Значение важнейших работ Фарадея в области электричества. – Первые работы в области электромагнетизма; вращение магнитной стрелки вокруг проводника. – Сплав стали. – Открытие сжижения газов. – Влияние света на стекло. – Открытие бензина. – Работы над пределами испарения. – Фабрикация стекла. – Хромотроп. – Вибрирующие пластинки
Наиболее важными из научных работ Фарадея являются его исследования в области электромагнетизма и электрической индукции. Строго говоря, важный отдел физики, трактующий о явлениях электромагнетизма и индукционного электричества, имеющий в настоящее время такое громадное значение для техники, был создан Фарадеем из ничего, так как до него, можно сказать, человечество даже не подозревало о большей части явлений этого порядка. Услуга, оказанная Фарадеем человечеству открытием и исследованием электромагнитных явлений, принадлежит к числу тех неоценимых благодеяний, которыми мир обязан лишь немногим гениям. Помимо расширения человеческого знания, целую новую область которого создал Фарадей, он дал в руки человечеству неведомую дотоле силу, пользование которой уже и в настоящее время творит настоящие чудеса и расширяет могущество человека до пределов, о которых недавно и мечтать нельзя было, а в будущем обещает увеличить это могущество до бесконечности. Весь колоссальный прогресс современной электротехники покоится всецело на открытиях Фарадея в области электромагнетизма и индуктированного электричества.
Электрическая энергия известна человечеству в трех видах: 1) статическое электричество, известное более или менее всем, так как проявления его встречаются чаще всего: это электричество молнии, электричество, получаемое от трения стекла о кожу в электрических машинах, янтаря о сукно, смолистых веществ о мех или сукно, гуттаперчивого гребня о волосы и так далее; 2) динамическое электричество, получаемое от химического действия одних веществ на другие (гальванизм); 3) индукционное электричество, вызываемое действием электрических токов на замкнутые проводники. До Фарадея были известны только два первых вида проявления электрической энергии, и электричество до тех пор не могло играть значительной роли в технике, а стало быть, и в жизни человеческой, из-за особенностей статического электричества и гальванического тока. Приборы, при помощи которых добывается статическое электричество (со стеклянным кругом), дают энергию, обладающую значительным напряжением, но в малом количестве: даже обыкновенная “электрическая машина”, устраиваемая с учебными целями, в состоянии дать электрическую энергию такого сильного напряжения, что разряд машины может убить крупное животное, но вместе с тем этой энергии получается такое малое количество, что разряд заряженной с великим трудом машины продолжается лишь самое ничтожное мгновение. Очевидно, для практических целей электрическая энергия в такой форме не может иметь никакого значения. Гальванические приборы, основанные на химическом взаимодействии веществ, дают постоянный ток, но столь слабой силы, что для получения энергии такого же напряжения, какое дает обыкновенная электрическая машина со стеклянным диском, необходимо иметь десятки и даже сотни гальванических “пар”. Очевидно, что пользоваться гальваническими токами для практических целей и неудобно, и невыгодно, так как стоимость затрачиваемых веществ, химическое взаимодействие которых вызывает ток, значительно превышает стоимость получаемой работы. Третий вид проявления электрической энергии, открытый Фарадеем, электричество индукционное, отличается тем, что оно соединяет в себе достоинства двух первых видов – статического и гальванического электричества – и свободно от их недостатков. Индукционное электричество, обладая значительным напряжением, проявляется легко в значительных количествах; давая сильный удар, оно в то же время действует постоянно; давая, подобно статическому электричеству, длинные, молниеобразные искры, оно в то же время нагревает тела, раскаляет и расплавляет их; наконец, оно удобно поддается управлению, почему этот вид электрической энергии может, по желанию, проявляться в каких угодно количествах и какого угодно напряжения.
Только после исследований Фарадея в области электромагнетизма и индукционного электричества, только после открытия им этого вида проявления электрической энергии появилась возможность превратить электричество в послушного слугу человека и совершать с ним те чудеса, которые творятся теперь. Телеграфы, телефоны, электрическое освещение, электрические железные дороги и суда, передача силы на расстояние, электротерапия и многие тысячи других приложений электричества – все это стало возможным лишь после открытия индукционного электричества, так как во всем этом работают индукционные токи, токи Фарадея. Кто имеет хоть самое общее представление о современных успехах электротехники, тот поймет, какое величайшее благодеяние для человечества составляют открытия Фарадея, какой неоценимый дар принесен миру гением этого ученого!
Исследования в области электромагнетизма и индукционного электричества, составляющие наиболее ценный алмаз в венце славы Фарадея, поглотили большую часть его жизни и его сил. Не сразу, однако, великий исследователь всецело отдался этим работам. Долго, очевидно, он сам недостаточно оценивал значение тех тайн природы, которые удалось ему обнаружить, и он не раз отрывался от работ в этом направлении, оставляя их порою надолго, словно забывая о них. В других занятиях, которым Фарадей предавался в промежутках между работами по электричеству, он оставался все тем же проницательным ученым и здесь также сделал целый ряд капитальных открытий и исследований, как это мы сейчас увидим.
Как мы уже знаем, еще с первых лет сознательной жизни внимание Фарадея из всех наук особенно сильно привлекли химия и физика (собственно, отдел физики, трактующий об электричестве). Верность этим наукам он сохранил и в зрелом возрасте, но долго колебался между тою и другою, пока, наконец, не специализировался в области электромагнитных явлений и индукционного электричества.
Как всегда это бывает в области мысли и знания, Фарадей имел в своих открытиях в области электричества предшественников и соперников. Но ни те, ни другие не дали ничего существенного, и великие открытия Фарадея принадлежат всецело ему. В 1820 году физик Эрштед открыл, что гальванический ток отклоняет магнитную стрелку от ее обычного направления. Исходя из этого открытия, Ампер чисто теоретическим путем выяснил, что все известные магнитные явления могут быть сведены на взаимные действия электрических токов. Под влиянием этих умозрений Ампера доктор Вульстен высказывал соображения о том, что можно превратить замеченное отклонение магнитной стрелки в непрерывное вращение ее вокруг проводника гальванического тока и что, быть может, окажется возможным получить даже обратное действие, то есть заставить проводник вращаться вокруг стрелки. Вот все, что мог найти Фарадей по данному предмету в трудах тогдашних физиков. Все это были почти исключительно умозрения и даже просто гадания, фактов же почти совсем не было. Последние дал Фарадей, который пошел при этом неизмеримо дальше своих предшественников.
В 1821 году Вульстен высказывал сэру Дэви вышеуказанные соображения по поводу отклонения магнитной стрелки под влиянием гальванического тока. При разговоре присутствовал и Фарадей. Он так заинтересовался этим предметом, что немедленно стал изучать его, прочел все, что мог найти относящегося к нему, повторил опыты своих предшественников, скомбинировал несколько собственных опытов и к сентябрю того же 1821 года составил “Историю успехов электромагнетизма”, напечатанную в “Annales of philosophy”. Уже в это время он составил вполне правильное понятие о сущности явления отклонения магнитной стрелки под действием тока. “Я смотрю на все обыкновенные, производимые проводником, притяжения и отталкивания магнитной стрелки как на простое обольщение; в действительности движение происходит ни от притяжения, ни от отталкивания, ни даже от действия других каких-нибудь притягивающих или отталкивающих сил; но эти притяжения и отталкивания скорее происходят от действия силы в самой проволоке; сила эта не приближает полюс стрелки к проволоке и не удаляет его, но скорее стремится двигать полюс в бесконечном вращении вокруг проволоки во все время действия батареи”. Вскоре Фарадей имел возможность убедиться в полной верности такого воззрения. В первый день Рождества 1821 года он с глубокой радостью позвал жену полюбоваться первым вращением магнитной стрелки вокруг проводника гальванического тока.
Добившись этого успеха, Фарадей на целых десять лет оставляет занятия в области электричества, посвятив себя исследованию целого ряда предметов иного рода. В том же 1821 году, еще работая над вопросом о вращении магнитной стрелки под влиянием тока, он случайно натолкнулся на явление испарения ртути при обыкновенной температуре. Позже Фарадей посвятил немало внимания изучению этого предмета и, основываясь на своих исследованиях, установил совершенно новый взгляд на сущность испарения. Теперь же он скоро оставил этот вопрос, увлекаясь все новыми предметами исследований. Так, вскоре он стал заниматься опытами над составом стали и впоследствии любил одаривать своих друзей стальными бритвами из открытого им сплава. В 1823 году Фарадей занялся исследованием вещества, долго принимавшегося за хлор в твердом состоянии, но оказавшегося, по исследованию Дэви, гидратом хлора, то есть соединением хлора и воды. Фарадей первым анализировал это вещество и написал отчет о его составе. При чтении отчета Дэви подал мысль Фарадею разогреть гидрат хлора под давлением в запаянной стеклянной трубке. Фарадей произвел этот опыт, при этом гидрат расплавился, трубка наполнилась желтым паром и расплавленное вещество разделилось на две жидкости. В это время в лабораторию зашел некто доктор Парис и, заметив в трубке, над которою возился Фарадей, маслянистое вещество, с пренебрежением осмеял молодого химика, работающего с “грязными” инструментами. Фарадей промолчал и продолжал свое дело. Когда он отпилил конец трубки, в котором находилось маслянистое вещество, произошел взрыв, чуть не изуродовавший Фарадея. Взрыв этот сильно обрадовал молодого ученого, наведя его на мысль, что маслянистое вещество было не что иное, как жидкий хлор. Он немедленно повторяет опыт, несмотря на всю его опасность, исследует полученное вещество, убеждается, что это действительно жидкий хлор, и таким образом получает возможность препроводить высокомерному доктору Парису следующий достойный ответ на его выходку: “Милостивый государь! Масло, замеченное вами вчера, было не что иное, как жидкий хлор. Преданный вам Фарадей”.
Так было произведено одно из важнейших открытий в области физики – первое сжижение газа, и вместе с тем установлен простой, но действительный метод обращения газов в жидкость. Когда гидрат хлора был нагрет, он разложился на составные части, и хлор принял свою обычную газообразную форму. Давление собравшейся в одном конце запаянной трубки массы газообразного хлора было так велико, что под влиянием его часть хлора сгустилась в жидкость. Этот простой метод Фарадей затем применил еще к нескольким газам, считавшимся дотоле постоянными, и превратил их в жидкость. Вскоре он, однако, оставил работы в этом направлении и возвратился к ним не ранее 1844 года. Тогда он применил, кроме давления, образующегося в трубке от скопления самого газа, еще и искусственное, внешнее давление и этим путем превратил в жидкость еще несколько наиболее “упорных” газов. Надо заметить, что опыты эти были очень небезопасны: во время одного из них лицо Фарадея было буквально засыпано осколками взорванной стеклянной трубки, и глаза уцелели только чудом.
Эти опыты совершенно изменили господствовавший дотоле взгляд на природу газов, так как они твердо установили, что газы – это просто пары жидкостей, имеющих низкую точку кипения. Во время Фарадея еще далеко не все газы были обращены в жидкое состояние; но в наше время, когда ученые располагают способами воздействовать на газы такими чудовищными давлениями, которые во времена Фарадея можно было только воображать, и присоединять к действию давления еще и действие искусственных чрезвычайно низких температур, уже не остается газов, которые не могли бы быть обращены в жидкость. Помимо чисто научного интереса – выяснения сущности молекулярного строения тел, – сжижение газов начинает получать и громадное практическое значение: достаточно упомянуть о применении жидкой углекислоты (для чрезвычайного понижения температуры) и жидкого воздуха (подводные лодки и ружья Жиффара).
Работы по сжижению газов заняли 1823-й и часть вокруг проволоки во все время действия батареи”. Вскоре Фарадей имел возможность убедиться в полной верности такого воззрения. В первый день Рождества 1821 года он с глубокой радостью позвал жену полюбоваться первым вращением магнитной стрелки вокруг проводника гальванического тока.
Добившись этого успеха, Фарадей на целых десять лет оставляет занятия в области электричества, посвятив себя исследованию целого ряда предметов иного рода. В том же 1821 году, еще работая над вопросом о вращении магнитной стрелки под влиянием тока, он случайно натолкнулся на явление испарения ртути при обыкновенной температуре. Позже Фарадей посвятил немало внимания изучению этого предмета и, основываясь на своих исследованиях, установил совершенно новый взгляд на сущность испарения. Теперь же он скоро оставил этот вопрос, увлекаясь все новыми предметами исследований. Так, вскоре он стал заниматься опытами над составом стали и впоследствии любил одаривать своих друзей стальными бритвами из открытого им сплава. В 1823 году Фарадей занялся исследованием вещества, долго принимавшегося за хлор в твердом состоянии, но оказавшегося, по исследованию Дэви, гидратом хлора, то есть соединением хлора и воды. Фарадей первым анализировал это вещество и написал отчет о его составе. При чтении отчета Дэви подал мысль Фарадею разогреть гидрат хлора под давлением в запаянной стеклянной трубке. Фарадей произвел этот опыт, при этом гидрат расплавился, трубка наполнилась желтым паром и расплавленное вещество разделилось на две жидкости. В это время в лабораторию зашел некто доктор Парис и, заметив в трубке, над которою возился Фарадей, маслянистое вещество, с пренебрежением осмеял молодого химика, работающего с “грязными” инструментами. Фарадей промолчал и продолжал свое дело. Когда он отпилил конец трубки, в котором находилось маслянистое вещество, произошел взрыв, чуть не изуродовавший Фарадея. Взрыв этот сильно обрадовал молодого ученого, наведя его на мысль, что маслянистое вещество было не что иное, как жидкий хлор. Он немедленно повторяет опыт, несмотря на всю его опасность, исследует полученное вещество, убеждается, что это действительно жидкий хлор, и таким образом получает возможность препроводить высокомерному доктору Парису следующий достойный ответ на его выходку: “Милостивый государь! Масло, замеченное вами вчера, было не что иное, как жидкий хлор. Преданный вам Фарадей”.
Так было произведено одно из важнейших открытий в области физики – первое сжижение газа, и вместе с тем установлен простой, но действительный метод обращения газов в жидкость. Когда гидрат хлора был нагрет, он разложился на составные части, и хлор принял свою обычную газообразную форму. Давление собравшейся в одном конце запаянной трубки массы газообразного хлора было так велико, что под влиянием его часть хлора сгустилась в жидкость. Этот простой метод Фарадей затем применил еще к нескольким газам, считавшимся дотоле постоянными, и превратил их в жидкость. Вскоре он, однако, оставил работы в этом направлении и возвратился к ним не ранее 1844 года. Тогда он применил, кроме давления, образующегося в трубке от скопления самого газа, еще и искусственное, внешнее давление и этим путем превратил в жидкость еще несколько наиболее “упорных” газов. Надо заметить, что опыты эти были очень небезопасны: во время одного из них лицо Фарадея было буквально засыпано осколками взорванной стеклянной трубки, и глаза уцелели только чудом.
Эти опыты совершенно изменили господствовавший дотоле взгляд на природу газов, так как они твердо установили, что газы – это просто пары жидкостей, имеющих низкую точку кипения. Во время Фарадея еще далеко не все газы были обращены в жидкое состояние; но в наше время, когда ученые располагают способами воздействовать на газы такими чудовищными давлениями, которые во времена Фарадея можно было только воображать, и присоединять к действию давления еще и действие искусственных чрезвычайно низких температур, уже не остается газов, которые не могли бы быть обращены в жидкость. Помимо чисто научного интереса – выяснения сущности молекулярного строения тел, сжижение газов начинает получать и громадное практическое значение: достаточно упомянуть о применении жидкой углекислоты (для чрезвычайного понижения температуры) и жидкого воздуха (подводные лодки и ружья Жиффара).
Работы по сжижению газов заняли 1823-й и часть 1824 года. В том же 1824 году Фарадей сделал несколько второстепенных открытий в области физики. Среди прочего он установил тот факт, что свет влияет на цвет стекла, изменяя его. В следующем, 1825 году Фарадей снова обращается от физики к химии, и результатом его работ в этой области является открытие бензина и серно-нафталиновой кислоты. Нет надобности объяснять, какое громадное значение имеет открытие первого из этих веществ; достаточно напомнить, что, помимо непосредственного разнообразного употребления бензина, последний лег в основание играющих теперь такую видную роль анилиновых красок. Вслед за тем Фарадей снова возвращается к физике и останавливается на вопросе о пределах испарения. Работы, предпринятые Фарадеем в этом направлении, привели его к убеждению, что для всякого тела есть предел испарения, что при определенной низкой температуре и определенном давлении всякое тело перестает давать пары. Новейшая физика, однако, начинает склоняться к противоположному воззрению – об отсутствии пределов испарения.
В 1825 году Фарадей был избран Королевским обществом в члены комиссии, имевшей целью улучшить фабрикацию стекла. Это было первым выражением признания со стороны высшего ученого ареопага компетентности Фарадея в вопросах физики и химии. Фарадей усиленно принялся за порученное ему дело и занимался им наряду с другими работами в течение четырех лет. Между прочим, в это время он составил сплав особого рода для оптических стекол. Стекла Фарадея не получили широкого распространения на практике вследствие их дороговизны; но для самого Фарадея они позднее послужили основанием важных открытий.
В 1831 году Фарадей опубликовал трактат “Об особого рода оптическом обмане”, послуживший основанием прекрасного и любопытного оптического снаряда, именуемого “хромотропом”. В том же году вышел трактат Фарадея “О вибрирующих пластинках”. Вопрос, которому был посвящен этот последний трактат, очень занимал ученых того времени и казался крайне трудным для разрешения. Было замечено, что легкие тела – например, семена ликоподия – собираются на вибрирующих местах звучащих поверхностей, тогда как песок располагается по узловым линиям. Фарадей показал, что вопрос решается очень просто: он доказал, что легкие тела увлекаются небольшими воздушными вихрями, между тем как это воздушное движение не производит влияния на более тяжелые тела. Все эти разнообразные работы, частью имеющие только чисто научный интерес, частью приведшие к значительным практическим результатам, были для Фарадея только подготовительной школой для работ в области электричества, которым он всецело отдался с 1831 года. Этот подготовительный период выработал в Фарадее остроумного экспериментатора и вместе с тем тонкого мыслителя, который в равной мере владел и анализом, и синтезом. В течение этого периода Фарадей испытал свои силы, проверил свои склонности и окончательно остановился на области знания, которая тогда была еще не разработана и привлекала его пытливый ум своею таинственностью. Работы в этой области и наполнили затем жизнь Фарадея, начиная с 1831 года, доставив ему ту славу “царя физиков”, которая остается за ним доселе.