Крутильные весы Кулона

В начале 1770-х годов, вернувшись с Мартиники, Кулон активно занялся научными исследованиями. Публиковал работы по технической механике (статика сооружений, теория ветряных мельниц. Механические аспекты кручений нитей и т.п.). Кулон сформулировал законы кручения, изобрёл крутильные весы, которые сам же применил для измерения электрических и магнитных сил взаимодействия. В 1781 году описал опыты по трению скольжения и качения и сформулировал законы сухого трения. В том же году стал челном Парижской Академии наук. С 1785 по 1789 год опубликовал семь мемуаров, где сформулировал закон взаимодействия электрических зарядов и магнитных полюсов (закон Кулона), а также закономерность распределения электрических зарядов на поверхности проводника. Ввёл понятия магнитного момента и поляризации зарядов. В 1789 году у него вышел труд по теории трения скольжения.

Георг Ом (1789-1854)

Иоганн Ом уделял воспитанию оставшихся на его руках детей огромное внимание. Чтобы обеспечить семью, он ежедневно с утра до вечера занимался выполнением кузнечных и слесарных заказов, а каждую свободную минуту он посвящал детям. О том бесконечно многом, чем они обязаны отцу, впоследствии говорили оба сына слесаря Иоганна, ставшие профессорами: Георг – физиком, Мартин – математиком. Даже на памятнике Ому в Мюнхене он изображен возле отца, крупного мужчины в рабочем фартуке, который обняв сына за плечи восторженно внимающего ему сына, серьёзно и нежно о чём-то рассказывает мальчику.

Школьникам наших дней, изучающим закон Ома, может показаться, что это – один из простейших законов физики: сила тока в проводнике прямо пропорциональна падению напряжению в нм и обратно пропорциональна сопротивлению. Но попробуйте мысленно перенестись в двадцатые годы 19 века! Тогда электрические токи в проводниках были, правда, уже известны, уже существовали источники тока, в частности, батареи гальванических элементов. Датский физик Ханс Кристиан Эрстед открыл даже, что электрический ток оказывает воздействие на стрелку компаса, но что собой представляет этот ток, как его измерять, от чего он зависит – об этом физики почти ничего не знали. Не было не только никаких измерительных приборов, но даже ещё и необходимой терминологии.

Путь, по которому пошёл Георг Ом, определялся ясным пониманием того, что первым делом нужно научиться количественно исследовать физическое явление. Для измерения тока уже раньше пытались использовать тот факт, что он вызывает нагревание проводника. Однако Георг Ом избрал для измерения тока не тепловое, а именно его магнитное действие, открытое Эрстедом. В приборе Ома ток, протекавший по проводнику, вызывал поворот магнитной стрелки, подвешенной на упругой расплющенной золотой проволочке. Экспериментатор, поворачивая микрометрический винт, к которому крепился верхний конец проволочки, добивался компенсации поворота, вызванного магнитным воздействием, и угол поворота этого винта и являлся мерилом тока.

Хотя Ом и пользовался терминологией, отличающейся от современной (хотя, например, введённая им в употребление величина «сопротивление» используется и поныне), но при надлежащем «переводе» нельзя не поразиться, как далеко продвинулся Ом в понимании законов электрического тока. Он понял даже, как описывать электрические цепи, в которых и проводники, и источники тока соединяются между собой как последовательно, так и параллельно.

Андре-Мари Ампер (1775-1836)

Его основные физические работы выполнены в области электродинамики. В 1820 году он установил правило для определения направления действия магнитного поля на магнитную стрелку, известно ныне как правило Ампера, провёл множество опытов по исследованию взаимодействия между магнитом и электрическим током, для этих целей создал ряд приборов, обнаружил, что магнитное поле Земли влияет на движущиеся проводники с током. В том же году открыл взаимодействие между электрическими токами, сформулировал закон этого явления (закон Ампера), развил теорию магнетизма, предложил использовать электромагнитные процессы для передачи сигналов.

Согласно теории Ампера, магнитные взаимодействия являются результатом происходящих в телах взаимодействий так называемых круговых молекулярных токов, эквивалентных маленьким плоским магнитам, или магнитным листкам. Это утверждение носит название теоремы Ампера. Таким образом, большой магнит, по представлениям Ампера, состоит из множества таких элементарных магнитиков. В этом заключается суть глубокого убеждения учёного в чисто токовом происхождении магнетизма и тесной связи его с электрическими процессами.

В 1822 году Ампером был открыт магнитный эффект соленоида (катушки с током), откуда следовала идея эквивалентности соленоида постоянному магниту. Также им было предложено усиливать магнитное поле с помощью железного сердечника, помещаемого внутрь соленоида. Идеи Ампера были изложены им в работах «Свод электродинамических наблюдений», Париж, 1824, «Теория электродинамических явлений». В 1826 году им была доказана теорема о циркуляции магнитного поля. В 1829 Ампер изобрёл такие устройства как коммутатор и электромагнитный телеграф.

Феликс Савар (1791-1841)

Знаменит своими научными исследованиями, главным образом, в области акустики. Во всех учебниках физики упоминается о зубчатом колесе Савара, служащем для определения числа колебаний звучащего тела, а также о простом приспособлении, придуманном Саваром для нахождения положений узлов и пучностей в звучащих трубках; оно состоит из натянутой на деревянное кольцо перепонки, на которую насыпается песок, и которая на нитках опускается внутрь вертикальной трубы. Он занимался вопросом о пределах слышимости тонов. Он нашёл именно, что тон в 30000 колебаний в секунду слышится почти всеми, 33000 же колебаний в секунду слышат уже немногие. Притом тона, колебания которых превосходят 16000 колебаний в секунду, уже не различаются ухом между собой и, поэтому, не могут употребляться в музыке. Верхним пределом вообще для слышимости Савар считал 96000 колебаний в секунду (другие определяли этот предел в 80000 и даже 70000 колебаний). Для нижнего предела он принимал 14-16 колебаний. Принимал Савар участие и в опытах Био над изучением взаимодействия между электрическим током и магнитным полем; результатом этих опытов было установление известного «закона Био и Савара», о котором упоминается во всех подробных курсах физики.

Жан-Батист Био (1774-1862)

Био вместе с Саваром опытным путём определил закон действия проводника, по которому проходит гальванический ток на магнитную стрелку. Его курсы физики, заглавия которых приведены выше, отличаются ясностью и глубокой обдуманностью изложения. Вряд ли можно найти другой курс, который мог бы сравниться с его курсом в отношении самостоятельности разработки плана, так и всех частей физики. Его идеи о частичных силах, о нематериальности теплоты, работы по теплопроводности, обработка математическим путём опытов над расширением магнетизма в магнитах и многое другое, а в особенности гипотезы о свойствах световых частиц показывают, как он стремился все части современной ему физики усвоить и оформить до такой степени, что читателю кажется, будто они – оригинальные открытия Био.

Алессандро Вольта (1745-1827)

Вольта впервые поместил пластины из цинка и меди в кислоту, чтобы получить непрерывный электрический ток, создав первый в мире химический источник тока («Вольтов столб»).

Именем Вольта названа единица измерения электрического напряжения – Вольт.

В 1800 году построил химическую батарею. Стало возможным получать электричество с помощью химических реакций.

Луиджи Гальвани (1737-1798)

«Я разрезал и препарировал лягушку…и, имея в виду совершенно другое, поместил её на стол, на котором находилась электрическая машина…, при полном разобщении от кондуктора последней и на довольно большом расстоянии от него. Когда один из моих помощников острием скальпеля случайно очень легко коснулся внутренних бедренных нервов этой лягушки, то немедленно все мышцы конечностей начали так сокращаться, что казались впавшими в сильнейшие тонические судороги. Другой же из них, который помогал нам в опытах по электричеству, заметил, как ему казалось, что это удаётся тогда, когда из кондуктора машины извлекается искра…Удивлённый новым явлением, он тотчас же обратил на него внимание, хотя я замышлял совсем другое и был поглощён своими мыслями. Тогда я зажёгся невероятным усердием и страстным желанием исследовать это явление и вынести на свет то, что было в нём скрытого».

Ученого заинтересовала способность мёртвого препарата проявлять жизненные сокращения под влиянием электричества.

Он с величайшим терпением и искусством исследовал эту способность, изучая её локализацию в препарате, условия возбудимости, действие различных форм электричества и, в частности, атмосферного электричества. Классические опыты Гальвани сделали его отцом электрофизиологии.

Пьер-Симон Лаплас (1749-1827)

Лапласу принадлежит барометрическая формула, связывающая плотность воздуха, высоту, влажность и ускорение свободного падения. Занимался также геодезией и теорией рефракции, изобрёл ледяной калориметр. Совместно с А. Лавуазье в 1779-1784 годы Лаплас занимался вопросами теории теплоты, изобрели ледяной калориметр, боролись с теорией флогистона. Лаплас опубликовал ряд работ по теории капиллярности и установил закон Лапласа для капиллярного давления. В 1809 году Лаплас занимался проблемами акустики; он вывел формулу для скорости распространения звука в воздухе. Лаплас облек закон Био-Савара в математическую форму элементарного взаимодействия между элементом электрического тока и намагниченной точкой. Важные исследования Лапласа относятся к гидродинамике.

Генри Кавендиш (1731-1810)

Кавендишу принадлежат несколько работ об изучении свойств электричества, написанных для Королевского общества, но большая часть его экспериментов была собрана и опубликована Джеймсом Максвеллом только век спустя в 1879 году, вскоре после того, как к тем же результатам пришли другие учёные. К открытиям Кавендиша принадлежат:

- Понятие электрического потенциала, который он назвал «степенью электрификации»;

- Определение ёмкости сферы и конденсатора;

- Концепция диэлектрической проницаемости материала

- Отношение между электрическим потенциалом и током, которое теперь называется законом Ома (1781)

- Законы для разделения тока в параллельных цепях, которое в настоящее время связано с именем Чарльза Уитстоуна

- Закон обратных квадратов изменения электрической силы с расстоянием, который сейчас называется законом Кулона.

Хотя распространено мнение, что всемирно известная Кавендишская лаборатория названа в честь Генри Кавендиша, это не соответствует действительности. Она названа в честь родственника Генри, Уильяма Кавендиша, 7-го герцога Девоншира. Он был канцлером Кембриджского университета и пожертвовал крупную сумму на открытие первой в мире учебно-научной лаборатории при университете.

Ханс Кристиан Эрстед (1777-1851)

Университет в столице Дании Копенгагене был основан ещё в 1478 году, но его общеобразовательный уровень был ещё весьма низким. Достаточно сказать, что с начала XVIII века кафедра физики в нём была ликвидирована с целью усилить курс богословия.

Главное открытие Эрстеда – теоретическое обоснование существования электромагнитных волн. Эрстед на лекции в университете демонстрировал нагрев проволоки электричеством от вольтова столба, для чего составил электрическую, или, как тогда говорили, гальваническую цепь. На демонстрационном столе находился морской компас, поверх стеклянной крышки которого проходил один из проводов. Вдруг кто-то из студентов (здесь показания свидетелей расходятся – говорят, это был аспирант, а то и вовсе университетский швейцар) случайно заметил, что, когда Эрстед замкнул цепь, магнитная стрелка компаса отклонилась в сторону.

Экспериментатор решает проверить действие проводников из различных металлов на стрелку. Для этого берутся проволоки из платины, золота, серебра, латуни, свинца, железа. И о чудо! Металлы, которые никогда не обнаруживали магнитных свойств, приобретали их, когда через них протекал электрический ток.

Эрстед стал экранировать стрелку от провода стеклом, деревом, смолой, гончарной глиной, камнями, диском электрофора. Экранирование не состоялось. Стрелка упорно отклонялась. Отклонялась даже тогда, когда её поместили в сосуд с водой. Последовал вывод: «Такая передача действия сквозь различные вещества не наблюдалась у обычного электричества и электричества вольтаического». Когда соединительную проволоку Эрстед ставил вертикально, то магнитная стрелка совсем не указывала на неё, а располагалась как бы по диаметру окружности с центром по оси проволоки. Исследователь предложил считать действие проволоки вихревым, так как именно вихря свойственно действовать в противоположных направлениях на двух концах одного диаметра.