Первые теории электричества
В период с 1745 по 1750 был предложен ряд теорий электричества, объединяемых одной общей чертой, унаследованной от картезианской философии: наличием некоторого характерного флюида, которому ученые приписывали самые необыкновенные свойства и качества, стараясь объяснить электрические явления механическими процессами.
Довольно известны были теории Нолле и Уильяма Уотсона (1707 — 1787), вскоре уступившие место теории Франклина, сформулированной им в 1747 году. Эта теория сразу покорила ученых.
В работах Франклина начинают формироваться понятие электрического заряда и закон его сохранения. Франклин предполагает существование специальной электрической материи, которая состоит из мельчайших частиц, которые легко проникают в обычную материю. Между частицами электрической материи действуют силы отталкивания, а между этими частицами и частицами обычной материи — силы притяжения. Обычная материя впитывает частицы электрической материи подобно губке. Для каждого тела, считает Франклин, существует определенное количество электрической материи, вместив которое, тело полностью им наполняется и при этом оказывается электрически нейтральным. Если же сверх этого количества добавить телу еще некоторое количество электрической материи, то эта материя образует вокруг него электрическую атмосферу, тело будет наэлектризовано положительно. Если же у тела отнять некоторое количество электрической материи, то оно наэлектризуется отрицательно. Франклин, предположив, что стекло электризуется положительно, «стеклянное электричество» назвал «положительным электричеством». По Франклину, при электризации никакая электрическая материя не создается, она только перераспределится. И если одно из тех электризуется положительно, то другие тела должны электризоваться отрицательно. При этом количество положительного электричества равно образовавшемуся отрицательному электричеству.
Франц Эпинус
Идея Франклина была развита немецким физиком, акдемиком Петербургской Академиии наук, Францем Эпинусом (1724—1802).
В 1756 году Эпинус ввел в употребление воздушный конденсатор, носящий его имя. С помощью этого прибора он намеревался показать, что стекло в лейденской банке или в плоском конденсаторе Франклина обладает накапливающим действием не потому, что это стекло, а просто потому, что это изолятор.
Конденсатор Эпинуса имеет существенное историческое значение, потому что до его появления верили, что стекло, возможно, вызывает накопление электричества благодаря своей особой внутренней структуре. Эпинус же показал, что тот же эффект достигается с любым изолятором, препятствующим течению электрического флюида.
Эпинус предполагал существование электрической жидкости, между частицами которой действуют силы отталкивания, а между ними и частицами обычных тел – силы притяжения. При этом он считал, что между частицами обычной жидкости также действуют силы отталкивания. Без этой гипотезы нельзя было объяснить факт отталкивания двух тел, заряженных отрицательно. Это необходимое добавление имело искусственный характер и в дальнейшем явилось одной из причин отказа от принятия гипотезы о существовании одной «электрической материи» и перехода к теории двух «электрических материй».
Эпинусу принадлежит открытие явления индукции, которое подтверждает закон сохранения электрического заряда.
Эпинус предполагал также существование магнитной материи, частицы которой отталкиваются друг от друга и притягиваются частичками магнитных материалов. Он развивает представления об электрических взаимодействиях, уже не предполагая наличие электрической атмосферы вокруг заряженного тела.
Вся электрическая материя, по Эпинусу, собирается внутри наэлектризованного тела. Взаимодействие же наэлектризованных тел объясняется силами, действующими между частицами электрической материи, обычной материи и взаимодействием частиц той и другой между собой. Точно так же представляет Эпинус магнитную силу. При этом силы взаимодействия являются центральными и дальнодействующими. Они, подобно силам тяготения, действуют на расстоянии
"Опыт теории электричества и магнетизма"
В своем главном сочинении «Опыт теории электричества и магнетизма», вышедшем в 1759 году, Эпинус, рассматривая вопрос о величине сил, действующих между электрическими зарядами и магнитами, высказывает предположение, что они, подобно силам тяготения, должны быть обратно пропорциональны квадрату расстояния. Теория Эпинуса явилась началом развития одного из основных направлений физики электрических и магнитных явлений, основанного на принципе дальнодействия.
Почти одновременно с теорией дальнодействия возникает представление о теории близкодействия, в соответствии с которой электрические и магнитные взаимодействия передаются через эфир. Этого взгляда придерживались М. В. Ломоносов и Л. Эйлер, которые строили свои теории, опираясь на представление об эфире.
Несмотря на то, что эти теории содержали ряд идей, которые затем легли в основу теории Фарадея и Максвелла, они не могли в то время конкурировать с теорией, основанной на принципе дальнодействия. Последняя хорошо и просто объясняла явления электростатики и магнитостатики. Она могла служить основой для построения математической теории электрических и магнитных явлений. Теория же близкодействия, развиваемая Ломоносовым и Эйлером, была чисто качественной теорией
Значение, приписывавшееся в то время лейденской банке, которая рассматривалась как великая победа науки, было, конечно, сильно преувеличено. Однако это преувеличение оказалось благотворным, так как именно оно способствовало образованию целой армии физиков, убежденных в том, что исследование электрических явлений — достойное занятие для ученого. Еще больший психологический эффект оказало доказательство Франклином электрической природы молнии: электрические явления перестали быть лишь развлечениями и превратились в мощное средство проникновения в тайны природы.
Этот научный энтузиазм распространялся понемногу все шире и шире, охватив и Королевское общество, которое через три года после того, как сочло письма Франклина недостойными публикации, присудило ему Коплеевскую медаль, а в 1756 году избрало его членом общества.
В 1753 году в Турине появилась работа по электричеству. Называлась она «Dell'elettricismo artificiale e naturale libri due» («Об электричестве искусственном и природном»), а автором ее был Джамбаттиста Беккариа (1716-1781), который, после того как посвятил себя математическим и геодезическим исследованиям, был назначен в 1748 году профессором Туринского университета.
Первая книга касалась «электричества искусственного», т. е., по нашей современной терминологии, — электростатики, вторая — «электричества природного», или, иначе, атмосферного электричества. Метод изложения напоминает книги по геометрии.
Впервые дано описание прибора, который иногда упоминается и сейчас как «термометр Киннерсли». Прибор представляет собой две сообщающиеся трубки, содержащие вино. В одной из них, верхний конец которой запаян, с помощью двух железных проволочек выше уровня вина вызывается искра; одновременно наблюдается повышение уровня жидкости в другой трубке. К сожалению, Беккариа не смог правильно интерпретировать это явление и приписал образование разности уровней механическому влиянию вторжения «электрического пара» в момент разряда.
Друг Франклина Эбенезер Киннерсли, тоже увлекавшийся исследованием электричества, вновь вернулся к рассмотрению этого явления в 1761 году и объяснил его нагреванием воздуха, вызванным искрой. В подтверждение этого объяснения он показал, что проводники, через которые происходит разряд, нагреваются до красного каления. Узнав об открытии своего друга, Франклин внимательно исследовал влияние молнии, ударившей в дом, и обнаружил обгоревший пол. Тем самым он окончательно развенчал легенду, в которую ранее и сам верил и которая в течение многих веков повторялась в философских трудах, о том, будто молния плавит металлы, не нагревая их: «холодное плавление»— так тогда это называли.
До Беккариа физики различали два класса тел: проводники, все в равной степени проводящие, и изоляторы, все в равной степени изолирующие. Большой заслугой Беккариа было доказательство того, что столь четкого разграничения в действительности нет. Тем самым он ввел в физику понятие «электрического сопротивления» и положил начало его исследованию, показав, что вода менее проводящая, нежели твердые металлы и ртуть. Кроме того, Беккариа в 1772 году установил следующий существенный факт: «Металлы, хотя они много более податливы (т. е. проводящи), чем все другие тела, все же оказывают некоторое сопротивление, пропорциональное длине пути, который пробегает в них искра» .
Опыты Беккариа были повторены в том же году английским физиком Джоном Кантоном (1718-1772), который подтвердил различие в сопротивлении разных тел. Генри Кавендиш произвел первые измерения электрического сопротивления, описанные в его докладе 1776 году и еще лучше в других, не изданных работах.
Во второй части своего труда Беккариа приводит весьма искусные опыты с атмосферным электричеством и приходит к выводу, что электризация облаков может быть как положительной, так и отрицательной.
Но самый важный вклад Беккариа в исследование электрических явлений содержится в его «Lettere al Beccari» («Письмах к Беккари»), изданных в Болонье в 1758 году и рассматривавшихся современниками как научный шедевр. Повторив опыты Франклина 1751 году, в которых с помощью разряда батареи через проводник осуществляется намагничивание железной проволоки или изменение полярности магнита, Беккариа выдвинул гипотезу о существовании тесной связи между «циркуляцией» электрического флюида и магнетизмом и задался вопросом «...не обусловливает ли электрический флюид неким универсальным неощутимым непрерывным периодическим циркулирующим движением... во всех случаях возникновения и поддержания магнитных свойств» .
Беккариа еще в 1754 году в Турине утверждал, что стекло может быть заменено другим изолятором, и построил плоские конденсаторы с прокладками из различных материалов — сургуча, серы, смолы, смолы с канифолью. Он пошел дальше Эпинуса, показав, что конденсирующее действие для разных изоляторов различно. В пятом письме к Беккари Беккариа предпринимает первые опыты в этом направлении. Можно предположить, что именно это письмо послужило Кавендишу толчком к его гениальным экспериментальным исследованиям, оставшимся несправедливо неизданными до 1879 году, когда их публикацией занялся Максвелл.
Создание эдектродинамики
Этап развития учения об электричестве и магнетизме, охватывающий XVIII век, заключался в исследовании законов равновесия электрических зарядов и магнитов. Были установлены основные законы взаимодействия электрических зарядов и магнитов, а затем (в первой половине XIX в.) создан соответствующий математический аппарат.
В конце XVIII века начали изучать электрический ток, его действия. Возникает и развивается новая область учения об электричестве и магнетизме, названная одним из ее основоположников, Ампером, электродинамикой. Электродинамика в первой половине XIX века, так же как и электростатика, основывалась на принципе дальнодействия.
Начало развития электродинамики связано с открытием первого источника постоянного тока, которое обязано исследованиям итальянского профессора медицины Луиджи Гальвани, относящимся еще к концу XVIII века. Занимаясь физиологией и медициной, он, как и многие его современники, интересовался ролью электричества в процессах, происходящих в живом организме. Проводя исследования в этом направлении, он открыл так называемое гальваническое электричество.
Животное электричество
После первых же случаев поражения электрическим разрядом возникли, обоснованные предположения и надежды, что новое вещество окажется способным облегчать или вылечивать болезни страждущего человечества. Открытие лейденской банки подтвердило предположения и еще больше подкрепило надежду. А когда Франклину наконец удалось извлечь электричество из облаков, стало казаться, «что вся природа стала электрической». А если вся природа электрическая, то и жизнь человека, как физическая, так и духовная, должна определяться течением по жилам и по мускулам этого таинственного вещества. Таким образом возникло представление о животном электричестве, главном регуляторе жизни животных вообще и людей в частности.
В 1773 году появился мемуар Джона Уолша, в котором доказывается электрическая природа рыбы, называемой с тех пор электрическим скатом. Вильгельм Гравезанд и Мушенбрук также выдвигали предположение о его электрической природе, но не подтвердили его никакими опытами. Некоторые опыты в этом направлении проделал Байен (1745-1798), но они прошли незамеченными. Таким образом, мемуар Уолша воспринимался как открытие и произвел сильное впечатление. В нем экспериментально показано, что явление удара от электрического ската можно воспроизвести с помощью искусственного электричества.
За мемуаром Уолша последовало много других работ, посвященных физическому и анатомическому исследованию электрического ската; среди них выделяется мемуар Кавендиша (1776 г.), в котором помимо некоторых данных по интересовавшему его вопросу об измерении электрического сопротивления описан «искусственный электрический скат», где электричество поставляется батареей лейденских банок. Это приспособление было погружено в подсоленную воду той же степени солености, что и море. При этом наблюдались те же эффекты, что и при действии ската.
В период максимального обилия публикаций, последовавшего за работой Уолша, физики разделились на два лагеря: одни считали животное электричество свойственным лишь «электрическим рыбам», другие же приписывали его вообще всем животным. Физиологи того времени в свою очередь придумали себе без всяких экспериментальных оснований «животные эссенции», подобные электрическому флюиду, но в остальном не определенные. Эссенции, протекая по нервам, ответственны за перенос ощущений к мозгу и произвольное сокращение мышц в результате волевых импульсов.
На фоне этого океана необоснованных гипотез, путаных идей, ошибочных аналогий, смутных предчувствий начались исследования Луиджи Гальвани, родившегося в Болонье 9 сентября 1737 году, и умершего там же 4 декабря 1798 года.
Занимаясь физиологией и медициной, он, как и многие его современники, интересовался ролью электричества в процессах, происходящих в живом организме. Проводя исследования в этом направлении, он открыл так называемое гальваническое электричество. Гальвани помещал лягушку на железную пластинку; касаясь медной проволокой, пропущенной через спинной мозг лягушки, этой пластинки, он наблюдал судорожные сокращения мышц.
К объяснению открытого явления Гальвани подошел прежде всего как врач. Он считал, что открыл «животное» электричество, вырабатываемое организмом лягушки и являющееся одновременно «нервным флюидом». При замыкании нерва и мускула лягушки проводником образуется замкнутая цепь, «животное» электричество свободно протекает по этой цепи и вызывает сокращение мышцы, играющих роль регистратора.
Позже, в работе 1795 году, опубликованной в 1797 году и написанной в виде письма Спаланцани, Гальвани изложил более полно теорию животного электричества: это электричество накапливается в неравновесном состоянии в мышечных тканях; через нерв, соприкасающийся с мышцей, оно переходит в металлическую дугу, а через нее вновь возвращается в мышцу. Иными словами, мышцы и нервы, согласно Гальвани, образуют как бы две обкладки лейденской банки.
Открытие Гальвани и его теория «животного» электричества, опубликованная в 1791 года, вызвали большой интерес. Некоторые ученые повторили опыты Гальвани. Среди них был и итальянский физик Алессандро Вольта, который не только подтвердил результаты опытов Гальвани, но и сделал новый шаг в изучении открытого явления.
Вольта, как физика, прежде всего, интересовала физическая сторона явления. На основании ряда исследований он пришел к иному выводу, чем Гальвани. Вольта заметил, что сила сокращения мышц лягушки зависит от того, какие употребляются металлы, и что однородные металлы почти не оказывают действия. Отсюда он заключил, что источником электричества является не организм лягушки: оно возникает в результате соприкосновения разнородных металлов, лягушка же играет роль регистрирующего прибора.
Он выдвинул гипотезу, согласно которой металлические тела обладают свойством действовать на заключенный в них электрический флюид, отталкивая или притягивая его. Поскольку каждый металл обладает определенной силой действия на электрический флюид, то соприкосновение различных металлов приводит его в движение, возникает электрический ток, который и действует на нервы и мышцы лягушки. Высказав эту гипотезу, Вольта предложил изменить название «животное» электричество на «металлическое» электричество.
Вольта, обосновывая гипотезу «металлического электричества», шел по пути исключения из опыта живого организма. Он показал, что простое соприкосновение разнородных металлов приводит к их электризации. Это было открытие контактной разности потенциалов у металлов (данный термин появился позже). Вольта расположил металлы в ряд, причем каждый стоящий справа металл при соприкосновении со стоящим слева электризовался отрицательно. При этом, как он полагал, «способность приводить в движение электрический флюид» для металла, расположенного не рядом, равна сумме «способностей» всех промежуточных пар металлов. Подобные исследования привели Вольта к изобретению первого гальванического элемента, получившего название вольтова столба. Об этом изобретении он сообщил в 1800 году.
20 марта Вольта пишет Джозефу Бэнксу (1743-1820), президенту Королевского общества:
"После долгого молчания, в котором я и не пытаюсь оправдываться, имею удовольствие сообщить Вам, Синьор, а через Ваше посредство и Королевскому обществу о некоторых поразительных результатах, полученных мною... Главный из этих результатов, содержащий в себе почти все остальные, это создание прибора, который по своим действиям, то есть по сотрясению, испытываемому рукой и т. п., сходен с лейденской банкой или, еще лучше, со слабо заряженной электрической батареей, но который, однако, действует непрерывно, то есть его заряд после каждого разряда восстанавливается сам собой; одним словом, этот прибор создает неуничтожаемый заряд, дает непрерывный импульс электрическому флюиду".
Так начинается письмо Вольта, из которого мир узнал об изобретении нового прибора, названного автором «искусственный электрический орган» по аналогии с естественным электрическим органом у электрического ската, но потом переименованный им в «электродвижущий аппарат» или «колонну», что диктовалось его формой. Позже французы стали называть этот прибор «гальваническим столбом» или «вольтовым столбом», исходя из формы первых образцов.
Исследуя соединения различных тел, Вольта пришел к выводу, что контактная разность потенциалов имеет место только между металлами и некоторыми другими «сухими» проводниками; между «сухими» и «влажными» проводниками она не возникает. Первые проводники Вольта назвал проводниками первого класса, вторые – второго класса. Отсюда, предполагает Вольта, следует возможность получения непрерывного электрического тока (если привести два разнородных металла в соприкосновение и соединить их с помощью проводника второго класса).
Вольтов столб состоял из нескольких десятков наложенных друг на друга круглых пластинок из серебра и цинка или меди и олова, между которыми были проложены картонные прокладки, пропитанные соленой водой. Вольта установил, что при замыкании крайних пластинок возникает электрическая искра, а при прикосновении к прибору ощущаются удар и покалывание. В отличие от лейденской банки действие столба непрерывно. Вольта так объяснял действие гальванической батареи. Между каждой парой пластин из цинка и серебра возникает разность потенциалов. Эти пары соединены проводниками второго рода, между которыми в металлами такой разности потенциалов нет, поэтому напряжения от каждой пары металлов суммируются: в результате на концах батареи имеет место значительное напряжение. Это напряжение непрерывно поддерживается, и по замкнутой цепи протекает электрический ток.
Теория гальванического элемента, созданная Вольта, получила название контактной. В противовес ей возникла другая теория, по которой электрический ток возникает в результате химических процессов, происходящих в гальваническом элементе. Между последователями этих двух теорий некоторое время велась дискуссия, окончившаяся победой химической теории. Причем критики контактной теории опирались, в частности, и на принцип невозможности вечного двигателя, которым являлся бы гальванический элемент, если бы теория Вольта была справедливой.