История науки

ких деятелей Америки. С 1757 г. по 1768 г. Франклин живет в Англии как представитель колоний и принимает активное участие в борьбе за их ос­ вобождение. Он ищет помощи со стороны Франции. Ф ранклину удается в 1778 г. склонить Людовика XV к заключению союза против Англии. В 1776 г. СШ А объявили себя независимыми. С этого года и по 1785 г. Франклин живет в Париже в качестве посла США и общается здесь со все­ ми видными учеными Франции того времени — Даламбером, Лапласом, Кулоном, Лагранжем, Лавуазье. Франклин вернулся в СШ А в 1789 г. уже старым и больным. Америка встретила его как национального героя, борца за независимость США.

Франклин не был ученым ни по образованию, ни по роду деятельности, но семь лет жизни с 1747 г. по 1754 г. он посвятил исследованиям по элект­ ричеству. В своей автобиографии Франклин рассказывает, что он заинтере­ совался физикой под влиянием некого Спенса, который в 1746 г. приехал из Шотландии в Филадельфию и, разъезжая по городам, показывал опыты по электричеству. Франклин купил у Спенса все его приборы и приступил с друзьями по Филадельфийскому философскому обществу к самостоятель­ ным исследованиям. Франклин делился результатами своих опытов с чле­ ном Лондонского Королевского Общества П. Коллинсоном, который с большим участием относился к работе Филадельфийского философского общества и помогал молодым ученым в приобретении необходимого обо­ рудования. В письмах к П. Коллинсону Франклин подробно описал свои теоретические соображения и практические результаты, которые в основ­ ном составили впоследствии его сочинение «Опыты и наблюдения по элек­ тричеству».

Франклин выдвинул «унитарную» теорию электричества, по которой су­ ществует единая электрическая материя — «электрический огонь». «Поло­ жительное» электричество вызывается избытком «электрического огня», «отрицательное» — недостатком. Термины «положительное» и «отрицатель­ ное» электричество введены, таким образом, Франклином. Он писал: «Элек­ трическая материя состоит из чрезвычайно тонких частиц, так как она про­ текает сквозь обычную материю, даже наиболее плотную, с такой легкос­ тью, что последняя не оказывает заметного сопротивления».

Лауреат Нобелевской премии за 1924г. американский физик Милликен в связи с этим утверждал, что электронная теория восходит к Франклину. Впрочем, «электрический огонь» Франклина невесом, тогда как электроны вполне материальны.

На основании своей теории Франклин дает объяснение принципа дей­ ствия лейденской банки. Он доказал, в частности, что лейденскую банку можно разрядить постепенно, а не только мгновенно и зарядить «наоборот» (изменить полярность). При проведении экспериментов Франклин отметил сходство между электрической искрой и молнией. В 1749 г. он пишет в сво­ ей записной книжке:

«Общие свойства электрической жидкости и молнии: давать свет, одинаковый по цвету, направляться зигзагами, мгновенно двигаться, издавать шум или треск

взрыва, расщеплять тела, через которые проходит, убивать животных, плавить металлы, издавать серный запах».

Один из опытов Франклина позволил ему установить важное свойство «электрического флюида» — притягиваться острием. Этот опыт подтолк­ нул его к способу доказать еще большее сродство искры и молнии, то есть доказать наэлектризованность облаков. Франклин предполагал сделать та­ кое доказательство с помощью высокого железного шеста с острием на конце путем наблюдения искр при прохождении над острием грозовых об­ лаков. Эти свои соображения он изложил в письме к Коллингсону от 20 июля 1750 г., который прочел это письмо на заседании Лондонского Ко­ ролевского общества. Письмо было встречено критическими замечания­ ми и шутками в адрес автора. В другом письме от 29 июля того же года Франклин сообщает о возможности предохранить здания от молнии уст­ ройством громоотвода. Ирония со стороны членов Лондонского Королев­ ского общества была еще более язвительной. По обычаю Общества все то, что зачитывалось на его заседаниях, опубликовывалось в печатном органе общества. Однако в данном случае было сделано исключение из-за весьма неодобрительного отношения ко всему тому, что излагалось в письмах Франклина. Коллисон опубликовал эти письма за свой счет в виде отдель­ ной брошюры «Опыты и наблюдения по электричеству» (1751г.). Брошю­ ра была вскоре издана во Франции, и имя Франклина получило извест­ ность в научном мире. С одобрения короля Франции опыт с железным ше­ стом был поставлен Бюффоном, Делором и Далибаром в одном из садов в Марли 10 мая 1752 г. Из вертикального шеста была-таки извлечена искра во время прохождения грозовых облаков. Вместе со своим сыном Ф ранк­ лин провел опыт с воздушным змеем, извлекая искры и заряжая лейден­ скую банку атмосферным электричеством. В 1752 г. Франклин соорудил первый в Америке громоотвод. В Европе громоотводы появились в 1766 г. на знаменитом Эдистонском маяке.

В России опыты по электричеству проводили Г. Рихман и М.В. Ломоно­ сов. Рихман с помощью своей «громовой машины» в 1752г. смог зажечь нефть, зарядить лейденскую банку, наэлектризовать себя. Он изобрел «элек­ трический указатель», который являлся, по существу, электрометром. Это был первый прибор, применяемый для количественных измерений элект­ рических величин. После трагической смерти Рихмана описание его при­ боров появилось в английских журналах.

Характеризуя многостороннюю деятельность Ломоносова, А.С. Пушкин отмечает, что Ломоносов «предугадал открытие Франклина». Ломоносов первый показал присутствие электричества в атмосфере, когда нет грозы, предложил отличный от Франклиновского способ защиты зданий от мол­ нии. Ломоносов выступил с докладом «О явлениях воздушных от электри­ ческой силы происходящих» в Академии наук в ноябре 1753г. Он познако­ мился с теорией Франклина и его «Письмами» когда доклад уже был готов. «Франклиновы письма, — пишет Ломоносов, — увидел впервые, когда речь была готова, в чем посылаюсь на своих честных господ товарищей».

3.2. Начало теории электричества. Эпинус. Кулон

Как и в других областях науки, теория электричества двигалась в направле­ нии от явлений к принципам. Качественные исследования, первые опыты по электричеству требовали количественной оценки, получения математи­ ческих зависимостей.

Первая попытка математического рассмотрения электрических явлений принадлежит Францу Ульриху Теодору Эпинусу (1721—1802). Немец по проис­ хождению, Эпинус почти всю свою жизнь прожил в России. Он родился в Ро­ стоке, учился в университете родного города, затем в Иене. Ученую степень по­ лучил за диссертацию «О кривых линиях». В 1755—1757 гг. Эпинус был про­ фессором астрономии при Берлинской Академии наук. Еще при жизни М.В. Ломоносова в 1757 г. Эпинус был приглашен на должность профессора физи­ ки в Петербургскую Академию наук и более 40 лет работал в этой должности. В 1765г. Екатерина Великая назначила Эпинуса воспитателем великого князя (впоследствии Павла I). С этого времени научная деятельность Эпинуса прак­ тически прекратилась. В 1797г. после восшествия Павла на престол Эпинус по­ лучил чин тайного советника. Умер Эпинус, уже будучи в отставке, в Юрьеве.

Теория Эпинуса базируется на действии электрических сил на расстоянии,

ив этом Эпинус следует Ньютону, считая, что взаимодействуют электричес­ кие жидкости. Одновременно Эпинус следует Франклину, разделяя электри­ ческую силу на положительную и отрицательную. Эпинус указывает на сход­ ство и различие магнитных и электрических сил. Свою теорию он развил ма­ тематически и опубликовал в 1759 г. в сочинении «Теория электричества и магнетизма». Эпинус в этой теории полагает, что каждое тело в своем есте­ ственном состоянии обладает определенным количеством электричества, электрические явления проявляются тогда, когда количество жидкой элект­ рической материи больше или меньше того, которое должно быть в естествен­ ном состоянии. Электрические силы Эпинус полагает пропорциональными электрическим зарядам, то есть количеству электрической жидкой материи

инезависящими от расстояния между зарядами. Эпинус был первым, обна­ ружившим явление электризации проводника от одного только приближения наэлектризованного тела — «электричества через влияние».

Важнейшим в науке стало открытие Эпинусом явления электризации турмалина при нагревании, названное впоследствии «пироэлектричеством». Особый кристалл, известный в Европе как «электрический камень», был назван Эпинусом «турмалином». Эпинус провел ряд тончайших экспери­ ментов с турмалином и установил, что при нагревании один конец кристалла заряжается положительно, другой — отрицательно. В настоящее время пи­ роэлектрические явления используются при преобразовании потока излу­ чения в электрический сигнал (в пироэлектрических приемниках излуче­ ния). Пироэлектрические приемники применяются в самых различных об­ ластях техники, например в системах ночного видения, в которых тепловое излучение объектов преобразуется в электрический сигнал, используемый для создания видимого изображения предметов.

Генри Кавендиш (1731—1810) развил теорию Эпинуса, полагая, что сила

взаимодействия заряженных тел обратно пропорциональна некоторой сте­ пени расстояния между ними и простирается до бесконечного расстояния.

Честь установления закона взаимодействия электрических зарядов при­ надлежит Шарлю Огюстену Кулону (1736—1806), который своими исследо­ ваниями создал основы электростатики.

Ш.О. Кулон родился во французском городке Ангулеме в семье чиновни­ ка. Высшее образование Кулон получил в военно-инженерной школе в Мезьере. Научную известность Кулону принесла его первая работа по методам решения задач в области строительной механики. За работы по изучению про­ блем сухого (внешнего) трения в 1781 г. Кулон получил премию Парижской Академии наук и в том же году был избран членом этой Академии. В 80-е годы Кулон провел исследование кручения тонких металлических нитей. Кулон установил, что сила закручивания нитей зависит от материала нити, прямо пропорциональна углу закручивания и четвертой степени диаметра нити и обратно пропорциональна ее длине. Это исследование позволило Кулону по­ строить тончайший экспериментальный прибор — крутильные весы, служа­ щие для измерения малых сил. Крутильные весы стали основным инструмен­ том в исследованиях Кулона по электричеству и магнетизму. После событий 1789 г. научная работа Кулона практически прекратилась. В последние годы жизни Кулон занимался вопросами народного образования.

Свои исследования по электричеству и магнетизму Кулон начал с изме­ рения зависимости силы отталкивания зарядов от расстояния между ними и установил, что силы отталкивания почти в точности обратно пропорциональ­ ны квадратам расстояний. Такая же зависимость наблюдалась и в отношении сил притяжения. Аналогичные результаты были получены и другим методом, известным как «метод колебаний». Этот метод основан на зависимости час­ тоты колебаний наэлектризованной на конце стрелки от действующей на нее электрической силы. Кулону удалось установить, что действие магнитных сил также подчиняется закону обратных квадратов. Как и Эпинус, Кулон принял прямо пропорциональную зависимость действующей силы от величины про­ изведения зарядов. Кулон исследовал с помощью изобретенной им «пробной плоскости» — кружка из позолоченной бумаги на изолирующей ручке — рас­ пределение электрических зарядов на проводниках. Теоретически, с исполь­ зованием полученного им закона обратных квадратов, и экспериментально Кулон доказал, что электрические заряды распределяются по поверхности проводника. Установленные законы обратных квадратов при взаимодействии зарядов имели глубоко идущие теоретические последствия. Механика Нью­ тона естественным образом распространялась на электростатику. Свойства полей ньютоновских сил переносились в электростатику. Леонард Эйлер и Симеон Пуассон (1781—1840) разработали теорию потенциала, распространи­ ли ее на электрические и магнитные явления.

Мощным инструментом при исследовании электрических и магнитных явлений стал математический анализ. Разработку теории потенциала продол­ жил Гаусс. На основании закона Кулона Гаусс дал определение количества электричества, в основу которого положено понятие силового взаимодействия единичных точечных зарядов, находящихся на единичном расстоянии.

электрического тока — «вольтовый столб», как его стали называть, образно передавая в названии саму конструкцию. Действительно, Вольта располо­ жил в столбик контактные пары металлов, разделенные влажными кружка­ ми из ткани. В основе контактных пар Вольта использовал пары сереброцинк. Напряжение между крайними металлами в столбе оказалось пропор­ циональным количеству пар. В этом же письме Вольта описывает и другие варианты конструкции своего прибора.

После появления «вольтовых столбов» вскоре обнаружились новые фи­ зические явления, в частности тепловое действие тока, электролиз, элект­ рическая дуга. Изобретение Вольта произвело огромное впечатление на на­ учный мир. Он был избран членом Лондонского Королевского общества и Парижской Академии наук. На демонстрации опытов Вольта на заседании Парижской Академии наук присутствовал Наполеон. Французы «вольтовы столбы» стали называть также «гальваническими столбами», а позже галь­ ваническими элементами. Это название сохраняется и сегодня.

3.4. Магнитное действие тока. Эрстед. Ампер

Отдельные научные факты, указывающие на связь между электричеством и магнетизмом, к числу которых относятся намагничивающее действие мол­ нии, намагничивание с помощью разряда лейденской банки, справедли­ вость закона обратных квадратов как для электрических, так и для магнит­ ных явлений, не давали тем не менее устойчивых представлений о такой свя­ зи. Необходимым звеном в продвижении исследований по связи между электрическими и магнитными явлениями должен был стать опыт, напря­ мую связывающий эти явления, планомерно повторяемый и поддающийся количественный интерпретации. Таким опытом стал знаменитый и гениаль­ ный по своей простоте опыт Эрстеда по действию электрического тока на магнитную стрелку.

Ганс Христиан Эрстед (1777—1851) родился в г. Рудкебинге (Дания) в се­ мье аптекаря. После окончания Копенгагенского университета в 1797г. Эр­ стед получил диплом фармацевта. Через два года после окончания универси­ тета Эрстед защитил докторскую диссертацию. Вся научная карьера Эрстеда состоялась в Копенгагенском университете, где он с 1806 г. был профессором. Увлеченный идеей о единстве сил природы, Эрстед задумался о связи между электричеством и магнетизмом, и такая связь была им обнаружена в 1820 г. Эрстед, понимая значимость своего открытия, описал его в специально из­ данной брошюре и разослал ее известным европейским ученым.

Опыты Эрстеда были вскоре многократно проверены многими экспери­ ментаторами, что, по существу, и положило начало экспериментальной электродинамике. Из опытов Эрстеда следовало, что ток, протекающий в прямолинейном проводнике, ориентированном вдоль земного меридиана, отклоняет магнитную стрелку от направления меридиана. Удивительным было прежде всего то обстоятельство, что сила, действующая между магнит­ ным полем и элементом тока (участком проводника), была «силой повора­

пером так же, как и термин «электростатика», что четко определило разли­ чия между явлениями, связанными с покоящимися электрически заряжен­ ными телами (электростатика), и явлениями, связанными с электрическим током, то есть с движением зарядов (электродинамика). Первые опыты Ам­ пера были направлены на определение взаимодействия между проводника­ ми с током. Ампер установил, что проводники с одинаково направленны­ ми токами притягиваются, а с противоположно направленными — отталки­ ваются. Опыты с катушкой с током, которую Ампер назвал соленоидом, по­ казали, что действие такой катушки может рассматриваться через эквива­ лентное действие постоянного магнита. Исследуя магнитное поле кругово­ го тока (рамки с током), Ампер пришел к гениальной идее, ставшей самым весомым вкладом Ампера в науку: «постоянный» магнетизм объясняется су­ ществованием внутри магнита элементарных круговых токов. Существова­ ние «магнитной» жидкости Ампером, таким образом, отвергалось. По Ам­ перу, магнетизм — проявление электричества. Он пишет:

«Итак, мы приходим к тому неожиданному результату, что магнитные явления вызываются исключительно электричеством и что нет никакой иной разницы между двумя полюсами магнита, чем их положение относительно токов, из ко­ торых этот магнит состоит...».

Закон Ампера определяет силу, с которой действует магнитное поле на участок проводника с током. Направление этой силы (силы Ампера) опре­ деляется известным правилом левой руки. Отметим, что понятие «магнит­ ного поля» не было известно Амперу, а теория Ампера базировалась на пред­ ставлении о мгновенной передаче электромагнитного взаимодействия (на так называемом принципе дальнодействия). Идея поля появилась позже в работах Фарадея и Максвелла.

3.5. Теория цепей и электрические измерения. Ом

После появления источников постоянного тока среди множества направле­ ний исследований действия тока одному из них, а именно законам протека­ ния тока во внешней пассивной цепи, на первых порах не уделялось долж­ ного внимания. Но как только дело дошло до практического использования электрических цепей, это направление стало весьма актуальным. Первым крупным шагом в теории электрических цепей стал закон, установленный немецким ученым Георгом Симоном Омом (1789—1854), носящий его имя.

Г. Ом родился в Эрлангене в семье слесаря. Отец Георга уделял большое внимание его образованию. Ом учился в гимназии, затем в Эрлангенском университете. После окончания университета в 1811 г. Ом защитил доктор­ скую диссертацию по философии и стал преподавать в своем университете. В 1817 г. Ом переезжает в Кельн и становится старшим преподавателем в иезуитской коллегии (гимназии). Здесь он начинает активно заниматься физикой. Физическая лаборатория коллегии была неплохо оборудована, в