Наблюдать, изучать, работать... (Майкл Фарадей)

Никогда со времен Галилея свет не видел стольких

поразительных и разнообразных открытий, вышедших

из одной головы, и едва ли скоро увидит другого Фарадея

А. Г. Столетов.

Он первым создал полевую концепцию в учении об электричестве и магнетизме. До него господствовало представление о прямом и мгновенном взаимодействии зарядов и токов через пустое пространство. Майкл Фарадей последовательно развивал идею о том, что активным материальным переносчиком этого взаимодействия является электромагнитное поле.

Майкл Фарадей (1791-1867) — английский физик, основоположник учения об электромагнитном поле, иностранный почетный член Петербургской АН (1830). Обнаружил химическое действие электрического тока, взаимосвязь между электричеством и магнетизмом, магнетизмом и светом. Открыл (1831) электромагнитную индукцию — явление, которое легло в основу электротехники. Установил (1833-1834) законы электролиза, названные его именем, открыл пара- и диамагнетизм, вращение плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея). Доказал тождественность различных видов электричества. Фарадей ввел понятия электрического и магнитного поля, высказал идею существования электромагнитных волн. Учился у химика и физика, одного из основателей электрохимии Гемфри Дэви.

Основоположник современной концепции поля в электродинамике, автор ряда фундаментальных открытий, в том числе закона электромагнитной индукции, законов электролиза, явления вращения плоскости поляризации света в магнитном поле, один из первых исследователей воздействия магнитного поля на среды.

Детство и юность

Майкл Фарадей родился 22 сентября 1791 года, в Лондоне, в семье кузнеца. Кузнецом был и его старший брат Роберт, всячески поощрявший тягу Майкла к знаниям и на первых порах поддерживавший его материально. Мать Фарадея, трудолюбивая, мудрая, хотя и необразованная женщина, дожила до времени, когда ее сын добился успехов и признания, и по праву гордилась им.

Скромные доходы семьи не позволили Майклу окончить даже среднюю школу, и тринадцати лет он поступил учеником к владельцу книжной лавки и переплетной мастерской, где ему предстояло пробыть 10 лет. Все это время Фарадей упорно занимался самообразованием — прочитал всю доступную ему литературу по физике и химии, повторял в устроенной им домашней лаборатории опыты, описанные в книгах, посещал по вечерам и воскресеньям частные лекции по физике и астрономии. Деньги (по шиллингу на оплату каждой лекции) он получал от брата. На лекциях у Фарадея появились новые знакомые, которым он писал много писем, чтобы выработать ясный и лаконичный стиль изложения; он также старался овладеть приемами ораторского искусства.

Начало работы в Королевском институте

Один из клиентов переплетной мастерской, член Лондонского королевского общества Дено, заметив интерес Фарадея к науке, помог ему попасть на лекции выдающегося физика и химика Гемфри Дэви в Королевском институте. Фарадей тщательно записал и переплел четыре лекции и вместе с письмом послал их лектору. Этот «смелый и наивный шаг», по словам самого Фарадея, оказал на его судьбу решающее влияние. В 1813 Дэви (не без некоторого колебания) пригласил Фарадея на освободившееся место ассистента в Королевский институт, а осенью того же года взял его в двухгодичную поездку по научным центрам Европы. Это путешествие имело для Фарадея большое значение: он вместе с Дэви посетил ряд лабораторий, познакомился с такими учеными, как А. Ампер, М. Шеврель, Ж. Л. Гей-Люссак, которые в свою очередь обратили внимание на блестящие способности молодого англичанина.

Первые самостоятельные исследования. Научные публикации

После возвращения в 1815 в Королевский институт Майкл Фарадей приступил к интенсивной работе, в которой все большее место занимали самостоятельные научные исследования. В 1816 он начал читать публичный курс лекций по физике и химии в Обществе для самообразования. В этом же году появляется и его первая печатная работа.

В 1821 в жизни Фарадея произошло несколько важных событий. Он получил место надзирателя за зданием и лабораториями Королевского института (т. е. технического смотрителя) и опубликовал две значительные научные работы (о вращениях тока вокруг магнита и магнита вокруг тока и о сжижении хлора). В том же году он женился и, как показала вся его дальнейшая жизнь, был весьма счастлив в браке.

В период до 1821 Майкл Фарадей опубликовал около 40 научных работ, главным образом по химии. Постепенно его экспериментальные исследования все более переключались в область электромагнетизма. После открытия в 1820 Гансом Эрстедом магнитного действия электрического тока Фарадея увлекла проблема связи между электричеством и магнетизмом. В 1822 в его лабораторном дневнике появилась запись: «Превратить магнетизм в электричество». Однако Фарадей продолжал и другие исследования, в том числе в области химии. Так, в 1824 ему первому удалось получить хлор в жидком состоянии.

Избрание в Королевское общество. Профессура

В 1824 Майкл Фарадей был избран членом Королевского общества, несмотря на активное противодействие Дэви, отношения с которым стали у Фарадея к тому времени довольно сложными, хотя Дэви любил повторять, что из всех его открытий самым значительным было «открытие Фарадея». Последний также воздавал должное Дэви, называя его «великим человеком».

Спустя год после избрания в Королевское общество Майкла Фарадея назначают директором лаборатории Королевского института, а в 1827 он получает в этом институте профессорскую кафедру.

Закон электромагнитной индукции. Электролиз

В 1830, несмотря на стесненное материальное положение, Фарадей решительно отказывается от всех побочных занятий, выполнения любых научно-технических исследований и других работ (кроме чтения лекций по химии), чтобы целиком посвятить себя научным изысканиям. Вскоре он добивается блестящего успеха: 29 августа 1831 открывает явление электромагнитной индукции — явление порождения электрического поля переменным магнитным полем. Десять дней напряженнейшей работы позволили Фарадею всесторонне и полностью исследовать это явление, которое без преувеличения можно назвать фундаментом, в частности, всей современной электротехники. Но сам Фарадей не интересовался прикладными возможностями своих открытий, он стремился к главному — исследованию законов Природы.

Открытие электромагнитной индукции принесло Фарадею известность. Но Майкл по-прежнему был очень стеснен в средствах, так что его друзья были вынуждены хлопотать о предоставлении ему пожизненной правительственной пенсии. Эти хлопоты увенчались успехом лишь в 1835. Когда же у Фарадея возникло впечатление, что министр казначейства относится к этой пенсии как к подачке ученому, он направил министру письмо, в котором с достоинством отказался от всякой пенсии. Министру пришлось просить извинения у Фарадея.

В 1833-34 Майкл Фарадей изучал прохождение электрических токов через растворы кислот, солей и щелочей, что привело его к открытию законов электролиза. Эти законы (Фарадея законы) впоследствии сыграли важную роль в становлении представлений о дискретных носителях электрического заряда. До конца 1830-х гг. Фарадей выполнил обширные исследования электрических явлений в диэлектриках.

Последние экспериментальные работы

Постоянное огромное умственное напряжение подорвало здоровье Фарадея и вынудило его в 1840 прервать на пять лет научную работу. Вернувшись к ней вновь, Фарадей в 1848 открыл явление вращения плоскости поляризации света, распространяющегося в прозрачных веществах вдоль линий напряженности магнитного поля (эффект Фарадея). По-видимому, сам Фарадей (взволнованно написавший, что он «намагнитил свет и осветил магнитную силовую линию») придавал этому открытию большое значение. И действительно, оно явилось первым указанием на существование связи между оптикой и электромагнетизмом. Убежденность в глубокой взаимосвязи электрических, магнитных, оптических и других физических и химических явлений стала основой всего научного миропонимания Фарадея.

Другие экспериментальные работы Фарадея этого времени посвящены исследованиям магнитных свойств различных сред. В частности, в 1845 им были открыты явления диамагнетизма и парамагнетизма.

В 1855 болезнь вновь заставила Фарадея прервать работу. Он значительно ослабел, стал катастрофически терять память. Ему приходилось записывать в лабораторный журнал все, вплоть до того, куда и что он положил перед уходом из лаборатории, что он уже сделал и что собирался делать далее. Чтобы продолжать работать, он должен был отказаться от многого, в том числе и от посещения друзей; последнее, от чего он отказался, были лекции для детей.

Значение научных трудов

Джеймс Клерк Максвелл, ставший его последователем, развивший далее его учение и облекший представления об электромагнитном поле в четкую математическую форму: «Фарадей своим мысленным оком видел силовые линии, принизывающие все пространство. Там, где математики видели центры напряжения сил дальнодействия, Фарадей видел промежуточный агент. Где они не видели ничего, кроме расстояния, удовлетворяясь тем, что находили закон распределения сил, действующих на электрические флюиды, Фарадей искал сущность реальных явлений, протекающих в среде».

Точка зрения на электродинамику с позиций концепции поля, основоположником которой был Фарадей, стала неотъемлемой частью современной науки. Труды Фарадея ознаменовали наступление новой эры в физике.

{Майкл Фарадей сделал за свою жизнь столько открытий, что их хватило бы доброму десятку ученых, чтобы обессмертить свое имя. Майкл Фарадей родился в Лондоне, в одном из беднейших его кварталов. Его отец был кузнецом, а мать — дочерью земледельца-арендатора. Квартира, в которой появился на свет и провел первые годы своей жизни великий ученый, находилась на заднем дворе и помещалась над конюшнями.

Когда Фарадей достиг школьного возраста, его отдали в начальную школу. Курс, пройденный Майклом, был очень узок и ограничивался только обучением чтению, письму и началам счета. В нескольких шагах от дома, в котором жила семья Фарадеев, находилась книжная лавка, которая вместе с тем была и переплетным заведением. Сюда-то и попал Фарадей, закончив курс начальной школы, когда возник вопрос о выборе профессии для него. Фарадею в это время минуло только 13 лет. Само собою разумеется, что, пользуясь для чтения таким случайным источником, как переплетная мастерская, Фарадей не мог придерживаться какой-либо системы, а должен был читать все, что попадется под руку. Но уже в юношеском возрасте, когда Фарадей только начинал свое самообразование, он стремился опираться исключительно на факты и проверять сообщения других собственными опытами. Эти стремления проявлялись в нем всю жизнь как основные черты его научной деятельности. Физические и химические опыты Фарадей стал проделывать еще мальчиком при первом же знакомстве с физикой и химией. Так как он не получал за свою работу в переплетной мастерской никакого вознаграждения,  его средства были более чем ничтожны, образуясь из случайного заработка, перепадавшего на его долю. Некоторые из заказчиков его хозяина, принадлежавшие к научному миру и посещавшие переплетную мастерскую, заинтересовались преданным науке учеником переплетчика и, желая дать ему возможность получить хоть какие-то систематические познания в любимых науках — физике и химии, — устроили ему доступ на лекции тогдашних ученых, предназначавшиеся для публики.

Однажды Майкл Фарадей посетил одну из лекций Хэмфри Деви, великого английского физика, изобретателя безопасной лампы для шахтеров. Фарадей сделал подробную запись лекции, переплел ее и отослал Деви. Тот был настолько поражен, что предложил Фарадею работать с ним в качестве секретаря. Вскоре Деви отправился в путешествие по Европе и взял с собой Фарадея. За два года они посетили крупнейшие европейские университеты. Вернувшись в Лондон в 1815 году. Фарадей начал работать ассистентом в одной из лабораторий Королевского института в Лондоне. В то время это была одна из лучших физических лабораторий мира. С 1816 по 1818 год Фарадей напечатал ряд мелких заметок и небольших мемуаров по химии К 1818 году относится первая работа Фарадея по физике, посвященная исследованию поющего пламени.

По большому счету, этот период был для Фарадея лишь подготовительною школой. Он не столько работал самостоятельно, сколько учился и готовился к тем блестящим работам, которые составили эпоху в истории физики и химии. 12 июня 1821 года Майкл женился на мисс Бернард. Ее семейство было давно и дружески знакомо с Фарадеями; оно принадлежало к той же секте «зандеманов», членами которой был и Фарадей. Со своей невестой Фарадей был в наилучших отношениях еще с детства. Бракосочетание совершилось без всякой пышности — соответственно характеру «зандеманства», равно как и характеру самого Фарадея.

Брак Фарадея был очень счастлив. Вскоре после брака Майкл сделался главою общины «зандеманов». Материальное положение его к этому времени также было упрочено, его избрали смотрителем дома Королевского института, а затем директором химической лаборатории с соответствующим содержанием. Вместе с тем это избрание давало ему теперь прекрасную возможность работать для науки без всяких помех и стеснений.

Опираясь на опыты своих предшественников, он скомбинировал несколько собственных опытов, а к сентябрю 1821 года Майкл напечатал «Историю успехов электромагнетизма». Уже в это время он составил вполне правильное понятие о сущности явления отклонения магнитной стрелки под действием тока. Добившись этого успеха. Фарадей на целых десять лет оставляет занятия в области электричества, посвятив себя исследованию целого ряда предметов иного рода. В том же году, еще работая над вопросом о вращении магнитной стрелки под влиянием тока, он случайно натолкнулся на явление испарения ртути при обыкновенной температуре.

Позже Фарадей посвятил немало внимания изучению этого предмета и, основываясь на своих исследованиях, установил совершенно новый взгляд на сущность испарения. Теперь же он оставил этот вопрос, увлекаясь все новыми предметами исследований. Так, вскоре он стал заниматься опытами над составом стали и впоследствии любил одаривать своих друзей стальными бритвами из открытого им сплава. В 1823 году Фарадеем было произведено одно из важнейших открытий в области физики — он впервые добился сжижения газа и вместе с тем установил простой, но действительный метод обращения газов в жидкость.

В 1824 году Майкл Фарадей сделал несколько второстепенных открытий в области физики. Среди прочего он установил тот факт, что свет влияет на цвет стекла, изменяя его. В следующем году Фарадей снова обращается от физики к химии, и результатом его работ в этой области является открытие бензина и серно-нафталиновой кислоты.

Нет надобности объяснять, какое громадное значение имеет открытие первого из этих веществ. В 1831 году Майкл Фарадей опубликовал трактат «Об особого рода оптическом обмане», послуживший основанием прекрасного и любопытного оптического снаряда, именуемого «хромотропом». В том же году вышел трактат Фарадея «О вибрирующих пластинках».

Многие из этих работ могли сами по себе обессмертить имя их автора. Но наиболее важными из научных работ Фарадея являются его исследования в области электромагнетизма и электрической индукции. Строго говоря, такой значительный отдел физики, трактующий явления электромагнетизма и индукционного электричества, имеющий в настоящее время громадное значение для техники, был создан Фарадеем из ничего. Третий вид проявления электрической энергии, открытый Фарадеем, электричество индукционное, отличается тем, что оно соединяет в себе достоинства двух первых видов — статического и гальванического электричества — и свободно от их недостатков. Только после исследований Фарадея в области электромагнетизма и индукционного электричества, только после открытия им этого вида проявления электрической энергии появилась возможность превратить электричество в послушного слугу человека и совершать с ним те чудеса, которые творятся теперь.

Исследования в области электромагнетизма и индукционного электричества, составляющие наиболее ценный алмаз в венце славы Фарадея, поглотили большую часть его жизни и его сил. По своему обыкновению Фарадей начал ряд опытов, долженствовавших выяснить суть дела. На одну и ту же деревянную скалку Майкл намотал параллельно друг другу две изолированные проволоки; концы одной проволоки он соединил с батареей из десяти элементов, а концы другой — с чувствительным гальванометром. Оказалось, что в тот момент, когда в первую проволоку пропускается ток, а также когда это пропускание прекращается, во второй проволоке также возбуждается ток, имеющий в первом случае противоположное направление с первым током и одинаковое с ним во втором случае и продолжающийся всего одно мгновение. Эти вторичные мгновенные токи, вызываемые влиянием первичных индукцией, названы были Фарадеем индуктивными, и это название сохранилось за ними доселе.

Будучи мгновенными, моментально исчезая вслед за своим появлением, индуктивные токи не имели бы никакого практического значения, если бы Фарадей не нашел способ при помощи остроумного приспособления (коммутатора) беспрестанно прерывать и снова проводить первичный ток, идущий от батареи по первой проволоке. Благодаря этому во второй проволоке беспрерывно возбуждаются все новые и новые индуктивные токи, становящиеся, таким образом, постоянными. Так был найден новый источник электрической энергии, помимо ранее известных (трения и химических процессов), — индукция, и новый вид этой энергии — индукционное электричество.

Эти открытия повлекли за собой новые. Если можно вызвать индуктивный ток замыканием и прекращением гальванического тока, то не получится ли тот же результат от намагничивания и размагничивания железа? Он проводит опыт такого рода: вокруг железного кольца были обмотаны две изолированные проволоки; причем одна проволока была обмотана вокруг одной половины кольца, а другая — вокруг другой. Через одну проволоку пропускался ток от гальванической батареи, а концы другой были соединены с гальванометром. И вот, когда ток замыкался или прекращался и когда, следовательно, железное кольцо намагничивалось или размагничивалось, стрелка гальванометра быстро колебалась и затем быстро останавливалась, то есть в нейтральной проволоке возбуждались все те же мгновенные индуктивные токи — на этот раз уже под влиянием магнетизма. Таким образом, здесь впервые магнетизм был превращен в электричество. Фарадей также заметил, что действие магнита проявляется и на некотором расстоянии от него. Это явление он назвал магнитным полем.

Затем Фарадей приступает к изучению законов электрохимических явлений. Первый закон, установленный Майклом Фарадеем, состоит в том, что количество электрохимического действия не зависит ни от величины электродов, ни от напряженности тока, ни от крепости разлагаемого раствора, а единственно от количества электричества, проходящего в цепи; иначе говоря, количество электричества необходимо пропорционально количеству химического действия. Закон этот выведен Фарадеем из бесчисленного множества опытов, условия которых он разнообразил до бесконечности.

Второй, еще более важный закон электрохимического действия, установленный Фарадеем, состоит в том, что количество электричества, необходимое для разложения различных веществ, всегда обратно пропорционально атомному весу вещества, или, выражаясь иначе, для разложения молекулы (частицы) какого бы то ни было вещества требуется всегда одно и то же количество электричества.

Обширные и разносторонние работы не могли не отразиться на здоровье Фарадея. В последние годы этого периода своей жизни он работал уже с большим трудом. В 1839 и 1840 годах состояние Фарадея было таково, что он нередко вынужден был прерывать свои занятия и уезжать куда-нибудь в приморские местечки Англии. В 1841 году друзья убедили Фарадея поехать в Швейцарию, чтобы основательным отдыхом восстановить силы для новых работ. Это был первый настоящий отдых за долгое время.

Жизнь Фарадея с тех пор, как он вступил в Королевский институт, сосредоточивалась, главным образом, на лаборатории и научных занятиях. В этих открытиях, в приводивших к ним научных занятиях и состояла жизнь Фарадея. Он весь отдавался научным занятиям, и вне их у него не было жизни. Он отправлялся рано утром в свою лабораторию и возвращался в лоно семьи лишь поздно вечером, проводя все время среди своих приборов. И так он провел всю деятельную часть своей жизни, решительно ничем не отвлекаясь от своих научных занятий. Это была жизнь настоящего анахорета науки, и в этом, быть может, кроется секрет многочисленности сделанных Фарадеем открытий.

Возможность всецело отдаться научным занятиям для Фарадея обусловливалась, однако, не только известной материальной обеспеченностью, но еще более тем, что все внешние жизненные заботы были сняты с него женою, его настоящим ангелом-хранителем. Любящая жена приняла на себя все тяготы жизни, чтобы дать возможность мужу всецело отдаться науке. Никогда в течение продолжительной совместной жизни Фарадей не чувствовал затруднений материального свойства, которые ведала лишь жена и которые не отвлекали ум неутомимого исследователя от его великих работ. Семейное счастье служило для Фарадея и лучшим утешением в неприятностях, выпадавших на его долю в первые годы его научной деятельности. Ученый, переживший свою жену, писал о своей семейной жизни, упоминая о себе в третьем лице, следующее:

«12 июня 1821 года он женился; это обстоятельство более всякого другого содействовало его земному счастью и здоровью его ума. Союз этот продолжался 28 лет, ни в чем не изменившись, разве только взаимная привязанность с течением времени стала глубже и сильнее». Немногие люди могут дать о себе подобную автобиографическую справку.

(Примечание: по альтернативным данным ученый умер раньше жены. Это показывают английские источники и года смерти на их общей могиле.)

В Швейцарии Фарадей пробыл около года. Здесь он, кроме переписки с друзьями и ведения дневника, не имел никаких других занятий. Пребывание в Швейцарии весьма благотворно сказалось на здоровье Фарадея, и он, вернувшись в Англию, мог приступить к научной деятельности Работы этого последнего периода его жизни были посвящены всецело явлениям магнетизма, хотя открытия, сделанные за этот период, не имеют того грандиозного значения, какое справедливо признается за открытиями великого ученого в области индукционного электричества. Первым таким открытием, опубликованным по возвращении из Швейцарии, было «намагничивание света», как выражался Фарадей, или «магнитное вращение плоскости поляризации», как принято говорить теперь. Им было установлено, что под действием магнита поляризованный луч света изменяет свое направление. Это открытие дало толчок целому ряду исследований Фарадея в данной области. Он так обстоятельно обследовал открытое им явление, что после него в этом отношении не сделано почти ничего нового.

От магнитов исследователь перешел к электрическим токам. Во время этих опытов Майкл Фарадей сделал новое великое открытие. Речь идет о «магнитном трении». Вторую половину сороковых годов заняли работы над магнетизмом кристаллов. Затем Фарадей обратился к только что открытым тогда Банкаляри магнитным явлениям пламени. И, наконец. Фарадей обращается к вопросам чисто философского характера. Он старается выяснить природу вещества, определить отношения между атомом и пространством, между пространством и силами, останавливается на вопросе о гипотетическом эфире как носителе сил и так далее.

Однако ученый прославился не только многочисленными открытиями. Фарадей хотел, чтобы его открытия были понятны и тем, кто не получил специального образования. Для этого он занялся популяризацией научных знаний. С 1826 года Фарадей начал читать свои знаменитые рождественские лекции. Одна из самых известных из них называлась «История свечи с точки зрения химии». Позже она была издана отдельной книгой и стала одним из первых научно-популярных изданий в мире. Эта инициатива была подхвачена и развита многими другими научными организациями Ученый не прекращал научной деятельности до самой кончины.}

Майкл Фарадей скончался 25 августа 1867 года, в возрасте семидесяти шести лет. (Самин Д. К. 100 великих ученых. - М.: Вече, 2000).