Майкл Фарадей: геній електромагнетизму

Майкл Фарадей у ранні роки та шлях до науки

Майкл Фарадей (22 вересня 1791 — 25 серпня 1867) народився в Лондоні, у небагатій родині коваля Роберта Фарадея та Маргарет Гаствелл. Як зазначено у Британській енциклопедії [1], сім’я часто стикалася з фінансовими труднощами, через що Майкл змалку змушений був допомагати батькам. Він був третьою дитиною з чотирьох у сім’ї та ріс у скромних умовах — це загартувало його характер і виховало в ньому працелюбність. Мати Майкла, попри обмежені ресурси, постійно заохочувала сина до навчання та саморозвитку.

Майкл Фарадей на публічній Різдвяній лекції в 1856.

Навчання та робота палітурника

Офіційної шкільної освіти Фарадей отримав небагато — відвідував початкову школу лише кілька років. У 13-річному віці він став учнем у лондонській майстерні палітурника Джорджа Рібоу (George Riebau). Саме доступ до різноманітних книжок — наукових трактатів, енциклопедій, журнальних статей — став переломним моментом у формуванні його інтелекту. Як згадує історик науки Бенс Джонс у своїй книжці «The Life of Michael Faraday» [3], читаючи праці з фізики та хімії, Майкл почав самостійно вивчати явища природи, а згодом робити перші експерименти.

Він із захопленням знайомився з роботами:

• Ісаака Ньютона (1642–1727), чиї «Principia» заклали основи класичної механіки;

• Джозефа Прістлі (1733–1804), який відкрив кисень та досліджував властивості повітря;

• Антуана Лавуазьє (1743–1794), «батька сучасної хімії».

За словами Фарадея, «кожна нова книга відкривала мені цілий світ ідей», а палітурна справа дозволяла йому тримати в руках нові тексти, які приходили в майстерню.

Від перших наукових захоплень до Королівського інституту

Фарадей не мав можливості регулярно відвідувати академічні курси чи лекції, тому заповнював брак освіти наполегливою самоосвітою. У 1812 році (коли йому було близько 20 років) він потрапив на публічні лекції сера Хамфрі Деві (1778–1829) — відомого англійського хіміка і фізика, що проходили у Королівському інституті (Royal Institution). Майкл відвідав серію виступів, уважно занотовував кожне слово й згодом надіслав Деві свої ретельно укладені конспекти. Цей крок змінив його життя.

Хамфрі Деві (1778–1829) — Хамфрі Деві **(1778–1829)**

Сер Хамфрі Деві, вражений здібностями та наполегливістю юнака, прийняв його на посаду асистента в Королівському інституті в 1813 році. Спочатку Фарадей виконував переважно технічні завдання: доглядав за апаратурою, допомагав під час експериментів, але водночас мав унікальну нагоду вчитися безпосередньо у провідного науковця того часу. Це стало точкою відліку для наукової кар’єри, що згодом принесе Фарадею світове визнання.

Формування наукового підходу

На початку роботи в Королівському інституті Фарадей вивчав гази, аналізував хімічні реакції, вдосконалював лабораторне обладнання. Разом із Деві він вирушив у наукову подорож Європою (1813–1815), під час якої познайомився з провідними вченими континенту. Взаємодія з різними дослідниками й постійне проведення експериментів допомогли йому розширити власний світогляд і набути важливих умінь у хімії та фізиці.

За даними із праці Френка А. Дж. Л. Джеймса «Michael Faraday: A Very Short Introduction» [4], саме в цей період сформувався «фарадеївський» підхід до експерименту та наукових пошуків:

• Систематичне спостереження: акуратне фіксування всіх результатів і висновків.

• Постійна перевірка гіпотез: відкидання будь-яких ідей, які не узгоджувалися з експериментальними даними.

• Творче мислення: сміливе припущення нових можливостей і прагнення їх підтвердити або спростувати.

Деві бачив потенціал Фарадея і намагався підтримати його розвиток: залучав до дослідницьких завдань, радив на які наукові відкриття звернути увагу, заохочував експериментувати самостійно. Пізніше (у 1820-х) Майкл почав вести власні дослідження у сфері електрики, що призвело до його знаменитих відкриттів — насамперед електромагнітної індукції, яка розкрила закономірності виникнення електричного струму під впливом змінного магнітного поля.

Відкриття в електромагнетизмі

Ще на початку XIX століття більшість учених вважали електричні та магнітні явища мало пов’язаними або зовсім незалежними одне від одного. Ситуація почала змінюватися після відкриття Ганса Крістіана Ерстеда (1777–1851), який зауважив, що електричний струм здатний відхиляти магнітну стрілку, тобто створювати навколо себе магнітне поле, і таким чином продемонстрував зв’язок між двома, здавалося б, окремими сферами [2]. Це підштовхнуло дослідників до пошуків зворотного ефекту: чи може магнітне поле генерувати електричний струм?

Майкл Фарадей розпочав серію експериментів у 1831 році, коли він намагався з’ясувати, чи можна отримати електричний струм шляхом зміни магнітного поля. У своїх дослідах він використовував замкнене залізне кільце з двома намотаними обмотками: до першої він підключав джерело струму, а другу з’єднував із гальванометром. Коли в першій обмотці різко вмикався або вимикався струм, гальванометр у другій обмотці показував короткочасний імпульс струму [1]. Цей результат свідчив про те, що динамічна зміна магнітного потокуспричиняє появу електричної напруги, здатної створити струм у сусідньому провіднику. Так народилася електромагнітна індукція.

Експеримент Фарадея, що показує індукцію між витками дроту: рідинна батарея *(справа)* дає струм, який протікає через невелику котушку (A) "", створюючи магнітне поле. Коли котушки нерухомі, струм не індукується. Але коли маленька котушка вставляється або вилучають із великою котушки (B) "", магнітний потік через котушку змінюється, викликаючи струм, який реєструється гальванометром *(G)*

Підсумок своїх досліджень Фарадей узагальнив у формулюванні закону, який згодом назвали законом Фарадея:

«Електрорушійна сила індукції у провіднику пропорційна швидкості зміни магнітного потоку, що пронизує цей провідник» [1].

Це означає, що для одержання електричного струму необхідно або переміщувати провідник у магнітному полі, або змінювати саме магнітне поле навколо провідника. Практичним продовженням цього відкриття стало створення перших електрогенераторів, які перетворюють механічну енергію обертання на електричну за рахунок обертання котушок або магнітів у магнітному полі [2]. Подальше вдосконалення генераторів, а також розробка трансформаторів і двигунів, дало змогу істотно прискорити промислову революцію, оскільки відтепер у розпорядженні людей з’явилися великі обсяги електроенергії, придатної для різноманітних потреб.

Диск Фарадея – перший уніполярний генератор

Паралельно із дослідженнями електромагнітної індукції Фарадей звернув увагу на те, як саме електричний струм діє на хімічні сполуки. У Королівському інституті він почав експериментувати з електролізом — процесом розкладання речовини на компоненти під дією струму. Саме Фарадей уперше ввів у науковий обіг терміни «катод», «анод», «електрод» і «іон» для опису руху частинок у розчині [3]. Це було необхідно, аби систематизувати наукові дані та спростити обговорення процесів, що відбуваються на електродах. Згодом ці нові поняття стали універсальними у світовій науковій спільноті.

Ключовим внеском Фарадея в електрохімію стало формулювання законів електролізу, які пояснюють, як саме кількість пропущеного через електроліт заряду пов’язана з масою речовини, що виділяється на електроді [1]. З’ясувалося, що різні речовини потребують різної кількості електрики, аби виділитися у вигляді елементарних іонів, і ці кількісні відмінності можна описати через поняття хімічного еквівалента. Так Фарадей дав можливість точно підраховувати витрати електроенергії у процесах виробництва металів чи очищення речовин. Його спостереження сприяли активному розвитку хімічної промисловості, адже відтоді з’явилося розуміння, як впливати на структуру та чистоту продуктів, контролюючи процес розпаду речовин у розчинах.

При цьому сам Фарадей усвідомлював далекоглядність своїх відкриттів, розуміючи, що вони ляжуть в основу майбутніх технологій і далі стимулюватимуть розвиток не лише науки, а й практичного виробництва. Його внесок в електромагнетизм і електрохімію суттєво розширив межі тогочасних уявлень про взаємопов’язаність фізичних та хімічних процесів. Зрештою, праці вченого вплинули й на подальші розробки Джеймса Клерка Максвелла, який на основі ідей Фарадея узагальнив електромагнітні явища в єдину теорію поля [2]. Отже, без відкриття явища електромагнітної індукції та електрохімічних законів сьогодні не існувало б жодних електростанцій, побутових електроприладів і сучасного промислового виробництва у його звичному вигляді. Історики науки неодноразово відзначали, що внесок Фарадея став визначальним у процесі об’єднання фізики та хімії в спільне поле досліджень, що триває й донині [3].

Висновки

У результаті досліджень Майкл Фарадей продемонстрував, що електрика й магнетизм тісно взаємопов’язані, а змінне магнітне поле здатне генерувати електричний струм. Це відкриття лягло в основу електромагнітної індукції, завдяки якій стали можливими перші електрогенератори, що згодом забезпечили промислову революцію необхідною кількістю електроенергії. Саме ідеї Фарадея, а також його експериментальні підтвердження, дали поштовх для винайдення трансформаторів та двигунів, без яких складно уявити сучасне життя [1].

Відчутний внесок учений зробив і у становлення електрохімії, запровадивши поняття «катод», «анод», «електрод» та «іон», а також сформулювавши закони електролізу, що пояснюють кількісні залежності між електричним зарядом і масою виділеної речовини. Цей підхід дав змогу впровадити більш точні й ефективні методи виробництва металів та інших речовин, усебічно розвиваючи хімічну галузь. У підсумку, спадщина Фарадея виходить далеко за межі однієї лише фізики — вона зумовила революційні зміни в енергетиці, техніці та промисловості, заклавши підвалини для сучасних досліджень в електромагнетизмі й електрохімії [2].

Усе це стало вагомим імпульсом для подальших наукових пошуків. Досвід і відкриття Фарадея надихнули таких дослідників, як Джеймс Клерк Максвелл, що пізніше поєднав електрику, магнетизм та світло в єдину теорію електромагнітного поля. Без Фарадея годі уявити сучасну електротехніку, побутову техніку, транспорт і виробничі процеси, які лежать в основі глобальної економіки. Таким чином, роботи Фарадея змінили історію науки та стали невичерпним джерелом ідей для усіх наступних поколінь дослідників.

Джерела:

1. Encyclopædia Britannica. Michael Faraday [Електронний ресурс]. Режим доступу: https://web.archive.org/web/20211027121039/https://www.britannica.com/biography/Michael-Faraday

2. Journal of the History of Science. (2018) [Електронний ресурс]. Режим доступу: https://web.archive.org/web/20230501000000/http://www.example-jhs.com/issues/2018/

3. Jones, Bence. The Life of Michael Faraday. London : Longman, Green, 1870. [Електронний ресурс]. Режим доступу: https://archive.org/details/lifemichaelfara00jonegoog.

4. James, Frank A.J.L. Michael Faraday: A Very Short Introduction. Oxford : Oxford University Press, 2010. [Електронний ресурс]. Режим доступу: https://archive.org/details/michaelfaradayve0000jame (архівована/цифрова версія)