Изобретение лейденской банки - новая страница в летописи электричества

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 сосуде, который мог их сохранить. Среди многих фи­зиков, занявшихся подобными экспериментами, наибольшую известность получил голландский профессор из г. Лейдена Мусхенбрук (Мушенбрек) (1692—1761 гг.).

Зная, что стекло не проводит электричества, он (в 1745 г.) взял стеклянную банку (колбу), наполненную водой, опустил в нее медную проволоку, висевшую на кондукторе электрической машины, и, взяв банку в правую руку, попросил своего помощника вращать шар машины. При этом он правильно предположил, что заряды, поступавшие с кондуктора, будут накапливаться в стеклянной банке (рис. 2.).

После того, как по его мнению в банке накопилось достаточно количество зарядов, он решил левой рукой отсоединить медную проволоку. При этом он ощути сильный удар, ему показалось что «пришел конец».

Так была изобретена лейденская банка (по имени г. Лейдена), а вскоре и первый простейший конденсатор, одно из распространеннейших электротехнических устройств.

Опыт Мусхенбрука произвел подлинную сенсацию не только среди физиков, но и многих любителей, интересовавшихся электрическими опытами. Независимо от Мусхенбрука в том же 1745 г. к созданию лейденской банки пришел и немецкий ученый Э.Г. Клейа. Опыты с лейденской банкой стали производить физики разных стран, а в 1746—1747 гг. первые теории лейденской банки разработали знаменитый американский ученый Б. Франклин и хранитель физического кабинета англичанин В. Уатсон. Небезынтересно отметить, что Уатсон стремился определить скорость распространения электричества, «заставив» его «пробежать» 12 000 футов.

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 применению электричества, сыгравшее большую роль в углублении изучении электрических явлений.

Опыт Мусхенбрука был повторен в присутствии французского короля аббатом Нолле. 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; было курьезно видеть разнообразие жестов и слышать мгновенный вскрик» десятков людей. 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; 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 размеру обкладок и обратно про­порционально толщине изоляционного слоя. В 70-х гг. XVIII в. металлические пластины стали разделять не стеклом, а воздушным промежутком - так, появился простейший конденсатор.

Величественные и таинственные явления атмосферного электричества получают научное обоснование. Первый «электрический указатель»

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 и Г. В. Рихманом и американским ученым Б. Франклином.

Выдающийся ученый-энциклопедист XVIII в. Михаил Васильевич Ломоносов (1711—1765 гг.) явился в России основоположником изу­чения электрических явлений, автором первой теории электричества. При поддержке Ломоносова академик Георг Вильгельм Рихман (1711—1753 гг.) разработал в 1745 г. оригинальную конструкцию пер­вого электроизмерительного прибора непосредственной оценки «электрического указателя» (рис. 3), который принципиально отличался от уже известного электроскопа тем, что был снабжен деревянным квадрантом со шкалой, разделенной на градусы. Именно это усовершенствование (по слова Рихмана) позволило измерять «большую и меньшую степень электричества».

Из постановления Академической канцелярии (март 1745 г.) следует, что Рихманом проводились весьма интересные электрически эксперименты, «которые при дворе и современном петербургском обществе обращали на себя внимание». Для этих экспериментов Рихману была предоставлена «при дворе особливая камера», которая, по-видимому была первой отечественной электрической лабораторией. До Рихмана в Росси систематическим изучением электрических явлений не занимались. «Электрический указатель» Ломоносов и Рихман использовали при создании «громовой машины» - первой стационарной установки для наблюдения за интенсивностью электрических разрядов в атмосфере. Атмосферное электричестве в середине XVIII в. еще совершенно неизученное загадочное проявле­ние гигантских сил природы, привлекало особое внимание М. В. Ломоносова.

«Громовая машина» (рис. 4) позволяла непре­рывно наблюдать за изменением электричества, содержащегося в атмосфере при любой погоде.

С помощью «громовой машины» Ломоносов и Рихман установили, что электричество содержится в атмосфере и при отсутствии грозы, они убедительно доказали, что молния - это электрические разряды в атмосфере.

Летом 1753 г. М. В. Ломоносов и Г. В. Рихман провели уникаль­ный эксперимент и с помощью громовой машины доказали, что "... элект­рическая сила без действительного грому быть может. Ежели второе правда, то не гром и молния 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. Рихман, — пи­сал 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 «бледно-синеватого огненного шара».

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

В ноябре 1753 г. Ломоносов выступил со своим знаменитым докладом «Слово о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих, предложенное от Михаила Ломоносова». В этом докладе впервые была изложена разработанная им строго научная материалистическая теория атмосферного электричества, которая — по утверждению современных специалистов, в своей принципиальной основе впол­не соответствует современному представлению об этих явлениях.

По утверждению Ломоносова атмосферное электричество воз­никает в результате трения пылинок и других взвешенных час­тичек воздуха с капельками воды, происходящего при вертикальных перемещениях воздушных потоков. Процесс электризации 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 Ломоносов называл «шаричками». Эти «шарички», по его мнению, имеют свойства, близкие к свойствам твердого тела, и не могут поэтому смеши­ваться с частичками воды (капли дождя), встречающимися на их пути. В результате трения между «шаричками» и капельками во­ды возникают электрические заряды как на тех, так и на других. 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 Ломоносов ближе, чем кто-либо из его предшественников, подошел к современным теориям грозы.

Свои воззрения на явления электричества Ломоносов сформу­лировал в 1756 г. в неопубликованном и сохранившемся лишь в виде тезисов труде «Теория электричества, разработанная мате­матическим путем». В отличие от большинства своих современни­ков Ломоносов полностью отрицает существование особой электрической материи и рассматривает электричество как форму движения эфира.

«Эфирная» теория электричества, разработанная Ломоносо­вым, была передовой для своего времени. Она являлась новым ша­гом к материалистическому объяснению явлений природы. Эфирная теория получила дальнейшее развитие в трудах Эйлера, а позднее, в XIX в., ее придерживались Фарадей и другие круп­нейшие ученые. Фарадей, например, считал электричество дви­жением некой, заполняющей все пространство, пронизывающей все тела упругой среды.

Северные сияния, по мнению Ломоносова, также имеют элект­рическую природу. Он рассматривал их как свечение, вызываемое электрическими зарядами в верхних слоях атмосферы. «... Весьма вероятно, — писал Ломоносов в своем "Слове о явлениях воздуш­ных, от электрической силы происходящих", что северные сияния рождаются от происшедшей на воздухе электрической силы».

М. В. Ломоносовым были проделаны интересные опыты со све­чением разряженного 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 Ломоносова по воспроизведению северных сияний на моделях были повторены только спустя 175 лет. Наблюдавшееся Ломоносовым свечение было по существу явлением электрического разряда в разреженном воздухе.

Основываясь на многочислен­ных опытах, 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 Франклина Ломоносов правильно указал на реша­ющую роль заземления в устройстве громоотвода.

Большой вклад в изучение электрических явлений, в особенно­сти атмосферного электричества, был сделан известным амери­канским ученым и общественным деятелем Бенджамином Франклином (1706—1790 гг.). 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 «частиц, чрезвычайно тонких». 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 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», а также он пер­вым соорудил батарею из лейденских банок.

Вот некоторые подробности из истории громоотвода. Франк­лин рассуждал о заостренных, устремленных к небу проводни­ках, еще не имея возможности провести эксперимент. Его письма к английскому ученому Коллинсону, будучи прочитан­ными в Лондонском королевском обществе, вызвали насмешки и не были опубликованы. В 1752 г. книга Франклина была опуб­ликована во Франции, и переводчик книги Далибар реализовал проект Франклина, установив в своем загородном поместье вер­тикальный прут. Вслед за тем такие «громоотводы» были уста­новлены в Марли близ Версаля и близ Парижа. Но вот что интересно: все эти стержни опирались на изоляторы и не были заземлены. Это обстоятельство позволило 10 марта 1752 г. во время грозы в Марли наблюдать разряды между железным стер­жнем и землей. В июне 1752 г. Франклин провел, наконец, вблизи Филадельфии свой знаменитый опыт со змеем, запущен­ным под облака. Намекнувший шнур, на котором удерживался змей, стал проводником, и Франклин экспериментально подтвердил свои гипотезы об атмосферном электричестве, громоотво­де и единстве природы атмосферного ("естественного") и искусст­венного электричества, зарядив лейденскую банку.

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

О сходстве и подобии электрических и магнитных явлений. Новые открытия. Закон Кулона

Постепенно электрические эксперименты перестают быть мод­ными развлечениями и все более превращаются в мощное средство познания неизведанных тайн природы.

Мировую известность приобрел трактат петербургского акаде­мика Франца Ульриха Теодора Эпинуса (1724—1802 гг.) «Опыт теории электричества и магнетизма», изданный в Петербурге в 1759 г. Эпинус впервые указал на связь между электрическими и магнитными явлениями. К этому выводу он пришел в результате многочисленных экспериментов с электризацией кристаллов тур­малина при их нагревании и охлаждении (1752 г.). Это явление позднее получило название пироэлектричества. Образование раз­ноименных зарядов на противоположных концах кристаллов он уподоблял двум противоположным полюсам магнита. В своей речи на общем собрании Академии наук в 1758 г. Эпинус говорил «не только о некоем союзе и сходстве магнитной и электрической си­лы, но и сокровенном обеих сил точном подобии». И будто испугавшись дерзости своих мыслей о «подобии» этих различных (по утверждениям его многих современников) явлений, он в конце ре­чи добавил: «Но я таким образом заключать не отважусь». И не удивительно, прошло почти три четверти столетия, пока «сходство и подобие» электрических и магнитных явлений было убедительно доказано М. Фарадеем.

Независимо от Эпинуса итальянский ученый Д. Беккария (1716— 1781 гг.) в 1758 г. выдвинул гипотезу о существовании тесной связи между «циркуляцией электрического флюида и магнетизмом».

ф. Эпинусу принадлежит открытие явления электростатиче­ской индукции. Он впервые отверг утверждение Франклина об особой роли стекла в лейденской банке и применил плоский кон­денсатор с воздушной прослойкой. Он правильно утверждал, что чем меньше расстояние между обкладками банки и чем больше их поверхность, тем выше «степень электричества».

Предполагая, что «сила электрического потрясения» зависит главным образом от степени «сгущения электрической жидкости», Эпинус близко подошел к понятиям о потенциале и емкости. Эпинусом были поставлены эксперименты, воспроизводящие явления, имеющие место в приборе, названном позднее «электрофором». Изо­бретение электрофора обычно приписывают А. Вольта, но сам Воль­та отмечал, что Эпинус осуществил на практике идею электрофора, «хотя и не сконструировал законченного лабораторного прибора».

В своем сочинении Эпинус предложил свою теорию электриче­ских и магнитных явлений, которая основывалась на существова­нии электрической и магнитной жидкостей. Заслуживает внимания его попытка впервые применить математические расче­ты для характеристики взаимодействия заряженных тел. При этом он задолго до Кулона высказал предположение о том, что си­лы взаимодействия электрических и магнитных зарядов изменя­ются обратно пропорционально квадратам расстояния между ними. Эпинусом также была высказана правильная мысль о со­хранении количества электричества. Для увеличения «количества электрической материи» в одном теле ее «неизбежно нужно взять вне его и, следовательно, уменьшить ее в каком-либо другом теле»;

Говоря о возникновении понятий потенциала ("напряжение") и емкости, необходимо отметить большой вклад выдающегося итальянского физика Александро Вольта (1745—1827 гг.). Его по праву можно назвать основателем электрической метрологии. В ряде своих работ (1778—1782 гг.) он четко формулирует количе­ственные зависимости между электрическим зарядом, емкостью и напряжением: «...когда емкость больше, то данное количество электричества вызывает меньшее напряжение ... емкость и элект­рическое действие, или напряжение, находятся в обратном отно­шении». Причем под термином «напряжение» он понимает интенсивность или «усилие, производимое каждой точкой наэлек­тризованного тела». А. Вольта создал более совершенные электро­форы и электроскопы, в частности, конденсаторный электроскоп.

Среди ряда теорий электричества, разработанных в XVIII в., за­служивает внимания теория петербургского академика Л. Эйлера (1707—1783 гг.) — одного из выдающихся ученых своего времени.

Подобно М. В. Ломоносову Эйлер отрицал существование осо­бой электрической материи и считал, что электрические явления обусловлены разрежением и сгущением эфира. Эта теория являет­ся дальнейшим развитием идей Ломоносова и приближается к эфирным теориям электричества XIX в. Эйлером описана также и одна из конструкций электростатической машины (1761 г.), от ко­торой заряжалась лейденская банка.

Углубление исследований в области статического электричест­ва не могло не привести к опровержению ряда ошибочных выво­дов, сделанных физиками в начальный период изучения этих явлений. Одним из таких ошибочных выводов было утверждение о невозможности электризации металлов трением.

В конце XVIII в. ряд европейских ученых, а также выдающийся русский физик и электротехник академик В. В. Петров приходят к заключению о том, что металлы могут быть наэлектризованы по­средством трения при условии их тщательной изоляции. Наиболее убедительно это было доказано В. В. Петровым в его труде «Новые электрические опыты», изданном в 1804 г. Он показал, что осо­бенно эффективным способом электризации металлов является «стегание» их выделанным мехом некоторых животных. Им также разработан ряд новых методов электризации различных тел. В. В. Петров правильно установил влияние размеров, темпе­ратуры и состояния поверхности тел, а также влажности окружающего воздуха на интенсивность электризации. Эти выводы В. В. Петрова, а также его указание на неустойчивость явления электризации тел подтверждены современными исследованиями.

Заслуживает внимания утверждение Петрова о возможности электризации человеческого тела посредством «стегания» — это позволяло врачам (он подчеркивает это в своем труде) применять электролечение без электростатической машины, которую не вся­кий медик мог иметь в своем распоряжении.

Результат опытов по электризации тканей, осуществленных Пет­ровым, привели его к созданию электрофора оригинальной конст­рукции, в котором основание из смолы было заменено тщательно просушенной «мягкой байкой», сложенной в четыре слоя. Ученый провел целую серию новых экспериментов по электризации ртути и других веществ посредством «трясения» их в стеклянных сосудах.

В. В. Петров подверг специальному изучению явления статиче­ского электричества в разряженном воздухе и в атмосфере различ­ных газов. С этой целью он построил совершенно оригинальную электростатическую машину (рис 5), помещавшуюся под коло-

Рис. 5. Электростатическая машина В. В. Петрова

колом воздушного насоса. Установленный там же термометр фик­сировал интенсивность электрических разрядов при разных тем­пературах.

В частности Петров убедительно подтвердил возрастание электрической проводимости воздуха при его нагревании, обна­ружил образование окислов азота при электрических разрядах в воздухе.

В последней четверти XVIII в. все более начинает проявляться новый образ мышления ученых, исследующих электрические и магнитные явления. Сделанные еще в 40—50 гг. М. В. Ломоносо­вым и Г. В. Рихманом первые шаги от качественных наблюдений к установлению количественных закономерностей, вызывают все больший интерес. Возможность перехода к количественным исследованиям обуславливалась как успехами математики, так и совер­шенствованием измерительных устройств.

Важнейшим шагом в развитии количественных исследований электрических и магнитных явлений было установление закона о силе взаимодействия между наэлектризованными телами и маг­нитными полюсами. Этими вопросами занимались многие ученые (Эпинус, Кавендиш и др.), высказавшие предположение о «законе обратных квадратов».

Но наибольших успехов сумел достичь французский военный инженер Шарль Огюстен Кулон (1736 - 1806 гг.). В течение не­скольких лет он проводил эксперименты с помощью прибора, ко­торый вначале был предназначен для изучения законов закручивания шелковых и волосяных нитей, а также металлических проволок. В 1785 г. Кулон установил, что «сила кручения пропор­циональна углу закручи­вания». Он решил использовать этот при­бор для измерения «ма­лых электрических и магнитных сил». При­бор позволял измерять «мельчайшие степени си­лы», и Кулон назвал его «крутильными весами» (рис. 6).

В результате много­численных эксперимен­тов он установил, что сила взаимодействия наэлектризованных тел пропорциональна «коли­честву электричества» (этот термин был им впервые введен в нау­ку) заряженных тел и обратно пропорцио­нальна квадрату рассто­яния между ними.

Так был открыт Кулоном знаменитый закон, носящий его имя. Этот закон Кулон распространил и на взаимодействие магнитных полюсов.

Кулоном аналитически и экспериментально было доказано, что электричество распространяется по поверхности проводника, а также равномерно распределяется по поверхности изолированной проводящей сферы.

Исследования Кулона способствовали применению математиче­ского анализа в теории электричества и магнетизма, распростране­нию математического понятия потенциала (ранее введенного в механику) на электрическое и магнитное поля.