Наука высокого напряжения. Фарадей. Электромагнитная индукция

^{Клетка Фарадея при отсутствии электрического поля (слева); заряженные частицы на стенке клетки Фарадея отвечают на приложение электрического поля (в центре); электрические поля внутри стенки устраняют приложенное электрическое поле, нейтрализуя внутреннее пространство клетки (справа).}

Принцип работы клетки Фарадея относительно прост (см. схему). Сама клетка — из металла и работает как полый проводник. Когда на нее действует внешнее электромагнитное поле, положительные заряды остаются на поверхности, а отрицательные — электроны — свободно перемещаются по металлу в противоположном направлении по отношении к электрическому полю. На одной стороне клетки собираются электроны, с другой стороны образуется их недостаток. При поляризации проводника генерируется внутреннее электрическое поле такой же величины, но противоположное по направлению внешнему полю, поэтому сумма полей внутри проводника равна нулю. Силы нейтрализуют сами себя. Благодаря явлению электростатического экранирования ни один заряд не может пройти через клетку, так как внутри нее поле отсутствует.

ДИЭЛЕКТРИКИ

В 11-м выпуске серии «Экспериментальные исследования по электричеству» (1855, Experimental Researches in Electricity) Фарадей предлагает в качестве первого принципа науки об электричестве индукцию как свойство вызывать противоположное состояние, а также дает новое определение термину заряд — состояние напряженности, поддерживаемое материей. Кроме того, ученый высказывает мысль о том, что существуют тела, проводящие электричество, а также тела, с той же эффективностью не проводящие его.

Первый класс тел был назван проводниками, второй, по совету коллеги Уэвелла, получил название диэлектриков. Другими словами, по отношению к своему поведению под воздействием электрического поля материальные тела классифицируются на проводники и диэлектрики, при этом не существует постоянной градации, которая исключала бы отнесение тела к одной из категорий, то есть тело может классифицироваться как проводник или диэлектрик в зависимости от ситуации.

Важно различать изоляторы и диэлектрики. Все тела-диэлектрики являются изоляторами, поскольку плохо проводят электричество, но не все изоляторы являются диэлектриками. Чтобы стать диэлектриком, материал при воздействии электрического поля должен быть способен сохранять внутреннее электрическое поле. Диэлектрик может превратиться в проводник, если мы настолько увеличим внешнее поле, что оно превзойдет максимальное напряжение диэлектрика, называемое электрической прочностью.

Фарадей начал измерять диэлектрические константы разных изоляторов и назвал отношение между зарядом и напряжением диэлектриков специфической индуктивной способностью.

* * *

Диэлектрические константы

Чем больше величина диэлектрического коэффициента, или диэлектрической константы, обозначаемой как К, тем выше уровень электропроводимости материала. Например, константа воздуха — 1,00054, вакуума — 1,0. Другие значения К для разных материалов следующие.

— Стекло: 5–10.

— Нейлон: 3,5.

— Полиэтилен: 2,3.

— Хлорид натрия: 6,1.

— Дерево: 2,5–8,0.

— Этиловый спирт (0ºC): 28,4.

— Дистиллированная вода (20ºC): 80,1.

Если электрическое поле диэлектрика становится очень интенсивным, электроны покидают молекулы и материал превращается в проводник. Максимальное электрическое поле, которое диэлектрик может выдержать до момента разрушения, называется электрической прочностью.

Вот некоторые примеры диэлектрических материалов: стекло, резина, воск, бумага, сухое дерево или фарфор.

ЭКСПЕРИМЕНТ С КЮВЕТОЙ CO ЛЬДОМ

Работы по статическому электричеству и изолирующему эффекту клетки Фарадея были подтверждены в эксперименте 1843 года с использованием кюветы со льдом.

^{Схема аппарата, использованного Фарадеем для эксперимента с кюветой льда. Для изоляции кюветы от пола использовалась деревянная табуретка. Электрически заряженный латунный шарик, подвешенный на шелковой нити — изоляторе, опускался в кювету. Кювета была соединена проводом с электроскопом, чувствительным к заряду на ее стенках.} 

В полую металлическую кювету (см. схему) с отверстием сверху клали лабораторный лед. К стенке кюветы подключали электроскоп. Далее Фарадей опускал в кювету металлическую заряженную сферу. В этот момент электроскоп регистрировал заряд внутри кюветы, противоположный заряду сферы. Снаружи кюветы заряд был такой же, как у сферы. Пока сфера находилась внутри кюветы, электроскоп показывал тот же заряд; когда сферу вынимали, электроскоп не показывал никакого заряда. Таким образом, внутренние стенки сосуда приобретали заряд, противоположный заряду сферы, а внешние — такой по знаку заряд, как у сферы. Этот эксперимент Фарадея подтвердил, что «индуцированные заряды всегда будут иметь одну величину, но будут разные по знаку между собой и зарядом индуктора».

Эксперимент с кюветой также подтверждал принципы электростатического экранирования, наблюдаемые в клетке Фарадея и применяемые сегодня для защиты оборудования от электрических разрядов.

Фарадей реализовал первый эксперимент, количественно подтверждающий сохранение электростатического заряда: общее количество положительных электрических зарядов на предмете равно количеству отрицательных, то есть общее количество электрического заряда в любом случае будет постоянным. Так, например, если изначально заряд кюветы был + 15 при опускании заряженной сферы +3, на внутренней поверхности кюветы обнаруживался заряд -3, а на внешней поверхности — +18. Общий заряд кюветы не изменился, так как 18 + (-3) — 15.

Эксперимент Фарадея до сих пор используется на лекциях и лабораторных демонстрациях для пояснения принципов электростатики.

ЖИЗНЕННЫЙ КРИЗИС

В ходе восхождения по карьерной лестнице Фарадей в 1833 году стал преемником своего учителя Гемфри Дэви, заняв пост преподавателя химии Королевского института. В 1835 году ему назначили пожизненную пенсию в 300 фунтов ежегодно. Наконец Фарадей чувствовал, что занимался тем, для чего появился на свет. Однако в 1835 году его интеллектуальное и психологическое состояние ухудшилось, а в 1840 году изменения стали еще сильнее. Подобный кризис пережил родившийся за 150 лет до Фарадея Исаак Ньютон — несмотря на научные расхождения этих мыслителей.

Ньютон в возрасте 49 лет почувствовал умственное переутомление. Фарадей в том же возрасте оказался в похожей ситуации: после титанического труда, которого потребовали исследования по электролизу, у него появились признаки общей усталости. Наступивший кризис принес Фарадею много горя и неприятностей как в профессиональном, так и в личном плане: он страдал от головокружений, потери памяти, мог записывать или произносить бессмысленные фразы (нечто подобное было и у Ньютона). Для большей показательности приведем отрывок из его личных записей того периода, в котором как раз говорится о кризисе, постигшем ученого:

«По словам подлинно светского человека Талейрана, назначение языка — скрывать мысли. Но в настоящий момент, когда я чувствую, что неспособен больше вести длительных разговоров, я должен заявить, и это действительно будет означать без каких-либо ошибок, недопонимания, двойственного или двойного смысла, отговорки или упущения, что я не нахожу подходящих условий, ибо мой ум слаб и я не могу работать».