Наука высокого напряжения. Фарадей. Электромагнитная индукция
Шрифт:
ПРИЗНАКИ АТОМНОЙ СТРУКТУРЫ МАТЕРИИ
Эксперименты по химическому разложению стали для пытливого ума Фарадея толчком к новым исследованиям. Он начал новую серию опытов, связанную с первой, однако результаты показались малофункциональными. Например, одно из важнейших сопутствующих исследований, которые Фарадей оставил незавершенными из-за боязни никогда не найти убедительного объяснения, было связано с эффектом платины — металла, используемого в качестве одного из полюсов в кюветах для электролиза. Фарадей заметил, что на платине, какой бы чистой она ни была, при прохождении тока на поверхности всегда возникают реакции водорода и кислорода. Такое явление называется катализом — термин
Наступила весна 1834 года, и ученый начал жаловаться, что до сих пор не смог сформулировать теорию о взаимодействии электричества и материи. Например, его чрезвычайно расстраивал тот факт, что жидкость при заморозке продолжает проводить электричество и даже может заряжаться. Прежде все материальные вещества в мире разделялись на проводники и изоляторы, но Фарадей полагал, что все тела должны проводить электричество «от металлов до лака и газов, но в разной степени».
Догадки? Я ими не занимаюсь. Я лишь опираюсь на факты.
Майкл Фарадей, ответ на вопрос о жизни после смерти
Но если версия Фарадея была справедливой и электричество проходило одинаково через все вещества, материя не могла считаться континуумом, а должна была состоять из частиц.
Эта идея была слишком передовой для того времени, и Фарадей оставил атомистические рассуждения к весне 1834 года, установив тем не менее, не зная этого сам, основы электронной теории материи. Для каждого вида материи имеется минимальная порция, в которой сохраняются физико-химические характеристики, свойственные данной материи, — молекула; при этом данные характеристики исчезают при уменьшении этой порции. Фарадей также заложил основы электролитической диссоциации: он ввел термин ион для обозначения заряженных частиц, переносящих электричество внутри проводящего раствора, но не уточнил, из чего в действительности состоят ионы.
Обе теории были разработаны в достаточной мере через 50 лет.
Таким образом, хотя ученый постоянно обнаруживал следы атомной структуры материи, он намеренно отвергал данную теорию. В 1834 году он заявлял:
«Должен признать, что меня смущает термин «атом». Несмотря на то что говорить об атомах просто, довольно сложно сформировать четкую идею об их природе, особенно в отношении составных тел».
То, что Фарадей отвергал атомы, позволило ему создать теорию силовых полей, которая противоречила доминирующей теории корпускул Ньютона. Он не мог вернуться к этой старой концепции для окончательного прояснения функционирования электричества. При этом немецкий физик и физиолог Герман Людвиг Фердинанд фон Гельмгольц (1821–1894) приводил доказательства того, что Фарадей подразумевал наличие электрона, или атома электричества.
КЛЕТКА ФАРАДЕЯ И ДИЭЛЕКТРИКИ
Если бы мы могли перенестись в Королевский институт в конце 1835 года, мы бы увидели Фарадея, погруженного в конструирование необычного гигантского приспособления. Оно было настолько огромным, что его пришлось переместить в лекционный зал института: размеры лаборатории в подвале не могли вместить огромный деревянный каркас, покрытый алюминиевыми листами. Несведущий наблюдатель, вероятно, решил бы, что Фарадей конструирует какой-нибудь вид оружия, что-то вроде боевого танка. Может быть, это было похожим на клетку для фантастического существа, заземленную и подсоединенную к электростатическому генератору. Но внутри нее был только сам Фарадей, он сидел там в ожидании, пока его ассистент, сержант Чарльз Андерсон, подаст заряд на клетку, и от нее полетят искры.
Эксперимент несколько напоминал книгу о докторе Франкенштейне, когда его изуродованный помощник подключал электрический аппарат, чтобы вернуть тело к жизни. Однако Фарадей не ожидал получить от электричества
Эта система экранирования получила название клетки Фарадея и в последующем начала использоваться для защиты чувствительных инструментов от радио- или электромагнитных явлений. Например, обычный лифт, если он представляет собой закрытый металлический ящик, может иметь свойства клетки Фарадея, поэтому часто в лифте не работает мобильная связь. В микроволновках также используется принцип клетки Фарадея для того, чтобы волны не проникали наружу. Самолеты также функционируют по этому принципу: если молния попадет в самолет, пассажиры останутся невредимы.
В эксперименте, несмотря на то что электростатический генератор подавал ток высокого напряжения, никто и ничто в клетке не подвергалось действию электричества. Для проверки того, что внутри клетки не было электрических зарядов, Фарадей использовал электроскоп — инструмент, позволяющий обнаруживать и измерять заряд отдельного тела. Электроскоп показал, что на внутренних стенках клетки заряд не обнаруживается.
Клетка Фарадея при отсутствии электрического поля (слева); заряженные частицы на стенке клетки Фарадея отвечают на приложение электрического поля (в центре); электрические поля внутри стенки устраняют приложенное электрическое поле, нейтрализуя внутреннее пространство клетки (справа).
Принцип работы клетки Фарадея относительно прост (см. схему). Сама клетка — из металла и работает как полый проводник. Когда на нее действует внешнее электромагнитное поле, положительные заряды остаются на поверхности, а отрицательные — электроны — свободно перемещаются по металлу в противоположном направлении по отношении к электрическому полю. На одной стороне клетки собираются электроны, с другой стороны образуется их недостаток. При поляризации проводника генерируется внутреннее электрическое поле такой же величины, но противоположное по направлению внешнему полю, поэтому сумма полей внутри проводника равна нулю. Силы нейтрализуют сами себя. Благодаря явлению электростатического экранирования ни один заряд не может пройти через клетку, так как внутри нее поле отсутствует.
ДИЭЛЕКТРИКИ
В 11-м выпуске серии «Экспериментальные исследования по электричеству» (1855, Experimental Researches in Electricity) Фарадей предлагает в качестве первого принципа науки об электричестве индукцию как свойство вызывать противоположное состояние, а также дает новое определение термину заряд — состояние напряженности, поддерживаемое материей. Кроме того, ученый высказывает мысль о том, что существуют тела, проводящие электричество, а также тела, с той же эффективностью не проводящие его.
Первый класс тел был назван проводниками, второй, по совету коллеги Уэвелла, получил название диэлектриков. Другими словами, по отношению к своему поведению под воздействием электрического поля материальные тела классифицируются на проводники и диэлектрики, при этом не существует постоянной градации, которая исключала бы отнесение тела к одной из категорий, то есть тело может классифицироваться как проводник или диэлектрик в зависимости от ситуации.
Важно различать изоляторы и диэлектрики. Все тела-диэлектрики являются изоляторами, поскольку плохо проводят электричество, но не все изоляторы являются диэлектриками. Чтобы стать диэлектриком, материал при воздействии электрического поля должен быть способен сохранять внутреннее электрическое поле. Диэлектрик может превратиться в проводник, если мы настолько увеличим внешнее поле, что оно превзойдет максимальное напряжение диэлектрика, называемое электрической прочностью.