Онлайн
Майкл Фарадей — английский физик-экспериментатор, химик, создатель учения об электромагнитном поле, два открытия которого лежат в основе электроэнергетики: в 1821 он создал прообраз электродвигателя, а в 1831 г. открыл явление электромагнитной индукции, которое лежит в основе работы электрических генераторов. Усвоив взгляды Фарадея на природу электромагнитных явлений и использовав результаты его опытов, Дж.К.Максвелл создал свою теорию электромагнетизма. Фарадей получил также ряд других выдающихся научных результатов, в частности открыл и исследовал явления парамагнетизма, диамагнетизма, вращение плоскости поляризации света в магнитном поле, открыл законы электролиза.
Томас Филлипс. Портрет Майкла Фарадея, 1841-1842гг
Майкл Фарадей родился 22 сентября 1791 года в Ньюингтон-Баттс, недалеко от Лондона. Будущий ученый успел отучиться только в начальной школе, где овладел навыками чтения, письма и счета. Все остальные знания и навыки, необходимые для исследовательской работы в области физики и химии, он получил самостоятельно, используя все возможности, которые перед ним открывались.
Но этих возможностей сначала было очень мало. Майкл Фарадей родился в Лондоне, в семье кузнеца Джеймса Фарадея, который тяжело работал, чтобы заработать на хлеб. Детство и юность Майкла пришлись на период Великой Французской революции и последующих европейских войн, в которых участвовала и Англия. Войны негативно влияли на британскую экономику, от чего страдали в первую очередь малоимущие слои населения, к которым принадлежала и семья Фарадея.
В возрасте 13 лет Майкла отдали учеником в переплетную мастерскую при книжном магазине, которая принадлежала эмигранту-французу Рибо. Первый год Фарадей проходил испытательный срок, работая разносчиком газет, а дальше, согласно контракту, заключенному его отцом с Рибо, должен был учиться семь лет без оплаты - за еду и жилье. Сначала Фарадею было очень трудно, но он старался, и уже на четвертом году обучения фактически овладел ремеслом переплетчика.
Книжный магазин Рибо, где работал и учился юный Фарадей
Безусловно, такая работа способствовала самообразованию любознательного мальчика, который с детства пристрастился к чтению. В те времена типографии выпускали книги без переплетов (и не разрезанные), а покупатели книг сами заботились о переплете. Итак, через руки Фарадея проходили новейшие книги, в том числе научные.
Решающее значение для дальнейшей судьбы Майкла имело то, что в 1805 году в его руки попала книга выдающегося популяризатора науки XIX столетия Джейн Марсе «Беседы о химии». Эта первая в мире научно-популярная книга имела огромный успех. За 50 лет в Англии вышло 16 изданий этой книги, во Франции - три, в США - 23, причем общий тираж составил 160 тыс. экземпляров. Такой успех был неслучайным. Книга написана очень доступно, в форме диалога преподавательницы с двумя ученицами, из которых одна - серьезная и все понимает сразу, а вторая - легкомысленная, поэтому ей материал объясняется подробнее и в более доступной форме.
Особенно ценным в этом учебнике было то, что он содержал описания опытов, иллюстрированные рисунками автора. В описаниях приводились мельчайшие подробности опытов, обосновывалась необходимость тщательной их подготовки, а также содержались оговорки о возможной опасности. Благодаря этому книга стала очень популярной как пособие по проведению лекционных опытов в учебных заведениях.
Молодой Фарадей
В 1858 г. в письме к швейцарскому физику Огюсту Деляриву Фарадей так описывал свои впечатления от книги Марсе: "Я чувствовал тогда, что нашел опору своим химическим знаниям, и крепко ухватился за нее. Отсюда и причина моего глубокого уважения к госпоже Марсе. Во-первых, она принесла мне лично большую радость и сделала настоящее благодеяние, а во-вторых, она сумела открыть молодому, невежественному, пытливому уму явления и законы необъятного мира естественно-научных знаний. Вы можете представить мой восторг, когда я лично познакомился с госпожой Марсе. Как часто я вспоминал прошлое и сравнивал его с настоящим, так часто я думал о своей первой учительнице и всегда считал долгом посылать ей свои работы как выражение благодарности. И эти чувства меня никогда не покинут".
В том же письме Фарадей писал: "Не думайте, пожалуйста, что я был глубоким мыслителем или отличался ранним развитием. Я был подвижным мальчиком с богатым воображением. Верил настолько же в" Тысячу и одну ночь ", насколько в" Энциклопедию ". Но для меня были важны факты, и это меня спасло. Факту я мог доверять, тогда как каждому утверждению я мог всегда противопоставить другое утверждение. Поэтому я проверил книгу госпожи Марсе, выполняя те простые опыты, на проведение которых были деньги, после чего убедился, что книга соответствует фактам, насколько я их понимал".
Следует заметить, что произведенную в годы юности привычку опираться исключительно на факты и проверять сообщения других собственными опытами Фарадей сохранил на всю жизнь, благодаря чему сделал много открытий.
Но заниматься опытами юному ученику-переплетчику было очень сложно. Он работал без оплаты и имел лишь случайные заработки за труд в сверхурочное время и выходные дни. Таким образом, на свои опыты Фарадей мог тратить буквально копейки. Электрическую машину сделал из бутылки. Купив за несколько пенсов цинковую пластинку и использовав вместо медных пластин пенсовые монеты, изготовил гальваническую батарею. Хотя батарея была очень примитивной, но с ее помощью он разложил несколько веществ, был очень удивлен, и впоследствии сумел приобрести материалы, чтобы сделать настоящую гальваническую батарею.
В детстве у Фарадея появилась еще одна хорошая привычка. В возрасте 9 лет он начал записывать интересные сведения в тетради, которык затем соединил в рукописную книгу под названием "Философский сборник различных статей, заметок, событий, приключений и так далее, относящихся к искусству и наукам и собранных из газет, обзоров, журналов и других произведений с целью содействия удовлетворению, самообучению, а также подтверждению и опровержению теорий, распространенных в научном мире. Составил М. Фарадей от 1800 до 1809 года".
Самообразованию Фарадея очень помогло то обстоятельство, что в начале XIX в. английские ученые стали читать платные публичные лекции по различным наукам. В 1810 г. Фарадей узнал из объявления, что мистер Тэйтум прочитает в собственном доме курс лекций по естествознанию и входная плата - один шиллинг. Хозяин позволил Фарадею посещать лекции, а деньги дал старший брат Роберт, который уже работал кузнецом. С февраля 1810 г до сентября 1811 г. Фарадей прослушал тринадцать лекций, которые тщательно законспектировал.
На этих лекциях Фарадей познакомился и подружился с некоторыми слушателями, которые решили создать кружок по самообразованию и самосовершенствованию. На собраниях этого кружка Фарадей рассказывал о проведенных им опытах или о прочитанных книгах, причем члены кружка обсуждали не только суть изложенного, но и форму изложения. Товарищи тщательно отмечали все ошибки, и Фарадей пытался в дальнейшем их избегать. Впоследствии для совершенствования устной речи он брал уроки ораторского искусства.
В 1813 г. член Королевского института Уильям Дэнс заказал переплеты для журналов по химии. Увлекшись их чтением, Фарадей просрочил выполнение заказа, что вызвало нарекания заказчика. Но когда Дэнс узнал о причине задержки и увидел, насколько серьезно этот переплетчик изучает химические журналы, он расчувствовался и предложил ему взять в подарок одну из книг по собственному выбору. Фарадей выбрал книгу одного из основателей электрохимии Хэмфри Дэви. Тогда Дэнс передал ему приглашение на четыре публичные лекции Гемфри Дэви, что и определило всю дальнейшую судьбу Фарадея.
Сэр Гемфри Дэви
В те времена Хэмфри Дэви был наиболее известным английским химиком. Он одним из первых выполнил электролиз воды и определил ее как соединение водорода и кислорода. Путем электролиза некоторых щелочей, которые тогда считались простыми веществами, он открыл в 1807-1808 гг. несколько металлов - калий, натрий, барий, кальций, магний, стронций. В 1808-1809 гг. он открыл и описал электрическую дугу. Одним из первых он получил бор, а также доказал, что хлор является простым веществом, а не оксидом. Дэви также определил роль минеральных веществ для жизнедеятельности растений и был одним из основателей агрохимии. 8 апреля 1812 г. за научные достижения он получил титул рыцаря британской короны, а через два дня женился на богатой молодой вдове аристократке Джейн Ейприс. Дэви также славился публичными лекциями по химии и агрохимии, которые собирали сотни слушателей.
Фарадей вспоминал: "Когда я был подмастерьем, мне повезло прослушать четыре последних лекции сэра Хэмфри Дэви ... Я сделал краткие записи этих лекций, а затем хорошо их переписал и проиллюстрировал такими рисунками, которые сумел сделать. Желание заниматься научной работой, хотя бы примитивной, побудило меня, новичка, незнакомого со светскими правилами, написать письмо сэру Джозефу Бэнксу - президенту Лондонского Королевского общества. Закономерно было потом узнать, что мою просьбу оставили без ответа".
Между тем, 7 октября 1812 г. закончился срок обучения Фарадея. На второй же день он стал работать в переплетной мастерской другого французского эмигранта Деляроша. Новый хозяин, в отличие от Рибо, был человеком крутым и высокомерным, работать у него вскоре стало совсем невыносимо. Это побудило Фарадея действовать решительно - он написал Дэви о желании заняться научной работой, добавив в подтверждение серьезности своих намерений записи его четырех лекций. Ответ пришел незамедлительно - доброжелательный, но отрицательный. В институте не было вакансии. Но вскоре, во время одного из опытов в лаборатории взорвалась колба, ее осколки ранили Дэви глаза, и некоторое время он не мог ни читать, ни писать. Вспомнив о переплетчике, интересующегося наукой, Дэви решил взять его к себе, до выздоровления, секретарем, чтобы заодно и поближе с ним познакомиться.
Через несколько дней глаза Дэви зажили, и он расстался с Фарадеем. Но за это время тот произвел хорошее впечатление на Дэви своими знаниями и старанием. Когда через несколько недель в лаборатории Дэви освободилось место лаборанта, он предложил его Фарадею.
В протоколе Королевского института от 1 марта 1813 г. есть запись: "Сэр Хамфри Дэви имеет честь информировать директоров, что нашел человека, которого желательно назначить на должность ... Его имя - Майкл Фарадей ... Его данные кажутся хорошими, его характер активный и бодрый, а образ действий умный ".
Кроме работы, Фарадей получил квартиру из двух комнат в здании института. В его обязанности входило следить за порядком в лаборатории, подавать Дэви все необходимые ему во время опытов предметы, приносить в аудиторию для публичных чтений все необходимые вещества и приборы, а затем относить их обратно.
Благодаря покровительству Дэви Фарадей, кроме выполнения своих обязанностей, получил возможность начать научные исследования. В частности, с разрешения Дэви продолжил незавершенные тем из-за опасности опыты с хлористым азотом - очень взрывчатым веществом. Фарадей довел опыты до конца, хотя во время их проведения произошли четыре мощных взрыва, при одном из которых ему серьезно ранило пальцы одной руки, а лицо осталось невредимым благодаря тому, что он работал в стеклянной маске.
В то же время Фарадей воспользовался возможностью слушать лекции и доклады, которые произносились в Королевском институте, благодаря чему постоянно пополнял свои знания. Он также анализировал свои впечатления от прослушанных лекций и пытался объяснить себе, почему эти лекции иногда нравились, а иногда нет. Это помогло ему выработать надлежащие приемы чтения лекций, и он впоследствии славился как замечательный лектор.
Через несколько месяцев после того, как Фарадей начал работать в Королевском институте, Хэмфри Дэви с женой отправился в путешествие по странам Европы. Он взял с собой портативную химическую лабораторию и предложил Фарадею стать его помощником и секретарем на время путешествия. А когда за несколько дней до поездки отказался ехать слуга Дэви, тот предложил Фарадею временно - пока не найдет другого - выполнять и обязанности слуги.
Во время путешествия Фарадей вел дневник, в который заносил все впечатления и мысли. Дневник этот дает представление о том, как много узнал Фарадей за это путешествие. Ведь до этого он 22 года прожил в Лондоне, и если выезжал, то не далее 12 миль. А вместе с Хэмфри Дэви Фарадей побывал во Франции, Италии, Швейцарии и других странах.
В Париже Дэви встречался и обсуждал научные проблемы с Ж.-Л.Гей-Люссаком, А. фон Гумбольдтом, К.Л.Бертоле и другими известными учеными. И не только обсуждал, но и проводил определенные исследования. В частности, выполнив анализ золы морских водорослей, которая содержала йод, Дэви сделал вывод, что йод - это химический элемент, похожий на хлор. С этим выводом Гей-Люссак категорически не согласился, но через два года, после многочисленных опытов, признал правоту Дэви.
В Генуе Фарадей помогал Дэви проводить опыты с электрическим скатом, целью которых было выяснить, не вызывает ли электрический разряд ската разложение воды.
Во Флоренции Дэви со своим помощником провел сжигания алмаза в атмосфере кислорода и окончательно доказал единую природу алмаза и графита. При этом Дэви воспользовался уникальной по величине линзой, принадлежавшей великому герцогу Тосканскому. С ее помощью Дэви вместе с Фарадеем направили лучи солнца на алмаз, который лежал в платиновой чашке под стеклянным колпаком, заполненным кислородом. Во Флоренции Фарадей и Дэви также осмотрели телескоп, изготовленный самим Галилеем.
В дневнике Фарадея есть запись: "Пятница, 17 июня 1814 г., Милан. Видел Вольта, который пришел к сэру Г. Дэви: он бодрый старик, на груди - красная лента, очень легкий в разговоре".
В Женеве Дэви и Фарадей познакомились с врачом и физиком Шарлем Деляривом и его сыном Огюстом, которому было в то время всего 13 лет. Через шесть лет, летом 1820 г., Огюст Делярив покажет Франсуа Араго опыт Эрстеда по влиянию электрического тока на магнитную стрелку. В сентябре Араго покажет этот опыт на заседании Парижской Академии наук, после чего академики А.-М.Ампер, Гей-Люссак, Ж.Био, Ф.Савар и другие начнут исследования электрических и магнитных явлений.
Трудно переоценить роль этой поездки для становления Фарадея как исследователя. Дэви был великим ученым, и помощь ему в проведении опытов была замечательной школой для экспериментатора, а просто присутствие при разговорах великих ученых внимательному и любознательному юноше могла заменить кучу учебников и ввести его в круг новейших научных проблем.
Вернувшись в 1815 году в Лондон, Фарадей снова начал работать в химической лаборатории Королевского института. Он принимал деятельное участие в подготовке лекций по химии и физике, а также в проведении различного рода анализов и других работ, которые выполнялись в химической лаборатории. Ему повысили плату. В 1816 году в журнале "Quarterly Journal of Science", который издавался Королевским институтом, вышла первая печатная работа Фарадея. Это произошло с легкой руки Дэви: он поручил Фарадею выполнить химический анализ тосканской извести, образец которой получил из Италии, а когда Фарадей дал Дэви результаты, тот отдал их для публикации в журнал.
С 1816 по 1820 г. Фарадей выполнял различные исследования по химии и физике и публиковал их результаты в журнале Королевского института. Он завоевал среди коллег такой авторитет, что в 1819 году ему поручили редактировать этот журнал. В 1820 году он напечатал работу «О двух новых соединениях хлора и углерода и о новом соединении йода, углерода и водорода».
В 1820 году Фарадей увлекся опытами по взаимодействию электричества и магнитного поля. К этому моменту открыли понятия «источник постоянного тока» (А. Вольт), «электролиз», «электрическая дуга», «электромагнит». В этот период развивались электростатика и электродинамика, публиковались опыты Био, Савара, Лапласа по работе с электричеством и магнетизмом. Вышла работа А. Ампера по электромагнетизму.
В 1821 году свет увидела работа Фарадея «О некоторых новых электромагнитных движениях и о теории магнетизма». В ней ученый представил опыты с магнитной стрелкой, вращающейся вокруг одного полюса, т. е. осуществил превращение электрической энергии в механическую. Фактически он представил первый в мире, пусть и примитивный, электрический двигатель.
Радость открытия испортила жалоба Уильяма Волластона (открыл Палладий, Родий, сконструировал рефрактометр и гониометр). В жалобе к профессору Дэви ученый обвинял Фарадея в краже идеи с вращающейся магнитной стрелкой. История приняла скандальный характер. Дэви принял позицию Волластона. Только личная встреча двух ученых и разъяснение своей позиции Фарадеем смогла уладить конфликт. Волластон отказался от притязаний. Отношения Дэви и Фарадея утратили прежнюю доверительность. Хотя первый до последних дней не уставал повторять, что Фарадей — главное сделанное им открытие.
В январе 1824 года Фарадея избрали членом Лондонского королевского общества. Профессор Дэви голосовал… против.
В 1823 году стал членом-корреспондентом Парижской Академии наук. В 1825 году Майкл Фарадей занял место Дэви в должности директора лаборатории физики и химии Королевского института.
После открытия 1821 года десять лет ученый не издавал трудов. В 1831 году он стал профессором Вулиджа (военная академия), в 1833 году — профессором химии Королевского института.
Еще в 1820 году Фарадея заинтересовал опыт Ганса Эрстеда: движение по цепи электрического тока вызывало движение магнитной стрелки. Электрический ток стал причиной возникновения магнетизма. Фарадей предположил, что, соответственно, магнетизм может быть причиной возникновения электрического тока. Первое упоминание теории появилось в дневнике ученого в 1822 году. Десять лет опытов ушло на разгадку тайны электромагнитной индукции. Победа пришла 29 августа 1831 года. Устройство, позволившее Фарадею сделать гениальное открытие, состояло из железного кольца и множества витков проволоки из меди, намотанной на две его половины. В цепи одной половины кольца, замкнутой проволокой, находилась магнитная стрелка. Вторая обмотка подключалась к батарее питания. При включении тока магнитная стрелка совершала колебания в одну сторону, а при выключении — в другую. Фарадей заключил, что магнит способен преобразовывать магнетизм в электрическую энергию.
Униполярный генератор Майкла Фарадея (диск Фарадея)
Победа пришла 29 августа 1831 года. Устройство, позволившее Фарадею сделать гениальное открытие, состояло из железного кольца и множества витков проволоки из меди, намотанной на две его половины. В цепи одной половины кольца, замкнутой проволокой, находилась магнитная стрелка. Вторая обмотка подключалась к батарее питания. При включении тока магнитная стрелка совершала колебания в одну сторону, а при выключении — в другую. Фарадей заключил, что магнит способен преобразовывать магнетизм в электрическую энергию.
Фарадей стал автором и первого трансформатора. Ему принадлежит понятие «диэлектрической проницаемости». В 1836 году путем ряда экспериментов он доказал, что заряд тока оказывает воздействие только на оболочку проводника, оставляя объекты внутри нее нетронутыми. В прикладной науке устройство, сделанное на принципе этого явления, называется «клетка Фарадея».
Трансформатор Фарадея
«До тех пор, пока люди пользуются благами электричества, они всегда будут с благодарностью вспоминать имя Фарадея», — сказал о нем немецкий физик Герман Гельмгольц.
В 1835 году Фарадей из-за болезни был вынужден сделать двухлетний перерыв в работе. Причиной заболевания подозревали контакт ученого во время опытов с парами ртути. Недолго проработав после выздоровления, в 1840 году профессор вновь почувствовал себя плохо. Преследовала слабость, была временная потеря памяти. Период выздоровления затянулся на 4 года. В 1841 году, по настоянию врачей, ученый отправился в путешествие по Европе. Семья ученого жила почти в бедности. По свидетельству биографа Фарадея Джона Тиндаля, он получал пенсию в размере 22 фунта в год. Однако в том же 1841 году премьер-министр Уильям Лэм, лорд Мельбурн, под нажимом общественности подписал указ о назначении Фарадею государственной пенсии в размере 300 фунтов в год.
В 1848 году королева Виктория подарила Фарадею дом на левом берегу Темзы, Хэмптон-Корт. Британская королева оплачивала расходы и налоги по дому. Ученый с семьей перебрались в него, оставив дела в 1858 году.
К этому времени здоровье Фарадея сильно пошатнулось. В краткие моменты, когда болезнь отступала, он работал. В 1862 году выдвинул гипотезу о движении спектральных линий в магнитном поле. Подтвердить теорию смог в 1897 году Питер Зееман, за что в 1902 году получил «Нобелевскую премию». Фарадея Зееман назвал автором идеи.
Майкл Фарадей скончался за рабочим столом 25 августа 1867 года в возрасте 75 лет. Перед смертью ученый просил о скромных похоронах, поэтому пришли только родственники. На могильной плите высечено имя ученого и годы жизни.
