Как Фарадей создал теорию диэлектрической поляризации

Как Фарадей создал теорию диэлектрической поляризации

Как осуществляется взаимодействие двух тел — на расстоянии или же через посредство среды? Этот вопрос задавали себе физики и философы еще со времен Ньютона. Сам Ньютон практически уклонился отрешения этой проблемы, хотя и не верил в возможность действия на расстоянии. Представители математической физики склонялись к признанию действия на расстоянии, причем не столько потому, как это принято считать, что Ньютон в своих исследованиях предполагал действие «как бы» происходящим на расстоянии, сколько просто по той причине, что при отсутствии удовлетворительных теорий действие на расстоянии представлялось наиболее простой моделью для математического истолкования явлений. Изучение электрических и магнитных явлений снова выдвинуло эту старую проблему. В действие на расстоянии верили Эпинус, Кавендиш, Кулон, Пуассон.

Фарадей занялся этим вопросом в 1837 г., считая, что эта проблема может быть решена экспериментальным путем. В самом деле, думал Фарадей, действие на расстоянии должно проявляться только по прямой линии, тогда как действие опосредствованное должно быть способным проявляться и по кривой; кроме того, если среда не участвует в процессе распространения электрического действия, то природа промежуточного вещества не должна влиять на это явление; если же действие опосредствовано, то такое влияние должно проявляться. Руководствуясь этими представлениями, он провел многочисленные и остроумнейшие эксперименты, из которых следовало, что электрическое действие проявляется также по кривым линиям и что промежуточная среда значительно влияет на это действие.

В ходе этих исследований Фарадей провел свой знаменитый опыт с деревянной кабинкой, окруженной заземленной металлической сеткой («клетка Фарадея»), внутри которой нельзя было обнаружить ни малейшего признака электричества даже при очень большом заряде на стенках, и аналогичный опыт с «цилиндром Фарадея», представлявший собой более тщательное и более полно проведенное повторение эксперимента с «колодцем» Беккариа. Эти опыты Фарадея подтверждали то, что уже отмечали наблюдатели предшествовавшего века и что доказывалось, как мы видели, математической физикой.

Проводя опыты с сферическими конденсаторами одинакового размера, но с различными изолирующими прокладками, Фарадей устранил всякие сомнения относительно существования некоторой удельной индуктивной способности (этот термин введен Фарадеем), развивая таким образом исследования, начатые Беккариа семьдесят лет назад.

В результате этих опытов Фарадей сформулировал свою теорию диэлектрической поляризации.

Как объяснить влияние диэлектрика в конденсаторе? Авогадро в 1806 г. предположил, что молекулы непроводящего тела поляризуются под воздействием заряженного проводника. Но Фарадей, по-видимому, не знал этой работы Авогадро и руководствовался двумя аналогиями: теорией магнетизма Пуассона и теорией электролитического действия Гроттгуса.

Он был поражен сходством вольтаметра с конденсатором: если к кусочку льда с двух сторон приложить два заряженных проводника, то получится конденсатор, если же лед растопить, то получится вольтаметр, в котором, согласно гипотезе Гроттгуса, поляризованные молекулы ориентированы в направлении тока. Но, по мнению Фарадея, поляризация должна уже существовать в молекулах льда, жидкое состояние лишь позволяет ионам перемещаться. Поэтому, заключает Фарадей, обычная электростатическая индукция представляет собой «действие смежных частиц». Частицы тела, будь то изолятор или проводник, являются совершенными проводниками, которые в обычном состоянии не поляризованы, но могут поляризоваться под действием соседних заряженных частиц. Заряженное тело, помещенное в изолирующую среду, поляризует ее частицы слой за слоем. Теория магнетизма Кулона и Пуассона, таким образом, переносится целиком на теорию диэлектриков.

На объявленный Итальянским научным обществом конкурс по разработке математической теории электростатической индукции, основанной. на идеях Фарадея, откликнулся Оттавиано Фабрицио Моссотти (1791—1863), один из крупнейших представителей математической физики прошлого века, чьи произведения теперь собраны и изданы в двух томах (Пиза, 1942—1951). Он представил замечательную работу «Discussione analitica suW influenza che I'azione di un mezzo dielettrico ha sulla distribuzione del elettriciia alia super-jicie di piu corpi elettrici disseminati in esso» («Аналитическое рассмотрение влияния диэлектрической среды на распределение электричества по поверхности расположенных в ней электрических тел»), Модена, 1850 г.

Моссотти представляет диэлектрик состоящим из множества проводящих частиц, погруженных в изолирующую среду, и применяет к этой системе пуассоновскую теорию магнетизма. Полученные выводы используются затем для исследования распределения электричества по поверхности проводников, погруженных в диэлектрик. Теория Моссотти была затем (в 1867 г.) применена и расширена Клаузиусом в его механической теории теплоты. Мы увидим в дальнейшем, как ее использовал Максвелл. Добавим еще, что к первоисточникам современной теории диэлектриков следует отнести и другую известную работу Моссотти (опубликованную в Турине в 1836 г.), в которой, исходя из теории Эпинуса, он приходит к новой теории молекулярных сил и дает ее аналитическую разработку.

Список литературы

Марио Льецци "История физики"