Электричество и магнетизм

научное исследование электрических и магнитных явлений началось с книги Гильберта, которому принадлежит и термин «электричество», произведенный от греческого названия янтаря. Гильберт кропотливо исследовал множество самых различных тел и построил для этой цели специальный электрический указатель, с помощью которого, прототипа современных электроскопов, Гильберт установил, что способностью притягивать обладают многие тела, «не только созданные природой, но и искусственно приготовленные». Тела, обнаруживающие способность притяжения, Гильберт назвал электрическими, тела, не обладающие такой способностью, — неэлектрическими.

Электрические явления, по Гильберту, коренным образом отличаются от магнитных.

В сочинении Гильберта много интересных наблюдений и догадок, смешанных с фантастическими объяснениями в духе средневековых алхимиков. Но главное значение его труда в том, что он положил твердое основание изучению электрических и магнитных явлений и на этом основании началось интенсивное развитие этого важного раздела науки и техники.

Электрическими опытами занимался и Ньютон, который наблюдал электрическую пляску кусочков бумаги, помещенных под стеклом, положенным на металлическое кольцо. При натирании стекла бумажки притягивались к нему, затем отскакивали, вновь притягивались, и т. д. Эти опыты Ньютон производил еще в 1675 г.

Эксперименты по электричеству проводили и другие члены Лондонского Королевского общества. Бойль, повторив опыты Герике с шаром, установил, что наэлектризованное тело не только притягивает ненаэлектризованное, но и, в свою очередь, притягивается последним. Он показал, что электрические взаимодействия наблюдаются и в вакууме.

В 1700 г. доктор Уолл извлек из натертого большого куска янтаря электрическую искру, проскочившую с треском в палец руки экспериментатора. Электрическую искру получил в 1705 г Хауксби, заменивший серный шар Герике стеклянным. Ньютон в 1716 г. наблюдал искровой разряд между острием иголки и наэлектризованным телом. «Искра напомнила мне о молнии в малых, очень малых размерах», — писал Ньютон. Наконец, Стефэн Грей (1670-1736),также член Лондонского Королевского общества, в 1729 г. открыл явление электропроводимости тел и показал, что для сохранения электричества тело должно быть изолировано. Опыты Грея, опубликованные в 1731 и 1732 гг., обратили на себя внимание французского естествоиспытателя Шарля Дюфэ (1698—1739), создавшего первую теорию электрических явлений. Повторяя опыты Грея по электризации изолированного человеческого тела, он сам ложился на шелковые шнурки, и его электризовали настолько сильно, что из тела при приближении руки другого человека выскакивали искры.

Дюфэ установил два рода электрических взаимодействий: притяжение и отталкивание. «Этот принцип, — продолжает Дюфэ, — со стоит в том, что существует электричество двух родов, в высокой степени отличных один от другого: один род я называю «стеклянным» электричеством, другой— «смоляным»... Особенность этих двух родов электричества: отталкивать однородное с ним и притягивать противоположное. Так, например, тело, наэлектризованное стеклянным электричеством, отталкивает все тела со стеклянным электричеством, и, обратно, оно притягивает тела со смоляным электричеством. Точно так же смоляное отталкивает смоляное и притягивает стеклянное».

Новые открытия в области электричества и усовершенствование электрических машин, получивших кондуктор, подушки для натирания и, наконец, сенсационное изобретение лейденской банки в 1745—1746 гг., возбудили в обществе большой интерес к электричеству. Электрические опыты проводились в светских салонах и королевских дворцах, на заседаниях ученых обществ и в частных домах. За Европой последовали Америка и Россия. Франклин, Рихман, Ломоносов, Эпинус внесли существенный вклад в эту науку.

Георг Вильгельм Рихман родился 11 июля 1711 г. в г. Пярну (тогда Пернове) в Эстонии. Рихман учился в германских университетах в Галле и Иене, а с 1735 г. в университете Петербургской Академии наук. В 1740 г. он становится адъюнктом, а в следующем, 1741 г. — профессором академии.

Существенно новым моментом в исследованиях Рихмана было то, что он «пытался подвергнуть измерению порождаемое электричество». Рихман попытался «взвесить» электрическую силу. Это была правильная идея, которая в своем развитии привела к изобретению абсолютного электрометра. В этой же работе Рихман описывает оба типа своих приборов и основные опыты, произведенные с ними, в том числе и опыты с электричеством грозы, приведшие к трагической гибели ученого 26 июля 1753 г. Его классическая работа, была опубликована в 1758 г., спустя пять лет после смерти ученого. С помощью своего указателя Рихман открыл существование электрического поля вокруг заряженного тела, напряженность которого убывает с увеличением расстояния от тела «по некоторому, пока еще неизвестному закону». Таким образом, русскому ученому принадлежит честь открытия электрического поля и вполне определенное утверждение о зависимости действия этого поля от расстояния до источника поля. Этот «неизвестный пока закон» был найден спустя сорок лет Кулоном.

В своей работе Рихман упоминает Франклина и его теорию положительного и отрицательного электричества.

Основоположник американской науки Вениамин (Бенджамин) Франклин родился в семье бостонского мыловара 17 января 1706 г. Отец его, бедный ремесленник, обремененный большой семьей (Вениамин был пятнадцатым ребенком), выехал в Америку из Англии в поисках лучшей жизни. Вениамину рано пришлось начать трудовую жизнь, сначала помогая отцу, а затем брату, владевшему небольшой типографией. Работая в типографии, Франклин много читал и занимался самообразованием. Когда его брат начал издавать газету, Франклин стал пробовать свои силы в журналистике, тайно подбросив написанную им статью. Статья была опубликована, за нею появились другие, привлекшие внимание общественности. Раскрытие авторства Франклина привело к ухудшению его отношений с братом. Вениамин расторг контракт с ним и уехал в поисках работы в Нью-Йорк, а оттуда в Филадельфию. Трудолюбие и терпение привели Франклина после долгих лет лишений к успеху. Он достиг независимого и обеспеченного положения в Филадельфии, стал одним из уважаемых сограждан, крупным общественным деятелем. Его избрали секретарем Собрания провинции Пенсильвания, он становится директором почт и в дальнейшем генерал-почтмейстером американских колоний. Наряду с этим он развернул широкую просветительскую деятельность, организовал в филадельфии библиотеку, основал Пенсильванский университет, филадельфийское философское общество.

Большую роль сыграл Франклин в борьбе за независимость американских колоний (1775—1783). Он принимал участие в работе континентального конгресса и созданного им комитета по выработке декларации независимости. Посланный новым государством во францию в качестве посла, он сумел добиться поддержки франции в борьбе с Англией. Это существенно повлияло на исход борьбы.

В 1783 г. Франклин вместе с двумя другими уполномоченными конгресса Соединенных Штатов Северной Америки (так было названо новое государство) подписал мирный договор с Англией.

Франклин принимал активное участие в выработке конституции Соединенных Штатов, горячо боролся против порабощения негров, за демократические принципы управления государством. Умер Франклин 17 апреля 1790 г.

Таким образом, Франклин был одним из основателей Соединенных Штатов Америки, одним из создателей нового государства. Он был также основателем науки этого государства, учредителем одного из первых университетов, первого научного общества — филадельфийского философского общества. Он внес своими трудами большой вклад в американскую и мировую науку. Среди этих трудов первое место занимают его исследования по электричеству.

Эти исследования составили содержание труда Франклина «Опыты и наблюдения над электричеством», состоящего из писем к члену Лондонского Королевского общества Питеру Коллинсону. Франклин пользуется представлением об особой электрической субстанции, которую он называет «электрическим огнем». Он предполагает, что электрический огонь «является распространенным элементом» и тела до процесса электризации имеют равные количества этого элемента.

К 1749 г. теория электричества Франклина была завершена. В письме Коллинсону от 29 июля 1750 г. он так формулирует ее основные положения.

«1. 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.

3. Электрическая субстанция отличается от обыкновенной материи в том отношении, что частицы последней взаимно притягиваются, а частицы первой отталкиваются друг от друга...

4. И хотя частицы электрической субстанции взаимно отталкивают друг друга, они сильно притягиваются всей прочей материей.

6. Таким образом, обыкновенная материя по отношению к электрической жидкости является как бы своеобразной губкой...

7. Но в обыкновенной материи содержится (как правило) столько электрической субстанции, сколько она может заключать в себе. Если прибавить ей этой субстанции еще, то она разместится снаружи, на поверхности, и образует то, что мы называем электрической атмосферой; в этом случае говорят, что предмет наэлектризован.

15. Электрическая атмосфера принимает форму того предмета, который она обволакивает...»

Франклин высказал также гипотезу, что молния представляет собой разряд наэлектризованных туч. Опыты Франклина и его идея громоотвода вызвали широкий резонанс. Их повторяли в Европе.Жан Далибар (1703— 1799) во франции, установив на подставке из электрика (т. е. изолятора) в саду железный заостренный шест высотой 40 футов, извлекал из него искры во время грозы. Аналогичные наблюдения проводили Ломоносов и Рихман в Петербурге, который начал свои электрические исследования за два года до Франклина. Во время наблюдений грозы 26 июля 1753 г. Рихман был убит молнией.

В 1759 г. в Петербурге вышла на латинском языке книга «Опыт теории электричества и магнетизма» академика Франца Ульриха Теодора Эпинуса (1724—1802). За два года до выхода этой книги член Берлинской Академии наук Эпинус принял приглашение Петербургской Академии наук и заключил контракт на пять лет. Однако в России он нашел вторую родину, принял русское подданство и проработал в новом отечестве 45 лет до самой смерти.

«Опыт теории электричества и магнетизма» Эпинуса, в отличие от книги Франклина и работ Рихмана, рассматривал не только электрические явления, но и магнетизм. При этом, в отличие от Гильберта, Эпинус ищет не отличия, а сходства между электричеством и магнетизмом. В результате этих исследований он стал считать «причины магнитных и электрических явлений совершенно сходными, а действия магнита аналогичными действиям лейденской банки».

В основу своей теории Эпинус кладет представление об электрической и магнитной жидкостях, частицы которых взаимодействуют с материей и между собой притягательными и отталкивательными силами.

По аналогии с электрическими явлениями Эпинус вводит для описания магнитных явлений магнитную жидкость. «...Ее частицы, как и частицы электрической жидкости, взаимно отталкивают друг друга». Однако большинство тел в природе не реагирует с магнитной жидкостью, лишь некоторые тела, и прежде всего железо, притягиваются магнитной материей.

В том же, 1759 г., в котором вышло сочинение Эпинуса, англичанин Саймер выдвинул дуалистическую теорию электричества, предположив существование двух противоположных родов электричества: одного — аналогичного электричеству, получающемуся на стекле при его натирании, другого — аналогичного электричеству, получающемуся при электризации янтаря («смоляное» электричество).

Пристли высказал это предположение в своей «Истории электричества» в 1767 г., что силы взаимодействия электрических частиц обратно пропорциональны квадрату расстояния а в 1771 г английский лорд Кавендиш впервые экспериментально это подтвердил.

Генри Кавендиш (1731-1810) был богатым английским лордом, занимавшимся физикой и химией в качестве «хобби», как сказали бы теперь. В 1766 г он открыл водород и получил углекислый газ, он показал, что вода получается при горении водорода. Кавендиш с помощью крутильных весов определил постоянную закона тяготения и тем самым «взвесил» Землю. Одинокий, чудаковатый джентльмен, он неохотно публиковал свои работы, и в частности свои электрические исследования. Они оставались неизвестными до 1879 г., когда их опубликовал Максвелл, первый профессор лаборатории Кавендиша, открытой на средства потомка Генри Кавендиша в Кембридже в 1874 г.

Французский военный инженер, а с 1781 г. член Парижской Академии наук Шарль Огюстен Кулон (1736-1806) в 1777 г. исследовал кручение волос, шелковых и металлических нитей. В 1784 г. Кулон сконструировал чувствительный прибор — крутильные весы. С помощью этих весовой открыл законы электрических и магнитных взаимодействий. Его опыты и выводы из них опубликованы им в 1782—1785 гг. в семи мемуарах..

Существенным моментом в работе Кулона было установление метода измерения количества электричества и количества магнетизма (магнитных масс). В научной системе единиц законы Кулона дают основную базу системы электрических и магнитных единиц. После Кулона стало возможным построение математической теории электрических и магнитных явлений.