Майкл Фарадей – выдающийся химик и физик, автор открытия электромагнитной индукции, создатель первой модели электродвигателя. Ученый предполагал существование электромагнитных волн, которые оказались открытыми только после его смерти. Стал инициатором введения в научный обиход ряда терминов. Ученый считается основателем учения об электромагнитном поле, над которым более детально работал впоследствии Джеймс Максвелл. Фарадей не поддерживал некоторые аксиомы прошлых физиков, в частности, он не соглашался с тем, что тела действуют друг на друга непосредственно, через пустоту, как утверждал Ньютон, и вместо этого предложил свою концепцию физического поля. Физическое поле – это определенный участок пространства, заполненный интегральными прямыми, который вступает во взаимодействие с объектами сам и становится посредником при взаимодействии других объектов. Открытия Майкла Фарадея заслуживают более подробного рассмотрения.
Модель электромагнитного поля
Фарадей представил миру совершенно новый взгляд на электромагнитные явления. Впервые современный термин «электромагнитное поле» был использован ученым в его дневнике еще в 1845-м году, распространение которому дал Джеймс Максвелл. Как уже было сказано ранее, поле – это участок пространства, полный графических силовых линий. До Фарадея сила действия такого поля считалась далекой, по крайней мере, так утверждал Ампер. Фарадей же начал рассматривать само поле с другой точки зрения, и в конечном итоге пришел к выводу, что основным свойством электромагнитного пространства являются как раз таки близкодействие и постоянность обмена энергии между соседними точками.
Основу электрического поля и электрических сил до Фарадея физики видели в непрерывном взаимодействии зарядов. Майкл Фарадей же пересмотрел это утверждение и доказал, что электрическое поле – это результат существования только одного заряда, а второй взаимодействует с ним уже непосредственно с помощью поля.
электрическое поле
Еще одним новшеством в учении об электрическом поле было, как уже отмечалось ранее, то, что Фарадей отказывался от идеи о дальнодействии поля. Его предположения подтвердились исследованиями и опытами с полупроводниками и диамагнетиками. В их результате оказалось очевидным, что окружающая электрическая среда – такой же полноправный участник электромагнитных процессов, как и заряды. В вопросах магнитного поля все было гораздо сложнее, для определения движения магнитных сил физику пришлось ввести дополнительные обозначения – силовые линии, которые (как магнитные, так и электрические), могут искривляться. Опыты Майкла Фарадея сделали возможным широкое применение индукции.
Теоретическим обобщением исследований ученого стал 12-й выпуск серии «Экспериментальные исследования по электричеству», а общим результатом опытов оказался вывод Фарадея о том, что электромагнитная индукция – это всегда результат действия смежных частиц, либо частиц, объединенных электрическим полем.
Открытия в области химии
Несмотря на то, что современным людям Фарадей известен больше за открытия в области физики, он, как и многие выдающиеся ученые того времени, работал и в других областях. Одним из его достижений является открытие углеводородов бензола и изобутилена. Ученый занимался и получением веществ в жидком состоянии, в частности хлора, аммиака, сероводорода, чего его предшественники добиться не сумели. Широкое практическое применение получило одно из созданий Фарадея – гексахлоран, на основе которого достаточно долгое время изготавливали яды для вредных полевых насекомых. Такие изобретения Фарадея существенно облегчили работу в сфере сельского хозяйства.
Но основная масса работ ученого по химии все-таки была сопряжена и с физикой. Он верил во взаимосвязь всех происходящих в природе процессов, в том числе физических с химическими. Его догадки были подтверждены после открытия первых законов электролиза, ставших фундаментом для новой отрасли науки – электрохимии, а также родивших предположения о мельчайших частицах с минимальным зарядом, которые впоследствии и вправду оказались открыты (электроны). Эти же законы помогли высчитать примерное числовое значение заряда.
гексахлоран
До Фарадея физики думали, что электролиз — это результат взаимодействия ионов и электродов на расстоянии. Однако открытие постулатов электрохимии подтвердило правоту Фарадея в том, что электромагнитные силы близкодействены. Он доказал, что электролиз случается благодаря местному току и только в местах его прохождения, а при дальнем расположении электродов друг от друга он не случится. Взаимодействие ионов на некотором расстоянии при электролизе действительно случается, но это результат электролиза, а не его причина. Для доказательства был проведен эксперимент: по две стороны от смоченной соляным раствором бумаги расположил на небольших промежутках разведенные электроды, в результате чего произошло разложение раствора из-за электрической искры. Открытие электролиза стало еще одним важным достижением Фарадея.
Свойства электромагнитной индукции
Еще одним достаточно значимым открытием Фарадея стало открытие свойств электромагнитной индукции. В 1831-м году ученый в качестве эксперимента решил сконструировать примитивный трансформатор, представлявший собой металлическое кольцо с обмотанными проволокой и индийским хлопком между ее спиралями противоположными сторонами; оно напоминало баранку, по одной из сторон которой пустили ток. Металл должен был принципиально быть мягким, для лучшего воздействия сил магнетизма. Фарадей хотел добиться на одном полушарии чего-то вроде магнитной бури, сильного скачка напряжения. В таком случае на второй части кольца должен будет возникнуть электрический ток, что доказало бы взаимосвязь магнитных и электрических сил. Ответа на вопрос, почему другие ученые, имеющие возможность провести такой легкий эксперимент, не делали этого, либо сделав, не замечали появления тока, Фарадей так и не получил. Скорее всего, их приборы для измерения силы тока, по сравнению со сверхчувствительным гальванометром Фарадея, были недостаточно мощными для обнаружения настолько маленьких скачков.
Свойства электромагнитной индукции
Еще одной догадкой было то, что скорее всего предыдущие физики использовали постоянный ток, в то время как изменения лучше всего наблюдались при изменении состояния цепи, а при стабильном токе колебание стрелки практически неуловимо. После того, как догадки о взаимосвязи двух сил подтвердились, Фарадей, проделав этот эксперимент еще несколько раз, дабы убедиться в неизменности результатов, осознал, что стоит на пороге великого открытия.
Это открытие – открытие электромагнитной индукции, которое сейчас изучается даже в школах. Еще раньше было известно существование сил индукции, и даже то, что они связанны с электричеством, но открытие Фарадея состояло в том, что он смог доказать, что индукция происходит не только статическим электричеством, но и с изменяющимся.
Диск Фарадея
Диск Фарадея, или униполярный генератор – это одно из немногих практических изобретений Майкла Фарадея. Устройство применяется для генерации постоянного электрического тока, то есть является одной из разновидностей электродвигателя. Оно состоит собственно из диска, из оси для него и двух токоприемников на оси диска и около его края. Диск является источником постоянного магнитного поля.
Диск Фарадея появился благодаря тому, что ученый решил изготовить устройство, которое претворило бы теоретическое открытие в жизнь, и создал прибор, преобразующий механическую энергию в электричество. Конечно, само по себе оно было малоэффективно, особенно по сравнению с уже существовавшими источниками энергии, но для дальнейшего развития физики имело большое значение. Открытый Фарадеем закон подразумевал то, что проводящий контур будет пересекать силовые линии магнитного поля, но в униполярном генераторе контур был неподвижным, а линии магнитного поля направлены вдоль оси вращения. Это, а также то, что взаимное вращение магнита и диска становилось причиной появления ЭДС, развило парадокс Ферми, который, впрочем, оказался разрешен с открытием электрона.
Диск Фарадея
Принцип работы диска Фарадея достаточно прост. Между двумя полюсами постоянного источника магнитного поля зажат вращающийся диск. Силовые линии поля направлены туда же, куда и ось вращения диска. По мере вращения диска в таком однородном поле, свободные электроны подвергаются воздействию немного видоизмененной силы Лоренца (за отсутствием внешнего электрического поля и перпендикулярности магнитного поля диску). Направление вышеупомянутой силы (к центру диска или к внешней стороне) зависит от направления вращения диска. В любом случае, диск становится носителем автономного электрического поля, перпендикулярного основной плоскости и растущего до тех пор, пока его сила не сравняется с силой Лоренца.
Другие достижения
Майкл Фарадей, родившись в бедной многодетной семье, сам смог многого добиться в жизни, стать членом таких важных и уважаемых научных организаций, как Лондонское королевское общество и Петербургская академия наук (в качестве почетного иностранного члена).
В его честь было названо множество открытий, сделанных самим ученым, например, закон электролиза Фарадея или диск Фарадея. Память физику была увековечена и в других областях науки. Так, например, существует две единицы измерения – фарад (измеряет электроемкость) и фарадей, измеряющий непосредственно электрический заряд (используется в электрохимии). Хоть сам ученый не занимался изучением космоса, его именем было названо два астрономических объекта – кратер на Луне и астероид.
Автор: Ксения Бирюкова