С
Майкл Фарадей
тремление выяснить природу
электрического тока привело Фарадея к
экспериментам по прохождению тока через
растворы электролитов (кислот, солей и
щелочей). Результатом этих исследований
было открытие в 1833 году законов
электролиза:
1. Масса вещества, выделившегося на электроде, пропорциональна количеству электричества (т.е. заряду), прошедшему через электролит (1-ый закон Фарадея):
(10.4)
Величина К, численно равная массе вещества, выделяющейся на электроде при пропускании заряда в 1 Кл, носит название электрохимического эквивалента данного вещества.
2. Электрохимические эквиваленты различных веществ пропорциональны их молярным массам и обратно пропорциональны их химической валентности (2-ой закон Фарадея):
(10.5)
Здесь через 1/F обозначен коэффициент пропорциональности, являющийся универсальной постоянной, т.е. имеющий одинаковое значение для всех веществ. Величина F называется постоянной Фарадея. Ее значение, найденное экспериментально, равно F = 96484 Кл/моль. Объединяя оба закона Фарадея,
легко получить, что для одновалентного вещества (n=1):
откуда следует, что при q = F на электроде выделяется ровно 1 моль вещества. Таким образом, число Фарадея F численно равно заряду, при пропускании которого через раствор электролита на электроде выделяется 1 моль вещества.
В процессе исследования законов электролиза Фарадей ввел новую терминологию, остающуюся общеупотребительной и по сей день. Электроды, подводящие ток к разлагаемому раствору, он назвал анодом и катодом. Диссоциирующие вещества он назвал электролитами, а частицы вещества, на которые разлагаются электролиты, – ионами, а именно – анионами и катионами, в зависимости от того, на каком из электродов выделяется вещество.
Анализ установленных законов электролиза привел Фарадея к мысли о дискретной структуре электрических зарядов. Он пишет: «... эквивалентные веса тел представляют собой такие количества их, которые содержат равные количества электричества ... . Если принять атомную теорию, то атомы тел, эквивалентные друг другу в отношении их обычного химического действия, содержат равные количества электричества, естественно связанного с ними». То есть Фарадей приходит к представлению о некотором элементарном заряде, связанном с атомами вещества.
Величина элементарного
заряда была вычислена ирландским физиком
Джонстоном Стонеем во второй половине
XIX
века. 1 моль любого вещества содержит
атомы в количестве, равном числу Авогадро
Если предположить, что весь заряд
равномерно распределен по N
частицам, то заряд, переносимый одним
одновалентным ионом, оказывается равным
Исследования электромагнитной индукции сыграли немаловажную роль, определив подход Фарадея к физической картине электрических и магнитных взаимодействий. Выполненные эксперименты приводят его к мысли о том, что принятая в посленьютоновское время в физике концепция «действия на расстоянии» неадекватна физической реальности, что электрические заряды и магниты изменяют свойства окружающего их пространства.
Во времена Фарадея уже было известно, что с помощью железных опилок, насыпанных на бумагу, можно получить характерную картину «линий», простирающихся от одного полюса магнита к другому. Зная об этом, Фарадей ввел понятие о силовых линиях и высказал предположение, что силовые линии сплошь заполняют все пространство вокруг магнита даже в отсутствие каких-либо реальных железных опилок. При этом сила, с которой действует магнит (на другой элементарный магнит, выполняющий роль пробного) в какой-либо точке пространства, должна определяться силовыми линиями в этой точке пространства. Стало быть, если поместить стрелку компаса вблизи магнита, она не только расположится вдоль одной из силовых линий, но и величина силы, действующей на стрелку, будет определяться плотностью силовых линий.
Осознание роли окружающего пространства привело Фарадея к более детальному исследованию влияния среды на электрические и магнитные взаимодействия. Он подробно исследовал диэлектрические свойства различных веществ, введя для их характеристики особую величину, которую он назвал удельной индукцией. Эту величину сегодня называют диэлектрической проницаемостью веществ. Исследования влияния среды на магнитные явления привели Фарадея к открытию диа- и парамагнетизма. Фарадею уже была известна способность железа намагничиваться и втягиваться внутрь соленоида. Однако существовал обширный класс веществ, очень слабо реагирующих на внешнее магнитное поле (вода и воздух, алюминий и платина, стекло, золото и серебро, медь и т.д.). В 1845 году, использовав сильный электромагнит, Фарадей установил способность всех тел намагничиваться и открыл, что одни тела притягиваются к магниту, а другие отталкиваются от него. Он предложил для первых название парамагнитных, для вторых – диамагнитных.
В своих исследованиях Фарадей близко подошел к открытию закона сохранения и превращения энергии. В трехтомном труде «Экспериментальные исследования по электричеству» он рассматривает спор между сторонниками контактной и химической теории источника электрического тока. Контактная теория, ведущая свое происхождение от Алессандро Вольта, «находит источник мощности в контакте» разнородных проводников, а химическая, по выражению Фарадея, – в «химической силе», или в химической энергии, как сказали бы мы сегодня. Фарадей прямо указывает, что «контактная теория допускает, что сила ... может будто бы возникнуть из ничего, что безо всякого изменения действующей материи и без расхода какой-либо производящей силы может производиться ток, который будет вечно идти против постоянного сопротивления ... ».
Эти слова были написаны в январе 1840 года, когда закон сохранения энергии еще не был открыт, но Фарадей пишет так, будто ему этот закон известен. Более того, он ясно представляет картину превращения энергии из одного вида в другой. «Мы имеем много процессов, – пишет он, – при которых форма силы может претерпевать такие изменения, что происходит явное превращение ее в другую. Так мы можем превратить химическую силу в электрический ток или ток в химическую силу. Прекрасные опыты Зеебека и Пельтье* показывают взаимную превращаемость теплоты и электричества, а опыты Эрстеда и мои собственные показывают взаимную превращаемость электричества в магнетизм. Но ни в одном случае ... нет чистого сотворения силы; нет производства силы без соответствующего израсходования чего-либо, что питает ее».
И в заключение еще раз вернемся к фундаментальной идее Фарадея об активной роли среды в физических процессах. Дополняя эту идею мыслью о роли также и пустого пространства, он приходит к установлению новой фундаментальной идеи – идеи поля. Окончательно Фарадей сформулировал концепцию поля в 1852 году. «При этой точке зрения на магнит, – писал он, – среда или пространство, его окружающие, играют столь же существенную роль, как и самый магнит, будучи частью настоящей и полной магнитной системы».
По Фарадею, поле – это то, что излучается, распространяется с конечной скоростью в пространстве, взаимодействуя с веществом. Примером такого поля у Фарадея является излучение Солнца: «В этом случае лучи ... проходят через промежуточное пространство; ... Мы можем изменить их направление посредством отражения или преломления; мы можем заставить их идти по криволинейным или ломаным путям. Мы можем отрезать их от их источника и затем искать их и найти, прежде чем они достигнут своей конечной цели. Они связаны с временем и требуют 8 минут, чтобы пройти от Солнца до Земли; таким образом, они могут существовать независимо от своего источника и от места, в которое в конце концов приходят. Таким образом, они имеют ясно различимое физическое существование».
Такова концепция поля, к которой Фарадей пришел в результате длительного научного пути и первоначальный набросок которой он дал в своем запечатанном письме в 1832 году. По мнению А. Эйнштейна, идея поля была самой оригинальной идеей Фарадея, самым важным открытием со времен Ньютона. У Ньютона и других ученых пространство выступало как пассивное вместилище тел и электрических зарядов, у Фарадея же пространство участвует в явлениях. «Надо иметь могучий дар научного предвидения, – писал Эйнштейн, – чтобы распознать, что в описании электрических явлений не заряды и не частицы описывают суть явлений, а скорее пространство между зарядами и частицами».
С Фарадеем в физику наряду с частицами вещества вошла и новая форма материи – поле, излучаемое и поглощаемое частицами и распространяющееся в пространстве с конечной скоростью. Математически эта идея была разработана преемником Фарадея Джеймсом Кларком Максвеллом.
1 Концепция (от лат. conceptio – понимание, система) – система взглядов на тот или иной вопрос, явление, отражающая определенный способ понимания, истолкования указанного явления.
* Немецкий физик Томас Зеебек открыл в 1821 г. явление термоэлектричества в паре «медь - висмут», сконструировал термопару и использовал ее для определения температуры. Французский физик Жан Пельтье обнаружил в 1834 г., что в местах спаев двух различных металлов в зависимости от направления тока происходит выделение или поглощение тепла.