ИЗУЧЕНИЕ АТМОСФЕРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Важным и вполне закономерным шагом на пути изучения электрических явлений был переход от качественных наблюдений к установлению количественных связей и закономерностей, к разработке основ теории электричества. Наиболее значительный вклад в решение этих проблем был сделан петербургскими академиками М.В. Ломоносовым, Г.В. Рихманом и американским ученым Б.Франклином [1.1; 1.6; 1.10; 1.14].

Выдающийся ученый‑энциклопедист XVIII в. Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765 гг.) явился основоположником изучения электрических явлений в России, автором первой теории электричества. При поддержке М.В. Ломоносова его коллега академик Георг Вильгельм Рихман (1711–1753 гг.) разработал в 1745 г. оригинальную конструкцию первого электроизмерительного прибора непосредственной оценки – «электрического указателя» (рис. 1.5), который принципиально отличался от уже известного электроскопа тем, что был снабжен деревянным квадрантом со шкалой, разделенной на градусы. Именно это усовершенствование, по словам Г.В. Рихмана, позволило измерять «большую или меньшую степень электричества». Для экспериментов Г.В. Рихману была предоставлена «при дворе особливая камера», которая, по‑видимому, была первой отечественной электрической лабораторией. Электрический указатель М.В. Ломоносов и Г.В. Рихман использовали при создании «громовой машины» – первой стационарной установки для наблюдения за интенсивностью электрических разрядов в атмосфере (в середине XVIII в. это явление было еще совершенно неизученным).

«Громовая машина» (рис. 1.6) в принципе отличалась от «электрического змея» Б. Франклина (см. далее) и приспособлений других исследователей, так как позволяла непрерывно наблюдать за изменением электричества, содержащегося в атмосфере при любой погоде.

С помощью «громовой машины» М.В. Ломоносов и Г.В. Рихман установили, что электричество содержится в атмосфере и при отсутствии грозы, они убедительно доказали электрическую природу молнии. Описывая их эксперименты, газета «Санкт‑Петербургские ведомости» (1752, № 58) сообщала: «Итак, совершенно доказано, что электрическая материя одинакова с громовою материею, и те раскаиваться будут, которые … доказывать хотят, что обе материи различны».

^{Рис. 1.5. Электрический указатель Рихмана}

^{1 – деревянный квадрант с делениями; 2 – металлическая линейка; 3 – металлический шест; 4 – льняная нить}

^{Рис. 1.6. Схема «громовой машины»}

^{1 – электрический указатель; 2 – соединительная проволока; 3 – металлический шест на крыше дома}

Летом 1753 г. М.В. Ломоносов и Г.В. Рихман провели уникальный эксперимент и с помощью «громовой машины» доказали, что, как писала та же газета (1753, № 45),«… сие наблюдение почитается за чрезвычайное. Из сего наблюдения явствует, что … электрическая сила без действительного грому быть может. Ежели второе правда, то не гром и молния причина электрической силы в воздухе, но сама электрическая сила грому и молнии причина». Ученые при огромном стечении народа устроили пальбу из целой батареи пушек, гром «сотрясал небо», но «электрический указатель» ничего не показывал («искусством произведенный гром электрической силы не показывает»).

Выводы М.В. Ломоносова послужили одной из основ впервые разработанной им теории атмосферного электричества. На публичном собрании Академии наук в сентябре 1753 г. Г.В. Рихман, – писал М.В. Ломоносов, – «будет предлагать опыты …, а я – теорию и пользу от оной происходящую…».

Как известно, 25 июня 1753 г. во время грозы Г.В. Рихман, приблизившись к «электрическому указателю», был убит ударом в лоб «бледно‑синеватым огненным шаром».

Трагическая смерть ученого послужила поводом для нападок на ученых, стремившихся проникнуть в тайны природы, со стороны духовенства и реакционных дворянских кругов. Опыты М.В. Ломоносова и Г.В. Рихмана называли кощунственными и требовали их прекратить, подчеркивая, что смерть Г.В. Рихмана – это «наказание господне за вторжение в область божью».

Но огромный научный авторитет М.В. Ломоносова и поддержка прогрессивных отечественных ученых позволили ему доказать недопустимость нанесения ущерба «славе и престижу» России, и в ноябре 1753 г. он выступил со своим знаменитым докладом «Слово о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих», в котором (отметим, произнесенным на русском языке) впервые была изложена разработанная им строго научная материалистическая теория атмосферного электричества. По утверждению современных специалистов эта теория в своей принципиальной основе вполне соответствует современному представлению об этих явлениях. Кстати, М.В. Ломоносов подчеркивал, что он в своей теории «Франклину ничем не обязан», все у него «собственное и новое» [1.10].

По утверждению М.В. Ломоносова атмосферное электричество возникает в результате трения пылинок и других взвешенных частичек воздуха с капельками воды, происходящего при вертикальных перемещениях воздушных потоков. Он указывал, что существуют вертикальные восходящие и нисходящие потоки воздуха, которые «не токмо гремящей на воздухе электрической силы, но и многих других явлений в атмосфере и вне оной суть источник и начало».

Процесс электризации М.В. Ломоносов объяснял так: поток теплого воздуха, устремляющийся вверх (восходящий поток), увлекает за собой различные «жирные и горючие пары» и другие примеси, находящиеся в воздухе. Частицы этих паров М.В. Ломоносов называл «шаричками». Эти «шарички», по его мнению, имеют свойства, близкие к свойствам твердого тела, и не могут поэтому смешиваться с частичками воды (каплями дождя), встречающимися на их пути. В результате трения между «шаричками» и капельками воды возникают электрические заряды как на тех, так и на других. М.В. Ломоносов писал: «… жирные шарички горючих паров, которые ради разной природы с водяными слиться не могут и ради безмерной малости к свойствам твердого тела подходят, скорым встречным движением сражаются, трутся, электрическую силу рождают, которая, распространяясь по облаку, весь оный занимает».

В разработке этой теории М.В. Ломоносов ближе, чем кто‑либо из его предшественников, подошел к современным теориям грозы.

М.В. Ломоносова не удовлетворяли многочисленные теории статического электричества, разработанные зарубежными исследователями, так как в большинстве из них, как он подчеркивал, «некоторые к составлению электрической теории самые нужнейшие вещи не довольно наблюдены были», и он явился инициатором объявления Академией наук конкурса на тему: «Сыскать подлинную электрической силы причину и составить точную ее теорию».

Свои воззрения на явления электричества М.В. Ломоносов сформулировал в 1756 г. в неопубликованном и сохранившемся лишь в виде тезисов труде «Теория электричества, разработанная математически путем». В отличие от большинства своих современников М.В. Ломоносов полностью отрицает существование особой электрической материи и рассматривает электричество как форму движения эфира. В его труде нет ни слова о различных субстанциях, с помощью которых многие ученые того времени пытались объяснить электрические явления. «Электрическая сила есть действие, вызванное легким трением… оно состоит в силах отталкивательных и притягательных, а также в произведении света и огня», пишет М.В. Ломоносов в своем труде.

«Эфирная» теория электричества, разработанная М.В. Ломоносовым, была передовой для своего времени; она являлась новым шагом к материалистическому взгляду на явления природы. Следует отметить, что эта теория получила дальнейшее развитие в трудах Леонарда Эйлера, а, позднее, в XIX в., ее придерживались Майкл Фарадей и другие крупнейшие ученые. М. Фарадей, например, считал электричество движением некоей заполняющей все пространство, пронизывающей все тела упругой среды.

Северные сияния, по мнению М.В. Ломоносова, также имеют электрическую природу; он рассматривал их как свечение, вызываемое электрическими зарядами в верхних слоях атмосферы.

М.В. Ломоносовым были проделаны интересные опыты со свечением разреженного воздуха в стеклянном наэлектризованном шаре. Это свечение он сравнивал с северным сиянием: «Возбужденная электрическая сила в шаре, из которого воздух вытянут, внезапные лучи испускает». Опыты М.В. Ломоносова по воспроизведению северных сияний на моделях были повторены только спустя 175 лет. Наблюдавшееся М.В. Ломоносовым свечение было по существу явлением электрического разряда в разреженном воздухе.

^{Рис. 1.7. Прибор Ломоносова}

^{1 – металлический стержень с трезубцем; 2 – проволочная пружина, припаянная к металлическому кружку}

В поисках более безопасных методов измерения «электрической громовой силы» М.В. Ломоносов разработал своеобразный автоматический регистратор максимального значения грозового разряда (рис. 1.7); после удара молнии по прибору «сему увидеть можно коль велика была самая большая громовая сила». Основываясь на многочисленных опытах, М.В. Ломоносов пришел к выводу о целесообразности широкого применения громоотводов. Он писал: «Такие стрелы на местах, от обращения человеческого по мере удаленных, ставить за небесполезное дело почитаю, дабы ударяющая молния больше на них, нежели на головах человеческих и на храминах, силы свои изнуряла».

В отличие от Б. Франклина М.В. Ломоносов правильно указал на решающую роль заземления в устройстве громоотвода.

Весьма оригинальные представления о сущности электрических явлений были высказаны в уже упоминавшемся фундаментальном труде А.Т. Болотова [1.9]. Он, в частности, писал:

«… но в том сумневаться не можно, что она («электрическая материя». – Авт.) по примеру других состоит из частичек и что частичкам сим надобно быть чрезвычайной и непостижимой для нас мализны, причем эти частички способны к движению, которое происходит с непостижимой скоростью». Затем А.Т. Болотов задает вопрос: «А какой они – эти частички – фигуры, то есть формы», и отвечает, что по их действию и способности к быстрому передвижению «… догадываться только можем, что надлежит им быть только круглыми». Примечательно, что в этом произведении мы не находим стандартных упоминаний об электрической жидкости – ведь с этого начинали изложение сути электрических явлений почти все физики того времени. Отметим, кстати, что А.Т. Болотов подчеркивает, что одна и та же электрическая материя есть повсюду – ив атмосфере, и в недрах земли, и во всех телах, но не везде она находится в равных количествах и поэтому по‑разному себя проявляет.

Большой вклад в изучение электрических явлений, в особенности атмосферного электричества, был сделан известным американским ученым и общественным деятелем Бенджамином Франклином (1706–1790 гг.) [1.1; 1.2; 1.6]. Им были произведены (1747–1752 гг.) многочисленные опыты по улавливанию и изучению атмосферного электричества, усовершенствован молниеотвод, разработана так называемая «унитарная» теория электричества (1747 г.). Б. Франклин высказал правильные предположения о материальном характере электричества, считая, что оно представляет собой элемент, состоящий из чрезвычайно тонких частиц. Ему удалось подойти к представлению об «электризации через влияние», т.е. к явлению электростатической индукции. Он впервые (1749 г.) экспериментально доказал электрическую природу молнии и ее тождество с уже известными свойствами «электрической жидкости». Знаменитый опыт Б. Франклина с воздушным (электрическим) змеем убедительно показал возможность «извлечения» электричества из облаков, которым он заряжал лейденскую банку подобно тому, как это осуществлялось посредством электростатической машины. Предполагается, что им впервые были введены такие термины, как «батарея», «заряд», «разряд»; он первым соорудил батарею из лейденских банок.

Среди ученых рассматриваемого периода, занимавшихся изучением электрических явлений, следует отметить чешского естествоиспытателя Прокопа Дивиша (1698–1765 гг.). Он соорудил большую электростатическую машину, предложил несколько типов молниеотводов, изучал влияние электрических разрядов на рост посевов различных культур.