Фарадэй — заснавальнік вучэння аб электрамагнітным полі[10], якое затым матэматычна аформіў і развіў Максвел. Асноўны ідэйны ўклад Фарадэя ў фізіку электрамагнітных з’яў заключаўся ў адмове ад Ньютанавага прынцыпу далёкаддзеяння і ва ўвядзенні паняцці фізічнага поля — бесперапыннай вобласці прасторы, запар запоўненай сілавымі лініямі(руск.) (бел., якая ўзаемадзейнічае з рэчывам[12].
Біяграфія
Раннія гады
Кнігарня Рыбо, дзе працаваў і «вучыўся» юны Фарадэй.
Майкл Фарадэй нарадзіўся 22 верасня 1791 года ў пасёлку Ньюінгтан-Батс каля Лондана (цяпер Вялікі Лондан), у сям’і каваля. Сям’я — бацька Джэймс (1761—1810), маці Маргарэт (1764—1838), браты Роберт і Майкл, сёстры Элізабет і Маргарэт[13] — жыла дружна, але ў нястачы, таму ўжо ў 13 гадоў Майкл, пакінуўшы школу, пачаў працаваць рассыльным у лонданскай кнігарні, які належыць французу-эмігранту Рыбо. Пасля выпрабавальнага тэрміну ён стаў (там жа) вучнем пераплётчыка.
Фарадэй так і не здолеў атрымаць сістэматычную адукацыю, але рана праявіў дапытлівасць і запал да чытання. У краме было нямала навуковых кніг; у пазнейшых успамінах Фарадэй асабліва адзначыў кнігі па электрычнасці і хіміі, прычым па ходзе чытання ён адразу пачаў праводзіць простыя самастойныя вопыты[14]. Бацька і старэйшы брат Роберт у меру сваіх магчымасцей заахвочвалі цягу Майкла да ведаў, падтрымлівалі яго матэрыяльна і дапамаглі вырабіць простую крыніцу электрычнасці — «Лейдэнскі слоік». Падтрымка брата працягвалася і пасля раптоўнай смерці бацькі ў 1810 годзе.
Важным этапам у жыцці Фарадэя сталі наведванні Гарадскога філасофскага таварыства (1810—1811 гаоды), дзе 19-гадовы Майкл па вечарах слухаў навукова-папулярныя лекцыі па фізіцы і астраноміі, удзельнічаў у дыспутах. Некаторыя навукоўцы, якія наведвалі кнігарню, адзначылі здольнага юнака; у 1812 годзе адзін з наведвальнікаў, музыкант Уільям Дэнс (William Dance), падарыў яму білет[15] на цыкл публічных лекцый у Каралеўскім інстытуце знакамітага хіміка і фізіка, першаадкрывальніка многіх хімічных элементаў Гемфры Дэві.
Лабарант Каралеўскага інстытута (1812—1815)
Каралеўскі інстытут Лондан, 1830-я гады.
Майкл не толькі з цікавасцю выслухаў, але і падрабязна запісаў і пераплёў чатыры лекцыі Дэві, якія паслаў яму разам з лістом з просьбай узяць яго на працу ў Каралеўскі інстытут. Гэты, як выказаўся сам Фарадэй, «смелы і наіўны крок» аказаў на яго лёс вырашальны ўплыў. Прафесар, сам прайшоўшы шлях ад вучня аптэкара, быў захоплены шырокімі ведамі юнакі, але ў той момант у інстытуце не было вакантных месцаў, і просьба Майкла была задаволена толькі праз некалькі месяцаў. У пачатку 1813 года Дэві, які быў у Інстытуце дырэктарам хімічнай лабараторыі, запрасіў 22-гадовага юнака на месца лабаранта Каралеўскага інстытута, якое вызвалілася[16].
У абавязкі Фарадэя ўваходзілі ў асноўным дапамогу прафесарам і іншым лектарам Інстытута пры падрыхтоўцы лекцый, улік матэрыяльных каштоўнасцей і іх догляд. Але сам ён стараўся выкарыстоўваць любую магчымасць для папаўнення свайго адукацыі, і ў першую чаргу — уважліва слухаў ўсе падрыхтаваныя ім лекцыі. Адначасова Фарадэй, пры добразычлівым садзейнічанні Дэйві, праводзіў ўласныя хімічныя эксперыменты па якія цікавяць яго пытаннях. Свае службовыя абавязкі Фарадэй выконваў настолькі старанна і ўмела, што неўзабаве стаў незаменным памочнікам Дэві[17].
Увосень 1813 года Фарадэй адправіўся разам з прафесарам і яго жонкай, як памочнік і сакратар, у двухгадовае падарожжа па навуковым цэнтрам Еўропы, якая толькі што разграміла Напалеона. Гэта падарожжа мела для Фарадэя вялікае значэнне: Дэві як знакамітасць сусветнага маштабу віталі шматлікія выбітныя навукоўцы таго часу, у тым ліку А. Ампер, М. Шэўроль, Жазеф Луі Гей-Люсак і А. Вольта. Некаторыя з іх звярнулі ўвагу на бліскучыя здольнасці маладога англічаніна[18].
Шлях у навуку (1815—1821)
Малады Фарадэй.
Пасля вяртання ў маі 1815 года ў Каралеўскі інстытут Фарадэй прыступіў да інтэнсіўнай працы на новай пасадзе асістэнта, з даволі высокім для таго часу акладам 30 шылінгаў у месяц. Ён працягнуў самастойныя навуковыя даследаванні, за якімі заседжваўся дапазна. Ужо ў гэты час выявіліся адметныя рысы Фарадэя — працавітасць, метадычнасць, дбайнасць выканання эксперыментаў, імкненне пранікнуць у сутнасць доследнай праблемы. У першай палове XIX стагоддзя ён заслужыў славу «караля эксперыментатараў»[19]. Усё жыццё ён вёў акуратныя лабараторныя дзённікі сваіх вопытаў (выдадзены ў 1931 годзе). Апошні эксперымент па электрамагнетызме пазначаны ў адпаведным дзённіку нумарам 16041[20], усяго Фарадэй правёў за сваё жыццё каля 30000 эксперыментаў[21].
У 1816 годзе з’явілася першая друкаваная праца Фарадэя (аб аналізе хімічнага складу тасканскага вапняка), у наступныя 3 гады лік публікацый перавысіў 40, галоўным чынам па хіміі. Завязваецца перапіска Фарадэя з буйнымі еўрапейскімі хімікамі і фізікамі. У 1820 годзе Фарадэй правёў некалькі вопытаў па выплаўленні сталей з дадаткамі нікеля. Гэтая праца лічыцца адкрыццём нержавеючай сталі, якое ў той час не зацікавіла металургаў[22].
У 1821 годзе ў жыцці Фарадэя адбылося некалькі важных падзей. У ліпені ён ажаніўся з 20-гадовай Сарай Барнард (Sarah Barnard, 1800—1879)[заўв 1], сястрой яго сябра. Паводле водгукаў сучаснікаў, шлюб быў шчаслівым, Майкл і Сара пражылі разам 46 гадоў. Жылі яны на верхнім паверсе Каралеўскага інстытута, за адсутнасцю ўласных дзяцей яны выхоўвалі малалетнюю пляменніцу-сірату Джэйн; Фарадэй таксама пастаянна клапаціўся пра сваю маці Маргарэт (памерла ў 1838 годзе)[23][24]. У Інстытуце Фарадэй атрымаў месца тэхнічнага наглядчыка будынка і лабараторый Каралеўскага інстытута (Superintendent of the House). Нарэшце, яго эксперыментальныя даследаванні пачалі няўхільна перамяшчацца ў вобласць фізікі. Некалькі значных работ па фізіцы, апублікаваных у 1821 годзе, паказалі, што Фарадэй цалкам склаўся як буйны вучоны. Галоўнае месца сярод іх займала артыкул аб вынаходстве электрарухавіка, з якой фактычна пачынаецца прамысловая электратэхніка.
Стварэнне электрарухавіка. Навуковая вядомасць (1821—1830)
Але галоўныя падзеі пачаліся ў 1820 годзе, калі Эрстэд выявіў на вопыце адхіляючае дзеянне току на магнітную стрэлку. Першыя тэорыі, якія злучаюць электрычнасць і магнетызм, пабудавалі ў тым жа годзе Біё(руск.) (бел., Савар і пазней Лаплас (гл. Закон Біё — Савара — Лапласа). А. Ампер, пачынаючы з 1822 года, апублікаваў сваю тэорыю электрамагнэтызму, па якой першасным з’явай з’яўляецца далёкадзеючае ўзаемадзеянне праваднікоў з токам. Формула Ампера для ўзаемадзеяння двух элементаў току ўвайшла ў падручнікі. Сярод іншага, Ампер адкрыў электрамагніт (саленоід(руск.) (бел.).
Пасля серыі вопытаў Фарадэй апублікаваў у 1821 годзе трактат «Аб некаторых новых электрамагнітных рухах і аб тэорыі магнетызму», дзе паказаў, як прымусіць намагнічаную стрэлку бесперапынна круціцца вакол аднаго з магнітных полюсаў. Па сутнасці гэтая канструкцыя ўяўляла сабой яшчэ недасканалы, але цалкам практычны электрарухавік, які ўпершыню ў свеце ажыццявіў бесперапыннае ператварэнне электрычнай энергіі ў механічную[25]. Імя Фарадэя становіцца сусветна вядомым.
Партрэт Фарадэя, мастак Томас Філіпс.
Канец 1821 года, у цэлым трыумфальнага для Фарадэя, азмрочыў паклёп. Вядомы хімік і фізік Уільям Воластан(руск.) (бел. паскардзіўся Дэві, што вопыт Фарадэя з кручэннем стрэлкі з’яўляецца плагіятам(руск.) (бел. яго, воластанаўскай ідэі (практычна ніколі ім не рэалізаванай). Гісторыя атрымала вялікую агалоску і даставіла Фарадэю нямала непрыемнасцяей. Дэйві стаў на бок Воластана, адносіны яго з Фарадэем прыкметна пагоршыліся. У кастрычніку Фарадэй дамогся асабістай сустрэчы з Воластанам, дзе растлумачыў сваю пазіцыю, і адбылося прымірэнне. Аднак у студзені 1824 года, калі Фарадэй быў абраны членам Лонданскага каралеўскага таварыства, Дэві, тагачасны прэзідэнт Каралеўскага таварыства, быў адзіным[26], галасавалі супраць (сам Воластан галасаваў за абранне)[27]. Адносіны Фарадэя і Дэві пазней палепшыліся, але пазбавіліся ранейшай сардэчнасці, хоць Дэві любіў паўтараць, што з усіх яго адкрыццяў самым значным было «адкрыццё Фарадэя»[28].
Прызнаннем навуковых заслуг Фарадэя стала абранне яго членам-карэспандэнтам Парыжскай Акадэміі навук (1823). У 1825 года Дэйві вырашыў пакінуць кіраўніцтва лабараторыяй Каралеўскага інстытута і рэкамендаваў прызначыць Фарадэя дырэктарам фізічнай і хімічнай лабараторый, што і было неўзабаве зроблена. Дэйві сканаў пасля працяглай хваробы ў 1829 годзе.
Пасля першых поспехаў у фарадэеўскіх даследаваннях электрамагнетызму наступіла дзесяцігадовая паўза і да 1831 года ён амаль не публікаваў працы на гэтую тэму: вопыты не давалі жаданага выніку, новыя абавязкі адцягвалі, магчыма, паўплываў таксама непрыемны скандал 1821 года[29].
У 1830 годзе Фарадэй атрымаў прафесарскую кафедру спачатку ў Каралеўскай ваеннай акадэміі(руск.) (бел. (Вулідж(руск.) (бел.), а з 1833 — і ў Каралеўскім інстытуце (па хіміі). Чытаў ён лекцыі не толькі ў Каралеўскім інстытуце, але і ў некалькіх іншых навуковых арганізацыях і гуртках. Сучаснікі надзвычай высока ацэньвалі выкладчыцкія якасці Фарадея, які ўмеў спалучаць навочнасць і даступнасць з глыбінёй разгляду прадмета[30]. Яго навукова-папулярны шэдэўр для дзяцей «Гісторыя свечкі» (папулярныя лекцыі, 1861) выдаецца да гэтага часу.
Даследаванне электрамагнетызму (1831—1840)
Фарадэй за вопытамі ў лабараторыі.
У 1822 годзе ў лабараторным дзённіку Фарадэя з’явіўся запіс: «Ператварыць магнетызм у электрычнасць». Развагі Фарадэя былі наступнымі: калі ў вопыце Эрстэда электрычны ток валодае магнітнай сілай, а, па перакананні Фарадэя, усе сілы ўзаемаператваральныя, то і рух магніта павінны ўзбуджаць электрычны ток.
Шлях да электрагенератара(руск.) (бел. апынуўся нялёгкім — першыя вопыты былі няўдалыя. Галоўнай прычынай няўдач было няведанне таго факту, што электрычны ток спараджаецца толькі пераменным магнітным полем, прычым досыць моцным (інакш ток будзе занадта слабы для рэгістрацыі). Для ўзмацнення эфекту варта было магніт (або праваднік) хутка рухаць, а праваднік згарнуць у катушку[31]. Толькі праз дзесяць гадоў, у 1831 годзе, Фарадэй знайшоў, нарэшце, рашэнне праблемы, выявіўшы электрамагнітную індукцыю. З гэтага адкрыцця пачаўся самы плённы перыяд даследаванняў Фарадэя (1831—1840), які даў навуковаму свету яго знакамітую серыю артыкулаў «Эксперыментальныя даследаванні па электрычнасці» (усяго ён апублікаваў у «Philosophical Transactions(руск.) (бел.» 30 выпускаў, якія выходзілі з 1831 па 1835). Ужо ў 1832 годзе Фарадэй за адкрыццё індукцыі быў узнагароджаны медалём Коплі.
Паведамленне пра вопыты Фарадэя неадкладна выклікала сенсацыю ў навуковым свеце Еўропы, масавыя газеты і часопісы таксама надавалі ім нямала ўвагі. Мноства навуковых арганізацый абралі Фарадэя сваім ганаровым членам (усяго ён атрымаў 97 дыпломаў)[32]. Калі адкрыццё электрарухавіка паказала, як можна выкарыстоўваць электрычнасць, то вопыты па індукцыі паказвалі, як стварыць магутную яго крыніцу (электрагенератар). З гэтага моманту цяжкасці на шляху шырокага ўкаранення электраэнергіі сталі чыста тэхнічнымі. Фізікі і інжынеры актыўна заняліся даследаваннем індукцыйных токаў і канструяваннем ўсё больш дасканалых электратэхнічных прылад; першыя прамысловыя мадэлі з’явіліся яшчэ пры жыцці Фарадэя (генератар пераменнага току Іпаліта Піксі(руск.) (бел., 1832), а ў 1872 годзе Фрыдрых фон Хефнер-Альтэнек(руск.) (бел. прадставіў высокаэфектыўны генератар, пасля палепшаны Эдысанам[33].
У 1832 годзе Фарадэй даследаваў яшчэ адну важную ў тыя гады праблему. На той момант былі вядомыя некалькі крыніц электрычнасці: трэнне, вольтаў слуп, некаторыя жывёлы (напрыклад, электрычныя скаты), фарадэеўская індукцыя, тэрмаэлемент (адкрыты ў 1821 годзе, гл. Эфект Зеебека). Асобныя навукоўцы выказвалі сумнеў у тым, што ўсе гэтыя эфекты маюць адзіную прыроду, і нават выкарыстоўвалі розныя тэрміны: «гальванізм», «жывёльная электрычнасць» і т. п. Фарадэй правёў сотні вопытаў і зачыніў праблему, паказаўшы, што ўсе праявы электрычнасці (цеплавыя, светлавыя, хімічныя, фізіялагічныя, магнітныя і механічныя) цалкам аднолькавыя, незалежна ад крыніцы яго атрымання[34][35].
У 1835 годзе ператамленне Фарадэя прывяло да першага прыступу хваробы, якая замінала яму працаваць да 1837 года.
Апошнія гады (1840—1867)
У апошнія гады.
Нягледзячы на сусветную славу, Фарадэй да канца жыцця заставаўся сціплым добрасардэчным чалавекам[23]. Ён адхіліў прапанову ўзвесці яго, як раней Ньютана і Дэві, у рыцары, двойчы адмовіўся стаць прэзідэнтам Каралеўскага таварыства (у 1848 і 1858 гадах)[36]. Падчас Крымскай вайны ўрад Вялікабрытаніі прапанаваў яму ўдзельнічаць у распрацоўцы хімічнай зброі супраць рускай арміі, але Фарадэй з абурэннем адкінуў гэтую прапанову як амаральную[37]. Фарадэй вёў непатрабавальны лад жыцця і часта адхіляў выгадныя прапановы, калі яны перашкаджалі б яму займацца любімай справай.
У 1840 годзе Фарадэй зноў цяжка захварэў (рэзкі заняпад сіл, пагаршэнне і частковая страта памяці) і змог вярнуцца да актыўнай працы толькі праз 4 гады, на кароткі тэрмін. Існуе версія, што хвароба стала следствам атручвання парамі ртуці, якая часта выкарыстоўвалася ў яго вопытах[38]. Рэкамендаванае лекарамі падарожжа па Еўропе (1841) дапамагло мала. Сябры сталі клапаціцца аб прызначэнні сусветна вядомаму фізіку дзяржаўнай пенсіі. Прэм’ер-міністр Вялікабрытаніі (Уільям Лэм) спачатку паставіўся да гэтага няўхвальна, але пад ціскам грамадскай думкі вымушаны быў даць сваю згоду. Біёграф і сябар Фарадэя Джон Тындаль падлічыў, што пасля 1839 года Фарадэй жыў у крайняй патрэбе (менш за 22 фунтаў у год), а пасля 1845 года пенсія (300 фунтаў у год[28]) стала яго адзінай крыніцай прыбытку. Тындаль з горыччу дадае: «Ён памёр бедняком, але меў гонар падтрымліваць на пачэсным месцы навуковую славу Англіі за сорак гадоў»[39].
У 1845 годзе Фарадэй ненадоўга вярнуўся да актыўнай працы і зрабіў некалькі выдатных адкрыццяў[40], у тым ліку: паварот плоскасці палярызацыі святла ў магнітным полі (эфект Фарадэя) і дыямагнетызм.
Дом Фарадэя ў Хэмптан-Корце.
Гэта былі апошнія яго адкрыцці. У канцы года хвароба аднавілася. Але Фарадэй здолеў выклікаць яшчэ адну грамадскую сенсацыю. У 1853 годзе ён, з усёй звычайнай дбайнасцю, даследаваў моднае ў тыя гады «столавярчэнне(руск.) (бел.» і ўпэўнена заявіў, што стол рухаецца не выкліканымі духамі памерлых, а несвядомымі рухамі пальцаў удзельнікаў. Гэты вынік выклікаў лавіну абураных лістоў акультыстаў[41], але Фарадэй адказаў, што прыме прэтэнзіі толькі ад саміх духаў[42].
У 1848 годзе каралева Вікторыя падала Фарадэю ў пажыццёвае карыстанне дом, які ўваходзіць у палацавы комплекс Хэмптан-Корт[43]. Усе дамавыя выдаткі і падаткі каралева ўзяла на сябе. У 1858 годзе Фарадэй сышоў у адстаўку з большасці сваіх пастоў і пасяліўся ў Хэмптан-Корце, дзе правёў апошнія 9 гадоў жыцця.
Час ад часу стан здароўя дазваляла Фарадэй ненадоўга вяртацца да актыўнай дзейнасці. У 1862 годзе ён высунуў гіпотэзу, што магнітнае поле можа ссоўваць спектральныя лініі(руск.) (бел.. Аднак абсталяванне тых гадоў было недастаткова адчувальным, каб выявіць гэты эфект. Толькі ў 1897 годзе Пітэр Зееман пацвердзіў гіпотэзу Фарадэя (спаслаўшыся на яго як на аўтара[44]) і атрымаў у 1902 годзе за гэта адкрыццё Нобелеўскую прэмію.
Майкл Фарадэй памёр 25 жніўня 1867 года за пісьмовым сталом, крыху не дажыўшы да 76-годдзя. Пахаваны на Хайгейцкіх могілках, участак для асоб неангліканскага веравызнання.
Навуковая дзейнасць
Даследаванні па электрамагнетызме
Электрамагнітная індукцыя
Вопыты Фарадэя па індукцыі
Пры руху саленоіда з токам ўнутры драцяной шпулькі ў ёй узнікае ток
«Трансфарматар Фарадэя»: пры ўключэнні або выключэнні току ў адной абмотцы рэгіструецца ток у іншай
Асноўныя вопыты адбыліся ў перыяд 29 жніўня — 4 лістапада 1831 года, галоўнымі з іх сталі два[45]:
Пры руху магнітнага стрыжня ўнутры драцяной шпулькі ў апошняй узнікаў электрычны ток.
Уключэнне або выключэнне току ў драцяной шпульцы прыводзіла да з’яўлення току у другаснай шпульцы, чые віткі чаргуюцца з віткамі першай.
17 кастрычніка 1831 года Фарадэй прыйшоў да высновы: «электрычная хваля ўзнікае толькі пры руху магніта, а не ў сілу уласцівасцей, уласцівых яму ў спакоі». Ён паставіў вырашальны эксперымент[20]:
Я ўзяў цыліндрычны магнітны брусок (3/4 цалі у дыяметры і 8 1/4 цалі даўжынёй) і ўвёў адзін яго канец ўнутр спіралі з меднага дроту (220 футаў даўжынёй), злучанай з гальванометрам. Потым я хуткім рухам упіхнуў магніт унутр спіралі на ўсю яго даўжыню, і стрэлка гальванометра штурхнулася. Затым я так жа хутка выцягнуў магніт з спіралі, і стрэлка зноў хістанулася, але ў процілеглы бок. Гэтыя качанні стрэлкі паўтараліся кожны раз, як магніт упіхваўся або выштурхоўваўся.
Яшчэ раней, 29 жніўня, Фарадэй правёў аналагічны вопыт з электрамагнітам[46]:
Дзвесце тры футы меднага дроту ў адным кавалку былі накручаны на вялікі драўляны барабан; іншыя 203 футы такога жа дроту былі пракладзены ў выглядзе спіралі паміж віткамі першай абмоткі, прычым металічны кантакт быў усюды ліквідаваны пасродкам шнурка. Адна з гэтых спіралей была злучаная з гальванометрам, а іншая — з добра зараджанай батарэяй са ста пар пласцін ў чатыры квадратныя цалі з падвойнымі меднымі пласцінкамі. Пры замыканні кантакту назіралася раптоўнае, але вельмі слабое дзеянне на гальванометр, і падобнае ж слабое дзеянне мела месца пры расплюшчванні кантакту з батарэяй.
Такім чынам, магніт, які перамяшчаецца каля правадніка (або ўключэнне/выключэнне току ў суседнім правадніку) спараджае ў дадзеным правадніку электрычны ток. Гэтую з’ява Фарадэй назваў электрамагнітнай індукцыяй.
28 кастрычніка ён сабраў першы паўнавартасны генератар пастаяннага току («дыск Фарадэя»): пры кручэнні меднага дыска побач з магнітам на дыску ўзнікае электрычны патэнцыял, які здымаецца прылеглым провадам. Фарадэй паказаў, як механічную энергію кручэння пераўтварыць у электрычную. Штуршком да гэтага вынаходству паслужыў вопыт Араго (1824 год): магніт, які круціцца, захапляў у сваё кручэнне размешчаны ніжэй медны дыск, хоць медзь няздольная намагнічвацца[47]. І назад, калі круціць медны дыск паблізу магніта, падвешанага такім чынам, што ён можа круціцца ў плоскасці, паралельнай плоскасці дыска, то пры кручэнні дыска магніт круціцца за яго рухам. Араго абмяркоўваў гэты эфект з Амперам, Пуасонам і іншымі знакамітымі фізікамі, але растлумачыць яго ім не ўдалося.
У справаздачы аб атрыманых выніках, апублікаваным Фарадэем 24 лістапада 1831 года перад Каралеўскім таварыствам, ён упершыню ужыў ключавой тэрмін «магнітныя сілавыя лініі». Гэта азначала пераход ад дыскрэтнай карціны «зарады/магніты» ранейшых тэорый, пабудаваных на ўзор далёкадзеючага ньютанаўскага прыцягнення, да зусім новага бесперапыннага і далёкадзеючага фізічнага аб’екта, якое мы цяпер называем полем. Некалькі пазней Фарадэй аналагічна ўвёў электрычныя сілавыя лініі.
Пасля адкрыццяў Фарадэя стала ясна, што старыя мадэлі электрамагнетызму (Ампера, Пуасона і інш.) няпоўныя і павінны быць істотна перапрацаваныя. Сам Фарадэй тлумачыў электрамагнітную індукцыю наступным чынам. Наваколле ўсякага зараджанага цела працята электрычнымі сілавымі лініямі, якія перадаюць «сілу» (паводле сучаснай тэрміналогіі, энергію), і аналагічна энергія магнітнага поля цячэ ўздоўж магнітных сілавых ліній. Гэтыя лініі не варта разглядаць як умоўныя абстракцыі, яны ўяўляюць сабой фізічную рэальнасць[48]. Пры гэтым:
Усякая змена электрычнага стану асяроддзя спараджае магнітнае поле.
Усякая змена магнітнага стану асяроддзя спараджае электрычнае поле[48].
Дакладную фармулёўку гэтых законаў і поўную матэматычную мадэль электрамагнетызму даў праз 30 гадоў Джэймс Максвел, які нарадзіўся ў год адкрыцця індукцыі (1831).
Пры індукцыі, паказаў Фарадэй, велічыня току, які ўзнікае ў правадніку, тым большая, чым больш магнітных сілавых ліній за адзінку часу, у ходзе змены стану, перасякае гэты праваднік[49]. У святле гэтых законаў прычына руху ў апісаным вышэй вопыце Араго стала зразумелая: калі матэрыял дыска перасякаў магнітныя сілавыя лініі, у ім ствараліся індукцыйныя токі, магнітнае поле якіх узаемадзейнічала з зыходным. Пазней Фарадэй паўтарыў вопыт з «дыскам Фарадэя», выкарыстоўваючы замест лабараторнага магніта зямны магнетызм(руск.) (бел.[35].
Фарадэеўская мадэль электрамагнітнага поля
Свет электрамагнітных з’яў, якім яго ўяўляў і апісваў Фарадэй, рашуча адрозніваўся ад усяго, што было ў фізіцы раней. У запісе свайго дзённіка ад 7 лістапада 1845 года Фарадэй упершыню ужыў тэрмін «электрамагнітнае поле» (англ.: field)[50], гэты тэрмін пазней пераняў і ўвёў у шырокае ўжыванне Максвел. Поле — гэта вобласць прасторы, запар пранізаная сілавымі лініямі. Сілы ўзаемадзеяння токаў, уведзеныя Амперам, лічыліся далёкодзеючымі; Фарадэй рашуча аспрэчыў гэтае становішча і сфармуляваў (слоўна) ўласцівасці электрамагнітнага поля як істотна блізкодзеючыя, г. зн. якія бесперапынна перадаюцца ад кожнага пункту да суседніх пунктаў з канчатковай хуткасцю[12][51].
Да Фарадэя электрычныя сілы разумеліся як узаемадзеянне зарадаў на адлегласці — дзе няма зарадаў, няма і сіл. Фарадэй змяніў гэтую схему: зарад стварае электрычнае поле, і ўжо з ім ўзаемадзейнічае іншы зарад, далёкодзеяння на адлегласці няма. З магнітным полем становішча аказалася больш складаным — яно не з’яўляецца цэнтральным, і менавіта для вызначэння напрамку магнітных сіл у кожным пункце Фарадэй увёў паняцце сілавых ліній[52]. Важкай падставай для адмовы ад дзеяння на адлегласці былі вопыты Фарадэя з дыэлектрыкамі і дыямагнетыкамі — яны ясна паказалі, што асяроддзе паміж зарадамі актыўна ўдзельнічае ў электрамагнітных працэсах[53]. Больш за тое, Фарадэй пераканаўча паказаў, што ў шэрагу сітуацый электрычныя сілавыя лініі перакрыўляюцца, падобна магнітным — напрыклад, экранаваўшы два ізаляваныя шары адзін ад аднаго і зарадзіўшы адзін з іх, можна назіраць індуктыўныя зарады на другім шары[35]. З атрыманых вынікаў Фарадэй зрабіў выснову, «што сама звычайная індукцыя ва ўсіх выпадках з’яўляецца дзеяннем сумежных часціц і што электрычнае дзеянне на адлегласці (гэта значыць звычайнае індуктыўнае дзеянне) адбываецца толькі дзякуючы ўплыву прамежкавай матэрыі»[54].
Джэймс Клерк Максвел у «Трактаце аб электрычнасці і магнетызме» паказаў на сутнасць уяўленняў Фарадэя аб электрамагнетызме[55]:
Фарадэй сваім разумовым поглядам бачыў пранізлівыя ўсю прастору сілавыя лініі там, дзе матэматыкі бачылі цэнтры сіл, якія прыцягваюць на адлегласці. Фарадэй бачыў асяроддзн там, дзе яны не бачылі нічога, акрамя адлегласці. Фарадэй угледжваў месцазнаходжанне з’яў у тых рэальных працэсах, якія адбываюцца ў асяроддзі, а яны здавольваліся тым, што знайшлі яго ў сіле дзеянні на адлегласці, якая прыкладваецца да электрычных вадкасцям.
…Некаторыя з найбольш плённых метадаў даследавання, адкрытых матэматыкамі, маглі б быць выяўленыя ў тэрмінах уяўленняў, запазычаных у Фарадэя, значна лепш, чым яны выражаліся ў іх арыгінальнай форме.
Пачынаючы з 11-га выпуску серыі «Эксперыментальныя даследаванні па электрычнасці», Фарадэй палічыў магчымым абагульніць і тэарэтычна асэнсаваць велізарны назапашаны матэрыял. Сістэма свету Фарадэя адрознівалася вялікай арыгінальнасцю. Ён не прызнаваў існавання ў прыродзе пустэчы, нават запоўненай эфірам. Свет цалкам запоўнены пранікальнай матэрыяй, і ўплыў кожнай матэрыяльнай часціцы блізкадзеючы, г. зн. распаўсюджваецца на ўсю прастору з канчатковай хуткасцю[56]. Назіральнік успрымае гэты ўплыў як рознага роду сілы, але, як пісаў Фарадэй, нельга сказаць, што адна з сіл першасная і з’яўляецца прычынай іншых, «усе яны знаходзяцца ва ўзаемнай паміж сабой залежнасці і маюць агульную прыроду»[57]. У цэлым дынаміка свету Фарадэя досыць блізкая да паданнях аб электрамагнітным полі, якімі яны былі да з’яўлення квантавай тэорыі.
У 1832 годзе Фарадэй адвёз запячатаны канверт у Каралеўскае таварыства. Праз сто гадоў (1938) канверт адкрылі І выявілі там фармулёўку гіпотэзы: індуктыўныя з’ява распаўсюджваюцца ў прасторы з некаторай канчатковай хуткасцю, прычым у выглядзе хваль. Гэтыя хвалі таксама «з’яўляюцца найбольш верагодным тлумачэннем светлавых з’яў»[51][58]. Канчаткова гэтую выснова абгрунтаваў Максвел у 1860-я гады.
Тэарэтычныя развагі Фарадэя знайшлі спачатку мала прыхільнікаў. Фарадэй не валодаў вышэйшай матэматыкай (у яго працах амаль няма формул)[32] і для стварэння сваіх навуковых мадэляў выкарыстаў сваю выключную фізічную інтуіцыю. Ён адстойваў фізічную рэальнасць уведзеных ім сілавых ліній; аднак навукоўцы таго часу, якія ўжо звыкліся з далёкадзеяннем Ньютонова прыцягнення, зараз ужо да блізкадзеяння ставіліся з недаверам[59].
У 1860-х гадах Максвел выклаў ідэі Фарадэя матэматычна, сціпла паказаўшы, што ён усяго толькі «апрануў у вытанчаныя матэматычныя адзенні» тэорыю Фарадэя. Першы артыкул на гэтую тэму нікому яшчэ не вядомага 26-гадовага Максвела быў названая «Аб фарадэеўских сілавых лініях» (1857). Фарадэй адразу напісаў аўтару сяброўскі і падбадзёрвальні ліст[60]:
Мой дарагі сэр, я атрымаў Вашу артыкул і вельмі ўдзячны Вам за яго. Не хачу сказаць, што дзякую Вас за тое, што Вамі сказана адносна «сілавых ліній», паколькі я ведаю, што Вы зрабілі гэта ў інтарэсах філасофскай праўды; але Вы павінны таксама меркаваць, што гэтая праца не толькі прыемная мне, але і дае мне стымул да далейшых разваг. Я спачатку спалохаўся, убачыўшы, якая магутная сіла матэматыкі прыкладзеная да прадмета, а затым здзівіўся таму, наколькі добра прадмет яе вытрымаў… Заўсёды праўдзіва Ваш М. Фарадэй.
Пасля вопытаў Герца (1887—1888) фарадэеўска-максвелаўская палявая мадэль становіцца агульнапрызнанай[61].
«Эксперыментальныя даследаванні па электрычнасці»
Фарадэй працаваў надзвычай метадычна — выявіўшы эфект, ён вывучаў яго максімальна глыбока — напрыклад, высвятляў, ад якіх параметраў і як ён залежыць (матэрыял, тэмпература і т. п.). Таму лік вопытаў (і адпаведна — колькасць выпускаў «Вопытных даследаванняў па электрычнасці») такая вялікая. Наступны кароткі пералік тэматыкі выпускаў дае ўяўленне аб размаху і глыбіні даследаванняў Фарадея[62].
Індукцыя электрычных токаў. Адукацыя электрычнасці з магнетызму .
Зямная магніта-электрычная індукцыя .
Тоеснасць асобных відаў электрычнасці, якія паходзяць ад розных крыніц (у той час многія фізікі лічылі, што розныя спосабы атрымання генеруюць прынцыпова «розную электрычнасць»).
Аб новым законе электрычнай праводнасці .
Пра электрахімічных раскладанні. Уплыў вады на электрахімічнае разлажэнне. Тэорыя электрахімічнага раскладання .
Аб здольнасці металаў і іншых цвёрдых целаў выклікаць злучэнне газападобных цел .
Пра электрахімічных раскладанні (працяг). Аб некаторых агульных умовах электрахімічнага раскладання. Пра новы прыборы для вымярэння гальванічнага электрычнасці. Аб першасным або другасным характары якія вылучаюцца ў электродаў хімічных рэчываў. Пра пэўнай прыродзе і аб памерах электрахімічнага раскладання .
Пра электрычнасць гальванічнага элемента; яе крыніца, колькасць, напружанне і асноўныя ўласцівасці яе. Аб напрузе, неабходнай для электролізу .
Пра індуктыўным уплыве электрычнага току на самога сябе і пра індуктыўным дзеянні электрычных токаў наогул .
Аб гальванічнай батарэі удасканаленага тыпу. Некаторыя практычныя ўказанні .
Тэорыя індукцыі. Агульныя высновы адносна прыроды індукцыі .
Пра індукцыі (працяг). Праводнасць, або кандуктыўны разрад. Электралітычны разрад. Разрыўны разрад і ізаляцыя .
Пра індукцыі (працяг). Разрыўны разрад (працяг) .
Прырода электрычнай сілы або сіл. Сувязь паміж электрычнай і магнітнай сіламі. Заўвагі аб электрычным ўзбуджэнні .
Заключэнне аб характары напрамкі электрычнай сілы ў электрычнага вугра .
Пра крыніцы магутнасці гальванічнага элемента .
Пра крыніцы магутнасці гальванічнага элемента (працяг). Дзеянне тэмпературы. Дзеянне гадоўлі. Змянення парадку металічных элементаў у гальванічных ланцугах. Непраўдападобна здагадкі аб кантактнай прыродзе сілы .
Пра электрычнасці, развіваецца пры трэнні вады і пара пра іншыя цела .
Дзеянне магнітаў на свет. Дзеянне электрычных токаў на свет .
Аб новых магнітных дзеяннях і аб магнітным стане ўсякага рэчыва. Дзеянне магнітаў на цяжкае шкло. Дзеянне магнітаў на іншыя рэчывы, якія аказваюць магнітнае дзеянне на святло. Дзеянне магнітаў на металы наогул .
Аб новых магнітных дзеяннях і аб магнітным стане ўсякага рэчыва (працяг). Дзеянне магнітаў на магнітныя металы і іх злучэнні. Дзеянне магнітаў на паветра і газы .
Аб крышталічнай палярнасці вісмута і іншых цел і яе дачыненні да магнітнай форме сілы. Крышталічная палярнасць вісмута, сурмы, мыш’яку. Крышталічнае стан розных цел. Аб прыродзе магнекрышталічнай сілы і агульныя меркаванні. Аб становішчы крышталя сульфату жалеза ў магнітным полі.
Аб палярным ці іншым стане дыямагнітных цел .
Аб магчымай сувязі паміж цягай і электрычнасцю .
Аб магнітным і дыямагнітным стане цел. Газападобныя цела пад уплывам магнітнай сілы не пашыраюцца. Рознаснае магнітнае дзеянне. Магнітныя ўласцівасці кіслароду, азоту і пустэчы .
Здольнасць праводзіць магнетызм. Магнітная праводнасць. Палярнасць праводнасці. Магнекрышталічная праводнасць. Атмасферны магнетызм .
Пра атмасферны магнетызм (працяг). Эксперыментальнае даследаванне законаў магнітнага дзеянні атмасферы і іх прымяненне да асобных выпадкаў. Даклад аб атмасферным магнетызме .
Аб магнітных сілавых лініях, вызначанасць іх характару і іх размеркаванне ў магніце і ў навакольнай прасторы .
Аб прымяненні індукцыйнага магнітаэлектрычнага току для выяўлення і вымярэння магнітнай сілы .
У 1836 годзе, працуючы над праблемамі статычнага электрычнасці, Фарадэй правёў эксперымент, які паказаў, што электрычны зарад уздзейнічае толькі на паверхню замкнёнай абалонкі-правадніка, не аказваючы ніякага ўздзеяння на аб’екты, якія знаходзяцца ўнутры яе. Дадзены эфект звязаны з тым, што супрацьлеглыя бакі правадніка набываюць зарады, поле якіх кампенсуе знешняе поле. Адпаведныя ахоўныя ўласцівасці выкарыстоўваюцца ў прыладзе, вядомай цяпер як клетка Фарадэя.
Фарадэй выявіў паварот плоскасці палярызацыі святла ў магнітным полі (эфект Фарадэя). Гэта азначала, што святло і электрамагнетызм цесна звязаныя. Перакананасць Фарадэя ў адзінстве усіх сіл прыроды знайшла яшчэ адно пацверджанне. Пазней Максвел строга даказаў электрамагнітную прыроду святла.
У 1825—1829 гадах Фарадэй, у складзе камісіі Каралеўскага таварыства, дэталёва даследаваў, як хімічны склад шкла ўплывае на яго фізічныя ўласцівасці[66]. Шкла Фарадэя былі занадта дарогі для практычнага прымянення, але атрыманы практычны досвед спатрэбіўся пазней пры эксперыментах з дзеяннем магніта на свет[67] і для выканання ўрадавага задання па ўдасканаленні маякоў[68].
Электрахімія і магнітахімія
Фарадэй дае публічную лекцыю.
Як ужо гаварылася вышэй, Фарадэй верыў у адзінства ўсіх сіл у прыродзе, таму натуральна было чакаць, што хімічныя ўласцівасці і законы звязаныя з электрычнымі. Пацверджанне гэтаму здагадцы ён атрымаў у 1832 годзе, адкрыўшы фундаментальныя законы электролізу. Гэтыя законы ляглі ў аснову новага падзелу навукі — электрахіміі, які мае сёння велізарную колькасць тэхналагічных прыкладанняў[69]. Выгляд законаў Фарадэя наводзіў на думку аб існаванні «электрычных атамаў» з найменшым магчымым зарадам; сапраўды, на мяжы XIX—XX стагоддзяў гэтая часціца (электрон) была выяўлена, і законы Фарадэя дапамаглі ацаніць яе зарад[69]. Прапанаваныя Фарадеем тэрміны іон, катод, анод, электраліт укараніліся ў навуцы[11].
Вопыты па электрахіміі далі яшчэ адзін доказ блізкадзеяння электрамагнетызму. Многія навукоўцы лічылі тады, што электроліз выклікаецца прыцягненнем на адлегласці (іонаў да электродаў). Фарадэй правёў просты вопыт: аддзяліў электроды ад змочанай саляным растворам паперы двума паветранымі прамежкамі, пасля чаго адзначыў, што іскравыя разрад выклікаў разлажэнне раствора. Адсюль вынікала, што электроліз выклікаецца ня далёкім прыцягненнем, а мясцовым токам, і адбываецца ён толькі ў месцах праходжання току. Рух іонаў да электродаў адбываецца ўжо пасля (і з прычыны) раскладання малекул[70].
У 1846 годзе Фарадэй адкрыў дыямагнетызм — эфект намагнічваемасці некаторых рэчываў (напрыклад, кварца, вісмута, срэбра) процілегла кірунку дзеючага на яго вонкавага магнітнага поля, г. зн. адштурхванне іх ад абодвух полюсаў магніта. Гэтыя і іншыя вопыты Фарадэя заклалі аснову магнетахіміі(руск.) (бел.[71].
Іншыя даследаванні
Брытанскі ўрад неаднаразова прыцягваў Фарадэя, як прызнанага аўтарытэта ў галіне прыкладной фізікі, да вырашэння надзённых тэхнічных задач — удасканаленне маякоў[72], абарона дноў караблёў ад карозіі[73], экспертыза ў судовых справах і інш.[74]
Фарадэй даследаваў наначасціц металу ў калоідзе золата і апісаў іх аптычныя і іншыя асаблівасці ў параўнанні з часціцамі больш буйных памераў. Гэты вопыт можа лічыцца першым укладам у нанатэхналогію[75]. Тлумачэнне заўважаным эфектам дала ў XX стагоддзі квантавая тэорыя.
Асабістыя якасці і ацэнкі
У асабістым зносінах знаёмыя Фарадэя заўсёды, да канца жыцця навукоўца адзначалі яго сціпласць, добразычлівасць і пакараць чалавечае абаянне[76][23].
Кожны з тых, хто ведалі яго — я цвёрда перакананы — хацеў бы толькі наблізіцца да той маральнай дасканаласці, якая, па-відаць, было дадзена Фарадэю ад нараджэння. Гэта была нейкая, на яго аднаго якая сышла, мілата, у якой ён пачэрпаем сілы для сваёй кіпучай дзейнасці, будучы адначасова гарачым прапаведнікам ісціны, нястомным мастаком, чалавекам, поўным ветлівасці і весялосці, у вышэйшай ступені гуманным і мяккім ў прыватным жыцці… Я не ведаў чалавека, які быў бы больш варты любові і павагі, чым ён, і страта якога каштавала б больш шчырага шкадавання.
Спосаб, якім Фарадэй выкарыстаў сваю ідэю сілавых ліній, каб каардынаваць з’явы электрамагнітнай індукцыі, даказвае, што ён быў матэматыкам высокага парадку — адным з тых, у каго матэматыкі будучага могуць чэрпаць каштоўныя і плённыя метады.
Незвычайная шпаркасць і жвавасць адрознівалі яго. Водбліск яго генія акружаў яго нейкай асаблівай, зіхатлівай аўрай. Вызначана кожны адчуваў гэтую чароўнасць — няхай гэта будзе глыбокі філосаф або простае дзіця.
З часу абгрунтавання тэарэтычнай фізікі Ньютанам найбольшыя змены ў яе тэарэтычных асновах, іншымі словамі, у нашым уяўленні аб структуры рэальнасці, былі дасягнуты дзякуючы даследаванням электрамагнітных з’яў Фарадэем і Максвелам.
Рэлігійныя погляды
Магіла Майкла і Сары Фарадэй.
Фарадэй, як і яго бацькі (а таксама жонка), быў членам пратэстанцкай абшчыны, якую па імёнах яе заснавальнікаў называюць «гласіты» або «сандэманіяне» (англ.: Glasites, Sandemanians). Гэтая канфесія з’явілася ў Шатландыі каля 1730 года, адкалоліся ад прэсвітэрыянскай царквы Шатландыі(руск.) (бел.[80]. Фарадей добрасумленна выконваў свае абавязкі як член лонданскай абшчыны, некалькі разоў абіраўся старэйшынай абшчыны і дыяканам. Мяркуючы па яго выказваннях, Фарадей быў шчыра вернікам, аднак у адным з лістоў адмаўляў, што ў сваіх даследаваннях кіруецца якой-небудзь рэлігійнай філасофіяй[42]:
Хоць у прыродзе тварэння Бога ніколі не могуць знаходзіцца ў супярэчнасці з вышэйшымі прадметамі, якія адносяцца да нашай будучай жыцця, і хоць гэтыя тварэння павінны служыць, падобна ўсім іншаму, для Яго ўзвялічэння і ўсхваленні, — я ўсё ж не знаходжу патрэбным спалучаць вывучэнне натуральных навук з рэлігіяй і заўсёды лічыў рэлігію і навуку рэчамі зусім рознымі.
У Лондане на Савойскай плошчы (ля моста Ватэрлоа) ўсталяваны помнік вучонаму (1886 год)[82]. Імя Фарадэя прысвоена аднаму з карпусоў Лонданскага інстытута электратэхнікі, аднаму з будынкаў Эдынбургскага ўніверсітэта, шэрагу школ, каледжаў, гарадскіх вуліц. Брытанская палярная станцыя ў Антарктыдзе называлася «Фарадэй» з 1977 па 1996 год, пасля чаго станцыя была перададзена Украіне і змяніла назву на «Акадэмік Вярнадскі(руск.) (бел.»[83].
У кастрычніку 1931 года ў Вэстмінстэрскім абацтве за магілай Ісаака Ньютана былі ўсталяваныя побач дзве мемарыяльныя пліты — у гонар Майкла Фарадэя і Джэймса Клерка Максвела[84]. Недалёка ад месца нараджэння Фарадэя адкрыты яго мемарыял(англ.) (бел., а непадалёк размешчаны невялікі Фарадэеўскі парк (Faraday Gardens).
Партрэт Фарадэя размяшчаўся на англійскай банкноце ў 20 фунтаў выпуску 1991—1999 гадоў[85].
Chemical Manipulation: Being Instructions to Students in Chemistry on the Methods of Performing Experiments of Demonstration or of Research, with Accuracy and Success. W. Phillips, London 1827, Text online.
Experimental Researches in Electricity. 3 vols, R. Taylor & W. Francis, London 1839—1855
B. Bowers and L. Symons, рэд. (1991). Curiosity Perfectly Satisfyed: Faraday’s Travels in Europe 1813—1815. Institution of Electrical Engineers.
F. A. J. L. James, рэд. (1991). The Correspondence of Michael Faraday. Vol. 1. INSPEC, Inc. ISBN0-86341-248-3. — volume 2, 1993; volume 3, 1996; volume 4, 1999.
↑Рускія біёграфы Фарадэя, пачынаючы з Абрамава, памылкова сцвярджаюць, што жонка памерла раней за Фарадэя. Біяграфія Тындала, іншыя англійскія біяграфіі і фатаграфія помніка на агульнай магіле мужа і жонкі адназначна паказваюць, што гэта не так.
↑Ryan D. Tweney. Faraday’s notebooks: the active organization of creative science. In: Physics Education. Vol 26, № 5, Institute of Physics Publishing, 1991, p. 301—306, DOI:10.1088/0031-9120/26/5/008.
↑Hamilton, James (2004). A Life of Discovery: Michael Faraday, Giant of the Scientific Revolution. New York: Random House. ISBN 1-4000-6016-8, pp. 165—171, 183, 187—190.
↑Zeeman, Pieter (1897). The Effect of Magnetisation on the Nature of Light Emitted by a Substance. Nature 55 (1424): 347. Bibcode:1897Natur..55..347Z. doi:10.1038/055347a0.
↑Frank A. J. L. James «The civil-engineer’s talent»: Michael Faraday, science, engineering the English lighthouse service, 1836—1865. In: Transactions of the Newcomen Society. vol. 70B, 1998, P. 153—160.
↑Emilio Segrè. Die großen Physiker und ihre Entdeckungen. — München: Piper, 1997. — С. 247. — ISBN 3492039502.
↑Smith, John Howard. The Perfect Rule of the Christian Religion: A History of Sandemanianism in the Eighteenth Century. — Albany, NY: SUNY Press, 2009. — P. 37.
Беларуская энцыклапедыя: У 18 т. Т. 16: Трыпалі — Хвіліна / Рэдкал.: Г. П. Пашкоў і інш. — Мн.: БелЭн, 2003. — Т. 16. — С. 321. — 576 с. — 10 000 экз. — ISBN 985-11-0263-6 (Т. 16).
Бингем Д. Майкл Фарадей. Духовный генератор = Michael Faraday: Spiritual Dynamo. — М.: Библия для всех, 2008. — 144 с. — ISBN 978-5-7454-1028-4, 1-84550-156-X.
Карцев В. П.Максвелл. — М.: Молодая гвардия, 1974. — (Жизнь замечательных людей).
.svg){kind=small}
.svg){kind=small}
