Электричество

Мы не останавливаемся на физике газов и паров, метеорологии, хотя в последней были достигнуты значительные успехи и хотя этим вопросам уделялось большое внимание в рассматриваемый период, обратимся к рассмотрению электрических и магнитных явлений.

Учение об электричестве вышло, наконец, из зачаточного состояния, и основания электростатики были заложены.

Необычайный интерес к электрическим явлениям, особенно резко выраженный в сороковых годах и отмечаемый всеми историками физики, не находил своего оправдания в конкретных практических потребностях эпохи. Он явился логическим результатом развития экспериментального метода, его расширением на новую область, а для широких кругов ассоциировался с теми "курьёзами", о которых мы имели уже случай говорить в связи с автоматикой. Существенную роль в этом интересе сыграло открытие электрической искры. Это открытие было сделано в связи с фосфоресценцией д-ром Волом (Wall), натиравшим большой кусок янтаря и получившим, как он описывал в 1698 г. в "Phil. Trans.", "искру почти в дюйм длиной. При этом раздался такой звук, точно в печке треснул кусок угля".

Рис. 143. Калориметр Лавуазье-Лапласа

Другим новым явлением было открытое в 1675 г. Пикаром свечение ртутного столба барометра при встряхивании, которое также считали од-ним из видов фосфоресценции. Эти эффекты стимулировали дальнейшие изыскания и в частности многочисленные эксперименты Гауксби (Hawksbee), описанные им в вышедшем в Лондоне в 1709 г. сочинении "Новые физико-механические опыты о различных предметах, касающихся света и электричества". Гауксби воскресил машину Герике, с заменой серного шара стеклянным. Из шара он выкачивал воздух, приводя этот шар в быстрое вращение, и натирал его рукой. При этом он заметил сильное свечение шара. Приближая к шару палец, он извлекал искры с характерным треском. Получение сравнительно мощных искр, электрические свечения в разреженном пространстве, реконструкция электрической машины - вот существенные результаты опытов Гауксби.

Следующий шаг был сделан Стэфэном Греем (1670-1736) в 1729 г. Грей нашёл, что электрическое состояние натёртой стеклянной трубки распространяется и на пробку, которой была заткнута трубка, а воткнув в пробку четырёхдюймовую деревянную палочку с костяным шариком на конце,он обнаружил распространение электричества и на этот шарик. Далее ему удалось передавать электризацию по бечеве на расстояние 26 футов.

Рис. 144. Электрические опыты в XVIII в.

Пытаясь передать электризацию в горизонтальном направлении, он прикреплял свободный конец бечёвки с шариком к крыше. Наэлектризованное тело, соединённое с бечёвкой, при этом разряжалось. По совету своего друга Уилера, Грей наэлектризовал изолированного от земли ребёнка и тем самым впервые поставил под сомнение утверждение Гильберта, что тела разделяются на "электризирующиеся по природе" и "не электризирующиеся", к которым Гильберт относил металлы, человеческое тело, тело животных. Однако впервые доказательство электризации металлов трением было дано русским физиком Василием Владимировичем Петровым. Грей сообщил электризацию металлам, соприкасая их с наэлектризованным телом, и потому почти в течение всего XVIII в. существовало мнение, что проводники тела "не электрические", в том смысле, что они не электризуются трением. Петров осуществил опыт электризации проводников "стеганием". В работе "Новые электрические опыты", вышедшей в 1804 г., он высказывал утверждение, что "все металлы могут соделываться электрическими, без сообщения их с другими наэлектризованными телами... если над ними будет произведено стегание". Понадобилось свыше 70 лет после Грея, чтобы опровергнуть классификацию Гильберта, причём ещё и после Петрова высказывались мнения, что металлы не могут электризоваться трением, а когда электризация металлов трением стала общеизвестным фактом, то открытие этого факта приписывалось Грею, хотя Грей такой электризации не осуществил. Точно так же часто утверждают, что Грей ввёл понятие о проводниках. Грей открыл или, лучше сказать, "переоткрыл" (вслед за Герике) факт распространения электризации по некоторым телам, но самый термин "проводник" был введён Дезагюлье (1683-1744) - профессором физики в Оксфорде, занимавшимся, как это нередко бывало у англичан, "по совместительству" и богословием, сделавшись под конец придворным капелланом принца Уэльского.

o В своих исследованиях по электричеству, помещённых в "Phil. Trans." за 1739-1742 гг., он разделяет все тела на "электрические по природе" и "проводники". Как видно из этой терминологии, отход от гильбертовской традиции был очень медленным, так сказать "ступенчатым", и опыты Петрова были весьма актуальными даже и для периода "гальванизма".

Следует отметить, что тот же Грей новым опытом подтвердил мысль Гильберта о независимости, разнохарактерности электрических и магнитных явлений. Наэлектризованный ключ притягивает лёгкие предметы независимо от того, притягивается он сам магнитом или нет. "Электрическая природа" не действует на "магнитную природу", и наоборот.

Исследования Грея оказали большое влияние на французского физика Дюфея (1698-1739), исследования которого по электричеству, включавшие и историю вопроса, были опубликованы в Парижских мемуарах за 1733-1737 гг. Дюфей проверил выводы Грея и дополнил их наблюдением электрической искры, извлекаемой из наэлектризованных проводников, в том числе из своего собственного тела.

Рис. 145. Электризация человеческого тела

Дюфей сконструировал прибор, являющийся прототипом электроскопа, в виде расходящихся при электризации нитей. Наиболее важным результатом исследований Дюфея было открытие им правила, или, как он выражается, "принципа". "Этот принцип,- пишет Дюфей,- состоит в том, что имеется два существенно различных вида электричества; одно из них я назову стеклянным, а другое смоляным. Первое появляется на стекле, драгоценных камнях, волосах, шерсти и пр., а другое - на янтаре, гумми-лаке, шёлке и т. д. Отличительным признаком обоих электричеств служит то, что однородные электричества отталкиваются, а разнородные взаимно притягиваются".

На примере Дюфея мы вновь можем убедиться, как медленно пробивали себе дорогу в этот период эмпирических исканий, поисков "курьёзов" научные гипотезы и выводы. Гипотеза о двух родах электричества, оказавшаяся столь плодотворной и ныне превратившаяся в основной научный факт, была забыта и вновь выдвинута позднее Саймером в 1759 г.

Внимание физиков сороковых годов привлекли три обстоятельства:

1. новые конструкции электрических машин,
2. новые способы получения электричества в больших количествах,
3. исследование атмосферного электричества.

Первый проект машины Гаузена в Лейпциге, описанный им в 1743 г., по существу был развитием машин Герике-Гауксби, только стеклянный шар Гаузена приводился во вращение рукояткой.

Бозе показал, что действие машины можно усилить кондуктором, в виде жестяной трубки. Дальнейшее усовершенствование было введено Винклером (1703-1770), который по совету токаря Гислинга заменил ручное натирание шаров трением о подушки, прижимавшиеся к натираемым шарам или цилиндрам винтами (позднее пружинами). Образцом электрических машин XVIII в. может служить машина, описанная Эйлером в его "Письмах к немецкой принцессе".

Рис. 146. Лейденский опыт

Получив более мощные источники электричества, прежде всего занялись эффектом получения огня с помощью электричества. Электричеством зажигали эфир, спирт, фосфор, порох, водку. Особенно большое внимание привлекло открытие новых способов получения сильных электрических эффектов. Это открытие было сделано независимо друг от друга Клеистом осенью 1745 г. в Померании и вначале 1746 г. в Лейдене Мушенбреком (1692-1761). Клейст обнаружил, что если в медицинскую склянку с небольшим количеством ртути опустить гвоздь и наэлектризовать его, то, если держать склянку в одной руке и прикоснуться к гвоздю другой, получается сильная искра и чувствительный удар в руке.

"Лейденская банка быстро привлекла всеобщее внимание. Винклер изготовил батарею, Гралат в Данциге заменил медицинские склянки большими банками и, составляя батарею, добивался эффективного удара в цепи из 20 человек. В Англии Уатсон (1715-1787) в сотрудничестве с Бевисом, Грегамом и другими пытался определить скорость течения электричества, удлиняя разрядную цепь до двух миль. Опыты не дали положительного результата, зато удалось подметить различную проводимость проводников и внести ряд изменений в конструкцию банки, которая по предложению Бевиса стала обкладываться с обеих сторон станиолевыми или свинцовыми листами, т. е. банка приобрела современную форму.

Рис. 147. Опыт по измерению скорости электричества

Эволюция машины трения в форму машины с плоскими дисками завершилась Позднее в результате работ механика Рамсдена в 1766 г.; на приоритет изобретения этого типа машин претендовал Планта и врач Ингенгоуз (1730-1799), прибор которого по теплопроводности и доныне составляет принадлежность школьных физических кабинетов.

Эффекты новых приборов послужили базой, на которой сложилось учение об атмосферном электричестве. Мысль об электрической природе молнии стала казаться вполне естественной, и если Розенбергер в своей "Истории физики" говорит, что впервые утверждение о только количественном отличии молнии от электрической искры было высказано Винклером в 1746 г., то Ломоносов с полным правом утверждал, что идеи об электрической природе не только молнии, но и северного сияния были выдвинуты в оде "Вечернее размышление о божьем величии" раньше Франклина (а, следовательно, и раньше Винклера). Надо заметить, что попытки Мерана объяснить северное сияние проникновением в земную атмосферу солнечной атмосферы и Эйлера излучением земной атмосферы под действием солнечных лучей, были совершенно несостоятельны. Гений Ломоносова и в этом вопросе далеко опередил свой век. Однако систематические наблюдения над атмосферным электричеством Рихмана и Ломоносова в России начались после того, как были получены сообщения об аналогичных опытах Франклина.

Рис. 148. Дисковая электрическая машина

Наиболее замечательным фактом в истории наук этого периода является факт нового и значительного расширения культурных связей. Энгельс отмечал как одно из преимуществ конца средневековья по сравнению с древним миром включение в культурно-историческую связь, вместо узкой приморской полосы, всей Европы, включая Польшу. Теперь в дело научного прогресса включились Россия и Америка. Основоположниками наук в этих странах стали Ломоносов и Франклин.

Франклин

Бенджамен Франклин родился 17 января 1706 г. в семье мыловара в окрестностях Бостона. Он рано начал трудовую деятельность, поступив учеником в типографию брата. Двадцати четырех лет от роду Франклин завёл свою типографию в Филадельфии.

Любознательный, неустанно работающий над собой юноша стремится удовлетворить свою жажду знаний не только книгами, но и путём научного общения. Им было создано научное общество в Филадельфии, из которого выросло оформившееся в 1769 г. знаменитое американское научное учреждение "American Philosophical Society of Philadelphia", труды которого начали выходить с 1771 г. и выходят по сие время ("Франклиновский журнал"). В этом обществе Франклин начал с 1745 г. свои занятия по электричеству, прославившие его в учёном мире.

Но Франклину пришлось исполнять свой долг гражданина и государственного деятеля. С 1752 по 1756 г. и с 1764 по 1775 г. он был представителем Северо-Американских колоний в Лондоне, защищая интересы своей родины перед метрополией. Когда же в 1775 г. вспыхнула война за независимость, Франклин принял: активное участие в этой борьбе.

Отправившись в 1776 г. в качестве посла Американской республики в Париж,, он добился заключения союза с Францией, чрезвычайно важного для молодой Республики. Он принимал участие в выработке "Декларации независимости", при его участии был заключён мир с Англией в Париже в 1782 г., и этим актом была признана независимость Соединённых Штатов. Он был членом первого Конгресса. Политическую деятельность Франклин оставил в 1788 г. 82 лет от роду, за два года до смерти, последовавшей 17 апреля 1790 г.

Заслуги Франклина в развитии учение об электричестве неоспоримы. Ему принадлежит первая (если не считать Дюфея) теория электрических явлений, с успехом применённая для объяснения действия лейденской банки; эту теорию Франклин иллюстрировал своим плоским конденсатором ("Франклинова доска"). Ему же принадлежит и предложение практически использовать электрические свойства тел (громоотвод), правда, впервые применённое не им, а французом Далибаром в 1752 г. Его общеизвестный опыт со змеем послужил поводом к стиху "он отнял молнию у небес и меч у тиранов".

Однако главное заключается не в самих его теориях, опытах и предложениях, которые при тогдашних средствах сообщения нередко перекрывались другими, а в их стимулирующем значении.

Опыты и теории Франклина горячо обсуждались, проверялись, и это обстоятельство привело к дальнейшим успехам в изучении электрических явлений. Причина такого успеха Франклина заключается в несомненном популяризаторском таланте его, выразившимся, между прочим, в издании многочисленных журналов, альманахов и книг для народа. Деви отмечал, что Франклин говорил "одинаково хорошо и для физика-специалиста и для физика-любителя... он оставался одинаково ясен и занимателен, прост и приятен".

Его исследования сообщались им в Европу в виде писем к члену Лондонского королевского общества Коллинсону, писавшихся в промежутке от 28 июля 1747 г. до 18 апреля 1754 г. Мы остановимся на его теории электрических явлений.

Основная идея франклиновской теории заключается в допущении существования универсальной электрической материи, не наблюдаемой в телах в их нормальном состоянии^*. Тело, получившее в результате трения или соприкосновения избыток электрической материи, оказывается, по терминологии Франклина, наэлектризованным положительно, тело, потерявшее часть материи, электризуется отрицательно. Так, по Франклину, стекло электризуется положительно, смола - отрицательно. Тела, наэлектризованные одинаково, отталкиваются, разноимённо - притягиваются. Электрическая материя Франклина удовлетворяет принципу сохранения: изолированный человек, натирающий стеклянную палочку, не обнаруживает электрических свойств, но если другой изолированный человек извлечёт из палочки искру, то оба они оказываются заряжёнными.

^* (Своеобразную эволюцию франклиновская идея универсальной, не наблюдаемой сущности претерпела в наши дни в виде гипотезы Дирака о ненаблюдаемом электронном "фоне".)

Франклин показал, что обкладки лейденской банки наэлектризованы разноимённо. Это происходит следующим образом: при заряжении внутренней обкладки её заряд влияет через стекло на электричество противоположной обкладки, отталкивая одноимённое электричество в землю, в результате чего наружная заземлённая обкладка оказывается заряжённой отрицательно. Нарушенное равновесие электричества восстанавливается при разряде, который может быть осуществлён сразу, либо по частям. Сам Франклин осуществил разряд последнего типа с помощью маленького пробкового шарика, подвешенного на нити, переносящего электричество с одной обкладки на другую. Из теории Франклина вытекало, что роли обоих обладок равноправны, что он и не замедлил доказать, заземлив внутреннюю обкладку и зарядив наружную.

Особенно замечательно, что Франклин прежде Фарадея осуществил знаменитый опыт с разборным конденсатором и обнаружил сохранение электрического состояния в стекле после снятия обкладок.

Рис. 149. Титул трактата Эпинуса

Теория Франклина была встречена сочувственно и привлекалась к объяснению новых фактов. Около 1753 г. появился электроскоп (электрический указатель с нитью Рихмана, указатель с двумя нитями Нолле, указатель с двумя бузинными шариками Кантона), и это обстоятельство способствовало уточнению экспериментальных сведений по электричеству.

Тот же Кантон (1718-1772) обнаружил с помощью своего электроскопа явление электрической индукции или влияния: шарики расходились прежде, чем соприкасались с наэлектризованным телом. Этот факт послужил поводом к созданию гипотезы действия на расстояние, разработанной петербургским академиком Эпинусом (1724-1804) в его важном труде "Tentamen theoriae electricitatis et magnetismi" ("Опыт теории электричества и магнетизма", Петербург 1759). Кантон в соответствии с идеями Франклина и ещё господствовавшими в то время картезианскими представлениями об истечениях предполагал, что расхождение листочков электроскопа вблизи наэлектризованного тела обусловлено действием своеобразной электрической "атмосферы", окружающей наэлектризованное тело.

Коллега Эпинуса по берлинским опытам, ставший впоследствии шведским академиком, Иоганн Карл Вильке (1732-1796) дополнил наблюдение Кантона важным открытием. А именно, он нашёл, что, поместив нейтральное тело в электрическую атмосферу наэлектризованного тела, можно наэлектризовать это нейтральное тело, если прикоснуться к нему на короткое время проводником, а затем вынести из электрической атмосферы. Так был открыт новый способ получения электричества: электризация влиянием. При этом Вильке обнаружил, что полученный таким образом заряд всегда противоположен заряду влияющего тела.

Рис. 150. Микроскоп XVIII в.

Эпинус решительно отверг представление об электрической атмосфере. Электрическая материя действует на расстояние. Нейтральное тело, попадая в сферу действия наэлектризованного тела, взаимодействуете электрической материей последнего, и если поднести к нейтральному телу проводник, то электрическая материя тела, отталкиваемая электричеством заряжённого тела, переходит в проводник. Поэтому если отнять проводник, то в нейтральном теле обнаруживается недостаток электричества, что и показывают наблюдения Вильке.

Таким образом, Эпинус следует унитарной теории Франклина. Но уже в том же 1759 г. были опубликованы в "Phil. Trans." исследования Саймера (Symmer), в которых выдвигалась новая дуалистическая теория, точнее, восстанавливались забытые идеи Дюфея. Эта теория оказалась удобнее франклиновской, в особенности при объяснении явления истечения электричества с острия, которое происходит как в том случае, когда остриё наэлектризовано положительно, так и в случае его отрицательной электризации.

Знаменитый опыт Франклина во время грозы 1752 г. положил начало многочисленным наблюдениям над атмосферным электричеством. Смелые попытки исследовать природу молнии лучше всего свидетельствовали о большом пути, пройденном человеческой мыслью. Прошли времена, когда молния и гром пугали людей и являлись прерогативой богов всех религий; приближалось время, когда грозная электрическая сила, укрощенная и послушная, должна была стать слугой людей. Но попытки разгадать природу молнии были далеко не безопасны: 6 августа 1753 г. шаровой молнией был убит друг Ломоносова - петербургский академик Рихман, и мы увидим далее, как пришлось бороться Ломоносову против реакционеров, воспользовавшихся этим поводом для выступления против науки. Однако факт электрической природы молнии был установлен, а тот же Ломоносов и француз Лемонье обнаружили электричество в атмосфере и в спокойном её состоянии.