Исследование развития электродинамики до Фарадея
Начало электродинамики как науки чаще всего соотносится с фундаментальными исследованиями У. Гильберта (1544-1603), который в 1600 г. издал трактат "О магните, магнитных телах и о большом магните Земли", содержавшем описание более 600 опытов, осуществленных при его непосредственном участии. Объем работ был столь велик, а эксперименты были выполнены столь безукоризненно, что потребовалось еще почти сто лет после Гильберта, чтобы получить существенно новые результаты.
Прорыв в области развития физики в других областях в 1820 г. сменяется не менее впечатляющим каскадом открытий в области электричества и магнетизма:
· Х. Эрстед открывает магнитное действие тока;
· А. Ампер - взаимодействие электрических токов;
· Ж. Био и Ф. Савар - закон, определяющий напряженность магнитного поля;
· Т. Зеебек - термоэлектричество.
Как уже говорилось, научное исследование электрических и магнитных явлений началось с книги Гильберта, которому принадлежит и термин "электричество", произведенный от греческого названия янтаря. Гильберт кропотливо исследовал множество самых различных тел и построил для этой цели специальный электрический указатель, который он описывает таким образом: "Сделай себе из любого металла стрелку длиной в три или четыре дюйма, достаточно подвижную на своей игле, наподобие магнитного указателя". С помощью этого указателя, прототипа современных электроскопов, Гильберт установил, что способностью притягивать обладают многие тела, "не только созданные природой, но и искусственно приготовленные". Однако он нашел также, что многие тела "не притягивают и не возбуждаются никакими натираниями". К числу их относится ряд, драгоценных камней и металлы: "серебро, золото, медь, железо, также любой магнит". Тела, обнаруживающие способность притяжения, Гильберт назвал электрическими, тела, не обладающие такой способностью,- неэлектрическими. Электрические явления, по Гильберту, коренным образом отличаются от магнитных.
|
|
|
Гильберт указывает, как производится электризация тел трением: "Их натирают телами, которые не портят их поверхности и наводят блеск, например жестким шелком, грубым немарким сукном и сухой ладонью. Трут также янтарь о янтарь, об алмаз, о стекло и многое другое. Так обрабатываются электрические тела".
В сочинении Гильберта много интересных наблюдений и догадок, смешанных с фантастическими объяснениями в духе средневековых алхимиков. Но главное значение его труда в том, что он положил твердое основание изучению электрических и магнитных явлений и на этом основании началось интенсивное развитие этого важного раздела науки и техники.
|
|
|
Электрическими опытами занимался и Ньютон, который наблюдал электрическую пляску кусочков бумаги, помещенных под стеклом, положенным на металлическое кольцо. При натирании стекла бумажки притягивались к нему, затем отскакивали, вновь притягивались, и т. д. Эти опыты Ньютон производил еще в 1675 г.
Эксперименты по электричеству проводили и другие члены Лондонского Королевского общества. Бойль, повторив опыты Герике с шаром, установил, что наэлектризованное тело не только притягивает ненаэлектризованное, но и, в свою очередь, притягивается последним. Он показал, что электрические взаимодействия наблюдаются и в вакууме.
В 1700 г. доктор Уолл извлек из натертого большого куска янтаря электрическую искру, проскочившую с треском в палец руки экспериментатора. Электрическую искру получил в 1705 г Хауксби, заменивший серный шар Герике стеклянным. Ньютон в 1716 г. наблюдал искровой разряд между острием иголки и наэлектризованным телом. "Искра напомнила мне о молнии в малых, очень малых размерах", — писал Ньютон. Наконец, Стефэн Грей (1670-1736), также член Лондонского Королевского общества, в 1729 г. открыл явление электропроводимости тел и показал, что для сохранения электричества тело должно быть изолировано. Он наэлектризовал ребенка, сначала по две сив его на шнурах, сплетенных из волос, а затем поставив его на смоляной диск.
|
|
|
Опыты Грея, опубликованные в 1731 и 1732 гг., обратили на себя внимание французского естествоиспытателя Шарля Дюфэ (1698—1739), создавшего первую теорию электрических явлений. Повторяя опыты Грея по электризации изолированного человеческого тела, он сам ложился на шелковые шнурки, и его электризовали настолько сильно, что из тела при приближении руки другого человека выскакивали искры.
Дюфэ установил два рода электрических взаимодействий: притяжение и отталкивание. Сначала он установил, что "наэлектризованные тела притягивают ненаэлектризованные и сейчас же их отталкивают, как только они наэлектризуются вследствие соседства или соприкосновения с наэлектризованными телами". В дальнейшем он открыл "другой принцип, более общий и более замечательный, чем предыдущие". "Этот принцип, - продолжает Дюфэ, - со стоит в том, что существует электричество двух родов, в высокой степени отличных один от другого: один род я называю "стеклянным" электричеством, другой - "смоляным"... ОсобХнность этих двух родов электричества: отталкивать однородное с ним и притягивать противоположное. Так, например, тело, наэлектризованное стеклянным электричеством, отталкивает все тела со стеклянным электричеством, и, обратно, оно притягивает тела со смоляным электричеством. Точно так же смоляное отталкивает смоляное и притягивает стеклянное".
|
|
|
Рис. 1. Первый опыт с лейденской банкой
Этот закон был опубликован Дюфэ в Мемуарах Парижской Академии наук за 1733 г.
Новые открытия в области электричества и усовершенствование электрических машин, получивших кондуктор, подушки для натирания и, наконец, сенсационное изобретение лейденской банки в 1745-1746 гг., возбудили в обществе большой интерес к электричеству. Электрические опыты проводились в светских салонах и королевских дворцах, на заседаниях ученых обществ и в частных домах. За Европой последовали Америка и Россия. Франклин, Рихман, Ломоносов, Эпинус внесли существенный вклад в эту науку.
Георг Вильгельм Рихман родился 11 июля 1711 г. в г. Пярну (тогда Пернове) в Эстонии. Рихман учился в германских университетах в Галле и Иене, а с 1735 г. в университете Петербургской Академии наук. В 1740 г. он становится адъюнктом, а в следующем, 1741 г. — профессором академии.
В январе 1745 г. Рихман начал собственные опыты по электричеству. В процессе этой работы, как пишет он сам, "я встретился со многими новыми явлениями...", далее "...открыл новый удобный способ исследовать тела, обладающие первичным, и тела, обладающие производным электричеством". Здесь под первичным электричеством Рихман понимает электричество, возбуждаемое в изоляторах трением, под производным — электричество в проводниках, получаемое от контакта с заряженными телами.
Существенно новым моментом в исследованиях Рихмана было то, что он "пытался подвергнуть измерению порождаемое электричество". Вот как он описывает первую свою попытку "измерить электричество": "Маленькие весы я подвесил на железной подставке так, что одна чашка их нависла над этой подставкой, а другая висела около нее на расстоянии 3 дюймов. На эту чашку я положил 30 гранов; поскольку равновесие было нарушено, коромысло с указанной стороны наклонилось и дно другой чашки весов удалилось на 1 дюйм от железной подставки. Когда проволока СDВ и весь аппарат были наэлектризованы, железная чашка тянула книзу и ударялась о подставку, слышался треск и одновременно был виден свет между подставкой В и чашкой весов. Итак, на указанном расстоянии сила был а такая, что 30 гранов могли быть подняты на высоту 1 лондонского дюйма. Тем же способом я надеялся измерить и электрическую силу".
Итак, Рихман попытался "взвесить" электрическую силу. Это была правильная идея, которая в своем развитии привела к изобретению абсолютного электрометра. Рихман описывал ряд опытов с различными весами и массами. Но потом он переходит к другому методу — методу электрического указателя — родоначальнику, современных электрометров.
"Я придумал и другой способ сравнивать электрические силы. К железной проволоке СВ, отводящей электричество, я подвесил льняную нитку DE, затем на расстоянии 492 лондонских линий я укрепил шелковую голубую нитку, параллельную горизонту, а в g поместил тяжелое тело. Шелковую нитку Eg я разделил на десятые доли лондонского фута, обозначив точки деления льняными нитками. Когда проволоке сообщалось электричество, нитка DE приближалась к тяжелому телу g и принимала наклонное положение, например D4, D5, D6 и т. д. Когда электричество прекращалось, нитка вновь принимала вертикальное положение DB. Да позволено будет назвать указателем электричества нить DE, свисающую с наделенной электричеством проволоки и приближающуюся к тяжел ому телу".
Описание экспериментов Рихмана было опубликовано в "Новых Комментариях" Петербургской Академии наук за 1751 г. спустя шесть лет после начала опытов. Это была первая публикация по электричеству в России. Статья Рихмана "Новые опыты с электричеством, порождаемым в телах" содержит описание его экспериментальной установки и опытов, произведенных на этой установке. Установка состояла из электрической машины Гравезанда. От электризуемого шара машины электричество отводилось железной проволокой к железной подставке, помещенной на смоле, заполнявшей конический сосуд. Подставка сообщалась с электрическим указателем, состоящим из вертикальной железной линейки, к верхнему концу которой прикреплялась льняная нить определенной длины и веса. К столу, на котором находился сосуд со смолой, прикреплялся деревянный квадрант с делениями, образующий шкалу указателя. Нить немного не доходила до шкалы. К другому концу железной подставки присоединялась также железная линейка, от которой электричество могло передаваться различным телам.
Электрический указатель занимал мысли Рихмана до самой смерти. Он хорошо понимал, что "совершенный электрометр должен оказать большую пользу в деле открытия и определения законов электричества", и, как он писал в неопубликованной рукописи "Об усовершенствовании электрического указателя", "делал много тщетных попыток в этой области". Описанный в "Комментариях" указатель был жестко связан с экспериментальным столом, и в этом заключалось большое неудобство. Рихман сделал переносной прибор, который представлял собой лейденскую банку (стеклянную бутылку, заполненную наполовину металлическими опилками, вставленную в металлический цилиндрический сосуд), в которую была помещена железная линейка, выступающая наружу. К наружному концу линейки прикреплялась льняная нить.
В работе "Рассуждения об указателе электричества и о пользовании им при исследовании явлений искусственного и естественного электричества" Рихман подводит итог многолетней экспериментальной работы по исследованию электрических явлений, кончая исследованиями электрической природы молнии. "...Восемь лет назад, - пишет Рихман в 1753 г.,- я приступил... к исследованию электрических явлений. Совершенный электрометр, т. е. инструмент для определения электрической силы, вне всякого сомнения, может сильно способствовать развитию электрической теории. Вот почему с самого начала я сразу же стал размышлять об удобном способе определять интенсивность электрической силы. Впрочем, мне до сих пор не посчастливилось сделать совершенный электрометр, - не знаю как другим". Так самокритично и честно оценивает Рихман свои поиски надежной конструкции электрометра.
Для создания такого инструмента потребовалось более ста лет. Электрометры были созданы во второй половине XIX столетия.
В этой же работе Рихман описывает оба типа своих приборов и основные опыты, произведенные с ними, в том числе и опыты с электричеством грозы, приведшие к трагической гибели ученого 26 июля 1753 г. Его классическая работа была опубликована в 1758 г., спустя пять лет после смерти ученого. Несмотря на несовершенство указателя своего прибора, Рихман с полным правом утверждал, что он "является надежным инструментом для распознавания больше или меньше градус электричества в той или иной наэлектризованной массе". Он нашел, что "электрическая материя, некиим движением возбуждаемая вокруг тела, по необходимости должна опоясывать его на некотором расстоянии; на меньшем расстоянии от поверхности тела действие ее бывает сильнее; следовательно, при увеличении расстояния сила ее убывает по некоторому, пока еще неизвестному закону". Другими словами, с помощью своего указателя Рихман открыл существование электрического поля вокруг заряженного тела, напряженность которого убывает с увеличением расстояния от тела "по некоторому, пока еще неизвестному закону". Таким образом, русскому ученому принадлежит честь открытия электрического поля и вполне определенное утверждение о зависимости действия этого поля от расстояния до источника поля. Этот "неизвестный пока закон" был найден спустя сорок лет Кулоном. В своей работе Рихман упоминает Франклина и его теорию положительного и отрицательного электричества.
Рис. 2. Первый проект электрического указателя. Рисунки Рихмана
Рис. 3. Расположение приборов в электрических опытах Рихмана
Рис. 4. Электрические указатель, применявшийся при исследовании грозы. Рисунок Рихмана
В этом ряду необходимо отметить и Франклина, который был одним из основателей Соединенных Штатов Америки, одним из создателей нового государства. Он был также основателем науки этого государства, учредителем одного из первых университетов, первого научного общества — филадельфийского философского общества. Он внес своими трудами большой вклад в американскую и мировую науку. Среди этих трудов первое место занимают его исследования по электричеству.
Эти исследования составили содержание труда Франклина "Опыты и наблюдения над электричеством", состоящего из писем к члену Лондонского Королевского общества Питеру Коллинсону. Коллинсон прислал в филадельфийскую библиотеку стеклянную трубку с указанием, как пользоваться ею для производства электрических опытов. В письме к Коллинсону от 28 марта 1747 г. Франклин писал, что этот подарок побудил его и других членов библиотеки "заняться электрическими опытами, при проведении которых нами наблюдались некоторые новые, по нашему мнению, явления". Франклин занимался электричеством с большим увлечением. "...Мне до этого никогда не приходилось проводить исследование, которое столь полно завладело бы моим вниманием и временем..." - признавался он в том же письме. Результатом этого увлечения было создание унитарной теории электрических явлений, доказательство электрической природы молнии и другие важные открытия.
Один из первых опытов Франклина заключался в электризации чугунного шара, помещенного на горлышке "чистой сухой стеклянной бутылки". Электризация исследовалась с помощью легкого пробкового шарика, подвешенного на шелковой нити, прикрепленной к потолку. Франклин установил в этом опыте действие проводящего острия, разряжающего шар, и светящегося в темноте при разряде. Франклин уже в письме от 11 июля описал свои опыты с наэлектризованным шаром, острием, заряженной вертушкой. Здесь он ввел представление о положительном и отрицательном электричестве. "Чтобы электризовать плюс или минус, требуется знать лишь только то, что части трубки или шара, которые натираются, притягивают в момент трения электрический огонь и, значит, забирают его из предмета, которым производится натирание; эти же самые части, как только прекратится их натирание, стремятся отдать полученный ими огонь любому предмету с меньшим его количеством".
Таким образом, Франклин пользуется представлением об особой электрической субстанции, которую он называет "электрическим огнем". Он предполагает, что электрический огонь "является распространенным элементом" и тела до процесса электризации имеют равные количества этого элемента.
В письме от 1 сентября 1747 г. Франклин описывает действие лейденской банки. "Удивительно, как эти два состояния электричества - плюсовое и минусовое - сочетаются и уравновешиваются в этой чудодейственной банке!" - восклицает он. Франклин тщательно исследовал эту взаимосвязь. Опытом с разборной банкой он установил, что вся сила банки и способность к удару заключается в самом стекле, а не в обкладках. Этот опыт им описан в письме IV от 1748 г. Здесь же он излагает результаты* своих опытов и сконструированное им "колесо Франклина" - модель электростатического двигателя, распространенную принадлежность школьных физических кабинетов.
К 1749 г. теория электричества Франклина была завершена. В письме Коллинсону от 29 июля 1750 г. он так формулирует ее основные положения.
"1. 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 сколь-либо заметного сопротивления.
3. Электрическая субстанция отличается от обыкновенной материи в том отношении, что частицы последней взаимно притягиваются, а частицы первой отталкиваются друг от друга...
4. И хотя частицы электрической субстанции взаимно отталкивают друг друга, они сильно притягиваются всей прочей материей.
6. Таким образом, обыкновенная материя по отношению к электрической жидкости является как бы своеобразной губкой...
7. Но в обыкновенной материи содержится (как правило) столько электрической субстанции, сколько она может заключать в себе. Если прибавить ей этой субстанции еще, то она разместится снаружи, на поверхности, и образует то, что мы называем электрической атмосферой; в этом случае говорят, что предмет наэлектризован.
15. Электрическая атмосфера принимает форму того предмета, который она обволакивает..."
Франклин показывает, что электрическая атмосфера обволакивает шар равномерно, с остриев ее легче отобрать, чем с граней. Он демонстрирует стекание электричества с острия на различных опытах. Заметим, что это свойство острия и углов было еще раньше открыто и исследовано Рихманом. Существенно, что в теории Франклина электричество является субстанцией, которую нельзя создать или уничтожить, а можно только перераспределить. Закон сохранения электрического заряда - основное положение теории Франклина, предшественницы электронной теории.
Франклин высказал также гипотезу, что молния представляет собой разряд наэлектризованных туч. Он произвел знаменитый опыт с воздушным змеем, запуская его при приближении грозовых туч. К верхнему концу вертикальной планки крестовины змея он прикреплял заостренную проволоку. К концу бечевки привязывал ключ и шелковую ленту, которую держал рукой. "Как только грозовая туча окажется над змеем, заостренная проволока станет извлекать из нее электрический огонь, и змей вместе с бечевой наэлектризуется... А когда дождь смочит змей вместе с бечевой, сделав их тем самым способными свободно проводить электрический огонь, Вы увидите, как он обильно стекает с ключа при приближении Вашего пальца". (Письмо Коллинсону от 19 октября 1752 г.).
Опыты Франклина и его идея громоотвода вызвали широкий резонанс. Их повторяли в Европе. Жан Далибар (1703-1799) во Франции, установив на подставке из электрика (т. е. изолятора) в саду железный заостренный шест высотой 40 футов, извлекал из него искры во время грозы. Аналогичные наблюдения проводили Ломоносов и Рихман в Петербурге.
Необходимо отметить, что Франклин, употребляя термины "электрик" и "неэлектрик", критиковал их как неверные. По его теории электричество содержится во всех телах; электрическая субстанция "довольно равномерно рассредоточена по всей массе нашего шара, состоящего из суши и воды". Поэтому термины "электрик" и "неэлектрик" должны быть отброшены как неверные и заменены понятиями "проводник" и "непроводник" (единственное отличие одних тел от других состоит только в том, что некоторые проводят электрическую субстанцию, другие нет)".
Совершенно независимо от Франклина начал "электрические воздушные наблюдения" и Ломоносов. Ему удалось с помощью электрического указателя установить электрическое состояние атмосферы в отсутствие грома и молнии. Об этом он сообщал в своей посмертно опубликованной статье.
Рихман и Ломоносов не приняли теории Франклина. Ломоносов разрабатывал свою теорию электрических явлений, в которой сделал попытку объяснить электричество движением частиц эфира. Сопоставляя это с идеей Рихмана об электрическом поле, можно констатировать, что если Франклин предвосхитил будущую электронную теорию, то петербургские академики предвосхитили будущую теорию поля Фарадея — Максвелла.
В 1759 г. в Петербурге вышла на латинском языке книга "Опыт теории электричества и магнетизма" академика Франца Ульриха Теодора Эпинуса (1724—1802). За два года до выхода этой книги член Берлинской Академии наук Эпинус принял приглашение Петербургской Академии наук и заключил контракт на пять лет.
"Опыт теории электричества и магнетизма" Эпинуса, в отличие от книги Франклина и работ Рихмана, рассматривал не только электрические явления, но и магнетизм. При этом в отличие от Гильберта, Эпинус ищет не отличия, а сходства между электричеством и магнетизмом. Открытие им полярной электризации турмалина при нагревании (пироэлектричество), опубликованное им в 1756 г., поразило его в особенности тем, что он обнаружил "чрезвычайное сходство между этим камнем (турмалином) и магнитом". Под впечатлением этого открытия Эпинус "начал снова исследовать сходство между магнитом и электрической силой". В результате этих исследований он стал считать "причины магнитных и электрических явлений совершенно сходными, а действия магнита аналогичными действиям лейденской банки".
В основу своей теории Эпинус кладет представление об электрической и магнитной жидкостях, частицы которых взаимодействуют с материей и между собой притягательными и отталкивательными силами. Следуя примеру Ньютона, Эпинус не рассматривает природу этих сил, а описывает с помощью их экспериментальные факты. Вместе с тем Эпинус замечает, что хотя он "вполне убежден в существовании сил притяжения и отталкивания ", однако не считает их, "как поступают некоторые неосторожные последователи великого Ньютона, силами, внутренне присущими телам", и не одобряет учения, "которое постулирует действие на расстояние". "...Мой взгляд, — пишет Эпинус, — сводится к тому, что притяжения и отталкивания... я считаю явлениями, причины которых еще скрыты, однако от них зависят и от них берут начало другие явления". Эпинус принимает франклиновскую гипотезу единой электрической жидкости: "Существует некая жидкость, производящая все электрические явления и вследствие этого названная электрическою, тончайшая, весьма эластичная, части которой, даже на значительных расстояниях, заметно отталкивают друг друга". "Частицы этой жидкости притягиваются материей, из которой состоят все известные до сих пор тела".
По отношению к электрической жидкости материальные тела разделяются на два класса: одни легко проводят электрическую материю, другие "препятствуют ее свободному перемещению". Первую группу тел Эпинус называет "не электрическими по своей природе", другую - "электрическими по своей природе".
Выше говорилось, что Франклин считал эти термины неправильными и предпочитал говорить о проводниках и непроводниках. Однако термины "неэлектрик", "электрик" держались долго и лишь в первой половине XIX в. были заменены привычными для нас терминами "проводники" и "изоляторы".
По аналогии с электрическими явлениями Эпинус вводит для описания магнитных явлений магнитную жидкость. "...Ее частицы, как и частицы электрической жидкости, взаимно отталкивают друг друга". Однако большинство тел в природе не реагирует с магнитной жидкостью, лишь некоторые тела, и прежде всего железо, притягиваются магнитной материей.
"Существует величайшее сходство между железом и железными телами, с одной стороны, и телами, электрическими по своей природе, с другой..." "До сих пор неизвестно ни одного тела, которое действовало бы на магнитную материю и соответствовало бы телам, не электрическим по природе". Таким образом, Эпинус констатирует сходство магнетиков (ферромагнетиков) и "электриков" (диэлектриков), а также отсутствие для магнетизма проводимости, аналогичной электрической проводимости. Но в остальном электрическая и магнитная жидкости, по Эпинусу, действуют по сходным законам. Так, тела не взаимодействуют, если содержат "естественное" количество электрической или магнитной жидкости. Электричество и магнетизм возникает "..либо увеличением количества электрической или магнитной жидкости так, чтобы оно стало выше естественного, либо уменьшением так, чтобы оно стало ниже его". "Франклин назвал, - говорит Эпинус, - электричество, которое получается путем увеличения количества электрической материи, положительным, а то, которое получается путем ее уменьшения, отрицательным. В том же смысле я сохраняю эти термины, перенося их на магнетизм".
В том же, 1759 г., в котором вышло сочинение Эпинуса, англичанин Саймер выдвинул дуалистическую теорию электричества, предположив существование двух противоположных родов электричества: одного - аналогичного электричеству, получающемуся на стекле при его натирании, другого - аналогичного электричеству, получающемуся при электризации янтаря ("смоляное" электричество). По унитарной теории Франклина - Эпинуса "любое тело, предоставленное самому себе, самопроизвольно всегда возвращается в такое состояние, когда оно содержит точно такое количество электрической жидкости, какое достаточно для достижения равновесия между силой притяжения или силой отталкивания".
Эпинус разбирает возможные случаи взаимодействия тел. При этом он высказывает предположение, что силы отталкивания электрических или магнитных масс уменьшаются с увеличением расстояния между ними. Хотя вид этой функциональной зависимости ему неизвестен, однако он признает, что "охотно утверждал бы, что эти величины изменяются обратно пропорционально квадратам расстояний". Эту зависимость ему подсказывает аналогия с законом тяготения. Эпинус указывает, что наблюдающиеся на опыте притяжения ненаэлектризованных тел к наэлектризованным объясняются тем, что "это тело благодаря одному лишь приближению к другому наэлектризованному телу само может стать наэлектризованным". Это явление электрической индукции было известно уже Рихману, его описали в 1754 г. англичанин Джон Кантон (1718—1772) и в 1757 г. немец Иоганн Карл Вильке (1732-1796).
Эпинус исследовал экспериментально электрическую индукцию в проводниках и изоляторах, при этом он установил, что в изоляторах она выражена слабее, чем в проводниках. Таким образом, Эпинус по сути дела открыл поляризацию диэлектриков.
В своем трактате Эпинус выдвинул положение об электростатическом равновесии тела, утверждая, что тело стремится самопроизвольно перейти в такое состояние, в котором количество электричества в нем будет "естественным". Он подробно анализирует силы, действующие на тело, постулируя, что равновесие электричества в нем достигается, когда сумма притягательных и отталкивательных сил равна нулю. Но он не сумел понять закона распределения электричества в проводниках и наблюдения Франклина. Естествоиспытатель и философ Пристли, правильно оценил важность эксперимента Франклина. Этот эксперимент получает объяснение, если предположить, что силы взаимодействия электрических частиц обратно пропорциональны квадрату расстояния. Пристли высказал это предположение в своей "Истории электричества" в 1767 г., а в 1771 г английский лорд Кавендиш впервые экспериментально показал, что силы взаимодействия электрических зарядов подчиняются закону:
где n=2±1/50
Опыт Кавендиша заключался в следующем. Шар диаметром 12, 1 дюйма, покрытый оловянной бумагой (станиолем), помещался внутри другого шара 13,3 дюйма в диаметре так, чтобы он был изолирован от наружного шара. Наружный шар состоял из двух полушарий, также покрытых станиолем, которые можно было раздвигать. Через небольшое отверстие в наружном шаре можно было устанавливать проводящий контакт между ним и внутренним шаром с помощью проволочки, привязанной к шелковине. В начале опыта, когда полушария сближены и установлен проводящий контакт, наружную сферу заряжают от лейденской банки. Затем с помощью шелковинки контактную проволоку удаляют, раздвигают наружные полушария и исследуют электризацию внутреннего шара.
Электроскоп не обнаружил заряда этого шара. Кавендиш исследовал чувствительность электроскопа и показал, что он мог бы обнаружить заряд внутреннего шара, равный 1/60 заряда внешней сферы. Отсюда Кавендиш вывел, что сила взаимодействия электрических частиц убывает с расстоянием по закону:
,
где n отличается от двух не более чем на1/50.
Генри Кавендиш (1731-1810) в 1766 г открыл водород и получил углекислый газ, он показал, что вода получается при горении водорода. Кавендиш с помощью крутильных весов определил постоянную закона тяготения и тем самым "взвесил" Землю. Одинокий, чудаковатый джентльмен, он неохотно публиковал свои работы, и в частности свои электрические исследования. Они оставались неизвестными до 1879 г., когда их опубликовал Максвелл, первый профессор лаборатории Кавендиша, открытой на средства потомка Генри Кавендиша в Кембридже в 1874 г.
Максвелл повторил опыты Кавендиша с электрометром Томсона и показал, что п может отличаться от 2 не более чем на 1/21600.
"Что касается скрытности Кавендиша, — писал в 1891 г. известный электрофизик Хевисайд, — то она совершенно непростительна; это грех" Этот "грех" стоил Кавендишу славы открывателя точного закона электрических взаимодействий, который навсегда вошел в науку под названием закона Кулона.
Французский военный инженер, а с 1781 г. член Парижской Академии наук Шарль Огюстен Кулон (1736-1806) в 1777 г. исследовал кручение волос, шелковых и металлических нитей. Результатом этих исследований явилось открытие закона кручения :
где φ —угол кручения, Р — закручивающая сила, l - длина нити, r - ее радиус.
В 1784 г. Кулон сконструировал чувствительный прибор — крутильные весы. С помощью этих весовой открыл законы электрических и магнитных взаимодействий.
Рис. 5. Крутильные весы Кулона
Его опыты и выводы из них опубликованы им в 1782-1785 гг. в семи мемуарах. Аппарат Кулона представлял собой стеклянный цилиндр с измерительной шкалой по окружности, в крышке цилиндра имелись центральное и боковое отверстия. В центральное отверстие пропускалась серебряная нить, закрепленная на измерительной головке и проходящая по оси высокого стеклянного цилиндра, заканчивающегося упомянутой головкой. Нить несла легкое стеклянное коромысло, на котором находились шарик и противовес. В боковое отверстие пропускался стерженек, несущий наэлектризованный шарик.
В первом мемуаре 1785 г. Кулон исследовал отталкивающую силу и нашел, что при угловых расстояниях между шариками (которые первоначально при контакте получают одинаковые заряды) 36°, 18°, 9° нить закручивалась соответственно на 36°, 144°, 576°, т. е. силы росли обратно пропорционально квадратам расстояний. Во втором мемуаре Кулон нашел закон взаимодействия магнитных полюсов.
Существенным моментом в работе Кулона было установление метода измерения количества электричества и количества магнетизма (магнитных масс). В научной системе единиц законы Кулона дают основную базу системы электрических и магнитных единиц. После Кулона стало возможным построение математической теории электрических и магнитных явлений.
Закон Кулона, один из основных законов электростатики, определяющий силу взаимодействия между двумя покоящимися точечными электрическими зарядами, т. е. между двумя электрически заряженными телами, размеры которых малы по сравнению с расстоянием между ними. Установлен Кулоном в 1785 опытным путём с помощью изобретённых им крутильных весов. Согласно закону Кулона, два точечных заряда взаимодействуют друг с другом в вакууме с силой F, величина которой пропорциональна произведению зарядов e1 и e2 и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними:
Здесь k — коэффициент пропорциональности, зависящий от выбранной системы единиц; в абсолютной (гауссовой) системе единиц (СГС системе единиц) k = 1.
Сила F направлена по прямой, соединяющей заряды, и соответствует притяжению для разноимённых зарядов (F << 0) и отталкиванию для одноимённых (F > 0).
Если взаимодействующие заряды находятся в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε, то сила взаимодействия уменьшается в ε раз:
Закон Кулона служит одним из экспериментальных оснований классической электродинамики; его обобщение приводит, в частности, к Гаусса теореме.
Законом Кулона называется также закон, определяющий силу взаимодействия двух магнитных полюсов:
Здесь f — коэффициент пропорциональности (в общем случае не совпадающий с k; в абсолютной системе единиц f = 1), m1, m 2 — магнитные заряды, μ — магнитная проницаемость среды, окружающей взаимодействующие полюса. В вакууме:
Открытие гальванизма независимо от какой-либо философии должно было рано или поздно привести к открытию электромагнетизма, и не случайно приоритет Эрстеда оспаривался. Еще в 1876 г. Эндрюс (1813—1885) в своей президентской речи на собрании Британской Ассоциации содействия прогрессу наук в Глазго должен был вернуться к вопросу о приоритете Эрстеда. Этот вопрос решен в пользу Эрстеда, и современный историк науки полностью согласен со словами Велланского: "Электромагнетизм открыт в Копенгагене профессором Эрстедом, который открытие свое возвестил 1820 года".
Ханс Кристиан Эрстед родился 14 августа 1777 г. в семье датского аптекаря. Учился Эрстед в Копенгагенском университете, где в 20 лет получил диплом фармацевта, а в 22 года степень доктора философии. В 1806 г. он становится профессором Копенгагенского университета. Увлекшись философией Шеллинга, он много думал о связи между теплотой, светом, электричеством и магнетизмом. Плодом этих размышлений явился изданный в 1813 г. в Париже трактат "Исследования о тождестве электрических и химических сил". В 1820 г. он сделал свое знаменитое открытие, описанное им в брошюре "Опыты, относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку". Брошюра была издана на латинском языке в Копенгагене и датирована 21 июля 1820 г. Это открытие обессмертило имя ее автора в истории физики. Увлечение философией Шеллинга сказалось уже в самом названии брошюры Эрстеда. Он называет процесс, происходящий в проволоке, соединяющей полюсы гальванической батареи, не током, а "конфликтом". Результатом этого "конфликта" является разогревание проводника, причем Эрстед считал, что нагревание проволоки необходимо для получения эффекта. Опыты над действием тока на магнитную стрелку привели Эрстеда к важному выводу, что "электрический конфликт, по-видимому, не ограничен проводящей проволокой, но имеет довольно обширную сферу активности вокруг этой проволоки". Отбрасывая философскую терминологию, можно констатировать, что Эрстед обнаружил вокруг проволоки с током магнитное поле, действующее на ток.
Далее он пишет: "Кроме того, из сделанных наблюдений можно заключить, что этот конфликт образует вихрь вокруг проволоки". Другими словами, магнитные силовые линии окружают проводник с током, или электрический ток является вихрем магнитного поля. Таково содержание первого основного закона электродинамики, и в этом суть открытия Эрстеда.
Сегодня любой школьник без труда воспроизведет опыт Эрстеда, продемонстрирует "вихрь электрического конфликта", насыпав на картон, через центр которого проходит проволока с током, железные опилки.
Но обнаружить магнитные действия тока было нелегко. Их пытался обнаружить Петров, соединяя полюсы своей батареи железными и стальными пластинками. Он не обнаружил никакого намагничивания пластинок после нескольких часов пропускания через них тока. Имеются сведения и о других наблюдениях, однако с полной достоверностью известно, что магнитные действия тока наблюдал и описал Эрстед. Это открытие привлекло внимание физиков Европы. "Ученый датский физик, профессор, - писал Ампер,- своим великим открытием проложил физикам новый путь исследований. Эти исследования не остались бесплодными; они привлекли к открытию множества фактов, достойных внимания всех, кто интересуется прогрессом".
Открытие Эрстеда вызвало широкий резонанс. Вскоре, после того как де ла Рив в Женеве повторил опыты Эрстеда, хлынул поток опытов и сообщений. В сентябре 1820 г. Араго показал, что проволока с током притягивает железные опилки. В том же сентябре Швейгер применил эффект Эрстеда в качестве указателя тока (мультипликатор). В 1821 г. Поггендорф (1796-1877) придал ему удобную форму, и в этом виде его и поныне можно видеть в школьных физических кабинетах.
Закон действия тока на магнитный полюс был установлен экспериментально Био и Саваром. Доклад об этом законе Био и Савар сделали 30 октября 1820 г. Лаплас облек закон Био— Савара в математическую форму элементарного взаимодействия между элементом тока и намагниченной точкой. В этой форме закон Био - Савара фигурирует в учебниках физики.
Наибольший вклад в изучение электромагнетизма внес французский физик Ампер, назвавший новую область физики "электродинамикой", и это название прочно вошло в язык физики. Он изучал естественные науки, математику, греческий, латинский и итальянский языки. Ампер изучил все тома знаменитой "Энциклопедии" Дидро и Даламбера, труды Эйлера, Бернулли, Лагранжа.
Ампер избирает педагогическое поприще. Сначала он работает домашним учителем, а в 1802 г. становится преподавателем физики и химии в центральной школе г. Бурге. В 1803 г. Ампера назначают преподавателем математики в Лионский лицей. В следующем, 1804 г. он становится репетитором в Политехнической школе в Париже, а с 1808 г.— ее профессором.
В 1814 г. его избирают членом Академии наук. С 1820 г. Ампер усиленно занимается электродинамикой, и в 1826 г. выходит его основной труд по электродинамике "Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта". Позже Ампер занимается многими научными проблемами, в том числе и проблемой классификации наук. В результате этих исследований появилось его сочинение "Опыт философии наук, или Аналитическое изложение естественной классификации всех человеческих знаний", первый том которого вышел в 1834 г., второй, незаконченный том вышел посмертно в 1843 г.
Вершиной научного творчества Ампера является создание электродинамики. Начиная с первого сообщения в Парижской Академии наук 18 сентября 1820 г., последовавшего через неделю после сообщения Араго об открытии Эрстеда, идут один за другим сообщения Ампера: 25 сентября; 2, 9, 16, 30 октября; 6, 13 ноября; 4, 11 и 26 декабря 1820 г. В 15-м томе "Анналов химии и физики" был опубликован "Труд, представленный Королевской Академии наук 2 октября 1820 г. и содержащий резюме докладов, прочитанных в академии 18 и 25 сентября 1820 г. относительно действий электрических токов". Этот труд подытоживал напряженную работу Ампера по исследованию нового явления, выполненную в течение короткого двухнедельного промежутка времени.
Ампер различает два основных электрических понятия: электрическое напряжение и электрический ток. Под электрическим током Ампер понимает "состояние электричества в цепи проводящих и электродвижущих тел"; под его направлением — направление положительного электричества. Внутри вольтова столба это будет "направление от конца, на котором при разложении воды выделяется водород, к концу, на котором выделяется кислород". "...Направление электрического тока в проводнике, соединяющем концы столба, будет обозначать направление от конца, где выделяется кислород, к концу, где выделяется водород". Следовательно, Ампер вводит впервые такие фундаментальные понятия, как "электрический ток", "электрическая цепь", устанавливает направление тока в замкнутой цепи. Наименование единицы тока ампер, принятое в физике, вполне оправдано заслугами Ампера. Он же вводит термин "гальванометр" для прибора, действие которого основано на отклонении магнитной стрелки, и указывает, что "им следует пользоваться при всех опытах с электрическими токами, как принято пользоваться электрометром при электрических машинах, чтобы видеть в каждый момент, существует ли ток и какова его энергия".
Ампер впервые установил наличие механических взаимодействий токов, которые могут быть в зависимости от направления как притягательными, так и отталкивательными. Он подчеркивает, что "эти притяжения и отталкивания... существенно отличаются от тех, которые вызываются электричеством в состоянии покоя". Ампером выведен закон, закон механического (пондеромоторного) взаимодействия двух токов, текущих в малых отрезках проводников, находящихся на некотором расстоянии друг от друга.
Сила F12 , действующая со стороны первого отрезка проводника ll1 на второй ll2 (рис. 6), равна:
Рис. 6. Закон Ампера
Рис. 7. Взаимодействие двух элементарных токов: а — параллельных, б — антипараллельных. Все отрезки (векторы) на рисунке лежат в одной плоскости.
Исследуя экспериментально электродинамические взаимодействия, Ампер приходит к выводу, что путем комбинации проводников и магнитных стрелок можно "устроить своего рода телеграф с помощью одного вольтова столба, расположенного вдали от стрелок". Так, идея электромагнитного телеграфа возникла в первый же год открытия электромагнетизма. Она разрабатывалась рядом изобретателей и ученых. В 1829 г. русский дипломат П. Л. Шиллинг (1786-1837) сконструировал телеграфный аппарат, дающий возможность передавать русские буквы и цифры с помощью шести мультипликаторов. Аппарат Шиллинга был установлен в Зимнем дворце. В 1833 г. Гаусс и Вебер построили телеграфную линию в Геттингене, соединяющую астрономическую и физическую лаборатории. Существовали и другие системы, в частности система русского физика Б. С. Якоби (1801-1874). Однако широкое распространение электромагнитный телеграф получил после того, как американский изобретатель Самуил Морзе (1791-1872) создал удобную конструкцию аппарата, разработал схему соединения отравительной и приемной станции и изобрел специальную азбуку с двумя знаками (точка - тире). Первый аппарат Морзе был построен в 1835 г., а в 1844 г. заработала телеграфная линия Вашингтон - Балтимор.
Ампер очень скоро пришел к мысли об эквивалентности магнитного листка круговому току и разработал представление о магните "как о совокупности электрических токов, расположенных в плоскостях, перпендикулярных к линии, соединяющей полюсы магнита". Отсюда он пришел к выводу, что спираль, обтекаемая током (соленоид), будет эквивалентна магниту. Это привело Ампера к мысли об отсутствии магнитных агентов ("магнитных жидкостей") в природе и о возможности свести все явления магнетизма к электродинамическим взаимодействиям. Амперова молекулярная теория магнетизма получила физическую опору в электронной физике уже в XX в. Обобщающим трудом Ампера была "Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта", изданная в 1826 г. с подзаголовком "Произведение, в котором собраны труды г. Ампера, доложенные им Королевской Академии наук в заседаниях от 4 и 26 декабря 1820 г., 10 июня 1822 г., 22 декабря 1823 г., 12 сентября и 28 ноября 1825г.".
Он поставил перед собой задачу, основываясь на опыте, вывести формулу взаимодействия элементов тока. Задача была нелегкой. Опыт давал только интегральное взаимодействие. Ампер варьировал опыты с взаимодействием токов, пытаясь нащупать правильную формулу и, интегрируя ее для различных случаев конечных контуров тока, сравнить результат с опытом, формула Ампера открывает длинный ряд элементарных законов электродинамики.
Важно, что элементарные взаимодействия двух элементов тока не удовлетворяют третьему закону Ньютона, это новый тип взаимодействия, отличный от обычных центральных сил. Впрочем, то обстоятельство, что физика открыла новый тип сил, отличный от гравитационных, электростатических и магнитных сил, было ясно уже из опыта Эрстеда. Электродинамические силы, как правильно заметил Ампер, новые силы, отличные от сил, известных в электростатике.
Однако сам Ампер искал свой закон, опираясь на третий закон механики. Он полемизировал с Био, установившим, что силы, действующие со стороны элемента тока на магнитный полюс, образуют пару с силой, действующей со стороны полюса на элемент тока. Так началась проблема закона сохранения количества движения в электродинамике. Ампер еще не подозревал о существовании поля, о запаздывании электромагнитных действий. Он стоял на позициях дальнодействия, что для постоянных токов было допустимо. Но ему и его современникам уже пришлось столкнуться с новыми фактами, трудно объяснимыми при помощи ньютоновских представлений.
Рис. 8. Станок Ампера
Эрстед, а затем и Фарадей ясно увидели вихревой характер магнитного поля. В 1821 г. Фарадей доказал экспериментально, что отдельный магнитный полюс, помещенный вблизи проводника с током, приходит в непрерывное вращение. Ему пришлось проявить немало изобретательности, чтобы придумать такое расположение проводников и магнита, чтобы действию тока подвергался только один полюс. Магнит в опыте Фарадея вращался безостановочно, пока цепь была замкнута. Это была первая модель электродвигателя.
Как всегда бывает в науке, когда открывается новое поле исследования, появляется большое количество экспериментаторов и изобретателей, возникают бесчисленные споры о приоритете того или иного открытия. Имена этих экспериментаторов и изобретателей ныне забыты или полузабыты, Фарадею пришлось выдержать длительный спор о приоритете в открытии электромагнитных вращений.
Из многочисленных открытий и изобретений в области электричества, сделанных в 20-е годы XIX в., следует упомянуть об открытии в 1821 г. термоэлектричества. Оно принадлежит прибалтийскому физику Томасу Зеебеку (1770—1831). Это открытие стало возможным благодаря открытию Эрстеда и некоторое время даже именовалось термомагнетизмом. В свою очередь, открытие Зеебека и изобретение мультипликатора дали возможность немецкому учителю Георгу Ому (1787—1854) открыть количественный закон цепи электрического тока, носящий ныне его имя.
Ома закон, устанавливает, что сила постоянного электрического тока I в проводнике прямо пропорциональна разности потенциалов (напряжению) U между двумя фиксированными точками (сечениями) этого проводника:
RI = U
Опыты и теоретические рассуждения Ома, который находился под сильным влиянием вышедшего в 1822 г. сочинения Фурье (1768-1830) "Аналитическая теория тепла", были описаны им в основном труде "Гальваническая цепь, разработанная математически" (1827). Следует отметить, что этот закон, без которого мы сейчас не представляем себе учебника электричества, не сразу был принят физиками и стал входить в науку только в конце 30-х - начале 40-х годов XIX в. Его признание шло параллельно с успехами электрометрии. Одним из первых принял и применил закон Ома русский академик Э.Х.Ленц, который рассматривал и вопросы распределения тока в разветвленных проводниках, явившись предшественником Кирхгофа.
Ленц занимался также изучением электромагнитов, впервые на основе опытов Араго и теории Ампера созданных Вильямом Стердженом (1783-1850) в 1825 г. Электромагниты с большой подъемной силой были построены американским физиком Джозефом Генри (1799-1878), независимо от Фарадея открывшим электромагнитную индукцию. Однако его публикация об этом открытии запоздала, и слава великого открытия принадлежит Майклу Фарадею.
Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 222; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!