Становление идеи об электромагнитном поле из опытов Майкла Фарадея

    Становление идеи об   электромагнитном поле из опытов     Майкла Фарадея

Предмет:Естествознание

           Подготовила :Попова Анастасия

Группа:14к7

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.