От силовых линий Фарадея до поля Максвелла
От силовых линий Фарадея до поля Максвелла
Талантливому человеку сделать великое открытие иногда помогает даже недостаток образования. Сын кузнеца, ученик переплетчика, Фарадей был самоучкой, но своим интересом к науке и способностями обратил на себя внимание видного британского физика и химика Г.?Дэви. Начав работать его ассистентом в лаборатории Британского королевского института, через 12 лет — в 1825 году — Фарадей стал ее директором. Самоучку продвинули успехи его экспериментальных исследований.
Электромагнитные открытия 1820 года сразу привлекли внимание Фарадея, и уже в следующем году он написал исторический обзор электромагнетизма, повторив все важнейшие опыты. А попутно придумал, как сделать, чтобы провод с током вращался вокруг магнита.
Его главное открытие не было случайным: с 1824 года он пытался получить электрический ток в проводе при помощи магнита или тока в другом проводе. В 1831 году (год рождения Максвелла) 40-летний экспериментатор обнаружил, что движение магнита порождает ток в проводнике. Он не просто в своих опытах обнаружил новое явление, но и открыл закон этого явления —
Помог ему недостаток знаний математики и тогдашней теории электричества и магнетизма, держащей себя в рамках дальнодействия. Для формулировки закона Фарадей придумал свой собственный язык, где главным стало понятие «силовых линий». Эти линии он видел своими глазами. И каждый может увидеть, если насыплет железные опилки на лист картона, а снизу поднесет магнит. Линии, вдоль которых опилки выстраиваются и которые Фарадей назвал силовыми, показывают направление магнитной силы, а густота линий — величину этой силы. После трехмесячных исследований он пришел к выводу, что в замкнутом проводнике ток пропорционален изменению числа силовых линий, проходящих через контур проводника в единицу времени.
Опыт Фарадея немедленно повторили физики разных стран и убедились, что он действительно открыл новое явление. Но его самодельный язык не приняли и стали искать «более научный». По словам Максвелла, полвека спустя, «теоретики, забраковав фарадеевский язык, так и не придумали никакой иной, чтобы описать явление, не вводя гипотезы о вещах несуществующих, как, например, токи, которые вытекают из ничего, затем текут по проводу и утекают опять в ничто».
В таком состоянии была наука об электромагнетизме, когда за нее взялся 24-летний Максвелл. В самодельных понятиях Фарадея он увидел больше, чем в изощренных математических построениях континентальных теоретиков:
Введенные Фарадеем понятия «силовое поле», «силовые линии», «индукция» выражают его подход к науке: тщательное наблюдение избранных явлений, исследование полученных представлений и, наконец, изобретение понятий, приспособленных для обсуждения этих явлений. Огромная роль Фарадея в науке об электромагнетизме может вызвать сомнение, поскольку эта наука приняла математическую форму еще до Фарадея, который вовсе не был математиком. В его описаниях не найти дифференциальных и интегральных уравнений, которые многим кажутся сутью точной науки. В трудах Пуассона и Ампера, вышедших до Фарадея, или Вебера и Неймана — после него, каждая страница пестрит формулами, ни одну из которых Фарадей не понял бы.
Максвелл, однако, прекрасно понимал, что все эти формулы лишь развивали методы Ньютона и вовсе не исчерпывали возможности математического языка, на котором написана Книга Природы:
То, как Фарадей с помощью своей идеи силовых линий описал явление электромагнитной индукции, доказывает, что он был мощным теоретиком, у которого можно черпать плодотворные методы.
Первая работа Максвелла по электромагнетизму «О силовых линиях Фарадея» начинается так: «Нынешнее состояние науки об электричестве кажется особенно неблагоприятным для теории». Действительно, законы некоторых электрических и магнитных явлений, выведенные из экспериментов, были выражены математически, но не связаны между собой, хотя в поведении зарядов, токов и магнитов взаимосвязь проявлялась.
Чтобы овладеть этой наукой, — пишет Максвелл, — надо узнать такой объем сложнейшей математики, что простое удержание его в памяти существенно мешает продвижению. Первым делом поэтому надо упростить результаты предыдущих исследований и свести их к форме, которую можно охватить.
Максвелл, очевидно, верил в выполнимость этой задачи, но одной лишь веры для успеха мало. Почему путеводную идею Максвелл усмотрел в подходе Фарадея, логически не объяснить: подобный выбор пути обычно делает интуиция. Можно лишь указать факторы, которые помогали Максвеллу.
Прежде всего он слишком хорошо понимал Ньютонову физику и область ее применимости, чтобы надеяться на ее всемогущество. Ему были понятны слова Ньютона, который казался себе «ребенком, нашедшим пару камешков покрасивее на берегу океана нераскрытых истин». Перед Максвеллом была одна из таких нераскрытых истин — электромагнетизм.
Фарадеевское понятие силовой линии не только позволило описать явление электромагнитной индукции — оно указывало на новый характер взаимодействия. Силовые линии, увиденные Фарадеем с помощью железных опилок, не зависели от размера опилок. Мысленно уменьшая этот размер до нуля, получим свойство в данной точке пространства в данный момент времени. Но свойство чего? Исчезающие опилки напоминают улыбку Чеширского кота, который — по воле Льюиса Кэрролла — таял в воздухе, оставляя лишь свою улыбку.
Десять лет спустя Максвелл, как и нынешние физики, сказал бы: «Свойство электромагнитного поля». Десять лет ему понадобились, чтобы выработать точный — научный — смысл этого понятия, использованного в заглавии его работы 1865 года «Динамическая теория электромагнитного поля».
О «магнитном поле» говорил еще Фарадей, но у него «поле» — слово обыденного, ненаучного, языка, синоним понятий «область», «сфера» (чего-либо). Выражение Фарадея означало просто «область пространства, где действуют магнитные силы». Так в русском языке говорят о «поле зрения» и «поле действия». В английском — «поле» применяется еще шире, скажем, «область физики» переводится с участием слова «field» — «поле».
Максвелл также начинал с обыденного смысла этого слова. Он искал закон взаимосвязи электрических и магнитных свойств в каждой точке «поля действия электромагнетизма» — искал закон, переходящий в частных случаях в известные законы Кулона, Ампера, Фарадея. Максвелл не знал, что не хватает еще одного закона, который ему предстоит открыть.
Свойств в каждой точке четыре: электрическая и магнитная силы, заряд и ток. Столько же должно было быть и взаимосвязей, или, на математическом языке, уравнений. Тот, кто видел четыре лаконичных уравнения Максвелла в нынешних учебниках:
очень удивится, заглянув в статьи Максвелла 1855, 1861 и 1865 годов, в которых тот прошел путь к своим уравнениям. В каждой статье более полусотни страниц. И удивительное различие материала. В первой статье механизм поведения силовых линий представлен движением невесомой и несжимаемой жидкости. Во второй — появляются в огромном количестве некие «молекулярные вихри» и две «эфирные среды», в которых происходят электромагнитные и световые явления. В третьей статье уже никаких вихрей, два эфира совпадают, а свет назван электромагнитным явлением.
Непоследовательность? Максвелл объяснил свой метод исследования в самом начале поиска — в статье 1855 года. Выбрав отправной точкой идеи Фарадея, Максвелл сравнил два метода — «чисто математическое формулирование или физическая гипотеза»: в первом случае теряется физическая природа явления, во втором явление рассматривается через узкий окуляр избранной гипотезы. И Максвелл избрал третий путь — «офизичить» математическое описание с помощью подходящих физических аналогий, делая математический язык более наглядным, но не привязывая себя к этим аналогиям намертво и сохраняя свободу в поиске адекватного описания. Речь шла об иллюстрациях, помогающих воображению без претензий на раскрытие сути явления. Такой метод позволял переходить с одного уровня описания на другой без необходимости объяснять все причины перехода. Ведь кроме объективно-уважительных причин действуют субъективно-интуитивные, которые и самому исследователю не всегда понятны.
По словам Эйнштейна, понятия так же нельзя вывести из опыта чисто логически, как «невозможно построить дом без использования лесов, которые сами вовсе не являются частями здания».
Такими лесами у Максвелла были потоки несжимаемой жидкости, силовые линии, молекулярные вихри, две эфирные среды. Построив здание теории электромагнитного поля, или электродинамики, леса он удалил. Почти все. Осталась единая эфирная среда, еще несколько десятилетий помогая воображению физиков, хоть в уравнениях Максвелла никакие ее свойства не участвовали.
Эфир можно сравнить с ненаблюдаемым Чеширским котом, у которого кроме видимой улыбки есть еще и слышимый голос. Наблюдатель может искать взаимосвязь между шириной улыбки и характером звуков — от нежного «муррр» до недовольного шипения. Такая взаимосвязь не нуждалась бы в наличии самого кота, хотя в поиске закономерности пушистый образ мог бы и пригодиться.
Подобные сравнения строгий читатель сочтет неуместными, поскольку речь идет об одном из величайших достижений в истории физики.
Не до шуток, вероятно, и тому читателю, кто настороженно ждет, не связано ли это достижение с чем-нибудь библейским. Спешу успокоить: никаких свидетельств такого рода Максвелл не оставил. И предлагаю читателям самим решить, можно ли подобным свидетельством посчитать отношение к уравнениям Максвелла его младшего современника и сподвижника в статистической физике Больцмана, который свои чувства по поводу уравнений Максвелла выражал строками «Фауста»:
Не Бог ли эти знаки начертал?
Таинственен их скрытый дар!
Они природы силы раскрывают
И сердце нам блаженством наполняют.
Атеист Больцман, похоже, мог поблагодарить Всевышнего за помощь Максвеллу в изобретении понятия поля и в открытии с помощью этого понятия системы законов электромагнетизма.
Не менее сильные чувства испытывали фундаментальные физики следующего поколения.
Макс Планк причислил успех Максвелла к «величайшим триумфам человеческого стремления к познанию», к «наиболее удивительным свершениям человеческого духа» и к проявлениям того, «что между законами природы и законами духа имеются какие-то очень тесные связи».
Эйнштейн подытожил проще, но не менее сильно: «Одна научная эпоха закончилась и другая началась».
В эпоху Максвелла и при его прямом участии произошло объединение физики, до того состоявшей из весьма автономных частей: механика, теплота и оптика. Статистическое объяснение теплоты объединило ее с механикой, а оптика оказалась проявлением электромагнитных сил. Но подлинно эпохальную роль Максвелл сыграл в том, что фундамент физики был впервые капитально перестроен. Величественное здание, заложенное Галилеем и возведенное Ньютоном, вместило новую физику молекулярно-тепловых явлений, но оказалось тесным, чтобы вместить — без перестройки — физику электромагнетизма.
Следующая глава >
fis.wikireading.ru
Глава 4 Возникновение концепции электромагнитного поля. М. Фарадей, Дж. К. Максвелл
4.1. Англия в XIX веке
Невозможно найти прямую связь между такими событиями как открытие Фарадеем самоиндукции (1831), введением Максвеллом тока смещения (1867) и, скажем, парламентской реформой 1832 года, образованием либеральной партии (1868) или «железнодорожной лихорадкой» 30-40-х годов. Но, с другой стороны, не может быть сомнений, что политический и экономический подъем Англии, превративший страну к середине века в «промышленное сердце» Европы, не случайно совпал по времени с деятельностью великих преобразователей в естествознании. Всегда яркий всплеск культуры проявляется одновременно во многих сферах.
Английская буржуазия к 1792 году была настроена против французской революции. Идеи свободы, равенства, братства воспринимались как опасная затея. Добрые старые английские традиции мудрее идей Просвещения, «король и церковь» — вот надежный лозунг дня. Книга Э. Берка «Размышления о французской революции» (1790), выдержавшая 11 изданий, изображала революцию как «хаос легкомыслия и жестокости». В 1893 году французский Конвент объявил войну Англии после того, как правительство Вильяма Питта выслало из Лондона французского посла. Война с Францией якобинцев непрерывно трансформировалась в войну с Францией Наполеона. За пафосом словесных обличений с обеих сторон стоял экономический интерес.
Англия полностью использовала свой шанс — островное положение и сильный флот. В 1798 году под Абукиром Франция терпит первое чувствительное поражение на море, в 1805 году под Трафальгаром разгромлена франко-испанская эскадра — адмирал Нельсон одерживает свою последнюю победу, за которую стоит отдать жизнь. Англия обретает полное господство на море. (С этого момента флот ее боевых кораблей в три раза больше, чем у Франции, Испании и Голландии вместе взятых.) После окончания наполеоновских войн начинается бурное развитие английской торговли, происходит интенсивная колонизация и захват стратегически важных пунктов по всему земному шару. А внутри страны — политические реформы и взрыв капиталистического производства.
После Парижского мира 1815 года Англия приобретает мыс Доброй Надежды, остров Гельголанд, Мальту, Цейлон. С 1820 года поток английских товаров хлынул в Латинскую Америку, отделившуюся от Испании. В 1819 году происходит захват Сингапура, в 1842 году — захват Гонконга, далее следует победа в «опиумных войнах» и открытие Китайского рынка, в 1852 году — захват Южной Бирмы, в 1839 году — Адена. Годы 1853-1856 — Крымская война с Россией и «нейтрализация» Черного моря, первая половина XIX века — освоение Австралии, 1841 год — аннексия Новой Зеландии, 1857-1859 годы — усмирение восстания в Индии, учреждение власти Вице-Короля вместо ослабевшей Ост-Индийской компании. Впечатляющий список, характеризующий беспрецедентные масштабы экспансии.
Одновременно нарастает поток золота в Англию (в 40-е годы он в пять раз выше, чем десятилетием раньше). Соответственно нарастает промышленный бум, страна стремительно превращается в «мастерскую мира». К середине века маленькая Англия обеспечивала 50% мировой добычи чугуна и угля, на ее долю приходилось 50% мирового тоннажа торгового флота. Из общей суммы оборота мировой торговли на Англию приходилось более трети.
К 1850 году примерно половина населения страны живет в городах, все крупные города связаны железнодорожными линиями. Уже в 1840 году путь от Лондона до Глазго занимал меньше суток. В 1848 году в Англии имеется 6500 км железных дорог (для сравнения: в России — 440 км, во Франции — 1900 км). В 60-е годы их длина уже 10000 км. В 1838 году первый английский океанский теплоход приплыл из Бристоля в Нью-Йорк за 20 дней.
С 1837 по 1901 год на троне королева Виктория. Термин «викторианская эпоха» связывается с наиболее ярким периодом в истории Великобритании. Но королевы в Англии, как известно, царствуют, а не правят. На политическую сцену XIX век выдвигает ряд дальновидных, талантливых, а, по обстоятельствам, и циничных, государственных деятелей, таких, как тори Пит, Дэрби, Пиль, Дизраели, таких, как либералы Палмерстон, Гладстон и другие. Эффективная, но часто двуличная политика Англии служит дополнением и прикрытием для действий линейных кораблей и экспедиционных корпусов. Чрезвычайно важно, что она позволяет гасить очаги общественного недовольства не только с помощью подкупа и компромиссов, но и за счет стимулирования роста общественного богатства как в метрополии, так и далеких окраинах.
Как обычно в живом теле, бурный рост сопровождается не только благородными отправлениями. Людям, особенно тонко чувствующим и ранимым, это трудно переносить. И появляются строки:
Продажно все: продажен свет небес,
Дары любви, что нам даны землей.
Ничтожнейшие, маленькие вещи,
Что в глубине, в далеких безднах скрыты,
Все, что есть в жизни, жизнь сама,
Содружество людей.
Свободы проблеск,
И те заботы, что людское сердце
Хотело б инстинктивно выполнять —
Все на публичном рынке продается.
(П.Б. Шелли, 1812)
Другим, может быть не столь ранимым людям, правильно понять происходившее мешают идеологические установки, и возникают оценки, которые, несмотря на их широкое распространение, являются глубоким заблуждением. Так, в советском варианте современной «Истории Англии» мы читаем: «Повсеместное выторговывание шиллингов и пенсов воспитывало бережливых дельцов, а не вдохновенных борцов. Оно отнюдь не способствовало тому взлету духовных сил, который порождает жажду высокого искусства».
В Англии описываемого периода работали Чарльз Диккенс (1812-1870), Самюэль Кольридж (1772-1834), Перси Шелли (1792-1822), Джордж Байрон (1788-1824), Уильям Тернер (1775-1851), Джон Констебль (1776-1837), Роберт Оуэн (1771-1868), Томас Мальтус (1766-1834), Уильям Блейк (1757-1827), Чарльз Дарвин (1809-1882), Герберт Спенсер (1820-1903), Джон Милль (1806-1875) и многие, многие другие, хотя только Фарадея и Максвелла уже было бы достаточно, чтобы составить славу этому периоду и свидетельствовать о «взлете духовных сил». В приведенном списке мы сознательно ставим в один ряд художников, представителей науки, литературы, социологии, так как достижения всех этих людей как раз объединены тем, что являются для каждого в своей сфере выражением «жажды высокого искусства».
Поделитесь на страничкеСледующая глава >
fis.wikireading.ru
Майкл Фарадей и рождение физики поля
Юлий Львович Менцин
«Квант» №1, 2012
22 сентября 2011 года исполнилось 220 лет со дня рождения Майкла Фарадея (1791–1867) — английского физика-экспериментатора, который ввел в науку понятие «поле» и заложил основы концепции о физической реальности электрических и магнитных полей. В наши дни понятие поля известно любому старшекласснику. Начальные сведения об электрических и магнитных полях и способах их описания при помощи силовых линий, напряженностей, потенциалов и т. п. давно вошли в школьные учебники по физике. В этих же учебниках можно прочитать о том, что поле — это особая форма материи, принципиально отличная от вещества. Но вот с объяснением того, в чем именно состоит эта «особость», возникают серьезные трудности. Естественно, винить в этом авторов учебников нельзя. Ведь если поле не сводимо к каким-то другим, более простым сущностям, то тут и объяснять нечего. Надо просто принять физическую реальность поля как экспериментально установленный факт и научиться работать с уравнениями, описывающими поведение этого объекта. К этому, например, призывает в своих «Лекциях»1 Ричард Фейнман, отметив, что ученые долгое время пытались объяснить электромагнитное поле при помощи различных механических моделей, но потом оставили эту затею и сочли, что физический смысл имеет лишь описывающая поле система знаменитых уравнений Максвелла.
Означает ли сказанное, что мы должны полностью отказаться от попыток понять, что такое поле? Думается, что существенную помощь в ответе на этот вопрос может оказать знакомство с «Экспериментальными исследованиями по электричеству» Майкла Фарадея — грандиозным трехтомным трудом, который гениальный экспериментатор создавал более 20 лет2. Именно здесь Фарадей вводит понятие поля и шаг за шагом разрабатывает идею о физической реальности этого объекта. При этом важно отметить, что «Экспериментальные исследования» Фарадея — одна из величайших книг в истории физики — написаны прекрасным языком, не содержат ни единой формулы и вполне доступны школьникам.
Введение поля. Фарадей, Томсон и Максвелл
Термин «поле» (точнее: «магнитное поле», «поле магнитных сил») был введен Фарадеем в 1845 году в ходе исследований явления диамагнетизма (термины «диамагнетизм» и «парамагнетизм» также были введены Фарадеем) — обнаруженного ученым эффекта слабого отталкивания магнитом ряда веществ. Первоначально поле рассматривалось Фарадеем как сугубо вспомогательное понятие, по сути координатная сетка, образованная магнитными силовыми линиями и использовавшаяся при описании характера движения тел вблизи магнитов. Так, кусочки диамагнитных веществ, например висмута, перемещались из областей сгущения силовых линий в области их разрежения и располагались перпендикулярно направлению линий.
Несколько позже, в 1851–1852 годах, при математическом описании результатов некоторых экспериментов Фарадея, термин «поле» эпизодически использовал английский физик Уильям Томсон (1824–1907).3 Что же касается создателя теории электромагнитного поля Джеймса Клерка Максвелла (1831–1879), то в его работах термин «поле» поначалу тоже практически не встречается и используется лишь для обозначения той части пространства, в которой можно обнаружить магнитные силы. Только в опубликованной в 1864–1865 годах работе «Динамическая теория электромагнитного поля», в которой впервые появляется система «уравнений Максвелла» и предсказывается возможность существования электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света, о поле говорится как о физической реальности.
Такова вкратце история введения в физику понятия «поле». Из нее видно, что первоначально это понятие рассматривалось как сугубо вспомогательное, обозначавшее просто ту часть пространства (она может быть и неограниченной), в которой можно обнаружить магнитные силы и изобразить их распределение при помощи силовых линий. (Термин «электрическое поле» стал использоваться только после создания Максвеллом теории электромагнитного поля.)
Важно подчеркнуть, что ни силовые линии, известные физикам до Фарадея, ни «состоящее» из них поле не рассматривались (и не могли рассматриваться!) научным сообществом XIX века как физическая реальность. Попытки же Фарадея говорить о материальности силовых линий (или Максвелла — о материальности поля) воспринимались учеными как совершенно ненаучные. Даже Томсон, старый друг Максвелла, сам много сделавший для разработки математических основ физики поля (именно Томсон, а не Максвелл, первым показал возможность «перевода» языка силовых линий Фарадея на язык дифференциальных уравнений в частных производных), называл теорию электромагнитного поля «математическим нигилизмом» и долгое время отказывался ее признавать. Понятно, что поступать подобным образом Томсон мог, лишь имея на то очень серьезные основания. И такие основания у него были.
Поле сил и сила Ньютона
Причина, по которой Томсон не мог признать реальность силовых линий и полей, проста. Силовые линии электрического и магнитного полей определяются как непрерывные линии, проведенные в пространстве так, что касательные к ним в каждой точке указывают направления действующих в этой точке электрических и магнитных сил. Величины и направления этих сил вычисляются при помощи законов Кулона, Ампера и Био–Савара–Лапласа. Однако в основе этих законов лежит принцип дальнодействия, допускающий возможность мгновенной передачи на любое расстояние действия одного тела на другое и, тем самым, исключающий существование каких-либо материальных посредников между взаимодействующими зарядами, магнитами и токами.
Следует отметить, что многие ученые со скепсисом относились к принципу, по которому тела каким-то загадочным образом могут действовать там, где их нет. Даже Ньютон, который первым использовал этот принцип при выводе закона всемирного тяготения, полагал, что между взаимодействующими телами может существовать какая-то субстанция. Но строить гипотезы о ней ученый не пожелал, предпочитая заниматься разработкой математических теорий законов, опирающихся на твердо установленные факты. Аналогичным образом поступали и последователи Ньютона. По словам Максвелла, они буквально «вымели из физики» всевозможные невидимые атмосферы и истечения, которыми в XVIII веке окружали магниты и заряды сторонники концепции близкодействия. Тем не менее в физике XIX века постепенно начинает возрождаться интерес к, казалось бы, навсегда забытым идеям.
Одной из важнейших предпосылок этого возрождения стали проблемы, возникавшие при попытках объяснения новых явлений — прежде всего, явлений электромагнетизма — на основе принципа дальнодействия. Эти объяснения становились всё более искусственными. Так, в 1845 году немецкий физик Вильгельм Вебер (1804–1890) обобщил закон Кулона, введя в него члены, определяющие зависимость силы взаимодействия электрических зарядов от их относительных скоростей и ускорений. Физический смысл такой зависимости был непонятен, а веберовские добавки в закон Кулона явно носили характер гипотезы, введенной, чтобы объяснить явления электромагнитной индукции.
В середине XIX века физики всё более осознавали, что при изучении явлений электричества и магнетизма эксперимент и теория начинают говорить на разных языках. В принципе, ученые были готовы согласиться с идеей о существовании субстанции, передающей взаимодействие между зарядами и токами с конечной скоростью, однако принять идею о физической реальности поля они не могли. В первую очередь, из-за внутренней противоречивости этой идеи. Дело в том, что в физике Ньютона сила вводится как причина ускорения материальной точки. Ее (силы) величина равна, как известно, произведению массы этой точки на ускорение. Тем самым, сила как физическая величина определяется в точке и в момент ее действия. «Сам Ньютон напоминает нам, — писал Максвелл, — что сила существует только до тех пор, пока она действует; ее действие может сохраниться, но сама сила как таковая по существу явление преходящее».
Пытаясь рассматривать поле не как удобную иллюстрацию характера распределения сил в пространстве, а как физический объект, ученые входили в противоречие с тем исходным пониманием силы, на основе которого этот объект был построен. В каждой своей точке поле определяется величиной и направлением силы, действующей на пробное тело (заряд, магнитный полюс, виток с током). По сути, поле «состоит» только из сил, но сила в каждой точке рассчитывается на основе законов, согласно которым говорить о поле как физическом состоянии или процессе бессмысленно. Поле, рассматриваемое как реальность, означало бы реальность сил, существующих вне всякого действия, что полностью противоречило исходному определению силы. Максвелл писал, что в случаях, когда мы говорим о «сохранении силы» и т. п., лучше было бы пользоваться термином «энергия». Это, безусловно, правильно, но энергией чего является энергия поля? К тому времени, когда Максвелл писал приведенные выше строки, он уже знал, что плотность энергии, например, электрического поля пропорциональна квадрату напряженности этого поля, т. е. опять-таки силы, распределенной в пространстве.
С ньютоновским пониманием силы неразрывно связана и концепция мгновенного дальнодействия. Ведь если одно тело действует на другое, удаленное, не мгновенно (по сути, уничтожая расстояние между ними), то нам придется рассматривать силу перемещающейся в пространстве и решать вопрос о том, какая «часть» силы вызывает наблюдаемое ускорение и какой смысл тогда имеет понятие «сила». Либо мы должны допустить, что движение силы (или поля) происходит каким-то особым, не укладывающимся в рамки ньютоновской механики образом.
В 1920 году в статье «Эфир и теория относительности» Альберт Эйнштейн (1879–1955) писал, что, говоря об электромагнитном поле как реальности, мы должны допустить существование особого физического объекта, который принципиально нельзя представить состоящим из частиц, поведение каждой из которых поддается изучению во времени. Позже Эйнштейн охарактеризовал создание теории электромагнитного поля как величайший, со времен Ньютона, переворот в наших взглядах на структуру физической реальности. Благодаря этому перевороту, в физику наряду с представлениями о взаимодействии материальных точек вошли представления о полях, как ни к чему другому не сводимым сущностям.
Но как оказалось возможным это изменение взглядов на реальность? Как физике удалось выйти за свои границы и «увидеть» то, что для нее раньше как реальность просто не существовало?
Исключительно важную роль в подготовке этого переворота сыграли многолетние эксперименты Фарадея с силовыми линиями. Благодаря Фарадею, эти хорошо известные физикам линии превратились из способа изображения распределения в пространстве электрических и магнитных сил в своеобразный «мостик», двигаясь по которому удалось проникнуть в мир, находящийся как бы «за силой», в мир, в котором силы становились проявлениями свойств полей. Понятно, что такое превращение потребовало таланта совершенно особого рода, таланта, которым обладал Майкл Фарадей.
Великий Экспериментатор
Майкл Фарадей родился 22 сентября 1791 года в семье лондонского кузнеца, которая из-за недостатка средств не смогла дать своим детям образования. Майкл — третий ребенок в семье — не закончил и начальной школы и в 12 лет был отдан учеником в переплетную мастерскую. Там он получил возможность читать множество книг, в том числе и научно-популярных, восполняя пробелы своего образования. Вскоре Фарадей начал посещать публичные лекции, которые регулярно устраивали в Лондоне для распространения знаний среди широких слоев населения.
В 1812 году один из членов Лондонского Королевского общества, регулярно пользовавшийся услугами переплетной мастерской, пригласил Фарадея послушать лекции известного физика и химика Гемфри Дэви (1778–1829). Этот момент стал в жизни Фарадея переломным. Юноша окончательно увлекся наукой, а поскольку заканчивался срок его обучения в мастерской, Фарадей рискнул написать Дэви о своем желании заняться исследованиями, приложив к письму тщательно переплетенные конспекты лекций ученого. Дэви, который сам был сыном бедного резчика по дереву, не только ответил на письмо Фарадея, но и предложил ему место ассистента в Лондонском Королевском институте. Так началась научная деятельность Фарадея, продолжавшаяся почти до самой его смерти, наступившей 25 августа 1867 года.
История физики знает немало выдающихся экспериментаторов, но, пожалуй, только Фарадея называли Экспериментатором с большой буквы. И дело не только в его колоссальных достижениях, среди которых открытия законов электролиза и явлений электромагнитной индукции, исследования свойств диэлектриков и магнетиков и многое другое. Нередко важные открытия удавалось сделать более или менее случайно. О Фарадее сказать такое невозможно. Его исследования всегда отличались поразительной планомерностью и целеустремленностью. Так, в 1821 году Фарадей записал в рабочем дневнике, что начинает поиски связи магнетизма с электричеством и оптикой. Первую связь он обнаружил через 10 лет (открытие электромагнитной индукции), а вторую — через 23 года (открытие вращения плоскости поляризации света в магнитном поле).
В «Экспериментальных исследованиях по электричеству» Фарадея имеется около 3500 параграфов, многие из которых содержат описания проделанных им опытов. И это только то, что Фарадей счел нужным опубликовать. В многотомных «Дневниках» Фарадея, которые он вел с 1821 года, описано около 10 тысяч опытов, причем многие из них ученый поставил без чьей-либо помощи. Интересно, что в 1991 году, когда научный мир отмечал 200-летие со дня рождения Фарадея, английские историки физики решили повторить некоторые из его наиболее знаменитых опытов. Но даже на простое воспроизведение каждого из таких опытов коллективу современных специалистов потребовалось не менее дня работы.
Говоря о заслугах Фарадея, можно сказать, что его главным достижением стало превращение экспериментальной физики в самостоятельную область исследований, результаты которых нередко могут на многие годы опережать развитие теории. Фарадей считал крайне непродуктивным стремление многих ученых как можно быстрее переходить от полученных в экспериментах данных к их теоретическому обобщению. Более плодотворным Фарадею представлялось сохранение длительной связи с изучаемыми явлениями, чтобы иметь возможность детально проанализировать все их особенности, вне зависимости от того, соответствуют эти особенности принятым теориям или нет.
Этот подход к анализу опытных данных Фарадей распространил и на хорошо известные опыты по выстраиванию железных опилок вдоль силовых линий магнитного поля. Безусловно, ученый прекрасно знал, что узоры, которые образуют железные опилки, легко можно объяснить на основе принципа дальнодействия. Тем не менее, Фарадей считал, что в данном случае экспериментаторы должны исходить не из придуманных теоретиками концепций, а из явлений, свидетельствующих, по его мнению, о существовании в пространстве, окружающем магниты и токи, неких обладающих готовностью к действию состояний. Другими словами, силовые линии, по мнению Фарадея, указывали на то, что сила должна мыслиться не только как действие (на материальную точку), но и как способность к действию.
Важно подчеркнуть, что, следуя своей методике, Фарадей не пытался выдвигать какие-либо гипотезы о природе этой способности к действию, предпочитая постепенно накапливать опыт в ходе работы с силовыми линиями. Начало этой работе было положено в его исследованиях явлений электромагнитной индукции.
Затянувшееся открытие
Во многих учебниках и справочниках можно прочитать о том, что 29 августа 1831 года Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Историкам науки хорошо известно, что датировка открытий — вещь сложная и часто весьма запутанная. Не составляет исключение и открытие электромагнитной индукции. Из «Дневников» Фарадея известно, что это явление он наблюдал еще в 1822 году во время опытов с двумя проводящими контурами, надетыми на сердечник из мягкого железа. Первый контур был подключен к источнику тока, а второй — к гальванометру, который зафиксировал возникновение кратковременных токов при включении или отключении тока в первом контуре. Позже выяснилось, что подобные явления наблюдали и другие ученые, но, как и поначалу Фарадей, сочли их погрешностью эксперимента.
Дело в том, что в поисках явлений порождения электричества магнетизмом ученые были нацелены на обнаружение устойчивых эффектов, подобных, например, открытому Эрстедом в 1818 году явлению магнитного действия тока. От этой всеобщей «слепоты» Фарадея спасли два обстоятельства. Во-первых, пристальное внимание к любым явлениям природы. В своих статьях Фарадей сообщал как об удачных, так и о неудачных экспериментах, полагая, что неудачный (не обнаруживший искомый эффект), но осмысленно поставленный опыт тоже содержит какую-то информацию о законах природы. Во-вторых, незадолго до открытия Фарадей много экспериментировал с разрядами конденсаторов, что, несомненно, обострило его внимание к кратковременным эффектам. Регулярно просматривая свои дневники (для Фарадея это было постоянной составляющей исследований), ученый, судя по всему, по-новому взглянул на опыты 1822 года и, воспроизведя их, осознал, что имеет дело не с помехами, а с искомым явлением. Датой этого осознания и стало 29 августа 1831 года.
Далее начались интенсивные исследования, в ходе которых Фарадей открыл и описал основные явления электромагнитной индукции, включая возникновение индукционных токов при относительном движении проводников и магнитов. На основании этих исследований Фарадей пришел к выводу о том, что решающим условием возникновения индукционных токов является именно пересечение проводником линий магнитной силы, а не переход в области больших или меньших сил. При этом, например, возникновение тока в одном проводнике при включении тока в другом, расположенном рядом, Фарадей тоже объяснял как результат пересечения проводником силовых линий: «магнитные кривые как бы движутся (если можно так выразиться) поперек индуцируемого провода, начиная с момента, когда они начинают развиваться, и вплоть до момента, когда магнитная сила тока достигнет наибольшего значения; они как бы распространяются в стороны от провода и, следовательно, оказываются по отношению к неподвижному проводу в том же положении, как если бы он двигался в противоположном направлении поперек них».
Обратим внимание на то, сколько раз в приведенном отрывке Фарадей использует слова «как бы», а также на то, что у него пока нет привычной нам количественной формулировки закона электромагнитной индукции: сила тока в проводящем контуре пропорциональна скорости изменения числа магнитных силовых линий, проходящих через этот контур. Близкая к этой формулировка появляется у Фарадея лишь в 1851 году, причем она относится только к случаю движения проводника в статическом магнитном поле. По Фарадею, если проводник перемещается в таком поле с постоянной скоростью, то сила возникающего в нем электрического тока пропорциональна этой скорости, а количество приводимого в движение электричества пропорционально числу пересекаемых проводником силовых линий магнитного поля.
Осторожность Фарадея при формулировке закона электромагнитной индукции обусловлена, прежде всего, тем, что корректно пользоваться понятием силовой линии он мог только применительно к статическим полям. В случае же переменных полей это понятие приобретало метафорический характер, и непрерывные оговорки «как бы», когда речь идет о движущихся силовых линиях, показывают, что Фарадей это прекрасно понимал. Он также не мог не считаться с критикой тех ученых, которые указывали ему на то, что силовая линия — это, строго говоря, геометрический объект, говорить о движении которого просто бессмысленно. Кроме того, в опытах мы имеем дело с заряженными телами, проводниками с током и т. д., а не с абстракциями вроде силовых линий. Поэтому Фарадей должен был показать, что при изучении хотя бы некоторых классов явлений нельзя ограничиться рассмотрением проводников с током и не учитывать окружающее их пространство. Так, в работе, посвященной исследованиям явлений самоиндукции, ни разу не упомянув силовые линии, Фарадей выстраивает рассказ о проделанных им экспериментах таким образом, что читатель постепенно сам приходит к выводу о том, что подлинная причина наблюдаемых явлений — не проводники с током, а нечто, находящееся в окружающем их пространстве.
Поле как предчувствие. Исследования явлений самоиндукции
В 1834 году Фарадей опубликовал девятью часть «Экспериментальных исследований», которая называлась «Об индуктивном влиянии электрического тока на самого себя и об индуктивном действии токов вообще». В этой работе Фарадей исследовал явления самоиндукции, открытые в 1832 году американским физиком Джозефом Генри (1797–1878), и показал, что они представляют частный случай изученных им ранее явлений электромагнитной индукции.
Свою работу Фарадей начинает с описания ряда явлений, состоящих в том, что при размыкании электрической цепи, содержащей длинные проводники или обмотку электромагнита, в точке разрыва контакта возникает искра или ощущается удар током, если контакт разъединяют руками. В то же время, указывает Фарадей, если проводник короткий, то никакими ухищрениями получить искру или электрический удар не удается. Тем самым выяснилось, что возникновение искры (или удара) зависит не столько от силы тока, протекавшего по проводнику до разрыва контакта, сколько от длины и конфигурации этого проводника. Поэтому Фарадей в первую очередь стремится показать, что, хотя исходной причиной искры является ток (если в цепи его не было вообще, то никакой искры, естественно, не будет), сила тока решающего значения не имеет. Для этого Фарадей описывает последовательность экспериментов, в которых длина проводника сначала увеличивается, что приводит к усилению искры, несмотря на ослабление тока в цепи из-за увеличения сопротивления. Затем этот проводник перекручивают так, чтобы ток протекал только через его небольшую часть. Сила тока при этом резко возрастает, но искра при размыкании цепи исчезает. Таким образом, ни проводник сам по себе, ни сила тока в нем не могут рассматриваться как причина искры, величина которой, как выясняется, зависит не только от длины проводника, но и от его конфигурации. Так, при сворачивании проводника в спираль, а также при введении в эту спираль железного сердечника величина искры тоже возрастает.
В продолжение изучения этих явлений Фарадей подключил параллельно месту размыкания контакта вспомогательный короткий проводник, сопротивление которого значительно больше, чем у основного проводника, но меньше, чем у искрового промежутка или у тела человека, размыкающего контакт. В результате искра при размыкании контакта исчезла, а во вспомогательном проводнике возник сильный кратковременный ток (Фарадей называет его экстратоком), направление которого оказалось противоположным направлению тока, который протекал бы через него от источника. «Эти опыты, — пишет Фарадей, — устанавливают существенное различие между первичным, или возбуждающим, током и экстратоком в отношении количества, интенсивности и даже направления; они привели меня к заключению, что экстраток тождествен с описанным мной ранее индуцированным током».
Выдвинув идею о связи изучаемых явлений с явлениями электромагнитной индукции, Фарадей далее поставил ряд остроумных экспериментов, подтверждающих эту идею. В одном из таких экспериментов рядом со спиралью, подключенной к источнику тока, помещалась другая спираль, разомкнутая. При отключении от источника тока первая спираль давала сильную искру. Однако если концы другой спирали замыкались, искра практически исчезала, а во второй спирали возникал кратковременный ток, направление которого совпадало с направлением тока в первой спирали, если цепь размыкали, и было противоположно ему, если цепь замыкали.
Установив связь двух классов явлений, Фарадей смог легко объяснить выполненные ранее опыты, а именно усиление искры при удлинении проводника, сворачивании его в спираль, введении в нее железного сердечника и т. д.: «Если наблюдать индуктивное действие провода длиной в один фут на расположенный рядом провод длиной также в один фут, то оно оказывается очень слабым; но если тот же самый ток пропустить через провод длиной в пятьдесят футов, то он будет индуцировать в соседнем пятидесятифутовом проводе в момент замыкания или размыкания контакта значительно более сильный ток, как будто каждый лишний фут провода вносит нечто в суммарное действие; по аналогии мы заключаем, что такое же явление должно иметь место и тогда, когда соединительный проводник служит одновременно проводником, в котором образуется индуцированный ток». Поэтому, делает вывод Фарадей, увеличение длины проводника, сворачивание его в спираль и введение в нее сердечника усиливает искру. К действию одного витка спирали на другой прибавляется действие размагничивающегося сердечника. При этом совокупность таких действий может и компенсировать друг друга. Например, если сложить вдвое длинный изолированный провод, то из-за противоположности индуктивных действий двух его половин искра исчезнет, хотя в распрямленном состоянии этот провод дает сильную искру. К существенному ослаблению искры приводила и замена сердечника из железа на сердечник из стали, которая размагничивается очень медленно.
Итак, проводя читателя через детальные описания совокупностей проделанных экспериментов, Фарадей, не говоря ни слова о поле, формировал у него, читателя, представление о том, что решающая роль в изучаемых явлениях принадлежит не проводникам с током, а создаваемому ими в окружающем пространстве какому-то состоянию намагниченности, точнее — скорости изменения этого состояния. Однако вопрос о том, существует ли это состояние реально и может ли оно быть предметом экспериментальных исследований, оставался открытым.
Проблема физической реальности силовых линий
Существенный шаг в доказательстве реальности силовых линий Фарадею удалось сделать в 1851 году, когда он пришел к идее обобщения понятия силовой линии. «Магнитную силовую линию, — писал Фарадей, — можно определить как линию, которую описывает небольшая магнитная стрелка, когда ее перемещают в ту или иную сторону по направлению ее длины, так что стрелка все время остается касательной к движению; или, иначе, это та линия, вдоль которой можно в любую сторону перемещать поперечный провод и в последнем не появится никакого стремления к возникновению какого-нибудь тока, между тем как при перемещении его в любом ином направлении такое стремление существует».
Силовая линия, таким образом, определялась Фарадеем на основе двух различных законов (и пониманий) действия магнитной силы: ее механического действия на магнитную стрелку и ее способности (в соответствии с законом электромагнитной индукции) порождать электрическую силу. Это двойное определение силовой линии как бы «материализовало» ее, придавало ей смысл особых, экспериментально обнаруживаемых направлений в пространстве. Поэтому Фарадей назвал такие силовые линии «физическими», полагая, что теперь сможет окончательно доказать их реальность. Проводник в таком двойном определении можно было представить замкнутым и скользящим вдоль силовых линий так, чтобы, постоянно деформируясь, он не пересекал линий. Этот проводник выделил бы некоторое условное «количество» линий, сохраняющихся при их «сгущении» или «разрежении». Такое скольжение проводника в поле магнитных сил без возникновения в нем электрического тока могло бы рассматриваться как экспериментальное доказательство сохранения количества силовых линий при их «распространении», например из полюса магнита, и, тем самым, как доказательство реальности этих линий.
Безусловно, реальный проводник практически невозможно перемещать так, чтобы он не пересекал силовые линии. Поэтому гипотезу о сохранении их количества Фарадей обосновывал иначе. Пусть магнит с полюсом N и проводник abcd расположены так, что могут вращаться по отношению друг к другу вокруг оси ad (рис. 1; рисунок выполнен автором статьи на основе рисунков Фарадея). При этом часть проводника ad проходит через отверстие в магните и имеет свободный контакт в точке d. Свободный контакт сделан и в точке c, так что участок bc может вращаться вокруг магнита, не разрывая электрической цепи, подключенной в точках a и b (тоже посредством скользящих контактов) к гальванометру. Проводник bc при полном повороте вокруг оси ad пересекает все силовые линии, выходящие из полюса магнита N. Пусть теперь проводник вращается с постоянной скоростью. Тогда, сравнивая показания гальванометра при различных положениях вращающегося проводника, например в положении abcd и в положении ab’c’d , когда проводник за полный оборот вновь пересекает все силовые линии, но уже в местах их большей разреженности, можно обнаружить, что показания гальванометра одинаковы. По мнению Фарадея, это свидетельствует о сохранении некоторого условного количества силовых линий, которым можно охарактеризовать северный полюс магнита (чем больше это «количество», тем сильнее магнит).
Вращая в своей установке (рис. 2; рисунок Фарадея) не проводник, а магнит, Фарадей приходит к выводу о сохранении количества силовых линий во внутренней области магнита. При этом в основе его рассуждений лежит предположение о том, что силовые линии не увлекаются вращающимся магнитом. Эти линии остаются «на месте», а магнит вращается среди них. В этом случае ток по величине получается таким же, как при вращении внешнего проводника. Фарадей объясняет этот результат тем, что, хотя внешняя часть проводника не пересекает линий, его внутренняя часть (cd), вращающаяся вместе с магнитом, пересекает все линии, проходящие внутри магнита. Если же внешнюю часть проводника закрепить и вращать вместе с магнитом, то ток не возникает. Это тоже можно объяснить. Действительно, внутренняя и внешняя части проводника пересекают одно и то же количество силовых линий, направленных в одном направлении, поэтому токи, индуцируемые в обеих частях проводника, компенсируют друг друга.
Из экспериментов следовало, что внутри магнита силовые линии идут не от северного полюса к южному, а наоборот, образуя с внешними силовыми линиями замкнутые кривые, что позволило Фарадею сформулировать закон сохранения количества магнитных силовых линий во внешнем и внутреннем пространствах постоянного магнита: «Этим поразительным распределением сил, которое выявляется с помощью движущегося проводника, магнит в точности походит на электромагнитную катушку как по тому, что силовые линии протекают в виде замкнутых кругов, так и по равенству их суммы внутри и снаружи». Тем самым, понятие «количество силовых линий» получало права гражданства, благодаря чему формулировка закона пропорциональности электродвижущей силы индукции количеству силовых линий, пересекаемых проводником в единицу времени, приобретала физический смысл.
Однако Фарадей признавал, что полученные им результаты не являются окончательным доказательством реальности силовых линий. Для такого доказательства, писал он, надо «установить отношение силовых линий ко времени», т. е. показать, что эти линии могут перемещаться в пространстве с конечной скоростью и, следовательно, могут быть обнаружены какими-либо физическими методами.
Важно подчеркнуть, что проблема «физических силовых линий» не имела для Фарадея ничего общего с попытками непосредственного обнаружения обычных силовых линий. Со времени открытия электромагнитной индукции Фарадей верил, что и обычные силовые линии, и законы электромагнетизма — это проявления каких-то особых свойств материи, ее особого состояния, которое ученый назвал электротоническим. При этом вопрос о сущности этого состояния и его связи с известными формами материи являлся, считал Фарадей, открытым: «Каково это состояние и от чего оно зависит, мы сейчас не можем сказать. Может быть, оно обусловлено эфиром, подобно световому лучу… Может быть, это — состояние напряжения, или состояние колебания, или еще какое-либо состояние, аналогичное электрическому току, с которым так тесно связаны магнитные силы. Необходимо ли для поддержания этого состояния присутствие материи, зависит от того, что понимать под словом «материя». Если понятие материи ограничить весомыми или тяготеющими веществами, тогда присутствие материи столь же мало существенно для физических линий магнитной силы, как для лучей света и теплоты. Но если, допуская эфир, мы примем, что это — род материи, тогда силовые линии могут зависеть от каких-либо ее действий».
Столь пристальное внимание, которое Фарадей уделял силовым линиям, было обусловлено в первую очередь тем, что он видел в них мостик, ведущий в какой-то совершенно новый мир. Однако пройти по этому мостику было трудно даже такому гениальному экспериментатору, как Фарадей. Собственно, эта задача вообще не допускала чисто экспериментального решения. Однако в пространство между силовыми линиями можно было попытаться проникнуть математически. Именно это и сделал Максвелл. Его знаменитые уравнения стали тем инструментом, который позволил проникнуть в несуществующие промежутки между силовыми линиями Фарадея и, в результате, обнаружить там новую физическую реальность. Но это уже другая история — история о Великом Теоретике.
1 Имеется в виду книга Р. Фейнмана, Р. Лейтона и М. Сэндса «Фейнмановские лекции по физике» (М.: Мир, 1967) (Прим. ред.)
2 В русском переводе первый том этой книги вышел в 1947 году, второй — в 1951, а третий — в 1959 году в серии «Классики науки» (М.: Издательство АН СССР). (Прим. ред.)
3 В 1892 году Уильям Томсон был удостоен дворянского титула «лорд Кельвин» за фундаментальные работы в различных областях физики, в частности по прокладке трансатлантического кабеля, связавшего Англию и США.
elementy.ru
michel faradei i maxvell
Работы М. Фарадея и Д. Максвелла как основа для создания беспроводной связи.
Краеугольным камнем науки об электромагнетизме стало открытие в 1831 году М. Фарадеем (1791-1867) электромагнитной индукции. С именем Фарадея связан переломный этап классической физики с отходом от господствовавшей в 18 веке методологии метафизики и механицизма и переходом к идеям целостности физического мира и всеобщей связи явлений в их диалектическом развитии.
Майкл Фарадей родился 22 сентября 1891 года в пригороде Лондона Ньюингтоне в семье кузнеца. Бедность родителей не позволила ему получить законченное начальное образование, и в возрасте 13 лет его послали для обучения к переплетчику — владельцу книжной лавки. Вначале он только разносил газеты, затем освоил мастерство переплетчика.
В 30-е годы Фарадей изобретает простейшую динамомашину, вводит понятия «магнитные силовые линии» и формулирует закон электромагнитной индукции: «Всякий раз, как проводник пересекается магнитными силовыми линиями, в нём возбуждается электродвижущая сила и, если проводник замкнут, в нём возникает электрический ток». «Правило правой руки» хорошо иллюстрирует этот закон
Фарадей был великим экспериментатором, который не только не строил математических теорий на основе собственных открытий, но даже не заботился о максимальном усовершенствовании созданных им приборов и машин. «Я всегда стремился скорее открывать новые явления, чем увеличивать интенсивность уже известных. Я уверен, что полное развитие их явится позже», — писал он о себе самом.
Так и случилось. Продолжателем дела великого физика стал другой выдающийся английский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879), отличавшийся исключительными математическими талантами и солидной научной подготовкой.
С 1856 года Максвелл начал преподавать физиу в Абердинском университете, затем стал профессором физики в Королевском колледже в Лондоне.
В 1957 году Максвелл посылает свою статью «О силовых линиях Фарадея» вместе с письмом своему кумиру — Фарадею, пришедшему от нее в полный восторг и изумление от того, что математика не только не портит, но еще глубже раскрывает его идеи.
В 1873 году вышли первые два тома «Трактата по электричеству и магнетизму», обобщивших все, что было известно к тому времени об этих явлениях.
В память о Максвелле осталась единица измерения магнитного потока «максвелл». 1 максвелл — это магнитный поток через площадку 1 кв. см, расположенную перпендикулярно к магнитному полю с индукцией 1 гаусс. В системе СИ максвелл не используется, в настоящее время магнитный поток измеряется в веберах.
Используются технологии uCozradioh.narod.ru
Электромагнитная теория М. Фарадея и Дж. Максвелла
Философия Электромагнитная теория М. Фарадея и Дж. Максвеллапросмотров — 1080
Во второй половине XIX в. на основе исследований М. Фара-дея и Д. Максвелла возникла электромагнитная картина мира.
Согласно этой картине материя существует в двух видах — в виде вещества и в виде поля, причем между указанными видами материи имеется непереходимая грань: вещество не превращается в поле, а поле не превращается в вещество. Количественное изучение электрических явлений началось с работ Кулона (1785 ᴦ.), установившего сначала закон взаимодействия электрических зарядов и распространившего его позднее на взаимодействие «магнитных зарядов». При этом вплоть до 1820 ᴦ. электрические и магнитные явления рассматривали как различные явления, не связанные между собой. Открытие Эрстедом в 1820 ᴦ. магнитного действия тока показало, что между магнитными и электрическими явлениями существует связь и что магнитные действия можно получить при помощи электрических токов. Магнитное действие токов было детально изучено Ампером, который пришел к заключению, что все магнитные явления в природе, в том числе и связанные с постоянными магнитами, вызваны электрическими токами (теория молекулярных токов Ампера). Дальнейшими результатами того периода мы обязаны М. Фарадею. Из них особое значение имело открытие электромагнитной индукции. Фарадей исходил из основной идеи о взаимной связи явлений природы. Он считал, что если ток способен вызывать магнитные явления, то и обратно, при помощи магнитов или других токов, можно получить электрические токи. В результате настойчивости и многих попыток Фарадей действительно открыл в 1831 ᴦ. это явление, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ еще более укрепило представление о связи между электричеством и магнетизмом. Второй важнейшей идеей в работах Фарадея было признание основной, определяющей роли промежуточной среды в электрических явлениях. Фарадей не допускал действия на расстоянии, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ, как мы сейчас хорошо знаем, физически бессодержательно, и считал, что электрические магнитные взаимодействия передаются промежуточной средой и что именно в этой среде разыгрываются основные электрические и магнитные процессы.
В работах Максвелла идеи Фарадея подверглись дальнейшему углублению и развитию и были превращены в строгую математическую теорию. В теории Максвелла мысль о тесной связи электрических и магнитных явлений получила окончательное оформление в виде двух базовых положений теории. По этой причине теория Максвелла явилась завершением важного этапа в развитии учения об электричестве и привела к классическому представлению об электрическом поле, содержащем в общем случае и электрическое, и магнитное поля, связанные между собой и способные взаимно превращаться друг в друга. Уравнения Максвелла содержат в себе все основные законы электрического и магнитного полей, включая электромагнитную индукцию, и в связи с этим являются общими уравнениями электромагнитного поля в покоящихся средах. Теория Максвелла не только объяснила уже известные факты, но и предсказала новые и важные явления. Совершенно новым в этой теории явилось предположение Максвелла о магнитном поле токов смещения. На основе этого предположения Максвелл теоретически предсказал существование электромагнитных волн, т. е. переменного электромагнитного поля, распространяющегося в пространстве с конечной скоростью. Теоретическое исследование свойств электромагнитных волн привело затем Максвелла к созданию электромагнитной теории света͵ согласно которой свет представляет собой также электромагнитные волны. В дальнейшем электромагнитные волны действительно были получены на опыте, а еще позднее электромагнитная теория света͵ а с нею и вся теория Максвелла получили полное и блестящее подтверждение. В случае если в XVIII в. стремились свести все к механике, то теперь все, включая и ряд механических явлений (к примеру, трение, упругость), стремятся свести к электромагнетизму. Вне сферы электромагнетизма остается только тяготение. В качестве элементарных структур, из которых построена вся материя, рассматриваются всего три частицы — электрон, протон и фотон. Фотоны — кванты электромагнитного поля. При рассмотрении электромагнитного поля наряду с волновыми используются так- 58
же корпускулярные (фотонные) представления, утвердившиеся в естествознании как корпускулярно-волновой дуализм.
oplib.ru
Электромагнитная теория физической реальности. М. Фарадей. Дж. К. Максвелл.Открытия Ампера (2 проводника ведут себя как магниты) привели Фарадея к открытию электромагнитной индукции.
Майкл Фарадей — (22 сентября 1791 — 25 августа 1867) — английский физик, химик и физико-химик, основоположник учения об электромагнитном поле, член Лондонского королевского общества (1824).
Постепенно его экспериментальные исследования всё более переключались в область электромагнетизма.
После открытия в 1820 Х.Эрстедом магнитного действия электрического тока Фарадея увлекла проблема связи между электричеством и магнетизмом. В 1822 в его лабораторном дневнике появилась запись: «Превратить магнетизм в электричество».
В 1831 г. Фарадей экспериментально открыл явление электромагнитной индукции — возникновение электрического тока в проводнике, движущемся в магнитном поле. Фарадей также дал математическое описание этого явления, лежащего в основе современного электромашиностроения.
В 1832 г. Фарадей открывает электрохимические законы, которые ложатся в основу нового раздела науки — электрохимии, имеющего сегодня огромное количество технологических приложений.
Джеймс Максвелл — британский физик
В 1831, в год рождения Максвелла, М. Фарадей проводил классические эксперименты, которые привели его к открытию электромагнитной индукции. Максвелл приступил к исследованию электричества и магнетизма примерно 20 лет спустя, когда существовали два взгляда на природу электрических и магнитных эффектов.
Такие учёные, как А. М. Ампер и Ф. Нейман, придерживались концепции дальнодействия, рассматривая электромагнитные силы как аналог гравитационного притяжения между двумя массами.
Фарадей был приверженцем идеи силовых линий, которые соединяют положительный и отрицательный электрические заряды или северный и южный полюсы магнита. Силовые линии заполняют все окружающее пространство (поле, по терминологии Фарадея) и обусловливают электрические и магнитные взаимодействия.
Следуя Фарадею, Максвелл разработал гидродинамическую модель силовых линий и выразил известные тогда соотношения электродинамики на математическом языке, соответствующем механическим моделям Фарадея.
Основные результаты этого исследования отражены в работе «Фарадеевы силовые линии» (Faraday’s Lines of Force, 1857).
В 1860—1865 Максвелл создал теорию электромагнитного поля, которую сформулировал в виде системы уравнений (уравнения Максвелла), описывающих основные закономерности электромагнитных явлений:
1-е уравнение выражало электромагнитную индукцию Фарадея;
2-е — магнитоэлектрическую индукцию, открытую Максвеллом и основанную на представлениях о токах смещения;
3-е — закон сохранения количества электричества;
4-е — вихревой характер магнитного поля.
Продолжая развивать эти идеи, Максвелл пришёл к выводу, что любые изменения электрического и магнитного полей должны вызывать изменения в силовых линиях, пронизывающих окружающее пространство, то есть должны существовать импульсы (или волны), распространяющиеся в среде.
Скорость распространения этих волн (электромагнитного возмущения) зависит от диэлектрической и магнитной проницаемости среды и равна отношению электромагнитной единицы к электростатической.
По данным Максвелла и других исследователей, это отношение составляет 3,4*1010 см/с, что близко к скорости света, измеренной семью годами ранее французским физиком А. Физо.
В октябре 1861 Максвелл сообщил Фарадею о своём открытии: свет — это электромагнитное возмущение, распространяющееся в непроводящей среде, то есть разновидность электромагнитных волн. Этот завершающий этап исследований изложен в работе Максвелла Динамическая теория электромагнитного поля (Treatise on Electricity and Magnetism, 1864), а итог его работ по электродинамике подвёл знаменитый Трактат об электричестве и магнетизме (1873).
Теория электромагнитного поля и, в особенности, следующий из неё вывод о существовании электромагнитных волн при жизни Максвелла оставались чисто теоретическими положениями, не имевшими никакого экспериментального подтверждения, и современниками зачастую воспринимались как «игра ума». В 1887 г. немецкий физик Генрих Герц поставил эксперимент, полностью подтвердивший теоретические выводы Максвелла.
Электромагнитная картина мира (ЭКМ) основана на идее динамического атомизма, континуальном понимании материи и связанном с ним понятии близкодействия, которое внес М. Фарадей. Уравнения Дж. Максвелла отразили эти идеи и привели к понятию поля без построения механических корпускулярных моделей. Попытку соединить идеи поля и частиц-электронов предпринял Х.А.Лоренц, но возникла проблема увеличения эфира быстро движущимися частицами. Эта проблема была решена только созданием специальной и общей теорий относительности (СТО и ОТО). Ожидали, что всеобщий охват мира природы способна дать электродинамическая картина мира, соединявшая СТО и ОТО с теорией Максвелла и механикой. Свойства пространства-времени начали зависеть от распределения и движения масс, т. е. стали относительными, понятие поля — универсальным, структуру поля стали отождествлять со структурой Вселенной. На основании понятия поля старались единообразно описать все взаимодействия в природе. Сочетанием непрерывности и дискретности отличалась модель атома Бора (1913).
Открытия Ампера (2 проводника ведут себя как магниты) привели Фарадея к открытию электромагнитной индукции.
Электромагнитное взаимодействие также является универсальным и существует между любыми телами в микро-, макро– и мегамире. Электромагнитное взаимодействие обусловлено электрическими зарядами и передается с помощью электрического и магнитного полей. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное – при движении электрических зарядов. Электромагнитное взаимодействие описывается: законом Кулона, законом Ампера и др. и в обобщенном виде – электромагнитной теорией Максвелла, связывающей электрическое и магнитное поля. Благодаря электромагнитному взаимодействию возникают атомы, молекулы и происходят химические реакции. Химические реакции представляют собой проявление электромагнитных взаимодействий и являются результатами перераспределения связей между атомами в молекулах, а также количества и состава атомов в молекулах разных веществ. Различные агрегатные состояния вещества, силы упругости, трения и т. д. определяются электромагнитным взаимодействием. Переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны – кванты электромагнитного поля с нулевой массой покоя. Внутри атомного ядра проявляются сильные и слабые взаимодействия.
Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Данное взаимодействие определяется ядерными силами, обладающими зарядовой независимостью, короткодействием, насыщением и другими свойствами. Сильное взаимодействие удерживает нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре и кварки внутри нуклонов и отвечает за стабильность атомных ядер. С помощью сильного взаимодействия ученые объяснили, почему протоны ядра атома не разлетаются под действием электромагнитных сил отталкивания. Сильное взаимодействие передается глюонами – частицами, «склеивающими» кварки, которые входят в состав протонов, нейтронов и других частиц. Слабое взаимодействие также действует только в микромире. В этом взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотона. Оно обусловливает большинство распадов элементарных частиц, поэтому его открытие произошло вслед за открытием радиоактивности. Первая теория слабого взаимодействия была создана в 1934 г . Э. Ферми и развита в 1950-е гг. М. Гелл-Маном, Р. Фейнманом и другими учеными. Переносчиками слабого взаимодействия принято считать частицы с массой в 100 раз больше массы протонов – промежуточные векторные бозоны. Фарадей для объяснение понятия электрического тока вводит понятие среды и заменяет принцип дальнодействия близкодействием. Взаимодействие происходит от тела к телу через поле с конечной скоростью. Максвелл в своей работе «О силовых линиях Фарадея» «на кончике пера» сделал открытие электромагнитных волн. Взаимодействие – распространение состояния движения в существующей среде, описывается следующим образом: длинная волны, y – частица, U – скорость распространения. Физическая реальность – это мир воли. Свет – это электромагнитная волна. Ремер (Дания) рассчитал скорость распространения света в вакууме. Электромагнитная теория света объясняет всё.Электро-магнитная картина была экспериментально доказана опытами Герца, на основании этих опытов Маркони (Попов у нас) изобрёл радио. Однако, не существовало физического понимания того, как свет распространяется в эфире (и есть ли он вообще?), поэтому внимание физиков сосредоточилось на свете. Uсв = 300 тыс. км/с Поскольку скорость света очень велика, то эфир должен быть очень твёрдым и прозрачным.
students-library.com
Kvant. Майкл Фарадей — PhysBook
Менцин Ю. Майкл Фарадей и рождение физики поля //Квант. — 2012. — № 1. — С. 2-8
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала «Квант»
22 сентября 2011 года исполнилось 220 лет со дня рождения Майкла Фарадея (1791-1867) — английского физика-экспериментатора, который ввел в науку понятие «поле» и заложил основы концепции о физической реальности электрических и магнитных полей. В наши дни понятие поля известно любому старшекласснику. Начальные сведения об электрических и магнитных полях и способах их описания при помощи силовых линий, напряженностей, потенциалов и т.п. давно вошли в школьные учебники по физике. В этих же учебниках можно прочитать о том, что поле — это особая форма материи, принципиально отличная от вещества. Но вот с объяснением того, в чем именно состоит эта «особость», возникают серьезные трудности. Естественно, винить в этом авторов учебников нельзя. Ведь если поле не сводимо к каким-то другим, более простым сущностям, то тут и объяснять нечего. Надо просто принять физическую реальность поля как экспериментально установленный факт и научиться работать с уравнениями, описывающими поведение этого объекта. К этому, например, призывает в своих «Лекциях»1 Ричард Фейнман, отметив, что ученые долгое время пытались объяснить электромагнитное поле при помощи различных механических моделей, но потом оставили эту затею и сочли, что физический смысл имеет лишь описывающая поле система знаменитых уравнений Максвелла.
Означает ли сказанное, что мы должны полностью отказаться от попыток понять, что такое поле? Думается, что существенную помощь в ответе на этот вопрос может оказать знакомство с «Экспериментальными исследованиями по электричеству» Майкла Фарадея -грандиозным трехтомным трудом, который гениальный экспериментатор создавал более 20 лет.2 Именно здесь Фарадей вводит понятие поля и шаг за шагом разрабатывает идею о физической реальности этого объекта. При этом важно отметить, что «Экспериментальные исследования» Фарадея — одна из величайших книг в истории физики — написаны прекрасным языком, не содержат ни единой формулы и вполне доступны школьникам.
Введение поля. Фарадей, Томсон и Максвелл
Термин «поле» (точнее: «магнитное поле», «поле магнитных сил») был введен Фарадеем в 1845 году в ходе исследований явления диамагнетизма (термины «диамагнетизм» и «парамагнетизм» также были введены Фарадеем) — обнаруженного ученым эффекта слабого отталкивания магнитом ряда веществ. Первоначально поле рассматривалось Фарадеем как сугубо вспомогательное понятие, по сути координатная сетка, образованная магнитными силовыми линиями и использовавшаяся при описании характера движения тел вблизи магнитов. Так, кусочки диамагнитных веществ, например висмута, перемещались из областей сгущения силовых линий в области их разрежения и располагались перпендикулярно направлению линий.
Несколько позже, в 18511852 годах, при математическом описании результатов некоторых экспериментов Фарадея, термин «поле» эпизодически использовал английский физик Уильям Томсон (1824-1907).3 Что же касается создателя теории электромагнитного поля Джеймса Клерка Максвелла (1831-1879), то в его работах термин «поле» поначалу тоже практически не встречается и используется лишь для обозначения той части пространства, в которой можно обнаружить магнитные силы. Только в опубликованной в
1864-1865 годах работе «Динамическая теория электромагнитного поля», в которой впервые появляется система «уравнений Максвелла» и предсказывается возможность существования электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света, о поле говорится как о физической реальности.
Такова вкратце история введения в физику понятия «поле». Из нее видно, что первоначально это понятие рассматривалось как сугубо вспомогательное, обозначавшее просто ту часть пространства (она может быть и неограниченной), в которой можно обнаружить магнитные силы и изобразить их распределение при помощи силовых линий. (Термин «электрическое поле» стал использоваться только после создания Максвеллом теории электромагнитного поля.)
Важно подчеркнуть, что ни силовые линии, известные физикам до Фарадея, ни «состоящее» из них поле не рассматривались (и не могли рассматриваться!) научным сообществом XIX века как физическая реальность. Попытки же Фарадея говорить о материальности силовых линий (или Максвелла — о материальности поля) воспринимались учеными как совершенно ненаучные. Даже Томсон, старый друг Максвелла, сам много сделавший для разработки математических основ физики поля (именно Томсон, а не Максвелл, первым показал возможность «перевода» языка силовых линий Фарадея на язык дифференциальных уравнений в частных производных), называл теорию электромагнитного поля «математическим нигилизмом» и долгое время отказывался ее признавать. Понятно, что поступать подобным образом Томсон мог, лишь имея на то очень серьезные основания. И такие основания у него были.
Поле сил и сила Ньютона
Причина, по которой Томсон не мог признать реальность силовых линий и полей, проста. Силовые линии электрического и магнитного полей определяются как непрерывные линии, проведенные в пространстве так, что касательные к ним в каждой точке указывают направления действующих в этой точке электрических и магнитных сил. Величины и направления этих сил вычисляются при помощи законов Кулона, Ампера и Био-Савара-Лапласа. Однако в основе этих законов лежит принцип дальнодействия, допускающий возможность мгновенной передачи на любое расстояние действия одного тела на другое и, тем самым, исключающий существование каких-либо материальных посредников между взаимодействующими зарядами, магнитами и токами.
Следует отметить, что многие ученые со скепсисом относились к принципу, по которому тела каким-то загадочным образом могут действовать там, где их нет. Даже Ньютон, который первым использовал этот принцип при выводе закона всемирного тяготения, полагал, что между взаимодействующими телами может существовать какая-то субстанция. Но строить гипотезы о ней ученый не пожелал, предпочитая заниматься разработкой математических теорий законов, опирающихся на твердо установленные факты. Аналогичным образом поступали и последователи Ньютона. По словам Максвелла, они буквально «вымели из физики» всевозможные невидимые атмосферы и истечения, которыми в XVIII веке окружали магниты и заряды сторонники концепции близкодействия. Тем не менее, в физике XIX века постепенно начинает возрождаться интерес к, казалось бы, навсегда забытым идеям.
Одной из важнейших предпосылок этого возрождения стали проблемы, возникавшие при попытках объяснения новых явлений — прежде всего, явлений электромагнетизма — на основе принципа дальнодействия. Эти объяснения становились все более искусственными. Так, в 1845 году немецкий физик Вильгельм Вебер (1804-1890) обобщил закон Кулона, введя в него члены, определяющие зависимость силы взаимодействия электрических зарядов от их относительных скоростей и ускорений. Физический смысл такой зависимости был непонятен, а веберовские добавки в закон Кулона явно носили характер гипотезы, введенной, чтобы объяснить явления электромагнитной индукции.
В середине XIX века физики все более осознавали, что при изучении явлений электричества и магнетизма эксперимент и теория начинают говорить на разных языках. В принципе, ученые были готовы согласиться с идеей о существовании субстанции, передающей взаимодействие между зарядами и токами с конечной скоростью, однако принять идею о физической реальности поля они не могли. В первую очередь, из-за внутренней противоречивости этой идеи. Дело в том, что в физике Ньютона сила вводится как причина ускорения материальной точки. Ее (силы) величина равна, как известно, произведению массы этой точки на ускорение. Тем самым, сила как физическая величина определяется в точке и в момент ее действия. «Сам Ньютон напоминает нам, — писал Максвелл, — что сила существует только до тех пор, пока она действует; ее действие может сохраниться, но сама сила как таковая по существу явление преходящее».
Пытаясь рассматривать поле не как удобную иллюстрацию характера распределения сил в пространстве, а как физический объект, ученые входили в противоречие с тем исходным пониманием силы, на основе которого этот объект был построен. В каждой своей точке поле определяется величиной и направлением силы, действующей на пробное тело (заряд, магнитный полюс, виток с током). По сути, поле «состоит» только из сил, но сила в каждой точке рассчитывается на основе законов, согласно которым говорить о поле как физическом состоянии или процессе бессмысленно. Поле, рассматриваемое как реальность, означало бы реальность сил, существующих вне всякого действия, что полностью противоречило исходному определению силы. Максвелл писал, что в случаях, когда мы говорим о «сохранении силы» и т.п., лучше было бы пользоваться термином «энергия». Это, безусловно, правильно, но энергией чего является энергия поля? К тому времени, когда Максвелл писал приведенные выше строки, он уже знал, что плотность энергии, например, электрического поля пропорциональна квадрату напряженности этого поля, т.е. опять-таки силы, распределенной в пространстве.
С ньютоновским пониманием силы неразрывно связана и концепция мгновенного дальнодействия. Ведь если одно тело действует на другое, удаленное, не мгновенно (по сути, уничтожая расстояние между ними), то нам придется рассматривать силу перемещающейся в пространстве и решать вопрос о том, какая «часть» силы вызывает наблюдаемое ускорение и какой смысл тогда имеет понятие «сила». Либо мы должны допустить, что движение силы (или поля) происходит каким-то особым, не укладывающимся в рамки ньютоновской механики образом.
В 1920 году в статье «Эфир и теория относительности» Альберт Эйнштейн (1879-1955) писал, что, говоря об электромагнитном поле как реальности, мы должны допустить существование особого физического объекта, который принципиально нельзя представить состоящим из частиц, поведение каждой из которых поддается изучению во времени. Позже Эйнштейн охарактеризовал создание теории электромагнитного поля как величайший, со времен Ньютона, переворот в наших взглядах на структуру физической реальности. Благодаря этому перевороту, в физику наряду с представлениями о взаимодействии материальных точек вошли представления о полях, как ни к чему другому не сводимым сущностям.
Но как оказалось возможным это изменение взглядов на реальность? Как физике удалось выйти за свои границы и «увидеть» то, что для нее раньше как реальность просто не существовало?
Исключительно важную роль в подготовке этого переворота сыграли многолетние эксперименты Фарадея с силовыми линиями. Благодаря Фарадею, эти хорошо известные физикам линии превратились из способа изображения распределения в пространстве электрических и магнитных сил в своеобразный «мостик», двигаясь по которому удалось проникнуть в мир, находящийся как бы «за силой», в мир, в котором силы становились проявлениями свойств полей. Понятно, что такое превращение потребовало таланта совершенно особого рода, таланта, которым обладал Майкл Фарадей.
Великий Экспериментатор
Майкл Фарадей родился 22 сентября 1791 года в семье лондонского кузнеца, которая из-за недостатка средств не смогла дать своим детям образования. Майкл — третий ребенок в семье — не закончил и начальной школы и в 12 лет был отдан учеником в переплетную мастерскую. Там он получил возможность читать множество книг, в том числе и научно-популярных, восполняя пробелы своего образования. Вскоре Фарадей начал посещать публичные лекции, которые регулярно устраивали в Лондоне для распространения знаний среди широких слоев населения.
В 1812 году один из членов Лондонского Королевского общества, регулярно пользовавшийся услугами переплетной мастерской, пригласил Фарадея послушать лекции известного физика и химика Гемфри Дэви (1778-1829). Этот момент стал в жизни Фа-радея переломным. Юноша окончательно увлекся наукой, а поскольку заканчивался срок его обучения в мастерской, Фарадей рискнул написать Дэви о своем желании заняться исследованиями, приложив к письму тщательно переплетенные конспекты лекций ученого. Дэви, который сам был сыном бедного резчика по дереву, не только ответил на письмо Фарадея, но и предложил ему место ассистента в Лондонском Королевском институте. Так началась научная деятельность Фарадея, продолжавшаяся почти до самой его смерти, наступившей 25 августа 1867 года.
История физики знает немало выдающихся экспериментаторов, но, пожалуй, только Фарадея называли Экспериментатором с большой буквы. И дело не только в его колоссальных достижениях, среди которых открытия законов электролиза и явлений электромагнитной индукции, исследования свойств диэлектриков и магнетиков и многое другое. Нередко важные открытия удавалось сделать более или менее случайно. О Фарадее сказать такое невозможно. Его исследования всегда отличались поразительной планомерностью и целеустремленностью. Так, в 1821 году Фарадей записал в рабочем дневнике, что начинает поиски связи магнетизма с электричеством и оптикой. Первую связь он обнаружил через 10 лет (открытие электромагнитной индукции), а вторую — через 23 года (открытие вращения плоскости поляризации света в магнитном поле).
В «Экспериментальных исследованиях по электричеству» Фарадея имеется около 3500 параграфов, многие из которых содержат описания проделанных им опытов. И это только то, что Фарадей счел нужным опубликовать. В многотомных «Дневниках» Фарадея, которые он вел с 1821 года, описано около 10 тысяч опытов, причем многие из них ученый поставил без чьей-либо помощи. Интересно, что в 1991 году, когда научный мир отмечал 200-летие со дня рождения Фарадея, английские историки физики решили повторить некоторые из его наиболее знаменитых опытов. Но даже на простое воспроизведение каждого из таких опытов коллективу современных специалистов потребовалось не менее дня работы.
Говоря о заслугах Фарадея, можно сказать, что его главным достижением стало превращение экспериментальной физики в самостоятельную область исследований, результаты которых нередко могут на многие годы опережать развитие теории. Фарадей считал крайне непродуктивным стремление многих ученых как можно быстрее переходить от полученных в экспериментах данных к их теоретическому обобщению. Более плодотворным Фарадею представлялось сохранение длительной связи с изучаемыми явлениями, чтобы иметь возможность детально проанализировать все их особенности, вне зависимости от того, соответствуют эти особенности принятым теориям или нет.
Этот подход к анализу опытных данных Фарадей распространил и на хорошо известные опыты по выстраиванию железных опилок вдоль силовых линий магнитного поля. Безусловно, ученый прекрасно знал, что узоры, которые образуют железные опилки, легко можно объяснить на основе принципа дальнодействия. Тем не менее, Фарадей считал, что в данном случае экспериментаторы должны исходить не из придуманных теоретиками концепций, а из явлений, свидетельствующих, по его мнению, о существовании в пространстве, окружающем магниты и токи, неких обладающих готовностью к действию состояний. Другими словами, силовые линии, по мнению Фарадея, указывали на то, что сила должна мыслиться не только как действие (на материальную точку), но и как способность к действию.
Важно подчеркнуть, что, следуя своей методике, Фарадей не пытался выдвигать какие-либо гипотезы о природе этой способности к действию, предпочитая постепенно накапливать опыт в ходе работы с силовыми линиями. Начало этой работе было положено в его исследованиях явлений электромагнитной индукции.
Затянувшееся открытие
Во многих учебниках и справочниках можно прочитать о том, что 29 августа 1831 года Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Историкам науки хорошо известно, что датировка открытий — вещь сложная и часто весьма запутанная. Не составляет исключение и открытие электромагнитной индукции. Из «Дневников» Фарадея известно, что это явление он наблюдал еще в 1822 году во время опытов с двумя проводящими контурами, надетыми на сердечник из мягкого железа. Первый контур был подключен к источнику тока, а второй — к гальванометру, который зафиксировал возникновение кратковременных токов при включении или отключении тока в первом контуре. Позже выяснилось, что подобные явления наблюдали и другие ученые, но, как и поначалу Фарадей, сочли их погрешностью эксперимента.
Дело в том, что в поисках явлений порождения электричества магнетизмом ученые были нацелены на обнаружение устойчивых эффектов, подобных, например, открытому Эрстедом в 1818 году явлению магнитного действия тока. От этой всеобщей «слепоты» Фарадея спасли два обстоятельства. Во-первых, пристальное внимание к любым явлениям природы. В своих статьях Фарадей сообщал как об удачных, так и о неудачных экспериментах, полагая, что неудачный (не обнаруживший искомый эффект), но осмысленно поставленный опыт тоже содержит какую-то информацию о законах природы. Во-вторых, незадолго до открытия Фарадей много экспериментировал с разрядами конденсаторов, что, несомненно, обострило его внимание к кратковременным эффектам. Регулярно просматривая свои дневники (для Фарадея это было постоянной составляющей исследований), ученый, судя по всему, по-новому взглянул на опыты 1822 года и, воспроизведя их, осознал, что имеет дело не с помехами, а с искомым явлением. Датой этого осознания и стало 29 августа 1831 года.
Далее начались интенсивные исследования, в ходе которых Фарадей открыл и описал основные явления электромагнитной индукции, включая возникновение индукционных токов при относительном движении проводников и магнитов. На основании этих исследований Фарадей пришел к выводу о том, что решающим условием возникновения индукционных токов является именно пересечение проводником линий магнитной силы, а не переход в области больших или меньших сил. При этом, например, возникновение тока в одном проводнике при включении тока в другом, расположенном рядом, Фарадей тоже объяснял как результат пересечения проводником силовых линий: «магнитные кривые как бы движутся (если можно так выразиться) поперек индуцируемого провода, начиная с момента, когда они начинают развиваться, и вплоть до момента, когда магнитная сила тока достигнет наибольшего значения; они как бы распространяются в стороны от провода и, следовательно, оказываются по отношению к неподвижному проводу в том же положении, как если бы он двигался в противоположном направлении поперек них».
Обратим внимание на то, сколько раз в приведенном отрывке Фарадей использует слова «как бы», а также на то, что у него пока нет привычной нам количественной формулировки закона электромагнитной индукции: сила тока в проводящем контуре пропорциональна скорости изменения числа магнитных силовых линий, проходящих через этот контур. Близкая к этой формулировка появляется у Фарадея лишь в 1851 году, причем она относится только к случаю движения проводника в статическом магнитном поле. По Фарадею, если проводник перемещается в таком поле с постоянной скоростью, то сила возникающего в нем электрического тока пропорциональна этой скорости, а количество приводимого в движение электричества пропорционально числу пересекаемых проводником силовых линий магнитного поля.
Осторожность Фарадея при формулировке закона электромагнитной индукции обусловлена, прежде всего, тем, что корректно пользоваться понятием силовой линии он мог только применительно к статическим полям. В случае же переменных полей это понятие приобретало метафорический характер, и непрерывные оговорки «как бы», когда речь идет о движущихся силовых линиях, показывают, что Фарадей это прекрасно понимал. Он также не мог не считаться с критикой тех ученых, которые указывали ему на то, что силовая линия — это, строго говоря, геометрический объект, говорить о движении которого просто бессмысленно. Кроме того, в опытах мы имеем дело с заряженными телами, проводниками с током и т.д., а не с абстракциями вроде силовых линий. Поэтому Фарадей должен был показать, что при изучении хотя бы некоторых классов явлений нельзя ограничиться рассмотрением проводников с током и не учитывать окружающее их пространство. Так, в работе, посвященной исследованиям явлений самоиндукции, ни разу
не упомянув силовые линии, Фарадей выстраивает рассказ о проделанных им экспериментах таким образом, что читатель постепенно сам приходит к выводу о том, что подлинная причина наблюдаемых явлений -не проводники с током, а нечто, находящееся в окружающем их пространстве.
Поле как предчувствие. Исследования явлений самоиндукции
В 1834 году Фарадей опубликовал девятью часть «Экспериментальных исследований», которая называлась «Об индуктивном влиянии электрического тока на самого себя и об индуктивном действии токов вообще». В этой работе Фарадей исследовал явления самоиндукции, открытые в 1832 году американским физиком Джозефом Генри (1797-1878), и показал, что они представляют частный случай изученных им ранее явлений электромагнитной индукции.
Свою работу Фарадей начинает с описания ряда явлений, состоящих в том, что при размыкании электрической цепи, содержащей длинные проводники или обмотку электромагнита, в точке разрыва контакта возникает искра или ощущается удар током, если контакт разъединяют руками. В то же время, указывает Фарадей, если проводник короткий, то никакими ухищрениями получить искру или электрический удар не удается. Тем самым выяснилось, что возникновение искры (или удара) зависит не столько от силы тока, протекавшего по проводнику до разрыва контакта, сколько от длины и конфигурации этого проводника. Поэтому Фарадей в первую очередь стремится показать, что, хотя исходной причиной искры является ток (если в цепи его не было вообще, то никакой искры, естественно, не будет), сила тока решающего значения не имеет. Для этого Фарадей описывает последовательность экспериментов, в которых длина проводника сначала увеличивается, что приводит к усилению искры, несмотря на ослабление тока в цепи из-за увеличения сопротивления. Затем этот проводник перекручивают так, чтобы ток протекал только через его небольшую часть. Сила тока при этом резко возрастает, но искра при размыкании цепи исчезает. Таким образом, ни проводник сам по себе, ни сила тока в нем не могут рассматриваться как причина искры, величина которой, как выясняется, зависит не только от длины проводника, но и от его конфигурации. Так, при сворачивании проводника в спираль, а также при введении в эту спираль железного сердечника величина искры тоже возрастает.
В продолжение изучения этих явлений Фарадей подключил параллельно месту размыкания контакта вспомогательный короткий проводник, сопротивление которого значительно больше, чем у основного проводника, но меньше, чем у искрового промежутка или у тела человека, размыкающего контакт. В результате искра при размыкании контакта исчезла, а во вспомогательном проводнике возник сильный кратковременный ток (Фарадей называет его экстратоком), направление которого оказалось противоположным направлению тока, который протекал бы через него от источника. «Эти опыты, — пишет Фарадей, — устанавливают существенное различие между первичным, или возбуждающим, током и экстратоком в отношении количества, интенсивности и даже направления; они привели меня к заключению, что экстраток тождествен с описанным мной ранее индуцированным током».
Выдвинув идею о связи изучаемых явлений с явлениями электромагнитной индукции, Фарадей далее поставил ряд остроумных экспериментов, подтверждающих эту идею. В одном из таких экспериментов рядом со спиралью, подключенной к источнику тока, помещалась другая спираль, разомкнутая. При отключении от источника тока первая спираль давала сильную искру. Однако если концы другой спирали замыкались, искра практически исчезала, а во второй спирали возникал кратковременный ток, направление которого совпадало с направлением тока в первой спирали, если цепь размыкали, и было противоположно ему, если цепь замыкали.
Установив связь двух классов явлений, Фарадей смог легко объяснить выполненные ранее опыты, а именно усиление искры при удлинении проводника, сворачивании его в спираль, введении в нее железного сердечника и т.д.: «Если наблюдать индуктивное действие провода длиной в один фут на расположенный рядом провод длиной также в один фут, то оно оказывается очень слабым; но если тот же самый ток пропустить через провод длиной в пятьдесят футов, то он будет индуцировать в соседнем пятидесятифутовом проводе в момент замыкания или размыкания контакта значительно более сильный ток, как будто каждый лишний фут провода вносит нечто в суммарное действие; по аналогии мы заключаем, что такое же явление должно иметь место и тогда, когда соединительный проводник служит одновременно проводником, в котором образуется индуцированный ток». Поэтому, делает вывод Фарадей, увеличение длины проводника, сворачивание его в спираль и введение в нее сердечника усиливает искру. К действию одного витка спирали на другой прибавляется действие размагничивающегося сердечника. При этом совокупность таких действий может и компенсировать друг друга. Например, если сложить вдвое длинный изолированный провод, то из-за противоположности индуктивных действий двух его половин искра исчезнет, хотя в распрямленном состоянии этот провод дает сильную искру. К существенному ослаблению искры приводила и замена сердечника из железа на сердечник из стали, которая размагничивается очень медленно.
Итак, проводя читателя через детальные описания совокупностей проделанных экспериментов, Фарадей, не говоря ни слова о поле, формировал у него, читателя, представление о том, что решающая роль в изучаемых явлениях принадлежит не проводникам с током, а создаваемому ими в окружающем пространстве какому-то состоянию намагниченности, точнее — скорости изменения этого состояния. Однако вопрос о том, существует ли это состояние реально и может ли оно быть предметом экспериментальных исследований, оставался открытым.
Проблема физической реальности силовых линий
Существенный шаг в доказательстве реальности силовых линий Фарадею удалось сделать в 1851 году, когда он пришел к идее обобщения понятия силовой линии. «Магнитную силовую линию, — писал Фарадей, — можно определить как линию, которую описывает небольшая магнитная стрелка, когда ее перемещают в ту или иную сторону по направлению ее длины, так что стрелка все время остается касательной к движению; или, иначе, это та линия, вдоль которой можно в любую сторону перемещать поперечный провод и в последнем не появится никакого стремления к возникновению какого-нибудь тока, между тем как при перемещении его в любом ином направлении такое стремление существует».
Силовая линия, таким образом, определялась Фа-радеем на основе двух различных законов (и пониманий) действия магнитной силы: ее механического действия на магнитную стрелку и ее способности (в соответствии с законом электромагнитной индукции) порождать электрическую силу. Это двойное определение силовой линии как бы «материализовало» ее, придавало ей смысл особых, экспериментально обнаруживаемых направлений в пространстве. Поэтому Фарадей назвал такие силовые линии «физическими», полагая, что теперь сможет окончательно доказать их реальность. Проводник в таком двойном определении можно было представить замкнутым и скользящим вдоль силовых линий так, чтобы, постоянно деформируясь, он не пересекал линий. Этот проводник выделил бы некоторое условное «количество» линий, сохраняющихся при их «сгущении» или «разрежении». Такое скольжение проводника в поле магнитных сил без возникновения в нем электрического тока могло бы рассматриваться как экспериментальное доказательство сохранения количества силовых линий при их «распространении», например из полюса магнита, и, тем самым, как доказательство реальности этих линий.
Безусловно, реальный проводник практически невозможно перемещать так, чтобы он не пересекал силовые линии. Поэтому гипотезу о сохранении их количества Фарадей обосновывал иначе. Пусть магнит с полюсом N и проводник abcd расположены так, что могут вращаться по отношению друг к другу вокруг оси ad (рис.1; рисунок выполнен автором статьи на основе рисунков Фарадея). При этом часть проводника ad проходит через отверстие в магните и имеет свободный контакт в точке d. Свободный контакт сделан и в точке с, так что участок bc может вращаться вокруг магнита, не разрывая электрической цепи, подключенной в точках а и b (тоже посредством скользящих контактов) к гальванометру. Проводник bc при полном повороте вокруг оси ad пересекает все силовые линии, выходящие из полюса магнита N. Пусть теперь проводник вращается с постоянной скоростью. Тогда, сравнивая показания гальванометра при различных положениях вращающегося проводника, например в положении abcd и в положении ab’c’d , когда проводник за полный оборот вновь пересекает все силовые линии, но уже в местах их большей разреженности, можно обнаружить, что показания гальванометра одинаковы. По мнению Фа-радея, это свидетельствует о сохранении некоторого условного количества силовых линий, которым можно охарактеризовать северный полюс магнита (чем больше это «количество», тем сильнее магнит).
Вращая в своей установке (рис.2; рисунок Фарадея) не проводник, а магнит, Фарадей приходит к выводу о сохранении количества силовых линий во внутренней области магнита. При этом в основе его рассуждений лежит предположение о том, что силовые линии не увлекаются вращающимся магнитом. Эти линии остаются «на месте», а магнит вращается среди них. В этом случае ток по величине получается таким же, как при вращении внешнего проводника. Фарадей объясняет этот результат тем, что, хотя внешняя часть проводника не пересекает линий, его внутренняя часть (cd), вращающаяся вместе с магнитом, пересекает все линии, проходящие внутри магнита. Если же внешнюю часть проводника закрепить и вращать вместе с магнитом, то ток не возникает. Это тоже можно объяснить. Действительно, внутренняя и внешняя части проводника пересекают одно и то же количество силовых линий, направленных в одном направлении, поэтому токи, индуцируемые в обеих частях проводника, компенсируют друг друга.
Из экспериментов следовало, что внутри магнита силовые линии идут не от северного полюса к южному, а наоборот, образуя с внешними силовыми линиями замкнутые кривые, что позволило Фарадею сформулировать закон сохранения количества магнитных силовых линий во внешнем и внутреннем пространствах постоянного магнита: «Этим поразительным распределением сил, которое выявляется с помощью движущегося проводника, магнит в точности походит на электромагнитную катушку как по тому, что силовые линии протекают в виде замкнутых кругов, так и по равенству их суммы внутри и снаружи». Тем самым, понятие «количество силовых линий» получало права гражданства, благодаря чему формулировка закона пропорциональности электродвижущей силы индукции количеству силовых линий, пересекаемых проводником в единицу времени, приобретала физический смысл.
Однако Фарадей признавал, что полученные им результаты не являются окончательным доказательством реальности силовых линий. Для такого доказательства, писал он, надо «установить отношение силовых линий ко времени», т.е. показать, что эти линии могут перемещаться в пространстве с конечной скоростью и, следовательно, могут быть обнаружены какими-либо физическими методами.
Важно подчеркнуть, что проблема «физических силовых линий» не имела для Фарадея ничего общего с попытками непосредственного обнаружения обычных силовых линий. Со времени открытия электромагнитной индукции Фарадей верил, что и обычные силовые линии, и законы электромагнетизма — это проявления каких-то особых свойств материи, ее особого состояния, которое ученый назвал электротоническим. При этом вопрос о сущности этого состояния и его связи с известными формами материи являлся, считал Фарадей, открытым: «Каково это состояние и от чего оно зависит, мы сейчас не можем сказать. Может быть, оно обусловлено эфиром, подобно световому лучу… Может быть, это — состояние напряжения, или состояние колебания, или еще какое-либо состояние, аналогичное электрическому току, с которым так тесно связаны магнитные силы. Необходимо ли для поддержания этого состояния присутствие материи, зависит от того, что понимать под словом «материя». Если понятие материи ограничить весомыми или тяготеющими веществами, тогда присутствие материи столь же мало существенно для физических линий магнитной силы, как для лучей света и теплоты. Но если, допуская эфир, мы примем, что это — род материи, тогда силовые линии могут зависеть от каких-либо ее действий».
Столь пристальное внимание, которое Фарадей уделял силовым линиям, было обусловлено в первую очередь тем, что он видел в них мостик, ведущий в какой-то совершенно новый мир. Однако пройти по этому мостику было трудно даже такому гениальному экспериментатору, как Фарадей. Собственно, эта задача вообще не допускала чисто экспериментального решения. Однако в пространство между силовыми линиями можно было попытаться проникнуть математически. Именно это и сделал Максвелл. Его знаменитые уравнения стали тем инструментом, который позволил проникнуть в несуществующие промежутки между силовыми линиями Фарадея и, в результате, обнаружить там новую физическую реальность. Но это уже другая история — история о Великом Теоретике.
www.physbook.ru