Квинтэссенция. Книга первая - Ирина Львовна Радунская

к полюсам магнита, то есть к концам ряда опилок. Этим путем опилки, вместо того, чтобы образовать на бумаге спутанную систему точек, располагаются рядами — зернышко к зернышку, пока не составятся из них длинные волокна, показывающие расположение силовых линий в каждой части поля».

Максвелл подчеркивает, что силовые линии Фарадея не следует рассматривать по отдельности — они представляют целостную систему. Число линий, проходящих через определенную площадку, определяет силу, действующую на эту площадку.

Руководствуясь такими соображениями Фарадей построил теорию, не содержащую математических формул, но обладающую всеми преимуществами, свойственными математическим теориям. Силовые линии Фарадея не являются простыми геометрическими линиями. При работе электрических и магнитных сил силовые линии укорачиваются и раздвигаются в стороны.

Для иллюстрации Максвелл прибегает к аналогии: когда наши мускулы совершают работу — они укорачиваются и становятся толще. Опираясь на эту аналогию, он уточняет модель: силовой линии Фарадея соответствует трубка переменного сечения, заполненная несжимаемой жидкостью.

Максвелл многократно возвращался к объяснению соотношений между его уравнениями и физическим содержанием идей Фарадея.

Мы можем описать это двумя фразами:

— Фарадей создал физическую модель электромагнитного поля, используя для этого наглядную картину электрических и магнитных силовых линий.

— Максвелл считал своей задачей преобразовать физическую модель Фарадея в то, что мы теперь называем математической моделью электромагнитных процессов, являющихся одним из проявлений окружающей нас физической реальности. В общем случае математическая модель это уравнение, связывающее между собой величины, описывающие исследуемый процесс.

Через шестнадцать лет Максвелл в предисловии к «Трактату об электричестве и магнетизме» выразил свою цель такими словами:

«Приступив к изучению труда Фарадея, я установил, что его метод понимания явлений был математическим, хотя и не представленным в форме обычных математических символом. Я также нашел, что этот метод можно выразить в обычной математической форме и, таким образом, сравнить с методами профессиональных математиков. Так, например, Фарадей видел силовые линии, пронизывающие пространство там, где математики видели центры сил, притягивающих на расстоянии; Фарадей видел среду там, где они не видели ничего, кроме расстояния; Фарадей видел источник и причину явления в реальных действиях, протекающих в среде, они же были удовлетворены тем, что нашли их в силе действия на расстоянии, приписанной электрическим флюидам».

Здесь Максвелл ничего не говорил о свойствах среды, которая осуществляет передачу действия. Но из его записей видно, что он, как и Фарадей, считал ее материальной средой, а не геометрическим пространством.

Далее Максвелл писал:

«Когда я переводил то, что считал идеями Фарадея, в математическую форму, я нашел, что в большинстве случаев результаты обоих методов совпадали. Ими объяснялись одни и те же явления и выводились одни и те же законы действия. И я нашел, что методы Фарадея походили на те, при которых мы начинаем с целого и приходим к частному путем анализа, в то время как обычные математические методы основаны на принципе движения от частностей к построению целого путем синтеза».

ОРИГИНАЛ И ПЕРЕВОД

Максвелл оценил свою роль в создании электродинамики предельно скромно: «Я только облек идеи Фарадея в математическую форму».

Но это далеко не так. Прежде всего он был, вероятно, единственным человеком, правильно воспринявшим глубокое содержание трудов Фарадея. Один из крупнейших физиков-теоретиков того времени — Гельмгольц откровенно признавал, что он, изучая работы Фарадея, «… часами просиживал, застрявши на описании силовых линий, их числа и натяжений…»

Максвелл увидел в качественных рассуждениях Фарадея «способ понимания явлений», который является по существу математическим. Он писал: «Я убедился, что его идеи могут быть выражены в виде обычных математических формул…»

Максвелл начал с явления электромагнитной индукции, открытого Фарадеем.

Вспомним опыт Фарадея: на общем сердечнике намотаны две катушки изолированного провода. К первой катушке может быть присоединен источник электрического тока. Вторая катушка подключена к гальванометру — прибору, измеряющему электрический ток.

Фарадей начинает опыт присоединяя к первой катушке гальваническую батарею. В этот момент гальванометр фиксирует, что во второй катушке возник и вновь исчез импульс тока. Исчез, несмотря на то, что ток в первой катушке продолжает течь.

Ток в первой катушке проявляется в момент включения батареи. Он быстро увеличивается до определенной величины, зависящей от напряжения батареи и сопротивления провода, образующего катушку. Величина этого тока подчиняется закону Ома.

Затем Фарадей отключает батарею от первой катушки. В этот момент гальванометр фиксирует, что во второй катушке вновь возник и исчез импульс тока. Такой же по величине, но противоположного направления.

Объяснение Фарадея: в момент включения батареи в первой катушке возник электрический ток. Он начался с нуля и, достигнув определенной величины, сохраняется в течение всего времени действия батареи. Этот ток породил вокруг себя магнитное поле. Его можно обнаружить при помощи магнитной стрелки. До включения батареи оно было равно нулю. Оно возникает при включении батареи. Затем увеличивается до значения, определяемого силой тока, вызываемого батареей. И зависит, конечно, от количества витков в первой катушке. (Это было известно до Фарадея.)

Почему же гальванометр, присоединенный ко второй катушке, фиксирует появление и исчезновение в ней электрического тока?

Объяснение Фарадея: увеличение силы тока в первой катушке порождает силовые линии магнитного поля, их количество постепенно возрастает и они перемещаются в пространстве. Пересекая витки второй катушки эти магнитные силовые линии возбуждают в них электрическое напряжение, а оно, в свою очередь, порождает электрический ток, текущий через катушку и гальванометр.

Когда электрический ток в первой катушке достиг своего постоянного значения, порожденные им магнитные силовые линии перестали двигаться. Не двигаясь, они не возбуждают во второй катушке электрического напряжения, а поэтому электрический ток через нее и через гальванометр прекращается.

Попробуйте, следуя Фарадею, описать совокупность явлений, происходящих при выключении батареи.

Фарадей излагал это так: при выключении батареи процесс развивается в противоположном направлении. Не поддерживаемый батареей, ток в первой катушке падает до нуля. Порожденные им до этого магнитные силовые линии стягиваются к первой катушке и исчезают. Стягиваясь, они пересекают вторую катушку в направлении, противоположном первоначальному. Это вызывает в ней электрическое напряжение и ток, направление которых тоже противоположны первоначальному. Гальванометр фиксирует появление и исчезновение этого тока.

Вывод Фарадея: изменение магнитного поля, выраженное изменением количества или положения магнитных силовых линий, порождает в окружающем пространстве электрическое поле. Если в этом поле находятся замкнутые проводники электрического тока, то в них возникает электрический ток.

Максвелл начинает описание опыта Фарадея с процесса, приводящего к появлению электрического тока во второй катушке. Именно здесь проявляется великое открытие Фарадея. Открытие электромагнитной индукции: изменяющееся магнитное поле приводит к появлению электромагнитного поля.

Фарадей излагает это словами, описывающими изменения количества магнитных силовых линий.

Максвелл описывает