Читать книгу "Фарадей. Электромагнитная индукция - Сержио Рарра Кастильо"

Темный магнит представляет собой магнит-индуктор (реальный), белый магнит — магнит, на который индуцируется ток (воображаемый). Схема позволяет нам убедиться в том, что закон Ленца основан на принципе сохранения энергии. Что случилось бы в первом случае, например если направление индукционного тока было бы противоположным? Катушка начала бы действовать как магнит, ее южный полюс был бы направлен на северный полюс магнита-индуктора. Это вызвало бы ускорение магнита-индуктора в сторону катушки и увеличение изменения потока на единицу времени, а следовательно, рост индукционного тока, который увеличил бы силу, действующую на магнит. Таким образом, кинетическая энергия магнита и тепло, полученное вследствие эффекта Джоуля, на катушке увеличились бы без присутствия источника энергии.

* * *

Динамо-машины стали настолько мощными, что в 1865 году возникли гигантские дуговые лампы, которые использовались на большинстве маяков. Пыхтящие паровые машины, характерные для промышленной революции, постепенно заменили гораздо более тихими и эффективными электродвигателями. Эти двигатели использовались в телефоне Александра Грэхема Белла, лампочках Томаса Алвы Эдисона, радио Гульельмо Маркезе Маркони. В конце концов электричество стало достоверным показателем роста или падения внутреннего валового продукта стран мира: чем больше было производство электричества, тем более процветающей была страна, в ней становилось больше рабочих мест, продукции и потребителей.

Майкл Фарадей был свидетелем больших успехов в развитии общества, хотя самые передовые идеи ученого не были до конца признаны научным сообществом. Он видел, как Лондон постепенно становится все более освещенным, как начала исчезать постоянно висящая в воздухе дымка смога — возможно, романтическая, но при этом весьма вредная для здоровья.

Электричество и магнетизм неразрывно связаны, одно не существует без другого, поэтому возник единый термин — электромагнетизм.

Первые предпосылки для такого слияния возникли в 1785 году, когда Шарль-Огюстен Кулон подвесил намагниченные бруски и описал, как они взаимодействовали, когда он раздвигал их на разные расстояния. Сила притяжения между брусками уменьшалась пропорционально квадрату расстояния между ними. Если расстояние между магнитами удваивалось, сила притяжения уменьшалась в четыре раза. Если расстояние увеличивалось в три раза, сила притяжения уменьшалась в девять раз, и так далее. Особенно интересным в экспериментах Кулона было то, что если на нитях подвешивались электрически заряженные предметы, электричество подчинялось тем же законам, что и магнетизм. Иными словами, в этот момент наука изучала возможность сходства между этими двумя силами природы. Свои догадки Фарадей подкрепил новыми эмпирическими доказательствами.

Сын скромного кузнеца, уделом которого, казалось бы, мог быть только изнурительный труд в эпоху промышленной революции, открыл Эру электричества. Фарадей стал искрой во мраке, которая вызвала еще одну революцию, не такую очевидную в социальном плане, но имеющую то же значение: наука перестала быть занятием богатых людей и превратилась в профессию для развитых умов.

* * *

Однажды, сэр, вы обложите его налогом

Широкомасштабное использование и производство электричества на основании открытий Фарадея, повлекшие за собой социальные преобразования, не были быстрыми. Известна следующая история о министре финансов Гладстоне, который спросил Фарадея, для чего может быть нужно электричество. Ученый ответил: «Однажды, сэр, вы обложите его налогом». И действительно, в 1880 году был введен первый налог на производство электричества в Англии. Существует еще одна аналогичная история. Во время публичной лекции Фарадея одна женщина спросила, какая польза может быть от того, что он только что объяснял. Фарадей ответил: «А какая польза может быть от новорожденного?» Открытия Фарадея в области магнетизма и электричества стали двигателем социальных изменений и великих преобразований, как сказал Альберт Эйнштейн о возникновении понятия поле для развития физики.

ПЕРЕВОД ИДЕЙ ФАРАДЕЯ НА МАТЕМАТИЧЕСКИЙ ЯЗЫК

Электричество не могло быть жидкостью, проходящей по проводу, оно должно было генерироваться невидимой силой, как и линии магнитного поля, однако в данном случае линии шли от одного заряда к другому. Это невидимое поле, по расчетам Фарадея, должно было бесконечно растягиваться, пересекая тела и выходя во внешнее пространство. Ученый сообщил о полученных результатах на первой сессии «Экспериментальных исследований» 24 ноября 1831 года в Королевском обществе.

* * *

Одна из четырех фундаментальных сил вселенной

Вселенная управляется четырьмя фундаментальными взаимодействиями: электромагнитным, гравитационным, слабым ядерным и сильным ядерным. Другими словами, известны только четыре способа, которые могут заставить одну часть материи взаимодействовать с другой. Эти четыре силы различаются по своей интенсивности, области применения, они управляются разными механизмами, различны и результаты их действия. Одна из самых слабых сил — гравитационная, ее можно обнаружить на достаточно крупных объектах, таких как мяч или планета. Интенсивность электромагнитной силы в 1038 раз больше, чем гравитационной. Сильная ядерная сила в 100 раз интенсивнее электромагнитной, она соединяет протоны и нейтроны атомного ядра, противодействуя электромагнитной силе, которая стремится отделить протоны, имеющие тот же заряд. При этом сильное ядерное взаимодействие обнаруживается на чрезвычайно малых расстояниях (например, расстояния между частицами в ядре) по сравнению с гравитацией или электромагнитной силой. То же происходит со слабым ядерным взаимодействием.

* * *

Его идеи звучали потрясающе революционно для той эпохи, потому что они предполагали, что мир наполнен невидимыми силовыми полями. Это было то же самое, что утверждать, будто существует иной мир, параллельный нашему измерению. Как можно было ожидать, коллеги Фарадея из Королевского института сочли такие теории совершенно безосновательными и вежливо отвергли их. По этой причине ученый всегда медлил перед тем, как сделать свои теории достоянием общественности. Это колебание перед распространением новых научных парадигм, способных изменить установленные научные принципы, было свойственно и многим другим ученым, например Чарльзу Дарвину с его теорией естественного отбора. Фарадей 12 марта 1831 года составил записку с изложением своих новых теоретических идей, запечатал ее в конверт, подписанный свидетелями, и положил на хранение в сейф Королевского общества с точными инструкциями, когда вскрыть конверт после его смерти. Приведем отрывок из этой записки:

«Когда магнит воздействует на магнит, расположенный на некотором расстоянии, или на кусок железа, индукционная причина (которую я сейчас назову магнетизмом) постепенно переходит с намагниченных тел, при этом сам переход занимает определенное время […]. Я склонен утверждать, что распространение магнитных сил от магнитного полюса можно сравнить с колебаниями, производимыми небольшим возмущением на поверхности воды, или колебаниями в воздухе от акустических явлений. То есть я предполагаю, что теория колебаний будет применима к этим явлениям, как она применима к звуку. Вероятно также, что она применима и к свету».