Глава III. Экскурсы в историю электродинамики

1. К истории понятия электрического заряда и закона сохранения заряда

Открытие факта конденсации. В 1745 г. голландский ученый Питер Мушенбрек (1692-1761) разослал из Лейдена сообщения об эксперименте, который вошел в физику под специальным названием "лейденского опыта".

Интересно отметить, что Мушенбрек - выдающийся исследователь электричества и магнетизма - энергично содействовал Петру I в оснащении Кунсткамеры физическими приборами.

"Я делал некоторые исследования над электрической силой, - писал Мушенбрек, - и для этой цели подвесил на двух шелковых шнурах железный прут и передавал ему электричество от стеклянного шара, который приводился в быстрое вращение и натирался прикосновением рук. На другом конце (левом) свободно висела медная проволока, конец которой был погружен в круглый стеклянный сосуд, отчасти наполненный водою. В правой руке я держал сосуд, левой же пробовал извлечь искры из наэлектризованного прута. Вдруг моя правая рука была поражена с такой силой, что все тело содрогнулось, как от удара молнии..."

Через тело Мушенбрека прошел ток разряда первого конденсатора, названного впоследствии лейденской банкой. "Я не согласился бы подвергнуться еще раз такому испытанию даже за королевский трон Франции", - писал Мушенбрек Реомюру. Винклер, повторивший опыты Мушенбрека, после удара получил сильные конвульсии и кровотечение из носа.

Лейденский опыт имел шумный успех и не только в кругах исследователей, но и в залах королевских дворцов.

Очень быстро выяснилось, что вода вовсе не обязательна для скапливания электричества, что существенно лишь наличие двух проводников, разделенных слоем диэлектрика. Около года понадобилось для того, чтобы лейденская банка приняла ту форму, которую она имеет уже более 200 лет.

В стремлении усилить электрические действия, Винклер начал соединять лейденские банки в батареи. Ему удалось таким путем получить искры, которые были видны и слышны на расстоянии до двухсот шагов.

Интерес к электрическим явлениям прогрессивно возрастает. В исследования включаются естествоиспытатели всех стран.

Особый интерес вызывает разряд через цепи, которые составляются из разнообразных тел. Испытываются всевозможные комбинации, цепь постепенно удлиняется. Например, Жан Нолле, профессор физики в Париже демонстрирует в присутствии короля прохождение электричества через шеренгу солдат в 180 человек.

В Англии группа естествоиспытателей устраивает в 1748 г. ряд опытов с целью определить скорость распространения электричества по цепи, замыкающей обкладки батареи лейденских банок. В качестве одного из участков цепи служит поперечник реки Темзы, длина цепи достигает двух миль. С этой же целью Гильом Лемонье во Франции разряжает батарею лейденских банок через проволоку длиной около 2 км. Опыты эти, естественно, не дают результатов, однако они приводят к усовершенствованию лейденской банки и изучению проводимости тел.

Многочисленные опыты показали, что электричество можно накапливать, при этом наличие хорошей изоляции обеспечивает длительное сохранение запаса. Его можно "переливать" из одного тела в другое, причем оно также сохраняется, если не утекает в Землю через плохую изоляцию. Электрическая искра обладает свойствами материального потока: она разрушает вещество^*, сотрясает воздух; электрический удар вызывает болевое ощущение.

^*(Франклин распылял листочки металла, пропуская через них заряд, Киннерсли, друг и соратник Франклина, разрядил батарею из 35 банок через проволоку и расплавил ее.)

Наконец, известен электрический ветер. В 1750 г. Гамильтон - профессор философии Дублинского университета- предложил устройство для демонстрации стекания электричества - электрическую мельницу в виде буквы 5. Она до сих пор демонстрируется и в школах, и в вузах. Некоторые из перечисленных фактов уже породили идею об особых электрических истечениях. Но решающее влияние на кристаллизацию этой идеи имело открытие Франклина.

Доказательство электрической природы молнии. Бенжамен Франклин (1706-1790) - один из интереснейших людей XVIII в. Преуспевающий делец, выдающийся дипломат, борец против тирании, популярнейший американский писатель и тонкий наблюдатель природы. Со времени эпохи Возрождения история не знала столь разносторонне одаренного и многогранного человека. "Он отнял молнию у небес и меч у тиранов".

Франклин обладал удивительным умением задавать вопросы природе и добиваться ответов с помощью остроумного эксперимента.

Заинтересовавшись электричеством (он ознакомился с ним впервые в балагане, где его поразили опыты фокусника с электрической искрой), Франклин изучил все известное о нем и быстро пошел вперед.

О плодотворности его исследований красноречиво говорит простой перечень терминов, впервые появившихся в работах Франклина: заряд, разряд, положительный заряд, отрицательный заряд, конденсатор, батарея.

С Франклина начинается теоретическое осмысливание электричества. Франклин был, по-видимому, убежден в тождестве искры и молнии еще до опыта. В ноябре 1749 г. он записывает в свою тетрадь следующее: "Общие свойства электрической жидкости и молнии: давать свет одинаковый по цвету; направляться зигзагами; мгновенно двигаться; издавать шум или треск взрыва; расщеплять тела, через которые они проходят; убивать животных; плавить металлы; издавать серный запах".

Однако этих фактов было недостаточно для полной уверенности в справедливости важнейшего утверждения. И Франклин придумывает изумительный по силе убедительности эксперимент. Его описание мы находим в письме Франклина к Коллинсону:

"Из двух легких дощечек надо сделать крест, натянув между концами его тонкое шелковое полотно. Если к изготовленному таким образом змею приделать хвост и снабдить его веревкой, то он поднимется в воздух, как и бумажный змей; но так как он сделан из шелка, то он лучше сможет выдержать удары ветра и дождя, не разрываясь при этом. На верхушке змея надо прикрепить тонкое проволочное острие. На конце пеньковой веревки близ руки следует привязать шелковую ленту, прикрепив в месте соединения веревки и ленты ключ. Змея следует запустить, когда собирается гроза. Человек, держащий змея, должен находиться за дверью или в каком-нибудь укрытии для того, чтобы не промокла шелковая лента. Лишь только грозовые тучи показываются над змеем, острие его начинает извлекать из них электричество. Под влиянием последнего свободно висящие нити веревки отделяются друг от друга и при приближении к ним пальца притягиваются им. Когда дождь промочит веревку так, что она станет лучше проводить электричество, можно будет наблюдать, что при приближении руки к ключу из последнего начинает истекать электричество. Этим ключом можно заряжать стеклянные тела, а при помощи полученного таким образом заряда можно зажигать спирт и производить все прочие электрические опыты, которые производятся обыкновенно при помощи натертого стеклянного шара. Этим вполне доказывается тождество электрической материи и материи молнии".

В 1750 г. Франклин изложил идею молниеотвода для предохранения зданий и кораблей от удара молнии, а в 1753 г. описал наиболее эффективную конструкцию молниеотвода. После этого молниеотводы быстро распространились в Америке и уже в 1754 г. появились в Европе. Дело не обошлось, конечно, без сильного противодействия церкви. Были даже случаи судебного преследования устроителей молниеотводов. Так, будущему деятелю Великой Французской революции адвокату Робеспьеру пришлось защищать жителя города Сант-Омере, обвиненного "в кощунстве" за устройство громоотвода, вершина которого была сделана в форме меча, острием направленного в небо.

Обобщив опытные факты, Франклин пришел к следующей гипотезе. Электрические явления вызываются движением особой материальной субстанции: "Электрическая субстанция состоит из чрезвычайно малых частиц, так как она способна проникать в обыкновенную материю, даже в самые плотные металлы с большой легкостью и свободой, как бы не встречая при этом заметного сопротивления... Электрическая субстанция отличается от обыкновенной материи в том отношении, что частички последней взаимно притягиваются, а частицы первой отталкивают друг друга. И хотя частицы электрической субстанции взаимно отталкивают друг друга, они сильно притягиваются всей прочей материей". Вслед за этим Франклин высказывает следующую мысль о взаимоотношении электрической субстанции и "обыкновенной" материи.

"Обыкновенная" материя по отношению к электрической жидкости является как бы своеобразной губкой. Губка не смогла бы впитывать воду, если бы частицы воды не были меньше дырок в губке. Этой грубой аналогией определяется качественное отличие электрической субстанции от "обыкновенной" материи.

Итак, по Франклину, электричество - это особая форма материи; она состоит из частиц, размеры которых меньше размеров частиц "обыкновенного" вещества; между электрическими частицами действуют отталкивательные силы.

Франклин оперирует тремя понятиями:

а) электрическая субстанция - этим он подчеркивает материальность электричества;

б) электрический флюид или электрическая жидкость - в этом отражается подвижность электричества, его способность проникать в тела, переходить от тела к телу;

в) электрический огонь - этим выражается невесомость электричества, чрезвычайная тонкость субстанции.

Согласно Франклину, электрическая субстанция содержится во всех телах. Электрическое состояние наступает тогда, когда количество субстанции становится меньше или больше нормального. Недостаток электрического флюида означает отрицательную электризацию, избыток - положительную. Объясняется причина существования "стеклянного" и "смоляного" электричеств.

Так появились в физике понятия положительного и отрицательного электричества, до сих пор фигурирующие в учебных курсах.

Гипотеза о существовании электрического флюида оказалась в высшей степени плодотворной. Она позволила связать в систему многочисленную и пеструю сумму фактов, стимулировала постановку новых экспериментов. Гипотеза Франклина позволила непринужденно истолковать причину существования проводников и диэлектриков, сделала определенными понятия проводимости и непроводимости. Существуют тела, в которых электрический флюид свободно перемещается среди частиц вещества - это проводники. Непроводники не пропускают электрического флюида, последний сильно связан с веществом непроводника.

Однако теория Франклина не объясняла, почему с острия одинаково интенсивно стекает и положительный и отрицательный флюид, когда, казалось бы, стекать должен лишь тот, который содержится в избытке.

Анализируя факты, не укладывавшиеся в гипотезу Франклина, английский естествоиспытатель Роберт Симмер пришел к мысли, что тела в обычном состоянии содержат два рода электричества в равных количествах, нейтрализующих действие друг друга. Электризация означает, что в теле или отсутствует какой-либо из видов электричества, или они содержатся в неразных количествах.

Известен анекдотический факт. Симмер носил одновременно две пары шелковых чулок - черную и белую, надевая одну поверх другой. Снимая их, Симмер обнаружил, что чулки оказываются наэлектризованными: чулки одного цвета взаимно отталкиваются, а чулки разноцветные притягиваются.

"Мое мнение таково,- пишет Симмер, - что действие электричества зависит не от одной положительной силы, как это полагают обыкновенно, но от двух деятельных сил, которые взаимодействуют между собой и производят различные электрические явления".

Итак, со второй половины XVIII в. в физику вошло понятие количества электричества как количество электрической жидкости. Исследования XIX в. позволили установить, что специальных электрических жидкостей не существует. Электрические заряды всегда связаны с элементарными частицами вещества. Электрический заряд - свойство определенного сорта элементарных частиц вещества.

Установление закона сохранения электрического заряда. Поскольку электричество рассматривалось как род материи, то сохранение материи автоматически означало и сохранение электричества. Закон сохранения материи и закон сохранения электричества отождествлялись. В связи с появлением двух родов электричеств такое отождествление стало уже невозможным. В 1838 г. Фарадей ставит вопрос: "Имеет ли электричество реальное и независимое существование в виде жидкости или жидкостей?"

Ход рассуждений Фарадея таков: если существуют электрические жидкости, то, очевидно, количества их можно произвольно изменять независимо друг от друга. Можно также сообщить телу только положительный или только отрицательный заряд. В изолированном объеме можно хотя бы в некоторый момент возбудить одно электричество без другого.

И Фарадей ставит серию разнообразных опытов с целью обнаружить указанные возможности. Он детально описывает их в первом томе "Экспериментальных исследований по электричеству". Однако во всех случаях он получает отрицательный результат. На этом основании формулируется следующее обобщение: "Невозможно ни создать, ни уничтожить одну из электрических сил без равного и соответствующего изменения другой".

Такова была первая формулировка закона сохранения электрического заряда.

Методические замечания. 1. Нужно разъяснить, почему Фарадей говорит не о сохранении заряда, а о сохранении силы. Не зная, как электрические заряды связаны с атомами вещества, он обращается к абстрактной форме, которая гармонировала со всей системой его физических воззрений. Фарадей исходил из философской концепции взаимной превращаемости сил природы и сохранения сил при их превращении. Электрический заряд он понимает как источник электрической силы. Таких источников два - положительный и отрицательный. Как будет видно, из дальнейшего, такое представление перейдет в теорию поля, где заряд рассматривается как источник силового поля.

Строгая формулировка закона сохранения электрического заряда кристаллизовалась только после открытия факта взаимной превращаемости элементарных частиц материи.

2. Раздел "Основы электродинамики" начинается с рассмотрения электрических зарядов и их взаимодействия. Здесь исторический экскурс является необходимым элементом логики изложения. Нужно иметь в виду также то обстоятельство, что в начале изложения следует напомнить изученное в VII классе.

Цель может быть достигнута надлежащим подбором исторического материала. Здесь будет только следующая трудность. В раскрытии природы электричества центральную роль сыграло открытие факта накопления заряда и электрической природы молнии. Понятие электрической емкости вводится только в конце рассматриваемого раздела, а искровой разряд еще дальше. Очевидно, о возможности накопления электрических зарядов необходимо говорить в VII классе.

Электростатический генератор (электрофорная машина) с лейденскими банками до сих пор используется в кабинетах физики. Естественно, что перед демонстрацией опытов по электростатике необходимо в общих чертах пояснить принцип действия генератора. Здесь и придется говорить о факте конденсации, о происхождении слов "лейденская банка".

В связи с конденсацией заряда находится и происхождение молний. Два заряженных облака или заряженное облако и Земля являются обкладками гигантского конденсатора, и, показав искру от электростатического генератора, можно обратиться к молнии, как к искровому разряду.

Таким образом, в VII классе нужно рассказать о знаменитом лейденском опыте и опытах Франклина.