Становление идеи об электромагнитном поле из опытов Майкла Фарадея

 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. 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  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.