Теоретические отголоски открытий Фарадея достигли ученых следующих поколений, таких как Максвелл и Эйнштейн. Они приняли эстафету из рук сандеманианца, чтобы сформулировать теории, с большей точностью описывающие реальный мир. Фарадей же продолжал исследовательские работы, направление которых переместилось на свет и его взаимодействие с электричеством и магнетизмом.

Фарадей стал почетным прихожанином сандеманианской церкви, а в Бирмингеме открылось первое производство динамо-машин. С 1833 года ученый начал проводить электрохимические опыты, которые напрямую могли связать материю с электричеством. Чуть позже к этой связи добавился свет, так как он является не чем иным, как волной. С другой стороны, Герц открыл волновые свойства электромагнетизма. Физики XIX века, стоявшие на механистических позициях, считали, что так же как волны распространяются по воде, электромагнитные волны должны распространяться через некую среду, эфир. В электромагнитной волне распространение происходит за счет изменений электрического и магнитного полей. Герц в 1888 году опубликовал результаты своих исследований, сделав вывод, что свет и электромагнитные волны относятся к одному явлению.

Так называемый электролиз, или расщепление вещества с помощью электрического тока, также позволил Фарадею утверждать, что электричество состоит из материальных заряженных частиц. Джордж Стони (1826–1911) назвал эти частицы электронами, но окончательное открытие электронов было сделано Уильямом Томсоном только в 1897 году. Благодаря этим открытиям и атомной модели Резерфорда сегодня мы знаем, что электроны составляют оболочку атома и соединены с ядром электрическими силами, более слабыми, чем остальные силы притяжения частиц в ядре. Таким образом, достаточно просто разорвать эти связи и отделить электроны.

 

ЭЛЕКТРОЛИЗ

Благодаря батарейке Вольты химики открыли, что электрический ток протекает вдоль контура по кабелю, идущему от одного полюса батарейки к другому. При этом если кабели на концах контура присоединить к металлическим электродам, погруженным в жидкость, ток пройдет по ней и начнется химический процесс расщепления.

Возьмем в качестве примера такой жидкости воду (H2O). В результате ее расщепления у одного из электродов появится водород, а около другого — кислород. Если над электродами расположить сосуды соответствующего вида, можно будет собрать данные газы по отдельности.

Через три десятилетия после первого опыта по расщеплению воды электричеством Фарадей использовал термин «электролиз». Исследования этого явления сделали очевидной возможность обратной реализации знаменитого эксперимента Генри Кавендиша (1731–1810), осуществленного в 1784 году: он получал воду, пропуская искру через сосуд с водородом и кислородом.

Первая «электролизация» воды была осуществлена английским химиком Уильямом Николсоном (1753–1815) через некоторое время после изобретения батарейки Вольты, 20 марта 1800 года. С помощью своего коллеги Энтони Карлайла(1768–1840) Николсон создал первую в Англии копию батарейки. Для улучшения электрического соединения он погрузил электроды от батарейки в сосуд с водой, и у каждого из электродов были собраны водород и кислород. Опыты по собиранию газов у электродов стали широко распространенными. Первым, кто увидел, что объем полученного в ходе электролиза водорода вдвое превышает объем кислорода, стал Гемфри Дэви. Пропорциональное распределение — две части водорода на одну часть кислорода — заставляло думать, что в воде больше атомов водорода, чем кислорода, и что каждая частица воды состоит из трех атомов, а не двух, как предлагал Джон Дальтон (1766–1844):

«Почему не допустить, что вода принимает одинаковый объем каждого из газов? Я долго размышлял над этим вопросом и, хотя меня полностью не удовлетворяет ответ, почти убежден, что данное обстоятельство зависит от веса и количества последних частиц, составляющих разные газы».

То есть химическая комбинация состоит из взаимодействующих атомов определенного и характерного веса. Данное заключение об атомном составе было, в конце концов, сформулировано Жозефом Луи Гей-Люссаком (1778–1850).

* * *

Электрический разряд как фактор химических реакций

До того как Фарадей начал свои исследования, считалось, что бывают разные виды электричества, в зависимости от источника. В начале XIX века думали, что существуют два вида электричества, изначально названных «стеклянное» и «смоляное», то есть положительное и отрицательное соответственно. Эта концепция, введенная Шарлем Франсуа де Систерне Дюфе, позволяла разделять все тела с точки зрения электричества: те, которые при натирании ведут себя как стекло, то есть электрически положительные, и те, которые при натирании ведут себя как смола, — электрически отрицательные (положительные и отрицательные — термины, введенные Бенджамином Франклином). Химические реакции можно было объяснять с позиции электрического притяжения и отталкивания. Таким образом, полюса контура притягивали на расстоянии компоненты молекулы, в конце концов разрушая ее.

Необходимость электрического разряда

Майкл Фарадей экспериментально доказал, что самой по себе близости двух электрических полюсов недостаточно для химической реакции: нужен электрический разряд. Эксперимент состоял в том, чтобы поместить бумагу, смоченную раствором йодистого калия, между двумя заряженными электродами. При высвобождении йода бумага окрашивалась в характерный фиолетовый цвет, и таким образом становилось очевидно, что произошла химическая реакция. Тогда ученый смог наблюдать, что близости электродов недостаточно.

Чтобы йод высвободился, а бумага окрасилась, нужен был электрический разряд. Для интерпретации данного явления Фарадей предложил, чтобы электрический ток вызывал помехи в химическом растворе, — это приводило к высвобождению йода.

Фарадей. мастер новых терминов

С помощью советов Уильяма Уэвелла (1794–1866), специалиста по классическим языкам и исследователя Тринити-колледжа Кембриджского университета, Фарадей придумал множество неологизмов для обозначения явлений и понятий в своих теориях и изобретениях. Для того чтобы новый термин был как можно более точным, Фарадей описывал Уэвеллу понятие или ситуацию со своим характерным умением использовать прозу там, где другие прибегали к математическим уравнениям, а Уэвелл, который, как считается, ввел термин «ученый» (заменяющий слово «натурфилософ»), предлагал свой вариант неологизма.

Электрохимия

Особенно интересны термины, введенные для понятий, связанных с электрохимией. Если в своих предыдущих исследованиях Фарадей был пионером и ему требовались абсолютно новые термины, то в области электрохимии уже существовал некоторый понятийный аппарат. Однако Фарадей считал, что старые термины не соответствуют тому, что обозначают: он был уверен в неотложной необходимости ввести новые термины для описания знакомых понятий, чтобы не ограничивать процесс осмысления старыми рамками. Например, для терминов «анод» и «катод» Фарадей представил Уэвеллу образ тока, перемещающегося в направлении восток — запад. Этот образ тесно связывался с земным магнетизмом и линиями широты.

Уэвелл предложил два варианта: эйсод (путь входа) и эксод (путь исхода), или анод (путь с востока) и катод (путь на запад). Фарадей в конце концов

выбрал второй вариант, так как он лучше описывал то, что ему хотелось выразить. Также совместно они придумали термин «электролиз», то есть разложение молекул электрическим током. Им принадлежит термин «ион» (идущий) — заряженная частица, движущаяся в растворе. В свою очередь, ионы, движущиеся к аноду, стали анионами, а те, что перемещаются в направлении катода, — катионами. Уэвелл придумал и много других терминов, связанных с наукой. Одно из таких обозначений не имеет эквивалента в русском языке — это все чаще произносимый в последнее время термин consilience , его ввел в моду Эдвард О. Уилсон в книге, озаглавленной « Consilience. Единица знания », и он означает определенный подход к обобщенному изучению науки и гуманитарных дисциплин, выведение общего из разных классов знания.

Уильям Уэвелл.

* * * 

Но именно Майкл Фарадей назвал электродами две металлические пластины, погруженные в жидкость для электролиза. Отрицательный электрод получил наименование «катод», а положительный — «анод». Атомы, как правило, нейтральны, у них нет положительного или отрицательного заряда, но прохождение тока через жидкость делало атомы заряженными и заставляло их перемещаться. Фарадей назвал заряженные атомы ионами. Сегодня нам известно, что ион является заряженным атомом, потому что он получил или потерял электроны, но Фарадей в ту эпоху не мог знать об электронах, хотя, несомненно, у него были определенные догадки на этот счет.

Электрохимические эксперименты в этой области показали, что существует два основных класса химических элементов: те, что, распадаясь при электролизе, перемещаются к положительному полюсу электрической цепи (электроотрицательные элементы), и те, которые перемещаются к отрицательному полюсу (электроположительные элементы).

Были сделаны попытки встроить в эту зарождающуюся органическую химию теорию, разработанную Гемфри Дэви и шведским химиком Берцелиусом (1779–1848), согласно которой электрическое взаимодействие между электроположительными и электроотрицательными элементами должно было полностью или частично нейтрализовываться, а с помощью остаточного заряда могли формироваться новые, более сложные соединения с более хрупкими связями.

Тогда были открыты свободные радикалы — группы атомов, которые в химических реакциях ведут себя как отдельная единица и способны соединяться, что парадоксально, как с электроположительными, так и с электроотрицательными элементами. Таким образом, свободные радикалы ставили под сомнение предсказания дуалистской теории и представляли органическую химию как намного более сложную дисциплину, чем казалось на первый взгляд.

* * *

Электролиз воды

Электролиз воды — это разложение воды (H 2 O) на газы — кислород (O 2 ) и водород (H 2 ) — с помощью пропускания электрического тока через воду. Этот процесс позволяет подтвердить соотношение, в котором находятся эти два газа: 2 объема водорода на 1 объем кислорода. Отрицательно заряженный катод собирает катионы водорода для формирования газа водорода. Положительно заряженный анод направляет электроны к аноду для замыкания цепи. Чистая вода не проводит электричество. Для осуществления реакции в воду добавляется несколько капель серной кислоты (Н 2 SO 4 ), электроды должны быть из платины, используется постоянный ток. в результате мы получаем вдвое больший объем H 2 (на катоде) по сравнению с O 2 (на аноде). Более детально рассматривая процесс, мы можем наблюдать, что при погружении двух электродов в кювету с водным раствором (вода и несколько капель серной кислоты) в растворе будут находиться ионы водорода (Н + ) и сульфата (SO 4 - ). Если затем подключить генератор электрического тока, некоторые молекулы воды будут распадаться на H + и ОН - . В результате ион OH - будет образовывать воду и молекулы газа кислорода, осаждающиеся на аноде в виде пузырьков.

При этом ион SO 4 - вернется в раствор и останется в состоянии иона. В то же время ионы H+ от кислоты и воды уступят свои заряды и образуют молекулы водорода, осаждающиеся в виде пузырьков на катоде.

* * *

Открытие свободных радикалов привело к необходимости выявить число возможных комбинаций, которые могли создавать каждый радикал и каждый элемент. Позже это число назовут валентностью. Таким образом, давалась численная оценка способности одного или нескольких атомов элемента заменять один или несколько атомов другого элемента в сложной органической структуре.

Результаты экспериментов, проведенных Фарадеем в области электрохимии, можно обобщить в двух предложениях, которые получили название «законы электролиза Фарадея».

— Масса химических веществ, осажденных на электроде, прямо пропорциональна количеству пропущенного тока на требующееся для процесса время.

— Для данного количества электричества масса освобожденных химических элементов прямо пропорциональна их химическим эквивалентам.

Химическим эквивалентом, или эквивалентной массой, называется масса элемента, взаимодействующая с примерно 1 граммом водорода. Необходимое количество электричества для осаждения химического эквивалента любого постоянного элемента является константой, названной постоянной Фарадея, равной 96500 Кл, что эквивалентно 1 фараду (Ф). Таким образом, математическая формула, объединяющая оба закона, выглядит так:

где т — масса в граммах осажденного на электроде элемента, I — сила тока, t — время прохождения тока через раствор, Eq — химический эквивалент элемента.

Современная электрохимия появилась благодаря законам электролиза, сформулированным Фарадеем. В связи с этим в его честь фарадом (Ф) называется единица, используемая в электрохимических системах для расчета массы элементов, которые осаждаются на электроде, то есть количество электричества, необходимое для осаждения химического эквивалента элемента: 23 грамма натрия, 108 граммов серебра или 32 грамма меди.

 

ПРИЗНАКИ АТОМНОЙ СТРУКТУРЫ МАТЕРИИ

Эксперименты по химическому разложению стали для пытливого ума Фарадея толчком к новым исследованиям. Он начал новую серию опытов, связанную с первой, однако результаты показались малофункциональными. Например, одно из важнейших сопутствующих исследований, которые Фарадей оставил незавершенными из-за боязни никогда не найти убедительного объяснения, было связано с эффектом платины — металла, используемого в качестве одного из полюсов в кюветах для электролиза. Фарадей заметил, что на платине, какой бы чистой она ни была, при прохождении тока на поверхности всегда возникают реакции водорода и кислорода. Такое явление называется катализом — термин предложил Берцелиус в 1836 году. При этом процессе происходит ускорение или замедление химических реакций благодаря участию вещества, называемого катализатором. Многие каталитические процессы, особенно связанные с водородом, требуют участия таких металлов, как платина. Однако Фарадею здесь не удалось добиться больших успехов.

Наступила весна 1834 года, и ученый начал жаловаться, что до сих пор не смог сформулировать теорию о взаимодействии электричества и материи. Например, его чрезвычайно расстраивал тот факт, что жидкость при заморозке продолжает проводить электричество и даже может заряжаться. Прежде все материальные вещества в мире разделялись на проводники и изоляторы, но Фарадей полагал, что все тела должны проводить электричество «от металлов до лака и газов, но в разной степени».

Догадки? Я ими не занимаюсь. Я лишь опираюсь на факты.

Майкл Фарадей, ответ на вопрос о жизни после смерти

Но если версия Фарадея была справедливой и электричество проходило одинаково через все вещества, материя не могла считаться континуумом, а должна была состоять из частиц.

Эта идея была слишком передовой для того времени, и Фарадей оставил атомистические рассуждения к весне 1834 года, установив тем не менее, не зная этого сам, основы электронной теории материи. Для каждого вида материи имеется минимальная порция, в которой сохраняются физико-химические характеристики, свойственные данной материи, — молекула; при этом данные характеристики исчезают при уменьшении этой порции. Фарадей также заложил основы электролитической диссоциации: он ввел термин ион для обозначения заряженных частиц, переносящих электричество внутри проводящего раствора, но не уточнил, из чего в действительности состоят ионы.

Обе теории были разработаны в достаточной мере через 50 лет.

Таким образом, хотя ученый постоянно обнаруживал следы атомной структуры материи, он намеренно отвергал данную теорию. В 1834 году он заявлял:

«Должен признать, что меня смущает термин «атом». Несмотря на то что говорить об атомах просто, довольно сложно сформировать четкую идею об их природе, особенно в отношении составных тел».

То, что Фарадей отвергал атомы, позволило ему создать теорию силовых полей, которая противоречила доминирующей теории корпускул Ньютона. Он не мог вернуться к этой старой концепции для окончательного прояснения функционирования электричества. При этом немецкий физик и физиолог Герман Людвиг Фердинанд фон Гельмгольц (1821–1894) приводил доказательства того, что Фарадей подразумевал наличие электрона, или атома электричества.

 

КЛЕТКА ФАРАДЕЯ И ДИЭЛЕКТРИКИ

Если бы мы могли перенестись в Королевский институт в конце 1835 года, мы бы увидели Фарадея, погруженного в конструирование необычного гигантского приспособления. Оно было настолько огромным, что его пришлось переместить в лекционный зал института: размеры лаборатории в подвале не могли вместить огромный деревянный каркас, покрытый алюминиевыми листами. Несведущий наблюдатель, вероятно, решил бы, что Фарадей конструирует какой-нибудь вид оружия, что-то вроде боевого танка. Может быть, это было похожим на клетку для фантастического существа, заземленную и подсоединенную к электростатическому генератору. Но внутри нее был только сам Фарадей, он сидел там в ожидании, пока его ассистент, сержант Чарльз Андерсон, подаст заряд на клетку, и от нее полетят искры.

Эксперимент несколько напоминал книгу о докторе Франкенштейне, когда его изуродованный помощник подключал электрический аппарат, чтобы вернуть тело к жизни. Однако Фарадей не ожидал получить от электричества никакой живительной силы. Он надеялся на обратное — не произойдет вообще ничего — и достиг этого: даже самые точные измерительные аппараты не смогли обнаружить никаких электрических эффектов внутри клетки, как будто она ограждала сидящего внутри от искрящего повсюду электричества.

Эта система экранирования получила название клетки Фарадея и в последующем начала использоваться для защиты чувствительных инструментов от радио- или электромагнитных явлений. Например, обычный лифт, если он представляет собой закрытый металлический ящик, может иметь свойства клетки Фарадея, поэтому часто в лифте не работает мобильная связь. В микроволновках также используется принцип клетки Фарадея для того, чтобы волны не проникали наружу. Самолеты также функционируют по этому принципу: если молния попадет в самолет, пассажиры останутся невредимы.

В эксперименте, несмотря на то что электростатический генератор подавал ток высокого напряжения, никто и ничто в клетке не подвергалось действию электричества. Для проверки того, что внутри клетки не было электрических зарядов, Фарадей использовал электроскоп — инструмент, позволяющий обнаруживать и измерять заряд отдельного тела. Электроскоп показал, что на внутренних стенках клетки заряд не обнаруживается.

Клетка Фарадея при отсутствии электрического поля (слева); заряженные частицы на стенке клетки Фарадея отвечают на приложение электрического поля (в центре); электрические поля внутри стенки устраняют приложенное электрическое поле, нейтрализуя внутреннее пространство клетки (справа).

Принцип работы клетки Фарадея относительно прост (см. схему). Сама клетка — из металла и работает как полый проводник. Когда на нее действует внешнее электромагнитное поле, положительные заряды остаются на поверхности, а отрицательные — электроны — свободно перемещаются по металлу в противоположном направлении по отношении к электрическому полю. На одной стороне клетки собираются электроны, с другой стороны образуется их недостаток. При поляризации проводника генерируется внутреннее электрическое поле такой же величины, но противоположное по направлению внешнему полю, поэтому сумма полей внутри проводника равна нулю. Силы нейтрализуют сами себя. Благодаря явлению электростатического экранирования ни один заряд не может пройти через клетку, так как внутри нее поле отсутствует.

 

ДИЭЛЕКТРИКИ

В 11-м выпуске серии «Экспериментальные исследования по электричеству» (1855, Experimental Researches in Electricity) Фарадей предлагает в качестве первого принципа науки об электричестве индукцию как свойство вызывать противоположное состояние, а также дает новое определение термину заряд — состояние напряженности, поддерживаемое материей. Кроме того, ученый высказывает мысль о том, что существуют тела, проводящие электричество, а также тела, с той же эффективностью не проводящие его.

Первый класс тел был назван проводниками, второй, по совету коллеги Уэвелла, получил название диэлектриков. Другими словами, по отношению к своему поведению под воздействием электрического поля материальные тела классифицируются на проводники и диэлектрики, при этом не существует постоянной градации, которая исключала бы отнесение тела к одной из категорий, то есть тело может классифицироваться как проводник или диэлектрик в зависимости от ситуации.

Важно различать изоляторы и диэлектрики. Все тела-диэлектрики являются изоляторами, поскольку плохо проводят электричество, но не все изоляторы являются диэлектриками. Чтобы стать диэлектриком, материал при воздействии электрического поля должен быть способен сохранять внутреннее электрическое поле. Диэлектрик может превратиться в проводник, если мы настолько увеличим внешнее поле, что оно превзойдет максимальное напряжение диэлектрика, называемое электрической прочностью.

Фарадей начал измерять диэлектрические константы разных изоляторов и назвал отношение между зарядом и напряжением диэлектриков специфической индуктивной способностью.

* * *

Диэлектрические константы

Чем больше величина диэлектрического коэффициента, или диэлектрической константы, обозначаемой как К, тем выше уровень электропроводимости материала. Например, константа воздуха — 1,00054, вакуума — 1,0. Другие значения К для разных материалов следующие.

— Стекло: 5–10.

— Нейлон: 3,5.

— Полиэтилен: 2,3.

— Хлорид натрия: 6,1.

— Дерево: 2,5–8,0.

— Этиловый спирт (0ºC): 28,4.

— Дистиллированная вода (20ºC): 80,1.

Если электрическое поле диэлектрика становится очень интенсивным, электроны покидают молекулы и материал превращается в проводник. Максимальное электрическое поле, которое диэлектрик может выдержать до момента разрушения, называется электрической прочностью.

Вот некоторые примеры диэлектрических материалов: стекло, резина, воск, бумага, сухое дерево или фарфор.

 

ЭКСПЕРИМЕНТ С КЮВЕТОЙ CO ЛЬДОМ

Работы по статическому электричеству и изолирующему эффекту клетки Фарадея были подтверждены в эксперименте 1843 года с использованием кюветы со льдом.

Схема аппарата, использованного Фарадеем для эксперимента с кюветой льда. Для изоляции кюветы от пола использовалась деревянная табуретка. Электрически заряженный латунный шарик, подвешенный на шелковой нити — изоляторе, опускался в кювету. Кювета была соединена проводом с электроскопом, чувствительным к заряду на ее стенках. 

В полую металлическую кювету (см. схему) с отверстием сверху клали лабораторный лед. К стенке кюветы подключали электроскоп. Далее Фарадей опускал в кювету металлическую заряженную сферу. В этот момент электроскоп регистрировал заряд внутри кюветы, противоположный заряду сферы. Снаружи кюветы заряд был такой же, как у сферы. Пока сфера находилась внутри кюветы, электроскоп показывал тот же заряд; когда сферу вынимали, электроскоп не показывал никакого заряда. Таким образом, внутренние стенки сосуда приобретали заряд, противоположный заряду сферы, а внешние — такой по знаку заряд, как у сферы. Этот эксперимент Фарадея подтвердил, что «индуцированные заряды всегда будут иметь одну величину, но будут разные по знаку между собой и зарядом индуктора».

Эксперимент с кюветой также подтверждал принципы электростатического экранирования, наблюдаемые в клетке Фарадея и применяемые сегодня для защиты оборудования от электрических разрядов.

Фарадей реализовал первый эксперимент, количественно подтверждающий сохранение электростатического заряда: общее количество положительных электрических зарядов на предмете равно количеству отрицательных, то есть общее количество электрического заряда в любом случае будет постоянным. Так, например, если изначально заряд кюветы был + 15 при опускании заряженной сферы +3, на внутренней поверхности кюветы обнаруживался заряд -3, а на внешней поверхности — +18. Общий заряд кюветы не изменился, так как 18 + (-3) — 15.

Эксперимент Фарадея до сих пор используется на лекциях и лабораторных демонстрациях для пояснения принципов электростатики.

 

ЖИЗНЕННЫЙ КРИЗИС

В ходе восхождения по карьерной лестнице Фарадей в 1833 году стал преемником своего учителя Гемфри Дэви, заняв пост преподавателя химии Королевского института. В 1835 году ему назначили пожизненную пенсию в 300 фунтов ежегодно. Наконец Фарадей чувствовал, что занимался тем, для чего появился на свет. Однако в 1835 году его интеллектуальное и психологическое состояние ухудшилось, а в 1840 году изменения стали еще сильнее. Подобный кризис пережил родившийся за 150 лет до Фарадея Исаак Ньютон — несмотря на научные расхождения этих мыслителей.

Ньютон в возрасте 49 лет почувствовал умственное переутомление. Фарадей в том же возрасте оказался в похожей ситуации: после титанического труда, которого потребовали исследования по электролизу, у него появились признаки общей усталости. Наступивший кризис принес Фарадею много горя и неприятностей как в профессиональном, так и в личном плане: он страдал от головокружений, потери памяти, мог записывать или произносить бессмысленные фразы (нечто подобное было и у Ньютона). Для большей показательности приведем отрывок из его личных записей того периода, в котором как раз говорится о кризисе, постигшем ученого:

«По словам подлинно светского человека Талейрана, назначение языка — скрывать мысли. Но в настоящий момент, когда я чувствую, что неспособен больше вести длительных разговоров, я должен заявить, и это действительно будет означать без каких-либо ошибок, недопонимания, двойственного или двойного смысла, отговорки или упущения, что я не нахожу подходящих условий, ибо мой ум слаб и я не могу работать».

Чтобы побороть это физическое и умственное состояние, в 1835 году Фарадей позволил себе отдохнуть несколько месяцев в Швейцарии, но и это не помогло, и в 1840 году он начал терять сознание от переутомления. И вновь ученый решился на еще одну, более длительную, поездку в Швейцарию вместе с женой и братом Робертом. В тот период Фарадей совершал дальние прогулки, по 45–60 км в день. Впервые он был лишен каждодневного исследовательского труда. Однако, в отличие от Ньютона, который после кризиса так и не вернулся к решению интеллектуальных задач, Фарадей в 1844 году вновь принялся за исследовательскую деятельность, в этот раз связанную со сжижением газов.

* * *

Первый программист Ада Лавлейс

После того как Фарадей восстановился после физического и умственного переутомления, у него состоялась встреча, которая, возможно, при других обстоятельствах произвела бы революцию в зарождавшихся тогда информационных технологиях. Это была встреча с Адой Байрон, дочерью лорда Байрона. Фарадей предстал перед ней в 1844 году со словами:

«Я принадлежу к маленькой и презираемой секте христиан, известных, если о нас кому-то известно, как сандеманианцы». Встреча с графиней Лавлейс является одним из таких моментов истории, когда невольно возникает вопрос: а что было бы, если? Дочь лорда Байрона уже работала с Чарльзом Бэббиджем и его аналитической машиной, создавая для нее первые компьютерные алгоритмы — набор четких инструкций для выполнения какой-либо операции. Но технические возможности той эпохи не позволяли довести до конца теоретические идеи этих двух незаурядных умов. Поэтому Ада Байрон, очарованная открытиями Фарадея в области электричества, вероятно, рассчитывала, что эти открытия помогут и ее собственным исследованиям, и попросила Фарадея взять ее в ученицы.

Портрет Ады Байрон (1838).

Искушение

Фарадей, верный своей религии, отказался, хотя был очарован этой красивой и умной женщиной, которую сегодня считают первым программистом в истории: он подумал, что таким образом может поставить под удар собственный брак. Несмотря на это переписка между исследователями продолжалась в течение нескольких лет, вплоть до преждевременной кончины Ады Байрон в 1852 году.

 

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ МАГНЕТИЗМОМ И СВЕТОМ: ЭФФЕКТ ФАРАДЕЯ

Хотя казалось, что свет и магнетизм не имеют ничего общего, на самом деле они взаимосвязаны. Всякий раз, когда мы до чего-нибудь дотрагиваемся, атомы наших пальцев вступают во взаимодействие с атомами этого предмета, электроны атомов нашей руки и предмета контактируют и взаимно отталкиваются из-за электромагнитной силы. Материя — практически пустота, но именно взаимное отталкивание электронов нашей руки и электронов предмета подсказывает, что пустоты не существует.

Фарадей был убежден, что каждый вид силы в мире может превращаться в другой: он доказал это, когда воздействовал электричеством на магнетизм. Теперь, после длительного отдыха, Фарадея соблазнял поиск нового решения задачи: достичь того, чтобы электричество вступило во взаимодействие со светом. Не впервые он задумывался над этим: с начала 1820-х годов ученый сделал несколько попыток, каждый раз безуспешных, но все же, вдохновляемый Джоном Гершелем и его опытами 1823 года, по-прежнему обдумывал возможности воздействия на свет электромагнитной спиралью.

В июне 1845 года на собрании Британской ассоциации содействия развитию науки Фарадей познакомился с молодым Уильямом Томсоном, который был большим поклонником его работ, а впоследствии стал великим теоретиком электричества в Англии, участвовал в создании кабеля, который должен был соединить Англию и Америку, но об этом мы уже говорили. Молодой 21-летний шотландец был очарован Фарадеем, они долго беседовали, а позднее начали переписываться: Томсон рассказывал о своих успехах, которые сопутствовали ему при разработке понятия силовых линий, введенных Фарадеем. В конце концов, эта переписка вдохновила Фарадея на возобновление поисков связи света и электричества.

Он сразу же провел серию экспериментов, которые, как это уже случалось в прошлом, не принесли желаемых результатов. Тогда ученый решил вместо электричества, воздействовавшего в качестве силы на свет, использовать магнетизм. Для обнаружения возможного эффекта Фарадей использовал стекло с высоким индексом рефракции — то самое, которое он сделал для Королевского общества между 1829 и 1820 годами, когда его учитель Дэви давал ему много мелких поручений, чтобы научный талант его подопечного не сиял так ярко. Стекло было изготовлено из боросиликата свинца, ученый разместил его между двумя полюсами электромагнита и пропустил через него поляризованный свет параллельно линиям, проходящим от полюса к полюсу. В результате Фарадей заметил, что поляризованный луч подвергается воздействию.

Фарадей держит в руках стеклянный брусок, использованный в 1845 году для доказательства воздействия магнетизма на свет в диэлектриках.

Работник Немецкого музея в Мюнхене залезает в клетку Фарадея, чтобы продемонстрировать ее работу.

Рисунок на основе заметок Фарадея, иллюстрирующий эксперимент с кюветой льда. 

Рефракция — явление, состоящее в изменении направления света при прохождении через прозрачную среду, например через воздух или стекло. Это явление можно наблюдать, если мы опустим карандаш в стакан воды: кажется, что карандаш сломан у поверхности воды. Это связано с рефракцией, или преломлением, света при прохождении через воздух и воду. Отношение между скоростью света в вакууме и в определенной среде называется индексом рефракции, который определяется как частное между скоростью света в вакууме и скоростью света в данной среде: n = c/v.

С другой стороны, свет представляет собой волновое движение (взаимно перпендикулярные электрическое и магнитное поля вибрируют также в направлении распространения волн, поэтому свет состоит из электромагнитных волн). Как правило, свет, испускаемый предметами, не поляризован, поскольку он идет в разных направлениях. Однако свет поляризуется при колебаниях электрического поля в одной плоскости.

Существуют различные способы получения поляризованного света. Один из них, названный поляризацией отражением, открыл в 1808 году Этьен Луи Малюс: он направил луч света на поверхность стекла под углом в 57º, отраженный луч поляризовался, потому что плоскость колебаний была перпендикулярна плоскости воздействия.

Таким же образом Фарадей открыл первый известный случай взаимодействия между магнетизмом и светом в 1845 году. Это отклонение плоскости поляризации света (определенной плоскостью колебаний электрического поля) — результат пересечения магнитным полем прозрачного материала, такого как стекло. Он известен как эффект Фарадея, или магнитооптический эффект, и наблюдается на многих твердых, жидких и газообразных предметах. Эффект возникал, только когда лучи света пересекались на протяжении линий электромагнитной индукции между полюсами.

* * * 

Природа света

Co времен Ньютона существовали две интерпретации природы света. Согласно первой, свет — это поток частиц; именно эту корпускулярную теорию защищал Ньютон. Вторая интерпретация утверждает, что свет — это волна; за ней стоял Христиан Гюйгенс (1629–1695). В конце концов, эксперименты Юнга и Френеля, а также других исследователей установили в начале XIX века волновой характер света. Следующим концептуальным шагом стало доказательство того, что свет является электромагнитной волной. Сам Фарадей доказал возможность взаимодействия света с электрическими и магнитными явлениями, указав на то, что статическое магнитное поле может изменять скорость распространения света на определенных материалах (знаменитый эффект Фарадея). Формулировка данного эффекта позволила Фарадею утверждать, что свет является электромагнитной волной. Это утверждение с одновременным отрицанием, по его мнению, устаревшей идеи об эфире — теории, согласно которой для перенесения световых волн требуется специальная среда флюида, эфир, — было опубликовано в 1846 году в знаменитых Вечерних лекциях по пятницам.

Теория Максвелла

Максвелл собрал данные, полученные Фарадеем, и сформулировал полную математическую теорию, ставшую основой современной оптики. Эта теория представлена в серии из четырех докладов, озаглавленной «О физических силовых линиях» (On Physical Lines of Force), где мы можем прочесть: «Мы едва ли можем отказаться от вывода, что свет состоит из поперечных колебаний той же самой среды, которая является причиной электрических и магнитных явлений». Максвелл также предсказал возможность существования электромагнитных волн с длиной волны, превышающей видимый свет, которые сегодня мы называем радиоволнами.

 

ДИАМАГНЕТИЗМ

Уже полностью восстановившись после кризиса, Фарадей вернулся к исследованиям и работал с таким энтузиазмом, что накануне дня, когда он собирался передать в Королевское общество статью об эффекте Фарадея, 4 ноября 1845 года, он сделал еще одно открытие с помощью стекла из боросиликата свинца. Ученый писал:

«Если квадратный брусок вещества толщиной полдюйма и шириной два дюйма подвесить между двумя полюсами мощного электромагнита в форме подковы, при включении электромагнита брусок поворачивался и останавливался, но не вдоль линии между полюсами, а экваториально или перпендикулярно силовым линиям».

Если тело из парамагнитного материала повернулось бы вдоль силовых линий, то стекло поворачивалось перпендикулярно. Фарадей открыл диамагнетизм. Также он поставил эксперименты, в которых луч поляризованного света линейно распространялся через стекло. При воздействии на стекло магнитным полем плоскость поляризации света вращалась. Сегодня это явление известно как эффект Фарадея.

Возвращаясь к диамагнетизму, надо сказать, что Фарадей открыл существование материалов, которые отталкивались магнитом, то есть были противоположностью ферромагнетиков, которые сильно магнитом притягивались. Этот эффект не был чем-то новым, его уже обнаруживали другие ученые, но никому из них он не казался важным. Кроме того, эффект был довольно слабым и трудно поддавался измерениям.

Продолжая эту линию исследования, необходимо было проверить и другие вещества. Так Фарадей открыл, что в зависимости от вещества бруски поворачивались по направлению магнитных силовых линий (их он назвал парамагнетики) или перпендикулярно (диамагнетики). То есть парамагнетики, помещенные во внешнее магнитное поле, притягивались в зону, где поле было наиболее сильным. С диамагнетиками наблюдался противоположный эффект — они притягивались в зону с более слабым полем.

Таким образом, мы можем дать следующее определение парамагнетизму: эффект слабого магнитного притяжения, при котором материалы стремятся развернуться соответственно силовым линиям. Такими материалами являются хром, платина или алюминий.

К веществам-диамагнетикам относятся медь, висмут, фосфор, бумага, сургуч, коровье молоко, яблоки, хлеб. Человеческое существо, по всей видимости, тоже должно относится к диамагнетикам. Фарадей сообщил в Королевском обществе 18 декабря 1845 года:

«[…] если бы человека можно было аккуратно подвесить, как это делал Дюфе, и поместить в магнитное поле, он бы повернулся в стороны экватора, так как все вещества, из которых он состоит, включая кровь, являются диамагнетиками».

Фарадей подчеркивает, что между диамагнетиками существуют различия:

«Доскональное исследование показало, что даже материалы-диамагнетики, отличные от других тел, так как еще нагретые они неактивны в отношении обычных магнитов или при других опытах, не являются абсолютными диамагнетиками, поскольку удерживают часть магнитного потенциала вне зависимости от температуры».

После этого водопада открытий Фарадей сообщил Королевскому обществу, что его работа в области диамагнетизма завершена. Это произошло 7 марта 1850 года.

* * * 

Ферромагнетики, парамагнетики и диамагнетики

В зависимости от ситуации материалы, помещенные в магнитное поле, могут разделяться на следующие виды.

— Ферромагнетики: легко намагничиваются даже небольшим магнитным полем. Кроме того, они стремятся оставаться намагниченными после их помещения во внешнее магнитное поле. Линии магнитного потока проходят через ферромагнетики с большей легкостью, чем через пустоту. Все эти материалы имеют критическую температуру, называемую температура Кюри, выше которой ферромагнетик теряет свои свойства в результате термического возбуждения и превращается в парамагнетик. Например, температура Кюри для железа равна примерно 1043 К.

— Парамагнетики: в отсутствие внешнего магнитного поля имеют случайный порядок магнитных моментов. Однако под действием внешнего магнитного поля магнитные моменты парамагнетиков стремятся повернуться параллельно магнитному полю. Если устранить действие внешнего магнитного поля, парамагнетики не сохраняют магнитных свойств.

— Диамагнетики: очень слабо намагничиваются, при индуцированном магнитном моменте поворачиваются в направлении, противоположном магнитному полю. Если ферромагнетики притягиваются магнитами, то диамагнетики отталкиваются ими. В действительности все материалы имеют свойства диамагнетиков, но это может быть неявно выражено при слабом притяжении к магниту (парамагнетики) и при сильном притяжении к магниту (ферромагнетики).

Теория Пуассона

Феноменологическая теория, разработанная французским математиком Симеоном Дени Пуассоном (1781–1840) и его немецким коллегой Карлом Фридрихом Гауссом (1777–1855), позволяет рассчитать эффект любого числа произвольно расположенных статических электрических зарядов. Две противоположно заряженные частицы притягиваются, и у них обнаруживается свойство ускоряться друг к другу, их скорость можно определить при учете сопротивления среды: если сопротивление среды присутствует, они могут двигаться с постоянной скоростью, , если сопротивление отсутствует, они двигаются с постоянным ускорением. После того как Фарадей установил, что электрические поля воздействуют силами на заряженные частицы, из-за того, что они обладают зарядом и вне зависимости от их скорости, а магнитные поля воздействуют силами на движущиеся заряженные частицы, благодаря уравнениям Максвелла, которые появились позднее, стало возможным определить поля на основе знаний о зарядах и токах.

Симеон Дени Пуассон

 

СЛЕДСТВИЯ ДИАМАГНЕТИЗМА: РОЖДЕНИЕ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ

«Теперь мы уже готовы к рассмотрению теории индуцированного магнетизма с той точки зрения, которой, как я полагаю, придерживался Фарадей. Когда магнитная сила действует на произвольную среду, магнитную, диамагнитную или нейтральную, внутри нее возникает явление, называемое магнитной индукцией, которая представляет собой направленную величину, имеющую природу потока, удовлетворяющую тем же условиям непрерывности, что и электрический ток и другие потоки».

Это цитата из книги Джеймса Клерка Максвелла «Трактат об электричестве и магнетизме». Несомненно, автор хотел особо подчеркнуть роль Фарадея в изучении электромагнетизма.

С другой стороны, в 1850 году немецкий физик Вильгельм Эдуард Вебер, в честь которого названа единица измерения магнитного потока в международной системе (вебер), предложил идею о том, что молекулы ферромагнетиков представляют собой маленькие магниты. При воздействии на них магнитным полем молекулы поворачиваются в одном направлении. Так ферромагнетик превращается в магнит. Однако эта идея противоречила постулатам феноменологической теории Пуассона, которая использовалась до сих пор для расчета эффекта от неопределенного количества произвольно расположенных статических электрических зарядов.

Как и прежде, находки Фарадея стали основой для теоретической разработки в рамках новых дисциплин, появившихся позднее. Если различия между диамагнетиками и парамагнетиками были экспериментально выведены британским физиком Джеймсом Альфредом Эвингом (1855–1935), характеристики ферромагнетиков не были глубоко проанализированы до тех пор, пока Поль Дирак и Вернер Гейзенберг (1901–1976) не применили для этого основы развивающейся квантовой механики в 1929 году.

Теория существования электронов подразумевалась в работах Фарадея и Максвелла, но окончательно была сформулирована нидерландским физиком Хендриком Антоном Лоренцем (1853–1928) и использована в первую очередь для оптических явлений.

В 1900 году немецкий физик Макс Планк (1858–1947) ввел термин квант и открыл универсальную постоянную, названную постоянной Планка и использованную для расчета энергии фотона.

В 1905 году Эйнштейн высказал идею, что свет распространяется как частица, фотон. Де Бройль в 1923 году указал, что квантовая механика придает частицам волновые свойства, а излучению, электромагнитным волнам — свойства частиц. Наконец, Гейзенберг и Шрёдингер соединили макроскопические явления со свойствами атома и молекул, и стал понятен феномен ферромагнетизма: в любом ферромагнетике имеются элементарные носители магнитного момента, отвечающие за макроскопические магнитные эффекты и спонтанную намагниченность.