Открытие Фарадея

Открытия  Фарадея

 
Фарадей

С лета 1832 г. Фарадей  все больше и больше размышлял  над химическим действием электрического тока. Фарадей чувствовал, что здесь  должно быть заключено нечто глубокое, и решил во что бы то ни стало  докопаться до этих глубин. Первые опыты  были простыми, но они позволили  Фарадею определить программу и  последовательность исследований.

Вначале он выяснил  наличие химического действия электрического тока. Маленькую куркумовую бумажку, смоченную раствором сульфата натрия, он поместил одним концом против острия разрядного провода электрической  машины. Другой ее конец соединил со вторым проводом машины. "После сорока или пятидесяти оборотов машины конец  бумажки, обращенный к острию, был  окрашен благодаря присутствию  свободной щелочи", - отметил он. Но вызван ли обнаруженный эффект только действием тока? Видоизменяя объект исследования, Фарадей проделал опыт, в котором "не допускалось металлического соединения с разлагаемым веществом". На листочек куркумовой бумажки был  положен такой же листочек лакмусовой бумажки, обе были смочены раствором  сульфата натрия. На некотором расстоянии от концов бумажек были укреплены  острия, одно из которых было связано  с кондуктором машины, а другое - с разрядным проводом. Через  некоторое время после вращения машины "делалось очевидным разложение, так как конец лакмусовой бумажки  краснел от выделившейся кислоты, а  конец куркумовой окрашивался от подобного же и одновременного выделения  щелочи". Фарадей записывает: "Кислота  собирается около отрицательного конца, а щелочь - около положительного".

Майкл Фарадей (1791-1867), сын кузнеца, учился в школе для  бедных детей; там он научился читать, считать и писать. В девять лет  ему пришлось работать разносчиком  газет. Через некоторое время  отец отдал его на семь лет в  ученики переплетчика. "Будучи учеником, - вспоминал фарадей, - я любил  читать научные книги, которые переплетал. Из них мне нравились "Беседы о  химии" Марсе и статьи по электричеству  в Британской энциклопедии". Когда  ему исполнилось девятнадцать лет, он случайно узнал о лекциях по естествознанию некоего мистера  Татума. Посетив 13 лекций, он решил сам  заняться наукой. Ему определенно  везло. Как-то в переплетную мастерскую, где работал Фарадей, зашел Дэнс, член Королевского института. Поговорив  с Фарадеем, Дэнс понял, что имеет  дело с незаурядным человеком. Он принес Майклу билеты на цикл лекций по химии, которые читал Дэви. Лекции Дэви явились поворотным пунктом  в жизни Фарадея. "...Желание  заниматься научной работой, хотя бы самой примитивной, побудило меня, незнакомого  со светскими правилами, написать президенту Лондонского Королевского общества сэру Джозефу Бэнксу. Вполне естественно  было затем узнать у привратника, что моя просьба оставлена  без ответа". По совету того же Дэнса  Фарадей пишет письмо своему кумиру Дэви, приложив к нему как доказательство серьезности своих стремлений к науке тетради с его лекциями. Через два месяца они встретились. Но Дэви ничего не мог сделать для Фарадея. Помог случай, опять случай! Неосторожный Дэви поранил в своих опытах глаза и, вспомнив о Фарадее, пригласил его на время секретарем. Познания, аккуратность и старательность юноши произвели на Дэви большое впечатление, и он упросил администрацию принять Фарадея на работу в Королевский институт. В конце 1813г. Дэви отправляется в Европу. Майкл сопровождает его в качестве лаборанта, секретаря и слуги. Леди Дэви требует, чтобы он прогуливал ее собачку, третирует его. Если бы она знала, что через 150 лет ее будут вспоминать только благодаря этому молчаливому юноше, заботившемуся о походной лаборатории ее мужа! Тихий лаборант жадно впитывает опыт знаменитого химика, своими глазами видит великих - Вольту, Ампера, Гей-Люссака, внимает их словам. Вернувшись на родину, молодой Фарадей много работает. Первые публикации, первые самостоятельные опыты по электричеству и химии. Пылко влюбляется. И не в пример несчастному своему учителю, не в пример тому же Амперу или Томпсону живет счастливой семейной жизнью. Через 25 лет после женитьбы Фарадей вспомнил первую свою профессию и собственноручно переплел в один альбом все многочисленные свои дипломы. Их оказалось 95. В альбом он вписал: "Среди этих воспоминаний и отличий я ставлю дату события, которое больше, чем все они, было для меня источником гордости и счастья. Мы поженились 12 июня 1821 года". Ради науки Фарадей почти целиком ограничил свой мир двумя этажами Королевского института: внизу лаборатория, вверху квартира. Работоспособность его была необыкновенной. Спал он не более пяти часов в сутки, а все остальное время работал.

8 сентября 1832 г. (день  этот отмечен его записью) Фарадей  заметил, что площадь окрашенных  участков на бумажках зависела  от времени пропускания тока. Он надеялся, что выяснение количественных  соотношений в процессах воздействия  тока на растворы и получение  тока во время химических реакций  прольет свет на механизм связи  химических и электрических явлений.  Той связи, которой обязан своим  появлением химический источник  тока - вольтов столб, позволивший  изучить свойства тока, открыть  его магнитное действие, электромагнитное  вращение и "превращение магнетизма  в электричество". Когда Фарадей  узнал, что Эрстед обнаружил  отклонение магнитной стрелки  вблизи проводника, через который  проходит электрический ток, он  сконструировал специальный прибор  и доказал, что существует и  обратное явление - проводник  с током движется вокруг магнита  (электромагнитное вращение). Первое  большое открытие! 1 мая 1823 г. 29 членов  Королевского общества (среди них  не было Дэви!) рекомендовали его  в члены этого общества. В начале 1824г. Фарадей был избран, год  спустя возглавил лабораторию  Королевского института. Он продолжал  упорно экспериментировать, пытаясь  "получить ток из магнетизма", но только в 1831 г. добился  успеха: он обнаружил, что прохождение  электрического тока по одной  проволочной катушке может вызвать  на короткое время появление  тока в другой катушке, если  эти катушки связаны общим  железным кольцом. Он чувствует,  что его "исследовательская  удочка зацепилась за что-то  крупное", и наконец, через полтора  месяца получает электрический  ток с помощью только магнита.  Ток появляется на концах проволочной  спирали, намотанной на магнитное  кольцо, в которое вдвигался другой  магнит.

Открыв новое в  мире электрических явлений, Фарадей  проложил путь к техническим вершинам современной цивилизации. В сущности, был найден простой способ получения  электрического тока. Почти вся электрическая  энергия, которой сегодня пользуется человек, получена этим способом. Фарадей  открыл дверь в век электричества. Энгельс назвал его "величайшим до нашего времени исследователем в  области электричества". Эти слова  так же справедливы сегодня, как  и тогда, когда они были сказаны.

Как-то раз, придя  в лабораторию, Фарадей на листках  бумаги написал вопросы, относящиеся  к химическому действию тока и  подлежащие разрешению. На первом листке значилось: "тождество электричеств". Фарадей так всегда приступал к изучению какой-либо проблемы: составлял список вопросов в том порядке, в каком намеревался проводить опыты. По ходу выполнения опытов он делал пометки на листках и откладывал их в сторону. В этот день, как он писал потом, ход исследований по электричеству привел его "к такому моменту, когда для продолжения исследований стало существенно, чтобы не оставалось никаких сомнений относительно того, тождественны или различны отдельные виды электричества, возбуждаемые различными способами". Видов было уже пять. Человечеству издавна было знакомо "животное электричество", присущее некоторым рыбам и морским животным. Фарадей даже держал в лаборатории живого ската, показывая желающим этот источник тока. Столь же давно люди наблюдали искры, получающиеся благодаря трению изоляторов. Во времена Фарадея это делалось в электростатических машинах. Со времен благодаря Гальвани и Вольту стал известен гальванизм. Он действовал на лапку лягушки, вызывал нагревание проводников, разлагал соли, кислоты и щелочи, действовал на магнитную стрелку. Недавно Зеебек открыл термоэлектричество - четвертый источник тока. И вот теперь сам Фарадей открыл пятый способ получения тока - магнитоэлектричество.

 
Лаборатория Фарадея 

Но что же такое  электричество? В чем его сущность? Одни ученые, например Вольта, Риттер, Волластон, Страхов, считали все  известные им виды электричества  тождественными, другие, в частности  Дэви, - различными. Некоторым казалось: то, что вырабатывает вольтов столб, электричеством назвать нельзя - в  этом случае надо говорить о гальванизме. В учебных пособиях по физике в  начале XIX в. можно было встретить  независимые разделы "Электричество" и "Гальванизм". И вот теперь пять видов электричества. Одна у  них природа или нет? Разнородные  явления гальванизм и магнитоэлектричество или однородные?

Если Фарадей направлял  свой интерес на какую-нибудь проблему, он уже не прекращался думать о  ней и работал до тех пор, пока не находил ответа. Биограф Фарадея  английский физик Джон Тиндаль писал  о нем: "Он раздражался, когда ему  приходилось опираться на факты, хотя бы слегка подверженные сомнению. Он ненавидел так называемое сомнительное знание и всегда старался превратить его в знание несомненное или  в совершенное незнание". Прежде всего, Фарадей отмечает виды воздействия  электрического тока. Их он находит  восемь: физиологическое действие, отклонение магнитной стрелки, способность  к намагничиванию, искра, нагревательная способность, химическое действие, притяжение и отталкивание, разряд через нагретый воздух. "Моя задача, - пишет Фарадей, - состоит в сравнении электричества  от различных источников в отношении  способности производить эти  действия".

Осуществляя простые, но тщательно продуманные опыты, сопоставляя обычное и гальваническое электричество, Фарадей приходит к  выводу, что способность обычного электричества разряжаться через  воздух, в особенности нагретый, обусловлена его высоким напряжением. Напряжение между полюсами вольтовой  батареи мало. Но если напряжение увеличить, сделав батарею из 140 пластин и  подогреть воздух пламенем спиртовки (а еще лучше сделать его  разреженным), разряд произойдет легко. Подобные опыты Фарадей делает и  с другими видами электричества. Результаты опытов записываются в таблицу. Общий вывод формулируется в  работе "Экспериментальные исследования по электричеству": "...Отдельные  виды электричества тождественны по своей природе, каков бы ни был  их источник. Явления, присущие пяти перечисленным  типам или видам электричества, различаются друг от друга не по своей природе, а лишь количественно".

15 декабря 1832г.  Фарадей представляет Королевскому  обществу пробную статью о  своих опытах и выводах. В  январе 1833г. он докладывает Обществу  о своих экспериментах, которые  привели его к выводу о единой  природе всех видов электричества,  каково бы ни было их происхождение.  Ибо все они могут производить  все присущие электричеству действия - химические, физиологические, магнитные,  световые, механические.

Фарадей был твердо убежден в единстве сил природы. Эта теоретическая предпосылка  и побудила его добиваться "превращения  магнетизма в электричество". Той  же мыслью он руководствовался и в  последующих своих исследованиях. Он как-то сказал: "Искусство экспериментатора состоит в том, чтобы уметь  задавать природе вопросы и понимать ее ответы". Сам Фарадей владел этим искусством в совершенстве.

Начав изучать какой-либо вопрос, Фарадей с гениальной способностью определял ключевые направления  поиска. Методичность и трезвость  его экспериментальной техники  удивляют и заслуживают подражания. Фарадея называли "королем эксперимента". Простой опыт часто служил для  него исходным пунктом, отправляясь  от которого его мысль доходила до познания тайны явления. Даже когда  он, казалось бы, повторял опыты других, его работы приобретали фундаментальное  значение для науки. Он никогда не предвосхищал результата эксперимента, он говорил: "Я не знаю". Фарадей  доверял только фактам.

11 июля 1832г. он  устанавливает, что бумага, смоченная  раствором йодистого калия и  крахмала, весьма чувствительна  к направлению электрического  тока от вольтова столба.

6 и 8 сентября. Под  действием тока на индикаторные  бумажки концы их, близкие к  "входу и выходу тока", окрашиваются...

Но не сам факт химического действия интересует Фарадея. Существующие теории электролиза не предсказывают химического действия в определенных зонах.

Гротгус, выдвинув замечательную  мысль о полярности молекулы воды, предположил, что отдельные ионы существуют лишь короткое время, в течение  которого молекулы ими обмениваются. Если бы это было так, индикаторная бумага окрашивалась бы вся, так как  в растворе, через который пропускали ток, существует как кислород, так  и водород. Дэви вслед за Гротгусом  предполагал, что кислород притягивается  положительным электродом, а водород - отрицательным. Но и тогда бумажка  окрашивалась бы по всей своей длине. А тут - только у электродов! Поразительно! Что это значит? Где же все-таки происходит химическое изменение под  влиянием тока - в объеме раствора или  на электродах? Когда-то, еще в 1806г., Дэви провел электролиз сульфата калия  в двух агатовых чашках, соединенных  бумажкой, смоченной этими же растворами. Через некоторое время он обнаружил  в одной чашке едкое кали, а  в другой - серную кислоту. Фарадей  понимает, что он должен радикально изменить опыт Дэви и выяснить, где, в каком месте происходит образование  кислоты и щелочи, где происходит химическое превращение под действием тока и на основе полученного результата построить теорию явления. Только после этого станет ясно, что делать дальше.

22 октября был  осуществлен решающий эксперимент.  Фарадей изготовил электролитическую  ячейку. У электродов располагались  влажные индикаторные бумажки.  Такие же бумажки находились  у геля - твердообразной системы,  образованной при коагуляции  коллоидного раствора, содержащего  соль - сульфат калия. Все это  прокладывалось чистым гелем,  который проводит ток как обыкновенный  раствор. Пропуская ток через  такую ячейку, Фарадей увидел, что  индикаторные бумажки окрашивались  только у электродов. Причем лакмусовая  бумажка показывала, что у рядом  расположенного электрода образуется  кислота, а куркумовая - что у  другого электрода образуется  щелочь. Бумажки, находившиеся у  геля, содержащего соль, которая  при разложении дает продукты  кислого и щелочного характера,  и расположенные в середине  ячейки, не окрашивались. Это значило,  что электрохимическое действие  происходит только у электродов. Вот разница между электрохимическими  реакциями и просто химическими,  идущими в объеме раствора.

 
Электрохимический прибор Фарадея, показывавший, что электрохимическое действие наблюдается только у электродов: 1 - электрод; 2 - лакмусовая бумага; 3 - чистый гель; 4 - гель, содержащий соль; 5 - куркумовая бумага.

Теперь можно писать новую теорию электролиза. Прежде всего  говорить о притяжении полюсов, как  это предполагал Дэви, нет никаких  оснований. Жидкости, поддающиеся электролизу, состоят из частиц, имеющих противоположные  заряды. Под действием электрического тока частица, связанная с другой в молекулу, испытывает действие других противоположно заряженных частиц и  вступает с ними в соединение. Путем  таких перескоков и обменов частица  движется вперед. Движется до тех пор, пока впереди есть противоположно заряженные частицы, с которыми она может  соединиться. Только у электродов она  не окружена полностью другими частицами  и, следовательно, только здесь на нее  действуют неуравновешенные силы. Здесь  частица выталкивается наружу, "где  и выделяется".

Теория Фарадея  доказывала, в каких направлениях следует вести исследования. Стало  понятно, что химическое преобразование вещества происходит только у электродов. Зная место такой реакции, можно  определить и даже измерить объем  участвующих в ней веществ. Можно  сопоставить количество выделившихся у электродов веществ с величиной  тока и временем его пропускания  и подойти к количественной разгадке законов электролиза.