Фарадей электромагнетизмді қалай ашты

Ғылым көзге көрінбейтін құбылыстарды байқай алатын және басқалар қалыпты нәрсе ретінде қабылдайтын жағдайларда сұрақ қоя білетін адамдардың еңбегімен дамиды. Әрбір ұлы жаңалық қызығушылықтың, табандылықтың және қолайлы жағдайлардың тоғысында пайда болады. Он тоғызыншы ғасыр адамзатқа көптеген іргелі ғылыми идеялар сыйлады, бірақ олардың ішінде электромагниттік индукцияның ашылуы ерекше орын алады. Майкл Фарадей – ұста отбасынан шыққан, университет дипломы жоқ өзін-өзі оқытқан зерттеуші – қазіргі электротехниканың негізін қалады. Дәл оның 1831 жылғы тәжірибелері ғалымдардың электр мен магнетизмнің табиғаты туралы түсінігін түбегейлі өзгертіп, генераторлар, трансформаторлар және бүкіл индустриялық өркениеттің қалыптасуына жол ашты.

Дәуірдің ғылыми контексті

Он тоғызыншы ғасырдың басында ғалымдар электр мен магнетизм арасында байланыс бар екенін болжай бастады, бірақ оны тәжірибе жүзінде дәлелдей алмаған еді. Фарадейге дейінгі маңызды зерттеушілердің бірі дат физигі Ханс Кристиан Эрстед болды: 1820 жылы ол кездейсоқ түрде ток жүріп тұрған өткізгіш компастың тілін ауытқытатынын байқады. Осы бақылаудан шабыт алған француз математигі Андре-Мари Ампер бір бағытта ағатын токтары бар параллель өткізгіштердің бір-біріне тартылатынын көрсетті. Алайда басты сұрақ ашық күйінде қалды: егер электр тогы магнетизм туғызса, магнит өз кезегінде электр тогын тудыра ала ма?

Ғылымға апарар жол

Майкл Фарадей 1791 жылы Лондонда кедей отбасында дүниеге келіп, жастайынан күнкөріс үшін жұмыс істеуге мәжбүр болды. Кітап түптеуші болып еңбек ете жүріп, ол үлкен кітапханаға қол жеткізіп, ғылыми еңбектерді үлкен ынтамен оқыды. 1813 жылы атақты химик Хэмфри Дэви табанды жас жігітті Корольдік институтқа лаборант ретінде жұмысқа қабылдады – осылайша әлемді өзгерткен ғылыми мансап басталды.

Зерттеушінің жетістігі тек табиғи дарынмен ғана түсіндірілмейді. Фарадейдің өмірбаянын зерттеген ғалымдар оны замандастарынан ерекшелендірген бірнеше қасиетті атап өтеді:

• тәжірибелердегі шыдамдылық – ғалым бір мәселені жылдар бойы қайта-қайта зерттеп, алғашқы сәтсіздіктен кейін оны тастамайтын;
• жазбалардың дәлдігі – әрбір тәжірибе зертханалық журналға күні, жағдайлары және нәтижелерімен бірге мұқият тіркелетін;
• бейнелік ойлау қабілеті – «күш сызықтарын» көз алдына елестетуі оны бастапқыда көптеген математиктер қабылдамаған идеяларға алып келді;
• пікір тәуелсіздігі – академиялық білімнің болмауы көптеген әріптестерін шектеген ғылыми догмалардан еркін болуға мүмкіндік берді.

Осы қасиеттердің жиынтығы бұрынғы кітап түптеушіні өз дәуірінің ең өнімді экспериментаторларының біріне айналдырып, нағыз ғалым дипломмен емес, мінезімен қалыптасатынын көрсетті.

1831 жылғы шешуші тәжірибелер

Тарихи бетбұрыс 1831 жылдың 29 тамызында болды. Фарадей темір сақинаға екі бөлек сым орамын орап, олардың бірін батареяға, ал екіншісін гальванометрге қосты. Құралдың тілі тек тізбек тұйықталған немесе ажыратылған сәтте ғана қозғалып, тұрақты ток жүрген кезде қозғалмады. Ғалым бірден маңызды қорытынды жасады: ток тұрақты магнит өрісінен емес, оның өзгерісінен пайда болады.

Алғашқы идеяны дамыта отырып, зерттеуші одан да айқын тәжірибе жасады – гальванометрге жалғанған катушкаға тұрақты магнитті жақындатып, қайта шығарып отырды. Магнит қозғалған кезде құралдың тілі ауытқып, тоқтаған кезде қайта нөлге келді. Ақырында Фарадей таға тәрізді магниттің полюстерінің арасында мыс дискіні айналдырып, үздіксіз тұрақты ток алды. Бұл құрылғы кейін «Фарадей дискісі» деп аталып, барлық электр машиналарының алғашқы үлгісіне айналды.

Электромагниттік индукция заңы және оның мәні

Үш түрлі тәжірибелік зерттеулердің негізінде ғалым кейін өзінің атымен аталған жалпы принципті тұжырымдады. Кейін Джеймс Клерк Максвелл бұл ашылуға қатаң математикалық форма беріп, оны электродинамика теңдеулерінің жүйесіне енгізді. Заңның мәнін үш негізгі қағида арқылы түсіндіруге болады.

1. Өзгеретін магнит ағыны өткізгіш контурда электр қозғаушы күш тудырады. Магнит ағыны неғұрлым жылдам өзгерсе, тізбекте пайда болатын кернеу соғұрлым үлкен болады. Сондықтан трансформаторлар тек айнымалы токпен жұмыс істейді – тұрақты ток өзгермелі ағын туғызбайды.
2. Индукцияланған токтың бағыты оны тудырған өзгеріске қарсы бағытталады. Бұл ережені 1833 жылы Эмиль Ленц нақтылады. Ленц принципі электр қозғалтқышының неге жүктеме кезінде бос айналғандағыдан көбірек ток тұтынатынын түсіндіреді.
3. Электр қозғаушы күштің шамасы өткізгіштің табиғатына тәуелді емес – бастысы магнит ағынының өзгеру жылдамдығы мен контурдағы орам саны. Осы қасиет инженерлерге орамдардағы витоктар қатынасын өзгерту арқылы белгілі бір коэффициенті бар трансформаторларды жобалауға мүмкіндік берді.

Бұл үш қағида қазіргі электр энергетикасының теориялық өзегін құрайды және бүгінгі күнге дейін инженерлік есептеулердің негізі болып келеді.

Практикалық және теориялық мұра

Фарадейдің ашуы қазіргі әлемді елестету мүмкін болмайтын көптеген техникалық жаңалықтарға жол ашты:

• электр генераторлары айналу механикалық энергиясын айнымалы токқа айналдырып, жер шарындағы барлық электр станцияларында қолданылады;
• трансформаторлар энергияны алыс қашықтыққа үнемді жеткізу үшін кернеуді жоғарылатады немесе төмендетеді;
• электр қозғалтқыштары кері принцип бойынша жұмыс істеп, көлікте, өнеркәсіпте және тұрмыстық техникада кеңінен пайдаланылады;
• сымсыз зарядтау технологиясы екі катушканың өзара индукциясы принципін пайдаланып, смартфондар мен электр көліктеріне энергияны физикалық байланыссыз жеткізеді.

Осы технологиялардың әрқайсысы 1831 жылдың күзінде зертханада өткен бірнеше сағаттық тәжірибелердің нәтижесінде пайда болған идеяларға негізделеді. Бұл дұрыс қойылған бір ғана тәжірибенің ғылым мен техника тарихында қаншалықты үлкен мәнге ие болатынын көрсетеді.

Фарадейдің ашуы теориялық ғылымға да зор әсер етті. Оның күш сызықтары туралы түсінігіне сүйенген Максвелл электр және магнит өрістері біртұтас физикалық шындықтың екі жағы екенін көрсетті. Бұл теорияның салдары ретінде радиотолқындардың бар екені болжанып, кейін 1887 жылы Генрих Герц оларды тәжірибе жүзінде дәлелдеді. Соның нәтижесінде радио, теледидар және ұялы байланыс сияқты технологиялар пайда болды.

Фарадейдің жаңалығы ғылымдағы ірі серпілістер көбіне шыдамды бақылау мен батыл түсіндірудің тоғысқан жерінде пайда болатынын айқын көрсетеді. Ғылыми дәрежесі жоқ адам дипломды әріптестері байқамаған құбылысты көре алды, өйткені ол табиғатты алдын ала қалыптасқан көзқарастарсыз зерттеп, дұрыс сұрақтар қоя білді. Бүгін электр энергиясы ауа сияқты қалыпты нәрсе болып көрінгенімен, әрбір розетканың артында нақты бір адам, нақты бір күн және нақты бір тәжірибе тұрғанын есте ұстау маңызды.