Як Фарадей створив теорію діелектричної поляризації

Як здійснюється взаємодія двох тіл - на відстані або ж за посередництвом середовища? Це питання задавали собі фізики і філософи ще з часів Ньютона. Сам Ньютон практично ухилився відмови цієї проблеми, хоча і не вірив в можливість дії на відстані. Представники математичної фізики схилялися до визнання дії на відстані, причому не стільки тому, як це прийнято вважати, що Ньютон в своїх дослідженнях припускав дію «як би», що відбувається на відстані, скільки просто з тієї причини, що при відсутності задовільних теорій дію на відстані уявлялося найбільш простою моделлю для математичного тлумачення явищ. Вивчення електричних і магнітних явищ знову висунуло цю стару проблему. В дію на відстані вірили Епінус, Кавендіш, Кулон, Пуассон.

Фарадей зайнявся цим питанням в 1837 р, вважаючи, що ця проблема може бути вирішена експериментальним шляхом. Справді, думав Фарадей, дія на відстані повинно проявлятися тільки по прямій лінії, тоді як дія опосередковане має бути здатним проявлятися і по кривій; крім того, якщо середовище не бере участь в процесі поширення електричного дії, то природа проміжної речовини не повинна впливати на це явище; якщо ж дію опосередковано, то такий вплив має проявлятися. Керуючись цими уявленнями, він провів численні і дотепні експерименти, з яких випливало, що електричне дія проявляється також по кривих лініях і що проміжна середу значно впливає на цю дію.

В ході цих досліджень Фарадей провів свій знаменитий досвід з дерев'яною кабінкою, оточеній заземленою металевою сіткою ( «клітка Фарадея»), всередині якої можна було знайти ні найменшої ознаки електрики навіть при дуже великому заряді на стінках, і аналогічний досвід з «циліндром Фарадея», представляв собою більш ретельне і більш повно проведене повторення експерименту з «колодязем» Беккаріа. Ці досліди Фарадея підтверджували те, що вже зазначали спостерігачі передував століття і що доводилося, як ми бачили, математичною фізикою.

Проводячи досліди з сферичними конденсаторами однакового розміру, але з різними ізолюючими прокладками, Фарадей усунув будь-які сумніви щодо існування певної питомої індуктивної здатності (цей термін використовується Фарадеем), розвиваючи таким чином дослідження, розпочаті Беккаріа сімдесят років тому.

В результаті цих дослідів Фарадей сформулював свою теорію діелектричної поляризації.

Як пояснити вплив діелектрика в конденсаторі? Авогадро в 1806 р припустив, що молекули непровідного тіла поляризуються під впливом зарядженого провідника. Але Фарадей, мабуть, не знав цієї роботи Авогадро і керувався двома аналогіями: теорією магнетизму Пуассона і теорією електролітичної дії Гроттгуса.

Він був вражений схожістю вольтаметр з конденсатором: якщо до шматочка льоду з двох сторін докласти два заряджених провідника, то вийде конденсатор, якщо ж лід розтопити, то вийде вольтаметр, в якому, відповідно до гіпотези Гроттгуса, поляризовані молекули орієнтовані в напрямку струму. Але, на думку Фарадея, поляризація вже має бути створена в молекулах льоду, рідкий стан лише дозволяє іонам переміщатися. Тому, робить висновок Фарадей, звичайна електростатична індукція являє собою «дія суміжних частинок». Частинки тіла, будь то ізолятор або провідник, є досконалими провідниками, які в звичайному стані не поляризовані, але можуть поляризуватися під дією сусідніх заряджених частинок. Заряджене тіло, поміщене в ізолюючу середу, поляризує її частки шар за шаром. Теорія магнетизму Кулона і Пуассона, таким чином, переноситься цілком на теорію діелектриків.

На оголошений Італійським науковим товариством конкурс з розробки математичної теорії електростатичного індукції, заснованої. на ідеях Фарадея, відгукнувся Оттавіано Фабріціо Моссотті (1791-1863), один з найбільших представників математичної фізики минулого століття, чиї твори тепер зібрані і видані в двох томах (Піза, 1942-1951). Він представив чудову роботу «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» ( «Аналітичне розгляд впливу діелектричної середовища на розподіл електрики по поверхні розташованих в ній електричних тел »), Модена 1850 р

Моссотті представляє діелектрик складається з безлічі провідних частинок, занурених в ізолюючу середу, і застосовує до цієї системи пуассоновским теорію магнетизму. Отримані висновки використовуються потім для дослідження розподілу електрики по поверхні провідників, занурених в діелектрик. Теорія Моссотті була потім (в 1867 р) застосована і розширена Клаузиусом в його механічної теорії теплоти. Ми побачимо надалі, як її використав Максвелл. Додамо ще, що до першоджерел сучасної теорії діелектриків слід віднести і іншу відому роботу Моссотті (опубліковану в Турині в 1836 р), в якій, виходячи з теорії Епінуса, він приходить до нової теорії молекулярних сил і дає її аналітичну розробку.

Маріо Льецці "Історія фізики"