Успехи учения об электричестве в тридцатых, сороковых и пятидесятых годах XIX века связаны, за малыми исключениями, с именем Михаила Фарадея. Этот в высшей степени оригинальный и, несомненно, гениальный физик не только проверил, подтвердил и исправил все работы своих предшественников в этой области, но и сам был творцом величайших открытии. Ему же принадлежит тот общий теоретический взгляд на сущность электричества, благодаря которому эта область физики пришла впервые в правильную органическую связь с другими отраслями науки. Наконец, ему же принадлежит ясное предвидение и твердая уверенность в единстве всех сил природы, которые современная физика приобрела лишь в результате долгой и упорной борьбы.
Мысль о взаимной превратимости сил природы давала направление всем его физическим работам и служила руководящей нитью во всех его наиболее значительных открытиях. И если он сам не пришел к определенному выводу о количественном постоянстве сил при всех их превращениях, то это произошло не столько вследствие особенности его дарования, сколько в результате того направления, которое должны были принять его работы и его идеи в силу внешних условий его жизни и положения.
Первыми работами Фарадея были исследования по химии; они появлялись с 1816 г. в издававшемся при Королевском институте «Quarterly Journal of Science». В 1818 г. совершился его переход на физику работой о поющем пламени. За ним в 1822 г. последовала его первая, упомянутая уже раньше, работа об электромагнитном вращении. До 1831 г. он опубликовал, наряду с небольшими исследованиями по химии, обратившую на себя всеобщее внимание работу о сжижении хлора и некоторых других газов, исследование о пределах испарения, объяснение звуковых фигур на колеблющихся пластинках и, наконец, уже упомянутую выше теорию Тревельяна.
С 1831 г. Фарадей сосредоточил все свои силы на развитии учения об электричестве. В этом же году он начал печатать в Philosophical Transaction свои «Experimental researches in electricity» («Экспериментальные исследования по электричеству»), продолжавшиеся до 1885 г. и составившие в общей сложности 30 серий с более чем 3000 параграфов. Уже в первой серии этих исследований содержится открытие гальванической индукции.
Поскольку тождество трибоэлектричества и гальваноэлектричества: было признано, электрическая индукция давала повод предполагать существование гальванической; с другой стороны, магнитная индукция при установленном Ампером единстве магнетизма и электричества должна была усилить такое предположение. То обстоятельство, что физики, несмотря на доказательства Ампера, не понимали этой индукции, а также, что сам Ампер не вполне использовал свое открытие, не могло решающим образом повлиять на Фарадея при его убеждении в единстве сил. Поэтому-то Фарадей, имевший перед Ампером еще преимущество обладания более совершенным гальванометром, мог убедить даже самых упорных скептиков в существовании гальванической индукции. Однако и ему этот результат достался не без труда. Обмотав деревянную катушку двумя обвитыми шелком и, следовательно, изолированными друг от друга проволоками, он соединил конец одной из них с батареей в 10 элементов, а концы другой с гальванометром, но во время прохождения тока по первой проволоке не нашел ни следа индуцированного электричества во второй. Такой же отрицательный результат получился, когда он усилил сбою батарею до 120 элементов, — во время прохождения тока гальванометр не показывал и следов гальванизма. Однако, продолжая свои опыты с упорством глубоко убежденного человека, он, наконец, добился-таки индуцирующего действия. Однако последнее проявлялось ее в то время, когда ток был замкнут, а только при замыкании и размыкании тока. В том и другом случае, стрелка гальванометра небольшим отклонением обнаруживала присутствие тока во второй проволоке, но тока не постоянно текущего, а мгновенного, который по своему характеру «походил скорее на электрическую волну из лейденской банки, чем на электрический ток из вольтовой батареи». Когда, таким образом, лед оказался сломанным, определить свойства и законы гальванической индукции было уже не так трудно. Фарадей установил, что получаемый при замыкании индукционный ток противоположен по своему направлению индуцирующему току, а ток, получающийся при размыкании, имеет одинаковое направление с последним. Вместе с тем — что в принципиальном отношении было наиболее важно — он открыл, что в индукционной спирали токи развиваются не только при замыкании и размыкании индуцируемого тока, но также при приближении и удалении первичной спирали с током от вторичной; отсюда вытекало, что действующей причиной в индукции является движение или механическая сила. Фарадей назвал эту индукцию от гальванического тока вольтаической индукцией.
Но по теории Ампера выходило, что наряду с гальванической индукцией должна существовать и магнитная; и Фарадею, действительно, удалось доказать ее существование прямыми опытами: приближение и удаление магнита, аналогично приближению и удалению первичной спирали с током, индуцирует в проволочной спирали ток; Фарадей в дальнейшем также показал, что всякое изменение положения индукционной спирали по отношению к земле вызывает в ней индукционный ток.
То обстоятельство, что всякое изменение положения тока или магнита по отношению к проводнику вызывает в последнем электричество, а, следовательно, и магнетизм, бросило свет и на остававшиеся до тех пор загадочными явления вращательного магнетизма Араго. Поместив между полюсами магнита вращающийся медный диск и приведя концы проводника в скользящее сообщение с осью и окружностью диска, Фарадей не только получил возможность отводить индуцированный ток, но даже извлекать искры. Как широко понимал Фарадей связь между движением и возникновением электричества, можно увидеть из следующих его слов: «Теоретически следует, по-видимому, признать обязательным, что везде, где течет вода, должны развиваться электрические токи. Если мысленно представить себе линию, проведенную через море от Дувра к Кале, а затем обратно в земле под водой от Кале к Дувру, то эта линия охватит круг проводящей массы, часть которой пересекает магнитные кривые Земли, пока вода течет по каналу вверх и вниз, а другая часть остается в относительном покое. Имеется полное основание полагать, что по главному направлению описанной линии будут идти токи в том или другом направлении, в зависимости от того, будет ли вода по каналу течь вверх или вниз».
Однако вскоре выяснилось, что подобные связи оказываются даже более тесными, чем это предполагал Фарадей. В 1834 г. Уильям Дженкин и почти одновременно с ним Массон заметили, что искра при размыкании электрического тока значительно усиливается, если провод удлинить, и еще более усиливается, если провод завить в спираль и вставить в последнюю железный стержень. Так как при этом сила тока не могла увеличиться, а наоборот, должна была уменьшиться, то этот результат показался обоим исследователям загадочным. Фарадей тотчас же усмотрел в этом действие индукции, развиваемой в собственном проводнике гальваническим током при его размыкании. После этого ему удалось доказать появление экстратока (extra-current), по выражению Фарадея, и при замыкании цени и установить, что по своему направлению он противоположен току при размыкании. Ток размыкания, имея одинаковое направление с первичным током, усиливает последний, а ток при замыкании производит обратное действие. Экстратоки имели на первых порах многих противников: Дове, например, никак не хотел допустить, чтобы принятие таких индукционных токов было необходимо и полезно для объяснения указанных явлений. Однако положения Фарадея были подтверждены опытами Якоби и других физиков, а позднее Гельмгольц 6 показал важность экстратоков в теоретическом и в практическом отношении.
Вообще же явления индукции были приняты всеми физиками с живейшим сочувствием и были очень скоро подтверждены рядам новых наблюдений. Нобили и Антинори уже в 1831 г. получили от индукционных токов искру, что привело всех в большое изумление. Ритчи был склонен думать, что явления индукции представляют собою прямое и очевидное последствие принципа равенства действия и противодействия; но только Ленц впервые на многочисленных опытах доказал, что индукционные явления безусловно соответствуют указанному закону и, таким образом, подтверждают его действительность в области электричества. Ленц говорит: «Когда металлический проводник движется вблизи гальванического тока или магнита, то возбуждаемый в нем ток имеет такое направление, что покоящийся провод должен был бы двигаться как раз обратно действительному его движению; при этом, конечно, предполагается, что покоящийся провод может двигаться только в этих двух направлениях».
Быстрее, чем во многих других случаях, физиками было оценено и теоретически принципиальное значение новых явлений, которые всего сильнее содействовали выяснению общего понятия силы и приводили к идее о взаимной обратимости всех видов сил.
Для амперовского учения о причинном тождестве магнитных и электрических явлений гальваническая индукция представила настолько твердую опору, что теперь все другие теории электромагнетизма исчезли. Когда появилась первая серия работ Фарадея, Берцелиус тотчас же отметил, что амперовская теория теперь уже не вызывает никаких сомнений. В следующем году он попытался использовать новое открытие для подтверждения собственной теории тождества химического сродства с электрическими силами. «Едва ли нужно прибавлять, — говорит он, — что такой факт, как уничтожение химического сродства движением магнита, представляет неопровержимое доказательство тесной связи химического сродства с электричеством».
Однако наиболее значительным и плодотворным последствием открытия гальванической индукции оказалось его влияние на выяснение взаимности отношения между электричеством и механической силой. Правда, о возможности получать при помощи электричества большую механическую силу узнали как раз незадолго до открытия явлений индукции, а именно благодаря устройству электромагнитов, которое, надо признать, почему-то сильно запоздало. Ведь соленоид Ампера, данный им в 1822 г., был уже по существу электромагнитом; с другой стороны, уже со времени изобретения мультипликатора знали, что с увеличением числа оборотов проводника, если последние изолированы друг от друга шелковой обмоткой, можно магнитное действие тока значительно усилить. Тем не менее, только несколько лет спустя открыли, что, обмотав, мягкий железный стержень большим числом витков провода, можно получить искусственный магнит, который по своему действию значительно превосходит любой естественный магнит. Но даже и после этого изобретения настоящее явление не было сразу оценено по достоинству и понято, так что на первых порах физики просто изумлялись огромному механическому действию подобных электромагнитов.
До сих пор в точности неизвестно, кто собственно первый превратил соленоид в электромагнит. Фехнер в своем «Repertorium der Physik» (II, стр. 48, 1832) приписывает это изобретение Пфаффу; однако это неверно, так как Брюстер уже в 1826 г. и Стерджон около того же времени устраивали подковообразные магниты. Проф. Пфафф сам рассказывает, что он видел в Лондоне электромагнит, устроенный Стерджоном, и выражает свое удивление по поводу действия его в следующих словах: «Дивишься как чуду, когда видишь, что в то мгновение, когда проволока замыкает (гальваническую) цепь и ток начинает идти, якорь, отягченный грузом в 8 фунтов и более, притягивается даже с расстояния и столь же мгновенно отпадает, когда цепь размыкается». Подобным же размышлениям предается Берцелиус, описывая большой электромагнит Джоза Генри и Тена Эйка, который при действии элемента в 47/9 квадратных футов поверхности поддерживал груз в 2000 фунтов. «В самом деле, нельзя не изумляться, наблюдая, как столь малая сила вызывает в этой установке неслыханное притяжение на полюсах магнита».
После таких высказываний становится понятным, что ознакомление с действием электромагнитов тотчас же привело к попыткам использовать их огромную механическую силу для практических нужд; при этом на них были возложены преувеличенные надежды, в которых, конечно, нельзя усматривать приближения к воззрениям новейшего времени на сущность действия силы. Но возможно, что именно последовавшее за этими надеждами разочарование впоследствии привело к более правильному пониманию отношения между получаемой работой и затрачиваемой на нее силой.
Первую электродвижущую машину построил в 1839 г. Сальваторе даль-Негро. Она состояла из подвешенного в виде двойного маятника стального магнита и охватывающего его верхний полюс своими коленами неподвижного электромагнита. Постоянный магнит своими качаниями изменял ток в электромагните и этим сам поддерживался в движении. В другой машине постоянный магнит играл роль якоря электромагнита и был укреплен на одном конце коромысла, другой конец которого был при помощи кривошипа соединен с маховым колесом. И здесь коромысло своим движением изменяло направление тока, так что притяжение и отталкивание постоянно чередовались друг с другом. Однако работа обеих этих машин в силу их конструкции не могла быть сколько-нибудь значительной. Первую электродвигательную машину, которая действительно была применена для работы, построил Якоби. В 1834 г. он представил описание ее Парижской академии, а затем в 1838 г. она приводила в движение по Неве знаменитый бот в 26 футов длиной и 81/2 футов шириной с 12 пассажирами. Франкфуртский уроженец И. П. Вагнер, изобретатель так называемого неефовского молоточка, после четырехлетней неустанной работы над изобретением электродвижущей машины пришел в 1840 г. к твердому убеждению, что теперь, наконец, для промышленности уже найдена новая движущая сила. В следующем году союзный парламент ассигновал Вагнеру на устройство электрического локомотива 100 000 гульденов, при условии, если он будет удовлетворять известным требованиям, но когда оказалось, что последние в данном случае не могут быть выполнены, парламент в 1844 г. аннулировал эту ассигновку. Вместе с тем на долгое время был вынесен приговор этого рода машинам. Первые изобретатели, может быть, даже не думали, что ток, примененный для получения механической работы, должен стоить денег. Так, Вагнер полагал, что затраты на батареи с лихвой должны покрываться стоимостью химических соединений, получающихся в цепи; однако, и эти надежды совершенно не оправдались.
Попыткам получения механической работы при помощи электричества соответствовало теперь, после открытия Фарадеем индукции, обратное стремление получить электричество за счет механической работы.
Индукционной машиной, соответствовавшей этой цели, был уже фарадеевский медный диск, вращающийся между полюсами магнита, с которого при помощи скользящих контактов отводил токи. Стерджон с подобной машиной достиг более сильного действия, заменив постоянный магнит электромагнитом. Но и здесь машину большой силы впервые устроил в 1832 г. даль-Негро и принципиально по тому же плану — Пиксии. Интересно, что машина последнего по ее описанию в «Annales de chimie et de physique», была принята Берцелиусом за аппарат для получения искр посредством магнита: подковообразный магнит, весом в 34 фунта, укреплен на оси таким образом, что может быстро вращаться около нее. Прямо перед ним неподвижно укреплен изогнутый подковой железный стержень таким образом, что концы его прямо противостоят полюсам магнита, но не касаются их. Этот стержень обмотан 50 м медной проволоки с шелковой изоляцией; один конец этой проволоки погружен в чашечку с ртутью, а другой немного не доведен до соприкосновения с последнею и укреплен в таком положении. При быстром вращении магнита искры непрерывно и очень часто проскакивают между ртутью и концом проволоки так, что они совершенно сливаются. Если же наладить этот аппарат таким образом, чтобы при каждом полуобороте концы проволоки менялись своим положением, как в известном электромагнитном приборе Ампера, то получается электрический ток, идущий постоянно в одном и том же направлении. Однако для этой цели нельзя применять ртуть, так как последняя разбрызгивается, а применяют амальгамированные медные пластинки. При помощи этого аппарата можно получить сильные удары в руки; он разлагает воду и т. д. Когда амперовский коммутатор выключен, то разложение воды продолжается, но теперь получается смесь водорода и кислорода. Ампер получал еще более сильное действие при посредстве магнита, весившего 220 фунтов с проволочной обмоткой длиною в 1000 м.
Сила электрических токов этих машин, усовершенствованных впоследствии Ритчи, Кларком, Сакстоном и др., обусловливается, главным образом, силой индуцирующего магнита. Действие этой машины старались усилить тем, что заменили массивный магнит сложным, но существенного улучшения при этом не получили. Большего успеха достиг механик Эмиль Штерер в 1844 г., применив три или четыре сложных магнита, расположенных по кругу, а против них установив столько же электромагнитов, которые могли вращаться около одной общей оси. В Германии машина Штерера долгое время считалась наиболее сильной и употреблялась, между прочим, в германских театрах в качестве источника энергии для восходящего солнца в опере «Пророк». Во Франции общество l'Alliance» пользовалось для получения электрического света машиной, в которой сложные магниты по своему устройству позволяли применять их в большем количестве. В некоторых машинах число сложных магнитов, весивших по 120 фунтов каждый, доходило до 40; такие машины общество применяло для электрического освещения вплоть до последнего времени. Однако и в этих сильных машинах введение магнита в качестве промежуточного звена в процессе превращения механической силы в электричество, составляло их недостаток, который, при невыгодном соотношении между весом постоянного магнита и его магнитной силой, создавал препятствие для широкого распространения индукционной машины. Другой их недостаток заключался в том, что машины эти давали не непрерывный ток, а ряд индукционных толчков, сила которых по мере приближения электромагнитов к полюсам постоянных магнитов возрастала до максимума, а затем с удалением от них падала. Указанные причины помещали широкому распространению этих машин в технике и только в последнее десятилетие, когда оба упомянутые недостатка были устранены, настал день рождения электротехники.
Сходство индукционных токов с разрядами статического электричества побудило Фарадея вновь приняться за изучение отношения между различными видами электричества, получаемого из разных источников, и, прежде всего гальванического электричества и электричества от трения. При этом он пришел к выводу, что все они, в сущности, тождественны, отличаясь лишь соотношением между количеством и напряжением. Электрическое соотношение тела зависит не только от количества распределенного на нем электричества, но и от самого распределения его и от вытекающего отсюда результирующего напряжения электричества. Электричество от трения при малом количестве обладает очень большим напряжением, а в гальваническом — отношение обратное. Если платиновую и цинковую проволоку в 1/6 дюйма толщиной погрузить в воду, подкисленную одной каплей серной кислоты на унцию воды, и погрузить на глубину 5/8 дюйма при взаимном расстоянии обеих проволок в 5/16 дюйма, то за 6 секунд получается такое же количество электричества, какое получается от очень большой и сильной электрической машины при 30 оборотах. Количества электричества, необходимого для разложения одного грана воды, было бы достаточно для того, чтобы зарядить большую лейденскую банку 800 000 раз; ее мгновенный разряд соответствовал бы действию сильной молнии. Фарадей почти с опасением называет полученные им числа; однако позднейшие измерения Пфаффа, Беккереля, Б. Вебера и Р. Кольрауша дали столь же большие величины.
Это привело Фарадея к вопросу о связи электричества с химическим сродством, к изучению химических действий электричества. При отношении Фарадея к химии и при всем ходе его образования эти вопросы были для него особенно близки, тесно соприкасаясь с его общими воззрениями на силы природы. Однако раньше, чем опубликовать свои многочисленные опыты над химическими разложениями, он опубликовал соприкасающиеся с этим вопросом исследования об электропроводности тел и особенно жидкостей. Твердые тела, особенно металлы, проводят гальванический ток, не претерпевая химических изменений; жидкости же при этом разлагаются током. Имеет ли, однако, последнее правило место всегда без всякого исключения или же некоторые жидкости могут все-таки проводить ток подобно металлам? Фарадею показалось, что однажды ему привелось увидеть такого рода проводимость у жидкости, и потому он считал возможным, что жидкостям, помимо так называемой электролитической проводимости, свойственна, хотя и в очень слабой степени, и металлическая. Это один из немногих, может быть, даже единственный случай, когда наблюдение Фарадея не было подтверждено последующими экспериментаторами.
В последовавших затем сообщениях Фарадея о химическом разложении посредством электрического тока можно уже ясно проследить развитие воззрений Фарадея на сущность сил природы и, прежде всего, встретиться с отрицанием возможности какого-либо действия тел на расстоянии, всякого actio in distans. Фарадей настойчиво возражает против выражения «полюсы электрического тока» и против мнения, будто действие тока на жидкости, через которые он проходит, является результатом притяжения, действующего непосредственно через жидкость от одного полюса к другому. Прежде всего, он показывает, что разряды лейденской банки разлагают жидкости совершенно так же, как гальванический ток. Затем он производит следующий опыт; смоченный сернистым натрием кусок куркумовой бумаги он присоединяет к положительному кондуктору большой электрической машины, а вблизи бумаги располагает металлическое острие, соединенное проводящей связью с газовыми трубами здания. При вращении машины электричество переходит из бумаги по воздуху в острие, и бумага начинает буреть, ясно указывая, что сернистый натрий разлагается. По мнению Фарадея здесь не может быть речи ни о притяжении полюсов, ни о самих полюсах: разложения, следовательно, производятся не притяжениями или отталкиваниями некоторых точек, а уничтожением или нейтрализацией химического сродства. «То, что мы называем электрическим током, есть ось силы, которая в противоположном направлении с противоположными силами действует совершенно одинаково. Электрическое разложение обусловливается внутренним корпускулярным притяжением в телах, действующим в направлении электрического тока, и производится силой, которая либо притекла со стороны, либо только дает направление присущему телам обычному химическому сродству. Разлагаемое тело можно рассматривать как массу действующих частиц, из которых все, входящие в сферу влияния тока, принимают участие в процессе. Вследствие того, что обычное химическое сродство в направлении действующего тока уничтожается, ослабляется или до известной степени нейтрализуется, а в противоположном направлении, наоборот, усиливается или присоединяется, частицы соединений стремятся двигаться в противоположные стороны». «По моему мнению, эти действия производятся внутренними силами в теле, разлагаемом током, а не внешними силами, как можно было бы думать, если бы они были сосредоточены на полюсах. Я предполагаю, что это действие происходит от видоизменения химического сродства в частицах, вызываемого электричеством; видоизменение это состоит в том, что химическое сродство действует в одну сторону сильнее, чем в другую, и этим заставляет частицу переходить через новый ряд соединений и разложений в противоположном направлении и, наконец, на границе разлагаемого тела ее выталкивает наружу». Выражение, ток есть ось силы, вполне согласуется с позднейшим кругом воззрений Фарадея на сущность силы. Сила не есть нечто действующее непосредственно между двумя отдаленными точками пространства; весь промежуток между этими точками участвует в действии силы таким образом, что каждая его точка воспринимает и отдает или же играет роль посредника. Ось силы по существу — это то же самое, что позднее будет выражаться термином линия силы. Там мы и будем говорить о преимуществах и несовершенствах этого воззрения.
Фарадею представлялось также чрезвычайно важным сопоставить электричество и химическую силу с количественной стороны. В цепь одного и того же тока он включил последовательно большое количество совершенно различной конструкции приборов для разложения воды. Так как во всех этих приборах выделилось совершенно одинаковое количество водорода, Фарадей пришел к следующему выводу: когда вода подвергается действию электрического тока, то часть ее всегда разлагается, и эта величина пропорциональна количеству электричества, не завися ни от силы электрического тока, ни от величины поверхности, погруженной в жидкость, ни, наконец, от большей или меньшей проводимости жидкости. Итак, количество образовавшегося газа представляет собою точную меру количества электричества; исходя из этого Фарадей построил свой аппарат для разложения воды с градуированными стеклянными трубками, который он назвал вольта-электрометром, или, короче, вольтаметром. Чтобы сравнить действие тока на различные вещества с количественной стороны, Фарадей ввел с цепь тока вольтаметр и тигель с расплавленным хлористым оловом или хлористым свинцом. Таким образом он установил, что на 0,49742 грана газа в вольтаметре пришлось 3,2 грана олова или на 1 гран водорода 57,9 грана олова. Так как эти числа соответствуют эквивалентам взятых веществ, то Фарадей пришел к своему знаменитому основному электролитическому закону, подтвержденному им позднее многочисленными опытами при равных количествах электричества разлагаются эквивалентные количества различных электролитов. Антипатия Фарадея к неправильным, с его точки зрения, выражениям «полюс электричества» и «полюсные притяжения», побудили его создать для электрического разложения новую номенклатуру, которая вначале обратила на себя мало внимания, но теперь все больше входит в употребление. По этой номенклатуре весь процесс электрического разложения называется электролизом (от греческого слова 
) — растворять), а разлагаемые током вещества — электролитами. Поверхности, с которых электричество входит в жидкость, названы электродами (
— путь); та, на которой выделяется кислород, анодом ( 
—вверх); другая, на которой выделяется водород, катодом (
— вниз). Продукты разложения вообще названы ионами (правильнее ионтами, от 
— идти), а отдельно — соответственно полюсам — анионом и катионом. Берцелиус нашел эту номенклатуру совершенно ненужной по той причине, что в ее основе лежит допущение существования только одного вида электричества, между тем как именно благодаря электрохимической системе несомненно доказана реальность существования двух электрических жидкостей.
Всеми этими исследованиями Фарадей неизбежно вовлекался в разгоревшийся тогда с полной силой спор между контактной и химической теорией аппаратов Вольты. Такой серьезный и добросовестный физик, как Фарадей, не мог не высказаться, возникает ли электричество в столбе вследствие соприкосновения металлов, или вследствие химического действия между ними и жидкостями, или же, может быть, из обоих источников, — а в последнем случае, какой из двух моментов — контакт или химическое сродство — играет главную роль и который из них начинает это действие. Все эти вопросы были подняты сразу, и именно благодаря такому смешению спор так оживился и затянулся на столь долгое время.
Приверженцем чисто контактной теории был, вероятно, один лишь Вольта, смотревший на жидкости в столбе, как на пассивных проводников электричества. Но уже вслед за ним Фабброни, Уолластон, Риттер и др. обратили внимание на то обстоятельство, что этой пассивности жидкости в действительности не существует, что жидкости действуют химически на металлы, вследствие чего источник электричества следует искать именно в этом последнем процессе. Затем чисто химическую теорию столба предложил Парро, тогда как Пфафф старался многочисленными работами подтвердить контактную теорию Вольты. До начала двадцатых годов XIX века этот спор держался в приличных границах, с обеих сторон он сохранял характер научного исследования и чисто теоретической дискуссии. Но после того как Берцелиус основал свою химическую систему на положении, что все химические силы являются лишь электрическими притяжениями и отталкиваниями различных электрических элементов; после того как в основу его теории была, таким образом, положена мысль о первичности электрических сил по сравнению с химическими; и, наконец, после того как теория Берцелиуса была признана большинством химиков и физиков в Германии, — спор получил иной характер. Энергичным нападкам на эту теорию, с которыми выступили сначала де-ла-Рив, а позднее Беккерель, нападкам, опиравшимся на сильную логику и на многочисленные исследования, противостояла теперь уже как будто не спорная электрическая теория, а вполне научная система. Вследствие этого спор принял характер борьбы не за истину, а за личное влияние, и дошел до того, что противники, переставшие понимать друг друга, возражали не против действительных мнений своих оппонентов, а против мнений, которые они сами им приписывали. То, что Берцелиус говорит о своих противниках, в равной мере приложимо к нему самому и к его партии. «Подобное отношение к важным пунктам основ науки всегда имеет место, когда стремятся не выяснить объективную истину, а только подыскать доказательства для случайно оброненного мнения, которое во что бы то ни стало, желают возвести на степень истины. Это, конечно, очень распространенное явление, приводящее, однако, исследователя, вследствие отсутствия беспристрастной проверки, к заблуждениям гораздо чаще, чем обычно думают». «Подобные объяснения очень походят на действия человека, который закрывает глаза рукой, чтобы не видеть того, что есть в действительности и существование чего ему представляется нежелательным».
Тотчас после открытия так называемых замбониевых или сухих столбов победа контактной теории казалась обеспеченной. Однако вскоре выяснилось, что и в этих столбах химические изменения играют роль и что в них сила тока возрастает с усилением химического действия, зависящего преимущественно от влажности воздуха и гигроскопичности веществ, входящих в состав столба. Позднее, когда де-ла-Рив показал, что при одних и тех же металлах можно, пользуясь разными жидкостями или даже различными степенями разведения кислот водою, изменять направление тока, что электричество можно получить из одного металла и двух жидкостей, или даже из одних жидкостей — перевес оказался как будто на стороне химической теории тока. Противная сторона старалась отклонить этот удар, допустив, что электричество может получиться и при соприкосновении металлов с жидкостями или даже одних жидкостей и что этот источник может даже оказаться сильнее контакта металлов. Однако, несмотря на возражения Берцелиуса, Пфаффа, Поггендорфа и Фехнера, химическая теория все более крепла, а в законе Фарадея о пропорциональности между количеством электричества и продукта химического разложения она получила доказательство точного причинного сродства обеих сил. В своей работе об электричестве в вольтовом столбе Фарадей стоит прямо на почве химической теории, стараясь доказать целым рядом опытов, что причину тока следует искать в химических процессах, происходящих в столбе. В сочинении 1840 г. он приводит против чисто контактной теории самый сильный из всех возможных аргументов. «Контактная теория, — говорит он, — принимает, что сила, способная преодолеть столь большие сопротивления, как, например, сопротивление хороших и дурных проводников прохождению через них тока, и сопротивление электрического действия, дающего разложение тела, что подобная сила может возникнуть из ничего; далее, что без всякого изменения в действующих веществах, без всякой затраты движущей силы образуется ток, который непрерывно продолжается, несмотря на постоянное сопротивление, или же, как в вольтовых элементах с разложением, может быть прекращен только теми продуктами распада, которые он сам накопит на своем пути. Это было бы действительно созиданием двигательной силы из ничего в отличие от всякой другой силы природы.
Есть много процессов, при которых внешняя форма силы изменяется настолько, что происходит видимое превращение одной силы в другую. Так, мы можем превратить химические силы в электрический ток, или последний в химическую силу. Прекрасные опыты Зеебека и Пельте показывают взаимный переход теплоты и электричества, а из других опытов, Эрстеда и моих, вытекает взаимная обратимость электричества и магнетизма. И нет такого случая, не исключая даже электрического угря и ската, где бы сила была создана или получена без соответственной затраты чего-либо другого». После того как это воззрение одержало верх, сторонники контактной теории могли лишь отыгрываться на том факте, что и в незамкнутой цепи, когда химических изменений не происходит, все-таки имеется некоторое электрическое напряжение. После такого сокращения объема притязаний посредничество между спорящими сторонами стало уже возможным. Оно состоялось в сороковых годах текущего столетия главным образом благодаря Шенбейну знаменитому химику, открывшему озон. После многих исследований Шенбейн пришел к выводу, что соприкосновение веществ к батарее Вольты вызывает первичное электрическое разделение, первичное напряжение, которое возбуждает химическую деятельность в батарее, а уже эта непрерывно продолжающаяся деятельность является постоянным источником электрического тока. Те же воззрения были положены в основание теории гальванической цепи Гельмгольцем в его знаменитой работе «Über die Erhaltung der Kraft» (Berlin 1847) («О сохранении силы»), а после этого все физики вообще присоединились к этому воззрению.
Полемика по поводу теории гальванической цепи имела, конечно, не только одни дурные последствия, но и свои хорошие стороны. К числу последних относится, прежде всего, вызванное этой полемикой усиленное изучение внутренних процессов в батарее, химических изменений в последней. С этой точки зрения очень характерно, что Фехнер, горячий приверженец контактной теории, объяснил быстрое ослабевание тока в батареях особым видом сопротивления, при переходе электричества из металла в жидкость и обратно, — сопротивления, возрастающего особенно сильно вследствие поляризации на электроотрицательном металле и ослабевающего с прекращением этой поляризации после размыкания цепи. Между тем, с другой стороны, сторонники химической теории не только сумели правильнее объяснить причину указанного ослабления тока, но и нашли впервые путь к устройству постоянных батарей. Первым, устроившим так называемый постоянный элемент, был Беккерель, (1829); за ним еще с большим успехом занимался тем же вопросом в 1836 г. Даниель, и, наконец, с 1840 г. Грове устроил свой платиновый элемент. Последние двое при устройстве своих элементов определенно исходили из соображения, что ослабление тока в цепи происходит вследствие накопления продуктов разложения на обоих металлах, действующих особенно вредно на электроотрицательный металл. Даниель обезвредил эти отложения тем, что погрузил медь в медный купорос, вследствие чего здесь вместо водорода на медь стала отлагаться опять-таки медь. Того же достиг Грове, погрузив платину в азотную кислоту, которая непрерывно окисляет выделяющийся водород. Однако вначале никто не имел ясного представления о роли этих продуктов разложения, и ослабляющее влияние их приписывали усилению сопротивления тока в цепи. Шенбейн был одним из первых исследователей, определивших более точно значение этих продуктов разложения. Основываясь на прежних наблюдениях Риттера, Марианини (1816) и др., он утверждал, что совершенно так же, как во вторичной батарее Риттера, и в гальванических элементах поляризуются самые пластины, так что вследствие этой поляризации мог бы возникнуть ток, направление которого было бы обратно батарейному. Но эту поляризацию он объяснял скоплением на металлах газов, которые со своей стороны подобно металлам и жидкостям, могут, вследствие контактного действия, вызывать электрическое напряжение. Теория гальванической поляризации была затем дальше разработана, преимущественно в шен6ейновском духе Поггендорфом, Бэетцом и др.
После 1835 г. в издании «Experimental researches...» Фарадея наступил многолетний перерыв, в течение которого он, по-видимому, отдался усиленной умственной деятельности, в результате чего его работы до и после этого перерыва производят впечатление как бы принадлежащих к двум различным периодам. В первых его работах преобладает опыт, интерес к фактической стороне явлений; в последующих он не ограничивается только внешним и всеми силами стремится глубже вникнуть в сущность явлений. Современная ему физика считала причиной явлений силы, которые прямо и непосредственно действуют между телами на любых расстояниях; но способ действия этих сил и величину действия их на данную точку нельзя было представить себе наглядно, — то и другое можно было представить с полной строгостью только в математических символах, Фарадею же никогда не удавалось проникнуть в тайны математики; кроме того, при своей чисто интуитивной натуре, если бы даже он и владел математикой, он едва ли бы удовольствовался формулой, как выражением сущности явления. Поэтому Фарадей и не мог смотреть на всякое actio in distans иначе, как на кажущееся явление, и не мог не искать за ним какого-либо естественного передатчика действия. Хотя у него были сомнения и насчет силы тяготения, он последнюю оставил пока в стороне и сосредоточил свое внимание на действии электрических и магнитных сил на расстоянии, стараясь, нисколько возможно, совершенно отделить их от силы тяжести. Более удобной для этой цели он считал не вновь открытую динамическую, а скорее статическую индукцию, как назвал ее Фарадей, или влияние электричества от трения. С этой точки зрения становятся понятными следующие слова Фарадея: «Между различного рода действиями, которые проявляются в электричестве, по-моему, нет ни одного, которое по своей важности превосходило бы или было даже сравнимо с тем действием, которое мы называем индукцией. Последнее оказывает самое широкое влияние на явления электричества, так как оно, по-видимому, принимает участие во всех процессах и имеет характер основного принципа. Правильное понимание ее столь важно, что, мне кажется, мы не сможем добиться успехов в деле исследования законов электричества, если предварительно хорошо не изучим ее природы».
Фарадей полагает, что всякое actio in distans мыслимо не иначе, как по прямой линии, тогда как действие силы через посредство может распространяться в пространстве и по кривым линиям. Он старается показать, что при статической индукции имеет место последнее. Натерев теплой фланелью цилиндрическую палочку шеллака в 0,9 дюйма диаметром и 7 дюймов длиной, т. е. зарядив ее отрицательным электричеством, он положил на конец ее, как это показано на черт. 12, медный шарик диаметром в 1 дюйм. Затем он исследовал вызванный индукцией заряд при помощи маленького позолоченного шарика из черного дерева с шеллаковой рукояткой, причем в b, с, d и е он повсюду нашел только положительное электричество, но в е заряд оказался сильнее, чем в b. Этим Фарадей считал доказанным, что статическая индукция действует около шара по кривым линиям; что через проводник индукция не действует, он так же был вполне убежден на основании следующего опыта. Над шеллаковым цилиндром вместо шара был подвешен металлический диск (средняя часть фигуры) от 11/2 до 2 дюймов; теперь пробный шарик не получал заряда в f, но заряжался в g и h. Подобные же опыты были произведены с полушариями и дали соответствующие результаты. На этом основании Фарадей считал вполне доказанным, что статическая индукция не является actio in distans, а совершается через посредство промежуточной материи; поэтому он занялся более детальным исследованием влияния этих промежуточных веществ на индукцию. Для этой цели он применил два совершенно одинаковых экземпляра одного и того же прибора, устроенного следующим образом (см. правую часть чертежа): внутри каждого полого шара А, составленного из двух половин, наподобие магдебургских полушарий, подвешен другой полый шар B на проволоке, окруженной сургучом, и кончающийся наверху массивным металлическим шариком K. Из нижней половины внешнего шара в металлической подставке сделан ход с краном для выкачивания воздуха из пространства между шарами, а также для наполнения его другими газами. Кроме того, в некоторых опытах нижняя половина этой полости наполнялась расплавленными твердыми веществами, например серой, шеллаком и пр. Таким образом, эти приборы, названные Фарадеем аппаратами распределения, представляли собою лейденские банки с переменными изолирующими веществами, включая сюда и воздух. Фарадей заряжал всегда сначала один прибор, затем разделял этот заряд между обоими и после этого исследовал заряд на обоих приборах при помощи пробной пластинки и крутильных весов Кулона. Когда приборы находились в одинаковых условиях, то заряд разделялся между ними поровну. Но когда один из них был наполнен воздухом, а другой наполовину залит шеллаком, то при заряде воздушной банки, соответствовавшем 290 делениям крутильных весов, заряды обоих внутренних шаров после разделения, хотя и оказались равными, но соответствовали уже величине в 114 градусов. Кажущаяся потеря электричества могла произойти только от связывания его шеллаком второго прибора или, точнее, от более сильного связывания электричества шеллаком, чем воздухом. Так как дальнейшие опыты подтвердили различную способность разных веществ связывать электричество, специфическую индуктивную их способность, по терминологии Фарадея, то отсюда он опять заключил, что статическая индукция зависит от среды и, следовательно, не может быть непосредственным действием на расстоянии. Вещества, через которые может происходить индукция, он назвал диэлектрическими. Это название по существу совпадает с понятием изолятора. Тем не менее Фарадей старается доказать, что проводники и непроводники отличаются друг от друга не абсолютно, а лишь по степени. С последней целью он исследует электрический разряд. Свойствам последнего посвящены двенадцатая и тринадцатая серия «Опытных исследований», а только что описанные опыты составляют предмет одиннадцатой серии.
Электрический заряд тоже зависит от диэлектрика. Длина разряда оказалась различной, в зависимости от рода газа, через который разряд происходил; окраска разрядного света тоже изменялась с газами; наконец и форма разряда, была ли то искра, пучок или свечение, тоже определялась свойством диэлектриков. Но особенно интересным оказался случай, который Фарадей описал под названием темного разряда. «Два латунных стержня в 0,3 дюйма толщины были введены с противоположных сторон в стеклянный шар до взаимного соприкосновения, воздух в шаре был сильно разрежен. Через стержни был пропущен электрический разряд из машины, и во время прохождения разряда концы стержней были отделены друг от друга. В момент отрыва на конце отрицательного стержня появилось длительное свечение, между тем как положительный оставался совершенно темным. При увеличении расстояния на конце положительного стержня появился пурпуровый сноп или туман, направлявшийся прямо к отрицательному стержню; с увеличением промежутка этот сноп удлинялся, но никогда не доходил до соприкосновения с отрицательным свечением:— между ними постоянно оставался короткий темный промежуток. Последний длиною в 1/16—1/29 дюйма, по-видимому, не изменялся ни по ширине, ни по положению по отношению к отрицательному стержню... Разъяснение этих явлений было бы очень важно, потому что, очевидно, при многих опытах... разряд через темную часть диэлектрика происходит в таком же точно объеме, как и через светлую часть. Такое различие результата (положительного и отрицательного разряда) указывает, по-видимому, на то, что обе электрические силы приводятся различным образом в равновесие в соответствующих частях; и если смотреть на эти явления, как на дальнейшее доказательство того, что основания распределения и разряда следует искать в состоянии частиц диэлектрика, то было бы крайне важно знать в точности, в чем заключается различие действия в темных и светлых частях. Вообще Фарадей ожидал — и мы полагаем вполне обоснованно — больших результатов от изучения явлений разряда. «Результаты, связанные с различными явлениями положительного и отрицательного разряда, — говорит он в другом месте, — повлияют на теорию электричества сильнее, чем мы теперь думаем, в особенности, если они, как я полагаю, зависят от особенностей и степени поляризованного состояния частичек диэлектрика».
Фарадей затем устраняет принципиальное различие между проводниками и изоляторами, рассматривая всякую проводку электричества, как разряд между соприкасающимися частями тела, происходящий в одних веществах очень быстро, а в других медленно. Тем не менее, различие между проводниками и изоляторами продолжает быть для Фарадея очень важным пунктом, так как оно по существу находится в связи с молекулярной теорией распределения и способом восприятия и сохранения частицами тела поляризованного состояния». Но заряд тела находится в самой тесной связи с распределением электричества, поэтому выражения «свободный заряд» и «связанное электричество» приводят к неправильным представлениям, если ими хотят выразить какое-либо различие в способе их действия. «Заряд на изолированном проводнике, помещенном посредине комнаты, находится в таком же отношении к стенам этой комнаты, в каком заряд на внутренней обкладке лейденской банки относится к внешней обкладке последней. Ни один из них нельзя считать ни более свободным, ни более связанным, чем другой».
Замечания Фарадея о статической индукции не встретили такого же безраздельно благоприятного приема, как прежние его исследования. Большинство физиков, особенно же немецких, не были согласны с его борьбой против actio in distans. Так, прежде всего Рисс, известный знаток электричества от трения, собравший в 1853 г. все свои исследования по этому отделу, начатые им в 1834 г., в обширном сочинении «Die Lehre von der Reibungselektricität» («Учение об электричестве от трения»), старался показать, что хотя при электрической индукции и нельзя отрицать действия на диэлектрик, но непосредственное действие на расстоянии кондуктора на кондуктор остается здесь все-таки главным моментом. Относительно математического закона разряда Рисс установил около этого времени следующие положения: 1) отталкивание близко расположенного шара внутреннею поверхностью электрической батареи пропорционально квадрату плотности электричества, а отталкивание шара, расположенного на некотором расстоянии, пропорционально уже только первой степени плотности; 2) длина разряда пропорциональна плотности накопившегося электричества; 3) повышение температуры от разряда в проволоке разрядника пропорционально произведению количества электричества на его плотность; 4) повышение температуры в различных проволоках равной длины, сделанных из одного и того же металла, при равном количестве электричества обратно пропорционально четвертой степени диаметра проволоки; 5) отклонение магнитной иглы проволокой, через которую медленно разряжается батарея, уменьшается с увеличением поверхности батареи. Уже ранее этого Уитстон работал над разрядом электрических батарей и при помощи своего известного зеркального прибора измерил продолжительность разрядной искры, которая оказалась равной 0,000042 сек.; скорость происходящего при этом разрядного тока составила 62 500 миль в секунду.
Постепенно, придя к убеждению, что все влияния статического электричества происходят при посредстве среды, Фарадей старался распространить эту мысль и на все полярные силы, «так как всякая сила находит или развивает поблизости от себя противоположную силу, и ей нет, поэтому нужды искать эту силу на расстоянии». Но здесь Фарадей еще не устраняет полностью действия на расстоянии; наоборот, он определенно отмечает, что под соседними частицами он всегда подразумевает лишь такие, «которые лежат ближе всего друг к другу, но никак не части тела без всякого промежутка между ними». Вслед за этим, рассматривая поперечные, или магнитные, силы электрического тока, он тоже пришел к малоблагоприятным результатам. Опыты даже показали, «что хотя сила распределения статического электричества передается на расстояние, благодаря действию промежуточных частиц, тем не менее, поперечная сила распределения токов, тоже способная действовать на расстоянии, не распространяется таким же образом через посредство промежуточных частиц». Однако он не считал эти опыты ни доказательными, ни решающими и все-таки считал «возможным и даже вероятным, что магнитное действие передается на расстоянии через посредство промежуточных частиц».
Здесь Фарадей дошел до трудного, может быть, самого трудного пункта во всех своих работах, и опытные его исследования на целые годы отклонились от главной темы. В этот промежуток он показал, что сила электрических рыб по всем своим действиям тождественна с электричеством из других источников, снова занимался, как было уже упомянуто, теорией гальванического элемента и в 1843 г. исследовал незадолго до того открытое паровое электричество. В 1840 г. близ Ньюкасла надсмотрщик при машине, приблизив одну руку к неплотно заклепанному месту парового котла, из которого выходил пар, а другою, взявшись за рычаг предохранительного клапана, почувствовал электрический удар. Об этом в конце 1840 г. узнал механик Армстронг, который вскоре установил, что пар, вырывающийся из предохранительного клапана, всегда наэлектризован положительно, тогда как паровой котел, если его изолировать, всегда проявляет свободное отрицательное электричество. Относительно источника этого электричества сам Армстронг не пришел ни к какому выводу. Фарадей же определенно выяснил, что главным источником электричества в данном случае является трение частичек конденсированного водяного пара о стенки выводного канала.
Несмотря на эти отклонения в сторону, Фарадей не только не упускал из виду своей главной темы, но работал над ней очень усиленно — это показали последовавшие, начиная с 1846 г., серии его «Экспериментальных исследований». Идеи Фарадея о посредственном дальнодействии всех полярных сил, будучи применены к магнитным силам, приводили к возможности намагничивания всяких веществ и возможности воздействия поперечных сил электрического тока на всякие тела. Сначала эта мысль показалась скорее порождением пылкой фантазии или же шаткой философии, чем результатом точной науки. Но если о дереве можно судить по его плодам, то как раз эта мысль доказала свое право на существование более убедительно, чем многие иные гипотезы, свободные от каких-либо философских погрешностей.
Для выявления малейших молекулярных изменений внутри прозрачных тел Фарадей применил поляризованный свет. Свет аргантовой лампы, поляризованный путем отражения от стеклянной поверхности в горизонтальной плоскости, проходил через исследуемое прозрачное вещество, затем через николеву призму, которую можно было вращать около горизонтальной оси, и затем — в глаз наблюдателя. Призма устанавливалась таким образом, что получалось полное затемнение поля зрения. Когда после этого исследуемое вещество подвергалось действию магнитных сил, то погашенный николем свет снова появлялся, а для того, чтобы снова добиться максимального затемнения, приходилось николь повернуть на некоторый угол. За исключением всех газов разных тел и некоторых кристаллов, все прозрачные вещества оказались обладающими такою способностью, и особенно резко кремнеборное стекло. Борнокислая окись свинца вращала плоскость поляризации почти столь же сильно, слабее флинтглас, еще слабее кронглас и т. д. Величина вращения оказалась пропорциональной толщине пройденного слоя прозрачного вещества и силе тока; с изменением магнитной полярности изменялось и направление вращения плоскости поляризации. Если какой-либо жидкости самой по себе была свойственна вращательная способность, то последняя не влияла на магнитное вращение; она прямо прибавлялась или вычиталась. Результаты Фарадея были тотчас же подтверждены Р. Боттгером, Пуллье, Беккерелем и др. Последний усилил вращение тем, что пропустил поляризованный луч света через пробуравленную арматуру магнита. Фарадей полагал, что вращение плоскости поляризации происходит вследствие непосредственного действия магнитных сил на световой эфир, и поэтому назвал данное явление — магнетизацией света. Другие же физики думали, что это не прямое действие, а действие, передающееся через посредство частиц прозрачного тела. Этот вопрос и доныне (1887 г.) окончательно не разрешен.
После того как Фарадей таким образом доказал удивительное влияние магнитных сил на свет, ему удалось при помощи более сильных приборов показать также влияние тех же сил на все вещества и тем самым обеспечить возможность подтверждения своей догадки о единстве всех полярных сил. Подвесив перед полюсом сильного электромагнита в очень подвижном положении тяжелое стекло, он заметил, что оно отталкивается электромагнитом. Продолговатый кусок того же стекла располагался между полюсами подковообразного электромагнита не параллельно, а перпендикулярно к его оси, не вдоль оси, а по экватору. Испытав затем самые разнообразные тела, Фарадей доказал, что при достаточной силе магнит влияет на все известные твердые и жидкие вещества. Тела, которые располагаются экваториально к магниту, он назвал диамагнитными, в отличие от тех, которые в своих движениях следуют обыкновенным магнитным телам. Впоследствии он стал употреблять слово «магнитный» в собирательном смысле, а обычные магнитные тела стал называть парамагнитными. К магнитным телам он отнес: железо, никель, кобальт, платину, палладий, бумагу, сургуч, тушь, фарфор и др.; к диамагнитным: тяжелое стекло, горный хрусталь, фосфор, висмут, антимоний, олово, ртуть, серебро, медь и т. д. Странным и несвязанным с прочими магнитными явлениями оставался в то время факт, что многие металлы, например серебро, медь, золото и пр., после включения тока упорно сохраняли между полюсами электромагнита то положение, которое им было дано до включения тока.
Диамагнетизм всех веществ был, по-видимому, действием индукции, так как сила его зависела от силы электромагнита. Поэтому представлялось наиболее естественнее объяснить диамагнетизм тем, что магниты индуцируют в диамагнитных телах не противоположные, а одноименные полюсы, или же что в частицах тех возникают токи не согласно амперовскому правилу, а в обратном направлении. Но в сущности это выражало лишь внешнюю сторону явлений и представлялось, кроме того, маловероятным. Поэтому Фарадей обратился к исследованию другой возможности, именно к объяснению отталкивания диамагнитных тел их относительно слабой магнитностью по сравнению с магнетизмом окружающей среды. Эта задача привела его к изучению магнитных явлений в газах. После многих опытов над стеклянными трубками с заключенными в них газами, опытов, в которых Фарадей наблюдал скорее магнитные свойства трубок, чем газов, он пришел, наконец, к мысли пропускать струи газа между полюсами магнита и сделать их видимыми (если они бесцветны) при помощи паров аммиака и соляной кислоты. Конечно, и здесь он не получал в чистом виде магнитных действий только на газ; но во всяком случае он имел дело с разностью действий двух газов. Таким путем Фарадей установил, что из всех газов только один кислород является по отношению к атмосферному воздуху магнитным, все же прочие — диамагнитными; по отношению к угольной кислоте кислород, атмосферный воздух, окись азота и др. оказались магнитными. Уже на основании этого можно было считать, что пламя свечи в воздухе должно быть диамагнитно и будет отталкиваться магнитными полюсами. Аналогичные результаты Фарадей впоследствии получил еще и другим путем, а именно: он наполнял исследуемым газом мыльные пузыри и помещал их между полюсами своих электромагнитов.
После этого Фарадей перешел к теоретическому истолкованию полученных им результатов. Ввиду того, что наша атмосфера содержит в себе немалую долю столь сильно магнитного тела, как кислород, то, по мнению Фарадея, она не может не оказывать влияния на магнитное состояние земного ядра; и он попытался объяснить периодические колебания постоянных земного магнетизма периодическими влияниями Солнца на земную атмосферу. Как раз в это время проводилась усиленно работа по определению названных постоянных и законов их изменений. По инициативе Гаусса и Гумбольдта возник особый магнитный союз, который ежегодно в течение определенных семи дней производил одновременно через очень короткие промежутки времени наблюдения над магнитной стрелкой в более чем двадцати станциях, рассеянных почти по всей Европе; этим наблюдениям соответствовали, кроме того, другие, производившиеся на других материках и даже на море. Наблюдения Магнитного союза закончены почти одновременно в 1842 г. Ламон впоследствии отметил, что ценность большинства этих наблюдений не вполне соответствовала приложенному усердию и затраченной на них работе. Наиболее важным плодом этих наблюдений следует, во всяком случае, считать издававшиеся Гауссом и В. Вебером «Resultate aus den Beobachtungen des magnetischen Vereins 1836 bis 1841, Göttingen 1837 bis 1843 («Результаты наблюдений Магнитного союза от 1836 до 1841 г.»). Здесь приведено описание и теория построенных Гауссом новых инструментов для точного определения элементов земного магнетизма, а именно унифилярного магнитометра («Resultate ...», I, 1837), бифилярного магнитометра («Resultate ...», II, 1838), равно как изобретенного В. Вебером инклинатора («Resultate...» 1837). Помещенная Гауссом в третьем томе этих «Результатов» теория земного магнетизма представляет собою скорее математическое исследование о распределении магнетизма по земной поверхности на основании отдельных наблюдений, чем исследование о причинах и сущности земного магнетизма. Но зато огромное значение и притом не для одного только магнетизма, но для всех вообще физических дисциплин получила его работа «Intensitas vis magneticae terrestris ad mensuram absolutam revacata» («Интенсивность магнитной силы Земли, измеренная в абсолютных мерах»).
Так как все силы могут быть определены и измерены только по вызываемым ими движениям, то для определения всех сил необходимы только три основные единицы меры: единица пространства, единица времени и единица массы. Если все прочие единицы меры выведены только из этих трех единиц, то все данные измерения становятся сравнимыми; такую систему мер Гаусс называет абсолютной. За единицу времени он принимает секунду, за единицу длины — миллиметр, за единицу массы — массу одного миллиграмма. При этих условиях единицей силы является такая сила, которая единице массы в единицу времени сообщает ускорение равное единице. Единицей магнетизма является такое количество его, которое на равное ему количество магнетизма на расстоянии, равном единице, действует с силой, равной единице.
Такая методика определения, которую можно легко перенести и на другие физические явления, получила после Гаусса постепенно распространение и, в свою очередь, подготовила почву для идеи о единстве всех сил природы.
В это самое время Фарадей изучал распространение магнетизма в телах еще и с другой стороны. Совершенное тождество всех сил природы, в особенности экспериментально установленная связь между электричеством, магнетизмом и светом, заставляли предполагать, что в кристаллах магнетизм, подобно свету, распространяется различно в разных направлениях. Уже ранее этого он произвел подобные опыты с влиянием статического электричества, которые, однако, дали отрицательные результаты; теперь же ему удалось получить результаты, свидетельствующие о несимметричном действии магнетизма в кристаллах. Плюкер в 1847 г. заметил, что оптически одноосный кристалл располагается между полюсами подковообразного электромагнита своею осью перпендикулярно к оси магнита и что это явление не зависит от пара- или диамагнитного характера кристалла. Фарадей нашел, что искусственно кристаллизованный висмут располагается не диамагнитно, а таким образом, что его главная плоскость раскола становится параллельной магнитной оси и что это положение не зависит вообще от какой-либо формы висмута. Подобные же магнитные явления, не зависящие, подобно пара- и диамагнитным, от внешней формы, но находящиеся в связи с кристаллографическими или оптическими осями кристалла, были потом найдены и на ряде других веществ, как сурьма, мышьяк и т. д. Фарадей, кроме того, доказал, что эти магнитные силы не притягивают и не отталкивают, а действуют лишь направляющим образом, вследствие чего он считал необходимым отличить их и по названию от магнитных сил. Эти силы он назвал магникристаллическими, а оси, по которым они действуют, — магникристаллическими осями. Так как эти силы зависят от молекулярных свойств вещества, то от исследования их он ожидал очень многого для молекулярной теории.
Очень характерны следующие слова его, касающиеся вопроса о сущности силы: «Не могу закончить этот ряд исследований, не отметив, как быстро растут наши знания о молекулярных силах, с какой яркостью каждое исследование выявляет их важность и делает изучение их привлекательным. Еще немного лет тому назад магнетизм был для нас темной силой, действующей на очень немногие тела; теперь же мы знаем, что он действует на все тела и находится в самой тесной связи с электричеством, теплотой, химическим действием, со светом, кристаллизацией, а через последнюю — с силами сцепления. При таком положении вещей мы чувствуем живую потребность продолжать свои работы, воодушевляемые надеждой привести магнетизм в связь даже с тяготением».
Закончив в следующей серии свои исследования о магникристаллической силе, Фарадей перешел к выполнению только что намеченной им задачи. С этой целью он завил изолированную медную проволоку в 350 фут. длиной, в виде полого цилиндра, длиною в 4 дюйма, с внутренним диаметром в 1 дюйм и наружным в 2 дюйма, присоединил к концам этого цилиндра два скрученных вместе провода, которые вели к чувствительному гальванометру, и затем с высоты 36 футов бросал цилиндр на мягкую подушку таким образом, чтобы при падении ось спирали все время оставалась вертикальной. Однако при этом ему не удалось подметить и намека на превращение силы падения в электричество. Эту серию обоих сообщений он опять заканчивает следующими характерными словами: «На этом пока мои опыты заканчиваются; результаты их отрицательны, тем не менее, моя уверенность в существовании связи между силой тяжести и электричеством ими не поколеблена».
Все работы Фарадея по физике одухотворены его взглядом на силу, и этот взгляд оригинален в двух отношениях. Никакая сила не действует непосредственно на расстоянии, и все силы природы способны превращаться друг в друга, представляя по существу лишь формы одной единственной силы. Никогда он не представлял себе силы, пребывающей в какой-либо точке и действующей непосредственно на удаленные тела. Для него всякая сила есть ось силы или линия силы, которая существует везде, где сила проявляет свое действие. Линиями сил светящегося тела являются световые лучи, которые из него исходят; у нагретого тела это — тепловые лучи; линии магнитных сил определяются железными опилками, которыми посыпают магнит и возле магнита; их можно также выявить, если маленькую магнитную иглу при всяком занимаемом ею положении перемещать в направлении ее длины таким образом, чтобы она всегда представляла собою касательную к линии движения. Вообще же линия силы есть траектория точки, движущейся постоянно в направлении действующей на нее силы или перемещающейся таким образом, что путь ее пересекает поверхности уровня силы под прямым углом. Если представить себе построенными для известной силы и известного пространства все линии силы, то густота и направление их в каждой точке дает величину и направление действующей в этой точке силы. Не владея мощными вспомогательными средствами математики, Фарадей для выражения напряженности силы в какой-либо точке прибегал к наглядному построению своих линий силы. Это сказывается уже в первых его работах с электрической индукцией и затем во всех последующих. Но более систематично он разработал их теорию в последних сериях своих «Экспериментальных исследований ...». Однако здесь линии сил уже рассматриваются Фарадеем не только как графическое средство, а их действительное существование признается им, по меньшей мере, вероятным. Так как сила действует повсюду в пространстве, то и линии сил должны постоянно наполнять все пространство, и физическое существование линий сил необходимо предполагает непрерывное наполнение пространства. Здесь Фарадей начинает полемизировать против атомистической теории, выявляя ее слабые стороны. В конце концов, он приходит к радикальному представлению о материальности всего непрерывного пространства. Но эти идеи он не выдает ни в качестве твердо установленных гипотез, ни в качестве отстаиваемых им непреложных основ своей физики. Для него это не более, как подлежащие еще обсуждению возможности, при которых не исключается проработка прямо противоположных идей. Свои идеи он предлагает лишь как материал для дискуссии или, самое большее, для новой экспериментальной проверки. Они предназначаются им не для учащихся, а для проверки их работниками в области физики. Это значительно затрудняет их описание, но зато проверка их интересна и поучительна.
В то время как в этих воззрениях на действие сил отрицание возможности какого бы то ни было непосредственного действия на расстоянии выступает как догадка или как идеальное построение, способность всех сим природы к превращению Фарадей уже раньше считал общим бесспорным началом природы. Это ясно вытекает из всех его рассуждений, и еще до 1840 г. он определенно высказывает мысль о количественном сохранении сил во всех формах: «со временем мы будем в состоянии сравнивать между собою такие молекулярные силы, как тяжесть, сцепление, электричество, химическое сродство, и выводить тем или иным образом их относительные эквиваленты и их эффекты; теперь же мы еще не в состоянии делать это». Но тут, конечно, мог бы возникнуть вопрос, почему же сам Фарадей не доказал сохранения сил при всех ее перевращениях. В ответ на это можно было бы, пожалуй, указать, что гений Фарадея был достаточно мощен, чтобы при разрешении поставленных им себе задач возместить все пробелы в его предварительной научной подготовке, но в самом выборе этих задач сказывался недостаточный интерес к проблемам математического порядка.
Фарадей представляет крайне своеобразную личность в ряду физиков. Насколько все его исследования тесно связаны друг с другом, настолько же они составляют замкнутое целое. Связь Фарадея с другими физиками односторонняя; он почти всегда дает другим и очень редко сам получает от других. Он не заимствует своих задач случайно у других физиков, а выводит их самостоятельно из самой сути дела. Им движут не господствующие идеи его времени, а собственные его воззрения, которых современники почти не понимают и уж во всяком случае, не разделяют. Поэтому он не создал школы в обычном смысле этого слова; многие физики даже сознательно сторонились от всяких влияний с его стороны. Его великие экспериментальные открытия: гальваническая индукция, законы электролиза, магнетизация света и диамагнетизм встретили горячее сочувствие и распространили повсюду славу Фарадея. Но идеи его, связанные с этими открытиями, встретили больше противников, чем друзей, и лишь в последнее время, благодаря Томсону, Тиндалю и особенно Максвеллу, линии сил Фарадея получили всеобщее признание, и теперь едва ли найдется учебник по магнетизму или электричеству, в котором бы их не было; кроме того, учение о потенциале так тесно связано с теорией линий сил, что широкое применение первого из этих понятий можно считать победой идей Фарадея. Можно ли, однако, принимать в полном их объеме все воззрения Фарадея на сущность силы и материи, — об этом мы предоставляем судить читателю. Мы с нашей стороны, в виду характерной цельности и законченности его научной личности, сочли себя вправе изложить здесь полностью всю его деятельность, хотя некоторыми своими сторонами, особенно последними своими идеями, она в значительной мере принадлежит к новейшей эпохе физики.
Наряду с указанными успехами в области теории электричества нам остается еще упомянуть о первых шагах электротехники в этот период. Выше было упомянуто о неудачных попытках применить электричество для получения механической работы, и обратно, теперь же мы укажем на две новых ветви электротехники, которые за это время достигли сравнительно большой зрелости.
Даниэль вскоре после устройства своего элемента обратил внимание на то, что отлагающаяся на электроде медь очень легко может быть с него снята целиком, и тогда получается обратный, но совершенно правильный слепок с электрода. В 1836 г. де-ла-Рив сделал такое же наблюдение, но мысль о техническом применении этого явления была высказана впервые Якоби в феврале 1837 г., а в сентябре того же года Спенсером. Якоби изложил свои соображения в «Philosophical Magazine» (XV, 1839), а затем в отдельной работе «Die Galvanoplastik» (Петербург 1840) привел точные и подробные указания, касающиеся получения гальванопластических отпечатков. Далее, благодаря работам Р. Беттхера, Коббеля и др., гальванопластика получила быстрое развитие; в это же время развилось гальваническое осаждение металлических налетов на другие металлы.
Мысль об электрическом телеграфе родилась тотчас же, как только был установлен факт легкой передачи электрических явлений на большие расстояния. Почти все виды электрических явлений поочередно предлагались по мере их открытия для применений к телеграфному делу. Однако задача устройства относительно дешевых приборов, обеспечивающих надежную и правильную передачу сигналов, была разрешена впервые именно в этот период. После того как Уатсону в 1747 г. удалось передать электричество на несколько миль по Темзе, некто К. М., оставшийся неизвестным, предложил в Scott's Magazine в 1753 г. применить для телеграфирования электрические разряды и притяжение легких тел электричеством. Лесаж осуществил подобный план в 1774 г., употребив для сигнализации 25 проволок с бузиновыми шариками на концах. Сильва устроил в 1798 г. для испанского короля в окрестностях Мадрида телеграфную линию, на которой сигнализировали электрическими искрами. Однако все эти опыты оказались, в конце концов, безуспешными хотя бы уже вследствие непостоянства источника силы. В последнем отношении гальванический ток оказался более подходящим, но зато он оказался менее удобным для подачи сигналов. Так, например, идея Земмеринга (1809 г.) применить для сигнализации выделение пузырьков водорода на полюсе проводника, опущенного в воду, была, очевидно, невыполнима. Лишь после того как стало известно действие тока на магнитную стрелку, открылась действительная возможность применения его к телеграфному делу, и предложение в этом смысле было сделано Ампером еще в 1829 г. Однако препятствием к введению предложенного им гальванического телеграфа послужила дороговизна многочисленных проводов, и это препятствие было устранено лишь спустя долгое время после предложения Ампера. Есть основание думать, что Шиллинг в 1832 г. (эта дата не вполне выяснена) указал, что достаточно двух проводов для того, чтобы, изменяя по желанию направление тока, отклонять магнитную стрелку вправо или влево, и что, таким образом, комбинируя эти два закона на различные лады, можно передавать по телеграфу всю азбуку. Как бы то ни было, подобная мысль была осуществлена независимо от Шеллинга, Гауссом и В. Вебером в Геттингене в 1833 г. Источником тока служила им индукционная катушка. Штейнгель в Мюнхене тоже стал с 1837 г. применять для телеграфирования индукционные токи, которые он получал с помощью электромагнитной машины, схожей с машиной, изобретенной в 1833 г. Пиксием.
Он достиг того, что его магнитные иглы давали сигналы, которые можно было различать на слух, знаки, воспроизводимые иглами, могли записываться; кроме того, он заметил — а это было не менее важно для практики, — что для обратного проведения электричества можно использовать землю, благодаря чему открылась возможность телеграфировать по одной проволоке. Этими открытиями была в принципе уже создана наша современная телеграфия. Уитстон, который, начиная с 1837 г., стал вводить свой стрелочный телеграф на английских железных дорогах, в сущности не ввел ничего нового, придав лишь аппарату более удобную для работы форму и вернувшись к применению элементов в качестве источников тока. Значительно больший прогресс представляло для телеграфного дела введение электромагнита Морзе. Первая модель Морзе была, как говорят, готова уже в 1835 г.; в 1840 г. она в основном получила нынешнее свой устройство, но лишь в 1844 т. была открыта для общего пользования первая линия, оборудованная аппаратами Морзе, между Вашингтоном и Балтимором. Электромагнит приемной станции весил еще 150 фунтов, следовательно, он еще был далек от того, что называется портативностью. Нынешнюю более компактную свою форму он получил позднее преимущественно благодаря профессору Пэджу.