Эффект Фарадея

Майкл Фарадей (1791-1867), ученик переплетчика, в 21 год поступил на работу ассистентом к Хэмфри Дэви. Он углубил наши знания и преобразовал нашу технику. Его два самых глубоких прозрения шли рука об руку: изобретение электрического мотора (и обратного устройства – динамо-машины) и понимание того, что изменения в токе порождают изменения в напряжении магнитного поля (соответственно, вращение в магнитном поле порождает электрический ток). Известен еще так называемый эффект Фарадея, или магнито-оптический эффект. Фарадей обнаружил, что магнетизм может влиять на свет. Этот факт имел колоссальное историческое значение. Он заставил предположить, что может быть одна теория, объединяющая свет и электромагнетизм. Джеймс Клерк Максвелл объединил их к 1861 году и представил систематически в 1873 году. Эффект Фарадея был экспериментально показан в 1845 году.

Фарадей был глубоко религиозным человеком и считал, что все силы природы должны быть взаимосвязаны. Ньютон оставил простор для развития единой науки, которого хватило до 1800 года. Как мы уже говорили в 10-й главе, в этом году Уильям Гершель встретился с проблемой теплового излучения. В том же году Джузеппе Вольта сделал первую электрическую батарею. Впервые был создан источник постоянного тока, который, как вскоре показал Эрстед, мог оказывать действие на стрелку магнитного компаса. В 1801 году Томас Юнг провозгласил волновую теорию света, покончив с вековым господством ньютоновской корпускулярной теории света. Короче говоря, ньютоновское единство науки было разрушено. Более того, существовала очевидная связь между силами электромагнетизма, притяжения и света. Майкл Фарадей сам занялся этим вопросом. Дэвид Брюстер, великий экспериментатор, упомянутый в главе 9, в 1819 году показал, что под давлением некоторые виды стекла приобретают способность поляризовать свет. Рассуждая по аналогии, Фарадей предположил, что если давление может повлиять на передачу света, то и электрическое воздействие способно на это. Фарадей пытался обнаружить этот эффект несколько раз, в 1822, в 1834 и в 1844 годах. Затем, в 1845 году он забросил изучение электрического воздействия и взялся за магнитное. Но и здесь он не достиг успеха, пока не попробовал использовать плотное стекло, которое он получил много лет назад для других целей. Он обнаружил, что плоскость поляризации солнечного луча будет вращаться, если свет проходит через боросиликатное стекло, параллельно линиям магнитного напряжения. Французский физик М. Е. Верде (1824-1896) позже исследовал это свойство на целом ряде веществ, тем самым установив, что оно представляет собой общее свойство природы.

Объяснение эффекта Фарадея (Э)

У Фарадея не было теории того явления, которое он обнаружил. В следующем, 1846 году Г. Б. Эри (1801-1892) показал, как описать это явление аналитически в рамках волновой теории света. Уравнения света содержали некоторые вторые производные перемещения по времени. Эри добавлял ad hoc другие члены, содержащие первые или третьи производные. Это стандартный ход в физике. Для того, чтобы уравнения удовлетворяли явлению, с полки берутся стандартные дополнительные члены уравнения, без определенного представления о том, почему поможет один, а не другой.

В 1856 году Кельвин предложил физическую модель: магнитное поле заставляет молекулы в куске стекла вращаться вокруг осей, параллельных линиям напряженности. Это молекулярное вращение сочетается с вибрациями, производимыми световыми волнами, и, следовательно, заставляет вращаться плоскость поляризации.

Модель Кельвина была принята Максвеллом и помогла ему сформировать электромагнитную теорию света. Однако она не очень хорошо сочеталась с подробностями эксперимента, о которых сообщает Верде. Тогда Максвелл использовал аргументы симметрии для того, чтобы определить добавочные члены в уравнениях электромагнитного поля, используемого для описания явления. Наконец, в 1892 году Х.А. Лоренц совместил уравнения Максвелла со своей теорией электрона. Основанное на этом объяснение используется и поныне. Эффект описывали физически, в стиле Кельвина, как локальное движение вокруг линий напряжения. Но это не кельвиновское мистическое вращение молекул, которое просто имеет место и все. Это движение электронов, вызываемое электромагнитным способом.

Шесть уровней “теории”

В нашем рассказе участвует по крайней мере шесть разных уровней теории. Это не просто уровни большей или меньшей общности или логической силы, скорее разные типы теоретизирования.