Возникновение электродинамики и её развитие до Максвелла

Успехи электростатики, завершившиеся открытием количественного закона электрических взаимодействий, казалось, предопределили дальнейший путь развития науки об электричестве: накопление экспериментальных фактов в области электростатики, усовершенствование электростатических машин и электрометров, построение математической теории электростатических и магнитостатических взаимодействий. Все это, действительно, и происходило: накапливались новые факты, усовершенствовались приборы и аппараты, появились чувствительные электроскопы, в частности электроскоп Вольты с соломинками, снабженный конденсатором (1782), электроскоп Беннета с золотыми листочками (1787). Вольта установил связь между количеством электричества, емкостью и напряжением. Под термином «напряжение» он понимал «усилие, производимое каждой точкой наэлектризованного тела, чтобы избавиться от имеющегося в ней электричества и передать его другим телам, каковому усилию соответствуют, вообще говоря, проявления притяжения, отталкивания и т. д. и, в частности, степень расхождения листочков электрометра».

Рис. 31. Схема опыта измерения скорости света по Физо

Физики впоследствии отметили заслугу Вольты во введении в науку такого важного понятия, как «напряжение», присвоением единице электрического напряжения наименования вольт.

Вольта подготовил и создание электрической машины, основанной на новом принципе, изобретением своего электрофора в 1775 г. Этот прибор и Доныне составляет принадлежность Школьных физических кабинетов. Электрофорные машины появились в середине XIX в.

Математическая теория электростатики успешно разрабатывалась Пуассоном, Грином, Гауссом и другими учеными. Однако — и этого никто не мог предвидеть—конец XVIII в. ознаменовался революционным переворотом в науке об электричестве, имевшим неисчислимые научные, технические и общекультурные последствия. Речь идет об открытии электрического тока. Это открытие произошло случайно, но оно уже было подготовлено всем ходом предыдущего развития науки об электричестве.

Физиологические действия электричества, открытие электрических свойств ската заинтересовали врачей и физиологов. Естественно было ожидать, что электричество и магнетизм окажутся полезными во врачебной практике, и тот факт, что у итальянского врача Луиджи Гальвани оказалась электрическая машина, вполне соответствовал духу времени.

Гальвани. Луиджи Гальвани родился в Болонье 9 сентября 1737 г. Он изучал сначала богословие, а затем медицину, физиологию и анатомию. В 1762 г. он был уже преподавателем медицины в Болонском университете.

В 1791 г. в «Трактате о силах электричества при мышечном движении» было описано сделанное Гальвани знаменитое открытие.

Через несколько лет войска генерала Бонапарта захватили Италию, в том числе и Болонью, и была образована Цизальпинская республика. Все государственные служащие должны были принести присягу на верность республике. Гальвани отказался это сделать, и в 1797 г. он был уволен в отставку В уважение к его заслугам правительство республики восстановило его в должности, но было уже поздно. Гальвани, удрученный переживаниями (он потерял жену, затем брата), не мог оправиться и 4 декабря 1798 г. окончил свой жизненный путь.

Сделанное им открытие навсегда сохранило его имя в благодарной памяти человечества. Сами явления, открытые Гальвани, долгое время в учебниках и научных статьях назывались «гальванизмом». Этот термин доныне сохраняется в названии некоторых аппаратов и процессов. Свое открытие сам Гальвани описывает следующим образом:

«Я разрезал и препарировал лягушку... и, имея в виду совершенно другое, поместил ее на стол, на котором находилась электрическая машина..., при полном разобщении от кондуктора последней и на довольно большом расстоянии от него. Когда один из моих помощников острием скальпеля случайно очень легко коснулся внутренних бедренных нервов этой лягушки, то немедленно все мыщцы конечностей начали так сокращаться, что казались впавшими в сильнейшие тонические судороги Другой же из них, который помогал нам в опытах по электричеству, заметил, как ему казалось, что это удается тогда, когда из кондуктора машины извлекается искра... Удивленный новым явлением, он тотчас же обратил на него мое внимание, хотя я замышлял совсем другое и был поглощен своими мыслями. Тогда я зажегся невероятным усердием и страстным желанием исследовать это явление и вынести на свет то, что было в нем скрытого».

Это классическое по точности описание неоднократно воспроизводилось в исторических работах и породило многочисленные комментарии. Гальвани честно пишет, что явление впервые заметил не он, а два его помощника. Считается, что «другим из присутствующих», указавшим, что сокращение мышц наступает при проскакивании искры в машине, была его жена Лючия. Гальвани был занят своими мыслями, а в это время кто-то начал вращать ручку машины, кто-то дотронулся «легко» скальпелем до препарата, кто-то заметил, что сокращение мышц наступает при проскакивании искры. Так в цепи случайностей (все действующие лица вряд ли сговаривались между собой) родилось великое открытие. Гальвани отвлекся от своих мыслей, «сам, стал трогать острием скальпеля то один, то другой бедренный нерв, в то время как один из присутствовавших извлекал искру, феномен наступал точно таким же образом».

Как видим, явление было очень сложным, вступали в действие три компонента: электрическая машина, скальпель, препарат лапки лягушки. Что является существенным? Что произойдет, если одного из компонентов не будет? Какова роль искры, скальпеля, лягушки? На все эти вопросы и пытался получить ответ Гальвани. Он ставил многочисленные опыты, в том числе и на улице во время грозы. «И вот, замечая иногда, что препарированные лягушки, которые были подвешены на железной решетке, окружавшей балкон нашего дома, при помощи медных крючков, воткнутых в спинной мозг, впадали в обычные сокращения не только в грозу, но иногда также при спокойном и ясном небе, я решил, что эти сокращения вызываются изменениями, происходящими днем в атмосферном электричестве». Гальвани описывает далее, как он тщетно ожидал этих сокращений. «Утомленный, наконец, тщетным ожиданием, я начал прижимать медные крючки, воткнутые в спинной мозг, к железной решетке» и здесь обнаружил искомые сокращения, происходившие без всяких изменений «в состоянии атмосферы и электричества».

Гальвани перенес опыт в комнату, поместил лягушку на железную пластинку, к которой стал прижимать проведенный через спинной мозг крючок, тотчас же появились сокращения мышц. Вот это и было решающим открытием.

Гальвани понял, что перед ним открылось что-то новое, и решил тщательно исследовать явление. Он чувствовал, что в таких случаях «легко ошибиться с исследованиями и считать виденным и найденным то, что мы желаем увидеть и найти», в данном случае влияние атмосферного электричества Он перенес препарат «в закрытую комнату, поместил на железной пластинке и стал прижимать к ней проведенный через спинной мозг крючок». При этом «появились такие же сокращения, такие же движения». Итак, нет электрической машины, нет атмосферных разрядов, а эффект наблюдается, как и прежде «Разумеется, — пишет Гальвани, — подобный результат вызвал в нас немалое удивление и начал возбуждать в нас некоторое подозрение об электричестве свойственном самому животному». Что бы проверить справедливость такого «подозрения», Гальвани проделывает серию опытов, в том числе и эффектный опыт, когда подвешенная лапка, касаясь серебряной пластинки, сокращается, поджимается вверх, затем падает, вновь сокращается и т. д. «Так что эта лапка, — пишет Гальвани, — к немалому восхищению наблюдающего за ней, начинает, кажется, соперничать с каким-то электрическим маятником».

Подозрение Гальвани превратилось в уверенность: лапка лягушки стала для него носителем «животного электричества», уподобляясь заряженной лейденской банке. «После этих открытий и наблюдений мне казалось возможным без всякого промедления заключить, что это двойственное и противоположное электричество находится в самом животном препарате». Он показал, что положительное электричество находится в нерве, отрицательное — в мышце.

Вполне естественно, что физиолог Гальвани пришел к выводу о существовании «животного электричества». Вся обстановка опытов толкала к этому выводу. Но физик, поверивший сначала в существование «животного электричества», вскоре пришел к противоположному выводу о физической причине явления. Этим физиком был знаменитый соотечественник Гальвани Алессан-дро Вольта.

Вольта. Алессандро Вольта родился 18 февраля 1745 г. в небольшом итальянском городе Комо, расположенном вблизи озера Комо, недалеко от Милана. В нем рано проснулся интерес к изучению электрических явлений. В 1769 г. он публикует работу о лейденской банке, через два года — об электрической машине. В 1774 г. Вольта становится преподавателем физики в школе в Комо, изобретает электрофор, затем эвдиометр и другие приборы. В 1777 г. он становится профессором физики в Павии. В 1783 г. изобретает электроскоп с конденсатором, а с 1792 г. усиленно занимается «животным электричеством». Эти занятия привели его к изобретению первого гальванического элемента.

В 1800 г. он построил первый генератор электрического тока — вольтов столб. Это изобретение доставило ему всемирную славу. Он был избран членом Парижской и других академий, Наполеон сделал его графом и сенатором Итальянского королевства. Но в науке Вольта после своего великого открытия уже не сделал ничего значительного. В 1819 г. он оставил профессуру и жил в своем родном городе Комо, где и умер 5 марта 1827 г. (в один день с Лапласом и в один год с Френелем).

Начав в 1792 г. работу над «животным электричеством», Вольта повторил и развил опыты Гальвани, полностью приняв его точку зрения. Но уже в одном из первых писем, посланном из Милана 3 апреля 1792 г., он указывает, что мышцы лягушки очень чувствительны к электричеству, они «поразительно реагируют на электричество», совершенно неуловимое даже для электроскопа Бен-нета, наиболее чувствительного из всех (сделанного из двух полосок тончайшего листового золота или серебра). Здесь начало последующего утверждения Вольты, что «препарированная лягушка представляет, если можно так выразиться, животный электрометр, несравненно более чувствительный, чем всякий другой самый чувствительный электрометр».

Вольта в результате длинного ряда опытов пришел к выводу, что причиной сокращения мышц служит не «животное электричество», а контакт разнородных металлов. «Первоначальной причиной этого электрического тока,— пишет Вольта, — каков бы он ни был, являются сами металлы вследствие того, что они различны. Именно они в собственном смысле слова являются возбудителями и двигателями, тогда как животный орган, сами нервы являются лишь пассивными». Электризация при контакте раздражает нервы животного, приводит мышцы в движение, вызывает ощущение кислого вкуса на кончике языка, помещенного между станиолевой бумагой и серебряной ложкой, при контакте серебра и олова. Таким образом, Вольта считает причины «гальванизма» физическими, а физиологические действия — одними из проявлений этого физического процесса. Если кратко формулировать на современном языке мысль Вольты, то она сводится к следующему: Гальвани открыл физиологическое действие электрического тока.

Естественно, что между Гальвани и Вольта разгорелась полемика. Гальвани для доказательства своей правоты пытался начисто исключить физические причины. Вольта же, наоборот, полностью исключил физиологические объекты, заменив лапку лягушки своим электрометром. 10 февраля 1794 г. он пишет:

«Что вы думаете о так называемом животном электричестве? Что касается меня, то я давно убежден, что все действие возникает первоначально вследствие прикосновения металлов к какому-либо влажному телу или к самой воде. В силу такого соприкосновения электрический флюид гонится в это влажное тело или в воду от самих металлов, от одного больше, от другого меньше (больше всего от цинка, меньше всего от серебра). При установлении непрерывного сообщения между соответствующими проводниками этот флюид совершает постоянный круговорот».

Таково первое описание замкнутой цепи электрического тока. Если цепь разорвать и в место разрыва вставить в качестве соединительного звена жизнеспособный нерв лягушки, то «управляемые такими нервами мышцы... начинают сокращаться, как только замыкается цепь проводников и появляется электрический ток». Как видим, Вольта уже пользуется таким термином, как «замкнутая цепь электрического тока». Он показывает, что присутствие тока в замкнутой цепи можно обнаружить и вкусовыми ощущениями, если ввести в цепь кончик языка. «И эти ощущения и движения тем сильнее, чем дальше отстоят друг от друга примененные два металла в том ряду, в каком они поставлены здесь: цинк, оловянная фольга, обыкновенное олово в пластинках, свинец, железо, латунь и различного качества бронза, медь, платина, золото, серебро, ртуть, графит». Таков этот знаменитый «ряд Вольты» в его первом наброске.

Вольта разделил проводники на два класса. К первому он отнес металлы, ко второму—жидкие проводники. Если составить замкнутую цепь из разнородных металлов, то тока не будет — это следствие закона Вольты для контактных напряжений. Если же «проводник второго класса находится в середине и соприкасается с двумя проводниками первого класса из двух различных металлов, то вследствие этого возникает электрический ток того или иного направления ».

Вполне естественно, что именно Вольте принадлежит честь создания первого генератора электрического тока, так называемого вольтова столба (сам Вольта называл его «электрический орган»), оказавшего огромное влияние не только на развитие науки об электричестве, но и на всю историю человеческой цивилизации. Вольтов столб возвестил о наступлении новой эпохи — эпохи электричества.

Рис. 32. Электрофор Вольта

Триумф вольтова столба обеспечил безоговорочную победу Вольты над Гальвани. История поступила мудро, определив победителя в этом споре, в котором обе стороны были правы, каждый с своей точки зрения. «Животное электричество» действительно существует, и электрофизиология, отцом которой был Гальвани, сейчас занимает важное место в науке и практике. Но во времена Гальвани электрофизиологические явления еще не созрели для научного анализа, и то, что Вольта повернул открытие Гальвани на новый путь, было очень важно для молодой науки об электричестве. Исключив жизнь—это сложнейшее явление природы—из науки об электричестве, придав физиологическим действиям лишь пассивную роль реагента, Вольта обеспечил быстрое и плодотворное развитие этой науки. В этом состоит его бессмертная заслуга в истории науки и человечества.

Рис. 33. Приборы Вольта

Рис. 34. Вольтов столб

Одной из первых монографий, посвященных описанию нового источника тока и опытов с ним, была монография русского физика Василия Владимировича Петрова «Известие о гальвани-вольтовских опытах», вышедшая в Петербурге в 1803 г.

Василий Владимирович Петров родился в г. Обояни Белгородской губернии 8 июля 1761 г. в семье священника. Петров учился сначала в Харькове, а затем, в 1786—1788 гг., в Петербургской учительской семинарии. По окончании семинарии Петров работал преподавателем Горного училища при Колывано-Воскресенских заводах на Алтае. Здесь когда-то трудился и русский механик И.И.Ползунов, представивший в 1763 г. начальнику Колывано-Воскресенских заводов докладную записку о своей паровой машине.

Петров проработал на Алтае до 1791 г. В этом году он возвратился в Петербург, где преподавал физику в Инженерном училище и математику в Главном врачебном училище. В 1795 г. он стал экстраординарным профессором физики врачебного училища, которое в 1798 г. было преобразовано в Медико-хирургическую академию.

Здесь Петров создал богатый физический кабинет, провел многочисленные опыты, на основе которых написал монографии: «Собрание физико-химических новых опытов и наблюдений» (1801), «Известие о гальвани-вольтовских опытах» (1803), «Новые электрические опыты» (1804). В 1802 г. Петров был избран членом-корреспондентом Петербургской Академии наук, в 1807 г. — адъюнктом по физике, в 1809 г. — экстраординарным академиком, в 1815 г. — ординарным академиком по кафедре физики.

Рис. 35.Титульный лист книги В.В. Петрова

Петров настойчиво боролся за создание физического кабинета при академии, но все его начинания встречали яростное сопротивление руководства. В 1827 г. Петрова отстранили от руководства кабинетом. В.В.Петров умер в Петербурге 22 июля 1834 г.

Труд Петрова, посвященный изучению гальвани-вольтовских явлений, носит следующее полное заглавие: «Известие о гальвани-вольтовских опытах, которые производил профессор физики Василий Петров посредством огромной наипаче баттереи, состоящей иногда из 4200 медных и цинковых кружков и находящейся при Санкт-Петербургской Медико-хирургической академии ».

Так, уже из заглавия видно, что Петров построил самую мощную по тому времени батарею, составленную из 2100 гальванических элементов. Он заменил термин «вольтов столб» термином «гальвани-вольтовская батарея» (Петров пишет «баттерея»)в честь Галь-вани и Вольты. Он поставил своей главной задачей «описать по-российски и расположить в надлежащем порядке деланные самим мною важнейшие и любопытнейшие опыты посредством гальвани-вольтовской баттереи». Но начинает он с описания устройства самой батареи и практических указаний по ее изготовлению и уходу за ней.

Медные и цинковые кружки, составляющие батареи, имели диаметр «около одного с половиной дюйма» (около 3,8 см). Между металлическими кружками прокладывались не суконные, как у Вольты, а картонные кружки, пропитанные раствором нашатыря. Каждый элемент состоял из трех кружков: медного, картонного, цинкового, которые складывались в столбик из десяти и более элементов. В отличие от вертикального расположения вольтова столба Петров предлагает располагать элементы горизонтально, так, чтобы кружки стояли ребром вертикально в сухих узких деревянных ящиках.

Петров указывает и способы изоляции элементов от дерева посредством сургуча, предлагает помещать тела, над которыми производятся опыты, на скамеечку со стеклянными ножками. Его «огромная наипаче баттерея» состояла из четырех рядов, каждый 10 футов длиной (свыше 3 м), соединяемых последовательно с помощью медных скобок. Если эти ряды вытянуть в один ряд, то он имел бы длину в сорок футов, «или в пять наших саженей и пять футов», т. е. свыше 12 м. Петров замечает, что такую батарею «с довольным основанием можно называть огромною».

Крайний медный кружок первого ряда и последний цинковый кружок четвертого ряда Петров называет «медным и цинковым полюсами баттереи». Ток от батареи получается при соединении полюсов проводниками, которые должны быть хорошо изолированы, например продеты через стеклянные трубки. Описав устройство батареи, Петров описывает далее способ ухода за нею, средства очистки кружков от окислов. Все эти советы, очень подробные, вплоть до указания цен, показывают, что Петров предназначал свою книгу для активного читателя, который мог бы сам воспроизвести описываемые эксперименты. Книга Петрова не только научная монография, но и практические руководство по технике эксперимента. Петров выступает в ней не только как ученый, но и как учитель, стремящийся ввести своих читателей в лабораторию научного творчества в самой актуальной области науки

Глава III (главы своей книги Петров называет «статьями») посвящена электролизу. Он рассказывает об электролизе воды, детально описывает экспериментальную установку, подчеркивая необходимость употреблять однородные, чистые подводящие провода, указывая способы зачистки концов, крепления трубки, в которую наливаются вода и другие электролиты. Из этих подробных указаний видно, что Петров демонстрировал электролиз «в присутствии весьма многих зрителей».

Он изучал влияние температуры на электролиз, проводя опыты в январе ' 1803 г. на улице.

Петров подробно описывал действие тока на человека и животных. Он проводил опыты по гальванизации больных, закладывая основы электротерапии.

В главе VII Петров изложил свой знаменитый опыт с электрической дугой: «Если на стеклянную плитку или на скамеечку со стеклянными ножками будут положены два или три древесных угля, способные для произведения светоносных явлений посредством гальвани-вольтовской жидкости, и если потом металлическими изолированными направителями (directores), сообщенными с обоими полюсами огромной баттереи, приближать оные один к другому на расстояние от одной до трех линий, то является между ними весьма яркий белого цвета свет или пламя, от которого оные угли скорее или медленнее загораются и от которого темный покой довольно ясно освещен быть может».

Так была открыта и исследована электрическая дуга. Петров заменил один из углей металлическим электродом, наблюдал плавление металлов электрической дугой, а также их сгорание в пламени. Таким было начало будущей электрометаллургии. Вообще труд Петрова можно считать началом будущей электротехники.

Из других результатов научной деятельности Петрова упомянем о его исследованиях люминесценции, а также о первых в мире опытах, доказавших возможность электризации металлов трением. Со времен Гильберта металлы считались «не электриками», неспособными электризоваться, как «электрики». Петров показал, что изолированный металл может быть наэлектризован «стеганием» его различными телами. Это было открытие принципиального значения.

Труды Петрова оставались неизвестными за рубежом, его открытия переоткрывались, как это было, например, с электрической дугой. У себя на родине они были также забыты до начала нашего века. В учебниках физики электрическая дуга именовалась вольтовой дугой, что давало повод думать о ее открытии Вольтой. В вышедшей еще при жизни Петрова «Опытной, наблюдательной и умозрительной физике», написанной коллегой Петрова, профессором физиологии и анатомии Медико-хирургической академии Д. Веллан-ским (1774—1847), электрическая дуга и «огромная наипаче» батарея Петрова не упоминается, хотя Велланский рассказывает о батарее Шиллерна, о сухих батареях Делюка, Зингера и Замбони, об электрических «светоносных» явлениях, об электризации проводников «стеганием», т. е. о многих вещах, о которых писал Петров. Так еще при жизни Петрова, в стенах его родной академии, началось забвение его трудов