Избранные места из книги Эдмунда Уиттекера
"История теории эфира и электричества
Классические теории"
- Индукция. Силовые магнитные линии
- Самоиндукция
- Взгляд Фарадея на природу электричества
- Электрохимия
- Спор между сторонниками двух гипотез — химической и контактной
- Свойства диэлектриков
- Связь между магнетизмом и светом
- "Размышления о световых колебаниях"
- Исследования диамагнетизма Фарадеем и Плюккером
1. Индукция. Силовые магнитные линии
В конце 1812 года сэр Гемфри Дэви получил письмо, в котором автор, ученик переплетчика, Майкл Фарадей, выражал желание оставить свое ремесло и получить работу в научной лаборатории. К письму прилагался аккуратно написанный конспект, который молодой человек — ему был 21 год — составил из публичных лекций самого Дэви. Великий химик любезно ответил на письмо и назначил собеседование, во время которого выяснил, что написавший ему человек занимался самообразованием, читая книги, которые нужно было переплести.
Позднее Фарадей писал: «Особенно мне помогли две книги: Британская энциклопедия, из которой я почерпнул свои первые познания в области электричества, и книга миссис Джейн Марсе Беседы по химии (Conversations on Chemistry), которая научила меня азам этой науки». До того, как обратиться к Дэви, Фарадей провел ряд химических опытов, сам сделал гальванический столб, с помощью которого разложил на составляющие несколько сложных веществ.
По рекомендации Дэви весной следующего года Фарадей был принят в лабораторию Королевского института, который был основан в конце восемнадцатого века под покровительством графа Румфорда. В этом институте он проработал всю жизнь: сначала как ассистент, затем (после смерти Дэви в 1829 году) как директор лаборатории, а начиная с 1833 года как профессор кафедры химии, которая была основана ради него.
В течение многих лет Фарадей находился под непосредственным влиянием Дэви и занимался, главным образом, исследованиями в области химии. Но в 1821 году, когда, благодаря открытию Эрстеда, всеобщее внимание привлекла новая область исследований, Фарадей составил Исторический очерк об электромагнетизме (Historical Sketch оf Electro-Magnetism), для подготовки к которому он тщательно повторил все опыты, описанные авторами, о которых он упоминал в своей работе. Судя по всему, именно это положило начало прославившим его исследованиям.
Научный труд, который открывает опубликованные тома связанных с электричеством работ Фарадея, был представлен Лондонскому Королевскому обществу 24 ноября 1831 года. При исследовании Фарадея вдохновляла, по его собственному утверждению, надежда найти аналогию между поведением электричества, наблюдаемого при движении в токах, и поведением электричества в остальных проводниках. Было уже известно, что статическое электричество обладает силой «индукции», т.е. способностью создавать электрический заряд противоположного знака в находящихся поблизости телах. Может быть, электрические токи имеют похожее свойство?
Первоначально идея заключалась в том, что если ток заставить течь в любом контуре, то в любом соседнем контуре будет течь индуцированный ток, который будет существовать, пока существует индуцирующий ток. Фарадей обнаружил, что это не так: индуцированный ток действительно возникал, но существовал только мгновение, и ощутить его можно было только при замыкании и размыкании первичной обмотки. Вскоре Фарадей понял, что индуцированный ток зависит не только от существования индуцирующего тока, но и от его изменения. Фарадей решил определить законы индукции токов, для чего он изобрел новый способ представления состояния магнитного поля.
Философы уже давно привыкли иллюстрировать магнитную силу, разбрасывая железные опилки по листу бумаги и наблюдая кривые, которые они образуют, если под этот лист положить магнит. Эти кривые навели Фарадея на мысль о магнитных силовых линиях, или о кривых, направление которых в каждой точке совпадает с направлением вектора напряженности магнитного поля в этой точке. Кривые, создаваемые железными опилками на бумаге, напоминают эти кривые настолько, насколько это возможно, при условии, что они ограничены плоскостью бумаги.
Фарадей считал, что все пространство заполнено такими магнитными силовыми линиями. Каждая силовая линия — это замкнутая кривая, которая в какой-то своей части проходит через магнит, к которому принадлежит. Следовательно, если в пространстве взять сколь угодно маленькую замкнутую кривую, силовые линии, пересекающие эту кривую должны образовать трубчатую поверхность, возвращающуюся в себя: такая поверхность называется силовой трубкой. Из силовой трубки можно извлечь информацию не только о направлении вектора напряженности магнитного поля, но и о его величин, так как произведение этой величины и площади поперечного сечения любой трубки постоянно по всей длине этой трубки.
Этот результат подал Фарадею идею о разделении всего пространства на ячейки посредством трубок, причем каждая трубка такова, что вышеописанное произведение имеет одну и ту же определенную величину. Для простоты каждую такую трубку можно называть единичной силовой линией. Тогда силу поля указывает разреженность или сгущенность единичных силовых линии, так что количество силовых линий, пересекающих единичную площадь, расположенную перпендикулярно их направлению в любой точке, определяет напряженность магнитного поля в этой точке.
Все размышления Фарадея основывались на силовых линиях. «Я не могу удержаться, — писал он в 1851 году, — от повторного выражения своей убежденности в истинности такого представления магнитного действия, которое дает идея силовых линий. Все, что установили в отношении этого действия опытным путем, то есть все то, что не является гипотетическим, кажется хорошо и ясно представленным этой идеей».
Фарадей обнаружил, что ток в контуре индуцируется при изменении силы соседнего тока, при приближении к контуру магнита или при перенесении самого контура в присутствие другого тока или магнита. Из этого он увидел, что во всех случаях индукция зависит от относительного движения контура и магнитных силовых линий, расположенных в непосредственной близости от этого контура. Точная природа этой зависимости стала предметом множества последующих опытов.
В 1832 году Фарадей обнаружил, что токи, созданные индукцией при одних и тех же условиях в разных проводах, пропорциональны проводящей способности этих проводов. Этот результат показал, что индукция заключается в создании определенной электродвижущей силы, которая не зависит от природы провода, а зависит только от пересечений провода с магнитными кривыми. Эта электродвижущая сила создается независимо от того, образуют ли провода замкнутый контур (так что протекает ток) или нет (так что возникает электрическое напряжение).
Теперь осталось только узнать, каким образом электродвижущая сила зависит от относительного движения провода и силовых линий. Сам Фарадей ответил на этот вопрос так: «Независимо от того, движется провод через силовые линии прямо или косо, в одном направлении или в другом, электродвижущая сила равна сумме величин сил, представленных линиями, которые пересек провод», так что «количество электричества, попавшего в ток, напрямую зависит от количества пересеченных кривых». Наведенная электродвижущая сила фактически просто пропорциональна количеству единичных магнитных силовых линий, пересеченных проводом за секунду.
Это фундаментальный принцип индукции токов. Вся честь этого открытия несомненно принадлежит Фарадею. Однако для правильного понимания прогресса электрической теории в этот период необходимо помнить, что прошло много лет, прежде чем все концепции, содержащиеся в принципе Фарадея, стали ясными и понятными для его современников, а до этого времени к задаче формулировки законов индукционных токов успешно подходили с иных позиций.
В действительности существовало множество препятствий для непосредственного принятия работы Фарадея современными ему математиками. Сам Фарадей не был математиком, а потому он не мог разговаривать с ними на их языке, и его излюбленный способ представления через движущиеся силовые линии отталкивал аналитиков, которые прошли школу Лапласа и Пуассона. Более того, сама идея электродвижущей силы, которую Ом в своем научном труде применял к токам несколькими годами ранее, была, как мы видели, не ясна и превратно понята.
2. Самоиндукция
Теория Фарадея порождала любопытный вопрос: если вращать стержневой электромагнит вокруг своей оси, будут ли вместе с ним вращаться его магнитные силовые линии. Сам Фарадей считал, что силовые линии не вращаются. В соответствии с этим взглядом вращающийся магнит, как и Землю, следует рассматривать как движущийся через свои собственные силовые линии, так что он должен приобретать на экваторе и полюсах заряды противоположных знаков. Если бы провод, не участвующий во вращении Земли, вступил с полюсом и экватором Земли в скользящий контакт, ток через него тек бы непрерывно.
Фарадей сам провел опыты, подтверждающие эти взгляды. Однако они не строго доказывают его гипотезу о том, что силовые линии остаются в состоянии покоя, поскольку несложно увидеть, что если бы они вращались, то создаваемую их вращением часть электродвижущей силы можно было бы получить из потенциала, и потому она никак не влияла бы на замкнутые контуры, подобные тем, которые использовал Фарадей. Через три года после того, как Фарадей начал исследовать индукционные токи, он пришел к важному расширению этого вопроса благодаря наблюдению, о котором сообщил ему другой ученый.
Уильям Дженкин заметил, что электрический удар можно получить от источника электричества не сильнее одного элемента, при условии, что провод, через который проходит ток, длинный и намотанный: удар можно почувствовать при нарушении контакта. Поскольку Дженкин на этом остановился, Фарадей продолжил это исследование и показал, что сильный кратковременный ток, который наблюдается при размыкании контура, на самом деле, ток индукционный. Этот ток подчиняется тем же самым законам, что и все другие индукционные токи, но с той особенностью, что в этом случае индуцирующий и индукционный токи протекают в одном и том же контуре. В действительности, ток в установившемся состоянии создает вокруг себя магнитное поле, силовые линии которого связаны с контуром, и исчезновение этих силовых линий при размыкании контура создает индукционный ток, который значительно усиливает первичный ток перед его остановкой. Это явление назвали самоиндукцией.
Обстоятельства, сопутствующие открытию самоиндукции, вызвали критику со стороны Фарадея многих предложений, которые постоянно представляли на его рассмотрение. Он заметил, что несмотря на то, что в разное время многие авторы представляли ему свои соображения, результат последовал только в случае с Дженкиным.
3. Взгляд Фарадея на природу электричества
Открытия Эрстеда, Ампера и Фарадея показали, что наука о магнетизме тесно связана с наукой об электричестве. Но все еще оставалась неясной связь между различными отраслями науки об электричестве. Несмотря на то, что опыты Волластона 1801 года действительно доказали своего рода идентичность токов, полученных как при трении, так и гальванически, тридцать лет спустя этот вопрос все еще считался открытым, поскольку не ожидалось никакого удовлетворительного объяснения того факта, что электричество трения выглядит как явление, связанное с поверхностью тела, тогда как гальваническое электричество проводится внутри вещества тел. Теперь этим вопросом занялся Фарадей, и в 1833 году ему удалось показать, что каждое известное действие электричества — физиологическое, магнитное, световое, тепловое, химическое и механическое — можно обеспечить, используя как электричество, полученное трением, так и электричество, полученное из гальванической батареи. Впредь идентичность этих видов электричества считалась бесспорной.
Примечание
Джон Дэви предположил, что электрическая сила, может быть «не простой силой, а комбинацией сил, которые могут различным образом объединяться и производить все разновидности электричества, которые нам знакомы» (1832).Однако среди более поздних авторов бытовало несколько ошибочное понимание выводов, которые можно сделать из этой идентификации. Фарадей доказал только то, что процесс, который протекает в проводе, соединяющем выводы гальванического элемента, имеет ту же природу, что и процесс, который в течение короткого времени протекает в проводе, посредством которого разряжается конденсатор. Он не доказал и не утверждал, что доказал то, что этот процесс заключается в реальном движении квази-субстанции — электричества — от одной пластины конденсатора к другой, или двух квази-субстанций, «смоляного» и «стеклянного» родов электричества, в противоположных направлениях. Этот процесс изображали, таким образом, многие его предшественники, в частности, Вольта. И большинство его последователей делали то же самое, но сам Фарадей воздержался от таких допущений.
Все теории и все ученые сходятся в том, что скорость увеличения общего значения электростатического заряда в любом объемном элементе равна избытку втекающего тока над вытекающим. Это утверждение можно представить уравнением
где ρ — объемная плотность электростатического заряда, s — ток в точке (х, у, z) за время t. Допущение Вольты — это действительно один способ физического толкования этого уравнения: он появляется при сравнении предыдущего уравнения с уравнением
которое является уравнением непрерывности жидкости с плотностью ρ и скоростью v. Можно отождествить эти два уравнения, допуская, что s имеет ту же физическую природу, что и произведение ρv. Именно так и поступали те, кто принимал допущение Вольты.
Но можно было бы сделать и другие допущения, которые так же хорошо объясняли бы физический смысл первого уравнения. Например, если допустить, что ρ является конвергенцией любого вектора, временным потоком которого является величина s, уравнение удовлетворяется автоматически. Можно представить, что по своей природе этот вектор является вектором смещения. При таком допущении мы избегаем необходимости рассматривать ток проводимости как реальный поток электрических зарядов или размышлять, являются ли дрейфующие заряды положительными или отрицательными. Не будет ничего удивительного в том, что электрические заряды противоположных знаков при объединении дают нулевой эффект.
Сам Фарадей хотел оставить этот вопрос открытым, чтобы избежать какого бы то ни было определенного допущения. Возможно, наилучшее представление о его взглядах может дать лабораторная запись, датированная 1837 годом:
«После длительного рассмотрения способа расстановки электрических сил в различных явлениях в общем случае я пришел к определенным выводам, которые попытаюсь записать, не связывая себя никаким мнением относительно причины возникновения электричества, то есть относительно природы силы. Если электричество существует независимо от материи, тогда я полагаю, что гипотеза об одной жидкости не устоит против гипотезы о двух. По-моему, очевидно, что существует то, что можно назвать двумя элементами силы, равными по значению и действующими противоположно друг к другу. Однако эти силы можно различить только по направлению, и возможно, что они разделены не более, чем северная и южная силы в элементах магнитной стрелки. Они могут быть полярными точками сил, находящихся в частицах материи изначально».
Примечание
«Его главная цель, — сказал Гельмгольц во время лекции о Фарадее в 1881 году, — состояла в том, чтобы выразить в своих новых концепциях только факты с минимально возможным использованием гипотетических субстанций и сил. Это был настоящий прогресс в общем научном методе, который должен был очистить науку от последних остатков метафизики».Можно заметить, что с момента возникновения математической теории электростатики спор между сторонниками одно- и двухжидкостной теорий стал, очевидно, бесполезным. Аналитические уравнения, которые притягивали к себе всеобщий интерес, можно было интерпретировать в равной степени хорошо на основе любой из двух гипотез, а перспективы их разделения под влиянием какого-нибудь нового экспериментального открытия ожидать не приходилось. Но задача не теряет своего очарования, даже если выглядит нерешаемой. «Однажды я сказал Фарадею, — писал Стокс своему тестю в 1879 году, — сидя рядом с ним за ужином в Британской ассоциации, что, по моему мнению, мы сделаем огромный шаг вперед, когда сможем сказать об электричестве то же, что мы говорим о свете, а именно, что его составляют волнообразные движения. Он сказал мне, что, на его взгляд, мы еще слишком далеки от этого».
4. Электрохимия
Чтобы провести следующий ряд исследований, Фарадей вернулся к предметам, которые первыми привлекли его внимание, когда он был еще учеником переплетчика и ходил на лекции Дэви: гальваническому столбу и связи электричества с химией.
В это время все считали, что раствор, через который пропускают электрический ток, разлагается, главным образом, под действием сил притяжения и отталкивания, прикладываемым к молекулам раствора металлическими выводами, через которые ток входит в раствор и выходит из него. Существование подобных сил допускала как гипотеза Гротгуса и Дэви, так и конкурирующая гипотеза де ля Рива. Причем главное отличие между ними состояло в том, что Гротгус и Дэви допускали цепочку разложений и воссоединений в жидкости. Де ля Рив же полагал, что разлагаются только молекулы, находящиеся рядом с выводами, и приписывал их фрагментам способность двигаться через жидкость от одного вывода к другому.
В целях проверки этой доктрины влияния выводов Фарадей смочил лист бумаги соляным раствором, положил его на кусок воска в воздухе, чтобы занять часть расстояния между двумя остриями иголок, которые соединялись с электрической машиной. Когда машину приводили в действие, ток передавался между остриями иголок через смоченную бумагу и два воздушных промежутка, которые находились по обе стороны бумаги. При этих условиях было обнаружено, что соль подверглась разложению. Поскольку в этом случае раствор не контактировал с металлическими выводами, было очевидно, что все гипотезы, которые приписывали разложение действию выводов, никуда не годятся.
Теперь, благодаря уничтожению предыдущих теорий, почва была очищена, и Фарадей мог создать свою собственную теорию. Он сохранил одну из идей доктрины Гротгуса и Дэви, которая заключалась в том, что цепочка разложений и воссоединений происходит в жидкости, однако эти молекулярные процессы он приписал не действию выводов, а силе, которой обладает сам электрический ток повсеместно при его течении через раствор. (…)
Эта теория объясняет, почему обычно получившиеся вещества обычно появляются только на выводах: выводы являются ограничивающими поверхностями разлагающегося вещества, и везде, за исключением выводов, каждая частица находит другие частицы с противоположной тенденцией, с которыми она может объединиться.
Она также объясняет, почему во многих случаях выводы не удерживают атомы получившихся веществ (очевидная сложность для всех теорий, которые говорят о притяжении атомов выводами): получившиеся вещества выталкиваются из жидкости, а не вытягиваются под действием силы притяжения.
Множество дилемм, осложнявших старые теории, сразу же пропали, когда явления стали рассматривать с позиций Фарадея. Так, простые смеси (в противоположность химическим сложным веществам) не разделяются на составляющие под действием электрического тока. Хотя, казалось бы, нет такой причины, по которой полярное притяжение Гротгуса - Дэви не должно действовать на элементы смеси так же, как оно действует на элементы сложного вещества.
Во второй половине того же года (1833) Фарадей снова занялся этим предметом. Именно в это время он ввел термины, которые с тех самых пор повсеместно используют для описания явлений электрохимического разложения. Выводы, через которые электрический ток входит в разлагающееся вещество или выходит из него, он назвал электродами. Электрод с высоким потенциалом, на котором образуются кислород, хлор, кислоты и т.д., он назвал анодов, а электрод с низким потенциалом, на котором образуются металлы, щелочи и основания, — катодом. Вещества, которые разлагаются непосредственно током, он назвал электролитами; части, на которые они разлагаются — ионами; кислотные ионы, которые движутся к аноду, он назвал анионами, а металлические ионы, которые движутся к катоду, — катионами.
Затем Фарадей решил проверить истинность гипотезы, которую он опубликовал более года назад и о которой Гей-Люссак и Тенар, видимо, думали еще в 1811 году, о том, что скорость разложения электролита зависит исключительно от интенсивности проходящего через него электрического тока и не зависит от размера электродов или концентрации раствора. Установив точность этого закона, при сравнении различных электролитов он обнаружил, что масса любого иона, высвобожденного данным количеством электричества, пропорциональна его химическому эквиваленту, т. е. количеству этого иона, которое необходимо для его объединения с какой-то стандартной массой какого-то стандартного элемента.
Если валентность элемента n, т. е. один из его атомов может удерживать в соединении n атомов водорода, химическим эквивалентом этого элемента можно считать 1/n от его относительной атомной массы. Следовательно, результат Фарадея можно выразить, сказав, что электрический ток будет высвобождать только один атом рассматриваемого элемента за время, которое понадобилось бы, чтобы высвободить n атомов водорода.
Фарадею казалось, что количественный закон указывает на то, что «атомы материи каким-то образом обладают электрическими силами или связаны с ними. Именно из-за этих сил они имеют самые поразительные качества, такие как взаимное химическое сродство». Рассматривая факты электролитического разложения с такой точки зрения, он показал, насколько естественно предположить, что электричество, проходящее через электролит, является точным эквивалентом того электричества, которым обладают атомы, разделенные на электродах. А это означает, что существует определенное абсолютное количество электрической силы, связанное с каждым атомом материи.
Претензии этого великолепного предположения Фарадей убежденно защищал. «Гармония, которую оно привносит в связанные теории определенных пропорций и электрохимического сродства, огромна. Согласно этому предположению, эквивалентные массы веществ — это просто те их количества, которые содержат равные количества электричества, или обладают естественно равными электрическими силами. Именно электричество определяет эквивалентное число, потому что оно определяет объединяющую силу.
Если справедлива атомная теория, то атомы веществ, которые эквивалентны друг другу по химическому действию, обладают равными количествами электричества, естественно связанными с ними. Но, — добавлял он, — я должен признаться, что осторожно отношусь к термину атом: хотя говорить об атомах очень легко, очень сложно сформировать ясное представление об их природе, особенно при рассмотрении сложных веществ».
5. Спор между сторонниками двух гипотез — химической и контактной
Из-за этих открытий и идей Фарадей склонялся к тому, чтобы предпочесть из всех конкурирующих теорий о гальваническом элементе ту, к которой предрасполагали все его антецеденты и связи. Спор между сторонниками контактной гипотезы Вольта, с одной стороны, и химической гипотезы Дэви и Волластона, с другой, продолжался уже целое поколение без какого бы то ни было решающего результата. В Германии и Италии объяснение на основе контактной гипотезы было общепринятым из-за влияния Христиана Генриха Пфаффа (1773 – 1852) из Киля и Ома, а среди молодежи, Густава Теодора Фехнера (1801 – 1887) из Лейпцига и Стефано Марианини (1790 – 1866) из Модены. Среди французских авторов де ля Рив из Женевы, как мы видели, активно поддерживал химическую гипотезу, и этой же стороны в споре всегда придерживались английские философы.
Нет сомнения в том, что когда два металла приводят в контакт, разность их потенциалов возникает без видимого химического действия. Сторонники контактной теории рассматривали этот факт как прямое проявление «контактной силы», отличной от всех других известных в природе сил, а сторонники химической теории объясняли этот факт как следствие химического сродства или возникающего химического действия между металлами и окружающим воздухом или влагой.
Не подлежит сомнению и то, что непрерывное действие гальванического элемента всегда сопровождается химическими объединениями или разложениями. Сторонники химической теории утверждали, что эти объединения и разложения создают эффективный источник тока, а сторонники контактной теории рассматривали эти процессы как вторичные действия и приписывали постоянную циркуляцию электричества вечному стремлению электродвижущей контактной силы передать заряд от одного вещества к другому.
Одним из самых активных сторонников химической теории среди английских физиков, работавшим незадолго до Фарадея, был Петер Марк Роже (1779 – 1869), который привел два самых веских аргумента в пользу этой теории. Прежде всего, аккуратно проведя различие между количеством электричества, которое элемент приводит в циркуляцию, и напряжением, под которым подается это электричество, он показал, что последнее зависит от «энергии химического действия». Этот факт вместе с открытием Фарадея того, что количество электричества, приведенное в циркуляцию, зависит от количества потребленных химикатов, исключает любые сомнения относительно происхождения гальванической активности.
Принцип Роже впоследствии проверили Фарадей и де ля Рив, «электричество гальванического столба по своей интенсивности пропорционально интенсивности сродства, вовлеченных в его создание», сказал Фарадей в 1834 году. А в 1836 году де ля Рив написал: «Интенсивность токов, образованных при объединениях и разложениях, точно пропорциональна степени сродства между атомами, объединение или разделение которых породило эти токи».
Однако Роже не остановился на этом и добавил еще один очень важный аргумент. «Если бы, — писал он, — существовала сила, обладающая свойством, которое ей приписывает контактная гипотеза и которое заключается в том, что эта сила способна давать постоянный импульс жидкости в одном постоянном направлении, при этом не истощаясь от своего собственного действия, она существенно отличалась бы от всех известных в природе сил. Все силы и источники движения, функционирование которых нам знакомо, производя свойственные им действия, растрачиваются в том же соотношении, в каком производят эти действия. Отсюда следует, что с их помощью невозможно получить вечное действие, или, другими словами, вечное движение.
Но электродвижущая сила, которую Вольта приписывал контактирующим металлам, — это сила, которая, если свободному течению запускаемого ей электричества не препятствуют, никогда не иссякает и продолжает действовать с неуменьшающейся интенсивностью, создавая вечное действие. Против истинности этой гипотезы вряд ли может возникнуть много возражений».
Этот принцип, который чуть-чуть не дотягивает до теории сохранения энергии применительно к гальваническому элементу, подтвердил и Фарадей. Он писал, что процесс, который придумали сторонники контактной теории «действительно был бы равноценен созданию силы, не похожей ни на одну другую силу в природе». Во всех известных случаях энергия не образуется, а только превращается. В мире нет такого понятия как «чистое создание силы; производство силы без соответствующего истощения чего-либо, что ее создает».
С течением времени каждая из конкурирующих теорий элемента была модифицирована в направлении противоположной ей теории. Сторонники контактной теории признали важность поверхностей, по которым металлы контактируют с жидкостью, где, безусловно, происходит главное химическое действие. Сторонники же химической теории сознались в ее неспособности объяснить состояние напряжения, существующее перед замыканием контура, без введения гипотез, столь же неопределенных, сколь гипотеза о контактной силе.
Сам Фарадей считал, что, если пластинку амальгамированного цинка поместить в разбавленную серную кислоту, то она «обладает способностью действовать, притягивая кислород из частиц, которые с ней контактируют, создавая похожие силы, которые уже действуют между этими и другими частицами кислорода и частицами водорода в воде, в особом напряженном или поляризованном состоянии. Вероятно, в это же время она способна приводить некоторые из своих собственных частиц, контактирующих с водой, в подобное состояние, но с противоположным знаком. Пока сохраняется это состояние, дальнейшего изменения не происходит.
Но когда оно ослабляется при замыкании контура, обнаруживается, что силы, установившиеся в противоположных направлениях относительно цинка и электролита, достаточны, чтобы нейтрализовать друг друга. Затем происходит ряд разложений и воссоединений частиц водорода и кислорода, из которых состоит вода, между местом контакта с платиной и местом, где цинк активен. Очевидно, что эти промежуточные частицы находятся в тесной связи и зависимости друг от друга. Цинк образует сложное вещество из тех частиц кислорода, которые до этого были связаны с ним и с водородом. Кислота удаляет оксид, и чистая поверхность цинка предстает перед водой, чтобы обновиться и повторить действие».
Эти идеи были развиты более поздними приверженцами химической теории, а особенно другом Фарадея Кристианом Фридрихом Шенбейном из Базеля (1799 – 1868), который открыл озон. Шенбейн придал гипотезе большую определенность, приняв, что при разомкнутом контуре, молекулы воды, расположенные около цинковой пластинки, электрически поляризуются, причем кислородная часть каждой молекулы поворачивается к цинку и приобретает отрицательный заряд, тогда как водородная часть отворачивается от цинка и приобретает положительный заряд.
В третьей четверти девятнадцатого века всеобщее мнение благоприятствовало концепции подобного рода. Гельмгольц попытался более глубоко понять молекулярные процессы, принимая, что разные химические элементы обладают разной притягивающей способностью (действующей только на небольших расстояниях) для стеклянного и смоляного электричества. Так калий и цинк сильнее притягивают положительные заряды, а кислород, хлор и бром сильнее притягивают электричество отрицательного знака. Эта гипотеза еще немного отличается от первоначальной гипотезы Вольта тем, что принимает существование двух электрических жидкостей там, где Вольта принимал только одну.
Очевидно, что гипотеза Гельмгольца, равно как и гипотеза Вольта, способна объяснить контактную разность потенциалов двух металлов. Теми же самыми принципами можно объяснить и действие гальванического элемента, так как два иона, из которых состоят молекулы жидкости, тоже будут обладать разной способностью притягивать электричество и, можно предположить, что они будут объединяться соответственно со стеклянным и смоляным зарядами.
Таким образом, когда два металла погружены в жидкость при разомкнутом контуре, отрицательный металл притягивает положительные ионы, а положительный металл притягивает отрицательные ионы, из-за чего возникает поляризованное расположение молекул жидкости около металлов. При замкнутом контуре положительно заряженная поверхность положительного металла растворяется в жидкости; и, поскольку атомы уносят свой заряд с собой, положительный заряд на погруженной в жидкость поверхности этого металла должен постоянно обновляться током, который течет по внешнему контуру.
Мы увидим, что Гельмгольц не придерживался доктрины Дэви относительно электрической природы химического сродства так же непосредственно и непоколебимо, как Фарадей, которому она нравилась в самой прямой и бескомпромиссной форме. «Все факты показывают, — писал он, — что ту силу, которую все называют химическим сродством, можно сообщить на расстояние через металлы и определенные формы углерода; что электрический ток — это всего лишь другая форма сил химического сродства; что его сила пропорциональна химическим сродствам, его производящим; что при недостаточной его силе можно обратиться за помощью к химическим элементам: недостаток первого компенсируется эквивалентом последних; что, другими словами, силы, называемые, химическим сродством, и электричество — это одно и то же».
В промежутке между ранними и поздними работами Фарадея по гальваническому элементу некоторые важные результаты по этому предмету опубликовал Фредерик Даниель (1790 – 1845), профессор химии в Кинге Колледж, в Лондоне. Даниель показал, что при прохождении тока через водный раствор соли ток переносят ионы, извлеченные из соли, а не ионы кислорода и водорода, извлеченные из воды.
Это следует из того, что ток разделяется между различными смешанными электролитами, согласно сложности разложения каждого, а то, что для электролиза чистой воды необходимо приложить немало усилий — общеизвестный факт. Затем Даниель показал, что, скажем, из сульфата натрия появляются не ионы Na2O и SO3, а ионы Na и SO4 и что в подобном случае серная кислота образуется на аноде, а натрий — на катоде при вторичном действии, вызывая наблюдаемое образование кислорода и водорода на этих выводах.
6. Свойства диэлектриков
Исследования Фарадеем разложения химических сложных веществ, помещенных между электродами с разным потенциалом, привели его в 1837 году к размышлению о поведении веществ, подобных терпентиновому маслу или сере, если то же самое сделать с ними. Эти вещества не проводят электричество и не разлагаются. Но если между металлическими поверхностями конденсатора поддерживать определенную разность потенциалов и если в пространство между ними поместить одно из таких изолирующих веществ, то, оказывается, что заряд на каждой поверхности зависит от природы изолирующего вещества.
Если для любого конкретного изолятора заряд имеет значение ε, умноженное на значение, которое он имел бы, если бы промежуточным веществом был воздух, то число ε можно рассматривать как меру влияния изолятора на распространение через него электростатического действия. Фарадей назвал это число диэлектрической проницаемостью изолятора.
Открытие этого свойства изолирующих веществ или диэлектриков породило вопрос о том, можно ли его согласовать со старыми представлениями об электростатическом действии. Рассмотрим, например, силу притяжения или отталкивания между двумя маленькими, электрически заряженными телами. Пока они находятся в воздухе, эта сила обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Но если среду, в которую они погружены, частично изменить, — например, если в промежуточное пространство поместить шарик серы, — этот закон уже не действует. Изменение в диэлектрике влияет на распространение электрической напряженности по всему полю.
Эту задачу можно было решить удовлетворительно, только сформировав физическое представление о действии диэлектриков, что и сделал Фарадей. Первоначальную эту идею обнародовал еще его учитель — Дэви. Объясняя действие гальванического столба, он предположил следующее. До того, как произойдет химическое разложение, жидкость играет роль, аналогичную роли стекла в лейденской банке. Именно в этом состоит электрическая поляризация молекул жидкости. Эту гипотезу Фарадей развил. Ссылаясь, прежде всего, на свою собственную работу по электролизу, он утверждал, что диэлектрик ведет себя точно так же, как электролит, до момента его распада под действием электрического напряжения. Диэлектрик же, действительно, способен выдержать напряжение, не разлагаясь.
«Пусть, — доказывал он, — электролитом будет вода, точнее, ледяная пластина, покрытая с обеих сторон платиновой фольгой. Причем эти покрытия связаны с любым непрерывным источником двух электрических сил. Тогда лед приобретет заряд, как в опыте с лейденской банкой, т.е. будем иметь случай обычной индукции. Если лед превратить в жидкость, индукция понизится до определенной степени, потому что сможет течь ток. Однако его течение зависит от особого молекулярного расположения частиц, согласующихся с передачей элементов электролита в противоположных направлениях...
Следовательно, как и в действии электролита, индукция является первым этапом, а разложение — вторым. Природа индукции аналогична природе индукции в воздухе, стекле, воске и т.д. Поскольку все реакции в электролите оказываются действиями частиц, приведенных в поляризованное состояние, я с радостью предположил, что сама обычная индукция во всех случаях является действием смежных частиц и что электрическое действие на расстоянии (т. е обыкновенное индуктивное действие) происходит только благодаря влиянию промежуточной материи».
Таким образом, у истоков представления Фарадеем электростатической индукции лежит идея о том, что вся изолирующая среда, в которой происходит действие, находится в состоянии поляризации, подобном тому, которое предшествует разложению в электролите. «Изоляторами, — писал он, — можно назвать вещества, частицы которых способны сохранять состояние поляризации, тогда как проводники — это вещества, частицы которых не могут быть постоянно поляризованы».
Представление о поляризации, которого он придерживался в это время, можно преобразовать, исходя из того, что он уже написал об электролитах. Он допустил, что в неполяризованном состоянии молекулы тела состоят из атомов, связанных друг с другом силами химического сродства. Причем эти силы по своей природе действительно являются электрическими. Такие же силы, хотя и в меньшей степени, действуют между атомами, принадлежащими различным молекулам. При возникновении электрического поля изменяется распределение этих сил. Действуя симметрично относительно направления приложенной электрической силы, одни из них усиливаются, другие — ослабевают.
Такое поляризованное состояние, которое диэлектрик приобретает при помещении его в электрическое поле, представляет очевидную аналогию состоянию магнитной поляризации, которую приобретает масса ковкого железа, помещенная в магнитное поле. Поэтому совершенно естественно, что при исследовании этого предмета Фарадей ввел электрические силовые линии, подобные магнитным силовым линиям. Электрическую силовую линию он определили как кривую, касательная к которой в каждой точке имеет то же направление, что и напряженность электрического поля.
Если в поле ввести серу или другое вещество с высокой удельной диэлектрической проницаемостью, то эффект будет выглядеть так, будто силовые линии стремятся втиснуться в тело диэлектрика. Изучая изображения силовых линий во множестве отдельных случаев, Фарадей заметил, что они всегда располагаются так, словно подвержены взаимному отталкиванию. (…)
Представление о действии, которое постепенно распространяется в среде под влиянием соседних частиц, прочно закрепилось в разуме Фарадея, и он применял его почти для каждой области физики. «Мне представляется возможным, — писал он в 1838 году, — и даже вероятным, что действие магнитного поля можно сообщать на расстоянии через действие промежуточных частиц практически так же, как передаются на расстоянии индуктивные силы статического электричества. На некоторое время промежуточные частицы принимают более или менее похожее состояние, которое (несмотря на очень несовершенное представление) я несколько раз называл электротоническим состоянием».
Этот же набор идей оказался достаточным и для объяснения электрических токов. Фарадей предположил, что проводимость может быть «действием соседних частиц, которое зависит от сил, получившихся в процессе электрического возбуждения. Эти силы приводят частицы в состояние натяжения или поляризации. Находясь в этом состоянии, соседние частицы обладают способностью сообщать друг другу силы. В критический момент происходит разряд».
7. Связь между магнетизмом и светом
После десятилетней усиленной работы, которая последовала за открытием индукционных токов, в 1841 году, Фарадей обнаружил, что она повлияла на его здоровье, поэтому он отдыхал в течение четырех лет. Второй период его блестящих открытий начался в 1845 году. В разные времена множество исследователей проводили многочисленные опыты с целью установления связи между магнетизмом и светом. Эти опыты обычно принимали форму попыток намагнитить тело, подвергая его особыми способами воздействию особых видов излучения. О получении успешного результата сообщалось не однажды — увы, он ни разу не подтвердился при повторном проведении опыта.
Первым истинный путь указал сэр Джон Гершель. Открыв связь между внешним видом кристаллов кварца и их свойством вращения плоскости поляризации света, Гершель заметил, что прямолинейный электрический ток, отклоняющий стрелку вправо и влево на всем протяжении, обладает геликоидальной асимметрией, подобной той, которую демонстрируют кристаллы. Поэтому аналогия «привела меня, — писал он, — к заключению о том, что между электрическим током и поляризованным светом существует подобная связь, которую так или иначе можно обнаружить, и что плоскость поляризации отклоняется под воздействием магнитоэлектричества».
Гершель так и не проверил свое предсказание на опыте. Это сделал Фарадей, который еще в 1834 году пропустил поляризованный свет через раствор электролита во время прохождения тока в надежде увидеть изменение поляризации. Эта ранняя попытка закончилась неудачей. Но в сентябре 1845 года, он изменил опыт, поместив между полюсами возбужденного электромагнита кусок толстого стекла, и обнаружил, что плоскость поляризации луча света вращается, когда луч проходит через стекло параллельно силовым линиям магнитного поля.
В следующем году швейцарский физик, Э. Ф. Вартман, описал опыты, указывающие на то, что явление, в точности похожее на вращение плоскости поляризации света в магнитном поле, описанное Фарадеем, можно наблюдать, если пропустить инфракрасные лучи через каменную соль в сильном магнитном поле. Абсолютное подтверждение этого результата немного позднее получили Ф. де ля Провостэ и П. К. Дезэн.
В следующий после открытия Фарадея год Эйри предложил аналитический способ представления этого эффекта. Как и можно было ожидать, этот способ заключался в изменении уравнений, которые уже ввел МакКулаг для естественно активных тел. (…)
8. "Размышления о световых колебаниях"
Открытие связи магнетизма и света вызвало интерес к небольшой работе теоретического характера, которую Фарадей опубликовал в 1846 году под заголовком Размышления о световых колебаниях. В этой работе можно проследить ход мыслей Фарадея в направлении теории, похожей на электромагнитную теорию света.
Рассматривая в начале природу весомой материи, он предполагает, что элементарный атом — это не что иное, как силовое поле, — электрическое, магнитное и гравитационное — окружающее точечный центр. В соответствии с этим взглядом, который, в сущности, совпадает со взглядом Мичелла и Бошковича, атом не имеет определенного размера. Его, скорее, следует воспринимать как абсолютно проницаемый и простирающийся через все пространство, а молекула химического сложного вещества состоит не из атомов, расположенных рядом друг с другом, а из «силовых сфер, проникающих друг в друга, причем их центры даже совпадают».
Поскольку все пространство пронизано силовыми линиями, Фарадей решил, что свет и инфракрасное излучение могут быть поперечными колебаниями, которые распространяются вдоль этих силовых линий. Таким образом, он предложил «забыть об эфире» или, вернее, заменить его силовыми линиями между центрами, тогда центры вместе со своими силовыми линиями будут составлять частицы материальных веществ.
Если необходимо принять существование светоносного эфира, Фарадей сказал, что этот эфир может быть носителем магнитной силы, «поскольку, — писал он в 1851 году, — весьма вероятно, что если эфир существует, то он должен делать что-то еще, кроме передачи излучений». Это предложение можно рассматривать как зарождение электромагнитной теории света.
В период, когда была опубликована эта работа, Фарадей, стремился всё понять через силовые линии, и его уверенность в правильности этого способа возросла под влиянием еще одного открытия. Через несколько недель после первого наблюдения эффекта, названного его именем, он заметил, что толстый стеклянный стержень, который он использовал в этом опыте, будучи подвешенным между полюсами электромагнита, располагается поперек линии, соединяющей эти полюса. Таким образом, он ведет себя противоположно стержню из обыкновенного ферромагнитного вещества, который стремится располагаться вдоль этой линии. Более простая демонстрация этого эффекта была получена при использовании куба или сферы из этого вещества. В этом случае вещество выказывало предрасположенность к движению из более слабых областей магнитного поля в менее слабые. Тогда стало ясно, что такое направление стержня — это всего лишь результирующая стремлений каждой из его частиц двигаться наружу в положение минимального магнитного действия.
9. Исследования диамагнетизма Фарадеем и Плюккером
Оказалось, что таким свойством обладает не только толстое стекло, но и многие другие вещества, в частности, висмут. Такие вещества назвали диамагнетиками.
«Теоретически, — отмечал Фарадей, — объяснение движений диамагнитных тел можно было бы дать, предположив, что магнитная индукция вызывает в них состояние, противоположное тому, которое она создает в ферромагнитной материи. То есть, если частицу каждого вида материи поместить в магнитное поле, то обе частицы будут намагничены и ось каждой будет параллельна результирующей магнитной силы, проходящей через нее. Но северный и южный полюса частицы ферромагнитной материи будут обращены к противоположным полюсам индуцирующего магнита, тогда как с диамагнитными частицами произойдет обратное. Из этого следует, что в одном веществе произойдет приближение, а в другом — отталкивание. По теории Ампера этот взгляд был бы эквивалентен предположению о том, что как в железе и ферромагнетиках происходит индуцирование токов, текущих в одном направлении. В висмуте, толстом стекле и диамагнитных веществах индукционные токи текут в обратном направлении» [Отталкивание висмута в магнитном поле ранее наблюдал А. Бругманс в 1778 году].
Это объяснение известно как гипотеза диамагнитной полярности. Она уподобляет диамагнетизм обыкновенному индуцированному магнетизму во всех отношениях, за исключением того, что направление индуцированной полярности — обратно. Эту гипотезу приняли другие исследователи, в особенности, В. Вебер, Плюккер, Рейх и Тиндаль. Но впоследствии она впала в немилость у своего создателя, уступив место другой концепции, которая в большей степени соответствовала его особым взглядам на природу магнитного поля.
В этой второй гипотезе Фарадей предположил, что обыкновенное магнитное или парамагнитное вещество. Это вещество позволяет особо легкое прохождение магнитных силовых линий, так что они стремятся попасть в него, предпочитая его всем остальным. Диамагнитное вещество имеет более низкую способность проводить силовые линии, поэтому они стремятся избежать его. (…)
В течение некоторого времени защитники диамагнитных теорий «полярности» и «проводимости» вели спор, который, подобно спору между приверженцами одно- и двухжидкостной теорий электричества, продолжался даже после того, как было показано, что конкурирующие гипотезы математически эквивалентны и что невозможно придумать опыт, с помощью которого их можно было бы различить.
Тем временем открывали новые свойства веществ, способных к намагничиванию. В 1847 году Юлиус Плюккер (1801 – 1868), профессор натурфилософии в Боннском университете, повторяя и расширяя опыты Фарадея по магнетизму, заметил, что некоторые одноосные кристаллы, будучи помещенными между двумя полюсами магнита, стремятся расположиться так, чтобы их оптическая ось заняла положение экватора. В 1848 год Фарадей убедился, что если кристалл висмута поместить в поле равномерной магнитной силы (так чтобы его диамагнитные свойства не вызывали тенденцию к движению), то он располагается так, что одна из его кристаллических осей направлена вдоль силовых линий.
Сначала Фарадей предположил, что этот эффект отличается от того, который незадолго до этого открыл Плюккер. «Эти результаты, — писал он, — очень сильно отличаются от результатов, производимых диамагнитным действием. Точно также они отличаются и от результатов, которые получил и описал Плюккер в своих замечательных исследованиях связи оптической оси с магнитным действием, поскольку в том случае сила является экваториальной, а в этом случае — осевой. Таким образом, эти результаты, видимо, представляют новую силу, или новый вид силы, в молекулах материи, которую условно назову магнитокристаллическая сила». Однако позднее в этом же году он признал, что «явления, которые открыл Плюккер, и явления, рассмотренные мной, имеют общий источник и одну и ту же причину».
Идею о «проводимости» магнитных силовых линий различными веществами, которая помогла Фарадею столь успешно объяснить явления диамагнетизма, он применил теперь для изучения магнитного поведения кристаллов. «Если, — писал он, — применить идею проводимости к этим магнитокристаллическим телам, кажется, она будет удовлетворять всему, что необходимо для объяснения особых результатов, которые они дают. Тогда магнитокристаллическое вещество — это вещество, которое в кристаллизированном состоянии может проводить магнитную силу, или позволять ее прохождение, в одном направлении легче, чем в другом. Это направление является магнитокристаллической осью. Значит, находясь в магнитном поле, магнитокристаллическая ось под действием силы, соответствующей этой разнице, примет положение, совпадающее с магнитной осью, точно так же, как если бы мы взяли два тела, и одно из них, обладающее более высокой проводящей способностью, смещало бы тело с более низкой проводящей способностью».
Эта гипотеза привела Фарадея к предсказанию существования еще одного типа магнитокристаллического эффекта, который до тех пор не наблюдали. «Если этот взгляд верный, — писал он, — то из него следует, что диамагнитное вещество, подобное висмуту, должно в меньшей степени проявлять диамагнитные качества, когда его магнитокристаллическая ось параллельна магнитной оси, чем когда она перпендикулярна ей. В двух положениях это вещество должно быть эквивалентно двум веществам, имеющим разную способность проводить магнетизм. Следовательно, если рассматривать его в различных состояниях равновесия, то проявится различные явления». Это ожидание оправдалось, когда этот вопрос подвергли экспериментальной проверке.
Ряд экспериментальных исследований в области электричества Фарадея завершился в 1855 году. Заключительный период своей жизни Фарадей спокойно прожил в Хэмптон Корт, в доме, который был предоставлен в его распоряжение милостью королевы, и там же 25 августа 1867 года он перешел в мир иной.
Никто не сомневается в том, что среди философов-экспериментаторов Фарадей занимает выдающееся место. Научные труды, содержащие его открытия, никогда не перестанут читать с восхищением и удовольствием. Будущие поколения с той же стойкой привязанностью будут хранить его личные записи и семейные архивы, которые воскрешают воспоминания о его скромном и бескорыстном духе.
Материал представил Олег Акимов 22 февраля 2014 года
|
|