ОТКРЫТИЕ НОВЫХ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Одним из первых, кто, познакомившись с книгой В. Гильберта, решил получить более сильные проявления электрических сил, был известный изобретатель воздушного насоса и опыта с полушариями магдебургский бургомистр Отто фон Герике (1602–1686 гг.). В 1650 г. он изготовил шар из серы размером с детскую голову, насадил его на железную ось, укрепленную на деревянном штативе (рис. 1.2). При помощи ручки шар мог вращаться и натирался ладонями рук или куском сукна, прижимаемого к шару рукой. Это была первая простейшая электростатическая машина. О. Герике удалось заметить слабое свечение электризуемого шара в темноте и, что особенно важно, впервые обнаружить, что пушинки, притягиваемые шаром, через некоторое время отталкиваются от него – это явление ни О. Герике, ни многие его современники долго не могли объяснить. Немецкий ученый Г.В. Лейбниц (1646–1716 гг.), пользуясь машиной О. Герике, наблюдал электрическую искру – это первое упоминание об этом загадочном явлении.

^{Рис. 1.2. Электростатическая машина Герике}

В течение первой половины XVII в. электростатическая машина претерпела ряд усовершенствований: серный шар был заменен стеклянным (так как стекло более интенсивно электризовалось), а позднее вместо шаров или цилиндров (которые труднее было изготовить, и при нагревании они нередко взрывались) стали применять стеклянные диски. Для натирания использовались кожаные подушечки, прижимаемые к стеклу пружинками; позднее для усиления электризации подушечки стали покрывать амальгамой.

Важным новым элементом конструкции машины стал кондуктор (1744 г.) – металлическая трубка, подвешенная на шелковых нитях, а позднее устанавливаемая на изолированных опорах. Кондуктор служил резервуаром для Сбора электрических зарядов, образованных при трении. После изобретения лейденской банки ее также устанавливали рядом с машиной. В 60‑х годах XVIII в. электростатическая машина приобрела основные современные черты.

Заметные успехи в изучении электрических и магнитных явлений привели к открытию ранее неизвестных фактов: обнаружению двух родов электричества и установлению законов их взаимодействия; установлению «быстроты передачи электричества»; созданию новых электрических приборов, позволявших получать и накапливать электричество в больших количествах; изучению явлений атмосферного электричества; разработке первых теорий электрических явлений.

Значительным шагом в изучении свойств электрических зарядов были исследования члена английского Королевского общества Стефана Грея (1670–1736 гг.) и члена Парижской академии наук Шарля Франсуа Дюфе (1698–1736 гг.).

В результате многочисленных экспериментов С. Грею удалось установить, что электрическая способность стеклянной трубки притягивать легкие тела может быть передана другим телам, и он показал (1729 г.), что тела в зависимости от их отношения к электричеству можно разделить на две группы: проводники (например, металлическая нить, проволока) и непроводники (например, шелковая нить).

Продолжая опыты С. Грея, Ш.Ф. Дюфе (в 1733 г.) обнаружил два рода электрических зарядов – «стеклянные» и «смоляные» и их особенность отталкивать одноименные и притягивать противоположные заряды. Дюфе также создал прототип электроскопа в виде двух подвешенных и расходящихся при их электризации нитей.

После того как было установлено разделение тел на проводники и непроводники, а опыты с электростатическими машинами получили широчайшее распространение, совершенно естественной была попытка «накопить» электрические заряды в каком‑то стеклянном сосуде, который мог их сохранить:

Среди многих физиков, занявшихся подобными экспериментами, наибольшую известность получил голландский профессор из г. Лейдена Питер Мюсхенбрук (Мушенбрук) (1692–1761 гг.).

^{Рис. 1.3. Опыт Мюсхенбрука (со старинной гравюры)}

Зная, что стекло не проводит электричества, он (в 1745 г.) взял в правую руку стеклянную банку (колбу), наполненную водой (которая являлась проводником), опустил в нее медную проволоку, висевшую на кондукторе электростатической машины, и попросил своего помощника вращать шар машины. При этом он правильно предположил, что заряды, поступавшие с кондуктора, будут накапливаться в стеклянной банке (рис. 1.3). После того как, по его мнению, в банке накопилось достаточное количество зарядов, он решил левой рукой отсоединить медную проволоку. При этом он ощутил сильный удар, ему показалось, что «пришел конец». Он писал, что этот «новый страшный опыт советую самим никак не повторять» и что ради короны Франции он не согласится подвергнуться «столь ужасному сотрясению».

Так была изобретена лейденская банка (по названию г. Лейдена), а вскоре и первый простейший конденсатор – одно из распространеннейших электротехнических устройств. Опыт П. Мюсхенбрука произвел подлинную сенсацию не только среди физиков, но и среди многих любителей, интересовавшихся электрическими опытами. Уже в 1746–1747 гг. были разработаны первые теории лейденской банки.

^{Рис. 1.4. Электростатическая машина Болотова}

Одним из важнейших последствий изобретения лейденской банки явилось установление влияния электрических разрядов на организм человека, что привело к зарождению электромедицины – это было первое сравнительно широкое практическое применение электричества, сыгравшее большую роль в углублении изучения электрических явлений. Одним из пионеров в области электромедицины был известный русский ученый‑энциклопедист Андрей Тимофеевич Болотов (1738–1833 гг.). В его сочинении [1.9] подробно описаны многочисленные опыты по лечению «разных болезней» с помощью созданной им оригинальной и простой электрической машины с лейденской банкой (рис. 1.4) и разнообразных инструментов. Им также были изобретены компактные складные и дорожные машины с диаметром стеклянного шара 20 см. В созданной им первой в России стационарной электролечебнице была оказана помощь тысячам больных. А.Т. Болотовым был написан «Краткий электрический лечебник» (1793 г.) и «История моего электризования и врачевания разных болезней оным» в трех томах (1792 г.).

Опыт П. Мюсхенбрука был повторен в присутствии короля французским аббатом Нолле (1700–1770 гг.); он образовал цепь из 180 гвардейцев, взявшихся за руки, причем первый держал банку в руке, а последний прикасался к проволоке, извлекая искру. Удар почувствовался всеми в один момент. От этой цепи солдат и произошел термин «электрическая цепь».

Постепенно конструкция лейденской банки совершенствовалась: воду заменили дробью, а затем наружная поверхность покрывалась тонкими свинцовыми пластинами, а позднее внутреннюю и наружную поверхности стали покрывать оловянной фольгой, и банка приобрела современный вид.

При проведении исследований с банкой было установлено (в 1746 г. англичанином Б. Вильсоном), что количество электричества, собираемое в банке, пропорционально толщине обкладок и обратно пропорционально толщине изоляционного слоя. В 70‑х годах XVIII в. металлические пластины стали разделять не стеклом, а воздушным промежутком. Так появился простейший конденсатор.

Электростатические машины и лейденские банки использовались медиками в разных странах Европы. Как уже отмечалось, значительный вклад в электромедицину был сделан В.В. Петровым, который использовал для этих целей не только электростатические машины, но как это будет показано в следующей главе, и электрохимические источники, в частности созданную им «огромную наипаче» гальваническую батарею [1.6; 1.8; 2.1].

Успехи в области исследования электростатических явлений и их практического применения, достигнутые к концу XVIII столетия, подготовили почву для открытия новых, ранее не известных явлений, создания источников постоянного электрического тока и изучения его свойств. Все это привело к становлению и последующему бурному развитию электротехники.