Вопрос 1. Законы электро- и магнитостатики

Началом систематического изучения явлений, лежащих в основе систем электросвязи, можно считать 1600 г., когда английский физик и придворный врач Вильям Гильберт в своей книге «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле». В этой книге собрал и описал многие магнитные и электрические явления и ввел понятия «электричество», «электрическая сила» и «электрическое тяготение».

В результате сравнения электрических и магнитных свойств Гильберт пришел к следующим выводам:

- электрические свойства тел возбуждаются трением, магнитные при­сущи намагниченным телам по природе;

- магнитные действия бывают притягательными и отталкивательными, электрические — только притягательными (отталкивательных Гиль­берт не знал);

- электрические явления слабее магнитных, но зато они универсальнее;

- электрическую силу можно уничтожить влажностью, магнитную — нет.

История открытий в области электричества тесно связана с использованием разнообразных конструкций электростатических машин — устройств для получения электрических зарядов. В средние века физиками были созданы два типа электростатических машин — машины трения электрофорные машины. Электрофор был изобретен в 1775 г. великим итальянским физи­ком Алессандро Вольта и послужил основой для создания целого класса электрофорных машин. В отличие от машин трения, действие электрофорных машин было основано на возбуждении электричества благодаря явлению индукции, т. е. без непосредственного соприкосновения вызы­вающих электризацию частей машины, впервые электрофорная машина была создана в 1865 г. немецким физиком Августом Теплером. В 1745 г. была установлена возможность накапливать электрические заряды — создана знаменитая «лейденская банка» — первый электриче­ский конденсатор. Это открытие было сделано Питером Ван Мушенбруком в Лейденском университете в Голландии инезависимо Дин фон Клейстом в Германии.

В 1748 г. американский государственный деятель, ученый, один из авторов Декларации независимости и Конституции США Бенджамин Франклин разработал «унитарную» теорию электрических явлений. Он исходил из предположения о том, что существует единая электрическая субстан­ция, недостаток или избыток которой обусловливает знак заряда тела. Франклин установил принцип сохранения электрического заряда. Со­гласно его воззрениям, «электрическая субстанция состоит из чрезвычайно малых частиц, так как она способна проникать в обыкновенную материю, даже в самые плотные металлы, с большой легкостью и свободой, как бы не встречая при этом сколь либо заметного сопротивления».

Исследования в области электрических явлений в атмосфере проводил также великий русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов. На основании экспериментальных исследований им была разработана теория атмосферного электричества. Исследования в этой области он стал проводить совместно с Рихманом, после того как в Петербурге стали известны работы Франклина. Рихман с 1745 г. занимался опытами по электричеству и был первым, кто начал, количественное изучение электрических явлений, построив первый электроскоп. Летом 1753 г. во время опытов с атмосферным электричеством произошла трагическая смерть Рихмана от шаровой молнии.

Ломоносов продолжал начатые исследования, экспериментируя с «громовой машиной», которая представляла собой установленный на крыше дома или дереве железный шест, от которого в комнату проводилась проволока. В результате опытов им была разработана теория образования атмосферного электричества, согласно которой в атмосфере имеют ме­сто восходящие и нисходящие потоки воздуха. В результате происходит трение между «горючими шариками» (т. е. испарениями) в восходящих потоках и парами воды в нисходящих. Эти «горючие шарики» и пары воды, электризуясь трением, создают в атмосфере (вследствие громадного их числа) огромные электрические заряды.

Исследования в области атмосферного электричества послужили основанием для создания в 1866 г. американским дантистом Махлоном Лумисом первой в мире линии беспроводной связи.

Завершением почти 150-летнего периода ис­следований явлений электро- и магнитостатики, результаты которых носили чисто описательный характер, стало открытие в 1784 г. французским военным инженером Шарлем Огюстеном Кулоном носящих сегодня его имя количественных законов, определяющих силы взаимодействия двух электрических зарядов или двух магнитов в зависимости от расстояния между ними. Для измерения силы магнитного и электрического

Притяжения Огюст Кулон он сконструировал весьма точные крутильные весы и определил, что

где F — сила притяжения или отталкивания двух электрических зарядов е; к — коэффициент пропорциональности.

Интересен исторический факт, что закон взаимодействия электрических зарядов первым открыл Генри Кавендиш, поставивший свои опыты в 1771 г. Он выполнил также ряд опытов по определению распределения зарядов в проводниках. К сожалению, Кавендиш, получивший фундаментальные результаты в разных областях физики, занимался ею исключительно для своего удовольствия и не публиковал их при жизни. О них стало известно только в 1879 г., когда Джеймс Клерк Максвелл, став первым заведующим знаменитой Кавендишской лаборатории, созданной на сред­ства, завещанные Кавендишом, собрал его рукописи и издал их, снабдим своими комментариями.

Именно с открытия Кулона учение об электричестве становится наукой, позволяющей выполнять расчеты, связанные с разными электрическими и магнитными эффектами.

Законы физики, открытые в данный период, а именно:

- законы взаимовоздействия электрических зарядов;

- открытие возможности электризовать тела путем трения и накапливать электрические заряды на обкладках конденсатора;

- возможность передачи зарядов от одного тела к другому по проводам— вот та научная основа, на которой уже в середине XVIII века стали создаваться проекты первых систем передачи сигналов на расстояние.