Открытие явления электромагнитной индукции и первые попытки построения теории электромагнитных явлений
В 1813 году, когда Фарадею был 21 год, известный химик Хэмфри Дэви нашел для него место ассистента в лаборатории Королевского института. Первые научные работы Фарадея относятся к химии. Открытие Эрстеда взволновало ученых Королевского института. Дэви и Волластон не только повторили опыты датского ученого, но и придумали новые демонстрации взаимодействия токов и магнитов. Фарадей также заинтересовался новым явлением и, тщательно изучив литературу по этому вопросу, приступил к самостоятельным исследованиям. Этот период научной карьеры Фарадея ознаменован избранием его в 1823 году членом Лондонского Королевского общества.
В 1831 году Фарадей установил явление электромагнитной индукции, т.е. совершил открытие, снискавшее ему наибольшую известность. По существу Фарадея привел к его основному открытию в электромагнетизме анализ экспериментальных фактов, исследованных Эрстедом, Ампером, Био и Саваром. Ход логических рассуждений Фарадея в этот период можно представить так:
1. Магнит воздействует на другой магнит;
2. Электрический ток может создавать магнитное поле;
3. Электрический ток может воздействовать на другой электрический ток;
4. Поэтому, чтобы получить законченную картину, необходимо предположить, что имеется возможность создавать электрический ток с помощью магнита, т.е. осуществлять действие, обратное указанному в пункте втором.
Начиная с 1824 года, ставя различные опыты, Фарадей пытался обнаружить такую взаимосвязь явлений, но безуспешно, и только 29 августа 1831 года он достиг успеха.
Важнейший закон, который в конце концов удалось открыть Фарадею, состоял в том, что магнитное поле должно быть движущимся или меняющимся по величине, чтобы возникал электрический ток в цепи, расположенной в области действия поля. Во времена Фарадея это не казалось столь очевидным, поскольку, как показали Эрстед и Ампер, постоянный электрический ток порождал стационарные магнитные эффекты вокруг проводника, по которому он протекал. Вроде бы логично было ожидать, что и постоянный магнит может порождать постоянный электрический ток в проводнике, расположенном вблизи магнита, хотя, может быть, для этого был необходим очень сильный магнит.
Однако все попытки получить ток подобным образом терпели неудачу. Сегодня из самых общих соображений ясно, что так и должно было быть. В самом деле, если бы мы сумели получить постоянный электрический ток, просто намотав проволоку на постоянный магнит, то мы получили бы неограниченный источник энергии. Откуда же могла черпаться энергия, за счет которой поддерживался бы ток? Сегодня мы можем уверенно утверждать, что подобные явления несовместимы с законом сохранения энергии. Однако следует помнить, что во времена Фарадея всеобъемлющее значение закона сохранения энергии было гораздо менее очевидным.
В действительности электрический ток сам не является статическим явлением: теперь мы твердо знаем, что ток представляет собой движение электрических зарядов. Но именно в этом и состояло существо проблемы. Конечно, если перефразировать вопрос, поставленный Фарадеем, так: «Как заставить магнит быть источником электричества, если известно, что движущийся электрический заряд вызывает магнитные явления?», то очевидно, что из соображений симметрии мы должны прийти к ответу, что движущийся магнит, или, в более общем случае, изменяющееся магнитное поле, может порождать электрический ток. Но во времена Фарадея наука была еще далека от глубокого понимания того, что ток в проводах является результатом движения зарядов, и вплоть до конца XIX столетия этот вывод нельзя было считать окончательно обоснованным.
В первом опыте, с помощью которого было открыто новое явление, Фарадей использовал деревянный цилиндр, на который были намотаны две изолированных друг от друга обмотки. Одна из них была соединена с гальванической батареей, другая – с гальванометром. При замыкании и размыкании тока в первой обмотке стрелка гальванометра во второй обмотке отклонялась (при замыкании тока – в одну сторону, при размыкании – в противоположную). Действие одной цепи электрического тока на другую Фарадей назвал вольта-электрической индукцией. Вольта-электрическая индукция усиливалась, если внутрь обмоток помещали сердечник из железа. Позже Фарадей сконструировал прибор в виде железного кольца (тора), на которое были намотаны две изолированные обмотки – первичная с источником тока и вторичная с гальванометром. Кольцо Фарадея было первой моделью трансформатора.
Затем Фарадей получил индукционные явления с помощью постоянных магнитов. Вот как, по словам Фарадея, это произошло: «Один конец цилиндрического магнитного стержня ... подведен к самому краю цилиндрической спирали из проволоки ..., затем стержень быстро вталкивается внутрь спирали на всю длину – стрелка гальванометра при этом движется; стержень резко вытаскивается – и стрелка снова движется, но в противоположном направлении. Этот эффект наблюдался каждый раз, когда магнит вдвигали или выдвигали и, следовательно, при этом создавалась электрическая волна ... ». Получение индукционного тока с помощью движущегося магнита Фарадей назвал магнитоэлектрической индукцией.
Примечательно, что Фарадей, описывая явление индукции, говорит об индуцированной «электрической волне». В 1938 году в архивах Лондонского Королевского общества было обнаружено запечатанное в конверте письмо Фарадея, в котором содержится догадка, что «на распространение магнитного взаимодействия требуется время». Фарадей указывает, что «электрическая индукция распространяется точно таким же образом», и считает «возможным применить теорию колебаний к распространению электрической индукции». Письмо было датировано 12 марта 1832 года и написано для закрепления приоритета Фарадея на данные воззрения. Невозможно не изумиться интуиции Фарадея, позволившей ему вскоре после открытия электромагнитной индукции прийти к идее электромагнитных волн.
Резюмируя результаты опытов с получением индукционного тока, Фарадей приходит к важному выводу о том, что «способность индуцировать токи проявляется по окружности вокруг магнитной равнодействующей или силовой оси точно так, как расположенный по окружности магнетизм возникает вокруг электрического тока ...». Установленную Фарадеем связь Максвелл позднее выразил математически в своих знаменитых уравнениях.
Здесь нельзя не упомянуть о вкладе, который внес в изучение электромагнитной индукции петербургский академик Эмилий Христианович Ленц. Он обратил внимание на то, что Фарадей дает различные правила для направления индуцированных токов в случаях вольта-электрической и магнитоэлектрической индукции. Ленц понял, что разные правила, предложенные Фарадеем, маскируют то обстоятельство, что во всех случаях индукции имеет место один и тот же процесс, подчиняющийся общему правилу. Ленц рассмотрел ряд примеров и сформулировал общее правило определения направления индукционного тока, сводящееся к тому, что во всех случаях электромагнитной индукции возникающий индукционный ток противодействует порождающему его изменению магнитного потока.
Открытое Фарадеем явление электромагнитной индукции и сформулированное Ленцем правило вкупе с более ранними результатами исследований Эрстеда, Био, Савара, Ампера, Араго и других ученых послужили отправной точкой для попыток построения математической теории электромагнитных явлений. Для ранних теорий электромагнитных явлений, составляющих основу домаксвелловской электродинамики, характерен единый методологический подход к описываемым явлениям: все эти теории основаны на ньютоновской концепции дальнодействия.
Наибольшую известность в сороковых-пятидесятых годах XIX века приобрели теоретические работы Неймана, Фехнера и Вебера. В частности, немецкий физик Фехнер объяснял явление электромагнитной индукции, исходя из представления о силах, действующих между движущимися зарядами. Фехнер полагал, что электрический ток представляет собой движение по проводнику отрицательно и положительно заряженных частиц в противоположных направлениях с одинаковыми по модулю скоростями. Силы взаимодействия заряженных частиц, по Фехнеру, описываются законом Кулона лишь в том случае, когда эти частицы находятся в состоянии относительного покоя. Если же они движутся друг относительно друга, то силы, действующие между ними, зависят от их скоростей и направления движения. Это, по мнению Фехнера, следовало из закона Ампера, который и позволял определить указанную зависимость. Согласно Фехнеру, две одноименно заряженные частицы, движущиеся в одном направлении, сближаясь, должны притягиваться. Так же должны притягиваться и две разноименно заряженных частицы, движущихся в противоположных направлениях. В остальных случаях действуют силы отталкивания.
Представления, развитые Фехнером, позволяли качественно объяснить явление электромагнитной индукции. Пусть по одному из проводников протекает электрический ток, т.е. вдоль него в противоположных направлениях движутся положительно и отрицательно заряженные частицы. Если вблизи этого проводника расположить другой проводник, ток в котором отсутствует, то на положительно и отрицательно заряженные частицы, находящиеся в нем в состоянии покоя, будут действовать силы со стороны зарядов, движущихся в первом проводнике. При этом равнодействующая этих сил, действующих на каждую из заряженных частиц во втором проводнике, оказывается равной нулю, а потому тока во втором проводнике не возникает. Если же второй проводник движется, то равновесие сил, действующих на содержащиеся в нем заряды, нарушается, заряженные частицы приходят в движение, и по второму проводнику течет ток, который и является индукционным током.
Идеи Фехнера легли в основу теории электромагнитных явлений, разработанной в 1846 году В. Вебером. Он также исходил из представлений об электрическом токе, как о движении положительно и отрицательно заряженных частиц в проводнике в противоположных направлениях. Между зарядами, по Веберу, действуют силы притяжения или отталкивания, зависящие от расстояний между заряженными частицами, а также от их относительных скоростей и ускорений. Принимая во внимание законы Кулона и Ампера, Вебер получил общую формулу для силы, действующей между двумя электрическими зарядами q1 и q2:
(10.3)
В созданной им теории Вебер смог объединить все основные известные к тому времени законы электрических и магнитных явлений. В частности, из формулы Вебера можно было вывести закон Ампера, а для случая неподвижных зарядов из нее непосредственно следовал закон Кулона. Фактически теория Вебера являлась наиболее значимым теоретическим результатом в развитии домаксвелловской электродинамики.