Квинтэссенция. Книга первая - Ирина Львовна Радунская

Иначе ведет себя баллистический гальванометр. Короткий импульс электрического тока тоже воздействует на тяжелую рамку, как толчок. Но инерция рамки не дает ей набрать большую скорость. И она будет отклоняться, постепенно уменьшая скорость поворота. Уменьшая до тех пор, пока пружина гальванометра, удерживающая рамку, не воспримет всю энергию, полученную рамкой от электрического импульса. Таким образом баллистический гальванометр суммирует (точнее — интегрирует) работу, производимую при прохождении кратковременного тока. Конечно, не следует забывать, что электрический ток, проходящий по обмотке рамки, заставляет рамку поворачиваться не сам по себе, а в результате взаимодействия порождаемого им магнитного поля с полем магнита, входящего в этот гальванометр.

Фарадей объединил эту способность баллистического гальванометра с наблюдавшимся Вольта разложением растворенных солей при прохождении электрического тока.

Он, со свойственным ему искусством экспериментатора, добился того, что электрические токи, полученные от различных источников (лейденской банки, кратковременно включающегося Вольтова столба) или путем индукции, вызывали одинаковое смещение стрелки баллистического гальванометра. То есть совершали одинаковую работу, деформируя пружинку, прикрепленную к рамке гальванометра. При этом он пропускал ток, проходящий через гальванометр, также через банку с раствором соли. Вот его вывод:

«Химическая сила, подобно магнитной силе, прямо пропорциональна абсолютному количеству прошедшего электричества».

Проводя эти опыты, Фарадей попутно открыл, что электрический ток разлагает не только растворы солей в воде. Заметив, что лед не проводит электричества, а образовавшаяся из него вода является проводником, Фарадей сразу заключил, что это не может быть особым свойством льда и воды. Вероятно, решил он, так же ведут себя и другие легкоплавкие вещества. Проделав опыты с твердыми и расплавленными соединениями хлора с калием он убедился в том, что его гипотеза правильна.

Так Фарадей сделал свое второе великое открытие. Он не только доказал ясными опытами родство электрических, магнитных и химических сил. Попутно он установил, что ряд химических соединений, являющихся в твердом состоянии изоляторами, способен в жидком состоянии проводить электрический ток и что количество продуктов электрического разложения пропорционально количеству электричества, прошедшего через жидкость.

КЛЕТКА ФАРАДЕЯ

Фарадей не нашел объяснения своему открытию. Его объяснение казалось очень искусственным (и по существу ошибочным). Он считал слишком сложным предположение о том, что в жидком состоянии некоторые вещества самопроизвольно распадаются. Но опыт показал, что исследованные жидкости проводят и очень слабые токи. Поэтому нельзя предполагать, что способность проводить электричество создается источником тока.

Лишь в 1857 году немецкий физик-теоретик Р. Клаузиус, один из создателей кинетической теории газов и термодинамики, преодолел сомнения Фарадея и показал, что тепловые движения молекул жидкости могут и в отсутствие электрического тока привести к распаду молекул на ионы, существующие самостоятельно. Его теория была встречена с недоверием. Только через тридцать лет шведский ученый С. Аррениус подтвердил правоту Клаузиуса многочисленными опытами и разработал теорию, объясняющую как происходит в жидкостях распад молекул на ионы. Так была построена теория электролитической диссоциации, один из надежных мостов между физикой и химией.

В предыдущих абзацах встречается без пояснения ряд терминов. Занявшись исследованием химических действий электрического тока, Фарадей, как в свое время Ампер, почувствовал затруднения, связанные с отсутствием терминов, способных сократить многословные рассуждения. Посоветовавшись с историком У. Уэвеллом, Фарадей предложил отказаться в новой области от термина «полюс», ибо с этим термином уже прочно ассоциируется представление о притяжении и отталкивании. Он ввел новый термин «электрод», уточнив, что электрод, соединенный с положительным полюсом батареи, следует называть «анодом», а электрод, связанный с отрицательным полюсом, получил наименование «катод».

Далее, он назвал молекулы, движущиеся к аноду «анионами», а движущиеся к катоду «катионами», объединив их общим термином «ион». Напомним, что Фарадей не верил в то, что молекулы в растворе способны распадаться. Поэтому его термины, по существу, не совпадают с современными. Ведь мы теперь называем ионами, анионами и катионами не сами молекулы вещества, а их «осколки», получающиеся при электролитической диссоциации.

Фарадей ввел также термин «электролит», обозначая им вещество, подвергающееся электрохимическому разложению, и «электролиз» — для названия процесса такого разложения.

Фарадей при помощи тщательных опытов не только установил основной закон электролиза: количество выделившихся продуктов электролиза в точности пропорционально количеству прошедшего электричества, но и указал, что собирая и взвешивая продукты электрохимического разложения можно с большой точностью измерять количество прошедшего электричества.

Цикл опытов с электролитами привлек внимание Фарадея к старому вопросу: представляет ли электрический ток в проводниках одновременное движение двух различных электрических флюидов в противоположных направлениях или движение одного флюида в одном направлении?

Фарадей решил этот вопрос радикально, в свойственной ему четкой форме: электрический ток — вовсе не флюид, а «… ось сил, в которой силы, в точности равные по величине, направлены в противоположные стороны».

Мы, с высот современности, можем считать это определение ошибочным. Ведь мы знаем, что электрический ток есть движение электрических зарядов.

Но следует признать, что Фарадей этим определением полностью отвергает возможность представлять электрический ток посредством механической модели, течением некоего флюида. Фарадей, далекий от математики, определяет сущность электрического тока посредством математического понятия — ось равных и противоположных сил.

Фарадей ставит перед собой следующий вопрос, волновавший физиков и философов со времен Ньютона: как осуществляется взаимодействие двух тел — на расстоянии или при помощи среды? Ньютон не верил в возможность действия на расстоянии. Но он уклонился от ответа на поставленный им же вопрос. Ведь математическая формула закона тяготения не содержит времени. Как объяснить это, отрицая дальнодействие?

Исследования электрических и магнитных сил снова возродили старую проблему. Многие крупные ученые верили в дальнодействие электрических и магнитных сил.

Фарадей считал, что проблема может быть решена эксперимантально и приступил к ней в 1837 году. Он рассуждал так. Действие на расстоянии может проявляться только по прямой линии, соединяющей взаимодействующие тела. Если же в процессе участвует среда, расположенная между взаимодействующими телами, то взаимодействие может передаваться и по кривой. И далее, — если среда не участвует во взаимодействии, то природа промежуточного вещества не должна влиять на результат; если же среда играет роль в передаче взаимодействия, то ее природа должна проявляться при измерениях.

Для проведения этих опытов Фарадей построил деревянную кабину, обтянутую металлической сеткой. Мы называем ее клеткой Фарадея. При сколь угодно больших зарядах, они располагаются на внешних поверхностях сетки, а внутри нее нет зарядов, мешающих проведению экспериментов.

Затем Фарадей проводит опыты со сферическими конденсаторами одинакового размера, но с различными изолирующими прокладками. Оказывается, что величина заряда сильно зависит от свойств изолятора. Значит среда влияет на взаимодействие, значит, взаимодействие происходит при участии среды, но так может быть