Хотя 1822— 1831 гг. были полны кипучей научной деятельности в самых различных областях, тем не менее записной книжке Фарадея мы тогда же находим описание опытов «для получения электричества от магнетизма», правда, неизменно заканчивавшихся выводом: «безрезультатно».
Плодотворные результаты были достигнуты только в 1831 г. Летом этого года Фарадей стал усиленно обдумывать свою идею. Он решил отстраниться от всяко другой работы и все внимание посвятить новым экспериментам. В июле, получил снова предложение от Совета Королевского общества заняться оптическим стеклом, он ответил отказом и целиком занялся, как он это отмечал в лабораторном журнале, «опытом для получения электричества от магнетизма».
Уже 29 августа 1831 г. Фарадей, экспериментируя с прототипом современного трансформатора (рис. 1), наблюдал появление индуктированного электрического тока.
Рис 1
Решающим днем опытов было 17 октября 1831 г. Опыты этого дня
завершились получением электрического тока от приближения магнита к
проводнику (проволоке). Это и было собственно центральным моментом во всей
серии опытов: задача «превратить магнетизм в электричество» была разрешена.
Все неудачи, которые Фарадей терпел до этого времени, объясняются тем, что
в опытах и магнит и проводник оставались в состоянии покоя. Как говорит
Сильванус Томпсон (один из биографов Фарадея), магнит мог лежать близ
проводника преспокойно сто лет и никакого действия не произвел бы.
«Цилиндрический полосовой магнит, — гласит запись этого дня, — диаметром в
три четверти дюйма и длиной в восемь с половиной дюймов одним концом был
вставлен в конец цилиндра с соленоидом (Рис. 2), затем он был быстро
внесен
Рис. 2. Соленоид и цилиндрический магнит (схематическое изображение)
внутрь во всю свою длину, и стрелка гальванометра отклонилась; далее он был удален, и стрелка снова отклонилась, но в противоположном направлении. Этот эффект повторялся каждый раз, когда магнит вносили или удаляли. Из этого следует, что волна электричества создавалась от простого приближения магнита, а не от его нахождения in situ2».
Из дальнейшего наибольший интерес представляют опыты, относящиеся к
28 октября 1831 г. Эта дата может считаться днем рождения прототипа
современных динамо-машин — так называемого «медного диска Фарадея. В его
записной книжке отмечено, что он «заставил медный диск вращаться между
полюсами подковообразного магнита Королевского общества. Ось и край диска
были соединены с гальванометром. Стрелка отклонялась, как только диск
начинал вращаться».
Исключительно напряженная работа была проделана менее, чем в полтора месяца. Верный своему методу начав работу, довести ее до конца и опубликовать, Фарадей привел в систему все полученные им данные и составил доклад для Королевского общества, который и был им прочитан 24 ноября 1831 г. Этот доклад послу-
Фиг. 3. Медный диск Фарадея (собственноручный рисунок Фарадея).
жил основанием первой серии знаменитых «Опытных исследований по электричеству».
Заметим что в первых двух опытах о гальванометре не упоминается, появление индуцированного тока Фарадей наблюдал по отклонению магнитной стрелки, а уже в опыте с медным диском «ось и край диска были соединены с гальванометром»
Гальванометр Фарадей изготовил сам, вот так его описал сам автор.
«гальванометр был изготовлен примитивно, но все же был достаточно
чувствителен в отношении своих показаний. Провод был медный с шелковой
изоляцией, и содержал 16 или 18 витков. Две швейные иглы были намагничены и пропущены через высушенную соломинку параллельно одна другой. Эта система
была подвешена на волокне из сученого шелка, так чтобы нижняя игла
находилась внутри витков многократно намотанного провода, а верхняя под
ними. Последняя являлась более сильным магнитом и давала устройству
ориентировку относительно земли. На рис. 4 показано направление провода и
игл, когда был помещен в магнитный меридиан. Для удобства дальнейших ссылок
концы проводов отмечены буквами А и В, буквы S и N обозначают южный и
северный концы иглы, когда на нее действует только земной магнетизм. Коней
иглы N является, следовательно, отмеченным полюсом. Весь прибор был защищен
стеклянной банкой; его положение и расстояние относительно большого магнита
было такое же, как раньше.
Рис. 4
До открытия электромагнитной индукции многочисленные исследования, обогащая учение об электромагнетизме новыми данными, скорее осложняли, чем облегчали, понимание получаемых фактов. Фарадей же внес полную ясность в эту область и тем самым открыл новые перспективы в изучении электромагнитных явлений. Именно с момента открытия электромагнитной индукции учение об электричестве пошло семимильными шагами вперед, обогащаясь все новыми и новыми достижениями. Больше всего плодов от этого открытия пожал сам Фарадей, придерживавшийся своеобразного мнения на права и судьбы ученого, возделавшего новое поле в науке.
Тиндаль писал в своих воспоминаниях: -«Фарадей держался того взгляда, что основатель важного закона или принципа имеет право на «остаточные колосья после жатвы» (его собственное выражение), т. .е. на все выводы из его открытий. Руководимый открытым принципом, его могучий ум с помощью чудесных десяти пальцев обошел широкое поле и едва ли оставил для сбора последователям хотя бы крохи фактов».
Открыв новый источник электричества, Фарадей стал размышлять о
«тождестве двух электричеств», т. е. о том, одна ли и та же природа у
электричеств, получаемых от различных источников: электростатической
машины, гальванического элемента, термоэлемента и т. п. Этот вопрос возник
сразу же как только вслед за электростатической машиной появился новый
источник электричества—вольтов столб (гальванический элемент). Многие
ученые отрицали, что вольтов столб производит то, что можно было бы назвать
«электричеством», и не употребляли даже этого последнего термина в связи с
вольтовым столбом, предпочитая в этом случае говорить «о гальванизме». В
учебных пособиях по физике в начале XIX века можно было встретить
самостоятельные разделы: «электричество» и «гальванизм». Вопрос о тождестве
электричёств до 20-х годов прошлого столетия оставался предметом дискуссий
на страницах научных журналов.
Когда Фарадей направлял свой интерес на какую-либо проблему { в данном случае на проблему тождества электричёств), он уже не переставал думать о ее разрешении до тех пор, пока не находил ясного ответа.
Проблемой тождества электричеств Фарадей занимался до конца 1832 г. В январе 1833 года он доложил Королевскому обществу о своих исследованиях, которые привели его к выводам, не допускающим никаких сомнений в том, что природа всех видов электричества одинакова. Все эти виды, каково бы ни было их происхождение, в состоянии произвести все присущие электричеству действия — физиологические, химические, магнитные, световые и механические.
Фарадей опубликовал с 1831 по 1855 г. всего тридцать серий «Опытных
исследований», изложенных в форме кратких параграфов. Общее число этих
параграфов достигло 30430. «Опытные исследования» периодически
публиковались в журнале «Philosophical Transactions» — печатном органе
Королевского общества.
Отличительной чертой научных взглядов Фарадея было твердое убеждение в единстве сил природы. Именно эта теоретическая установка побудила его добиваться «превращения магнетизма в электричество». Той же, мыслью он руководился и в дальнейших работах. Стремление доказать тождество электричеств является следующим шагом в утверждении идеи о единстве сил, природы.
Успешно завершив свои исследования по связи между магнетизмом и электричеством, Фарадей предпринял ряд опытов по установлению связи между химическими и электрическими явлениями. Этот вопрос, не менее чем другие, занимал внимание его современников и изучался многими учеными. Фарадей указывает на «замечательную теорию, предложенную сэром Гемфри Дэви и развитую Берцелиусом и другими выдающимися учеными, согласно которой обычное химическое сродство является следствием электрического притяжения между частицами- вещества».
Исследования связи между химическими и электрическими явлениями
привели к весьма важным результатам. Фарадей приступил к этим исследованиям
в 1832 г., т. е. тогда же, когда занимался проблемой тождества
электричеств, а в 1833 г. он пришел к выводам, известным в истории науки
под названием «количественных электрохимических законов Фарадея». Поэтому-
то Фарадей справедливо считается одним из основателей электрохимии.
Открытие законов электролиза дало повод Фарадею высказать весьма важные
соображения относительно атомной структуры электричества. Несомненно, с
этим преемственно связано современное представление об электроне.
Фарадей ввел в научный язык основную, до сих пор сохранившуюся электрохимическую терминологию. Ему принадлежат употребляемые теперь во всем мире термины: «электролит», «электрод», «анод», «катод»
Исследованиям по электрохимии Фарадей посвятив несколько серий.
Электрохимия возникла вслед за изобретением «вольтова столба». По вопросу о
причине возникновения. электродвижущей силы в вольтовом столба шел спор с
самого начала его появления.
Первую теорию выдвинул сам Вольта. Эта теория известная в истории науки под названием «контактной теории» (в русской литературе часто употреблялся тер мин «теория прикосновения»), заключается в утверждении, что электрический ток возбуждается от прикосновения различных металлов. От этого прикосновения зарождается электродвижущая сила, которая «разделяет соединенные электричества и гонит их (в виде то ков) по противоположным направлениям»..
Контактная теория нашла многочисленных сторонников и долгое время,
как говорил Тиндаль, «самые высокие умы Европы принимали ее за выражение
естественного закона». Но как только вольтов столб стал предметом
исследований со стороны химиков, крупнейшие ученые, как, например, Фаброни,
Волластон, Беккерель, Делярив и другие, изучая химические явления,
связанные изобретением Вольта, в один голос стали заявлять, что дело не в
прикосновении металла, а что причиной возникновения электродвижущей силы
являются химические процессы, происходящие в гальваническом элементе.
Само собой разумеется, что теоретические воззрения Фарадея и исследования связи химических и электрических явлений толкали его на активное участие в разгоравшейся борьбе между сторонниками и противниками контактной теории. 7 апреля .1834 г. он представил Королевскому обществу мемуар «Об электричестве вольтова столба», в котором он описывал ряд опытов, приведших его к убеждению, что причиной электродвижущей силы (в вольтовом столбе) «являются химические силы».
1831—1834 гг. были для Фарадея в высшей степени плодотворными. За это
время он опубликовал десять серий «Опытных исследований по электричеству»,
составляющих основную часть его работ в этой области. Труд был
исключительно напряженным. Приходилось работать на новых, неизведанных
участках науки, и самому прокладывать себе путь. Его работа была огромной и
с чисто количественной стороны. Все это не могло не сказаться на физическом
его состоянии. Силы Фарадея заметно ослабевают. В 1835 г. он не написал ни
одной работы, и единственный доклад Королевскому обществу «Об улучшенной
форме вольтова столба», прочитанный в 1835 г., был составлен еще в 1834 г.
Тиндаль назвал этот мемуар «относительно неважным». В 1836 и 1837 гг.
Фарадей не опубликовал ничего.
В 1837 г. Фарадей оправился и опять приступил к работе. 21 декабря этого года он прочитал Королевскому обществу большой доклад, вошедший в одиннадцатую серию, которая носит общее название «Об индукции».
