Электричество

ЭлектричествоЭлектричество. 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».

219Другим новым явлением было открытое в 1675 г. Пикаром свечение ртутного столба барометра при встряхивании, которое также считали одним 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 ею 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 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.

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 Г. В. Рихманом. Грей сообщил электризацию металлам, прикасаясь к ним 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. Рихман осуществил опыт электризации изолированных проводников трением. Но эти опыты Рихмана оставались неизвестными, и в дальнейшем В. В. Петров в работе «Новые электрические опыты», вышедшей в 1804 г., высказал 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.

220Грей 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.

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».

Так, например, в книге Кузвия «Начальное основание физики», перевёденной на русский язык академиком Севергиным и вышедшей в русском переводе в 1800 г. (за четыре года до книги Петрова), первый параграф главы об электричестве так и называется: «Разделение тел на начально-электрические и производноэлектрические», причём эту классификацию автор характеризует следующим образом:

«Тела разделяются на начальноэлектрические (Idio-electriques), электризующиеся трением, и на производноэлектрические (An-electriques) электризующиеся токмо чрез сообщение, т. е. чрез соприкосновение или весьма великую приближённость к телам начальноэлектрическим. К первым причисляются все смолы, сера, воск, стёкла, алмаз, кристалл, большая часть драгоценных камней, шёлк, шерсть животных, вода в виде льда, Тела производноэлектрические суть: вода в жидком виде, земли, металлы, животные. Оные называются также проводниками электричества…»

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 oн сам магнитом или нет. «Электрическая природа» не действует на «магнитную природу», и наоборот.

221

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.

Д ю ф е й 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, гуммилаке, 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 приводится 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».

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 К л е й с т о м осенью 1745 г. в Померании и в начале 1746 г. в Лейдене М у ш е н б р е к о м (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.

222 «Лейденская банка» быстро привлекла всеобщее внимание.

Этому немало способствовало сенсационное сообщение Мушенбрека. В письме к Реомюру он описывал свой опыт в следующих выражениях: «Хочу сообщить вам новый и странный опыт, который советую самим никак не повторять. Я делал некоторые исследования над электрической силой и для этой цели повесил на двух шнурах из голубого шёлку железный ствол, получавший чрез сообщение электричество от стеклянного шара, который приводился в быстрое вращение и натирался прикосновением рук. На другом конце В свободно висела медная проволока, конец которой был погружён в круглый стеклянный сосуд D, отчасти наполненный водой, который я держал в правой руке F, другою же рукой я пробовал извлечь искры из наэлектризованного ствола. Вдруг моя правая рука была поражена с такой силой, что всё тело содрогнулось, как от удара молнии. Сосуд, хотя и из тонкого стекла, обыкновенно сотрясением этим не разбивается, и кисть руки не перемещается, но рука и всё тело поражаются столь страшным образом, что и сказать не могу; одним словом, я думал, что пришёл конец…»

223Заклинания Мушенброка возымели обратное действие: «лейденский опыт» повторялся и совершенствовался. Винклер изготовил батарею, Гралат в Данциге заменил медицинские склянки большими банками и, составляя батарею, добивался эффективного удара в цепи из 20 человек. В Англии У а т с о и (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.

Эволюция машины трения в форму машины, с плоскими дисками завершилась позднее в результате работ механика Рам-едена 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.

224Эффекты 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.

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.

225Бенджамен 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 учения 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 примененные 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, выразившемся, 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, посылавшихся 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 (Своеобразную эволюцию франклиновская идея универсальной, не наблюдаемой сущности претерпела в наши дни в виде гипотезы Дирака о ненаблюдаемом электронном «фоне».). 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.

Франклин показал, что обкладки лейденской банки наэлектризованы разноимённо. Это происходит следующим образом: при заряжении внутренней обладки её заряд влияет через стекло на электричество противоположной обкладки, отталкивая одноимённое электричество в землю, в результате чего наружная заземлённая обкладка оказывается заряжённой отрицательно. Наружное 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 обкладок 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.

Видоизменяя опыт с разрядом банки электрическим маятником, Франклин сначала осуществил разряд с помощью такого маятника двух противоположно заряжённых банок, а затем поместил между банками горизонтальное колесо из четырёх стеклянных спиц, заканчивающихся металлическими шариками, насаженными на вертикальное остриё. Колесо приходило во вращение. Это был прообраз электрического двигателя.

Очень важным открытием Франклина было открытие разрядных свойств металлического острия. Это открытие и послужило толчком к знаменитым опытам по извлечению электричества из заряжённых облаков. В 1749 г. Франклин писал по этому поводу: «Чтобы разрешить вопрос, наэлектризованы грозовые облака или нет, я хочу предложить опыт, который можно сделать на местах, где к тому представляются удобства. Поставим на вершине высокой башни или подмостков будку такой величины, чтобы она могла вместить человека и электрическую скамейку. (Франклин имеет в виду скамейку с изолирующими ножками). От середины скамейки проведём, выгнув его через отверстие дверей, вертикально в высоту железный шест футов в двадцать или тридцать длиной с заострённым на верхушке концом. Если будем заботиться, чтобы скамейка была чиста и суха, то человек, на ней стоящий, наэлектризуется во время низко проходящих облаков и станет давать искры, ибо шест приведёт (электрический) огонь из облаков. Если желаем предохранить наблюдателя от опасности, в чём, впрочем, полагаю, не будет надобности, — то сделаем так, чтобы он стоял не на скамейке, а на полу будки и помощью сургучной ручки приближал от времени до времепи к шесту проволоку с кольцеобразно загнутым концом, тогда как другой её конец прикреплён к проводящим телам. Когда шест наэлектризуется, из него будут выскакивать искры в проволоке, минуя наблюдателя». Эти опыты были осуществлены в 1752 г. Далибаром во Франции, подтвердившим предположения Франклина. Сам Франклин в том же году осуществил новый вариант этого опыта, запустив в грозовую тучу змей с остриём. Из смоченной верёвки извлекались искры.

226Франклин предложил использовать свойства острия для громоотвода. Принцип громоотвода он иллюстрировал следующим изящным опытом. К потолку на верёвке подвешивалось коромысло весов длиной более двух футов, к концам которого на шёлковых шнурках подвешивались чашки, отстоящие от пола на расстоянии около фута. Закручиванием верёвки можно было привести их во вращение. Железный молоток вбивался в пол так, чтобы чашки при вращении проходили над ним. Одна из чашек электризовалась. При вращении коромысла эта чашка, проходя над молотком, приближалась к нему, и если расстояние было достаточно близко, то между нею и молотком проскакивал огонь. «Но если укрепить на конце молотка иголку так, чтобы она стояла вертикально, то чашка, вместо того чтобы притягиваться молотком и давать искру, незаметно отдаёт своё электричество острию и над молотком поднимается выше». Чашка в опыте Франклина моделирует облако, молоток — здание. «Если это так, — говорит Франклин, — то нельзя ли воспользоваться знанием силы остриёв, дабы защитить дома, церкви, корабли от ударов молнии». Однако, чтобы осуществить предложение Франклина, понадобилась жертва науки — смерть петербургского академика Г. В. Рихмана.

Георг Вильгельм Рихман родился 11 июля 1711 г. в г. Пярну (Эстония). После окончания Ревельской (Таллинской) гимназии он учился в университете в Галле и Иене, затем из-за материальной необеспеченности поступил воспитателем к детям известного дипломата А. И. Остермана, но вскоре стал студентом академического университета при Петербургской академии наук по классу физики. Через пять лет (в 1740 г.) он был уже адъюнктом академии, работая у Г. В. Крафта (1701—1754), помогая последнему в организации физического кабинета.

227В 1743 г. Крафт ушёл в отставку; на его место был назначен Рихман. В это время Рихман усиленно занимается теплофизикой. Он разработал метод калибровки термометра, заложил, как было уже сказано выше, основы калориметра, изучал охлаждение тел, в частности, охлаждение увлажнённого термометра, влияние движения воздуха на скорость испарения и т. д.

С 1745 г. Рихман начал заниматься опытами по электричеству. Он впервые начал количественное изучение электрических явлений, построив первый электроскоп — «электрический указатель». Прибор Рихмана состоит из железной линейки, против ребра которой подвешена льняная нить длиной 45 см, весом 33 мг. Внизу устроен деревянный квадрант с делениями. С помощью этого прибора Рихман впервые исследовал электрическое поле, которое он называл «тончайшей возбуждённой материей», окружающей наэлектризованные тела.

Найденная недавно работа Рихмана показывает, как далеко подвинулся он в области изучения электрических явлений. Он наэлектризовал металлы трением, открыл электризацию влиянием, изучал электрический разряд. В дальнейшем Рихман работал в сотрудничестве с М. В. Ломоносовым и вместе с ним летом 1753 г. готовил академическую речь об атмосферном электричестве. 26 июля 1753 г. Рихман был убит во время наблюдений грозы, которую он исследовал своей «громовой машиной» у себя на квартире. «Умер господин Рихман прекрасною смертью, исполняя по своей профессии должность. Память о нём никогда не умолкнет», — писал М. В. Ломоносов по поводу трагической гибели своего друга и соратника.

Весть о гибели Рихмана произвела огромное впечатление в Европе и Америке. Именно под впечатлением этого известия чехословацкий учёный Прокопий Дивиш (1696—1765) устроил в 1754 г. первый громоотвод.

Независимо от Рихмана ряд его важных результатов получил Джон Кантон (1718—1772), сконструировавший электроскоп из двух лёгких бузинных шариков на льняных нитях. С этим электроскопом он обнаружил также электрическую индукцию и электрическую «атмосферу» вблизи наэлектризованных тел.

Иоганн Карл Вильке (1732—1796) обнаружил, что нейтральное тело можно наэлектризовать влиянием, прикоснувшись к нему на короткое время, когда оно находится в электрическом поле, проводником. При этом тело оказывается наэлектризованным электричеством, противоположным по знаку заряду влияющего тела. Вильке, как и петербургский академик Эпинус, о замечательных трудах которого мы скажем ниже, придерживался унитарной теории Франклина.

В 1759 г. были опубликованы в «Phil. Trans.» исследования С а й м е р a (Syxnmer), в которых выдвигалась новая дуалистическая теория, точнее, восстанавливались забытые идеи Дюфея. Эта теория оказалась удобнее франклиновской, в особенности ири объяснении явления истечения электричества с острия, которое происходит как б том случае, когда остриё наэлектризовано положительно, так и в случае его отрицательной электризации.

Таким образом, результаты исследований электрических явлений оказались весьма плодотворными. Были установлены основные факты: существование проводников и изоляторов, два рода электричества, электрическая природа молнии. Были построены и усовершенствованы электрическая машина, лейденские банки, электроскопы. Были сформулированы первые качественные теории электрических явлений. Смелые попытки исследовать природу молнии лучше всего свидетельствовали о большом пути, проделанном 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.