Исследование работ Фарадея по электричеству

Рис. 7. Взаимодействие двух элементарных токов: а — параллельных, б — антипараллельных. Все отрезки (векторы) на рисунке лежат в одной плоскости.

Исследуя экспериментально электродинамические взаимодействия, Ампер приходит к выводу, что путем комбинации проводников и магнитных стрелок можно "устроить своего рода телеграф с помощью одного вольтова столба, расположенного вдали от стрелок". Так, идея электромагнитного телеграфа возникла в первый же год открытия электромагнетизма. Она разрабатывалась рядом изобретателей и ученых. В 1829 г. русский дипломат П. Л. Шиллинг (1786-1837) сконструировал телеграфный аппарат, дающий возможность передавать русские буквы и цифры с помощью шести мультипликаторов. Аппарат Шиллинга был установлен в Зимнем дворце. В 1833 г. Гаусс и Вебер построили телеграфную линию в Геттингене, соединяющую астрономическую и физическую лаборатории. Существовали и другие системы, в частности система русского физика Б. С. Якоби (1801-1874). Однако широкое распространение электромагнитный телеграф получил после того, как американский изобретатель Самуил Морзе (1791-1872) создал удобную конструкцию аппарата, разработал схему соединения отравительной и приемной станции и изобрел специальную азбуку с двумя знаками (точка - тире). Первый аппарат Морзе был построен в 1835 г., а в 1844 г. заработала телеграфная линия Вашингтон - Балтимор.

Ампер очень скоро пришел к мысли об эквивалентности магнитного листка круговому току и разработал представление о магните "как о совокупности электрических токов, расположенных в плоскостях, перпендикулярных к линии, соединяющей полюсы магнита". Отсюда он пришел к выводу, что спираль, обтекаемая током (соленоид), будет эквивалентна магниту. Это привело Ампера к мысли об отсутствии магнитных агентов ("магнитных жидкостей") в природе и о возможности свести все явления магнетизма к электродинамическим взаимодействиям. Амперова молекулярная теория магнетизма получила физическую опору в электронной физике уже в XX в. Обобщающим трудом Ампера была "Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта", изданная в 1826 г. с подзаголовком "Произведение, в котором собраны труды г. Ампера, доложенные им Королевской Академии наук в заседаниях от 4 и 26 декабря 1820 г., 10 июня 1822 г., 22 декабря 1823 г., 12 сентября и 28 ноября 1825г.".

Он поставил перед собой задачу, основываясь на опыте, вывести формулу взаимодействия элементов тока. Задача была нелегкой. Опыт давал только интегральное взаимодействие. Ампер варьировал опыты с взаимодействием токов, пытаясь нащупать правильную формулу и, интегрируя ее для различных случаев конечных контуров тока, сравнить результат с опытом, формула Ампера открывает длинный ряд элементарных законов электродинамики.

Важно, что элементарные взаимодействия двух элементов тока не удовлетворяют третьему закону Ньютона, это новый тип взаимодействия, отличный от обычных центральных сил. Впрочем, то обстоятельство, что физика открыла новый тип сил, отличный от гравитационных, электростатических и магнитных сил, было ясно уже из опыта Эрстеда. Электродинамические силы, как правильно заметил Ампер, новые силы, отличные от сил, известных в электростатике.

Однако сам Ампер искал свой закон, опираясь на третий закон механики. Он полемизировал с Био, установившим, что силы, действующие со стороны элемента тока на магнитный полюс, образуют пару с силой, действующей со стороны полюса на элемент тока. Так началась проблема закона сохранения количества движения в электродинамике. Ампер еще не подозревал о существовании поля, о запаздывании электромагнитных действий. Он стоял на позициях дальнодействия, что для постоянных токов было допустимо. Но ему и его современникам уже пришлось столкнуться с новыми фактами, трудно объяснимыми при помощи ньютоновских представлений.

Рис. 8. Станок Ампера

Эрстед, а затем и Фарадей ясно увидели вихревой характер магнитного поля. В 1821 г. Фарадей доказал экспериментально, что отдельный магнитный полюс, помещенный вблизи проводника с током, приходит в непрерывное вращение. Ему пришлось проявить немало изобретательности, чтобы придумать такое расположение проводников и магнита, чтобы действию тока подвергался только один полюс. Магнит в опыте Фарадея вращался безостановочно, пока цепь была замкнута. Это была первая модель электродвигателя.

Как всегда бывает в науке, когда открывается новое поле исследования, появляется большое количество экспериментаторов и изобретателей, возникают бесчисленные споры о приоритете того или иного открытия. Имена этих экспериментаторов и изобретателей ныне забыты или полузабыты, Фарадею пришлось выдержать длительный спор о приоритете в открытии электромагнитных вращений.

Из многочисленных открытий и изобретений в области электричества, сделанных в 20-е годы XIX в., следует упомянуть об открытии в 1821 г. термоэлектричества. Оно принадлежит прибалтийскому физику Томасу Зеебеку (1770—1831). Это открытие стало возможным благодаря открытию Эрстеда и некоторое время даже именовалось термомагнетизмом. В свою очередь, открытие Зеебека и изобретение мультипликатора дали возможность немецкому учителю Георгу Ому (1787—1854) открыть количественный закон цепи электрического тока, носящий ныне его имя.

Ома закон, устанавливает, что сила постоянного электрического тока I в проводнике прямо пропорциональна разности потенциалов (напряжению) U между двумя фиксированными точками (сечениями) этого проводника:

RI = U

Опыты и теоретические рассуждения Ома, который находился под сильным влиянием вышедшего в 1822 г. сочинения Фурье (1768-1830) "Аналитическая теория тепла", были описаны им в основном труде "Гальваническая цепь, разработанная математически" (1827). Следует отметить, что этот закон, без которого мы сейчас не представляем себе учебника электричества, не сразу был принят физиками и стал входить в науку только в конце 30-х - начале 40-х годов XIX в. Его признание шло параллельно с успехами электрометрии. Одним из первых принял и применил закон Ома русский академик Э.Х.Ленц, который рассматривал и вопросы распределения тока в разветвленных проводниках, явившись предшественником Кирхгофа.

Ленц занимался также изучением электромагнитов, впервые на основе опытов Араго и теории Ампера созданных Вильямом Стердженом (1783-1850) в 1825 г. Электромагниты с большой подъемной силой были построены американским физиком Джозефом Генри (1799-1878), независимо от Фарадея открывшим электромагнитную индукцию. Однако его публикация об этом открытии запоздала, и слава великого открытия принадлежит Майклу Фарадею.

1.2 Труды М.Фарадея по постоянному току

Истоки современной электротехники восходят к замечательным трудам английского ученого Майкла Фарадея, которые, в свою очередь, были подготовлены предшествовавшими работами по изучению электрических и магнитных явлений.

Фарадея для науки открыл Хэмфри Дэви. Он очень много дал Фарадею, который признавал роль учителя в своем становлении как ученого. Многие работы Фарадея как бы логически вытекали из работ или идей Дэви.

Остановимся на законах электролиза, которые он открыл уже после смерти учителя, базируясь на теории Дэви, развитой Берцелиусом и другими известными учеными. Но количественных закономерностей изменений, происходящих в растворе, никто установить не смог. А звучат законы настолько просто, что диву даешься, как их не смогли сформулировать маститые ученые.

Количество разложенного при электролизе вещества увеличивается пропорционально силе тока и времени его прохождения.

Количество выделенных на электродах веществ пропорциональны их химическим эквивалентам.

Но законы не только позволили вести количественные расчеты. Благодаря законам Фарадея стало возможным сделать вывод "об электрической природе материи и об атомном строении электричества, на которых зиждется все современное материалистическое естествознание".

Д. Максвелл писал: "Там, где математики видели центры напряжения сил дальнодействия, Фарадей видел промежуточный агент. Где они не видели ничего, кроме расстояния, удовлетворяясь тем, что находили закон распределения сил, действующих на электрические флюиды (т.е. заряды – с современной точки зрения), Фарадей искал сущность реальных явлений, протекающих в среде".

Нет нужды повторяться о той огромной роли, которую сыграл Дэви в судьбе Фарадея. Но рассказ будет неполным и искаженным, если мы упустим некоторые факты взаимоотношений учителя и ученика. Когда в 1823 г. Фарадей опубликовал несколько работ, связанных с проблемами химии, Дэви, напечатавшего всего одну статью за год, это задело за живое. Кроме того, ученые все больше ссылались в своих работах на Фарадея, а не на его учителя. Кончилось тем, что когда Фарадей подал заявление о приеме его в члены Королевского общества, президент сэр Хэмфри Дэви выступил против. Правда, Дэви одумался, и Фарадея в следующем году почти единогласно избрали членом Королевского общества (один голос против).

В 1834 г. Фарадей в работе "Об электрохимическом разложении" предложил ввести новую терминологию. И на этот раз, как и все, что выходило из-под пера Фарадея, терминология была проста, научно обоснованна и понятна: Электролиты, ионы (путешественники), катионы (к отрицательному полюсу), катод (путь вниз), анод (путь вверх) и соответственно, анионы. Это был вклад в основу единого языка и международного сотрудничества. Справедливо говорил Бульвер-Литтон, английский писатель: "Гений творит то, что он должен, талант – то, что может".

Знаменитый опыт Фарадея с тороидальным сердечником из мягкого железа и двумя обмотками, соединенными одна через ключ с батареей, другая с гальванометром, известен всем со школьной скамьи.

Явление электромагнитной индукции воспринимали, как открытие нового вида электричества - "магнитоэлектричества". Фарадей решил окончательно доказать, что в природе не существует разных "электричеств". Для этого он получил восемь различных действий от пяти видов "электричества" (обыкновенного, гальванического, животного, термоэлектричества и магнитоэлектричества). Следующая серия исследований Фарадея была посвящена электрохимическим явлениям. Он предложил и ныне принятую терминологию: электролиз, электрод, катод, анод, анион, катион.

Электролиз (от электро... и греч. lysis - разложение, растворение, распад), совокупность процессов электрохимического окисления-восстановления на погруженных в электролит электродах при прохождении через него электрического тока. Электролиз лежит в основе электрохимического метода лабораторного и промышленного получения различных веществ - как простых (электролиз в узком смысле слова), так и сложных (электросинтез).

Изучение и применение электролиза началось в конце 18 - начале 19 вв., в период становления электрохимии. Для разработки теоретических основ электролиза большое значение имело установление М. Фарадеем в 1833-34 точных соотношений между количеством электричества, прошедшего при электролизе, и количеством вещества, выделившегося на электродах.

Промышленное применение электролиза стало возможным после появления в 70-х гг. 19 в. мощных генераторов постоянного тока.

 Особенность электролиза - пространственное разделение процессов окисления и восстановления: электрохимическое окисление происходит на аноде, восстановление - на катоде. электролиз осуществляется в специальных аппаратах - электролизёрах.

 Электролиз происходит за счёт подводимой энергии постоянного тока и энергии, выделяющейся при химических превращениях на электродах. Энергия при электролизе расходуется на повышение гиббсовой энергии системы в процессе образования целевых продуктов и частично рассеивается в виде теплоты при преодолении сопротивлений в электролизёре и в других участках электрической цепи.

На катоде в результате электролиза происходит восстановление ионов или молекул электролита с образованием новых продуктов. Катионы принимают электроны и превращаются в ионы более низкой степени окисления или в атомы, например при восстановлении ионов железа (F3+ +e = Fe2+), электроосаждении меди (Cu2+ + 2e = Cu). Нейтральные молекулы могут участвовать в превращениях на катоде непосредственно или реагировать с промежуточными продуктами катодного процесса. На аноде в результате электролиза происходит окисление ионов или молекул, находящихся в электролите или принадлежащих материалу анода (анод растворяется или окисляется), например: выделение кислорода (4OH- = 4e + 2H2O + O2) и хлора (2C1- =2e + Cl2), образование хромата (Cr3+ + 3OH- + H2O = CrO42- + 5H+ + 3e), растворение меди (Cu = Cu2+ + 2e), оксидирование алюминия (2Al + 3H2O = Al2O3 +6Н+ + 6e).

Электрохимическая реакция получения того или иного вещества (в атомарном, молекулярном или ионном состоянии) связана с переносом от электрода в электролит (или обратно) одного или нескольких зарядов в соответствии с уравнением химической реакции. В последнем случае такой процесс осуществляется, как правило, в виде последовательности элементарных одноэлектронных реакций, то есть постадийно, с образованием промежуточных ионов или радикальных частиц на электроде, часто остающихся на нём в адсорбированном состоянии.

 Скорости электродных реакций зависят от состава и концентрации электролита, от материала электрода, электродного потенциала, температуры и ряда других факторов. Скорость каждой электродной реакции определяется скоростью переноса электрических зарядов через единицу поверхности электрода в единицу времени; мерой скорости, следовательно, служит плотность тока.

Были установлены соотношения между весами различных веществ, выделяемых на электродах при пропускании одного и того же количества электричества, связь между химическими и электрохимическими эквивалентами. При этом Фарадей пришел к выводу о необходимости ввести понятие "абсолютного количества электричества" - заряда грамм-атома одновалентного вещества, названного потом "числом Фарадея".

Количественные законы электролиза, открытые М. Фарадеем (1833 – 34) выражают связь между количеством прошедшего через электролит электричества, массой и химической природой (через эквиваленты химические) веществ, претерпевших превращение на электродах,

1-й закон.: массы т превращенных веществ пропорциональны количеству электричества q, прошедшего через электролит,

2-й закон.: массы различных веществ, превращенных в результате прохождения через электролит одного и того же количества электричества, пропорциональны химическим эквивалентам А этих веществ.

Из второго закона Фарадея следует, что для выделения электрическим током 1 г-экв. различных веществ необходимо одно и то же количество электричества, называемое Фарадея числом F. Математически законы Фарадея можно записать в виде одного уравнения т = (A/F) q = kq (коэффициент k = A/F называется электрохимическим эквивалентом).

Оба закона Фарадея абсолютно точны, если ионами электролита переносится всё прошедшее через него количество электричества. Наблюдаемые в некоторых случаях отклонения от этих законов могут быть связаны с неучтенными побочными электрохимическими реакциями (например, выделение газообразного водорода при электроосаждении некоторых металлов) или с частичной электронной проводимостью (например, при электролизе некоторых расплавов).

Не будучи сторонником теории о существовании неделимых атомов, он открыл путь к введению понятия атома электричества (заряда электрона) и, таким образом, к мысли о сложности строения самого атома. Величина заряда электрона определяется, как известно, делением числа Фарадея на число Авогадро.

1.3 Исследование положений М.Фарадея о существовании электрического и магнитного полей

В 1838 году Фарадей провел серию разнообразных опытов с газовыми разрядами различных типов и, в частности, обнаружил необъяснимое в то время "темное пространство" (названное его именем), свидетельствующее об отсутствии симметрии в поведении положительных и отрицательных носителей разрядного тока.

С 1839 года силы Фарадея пришли в упадок. Как показал проведенный в последствии анализ симптомов болезни ученого, это было ртутное отравление (Фарадей постоянно пользовался ртутными контактами). Но могло сказаться и переутомление от чрезвычайно напряженной умственной работы. В 1845 году, когда самочувствие его улучшилось, он осуществил давно задуманный опыт по выявлению связи света и магнетизма и обнаружил вращение плоскости поляризованного света в магнитном поле.

К началу 1850 г.г. Фарадей сконцентрировал внимание на магнитных явлениях, достиг важных результатов, как в экспериментах, так и в развитии своих теоретических воззрений.

В эпохальных опытах Гальвани, Эрстеда, Фарадея и др. открытые ими явления были неожиданными, непредсказуемыми, трудно поддававшимися объяснению. В конце концов, их открытия привели к осмыслению новой картины мира, а практически - к совершенно новым видам связи, новой энергетике, новому образу жизни.

При этом главную роль в теоретическом осмыслении нового круга явлений сыграл именно Фарадей. Он не был в плену общепринятых механистических концепций и опирался на наблюдения, опыты, интуицию и упомянутую уже идею о взаимосвязи и взаимопревращаемости сил природы.

Фарадей категорически отвергал мнение о мгновенном дальнодействии. Ключевое слово для него - индукция. И не только в трактовке опытов, но и в стиле их проведения. Его интересовал механизм действия сил в разных средах, электрические и магнитные процессы, происходящие как в веществе, так и в пространстве. Им было введено понятие диэлектрика, диэлектрической проницаемости, которую он называл удельной индуктивной способностью, открыт диамагнетизм, как универсальное свойство материи, в парамагнетике подавляемое. В то время существовала гипотеза об эфире, помогающая понять поперечность световых волн, как механических колебаний. Фарадей ею не пользуется. Он совершает смелый шаг, утверждая самостоятельное существование электрических и магнитных силовых линий, предвосхищая этим идею существования поля, как физической реальности.

Подвиг Фарадея состоит в том, что он завершил накопление экспериментальных открытий в области электромагнетизма и положил начало их теоретическому осмыслению, завершенному Максвеллом. Наглядность перестала быть обязательной для объяснения физических явлений.

Мысль об объяснении световых явлений с помощью колебаний электрических и магнитных сил, распространяющихся с конечной скоростью, возникла у него еще в 1832 году, когда он оставил в Лондонском Королевском обществе описание своей гипотезы в запечатанном пакете, но хотел закрепить свой приоритет. Пакет был вскрыт только через сто с лишним лет, в 1938 году, через пол века после того, как Генрих Герц окончательно доказал существование электромагнитных (в том числе световых) волн.

В 1845 году М. Фарадеем открыт эффект Фарадея, который явился первым доказательством наличия прямой связи между магнетизмом и светом.

Эффект Фарадея, один из эффектов магнитооптики, заключается во вращении плоскости поляризации электромагнитного излучения (например, света), распространяющегося в веществе вдоль силовых линий постоянного магнитного поля, проходящих через это вещество.

 Феноменологическое объяснение эффекта Фарадея заключается в следующем. Намагниченное вещество в общем случае уже нельзя охарактеризовать единым преломления показателем n.

Показатели преломления n + и n- для излучения правой и левой круговых поляризаций становятся различными. Проходящее через изотропную среду линейно поляризованное излучение всегда может быть формально представлено как суперпозиция (наложение) двух поляризованных по правому и левому кругу волн с противоположным направлением вращения.

Различие n + и n- приводит к тому, что поляризованные по правому и левому кругу составляющие излучения распространяются в среде с различными фазовыми скоростями, приобретая разность хода, линейно зависящую от оптической длины пути. В результате плоскость поляризации монохроматического света с длиной волны (после прохождения в среде пути l поворачивается на угол φ: (= φl (n + – n-)/φ. Разность (n + – n-) линейно зависит от напряжённости магнитного поля Н в области не очень сильных полей, в которой в общем случае справедливо соотношение φ = VHl, где константа пропорциональности V зависит от свойств вещества, длины волны излучения и температуры и носит название постоянной Верде.

 Эффект Фарадея оказался тесно связанным с Зеемана эффектом, открытым в 1896 и обусловленным расщеплением уровней энергии атомов и молекул магнитным полем. Частоты, соответствующие отщепленным уровням, сдвигаются симметрично по отношению к основной частоте. Эта симметричность проявляется, в частности, в том, что квантовые переходы между этими уровнями при продольном относительно поля распространении света (в этом случае можно считать исходный уровень расщепленным лишь на 2 подуровня) происходят с испусканием и поглощением фотонов, поляризованных по кругу направо и налево. В результате показатели преломления (и коэффициент поглощения), слабо зависящие от длины волны (частоты) света, становятся различными для право- и левополяризованных по кругу компонент монохроматического излучения. Грубо можно сказать, что различие скоростей обусловлено различием длин волн (частот) света, поглощаемого и переизлучаемого частицами вещества. Строгое описание Ф. э. возможно лишь в рамках квантовой теории.

 В эффекте Фарадея ярко проявляется специфический характер вектора напряжённости магнитного поля Н (Н – осевой вектор, "псевдовектор"). Обусловленное Н направление поворота плоскости поляризации при эффекте Фарадея, в отличие от явления естественной оптической активности, не зависит от направления распространения излучения. Поэтому многократное прохождение света через среду, помещенную в магнитное поле, приводит к возрастанию угла поворота плоскости поляризации в соответствующее число раз. Эта особенность эффекта Фарадея нашла применение при конструировании так называемых невзаимных оптических и микроволновых устройств, циркуляторов, гираторов, фазовращателей СВЧ и т.д. Эффект Фарадея широко используется в научных исследованиях.

В этой области столько открытий и идей, предложенных Фарадеем, что только перечисление эффектов, явлений и физических величин, названных именем Фарадея, очень впечатляет.

Фарада, единица электрической ёмкости в Международной системе единиц и в МКСА системе единиц. Названа в честь М. Фарадея. Обозначения: рус. ф, международное F. 1 Ф. – ёмкость конденсатора, при которой заряд в 1 кулон создаёт на обкладках конденсатора разность потенциалов 1 вольт. Единица ёмкости системы СГСЭ 1 см =  (с – числовое значение скорости света в вакууме, выраженное в см/сек). В практике чаще применяются дольные от Ф. единицы: микрофарада (мкф, F), 1 мкф = 10-6 ф, и пикофарада (пф, pF), 1 пф = 10-12ф.

 Фарадей, внесистемная единица количества электричества, применяется в электрохимии; названа в честь М. Фарадея. 1 Ф. = (9,648456 ± 0,000027) (104 к (на 1973), т. е. равен стольким же кулонам, сколько к/моль содержится в Фарадея числе.

В 1840 году, ещё до открытия закона сохранения энергии, Фарадей высказал мысль о единстве "сил" природы (различных видов энергии) и их взаимном превращении. Он ввёл представления о силовых линиях, которые считал физически существующими.

Силовые линии, линии, проведённые в каком-либо силовом поле (электрическом, магнитном, гравитационном), касательные к которым в каждой точке пространства совпадают по направлению с вектором, характеризующим данное поле (напряжённостью электрического или гравитационного полей, магнитной индукцией). Изображение силовых полей с помощью Силовых линии - частный случай изображения любых векторных полей с помощью линий тока. Так как напряжённости полей и магнитная индукция - однозначные функции точки, то через каждую точку пространства может проходить только одна Силовая линия. Густота силовых линий обычно выбирается так, чтобы через единичную площадку, перпендикулярную к силовой линии, проходило число силовых линий, пропорциональное напряжённости поля (или магнитной индукции) на этой площадке.

Таким образом, силовые линии дают наглядную картину распределения поля в пространстве: густота силовых линий и их направление характеризуют величину и направление напряжённости поля. Силовые линии электростатического поля всегда незамкнуты: они начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных (или уходят на бесконечность). Силовые линии вектора магнитной индукции всегда замкнуты, т. е. магнитное поле является вихревым. Железные опилки, помещенные в магнитное поле, выстраиваются вдоль силовых линий; благодаря этому можно экспериментально определять вид силовых линий магнитной индукции. Вихревое электрическое поле, порождаемое изменяющимся магнитным полем, также имеет замкнутые силовые линии.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7