Электричество и магнетизм

Важнейшим достижением физики XVIII в. является начало научного изучения электрических явлений - создание основ электростатики.

Проникновение человека в мир электрических явлений было одним из величайших его достижений и имело глубокие общественные последствия. Без овладения законами электромагнитных явлений была бы невозможна современная техника и современные научные достижения, включая использование ядерной энергии и завоевание космических пространств.

Овладение законами электрических и магнитных явлений началось сочинением английского врача Уильяма Гильберта (1540-1603) "О магните", вышедшим в 1600 г. В этом сочинении Гильберт исследует экспериментальным методом свойства магнита, природу земного магнетизма, электризацию тел. К известным уже фактам существования двух полюсов магнита, двух видов взаимодействия между ними: намагничивания тел, Гильберт прибавил важные наблюдения: образование новых полюсов при делении магнита на две части, усиление действия магнитных полюсов железной арматурой, намагничивание железных проволок магнитным полем Земли, потерю магнетизма при нагревании, намагничивание магнитным полем Земли сильно нагретого куска железа при его остывании. Экспериментируя с магнитом, имеющим форму шара, и маленькой магнитной стрелкой, он пришел к выводу, что Земля представляет собой большой магнит, тогда как до него причину направляющего действия на стрелку компаса усматривали в небе.

Важный шаг был сделан Гильбертом в науке об электричестве. Если до Гильберта свойство электрического притяжения было известно у одного янтаря, то Гильберт показал, что существует целый ряд тел, которые притягивают таким же образом, как янтарь. Эти тела Гильберт назвал "электрическими", введя, таким образом, в науку термин "электричество". Те тела, которые не могли быть им приведены в электрическое состояние, он назвал неэлектрическими. Для исследования электрических взаимодействий Гильберт построил первый электроскоп в виде легкой стрелки, помещенной на острие. На опытах с электризацией тел Гильберт пришел к выводу, что электрические явления представляют собой явления различной природы с магнетизмом.

Отто Герике

Следующие важные наблюдения электрических явлений были сделаны Отто Герике, построившим первую электрическую машину в виде шара из серы, насаженного на железную ось. При вращении этот шар электризовался рукой. Несмотря на примитивность такой машины (первого электростатического генератора), действие ее проявлялось в потрескивании и свечении в темноте, в притяжении льняной нити, наблюдалось и отталкивание. Таким образом, Герике впервые наблюдал миниатюрные искровые разряды, электропроводность, электрическое отталкивание.

Интересные наблюдения над электричеством были сделаны Ньютоном. Он произвел замечательный опыт с "электрической пляской". На поверхность стола было поставлено металлическое кольцо, на которое было положено стекло. На столе внутри кольца помещались кусочки бумаги. При натирании стекла кусочки бумаги притягивались к нему, электризовались, отталкивались и падали на стол, откуда, разряжаясь, вновь притягивались к стеклу. Ньютон, как можно заключить из последних слов его "Начал", полагал, что причина этих явлений - движение эфира. В 1716 г. Ньютон наблюдал миниатюрный искровой разряд между иголкой и наэлектризованным телом. "Искра напомнила мне о молнии в малых, очень малых размерах",- писал Ньютон. Электрическая природа молнии была раскрыта в том же XVIII в. Франклином, Ломоносовым, Рихманом и другими. Сама же электрическая искра была описана членом Королевского общества Уоллом в 1700 г. и Хауксби в 1705 г. Хауксби усовершенствовал генератор Герике, заменив серный шар стеклянным. В течение XVIII в. этот генератор непрерывно совершенствовался. После открытия Греем (1670-1736) электропроводности металлов (1729 г.) Гаузен и Бозе снабдили машину кондуктором. Гордон заменил шар цилиндром и осуществил с помощью своей машины известные опыты с "электрическим звоном" и "электрическим колесом". Винклер (1703-1770) снабдил машину подушкой для натирания. Ему удалось воспламенить электрической искрой некоторые горючие жидкости. В 1745-1746 гг. последовало сенсационное открытие лейденской банки (Клейст в Померании, Кунеус и Мушенбрук в Лейдене). Опыт был быстро повторен и получил широкую популярность, несмотря на предостережения Мушенбрука об "ужасных" ощущениях при разряде.

Врач Лемонье пытался с помощью банки определить скорость движения электричества и показал, что количество электричества пропорционально поверхности заряженного тела (1746-1747). Опыты Лемонье по определению скорости электричества повторил Уатсон, но также безрезультатно. Английский механик Смитон сконструировал конденсатор в виде доски, а художник Вильсон в письме к Смитону от 6 октября 1746 г. утверждал, что количество электричества пропорционально поверхности обкладок и обратно пропорционально толщине стекла.

Вместе с накоплением эмпирического материала делались попытки и теоретической интерпретации электрических явлений. Одной из первых попыток была гипотеза Дюфе (1698-1739), открывшего в 30-х годах закон двух видов электрического взаимодействия. Дюфе предположил, что в природе существуют два рода электрических агентов: смоляное и стеклянное, взаимодействующие между собой согласно найденному им правилу. Винклер считал, что электричество является тонкой субстанцией, аналогичной эфиру, пронизывающей все тела, причем в изоляторах частицы этой жидкости настолько тесно проникают в тело, что между частицами электричества и частицами тела существует жесткая связь. В проводниках же эта связь может быть уничтожена трением, и частицы эфира улетучиваются, обволакивая наэлектризованный трением проводник "электрической атмосферой". Винклер, как и большинство его современников, связывает с частицами электричества представление о материи огня.

Вениамин Франклин

С 1747 г. Вениамин Франклин (1706-1790), знаменитый американский политический деятель, ученый и философ, направляет в Лондонское королевское общество свои сообщения об электрических опытах и их интерпретацию. Интерпретация Франклином электрических явлений передана Вильке в предисловии к немецкому переводу "Писем" Франклина (1758 г.) следующим образом: "Через всю телесную природу распространяется очень тонкая материя, которая является основанием и причиной всех электрических явлений. Часть этой материи, которую по желанию можно назвать эфир, огонь, свет и пр., отталкивается между собою. Однако она будет сильно притягиваться частями обычной материи, из которой состоят все тела. Если объем телесной материи содержит этой тонкой электрической материи столько, сколько он может вместить без накопления ее на поверхности, то тело находится по отношению к электричеству в естественном состоянии. Большее количество этой материи делает его наэлектризованным положительно ("плюс"), меньшее - отрицательно, или "минус" наэлектризованным. Все электрические явления возникают при переходе этой материи из одного тела в другое "и через ее пропорциональное разделение". Далее высказывается гипотеза, что эта материя легко проникает через металлы и не проникает через изоляторы. Электрическая жидкость Франклина удовлетворяет закону сохранения.

С помощью своей теории Франклин объяснил действие конденсатора, показав, что его обкладки электризуются разноименно, а также действие острия. В связи с объяснением действия острия у него возникла идея громоотвода, которую он иллюстрировал остроумной моделью. Вращающееся коромысло весов, одна из чашек которого представляла собой заряженное облако, а другая - нейтральное, проходило над укрепленным на полу молотком ("здание"), и при прохождении наэлектризованной чашки наблюдались притяжение последней молотком и даже искра. Этого не было, если на конце молотка укреплялась игла. Доказатедьство электризации грозовых туч было дано Франклином в его знаменитом опыте со змеем и вызвало большой резонанс. Ранее этого доказательство электризации грозовых облаков было дано в 1752 г. Далибаром во Франции.

В России с большим успехом проводили изучение атмосферного электричества М. В. Ломоносов и Г. В. Рихман. Заслугой Рихмана является применение им измерительного прибора ("электрического указателя") в исследовании электрического состояния. Он впервые начал изучать геометрию поля вокруг заряженных проводников различной формы с помощью своего указателя.

Трагическая смерть Рихмана 26 июля 1753 г. во время наблюдения у "громовой машины" грозы прервала его плодотворные исследования. Известие о его гибели поразило ученый мир и заставило подумать о необходимых предосторожностях при электрических опытах. Чешский священник Прокоп Дивиш (1696-1765) устроил в 1754 г. первый громоотвод. Ломоносов, готовивший вместе с Рихманом речь об атмосферном электричестве, выступил 25 ноября 1753 г., несмотря на противодействие духовенства, с этой речью, в которой изложил свою оригинальную теорию электризации облаков вследствие наличия в атмосфере вертикальных воздушных течений. Гипотеза о существовании этих течений - доказательство проницательности Ломоносова. Отстаивая в своей речи взгляд на северное сияние как на явление электрической природы, Ломоносов указывал, что эти явления происходят на большой высоте, его оценка этой высоты близка к современным данным. Отрицая дальнодействующие силы, Ломоносов полагал, что электрические явления заключаются в движении некоторой тонкой материи, по-видимому, эфира. Эфир у Ломоносова "отвечает" за световые, электрические, магнитные и гравитационные явления. В этом воззрении на эфир, равно как и в отрицании дальнодействия, Ломоносов является прямым предшественником Фарадея.

Коллега Ломоносова по Петербургской Академии Франц Ульрих Теодор Эпинус (1724-1802) выступил в 1759 г. с трактатом "Опыт теории электричества и магнетизма". Этот трактат, несомненно, представляет значительную веху в истории электричества. Эпинус развивает унитарную теорию Франклина, распространяя ее и на магнитные явления. В обоих этих явлениях Эпинус усматривает глубокое сходство и думает о их взаимной связи. Частицы как электрической, так и магнитной жидкости взаимодействуют друг с другом, "даже на значительном расстоянии". Однако Эпинус оговаривается, что он считает эти силы, как и Ньютон, математическим описанием и физическое действие на расстоянии не допустимо.

Хотя Эпинус не установил точного закона электрических сил, он открыл и объяснил многие факты. Ему принадлежит опыт с разборным конденсатором и выяснение роли стекла в повышении емкости конденсатора, он объяснил явление электрической индукции, открытое Рихманом и после него Кантоном и Вильке, открыл электрическую поляризацию, высказал мысль о колебательном характере разряда конденсатора, применил к исследованию поля диполь (после Гильберта), открыл пироэлектричество турмалина. Он исследовал экспериментально и теоретически картину силовых линий вблизи магнитов. Правда, Эпинус отрицал реальное значение силовых линий, он рассматривал их как формальный образ дальнодействующих сил. В отличие от Эпинуса Эйлер считал эти линии картиной действительного движения магнитных истечений, предвосхищая будущие воззрения Фарадея.

В том же 1759 г. была опубликована дуалистическая теория Саймера, которая в конце концов победила унитарную теорию Франклина - Эпинуса и в преобразованном виде дошла до наших дней.

Важнейшим итогом развития науки об электрических и магнитных явлениях в XVIII в. было открытие количественного закона электрических и магнитных взаимодействий. Оно было подготовлено успехами экспериментальной электрофизики. Уже Ньютон показал, что однородный сферический слой, состоящий из масс, взаимодействующих с силами, обратно пропорциональными квадрату расстояния, не действует на частицу, помещенную в полости слоя. Франклин экспериментально показал, что если поместить пробковый шарик внутрь заряженного сосуда, то он не испытывает притягательных сил со стороны стенок сосуда. В связи с этим опытом английский философ-естествоиспытатель Пристли высказал следующее важное заключение: "Нельзя не заключить из этого опыта, что электрическое притяжение следует такому же закону, как и тяготение, т. е. квадрату расстояния, поскольку легко доказать, что, если бы Земля имела форму оболочки, тело, находящееся внутри нее, не притягивалось бы к одной стороне сильнее, чем к другой".

Эпинус предполагал, что силы взаимодействия электрических и магнитных масс зависят от расстояния. Однако он неправильно думал, что электрическая материя во всех телах (в том числе и проводниках) равномерно распределяется по объему, и эта ошибка не дала ему возможности открыть закон зависимости электрических сил от расстояния. Эта зависимость была установлена Генри Кавендишем (1731-1810) в 1771 г. Кавендиш показал, что если бы закон взаимодействия между наэлектризованными частицами отличался бы от закона квадратов, то при установлении проводящего контакта между заряженной внешней обкладкой сферического конденсатора и внутренней - незаряженной обкладкой на последнюю перетекал бы заряд того или иного знака. Исследуя заряд внутренней обкладки, Кавендиш показал, что он равен нулю, и отсюда заключил, что силы взаимодействия наэлектризованных частиц обратно пропорциональны квадрату расстояния.

Опыты Кавендиша не были опубликованы в течение 100 лет, пока их не опубликовал Максвелл. Поэтому впервые научный мир узнал о количественном законе электрических, а также магнитных масс из мемуаров французского ученого-инженера Огюста Кулона (1736-1806). Для исследования сил взаимодействия Кулон изобрел чувствительный прибор - крутильные весы. Сила электрического отталкивания уравновешивалась силой кручения нити, на которой было подвешено на коромысле наэлектризованное тело (или магнитная стрелка). Силу кручения после предварительного определения модуля кручения нити можно было определить по углу закручивания нити. В первом мемуаре 1785 г. Кулон установил закон взаимодействия электрических зарядов, во втором - магнитных полюсов. Открытием этих законов был создан фундамент для математической теории электростатических и магнитостатических явлений.