Исследование работ Фарадея по электричеству

Эта философская установка Фарадея в значительной степени способствовала его научным достижениям. Он открыл электромагнитную индукцию не случайно, он напряженно искал ее десять лет. Осенью 1845 г. он открывает магнитное вращение плоскости поляризации, получившее в науке название эффекта фарадея. Этот тонкий эффект опять-таки не был случайным открытием.

Девятнадцатую серию, посвященную эффекту Фарадея, он открывает следующим признанием: "Я давно уже придерживался мнения — и оно почти достигло степени убеждения — ... что различные формы, в которых проявляются силы материи, имеют общее происхождение, или, другими словами, настолько близко родственны друг другу и взаимно зависимы, что они могут, как бы превращаться друг в друга, и обладают в своем действии эквивалентами силы", фарадей сообщает, что он давно и безуспешно пытался "открыть прямую связь между светом и электричеством" и что "в конце концов мне удалось намагнитить и наэлектризовать луч света и осветить магнитную силовую линию". Далее он описывает свои опыты по вращению плоскости поляризации света магнитным полем.

Фундаментальная идея о взаимосвязи, взаимопревращаемости различных сил природы дополнялась у Фарадея другой фундаментальной идеей об активной роли среды, в том числе и пустого пространства, в физических процессах. В двадцатой серии он описывает влияние магнитного поля на различные среды и находит диамагнетизм и парамагнетизм (термины введены Фарадеем).

Тщательное изучение электрических и магнитных свойств вещества в конце концов привело Фарадея к установлению фундаментальной новой идеи, идеи поля. Фарадей разработал экспериментальную методику исследования магнитного поля с помощью пробной катушки и баллистического гальванометра. Он ввел метод изображения магнитного поля с помощью силовых линий. Он писал в 1851 г.: "Я..., изучая отношение вакуума к магнитной силе и общий характер магнитных явлений, протекающих вне магнита, больше склоняюсь к мысли, что передача силы представляет собой именно такое явление, протекающее вне магнита; я считаю невероятным, что эти явления представляют собой простое притяжение и отталкивание на расстоянии". Следует отметить, что современники Фарадея предпочитали идею "простого притяжения и отталкивания на расстоянии".

Слишком осязательны были успехи Ньютона, формула закона тяготения, которого так блестяще оправдалась в небесной механике. Напоминающие эту формулу законы Кулона дали возможность развить математическую теорию электростатики и магнитостатики. Амперу удалось включить в эту схему и электромагнетизм. Теперь оставалось так обобщить закон Ампера, чтобы он включил в себя и индукционные процессы, открытые и изученные Фарадеем. Эту задачу поставил перед собой Вильгельм Вебер (1802-1891), которому в конце концов удалось найти формулу взаимодействия заряженных электрических частиц (1846). Однако в эту формулу входили не только заряды взаимодействующих частиц и их положения, но также их относительная скорость и ускорение, что делало ее совсем непохожей на законы Ньютона и Кулона и сложной для расчетов.

Фарадей же вообще отказался от концепции действия на расстоянии и ввел в физику совершенно новый объект — физическое поле. "При этой точке зрения на магнит, — писал Фарадей в 1852 г.,- среда или пространство, его окружающие, играют столь же существенную роль, как и самый магнит, будучи частью настоящей и полной магнитной системы". Для Фарадея поле — это то, что излучается, распространяется с конечной скоростью в пространстве, взаимодействует с веществом. Примером такого поля является излучение Солнца. "В этом случае лучи (которые представляют собой силовые линии) проходят через промежуточное пространство; но здесь мы можем оказывать на эти линии действие при помощи различных сред, расположенных на их пути. Мы можем изменить их направление посредством отражения или преломления; мы можем заставить их идти по криволинейным или ломаным путям. Мы можем отрезать их от их источника и затем искать их и найти, прежде чем они достигнут своей конечной цели. Они связаны с временем и требуют 8 минут, чтобы пройти от Солнца до Земли; таким образом, они могут существовать независимо и от своего источника и от места, в которое в конце концов приходят. Таким образом, они имеют ясно различимое физическое существование".

Такова концепция поля, к которой Фарадей пришел в результате длительного научного пути и первоначальный набросок которой он дал в своем запечатанном письме 1832 г. С Фарадеем в физику наряду с частицами вещества вошла и новая форма материи — поле, излучаемое и поглощаемое частицами и распространяющееся в пространстве с конечной скоростью. Математически эта идея была разработана гениальным преемником Фарадея Джемсом Клерком Максвеллом.

2.2 Модельное представление об электромагнитных процессах

В развитой науке теоретические схемы вначале строятся как гипотетические модели. Такое построение осуществляется за счет использования абстрактных объектов, ранее сформированных в сфере теоретического знания и применяемых в качестве строительного материала при создании новой модели.

Только на ранних стадиях научного исследования, когда осуществляется переход от преимущественно эмпирического изучения объектов к их теоретическому освоению, конструкты теоретических моделей создаются путем непосредственной схематизации опыта. Но затем они используются в функции средств для построения новых теоретических моделей, и этот способ начинает доминировать в науке. Прежний же метод сохраняется только в рудиментарной форме, а его сфера действия оказывается резко суженной. Он используется главным образом в тех ситуациях, когда наука сталкивается с объектами, для теоретического освоения которых еще не выработано достаточных средств. Тогда объекты начинают изучаться экспериментальным путем, и на этой основе постепенно формируются необходимые идеализации как средства для построения первых теоретических моделей в новой области исследования. Примером таких ситуаций могут служить ранние стадии становления теории электричества, когда физика формировала исходные понятия - "проводник", "изолятор", "электрический заряд" и т. д. - и тем самым создавала условия для построения первых теоретических схем, объясняющих электрические явления.

Большинство теоретических схем науки конструируются не за счет прямой схематизации опыта, а методом трансляции уже созданных абстрактных объектов. Чтобы выявить эту специфику построения теоретических моделей, обратимся к конкретному материалу истории физики.

Одним из важных этапов становления классической электродинамики было открытие Фарадеем явления электромагнитной индукции.

Многочисленные эксперименты по изучению этого явления (опыты с магнитом, который при движении относительно замкнутого провода порождал в нем индукционный ток; аналогичные опыты с соленоидами и проводами различной конфигурации, опыт Араго и т. д.) были объяснены Фарадеем в рамках закона индукции. Согласно этому закону, когда проводящее вещество, движущееся относительно потока магнитных силовых линий, пересекает его, то в проводящем веществе возникает электродвижущая сила (э. д. с.).

Данный закон выражал корреляции между абстрактными объектами теоретической схемы, которая характеризовала электромагнитную индукцию через отношение абстрактных объектов "магнитные силовые линии" и "проводящее вещество". Эти объекты не содержались внутри эмпирических схем индукции, а были перенесены из других областей теоретического знания.

Фарадей заимствовал конструкт "магнитные силовые линии" из смежной области теоретического знания, которая была введена для объяснения опытов магнитостатики (исследование возможных ориентаций миниатюрных магнитных стрелок в поле действия постоянных магнитов и токов). Другой же абстрактный объект — "проводящее вещество" — был перенесен им из области знаний о токе проводимости. Эти объекты были "погружены" в новую систему отношений, благодаря чему приобрели новые признаки.

Конструкт "магнитные силовые линии" приобрел признак "вызывать электродвижущую силу (э. д. с.) в проводящем веществе" (тогда как раньше, в знаниях магнитостатики, он определялся только по признаку воздействия на пробный магнит). Конструкт "проводящее вещество", который ранее репрезентировал только свойства проводников, связанные с действием тока проводимости, оказался наделенным новым признаком - "возникновением в проводнике э. д. с. индукции". Наделение данных конструктов новыми признаками означало перестройку прежних абстрактных объектов, поскольку каждый из них определялся только как носитель некоторых жестко фиксированных признаков. Таким путем наука сформировала первоначальный вариант теоретической схемы электромагнитной индукции.

При построении фарадеевской модели индукции, которая создавалась для объяснения уже осуществленных экспериментов, обнаруживших явление электромагнитной индукции, важнейшую роль как в выборе абстрактных объектов, так в нахождении их связей сыграла развиваемая Фарадеем картина физической реальности. В ней все электрические и магнитные процессы рассматривались как проявление некоторой единой сущности, а центр тяжести анализа этих процессов переносился с зарядов и магнитов на пространство между ними, которое рассматривалось как "заполненное кривыми электрических и магнитных сил". Эти первоначальные представления картины мира, выработанные Эрстедом, Воллостоном и Фарадеем, основывались на предшествующих достижениях электродинамики, рассмотренных под углом зрения философских идей единства мира и единства материи и силы.

Опираясь на эту картину физической реальности, Фарадей при построении теоретической схемы электромагнитной индукции перенес на новую область выработанное в магнитостатике представление о перемещениях магнитных силовых линий в пространстве. Таким путем было введено одно из главных отношений между проводящим веществом и силовыми линиями в модели индукции, а именно, что э. д. с. появляется тогда, когда число силовых линий, пересекающих проводник, меняется во времени в каждой единице его объема.

Сквозь призму этого представления можно было легко понять все эффекты, возникающие при относительном движении проводников и магнитов. Но из знания самих этих эффектов представление о силовых линиях вывести было чрезвычайно трудно, а практически и невозможно. Достаточно вспомнить, насколько неожиданным для современников Фарадея было его объяснение явлений электромагнитной индукции, хорошо известных из экспериментов, чтобы убедиться, что само по себе знание таких экспериментов отнюдь не подсказывало идею связи между э.д.с. индукции и изменением числа силовых линий в проводнике. В этом отношении особенно характерно неожиданное объяснение Фарадеем опыта Араго.

Фарадей сумел объяснить его: при вращении магнита в пространстве перемещаются окружающие его силовые линии и, пересекая проводящее вещество (медный диск), порождают в нем индукционные токи, что делает на время диск источником магнетизма (ток рождает магнетизм) и приводит его во взаимодействие с прямолинейным магнитом, вызывая вращение диска. Таким образом, чтобы ввести такое объяснение, нужно было заранее иметь картину движения магнитных силовых линий в пространстве. Но эта картина не следовала из самих опытов по индукции. Фарадей выработал ее в магнитостатике, а затем экстраполировал на область новых явлений. Процесс такой экстраполяции стал возможен только благодаря выработанной Фарадеем картине мира, согласно которой все процессы электромагнетизма следовало объяснять исходя из "конфликта" электрических и магнитных сил в пространстве.

Образ изменения направлений силы в пространстве, как причины всех электромагнитных явлений, постоянно был перед внутренним взором Фарадея. Поэтому для него было совершенно естественно использовать модели магнитостатики, основанные на представлении о магнитных силовых линиях, в качестве аналогов при объяснении электромагнитной индукции.

Сам перенос моделей из одной области знаний об электричестве и магнетизме в другую был возможен только потому, что фарадеевская картина физического мира постулировала связь предметов исследования каждой из таких областей. Если учесть, что в этот же период Фарадею приходилось доказывать, что различные виды электричества (электричество трения, гальваническое, магнитоэлектричество и т. д.) - суть проявления одного и того же электричества, то подобные переносы моделей выглядят отнюдь не тривиальными.

2.3 Достоинства и недостатки идей Фарадея

Как физик-теоретик Майкл Фарадей завоевал славу первопроходца. Фарадей в высшей степени обладал способностью делать впечатляюще наглядными результаты своих исследований при помощи геометрическо-механических моделей.

Путем объединения явлений электричества и упругости он пришел к понятию "силовые линии". Фарадей с пластической ясностью представлял себе действие электрических сил от точки к точке в пространстве между ними, в их "силовом поле". "Сами электрические и магнитные силы, - писал Генрих Герц в 1889 году, – были для него чем-то существующим реально, действительным, ощутимым; электричество, магнетизм были для него вещами".

Причина возникновения электрических сил лежала, по мнению Фарадея, в процессах, происходящих в пространстве между телами. При поисках признаков различий между намагниченными предметами ему удалось доказать, что все вещества, считавшиеся до тех пор немагнитными, под действием большой магнитной силы обнаруживают явные следы намагниченности. Точно так же он смог доказать, что все считавшиеся надежными изоляторы изменяются под действием электрических сил. Выяснилось, что между проводниками и непроводниками различие не принципиальное, а лишь количественное.

Эти экспериментальные открытия привели к тому, что Фарадей, как физик, мыслящий строго эмпирически, признающий только факты, которые можно наблюдать, отверг представление об электрических силах дальнодействия.

На основе своего представления о силовых линиях Фарадей предполагал уже примерно в 1845 году глубокое родство электричества и света. Эта мысль была необычайно смела для того времени, но она была достойна исследователя, который считал, что только тот находит великое, кто исследует маловероятное. Фарадей, таким образом, пришел к мнению, что учение об электричестве и оптика, стоявшие тогда рядом, но еще не связанные между собой, взаимосвязаны и образуют единую область.

Фарадей, однако, не обладал математическим образованием. Говорили, что он не мог даже возвести в квадрат бином. Таким образом, он был не в состоянии изложить результаты своих исследований при помощи обычных математических средств, он мог охватить их лишь качественно. Формально это являлось очевидным недостатком, но содержанию все-таки в данном случае не наносило ущерба. Отсутствие академически-математической подготовки, по мнению Планка, спасло Фарадея от предубеждений, порождаемых математическими и астрономическими источниками, которые в то время неблагоприятно влияли на многих значительных исследователей.

Это был " ум, который никогда не погрязал в формулах", - скажет о нём А. Эйнштейн.

2.4 Использование идей Фарадея Максвеллом

Дело Фарадея по обоснованию понятия поля продолжил другой величайший английский физик - Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879).

Учение о физических силовых линиях является центральным пунктом воззрений Фарадея, оно подвело его к основанию физики электромагнитного поля. И хотя в его трудах нет математических формул, Максвелл подчеркивал, что "его метод понимания явлений был также математическим" и его легко можно выразить в обычной математической формуле.

Открытия, сделанные Фарадеем в области электромагнетизма, находили всё большее и большее использование. Однако его концепция силовых линий, занимающих всё пространство, долгое время не принималась всерьёз: она не могла конкурировать со стройными теориями Кулона, Ампера, Лапласа. Не владея хорошо математическим методом, Фарадей не стремился привязать его к своим исследованиям. Он считал, что самые сложные вопросы можно изложить просто, не прибегая к " языку иероглифов". Вот почему молодой Максвелл, взявшись за " атаку электричеств", имёл все основания заявить: " Современное состояние учения об электричестве представляется особенно неблагоприятным для теоретической разработки". В это время Максвеллу было 24 года. Прежде чем говорить о его дальнейшей работе, обратимся к его биографии.

В 1847 году по совету профессоров, не закончив гимназии, Максвелл поступил в Эдинбургский университет. Здесь он увлекается опытами по оптике, химии, магнетизму, тщательно штудирует книги по механике и физике, много занимается математикой. " Я прочёл " Лекции" Юнга Диксона и " Оптику" Муаньо", — пишет он в 1850 году одному из друзей. Видя увлечение сына исследованиями, отец помог ему образовать в Глендлэре физико-химическую лабораторию. В 1850 году Максвелл основательно занялся вопросами упругости и в этом же году уже сам выступил перед членами Королевского общества с докладом " О равенстве упругих тел". Девятнадцатилетний Максвелл доказал очень важную теорему о теории упругости и строительной механике. Теперь она называется его именем в этом же году он разработал метод изучения напряжений в поляризованном свете.

Исчерпав возможности Эдинбургского университета за 3 года, Максвелл в 1850 году переводится в Кембридж, в Тринити-колледж, где в своё время учился Ньютон.

Максвелл, который обладал уже огромным запасом знаний, правда, находящихся пока в беспорядке, твёрдо решил посвятить себя физике. Он начинает изучать " Экспериментальные исследования по электричеству" Фарадея. " Я решил, — писал Джеймс, — не читать ни одного математического труда из этой области, пока не изучу основательно это сочинение".

В 1854 году Максвелл успешно выдержал выпускной экзамен, заняв второе место, и был оставлен в Тринити-колледже для подготовки к профессорскому званию. Здесь он читает лекции по гидравлике и оптике, занимается исследованиями по теории.

В 1855 - 1856 гг. Максвелл закончил свою первую работу по электромагнетизму " О фарадеевых силовых линиях" и вместе с письмом отправил своему кумиру - Фарадею. Фарадей поразился силе таланта молодого учёного, его владению математикой и, глубоко тронутый вниманием, писал Максвеллу: "Ваша работа приятна мне и даёт мне большую поддержку. Сначала я даже испугался, когда увидел такую математическую силу, применённую к вопросу, но потом изумился, видя, что вопрос выдерживает это столь хорошо".

Максвелл берёт под защиту метод Фарадея, его идею близкодействия поля. Он опровергает версию о якобы "антиматематичности фарадеевского мышления". "Я убеждён, что его идеи могут быть выражены в виде обычных математических формул и эти формулы вполне сравнимы с формулами профессиональных математиков. Он сообщил своей концепцией силовых линий такую ясность и точность, каковые математикам удалось сообщить своими формулами", — писал Максвелл.

Сразу после открытия Фарадеем закона электромагнитной индукции учёные стремились придать ему строгую количественную формулу. Сейчас трудно представить себе те мучительные усилия, которые потребовались для формулировки этого закона на языке концепции действия на расстоянии. И в конце концов были получены (Нейманом и Вебером) весьма и весьма сложные формулы, неясные по своему физическому содержанию, но всё же способные количественно описывать опытные факты. В настоящее время их можно найти только в книгах по истории физики.

Истинный смысл закона электромагнитной индукции был найден Максвеллом. Он же предал закону ту простоту и ясную математическую форму, базирующуюся на представлении о поле, которую знает сейчас весь мир.

Попробуем представить себе, с помощью какого рода рассуждений Максвелл смог усмотреть в явлении электромагнитной индукции новое фундаментальное свойство электромагнитного поля.

Допустим, перед нами обыкновенный трансформатор. Включив первичную обмотку в сеть, мы немедленно получим ток в соседней вторичной обмотке, если только она замкнута. Электроны, находящиеся в проволоке обмотки, придут в движение.

Но ведь электронам закон электромагнитной индукции не известен. Короче говоря, какие силы приводят электроны в движение?

Само поле, пронизывающее катушку, этого сделать не может. Ведь магнитное поле действует исключительно на движущиеся заряды (этим-то оно и отличается от электрического), а проводник с находящимися в нём электронами неподвижен. Что же тогда действует?

Кроме магнитного, на заряды, мы знаем, действует ещё электрическое поле. Причём оно-то как раз может действовать и на неподвижные заряды. Это его главное свойство. Но ведь то поле, о котором шла речь (электрическое поле), создаётся непосредственно электрическими зарядами, а индукционный ток появляется под действием переменного магнитного поля. Уж не замешаны ли здесь какие-то новые физические поля, коль скоро идея близкодействия считается незыблемой?

Не будем спешить с выводами и при первом же затруднении искать спасения в придумывании новых полей, как в своё время вывод из всех трудностей видели во введении новых сил. Ведь у нас нет никакой гарантии, что все главные свойства магнитного и электрического полей известны. В законах Кулона и Ампера, заключающих в себе основную информацию о свойствах поля, фигурируют постоянные поля.

А что, если у переменных полей появляются новые свойства? Будем надеяться, что идея единства электрических и магнитных явлений, плодотворная до сих пор, не откажет и дальше.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8