Майкл Фарадей (1791-1867) — выдающийся английский естествоиспытатель, внесший огромный вклад в изучение электромагнетизма.
Один из величайших физиков XIX века, Фарадей начинал свою карьеру как химик, автор знаменитого руководства по практической химии, где подробно описывается, как следует работать с химическими веществами и проводить эксперименты. Однако его главные научные заслуги связаны с исследованиями в области электричества и магнетизма.
Биография, открытия, влияние на науку
Ранние годы
Майкл Фарадей родился в простой рабочей семье 22 сентября 1791 года в местечке Ньюингтон-Баттс в южных окрестностях Лондона. Его отец, Джеймс Фарадей, был кузнецом, а мать, Маргарет Фарадей, урожденная Хаствелл, происходила из крестьянской среды. Незадолго до рождения третьего сына, Майкла, Фарадеи переехали с севера Англии в Ньюингтон в поисках работы.
Семья жила очень бедно из-за общего кризиса в экономике, охватившего Англию в те годы, кроме того, развившаяся болезнь не позволяла Джеймсу Фарадею работать регулярно. Детям нередко приходилось голодать, растягивая одну буханку хлеба на целую неделю. Тринадцатилетним мальчиком Майкл Фарадей начал зарабатывать себе на жизнь, разнося утренние газеты. На тот момент он получил лишь базовое школьное образование, которое, по его словам, состояло «чуть более чем из рудиментарных навыков чтения, письма и счета, полученных в обычной дневной школе».
Путь в науку
Интерес к науке Фарадей открыл в себе по счастливой случайности, а более глубокие знания приобрел благодаря собственной любознательности и удачно сложившимся обстоятельствам. Проработав год у книготорговца и переплетчика Джорджа Райбо разносчиком газет, мальчик получил «повышение» до подмастерья и ему разрешили читать книги, которые приносили для переплета. Среди этих книг были «Беседы о химии» Джейн Марсет и многочисленные тома энциклопедии Britannica.
Особенно подростка увлекали работы, посвященные электричеству. Вдохновленный ими, юный Фарадей пробовал проводить свои первые опыты при помощи подручных средств. Используя старые бутылки и древесину, он создал простейший электростатический генератор и провел первые эксперименты. Также он изготовил вольтов столб — прибор для получения электричества — с помощью которого начал проводить эксперименты в области электрохимии.
Лавку и дом г-на Райбо посещали люди из академической и культурной среды, и юному Фарадею посчастливилось завести среди них немало знакомых. С некоторыми из них он будет поддерживать дружеские отношения на протяжении всей жизни. В 1809 году, на четвертом году службы и обучения в книжной лавке, любознательному юноше посчастливилось прослушать первый естественно-научный курс: публичные лекции о натурфилософии некоего г-на Тэйтума, знакомого г-на Райбо.
Фарадей — лаборант Королевского института
Позже Фарадей смог примкнуть к обществу молодых людей, регулярно организующих встречи, где обсуждались передовые естественно-научные проблемы. Жизнь Фарадея перевернулась, когда ему выпал шанс посещать лекции по химии, которые читал в Британском Королевском институте в Лондоне прославленный химик Гемфри Дэви. Спустя много лет в своем рассказе биографу г-на Дэви Фарадей вспоминает об этом событии: «Мне повезло, благодаря доброте г-на Дэнса, одного из посетителей лавки моего хозяина, который также был членом Королевского института, прослушать четыре последние лекции сэра Г. Дэви […] 29 февраля, 14 марта, 8 и 10 апреля 1812 года».
Фарадей не только с увлечением слушал лекции, но и составил их подробнейший конспект, дополненный собственными заметками и иллюстрациями. «Желание быть связанным с научной деятельностью, пусть и самого низкого ранга, подтолкнуло меня, скромного подмастерья, в своей неопытности и простоте ума, написать письмо самому сэру Джозефу Бэнксу — тогдашнему Президенту Лондонского королевского общества», — вспоминал впоследствии Фарадей.
Осенью 1812 года, завершив свое обучение у г-на Райбо и будучи уже профессиональным переплетчиком, он сшил книгу из своих конспектов и отправил ее самому Гемфри Дэви вместе с письмом, в котором умолял принять его в качестве ученика и помощника. И получил ответ!
Первая встреча с Дэви произошла в феврале 1813 года. И хотя Майкл произвел неизгладимое впечатление на знаменитого химика, на тот момент в Королевском институте не было свободных позиций, и Дэви посоветовал юноше продолжать заниматься переплетным ремеслом.
По стечению обстоятельств спустя короткое время одного из лаборантов уволили за драку, и Гемфри Дэви тут же предложил освободившееся место Фарадею. Так тот начал работать ассистентом Гемфри Дэви, получив вместе с тем возможность обучаться у одного из крупнейших естествоиспытателей своего времени.
Согласно некоторым свидетельствам, много лет спустя, когда Гемфри Дэви спросили, какие из своих научных достижений он считает наиболее значимыми, он назвал рудничную лампу, некоторые открытия в электродинамике и прибавил: «Но величайшим из всех моих открытий был Майкл Фарадей».
Создание электродвигателя
Майкл Фарадей создал первый в мире электродвигатель в 1821 году — всего через год после открытия датчанином Хансом Кристианом Эрстедом взаимосвязи между электричеством и магнетизмом. Фарадей разработал простой эксперимент, позволяющий продемонстрировать преобразование электрической энергии в механическое движение.
Погрузив провод и магнит в сосуд с ртутью, использовавшейся как токопроводящая жидкость, он пропустил электрический ток через провод, так что он начинал вращаться вокруг магнита, демонстрируя принцип электромагнитного вращения.
Воодушевленный своим открытием, Фарадей поспешил опубликовать результаты опытов, забыв упомянуть своего ментора Гемфри Дэви. Этот инцидент испортил отношения между ними, что, по-видимому, стало причиной временного «отступления» Фарадея от исследований в области электромагнетизма и обращения его к другим отраслям науки.
Исследования Фарадея в области химии
Начав карьеру химика в качестве ассистента Гемфри Дэви, Фарадей помогал своему наставнику в изучении свойств хлора и открыл два новых соединения хлора и углерода: гексахлорэтан (C2Cl6) и тетрахлорметан (CCl4), успешно проведя опыты по синтезированию этих веществ, а также определил состав гидрата хлора, обнаруженного Дэви. Также Фарадею принадлежит заслуга открытия бензола (C6H6).
Опираясь на идеи предшественников, Фарадей провел первые эксперименты с диффузией газов, физическое значение которых позднее объяснили другие ученые. Кроме того, ему удалось получить жидкий аммиак и некоторые другие сжиженные газы, тем самым доказав, что газы — это пары жидкостей с низкой температурой кипения. Он также изобрел раннюю версию газовой горелки, позже получившей название «горелка Бунзена».
Исследования Фарадея в области электромагнетизма
Изучая свойства магнитного поля, Фарадей первым научился извлекать из него электрический ток. Он также изобрел первый электрический двигатель и генератор постоянного тока, описал электрическую природу химических связей, открыл влияние магнетизма на свет, а также обнаружил явление диамагнетизма — свойства, возникающего у некоторых веществ в сильных магнитных полях. Эксперименты и теоретические наработки Фарадея стали фундаментом, на котором его младший современник, Джеймс Клерк Максвелл, построил классическую теорию электромагнитного поля.
Диамагнетизм Фарадея
В 1845 году Фарадей сосредоточился на изучении реакции различных материалов на воздействие магнитного поля. Для этого он использовал мощные электромагниты и создавал сильные магнитные поля между их полюсами.
В одном из опытов Фарадей подвешивал маленькие кусочки различных материалов — стекла, висмута, древесины, меди и др. — вблизи магнитных полюсов. Он обнаружил, что некоторые из них не притягивались к магниту, как железо или сталь, а наоборот, слегка отталкивались, выстраиваясь не вдоль линий магнитного поля, соединяющих полюса, а поперек. Это необычное явление он назвал диамагнетизмом.
Неожиданный эффект, производимый магнитами на некоторые материалы, объясняется тем, что когда они оказываются в магнитном поле, электроны в атомах, из которых состоят эти материалы, изменяют направление своего движения, так что благодаря этому новому движению возникает еще одно магнитное поле, противостоящее первому. Хотя оно довольно слабое, его силы достаточно для того, чтобы можно было заметить, как предмет отталкивается от внешнего магнита.
Благодаря этим исследованиям было доказано, что магнитные свойства — универсальное явление, присущее всем веществам, хотя и проявляется с разной силой. Это открытие заложило основу для дальнейшего изучения квантовой природы вещества и его взаимодействия с полями.
Фарадеевская клетка
В своих исследованиях статического электричества Майкл Фарадей провел знаменитый опыт с «ледяным ведром», который получил свое название благодаря форме металлического сосуда, напоминавшего ведро для льда. Фарадей подвесил заряженный металлический шар внутри этого сосуда, сделанного из проводящего материала. Когда шар касался внутренней стенки «ведра», его заряд полностью передавался на поверхность «ведра», но поле внутри самого сосуда исчезало.
Эксперимент показал, что электрический заряд находится исключительно на внешней поверхности заряженного проводника, и воздействие внешнего заряда не распространяется на внутренние объекты в проводнике, поскольку внешние заряды перераспределяются таким образом, что их внутренние электрические поля взаимно компенсируются.
Этот эффект лег в основу создания так называемой «клетки Фарадея». В январе 1836 года Фарадей построил массивную деревянную конструкцию, установленную на четырех стеклянных опорах. Стены клетки он обтянул бумагой и металлической сеткой. Затем, находясь внутри клетки, пустил заряд по металлической сетке. Выйдя из клетки невредимым, он понял, что электричество представляет собой физическую силу, а не некую «неуловимую жидкостью», как считалось ранее.
Королевский институт и общественная служба
Первые десятилетия научной карьеры Фарадея были тесно связаны с Королевским институтом Великобритании. Помимо своих научных исследований в области химии, электричества и магнетизма в Королевском институте, Фарадей работал над множеством трудоемких общественных и частных проектов.
В 1846 году Фарадей совместно с геологом Чарльзом Лайелем подготовил подробный отчет о серьезном взрыве на угольной шахте в Хасвеле, где погибла почти сотня шахтеров. Расследование Фарадея и его коллеги выявило, что столь разрушительную силу взрыву в значительной мере придала угольная пыль. На одной из своих лекций Фарадей показал, как подобные катастрофы можно предотвратить с помощью правильной вентиляции.
Интересовался Фарадей и проблемами загрязнения окружающей среды. В частности, он исследовал промышленное загрязнение в Суонси и выступал советником Королевского монетного двора по вопросам загрязнения воздуха. Широкую известность получило письмо, отправленное Фарадеем в газету «The Times» в июле 1855 года, в котором автор выразил беспокойство по поводу ужасного состояния Темзы.
Личная жизнь Фарадея
12 июня 1821 года Майкл Фарадей женился на девушке по имени Сара Барнард. Они познакомились в приходе Сандеманской церкви в центре Лондона, которую посещали их семьи. Вскоре после свадьбы Фарадей начал службу дьяконом в этой церкви. Фарадей и Сара прожили в браке вплоть до его смерти в 1867 году, детей у них не было.
Увековечение памяти Майкла Фарадея
В память о великом естествоиспытателе возведено несколько памятников. Статуя ученого в полный рост возвышается на Савойской площади в Лондоне. В Ньюингтон-Баттс — месте, где родился Майкл Фарадей —возведен мемориал, названный его именем. Также в его честь названы образовательные учреждения, здания и парк в Лондоне; в городах Великобритании и некоторых других стран — во Франции, Германии, Канаде, США, Австралии и Новой Зеландии — есть улицы, носящие имя Фарадея.
Имя Фарадея также носят некоторые научные термины:
- единица измерения электрической емкости – фарад;
- физическая константа, характеризующая количество электрического заряда, необходимое для переноса одного моля элементарных зарядов (например, ионов) в процессе электролиза – число Фарадея;
- термин, используемый в электрохимии для описания определенного типа электрического тока – Фарадеев ток;
- явление, наблюдаемое при прохождении света через вещество в магнитном поле (поляризация света будет изменять свое направление) – Фарадеева ротация и эффект Фарадея.
Здание книжного магазина г-на Рибо в Лондоне, где работал юный Фарадей, сохранилось до наших дней. Вместо висевшей там некогда вывески теперь можно увидеть табличку с надписью: «Майкл Фарадей, человек науки, был здесь подмастерьем».
Награды, названные в честь Фарадея
В память о выдающихся достижениях Майкла Фарадея ряд научных институтов учредил награды и премии, названные его именем:
- Медаль Фарадея от Института инженерии и технологий;
- Премия Майкла Фарадея от Лондонского Королевского общества;
- Медаль и премия Майкла Фарадея от Института физики;
- Премия имени Фарадея от Королевского химического общества.
Интересные факты о Фарадее
Майкл Фарадей, будучи верным традиции семьи Фарадеев, был последователем Сандеманской ветви Гласайтской христианской церкви. На протяжении всей жизни Фарадей оставался ревностным верующим и даже некоторое время занимал должность дьякона и старейшины.
Добившись широкой известности и признания мирового научного сообщества, Фарадей продолжал быть скромным, высоконравственным и лишенным эгоистичных амбиций человеком. Так, он дважды отказался от должности главы Лондонского королевского общества и от рыцарского титула.
Фарадей не пожелал публиковать свои лекции, поскольку был убежден, что их польза было бы сомнительна без подкрепления живыми экспериментами. В своем письме к издателю вместе с отказом Фарадей прибавил: «Я всегда любил науку больше, чем деньги и, поскольку мое занятие практически полностью удовлетворяет мой частный интерес, я не могу позволить себе разбогатеть».
Открытия и научные достижения Майкла Фарадея
Помимо тех научных достижений, о которых мы уже говорили, Фарадей совершил несколько важных открытий в химии и физике. Он впервые сообщил о металлических наночастицах, исследовав коллоидное золото, оптические свойства которого отличались от свойств массивного металла. Это открытие впоследствии послужило развитию нанонауки.
Фарадей известен своими исследованиями в области пересечения химии с физикой: он изучал взаимосвязь электричества и химических связей, и итоги его работы привели к открытию принципов электролиза, сформулированных в виде так называемых законов Фарадея. Благодаря Фарадею в научном обиходе утвердились термины анод, катод, электрод и ион.
Майкл Фарадей в фильмах и книгах
Писатель Олдос Хаксли упомянул Фарадея в своем эссе «Ночь в Пьетрамале», говоря о нем следующие слова: «Он всегда был натуралистом-философом. Его единственная цель и интерес — открытие истины... Даже если бы я мог быть Шекспиром, я думаю, я все равно выбрал бы быть Фарадеем».
Создатели американского научного документального сериала 2014 года «Космос: Пространство и время» посвятили один из эпизодов («Электрический мальчик») жизни и научной деятельности Майкла Фарадея. Также создатели нескольких фильмов об ученых наделили своих героев его фамилией. Среди подобных персонажей — ученый-химик Нэд Фарадей из фильма «Белокурая Венера» (1932), получивший облучение в результате научных экспериментов, и главный герой фильма «Дорога на Арлингтон» (1999) — профессор истории, вступивший в неравную борьбу с террористами.
***
Майкл Фарадей был не только великим экспериментатором, но и популяризатором науки. Его наследие продолжает формировать современные технологии и физические теории. А история его жизни напоминает нам о том, что стремление к знаниям может преодолеть любые преграды.
Наира Кочинян
Изображение на обложке: AI-generated by A.Romantsova
