Физик Фарадей: краткая биография, открытия

Физик Фарадей: краткая биография, открытия

Английский физик Майкл Фарадей, выросший в бедной семье, стал одним из величайших ученых в истории человечества. Его выдающиеся достижения были сделаны в то время, когда наука являлась уделом людей, рожденных в привилегированных семействах. В его честь названа единица электрической емкости — фарад.

Фарадей (физик): краткая биография

Майкл Фарадей родился 22 сентября 1791 года в столице Великобритании Лондоне. Он был третьим ребенком в семье Джеймса и Маргарет Фарадеев. Его отец был кузнецом, который имел слабое здоровье. До брака его мать работала служанкой. Семья жила бедно.

До 13 лет Майкл посещал местную школу, где получил начальное образование. Чтобы помочь семье, он начал работать посыльным в книжном магазине. Усердие мальчика впечатлило его работодателя. Через год его повысили до ученика переплетчика.

Переплет и наука

Майкл Фарадей хотел узнать больше о мире; он не ограничивался реставрацией книг. После усердного ежедневного труда он проводил все свое свободное время за чтением книг, которые он переплетал.

Постепенно он обнаружил, что увлекся наукой. Особенно ему понравились две книги:

• «Британская энциклопедия» – источник его познаний об электричестве и о многом другом.
• «Беседы о химии» – 600 страниц о химии в доступном изложении авторства Джейн Марсе.

Он был настолько очарован, что начал тратить часть своего скудного заработка на химические вещества и аппаратуру, чтобы подтвердить истинность того, о чем читал.

Расширяя свои научные познания, он услышал, что известный ученый Джон Татум собирался дать серию публичных лекций по натуральной философии (физике). Для посещения лекций необходимо было внести плату в один шиллинг – слишком много для Майкла Фарадея. Его старший брат, кузнец, впечатленный растущей преданностью своего брата науке, дал ему необходимую сумму.

Знакомство с Хамфри Дэви

Фарадей сделал еще один шаг к науке, когда Уильям Дэнс, клиент книжного магазина, поинтересовался у Майкла, нет ли у него желания получить билеты на лекции в Королевском институте.

Лектор, сэр Хамфри Дэви, был одним из самых известных в мире ученых того времени. Фарадей ухватился за шанс и посетил четыре лекции, посвященные одной из новейших проблем химии – определении кислотности. Он наблюдал за экспериментами, которые проводил Дэви на лекциях.

Это был мир, в котором он хотел бы жить. Фарадей вел записи, а затем сделал так много дополнений в примечаниях, что произвел 300-страничную рукопись, которую сам переплел и отправил Дэви в знак благодарности.

В это время на заднем дворе книжного магазина Майкл начал проводить более сложные эксперименты по созданию электрической батареи из медных монет и цинковых дисков, разделенных влажной соленой бумагой. Он использовал ее для разложения химических веществ, например таких, как сульфат магния. В этой области химии Хамфри Дэви был пионером.

В октябре 1812 года ученичество Фарадея завершилось, и он начал работать переплетчиком у другого работодателя, которого он нашел неприятным.

Не было бы счастья, да несчастье помогло

И вот произошел счастливый для Фарадея случай. В результате неудачного эксперимента Хамфри Дэви был ранен: это временно повлияло на его способность писать. Майклу удалось в течение нескольких дней вести записи для Дэви, впечатленного книгой, которую тот ему послал.

Когда недолгий период работы помощником закончился, Фарадей отправил ученому записку с просьбой нанять его своим ассистентом. Вскоре после этого один из лаборантов Дэви был уволен за нарушение дисциплины, и Хамфри осведомился у Майкла, не хотел ли бы он занять вакантное место.

Не хотел ли он работать в Королевском институте с одним из самых известных ученых в мире? Это был риторический вопрос.

Карьера в Королевском институте

Фарадей приступил к своим обязанностям 1 марта 1813 года, в возрасте 21 года.

Ему хорошо платили и выделили для проживания комнату на чердаке Королевского института. Майкл был очень доволен, и его связь с этим учреждением больше не прерывалась в течение 54 лет, за которые ему удалось стать профессором химии.

Работа Фарадея состояла в подготовке аппаратуры для проведения экспериментов и лекций в Королевском институте. Поначалу он имел дело с трихлоридом азота, взрывчатым веществом, которое травмировало Дэви. Майкл тоже при очередном взрыве ненадолго потерял сознание, и когда Хамфри снова получил травму, опыты с этим соединением были прекращены.

Через 7 месяцев работы в Королевском институте Дэви взял с собой Фарадея в турне по Европе, длившееся 18 месяцев. За это время Майклу удалось встретить великих ученых, таких как Андрэ-Мари Ампер в Париже и Алессандро Вольта в Милане. В некотором смысле, тур заменил ему университетское образование – Фарадей многое узнал за это время.

Большую часть тура он, однако, был несчастлив, поскольку в дополнение к научной и секретарской работе должен был прислуживать Дэви и его жене. Супруга ученого не считала Фарадея равным себе из-за его происхождения.

По возвращении в Лондон все стало на свои места. Королевский институт возобновил контракт Майкла и увеличил его вознаграждение. Дэви даже начал упоминать о его помощи в научных работах.

В 1816 г. в возрасте 24 лет Фарадей прочитал свою первую лекцию о свойствах материи. Проходила она в Городском философском обществе. Тогда же в «Ежеквартальном научном журнале» он опубликовал свою первую научную статью об анализе гидроксида кальция.

В 1821 г. в возрасте 29 лет Фарадей был повышен до должности заведующего хозяйством и лабораторией Королевского института. В том же году он женился на Саре Барнард. Майкл со своей супругой прожили в институте большую часть следующих 46 лет, уже не на чердаке, а в удобном помещении, которое когда-то занимал Хамфри Дэви.

В 1824 г. биография Фарадея (физика) ознаменовалась его избранием в члены Королевского общества. Это было признанием того, что он стал заметным ученым.

В 1825 г. физик Фарадей стал директором лаборатории.

В 1833 г. он стал фуллеровским профессором химии в Королевском институте Великобритании. Фарадей занимал эту должность до конца своей жизни.

В 1848 и 1858 годах ему было предложено возглавить Королевское общество, но он отказался.

Научные достижения

Чтобы описать открытия Фарадея в физике, потребуется не одна книга. Не случайно Альберт Эйнштейн в своем кабинете хранил фотографии только троих ученых: Исаака Ньютона, Джеймса Максвелла и Майкла Фарадея.

Как ни странно, хотя еще при жизни ученого начали использовать слово «физик», ему самому оно не нравилось, и он всегда называл себя философом. Фарадей был человеком, шедшим к открытиям через эксперименты, и он был известен тем, что никогда не отказывался от идей, к которым приходил благодаря научной интуиции.

Если он полагал, что идея стоила того, он продолжал эксперименты, несмотря на множество неудач, пока не достигал ожидаемого или пока не убеждался в том, что мать-природа доказала его неправоту, что случалось крайне редко.

Так что открыл Фарадей в физике? Вот некоторые из его самых заметных достижений.

1821: открытие электромагнитного вращения

Оно стало предвестником того, что, в конечном итоге, привело к созданию электрического двигателя. Открытие базировалось на теории Эрстеда о магнитных свойствах провода, по которому проходит электрический ток.

1823: сжижение газа и охлаждение

В 1802 году Джон Далтон высказал мнение, что все газы могут быть сжижены при низких температурах или высоком давлении. Физик Фарадей доказал это опытным путем. Он впервые превратил хлор и аммиак в жидкость.

Жидкий аммиак был еще интересен тем, что, как заметил Майкл Фарадей, физика процесса его испарения вызывала охлаждение. Принцип охлаждения с помощью искусственного испарения был публично продемонстрирован Уильямом Калленом в Эдинбурге в 1756 г. Ученый с помощью насоса снизил давление в колбе с эфиром, в результате чего произошло его быстрое испарение. Это вызвало охлаждение, и на внешней стороне колбы из влаги воздуха образовался лед.

Важность открытия Фарадея состояла в том, что механические насосы могли превращать газ в жидкость при комнатной температуре. Затем жидкость испарялась, охлаждая все вокруг, полученный газ мог быть собран и с помощью насоса сжат в жидкость снова, повторяя цикл. Именно так работают современные холодильники и морозильники.

В 1862 году на Всемирной лондонской выставке Фердинанд Карре продемонстрировал первую в мире коммерческую машину по производству льда. В машине в качестве охлаждающей жидкости использовался аммиак, и она производила лед со скоростью 200 кг в час.

1825: открытие бензола

Исторически сложилось так, что бензол стал одним из наиболее важных веществ в химии, как в практическом смысле, т. е. он используется при создании новых материалов, так и в теоретическом – для понимания химической связи. Ученый обнаружил бензол в маслянистых остатках производства газа для освещения в Лондоне.

1831: закон Фарадея, формула, физика электромагнитной индукции

Это было чрезвычайно важным открытием для будущего науки и техники. Закон Фарадея (физика) гласит, что переменное магнитное поле вызывает в цепи электрический ток, и генерируемая электродвижущая сила прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока. Одна из его возможных записей |E|=|dΦ/dt|, где Е – ЭДС, а Ф – магнитный поток.

Например, перемещение подковообразного магнита вдоль провода производит электрический ток, так как движение магнита вызывает переменное магнитное поле. До этого единственным источником тока была батарея. Майкл Фарадей, открытия в физике которого показали, что движение может быть превращено в электричество, или, более научным языком, кинетическая энергия может быть преобразована в электрическую, таким образом, причастен к тому, что большая часть энергии в наших домах сегодня производится именно по этому принципу.

Вращение (кинетическая энергия) преобразуется в электричество с помощью электромагнитной индукции. А вращение, в свою очередь, получают при действии на турбины пара высокого давления, создаваемого энергией угля, газа или атома, или напором воды в гидроэлектростанциях, либо давлением воздуха в ветряных электростанциях.

1834: законы электролиза

Фарадей-физик внес основной вклад в создание новой науки электрохимии. Она объясняет то, что происходит на границе раздела электрода с ионизированным веществом. Благодаря электрохимии мы пользуемся литий-ионными батареями и аккумуляторами, питающими современную мобильную технику. Законы Фарадея важны для нашего понимания электродных реакций.

1836: изобретение экранированной камеры

Физик Фарадей обнаружил, что, когда электрический проводник заряжен, весь лишний заряд скапливается на внешней его стороне. Это означает, что внутри комнаты или клетки, сделанной из металла, дополнительный заряд не появляется. Например, человек, одетый в костюм Фарадея, т. е. с металлической подкладкой, не подвергается действию внешнего электричества. Кроме защиты людей, клетка Фарадея может использоваться для проведения электрических или электрохимических экспериментов, чувствительных к внешним помехам. Экранированные камеры также могут создавать мертвые зоны для мобильной связи.

1845: открытие эффекта Фарадея – магнитооптического эффекта

Еще одним важным экспериментом в истории науки был опыт, впервые доказавший связь электромагнетизма и света, что в 1864 году было полностью описано уравнениями Джеймса Клерка Максвелла. Физик Фарадей установил, что свет представляет собой электромагнитную волну: «Когда противоположные магнитные полюса находились с той же стороны, это оказывало действие на поляризованный луч, что, таким образом, доказывает связь магнитной силы и света.

1845: открытие диамагнетизма как свойства всей материи

Большинство людей знакомо с ферромагнетизмом на примере обычных магнитов. Фарадей (физик) обнаружил, что все вещества диамагнитны – в большинстве своем слабо, но встречаются и сильные. Диамагнетизм противоположен направлению приложенного магнитного поля. Например, если поместить северный полюс у сильно диамагнитного вещества, то оно будет отталкиваться. Диамагнетизм в материалах, индуцированный очень сильными современными магнитами, может быть использован для достижения левитации. Даже живые существа, такие как лягушки, диамагнитны и могут парить в сильном магнитном поле.

Конец

Майкл Фарадей, открытия в физике которого произвели переворот в науке, умер 25 августа 1867 г. в Лондоне в возрасте 75 лет. Его жена Сара жила дольше. У четы не было детей. Всю свою жизнь он был набожным христианином и принадлежал к маленькой протестантской секте сандеманианцев.

Еще при жизни Фарадею было предложено погребение в Вестминстерском аббатстве вместе с королями и королевами Великобритании и учеными, подобно Исааку Ньютону. Он отказался ради более скромной церемонии. Его могилу, где также похоронена Сара, можно найти на кладбище Хайгейт в Лондоне.

Сектант электротехнической революции

Е сли верить концепции технико-экономических волн Карлоты Перес , Фарадей родился через двадцать лет после начала первой, промышленной, технологической революции (механизация производства), уже зрелым человеком встретил вторую, связанную с паром и железными дорогами, и умер незадолго до третьей (электричество, сталь, тяжелая промышленность). Этот тот чистый случай роли личности в истории, когда мы наверняка можем сказать, что, если бы Фарадея не было, третья технологическая революция случилась бы с заметным опозданием, так как его работы по электромагнетизму, заложившие основы современной электротехники, были определяющими и уникальными. Пожалуй, ни в одном другом революционном технологическом сдвиге цивилизации нет столь четкой персонификации.

Электродвигатель, трансформатор, генератор — все эти революционные изобретения сделал человек без особого образования, плохо знавший математику и практически не использовавший в своих трудах формул

Не менее любопытно и еще одно обстоятельство: электродвигатель, трансформатор, генератор — все эти революционные изобретения сделал человек без особого образования, плохо знавший математику и практически не использовавший в своих трудах формул. Уже значительно позже Джеймс Максвелл оформил (по его собственной скромной оценке) натурфилософские мутноватые рассуждения Фарадея в элегантную систему уравнений, однако машины третьей технологической революции к этому моменту были созданы и работали.

В отличие от Галилея, утверждавшего, что книга природы написана языком математики, плохо знавший математику Фарадей утверждал, что на самом деле она «написана перстом Господа»

Наконец, третья удивительная вещь, связанная с творчеством Фарадея: придумывая машины третьей технологической революции, он параллельно создал современную физику. Мощь физической интуиции необразованного Фарадея даже не столько восхищает, сколько пугает. Как мог этот подмастерье переплетчика, делавший скромную карьеру лаборанта, создать одну из самых продуктивных концепций современной физики — концепцию поля? Этим же вопросом безуспешно задавались Максвелл и Эйнштейн. Некоторые историки науки считают, что необразованность Фарадея, его незашоренность, в частности ньютоновским дальнодействием, позволили ему сразу считать, что действие передается не через пустоту, а с помощью некоего «силового посредника». Отчасти эту точку зрения разделял и сам Максвелл, замечая в своем знаменитом «Трактате»: «Фарадей своим мысленным взором видел пронизывающие всё пространство силовые линии там, где математики видели центры сил, притягивающие на расстоянии. Фарадей видел среду там, где они не видели ничего, кроме расстояния. Фарадей усматривал местонахождение явлений в тех реальных процессах, которые происходят в среде, а они довольствовались тем, что нашли его в силе действия на расстоянии, которая прикладывается к электрическим жидкостям».

Некоторые же идут еще дальше и связывают происхождение фарадеевой концепции силового поля с его принадлежностью секте сандеманианцев, которые, настаивая на буквальном прочтении Библии, утверждали целостность и взаимосвязанность всех вещей, отрицая пустое пространство. Хотя подобные размышления могут завести нас достаточно далеко, следует признать, что и семья Фарадея, и он сам всегда оставались членами этой секты, отколовшейся в восемнадцатом веке от пресвитерианской церкви Шотландии ввиду недостаточной ригоричности последней. В отличие от Галилея, утверждавшего, что книга природы написана языком математики, плохо знавший математику Фарадей утверждал, что на самом деле она «написана перстом Господа».

Продуктивный медовый месяц

Собственно научная карьера Фарадея началась после того, как известный химик и физик Гэмфрид Дэви взял его из переплетной мастерской на должность личного помощника в Королевском институте — ключевом научном учреждении империи. Дэви благоволит молодому самоучке и предлагает ему сопровождать его в длительном путешествии по европейским научным центрам в качестве камердинера. Возможно, иной амбициозный юноша счел бы такое предложение унизительным, но для члена сандеманианской секты, проповедовавшей скромность, граничащую с самоуничижением, оно показалось вполне адекватным, и полтора года Фарадей имел возможность лично общаться с научными звездами Европы.

Как мог подмастерье переплетчика, делавший скромную карьеру лаборанта создать одну из самых продуктивных концепций современной физики — концепцию поля? Этим же вопросом безуспешно задавались Максвелл и Эйнштейн

Он знакомится с Ампером, уже предложившем свою гипотезу кольцевых токов, но из-за незнания математики не оценивает ее; общается с Вольтой и изучает принцип работы вольтова столба. По возвращении в Англию и повышения по службе (он начинает отвечать за работу лабораторного оборудования всего Королевского института) Фарадей приступает к собственным исследованиям, правда, начинает он с химии, и полученных здесь результатов уже хватило бы на звание выдающегося ученого. Ему удается открыть нержавеющую сталь (но металлургов открытие не заинтересовывает — третья технологическая революция еще впереди), выделить из китового масла вещество, которое мы сегодня называем бензолом, сделать пионерские работы по сжижению различных газов, заложив основы криогенной техники.

Толчком к началу занятий над главной темой — электромагнетизмом — послужили, как ни странно, личные обстоятельства. Фарадей влюбляется в Сару Барнард, дочь уважаемого члена секты, сандеманианского пастора. Он делает ей предложение, но сразу оговаривает, что брак должен будет стать не более чем незаметным фоном для его научной работы. Сара, будучи истинной сандеманианкой, проглатывает обиду и дает согласие, но после свадьбы, когда счастливый Фарадей спрашивает, как она хотела бы провести медовый месяц, молодая жена невозмутимо отвечает, что была бы счастлива, если бы муж подготовил к его окончанию обзор последних исследований по какой-нибудь научной теме, а ей есть чем заняться по хозяйству. Обескураженный Фарадей решает подготовить обзор последних открытий в области электричества и магнетизма, и это оказывается поистине судьбоносным для науки решением.

Больше всего Фарадея заинтересовали описания опытов датчанина Ганса Эрстеда, показавшего, что стрелка компаса отклоняется, если рядом с ней помещен проводник с протекающим по нему током. Размышляя над этим, Фарадей сконструировал первый в истории простенький электродвигатель: намагниченный стержень, помещенный в колбу с ртутью, вращался вокруг проводника, по которому пропускался ток, — электричество делало механическую работу! Далее Фарадей задумался о следующем: если в опыте Эрстеда электрический ток производит магнитное действие, то не должна ли природа продемонстрировать симметрию и нельзя ли придумать эксперимент, в котором уже магнит вызывает электрический ток? Эта теоретически ничем не подкрепленная на тот момент идея симметрии между электрическими и магнитными явлениями настолько овладела Фарадеем, что на какое-то время он практически поселился в лаборатории, в которую верная жена приносила ему поесть.

После серии безуспешных опытов был придуман следующий эксперимент: вокруг железного кольца были обмотаны две изолированные проволоки, причем одна проволока была обмотана вокруг одной половины кольца, а другая — вокруг другой. Через одну проволоку пропускался ток от гальванической батареи, а концы другой были соединены с гальванометром. (Сегодняшний читатель без труда узнает в этой схеме трансформатор.) И вот, когда ток замыкался или прекращался и, следовательно, железное кольцо намагничивалось или размагничивалось, стрелка гальванометра быстро колебалась и затем быстро останавливалась, то есть в нейтральной проволоке под влиянием магнетизма возбуждался «наведенный», или индуктивный, электрический ток. Так Фарадей впервые превратил магнетизм в электричество. Еще в одном эксперименте Фарадей быстро вводил магнит в катушку провода и фиксировал в ней появление электрического тока — круг замкнулся, механическая энергия руки двигала магнит, и в результате получался электрический ток. Открытый им закон, известный сегодня как закон электромагнитной индукции Фарадея, был сформулирован в одной фразе и без единого математического символа: «При увеличении или уменьшении магнитной силы всегда возникает электричество; чем выше скорость увеличения или уменьшения, тем большее количество электричества образуется».

Вскоре Фарадей придумал и первый генератор постоянного тока, поместив проводящий вращающийся диск между полюсами магнита (магнитное поле параллельно оси вращения диска). Между центром диска и его краем возникала разность потенциалов. Разместив токосъемники в центре и на краю диска и включив их в цепь, Фарадей получал постоянный ток, который не прекращался, пока было желание или возможность вращать диск. Первый генератор переменного тока (динамо-машина) был сконструирован по описаниям Фарадея несколько позже французским механиком Ипполитом Пикси.

Вошел в анналы ответ Фарадея министру финансов Гладстону, спросившему великого ученого: «Для чего вообще может понадобится это электричество?» Ответ Фарадея был министерски доходчив: «Однажды, сэр, вы обложите его налогом»

Примерно к этому времени относится и вошедший в анналы ответ Фарадея министру финансов Гладстону, спросившему великого ученого: «Для чего вообще может понадобится это электричество?» Ответ Фарадея был министерски доходчив: «Однажды, сэр, вы обложите его налогом». Кстати, первый налог на производство электричества в Англии был введен уже в 1880 году — всего через тринадцать лет после смерти первооткрывателя электромагнитной индукции.

Визит к королеве

Совпадение это или нет, но практически сразу после открытия первого производства динамо-машин в Бирмингеме сандеманианцы присвоили Фарадею статус почетного прихожанина. Родная секта, довольно равнодушно наблюдавшая его научные успехи, возможно, решила отметить начало их реальной службы на пользу человечества. Фарадея, впрочем, уже влекли новые темы.

Совпадение это или нет, но практически сразу после открытия первого производства динамо-машин в Бирмингеме сандеманианцы присвоили Фарадею статус почетного прихожанина

После своих выдающихся работ в области электромагнетизма Фарадей занялся электрохимией, открыл законы электролиза и, что не менее любопытно, вместе со своим другом классическим филологом Уильямом Уэвеллом разработал терминологию для этой области науки. Ион, катод, анод, электрод, электролиз — все это результат их совместного лингвистического творчества. Успел оставить свой след Фарадей и в таких отраслях как диа- и парамагнетизм, химия катализа, ему удалось предсказать влияние электромагнитного поля на световое излучение, конечную скорость распространения электромагнитного поля. Он предвосхитил исследовательскую программу Эйнштейна, считая, что в итоге все фундаментальные взаимодействия природы, включая гравитацию, имеют единую основу.

Но занимался Фарадей и совсем прикладными задачами — выступал технологическим экспертом в судах, консультировал правительство по научным вопросам, совершенствовал маяки, разрабатывал защиту днищ кораблей от коррозии, правда, наотрез отказался от участия в разработке химического оружия (токсичных газов) для Крымской войны — не позволили религиозные убеждения. Власть на закате жизни относилась к нему с большим уважением, королева Виктория выделила ему покои во дворце и искала его общества (именно отсутствие на одной из сандеманианских служб по причине визита к королеве стоило Фарадею звания старейшины общины — сандеманианцы не сочли это уважительной причиной). Но Фарадей считал, что власть пока не до конца оценила роль и значение ученых и изобретателей в современной истории и был уверен, что, если она не позволит исследовательскому классу участвовать в принятии важных решений, она может поплатиться за это в ближайшую эпоху. Комиссия Британского общества естествоиспытателей обратилась однажды к Фарадею с запросом, какие, по его мнению, средства могло бы употребить правительство для улучшения в Англии положения представителей науки. В ответ Фарадей написал, что, по его мнению, «правительству ради своей выгоды следовало бы ценить людей, служащих стране и приносящих ей честь» и что «во множестве случаев, требующих научных знаний, правительству следовало бы пользоваться учеными; но к сожалению, это не практикуется в таких размерах, в каких могло бы делаться с пользою для всех; очевидно, правительство, еще не научившееся уважать ученых как особый класс людей, не может найти верных путей и средств вступать с ними в сношения и сильно проигрывает от этого».

Когда Фарадей умер, королева Виктория намеревалась организовать пышные похороны и погребение великого ученого рядом с Исааком Ньютоном и другими великими деятелями в Вестминстерском аббатстве. Однако он успел по-другому распорядиться своими похоронами, оставив следующую записку: «Скромные похороны, на которых должны присутствовать только мои родственники, самый простой надгробный памятник в самом обычном месте земли». Как истинного сандеманианца Фарадея похоронили на сандеманианском участке кладбища Хайгейт в Лондоне, а рядом с могилой Исаака Ньютона в Вестминстерском аббатстве повесили скромную табличку.

Великий Максвелл

Едва ли не каждый помнит имя Джеймса Максвелла, который много раз упоминается в школьном учебнике по физике. Это удивительно, насколько широким было поле научных интересов английского ученого: от теории электромагнитных явлений, кинетической теории газов и оптики до теории упругости и многого другого. Он известен как выдающийся физик, создатель классической электродинамики, один из основателей статистической физики, а также автор представлений о токе смещения и уравнений Максвелла, распределения Максвелла, демона Максвелла и автор принципа цветной фотографии.

Казалось бы, что история фотографии началась с того самого снимка из окна Ньепса. Но вклад в эту научную область внес и физик Максвелл. Его первые научные работы были по физиологии и физике цветного зрения и колориметрии, которые он начал в 1852 году.

В 1861 году Джеймс Максвелл впервые получил цветное изображение. Для этого он спроецировал на экран несколько диапозитивов одновременно: красный, зеленый и синий. В своих экспериментах Максвелл использовал особый волчок, диск которого был разделен на разноцветные секторы (диск Максвелла). При быстром вращении цвета сливались: если диск был закрашен так, как расположены цвета спектра, он казался белым; если одну его половину закрашивали красным, а другую — желтым, он казался оранжевым; смешивание синего и желтого создавало впечатление зеленого. Справедливость трехкомпонентной теории зрения была доказана, а пути создания цветной фотографии открыты.

Из чего состоят кольца Сатурна? На этот вопрос ответ не могли найти со времен Галилея. Но Джеймсу Максвеллу удалось. Он доказал, что кольца Сатурна могут быть устойчивы лишь в том случае, если состоят из не связанных между собой частиц (тел).

Но, когда он только приступил к исследованиям электрических и магнитных явлений, многое уже было известно: законы взаимодействия неподвижных электрических зарядов (закон Кулона) и токов (закон Ампера) установлены, а то, что магнитные взаимодействия есть взаимодействия движущихся электрических зарядов уже доказано. Ученые тогда считали, что взаимодействие передается мгновенно через пустоту (теория дальнодействия). Решительный поворот к теории близкодействия сделал Майкл Фарадей в 30-е гг. XIX в.

Согласно его концепции, электрический заряд создает в окружающем пространстве электрическое поле. И такие поля действуют друг на друга. Поле одного заряда действует на другой, и наоборот. Взаимодействие токов осуществляется посредством магнитного поля. Их распределение в пространстве Фарадей описывал с помощью силовых линий. По его представлению, они похожи на обычные упругие линии в гипотетической среде — мировом эфире.

Такие идеи о реальности процессов в пространстве возле зарядов и токов полностью воспринял Максвелл, который считал, что тело не может действовать там, где его нет. И таким концепциям он придал новую форму, математическую. С введением понятия «поля» законы Кулона и Ампера стали выражаться наиболее полно, глубоко и изящно. А в явлении электромагнитной индукции Максвелл рассмотрел новое свойство полей: переменное магнитное поле порождает в пустом пространстве электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями (так называемое вихревое электрическое поле).

Но было и еще одно открытие в части свойств электромагнитного поля. И на этот раз обошлось без экспериментов. Физик высказал догадку о том, что переменное электрическое поле порождает магнитное поле, как и обычный электрический ток (гипотеза о токе смещения). К 1869 году ключевые закономерности поведения электромагнитного поля были окончательно установлены и оформлены в виде системы четырех уравнений.

История создания электродвигателя

Первые эксперименты с электромагнитными устройствами

Электромеханика является относительно молодой, по историческим меркам, отраслью науки и техники.

1800, Вольта

Итальянский физик, химик и физиолог, Алессандро Вольта, первый в мире создал химический источник тока.

1820, Эрстед

Датский ученый, физик, Ханс Кристиан Эрстед, обнаружил на опыте отклоняющее действие тока на магнитную стрелку.

1821, Фарадей

Британский физик-экспериментатор и химик, Майкл Фарадей, опубликовал трактат «О некоторых новых электромагнитных движениях и о теории магнетизма», где описал, как заставить намагниченную стрелку непрерывно вращаться вокруг одного из магнитных полюсов. Эта конструкция впервые реализовала непрерывное преобразование электрической энергии в механическую. Принято считать ее первым электродвигателем в истории.

1822, Ампер

Французский физик, Андре Мари Ампер, открыл магнитный эффект соленоида (катушки с током), откуда следовала идея эквивалентности соленоида постоянному магниту. Среди прочего Ампер предложил использовать железный сердечник, помещенный внутрь соленоида, для усиления магнитного поля. В 1820 году им был открыт закон Ампера.

1822, Барлоу

Английский физик и математик, Питер Барлоу, изобрел колесо Барлоу, по сути, униполярный электродвигатель.

1825, Араго

Французский физик и астроном, Доминик Франсуа Жан Араго, опубликовал опыт показывающий, что вращающийся медный диск заставляет вращаться магнитную стрелку, подвешенную над ним.

1825, Стёрджен

Британский физик, электротехник и изобретатель, Уильям Стёрджен, в 1825 изготовил первый электромагнит, который представлял из себя согнутый стержень из мягкого железа с обмоткой из толстой медной проволоки.

1827, Йедлик

Венгерский физик и электротехник, Аньош Иштван Йедлик, изобрел первую в мире динамо-машину (генератор постоянного тока), однако практически не объявлял о своем изобретении до конца 1850-х годов.

1831, Фарадей

Английский физик, Майкл Фарадей, открыл электромагнитную индукцию, то есть явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него. Формулировка закона электромагнитной индукции.

1831, Генри

Американский физик, Джозеф Генри, независимо от Фарадея обнаружил взаимоиндукцию, но Фарадей раньше опубликовал свои результаты.

1832, Пикси

Француз, Ипполит Пикси, сконструировал первый генератор переменного тока. Устройство состояло из двух катушек индуктивности с железным сердечником напротив которых располагался вращающийся магнит подковообразной формы, который приводился в движение вращением рычага. Позже для получения постоянного пульсирующего тока к этому устройству был добавлен коммутатор.

1833, Стёрджен

Британский физик, Уильям Стёрджен, публично продемонстрировал электродвигатель на постоянном токе в Марте 1833 года в Аделаидской галерее практической науки в Лондоне. Данное изобретение считается первым электродвигателем, который можно было использовать.

1833, Ленц

В начале в электромеханике разграничивали магнито-электрические машины (электрические генераторы) и электро-магнитные машины (электрические двигатели). Российский физик (немецкого происхождения), Эмилий Христианович Ленц, опубликовал статью о законе взаимности магнито-электрических явлений, то есть о взаимозаменяемости электрического двигателя и генератора.

Первые реальные электрические двигатели

Май 1834, Якоби

Немецкий и русский физик, академик Императорской Санкт-Петербургской Академии Наук, Борис Семенович (Мориц Герман фон) Якоби, изобрел первый в мире электродвигатель с непосредственным вращением рабочего вала. Мощность двигателя составляла около 15 Вт, частота вращения ротора 80-120 оборотов в минуту. До этого изобретения существовали только устройства с возвратно-поступательным или качательным движением якоря.