Теория Фарадея встречает возражения

 

Известие об открытии электромагнитной индукции облетело все академии мира. Ученые на равные лады и каждый по‑своему повторяли опыты Фарадея. Некоторые замечали новые особенности этого явления, ставившие их в тупик. Возражения против выводов Фарадея сыпались, как желуди с дуба в ветреный день. У индуктивного тока обнаруживали какие‑то особые свойства, отличающие его будто бы от тока, поставляемого обычной гальванической батареей. Было объявлено о существовании нового, «индуктивного» электричества.

Нашлись также «ученые», которые стали доказывать, что электромагнитная индукция позволяет осуществить вечное движение, и в подтверждение ссылались на опыты Фарадея с катушкой и магнитом, когда движение магнита внутри катушки вызывало в проволочной обмотке индуктированный ток.

Фарадей объяснял смысл своего опыта так: силовые линии магнитного поля, окружающего железный стержень, пересекают витки проволочной катушки и тем самым вызывают в ней ток.

Такое объяснение правильно, но оно не исчерпывает сути явления. Превратно толкуя результаты опыта, некоторые физики вообразили, что ток в данном случае рождается магнитом. А так как магнит, сколько его ни двигай взад и вперед, не портится, не ослабевает, и его «сила» никак не расходуется, то, очевидно, катушка с магнитом внутри является настоящим вечным двигателем, способным рождать электрическую энергию из ничего.

Основной и всеобщий ломоносовский закон: «из ничего не может возникнуть что‑то» был чужд и непонятен большинству ученых того времени. Даже позже, в 1851 году, немецкого ученого Юлия Майера, который собрал неопровержимые доказательства в пользу закона сохранения энергии, попросту объявили умалишенным и поместили в сумасшедший дом.

Фарадей не довел до конца объяснение открытого им явления. Этим‑то и воспользовались невежды, пытавшиеся воскресить порочную идею вечного двигателя.

 

Решительное слово Ленца

 

В 1833 году исследованиями электромагнитной индукции занялся молодой русский ученый Э. X. Ленц. Он весьма глубоко разобрал все возражения, выдвинутые против Фарадея, и методично, многочисленными опытами, показал, что все эти возражения и опровержения основаны на ошибках тех людей, которые повторяли опыты Фарадея. Они либо не умели правильно поставить эти опыты, либо совершенно произвольно их истолковывали.

Особо тщательно Ленц изучал взаимодействие между магнитом и проволочной катушкой. Он установил, что приближение намагниченного стержня к замкнутой[2] катушке вызывает в ней индуктивные токи такого направления, что их магнитное поле противодействует, сопротивляется движению стержня. Магнитное поле катушки выталкивает назад магнитный стержень, и для того, чтобы вдвинуть его в катушку, необходимо преодолеть это сопротивление, то есть совершить определенную работу против сил магнитного поля индуктивного тока.

Индуктивный ток, возникая в катушке, не рождается из ничего. Для его образования приходится затрачивать энергию, то есть работать. Значит, энергия не рождается, а лишь преобразуется: механическая энергия превращается в электрическую.

Если к проволочной катушке поднести железный стержень, а затем пропустить по катушке достаточно сильный ток, то катушка втянет в себя стержень, то есть электрическая энергия перейдет в механическую – в движение стержня.

Ленц нашел также закон преобразования электрической энергии в тепловую (рис. 29).

Рис. 29. Изображен опыт Ленца: ток, проходя по спирали, которая погружена в воду, нагревает ее, а приборы измеряют затраченную электроэнергию, термометр показывает выделение тепла.

 

Он ясно показал, что и для электрических явлений закон сохранения энергии остается незыблемым. И впервые мир услыхал от Ленца новое слово – электрическая энергия.

Энергия, затрачиваемая током на преодоление сопротивления проводника, превращается в тепловую энергию. Мы пользуемся ею для нагревания воды в электрическом чайнике, для накаливания нитей осветительных лампочек. В электромоторах электрическая энергия превращается в механическую работу и т. д.

Безграничны области применения этого вида энергии, впервые подробно изученной Ленцем.

 

Появляются новые термины

 

Закончив опыты с электромагнитной индукцией, свою следующую работу Фарадей посвятил исследованию химического действия тока. Ученый стал пропускать электрический ток через различные растворы, наблюдая, как под действием тока разлагаются химические соединения.

Во время опытов Фарадей убедился, что ему трудно составлять описание их, у него для этой цели не хватает терминов. Чтобы описать какую‑ нибудь пустяковую проволочку, опущенную в воду, приходится сочинять длинную запутанную фразу. Фарадей решил придумать новые простые и короткие названия, составив их из древнегреческих слов.

Разложение растворенного вещества с помощью электрического тока получило название: электролиз – электрическое разложение. Жидкость, которую наливают в батарею или в сосуд для разложения ее на составные части, Фарадей назвал электролит.

Проволочки, пластинки, стержни, по которым ток проникает в прибор или выходит из него, стали называться электродами.

Тот электрод, через который ток «входит» в какой‑либо прибор, Фарадей назвал анод – что значит восход (ано – вверх, одос – путь; анодос – путь вверх). Электрод, через который ток уходит из прибора, – катод («иду вниз» – заход). Фарадей, следуя установившейся традиции, тоже считал, что ток идет от плюса к минусу.

Частицы вещества в электролите, которые переносят электрические заряды, Фарадей назвал ионами, что значит – странствующие. Ионы, двигающиеся при электролизе к аноду, получили название анионов; ионы, движущиеся к катоду, – катионов (рис. 31).

Рис. 31. Движение заряженных частичек – ионов – в электролите.

 

Все эти термины сохранились в науке до настоящего времени.

 

Химическое действие тока

 

Фарадей начал исследовать электролиз, повторяя опыты своих предшественников. Он разлагал электрическим током слегка подкисленную воду. Частицы воды при этом распадались на водород и кислород. Кислород собирался на аноде, водород – на катоде.

Чтобы эти газы во время опыта не улетучились, ученый надел на катод и на анод опрокинутые пробирки, заполненные водой. Пузырьки газов, отрываясь от электродов, подымались вверх и, вытесняя воду, скапливались под донышками пробирок. Это несложное приспособление позволяло измерять, сколько газов выделяется при электролизе (рис. 30).

Рис. 30. Размер и форма электродов не влияют на количество газов, выделившихся при электролизе.

 

После первых опытов у Фарадея зародилось предположение, что количество выделившихся газов зависит только от того, сколько тока было пропущено через электролит. Но прежде чем проверять свою догадку, Фарадей решил узнать, какое значение имеют размеры электродов. Он взял четыре одинаковые стеклянные банки и заполнил их слабым раствором серной кислоты. В первую банку Фарадей опустил самые большие пластинки, во вторую– поменьше, в третью – еще меньше, а в четвертую – тонкие короткие проволочки.

Все четыре банки Фарадей соединил проводами последовательно. Ток из первой банки переходил во вторую, из второй в третью, а из третьей – в четвертую. При таком соединении через каждую из банок проходит совершенно одинаковое количество электричества.

Фарадей присоединил провода к батарее и стал наблюдать. В пробирках побежали пузырьки газов.

Прошло десять минут, – водорода во всех банках выделилось поровну (то же можно было сказать и о количестве кислорода); ученый подождал еще 5 минут, – равенство не нарушилось, и на 25‑й минуте опыта количество водорода во всех банках продолжало увеличиваться совершенно равномерно. Размеры электродов влияния на количество разложившегося вещества не оказывали.

За первым опытом последовали другие. Фарадей менял силу тока, концентрацию раствора кислоты, расстояние между электродами, но количество водорода всегда неизменно оставалось пропорциональным количеству электричества, пропущенного через электролит.

В последнем опыте Фарадей применил электроды одинакового размера и формы, но изготовленные из разных материалов. Катоды были платиновые, а аноды – один цинковый, другой – серебряный, третий – платиновый.

Банки, как и в первом опыте, были соединены последовательно. В результате оказалось, что водорода выделилось во всех банках поровну, а именно: 1 грамм (11,2 литра) на каждые 96500 кулонов электричества.[3]

Закон, найденный в опытах с водой, Фарадей стал проверять на других веществах. Он разлагал током соединение хлора с медью. Пропустив 96500 кулонов, получил на аноде 35,5 грамма (тоже 11,2 литра!) хлора, а на катоде 32 грамма меди.

При разложении раствора медного купороса 96500 кулонов электричества тоже выделяли 32 грамма меди.

Эти числа остаются неизменными. Любое химическое соединение, содержащее хлор, выделяет 35,5 грамма хлора на 96500 кулонов электричества. Любое вещество, содержащее медь, выделяет 32 грамма меди притом же количестве электричества.

Числа, полученные Фарадеем, свидетельствовали о неразрывно прочной связи между количеством пропущенного через электролит электричества и количеством выделившегося вещества. Это был незыблемый закон.

Фарадей записал свои выводы примерно так:

1. Количество выделяющихся на электродах веществ прямо пропорционально количеству электричества, пропущенного через электролит.

2. Вес порции каждого вещества, выделяющегося при электролизе на каждые 96500 кулонов, неизменен и зависит только от химических свойств этих веществ, то есть водорода – выделяется 1 грамм, кислорода – 8 граммов, меди – 32 грамма, серебра– 108 граммов и так далее.