в деревьях, книгу в ручьях,
Летописи в скалах и всюду гармонию...»Материал сверстал и разместил в Сети Олег Акимов 4 декабря 2014 года
|
|