Мы живем в век электричества: правда, нашу эпоху иногда называют космической, а иногда атомной, но космические путешествия и атомное оружие, каково бы ни было их потенциальное значение, относительно мало влияют на нашу повседневную жизнь. С другой стороны, мы постоянно пользуемся электрическими устройствами.
На самом деле, можно с уверенностью сказать, что никакая техническая особенность не проникает в современный мир так сильно, как использование электричества.
Наибольший вклад в электротехнику на раннем этапе ее становления как науки внес британский ученый-физик Майкл Фарадей. Он наиболее известен своими открытиями электромагнитной индукции, законов электролиза и изобретением электродвигателя. Майкла Фарадея часто называют отцом электротехники.
Майкл Фарадей (1791 - 1867)
Биография Майкла Фарадея
Английский физик, химик и изобретатель Майкл Фарадей родился в семье кузнеца 22 сентября 1791 года в Ньюингтоне под Лондоном.
Однако Джеймс Фарадей был уже настолько болен к моменту рождения сына, что уже не мог заниматься своей профессией, и семья таким образом попала в финансовые трудности. Поэтому маленький Майкл не закончил даже начальной школы и в тринадцать лет начал работать камердинером у лондонского книготорговца.
Его работодатель принял его в качестве ученика переплетчика и канцелярского работника, а также понимал его интерес к естественным наукам. Недостаток образования юный Фарадей компенсировал чтением книг, которые попали ему в руки во время работы. В основном его интересовали труды по физике и химии.
Помимо чтения, он дополнял свое образование посещением вечерних научно-популярных лекций. Одним из выступавших был английский химик Гемфри Дэви.
В 1812 году Майкл Фарадей прошел обучение, но с тех пор хотел посвятить себя только науке. Ему удалось получить должность ассистента и лаборанта в Королевском институте в Лондоне у самого Гемфри Дэви.
Таким образом, карьера будущего изобретателя началась с мытья лабораторного стекла. Но он продолжал прилежно учиться и набираться необходимого опыта.
Вскоре Фарадей сопровождал Дэви в его научном путешествии по Европе. Таким образом, он имел возможность лично познакомиться со многими деятелями научного мира того времени, такими как А. М. Ампер, А. Вольта, А. фон Гумбольдт и другими.
Вернувшись из путешествия в 1815 году, он начал помогать в химических экспериментах и даже самостоятельно решать более мелкие задачи.
Об этапе жизни Майкла Фарадея подробно рассказано здесь: Роль Гемфри Дэви в жизни Иайкла Фарадея
Трудолюбие, целеустремленность, но и воображение Фарадея стали приносить первые успехи. В 1824 году он был избран членом Лондонского королевского общества, в следующем году он стал директором лаборатории Королевского института, а позже был назначен профессором химии.
Он занимался опытами в области химии и находил новые химические соединения, проводил опыты по сжижению газов и открыл бензол.
В сферу его интересов входили также открытия в области производства стекла и металлургии. Однако наибольшую известность ему принесли работы в области электротехники.
Майкл Фарадей в своей лаборатории в Королевском институте (с картины Гарриет Мур)
В 1831 году Фарадей сделал свое величайшее открытие, когда после долгих лет поисков способа преобразования магнетизма в электричество он обнаружил электромагнитную индукцию. Это открытие позволило ему построить первую динамо-машину.
Закон индукции Фарадея указывает на величину электрического напряжения, возникающего в проводниках за счет электромагнитной индукции, если проводники находятся в изменяющемся во времени магнитном поле или если они движутся поперек линий магнитной индукции.
Напряжение, индуцируемое в катушке, тем больше, чем больше число витков катушки, чем больше изменение магнитного потока и чем короче продолжительность этого изменения:
ui = – N (dФ /dt),
где ui – наведенное напряжение, N – число витков, dФ – изменение магнитного потока, dt – продолжительность изменения магнитного потока.
Он ввел в физику понятия электрического и магнитного полей и силовых линий. Теория всех электродвигателей, генераторов и трансформаторов основана на законе электромагнитной индукции.
Майкл Фарадей опубликовал свои работы в области электричества и электромагнетизма в трехтомном труде «Экспериментальные исследования электричества», а его химические исследования появились в издании «Экспериментальные исследования в химии и физике».
Этот великий ученый, бескорыстно отдавший свои изобретения человечеству и тем самым способствовавший развитию науки и техники, до конца жизни оставался скромным человеком.
Он отказался от возведения в дворянство, не привлекался предложениями выгодных должностей и даже не принял предложения стать президентом Королевского общества. Он сам заявил: «Меня зовут Майкл Фарадей, и только это имя всегда будет выгравировано на моем надгробии».
Открытия и изобретения Майкла Фарадея
В ходе своих экспериментов в 1821 году он обнаружил, что электрический ток, проходящий через проводник, может создавать магнитное поле.
Десять лет Фарадей пытался доказать, что действие магнита производит электрический ток. В 1831 году наконец пришел успех: Фарадей открыл электромагнитную индукцию и доказал, что электричество и магнетизм — всего лишь два разных проявления одного явления — электромагнетизма.
Путем экспериментов с катушками он обнаружил, что когда магнитное поле приближается к замкнутой электрической цепи (такой как катушка), в этой цепи создается электрическое поле, которое реагирует на изменения магнитное поля. Фактически, таким образом был создан первый электрический генератор.
До этого электрическая энергия производилась только химическим путем в батареях. Таким образом, Фарадей заложил теоретическую основу для всех электрических вращающихся машин. Это было ключевое открытие, которое вскоре имело далеко идущие последствия.
Ранний электродвигатель основанный на открытиях сделанных Майклом Фарадеем
В 1840-х годах он создал теорию электромагнитных полей, основанную на совершенно новом представлении о линиях электрического и магнитного поля. Он ввел новые понятия - электрические и магнитные силовые линии, электрическое и магнитное поле.
Двадцать лет спустя идея Фарадея была усовершенствована Джеймсом Клерком Максвеллом, который создал уравнения для описания электромагнитного поля.
В 1836 году он создал так называемую "клетку Фарадея" - конструкцию, в которой электрический заряд сосредоточен только на поверхности проводника, а не в его объеме. Он доказал, что, внутри полого трехмерного объекта, сделанного из (идеально) проводящего материала, отсутствует электрическое поле. В настоящее время клетки Фарадея используются в различных областях науки и техники для экранирования полей.
До времени Фарадея серии исследований магнетизма считалось бесспорным существование небольшой группы веществ, способных намагничиваться, таких как железо, сталь, висмут.
В связи с использованием их свойств на практике для производства постоянных магнитов интерес к магнетизму ограничивался в основном этими ферромагнитными материалами. Фарадей обнаружил, что все природные тела способны приобретать магнитные свойства, если их поместить рядом с сильным магнитом.
В 1845 году Фарадей обнаружил, что воздействие магнита на вещества бывает двух видов.
Когда он помещал экспериментальные стержни из определенных материалов между полюсами магнита, стержни втягивались в пространство и принимали положение в направлении силовых линий магнитного поля.
Аналогичные стержни из других веществ, наоборот, отталкивались от пространства между полюсами и занимали положение, перпендикулярное направлению силовых линий.
Вещества из первой группы Фарадей назвал парамагнетиками, вещества из второй группы — диамагнетиками.
Фарадей также доказал, что свет и магнетизм — два связанных физических явления. Он обнаружил, что плоскость линейно поляризованного света отклоняется под действием магнитного поля.
Этот эффект был назван явлением Фарадея (результаты этого эксперимента он опубликовал под названием «О намагничивании света и освещении силовых линий магнитного поля»).
Хотя Фарадей прежде всего связан с электричеством и магнетизмом, он также известен своими открытиями в области химии.
Помимо открытий различных химических соединений, он обнаружил, например, в 1820 г., что сжатый аммиак (NH3) в жидком состоянии, если его постепенно разряжать, может отбирать теплоту из окружающей среды, т. е. охлаждать окружающую среду. Поэтому Фарадей считается первооткрывателем принципа современного кондиционирования воздуха.
Объединив свои знания в области химии и электротехники, Фарадей на основе своих экспериментов и открытий сформулировал два закона электролиза.
Статуя Майкла Фарадея в Лондоне
Фарадей-ученый
Майкл Фарадей являются одним из величайших ученых мира всех времен. Он знал только простую арифметику и осознавал свое «несовершенное знание математики» считая это большой помехой.
Однако великая научная сила Фарадея заключалась в его экспериментаторском таланте и в почти непревзойденной интуиции, с которой он исследовал новые области физики. Принципиально он основывался на том, что мог наблюдать, поэтому интерпретировал явления феноменологически.
Помимо исследований электричества и магнетизма, он экспериментально занимался многими другими научными дисциплинами, в которых также сделал несколько важных открытий.
Однако Фарадей был не только ученым, но и прекрасным техником.
Здесь мы приведем лишь краткий перечень некоторых его занятий:
- В химии занимался сжижением газов, процессом горения, открыл соединения хлора и углерода, своими работами в технике пришел к открытию бензола. Его интересовал гетерогенный катализ;
- Для оптики он произвел новое стекло с высоким преломлением, он исследовал оптические стекла для линз телескопов;
- Он также работал научным консультантом в организации Trinity House и экспериментировал с электрическим освещением маяков;
- В металлургии он разработал материалы для хирургических и других инструментов, ему удалось получить многие сплавы. Британское Адмиралтейство часто обращалось к нему за консультациями и экспертизой.
- Как патриот, он был рад работать на государство, когда его об этом просили. Он любил посещать мануфактуры и фабрики.
22 сентября 2019 года в день рождения Майкла Фарадея, одного из величайших ученых 19 века Британская Королевская почта почтила его память выпуском почтовой марки в 22 пенса.
Фарадей называл себя философом. Ему не нравился появившийся в то время ярлык ученый и физик. То, что он рассматривал свои поиски фундаментальных законов природы и связей между природными силами как философию, полностью соответствовало традиционному пониманию философии в Англии.
Фарадей был прекрасным ученым-экспериментатором, но его теории и гипотезы часто казались туманными, потому что он был не очень хорошим стилистом. Тем не менее, он был прекрасным оратором и лектором.
Фарадей был полностью поглощен собственной экспериментальной исследовательской деятельностью.
Как он сам говорил: «У меня никогда не было ученика или ученика, который мог бы мне помочь, но я всегда готовил и производил опыты своими руками, работая и думая одновременно». Обо всех его идеях и результатах научный мир узнал из лекций, публикаций и переписки.
Всего за свою жизнь Фарадей провел около 30 000 экспериментов и опубликовал более 450 научных статей.
Майкл Фарадей в 1861 году
Личность Майкла Фарадея
Майкл Фарадей — один из величайших естествоиспытателей всех времен.
Фарадей был благородным и глубоко верующим человеком, хотя и не выставлял этого напоказ, а скорее скрывал этот факт. Всю свою жизнь он оставался верным небольшой, почти неизвестной религиозной секте сандеманцев, в общине которых он родился.
Сандеманцы были необычайно строгой сектой — когда Фарадей однажды не смог посетить обычные воскресные службы из-за того, что не смог отказаться принять приглашение на обед от королевы Виктории, его отлучили от секты. Однако он продолжал регулярно выполнять свои религиозные обязанности и позже был повторно принят.
У Фарадея величайшая гордость необычайно сочеталась с величайшей скромностью. Он гордился своими открытиями, но редко был равнодушен к славе, общественным почестям и деньгам. Тем не менее, иностранные монархи награждали его орденами, университеты присваивали ему завния, а ученые общества по всему миру вручали ему бесчисленные награды и медали.
Он отказался от рыцарского титула, потому что хотел «просто остаться Майклом Фарадеем».
С тридцатилетнего возраста, когда он женился, он прожил с женой 46 лет в довольстве и счастье в маленькой квартирке на чердаке Королевского института.
Их развлечения были очень простыми. Они играли в шашки, ходили в зоопарк, посещали кукольные представления и совершали короткие поездки в сельскую местность или в горы.
Сам он часто выезжал на берег моря и проводил здесь время в размышлениях и размышлениях. Он был хорошим путешественником и без проблем проходил по 30 километров в день.
В последние годы жизни силы Фарадея постепенно уменьшались и он очень мало работал. Фарадей принял предложение королевы Виктории и в 1858 году переехал в дом в парке королевского дворца Хэмптон-Корт, подаренный ему королевой.
После 1860 года у него начала подводить память, и он часто был совершенно сбит с толку. После этого года он не закончил ни одной работы.
Могила Майкла Фарадея
Майкл Фарадей мирно скончался в своем кресле 25 июня 1867 года в Хэмптон-Корте в возрасте 76 лет. Похоронен на кладбище Хай-Гейт в Лондоне. Простой памятник увековечивает место его последнего упокоения.
Специальное подводное кабелеукладочное судно, спроектированное Вернером Сименсом в 1874 году, получило название «Фарадей». 22 сентября 1881 года Международный конгресс в Париже решил назвать в его честь единицу электрической емкости - фарада.