ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

12. ЛЕЙДЕНСКАЯ БАНКА

Один эксперимент, электрическая природа которого была достоверно доказана лишь во второй половине XIX века, дал новый импульс исследованию электрических явлений. В 1676 г. астроном Жан Пикар, перенося ночью барометр, заметил, что время от времени пустая часть трубки со ртутью начинает светиться. Это явление, замеченное и другими, было описано в небольшой книжечке, попавшей в руки Иоганна Бернулли. Заинтригованный необычайностью явления, он предпринял тщательное исследование и в результате построил небольшой прибор, вскоре распространившийся по всей Европе и вызывавший восхищение и изумление всего ученого и неученого мира. Прибор этот состоял из стеклянной трубки, из которой удален воздух и которая частично наполнена ртутью. Если в темноте встряхнуть такую трубку, то она таинственным образом начинает светиться, как если бы была «полна огня». Это явление напоминало Бернулли свечение фосфора, поэтому свет этих трубок он назвал «фосфорическим светом», хотя фактически фосфор к этому не имеет никакого отношения и явление это электрического происхождения.

Опыт Грея. Гравюра, 1754 г. Мужчина, стоящий справа, приближает наэлектризованную стеклянную трубку к руке дамы, сидящей на качелях, подвешенных на шелковых веревках, а мужчина слева прикасаетсяк другой руке дамы и извлекает из нее искру

В 1705 г. за изучение фосфорического света взялся неутомимый английский экспериментатор Френсис Хоксби (?-1713), который получал его, прикасаясь руками к вращающемуся стеклянному шару, из которого удален воздух. Хоксби не только получил фосфорическое свечение, но и убедился в том, что стеклянный шар сильно электризуется. Последовали многочисленные эксперименты с электричеством, основное значение которых состоит в том, что Хоксби ввел в употребление применяющуюся и поныне стеклянную палочку, электризуемую при натирании тканью. Тем самым опыты с электричеством стали общедоступными, дешевыми и весьма развлекательными.

Опыты по электричеству, XVIII век

Этим воспользовался в 1729 г. другой англичанин, Стивен Грей (1670-1735), проводивший эксперименты, вероятно, для заполнения своего досуга в те последние годы, когда он уже отошел от дел. Он показал, что электричество может распространяться по некоторым телам, и ввел, таким образом, в науку понятие проводника и изолятора, если воспользоваться терминами, введенными несколькими годами позже (в 1739 г.) Жаном Теофилем Дезагюлье (1683-1744). Грей открыл также явление электростатической индукции и подтвердил его многочисленными опытами, из которых наибольшее восхищение вызвал опыт с ребенком, которого подвешивали горизонтально на веревках и наэлектризовывали приближением заряженной стеклянной палочки к его ногам.

Электрическая машина, применявшаяся еще в 1750 г. Вращающийся стеклянный шар G электризуется от прикосновения рук. Человек, стоящий на изолирующей скамеечке, дотрагивается до железного стержня NL, держа в руке миску с подогретым винным спиртом, который вспыхивает от искры, исходящей из руки дамы

Опыты Грея возбудили любопытство одного французского ученого с энциклопедически широким диапазоном интересов - Шарля Франсуа де Систерне Дюфэ (1698-1739). После бесчисленных опытов, проведенных с искусством, достойным восхищения, Дюфэ пришел в 1733 г. к фундаментальному открытию существования двух видов электричества, которые он назвал «стеклянным» и «смоляным» просто в память о том, что стекло и копал позволили ему открыть это явление. Не только те немногие вещества, которые были указаны Гильбертом и его последователями, но и все тела, за исключением металлов и влажных тел (это ограничение было впоследствии снято Ингенгоузом в 1778 г.), электризуются при трении. Это убедительно показали опыты Дюфэ с версором, который он сделал значительно более чувствительным, закруглив его острие и установив на подставку из сухого стекла. Каждое натертое тело приобретает один из видов электричества. Для определения вида электричества, приобретенного телом, Дюфэ предложил те же методы, которые применяются и сейчас.

Вращающийся шар Хоксби вскоре был усовершенствован, особенно Иоганном Винклером (1703-1770), профессором латинской литературы Лейпцигского университета. Винклер заменил шар стеклянной трубкой, вращавшейся с помощью педального механизма и натиравшейся уже не руками, а кожаными подушечками, отделанными конским волосом. Подушечки были соединены с землей с помощью проводящих столбиков. Эта машина давала столь сильные искры, что они были способны воспламенять эфир. Уже значительно позже, между 1755 и 1766 гг., цилиндр был заменен более удобным стеклянным диском. Приоритет этого изобретения оспаривают Мартин Планта (1727-1802), Джон Ингенгоуз (1730-1799) и Джессе Рамсден (1735-1800). Сейчас эта машина известна как машина Рамсдена, который построил ее и распространил.

Машина Рамсдена конца XVIII века (М. Guуоt, Nouvelles recreations physiques et mathematiques, 1800.)

Но еще до того, как появилась дисковая машина, интерес к новым явлениям, который до 1740 г. был ограничен лишь научными кругами, распространился среди широкой публики. Сеансы демонстрации электрических явлений проводились почти повсюду - на площадях и при королевских дворах, учеными и фокусниками, нашедшими в них еще один способ заработка. Интерес публики привлек к исследованию этих новых явлений большое число ученых, несмотря на насмешки многих скептиков, которые, осуждая, вновь и вновь ставили обычный вопрос: зачем это нужно? К новым исследованиям обратились не только физики, но и медики. В Венеции, в Турине, в Болонье были предприняты первые попытки применения электричества в медицине. Несколькими годами позже появляются первые публикации - небольшая книжечка анонимного автора «Dell'elettricismo» («Об электричестве»), вышедшая в Венеции в 1746 г., и письмо Франческо Пивати (1689-1764) «DelVelettricitd medica» («О медицинском электричестве»), опубликованное в 1747 г.

Результатом такой популяризации электрических опытов было открытие явления, реализуемого в «лейденской банке», как ее назвал французский физик Жан Нолле (1700-1770).

В 1745 г. немецкий каноник Эвальд Юрген фон Клейст, пытаясь, по-видимому, изготовить себе электризованную воду, которая считалась полезной для здоровья, и независимо от него лейденский физик Мушенбрек, продев в горлышко банки с водой гвоздь, дотронулись им до проводника действующей электрической машины; затем, прервав контакт, они притронулись другой рукой к гвоздю и испытали очень сильный удар, вызвавший .онемение руки и плеча, а у Мушенбрека даже «все тело содрогнулось, как от молнии».

Весть об этом опыте быстро распространилась. Его стали повторять во многих местах. Серия опытов Нолле началась с опыта по «содроганию» целой цепи державшихся за руки монахов в картезианском монастыре в Париже. Затем он начал опыты на птицах, пользуясь простым, но полезным приспособлением - разрядником, применяющимся вплоть до наших дней. Нолле, который всегда следил за модой и стремился к театральным эффектам (его публичные опыты были настоящими представлениями для парижского света), убид с помощью разряда несколько птичек, после чего призывал обращаться с осторожностью с этой новой вещью, которая «может оживать и раздражаться».

Уже в следующем году бутылка с водой была заменена банкой с обкладками из металлической фольги с обеих сторон - внутри и снаружи. Был создан плоский конденсатор, а для увеличения эффекта Винклер в Германии, а Франклин в Америке соединили банки в параллель, получив мощные «батареи», как их назвал Франклин.

13. БЕНДЖАМИН ФРАНКЛИН

Бенджамин Франклин (1706-1790) занялся исследованиями электрических явлений почти случайно. Когда он приступил к этим опытам, ему было 40 лет, и менее чем в три года он достиг изумительных успехов. Одним из первых поразивших его фактов было, выражаясь его словами,

«...удивительное свойство остроконечных тел как притягивать, так и отталкивать электрический огонь»(Oeuvres de М. Franklin, Traduites de l'Anglois sur la quatrieme edition par M. Barbeu, Dubourg, Paris, 1773, I, p. 3. (На русском языке работы Франклина по электричеству опубликованы в книге: В. Франклин, Опыты и наблюдения над электричеством, М., 1956. - Прим. перев.)).

Это наблюдение, как мы знаем, не было новым (см. гл. 5, § 22), но новой была систематичность экспериментов, с помощью которых ему удалось установить, как говорят сейчас, «свойство острия» - способность, как думал Франклин, острия притягивать и отталкивать электрический флюид.

Бенджамин Франклин. Гравюра работы М. Чемберлина и Э. Фишера.

Но как же разумно объяснить этот факт? Франклин попытался это сделать, но сам почувствовал недостаточность своего объяснения. Ну и что? Разве обязательно физику знать внутреннюю сущность явлений? И американский ученый с откровенно прагматистской ориентацией, которая всегда определяла его научные исследования, отвечает:

Для нас наиболее важным является не знание способа, которым природа осуществляет свои законы; достаточно знать сами эти законы. Реальную пользу представляет знание того, что если отпустить в воздухе ничем не поддерживаемое фарфоровое изделие, то оно упадет и неминуемо разобьется. Знать же, как оно упадет и почему разобьется, - это уже чисто умозрительный вопрос. Приятно, конечно, знать истину, однако обеспечить целость фарфорового изделия мы можем и без этого» (Там же, р. 59).

Качественное сходство между электрической искрой и молнией было замечено сразу уже при первых экспериментах. Но применение лейденских банок позволило установить дополнительные сходные стороны: искра убивает животных, плавит металлы, вызывает запах фосфора. Франклин отмечает это сходство, но замечает также, что есть по крайней мере один факт, не позволяющий пока утверждать, что искра и молния - это одно и то же: электрический флюид притягивается острием, тогда как для молнии это не установлено. «Надо бы поставить опыт», записывает Франклин в своей записной книжке. 29 июля 1750 г. в письме к своему другу Питеру Коллинсону (1694-1768) - письма были одной из форм распространения научных трудов в то время - Франклин сообщает об опыте, который он намерен поставить: установить на высокой башне или на колокольне в Филадельфии длинный железный шест с острием и наблюдать, не удастся ли из него извлечь искры при прохождении над острием грозовых облаков.

'Электрические развлечения' второй половины XVIII века. (М. Guyоt, Nouvelles recreations physiques et mathematiques, 1800.) На рис. 1 изображено 'электрическое колесо' Франклина

Коллинсон был членом Королевского общества и пытался опубликовать работы Франклина в «Philosophical transactions» («Философских трудах»), но эти работы были отвергнуты как недостойные публикации, а проект извлечения искр из облаков был признан фантастическим.

Некоторые историки видят в этом отказе отражение политических взаимоотношений между Англией и ее непокорной колонией, стремившейся получить свободу. Может быть, и так, но, пожалуй, большую роль сыграл консервативный дух, который на всех этапах развития науки сдерживал в тормозил авантюристические устремления, которые могут сбить с пути, а порой и сбивают с пути научные исследования, но без которых научный прогресс представляется почти невозможным.

Получив отказ от Королевского общества, Коллинсон опубликовал письма Франклина за свой счет. Их успех был огромен, они почти сразу же были переведены на французский язык и вызвали во Франции восхищение ученого мира и одобрение двора. Поощряемые королем, Бюффон, Далибар и Делор поставили опыт, предложенный Франклином. В одном из садов в Марли, в шести лье от Парижа, 10 мая 1752 г. из шеста, воздвигнутого вертикально, приставленный к его охране солдат извлек искру во время прохождения грозовых облаков.

Весть об опыте в Марли быстро распространилась по Европе и сделала знаменитым имя Франклина, который до того не был известен по эту сторону океана. Опыт почти сразу же и с тем же результатом повторили Джузеппе Вератти и Томмазо Марино в Болонье. Обрадованный полученными из Европы известиями, Франклин повторил опыт, запустив змей с железным острием, связанный с землей бечевкой. Позже он повторил эти опыты в более удобной форме, установив над своим домом высокий шест. В результате многочисленных наблюдений Франклин пришел к выводу, что грозовые облака заряжены большей частью отрицательно, хотя несколько раз они оказывались и положительно заряженными. Во Франции Луи Гийом Лемонье в том же 1752 г. открыл новое явление - наэлектризованность атмосферы даже при ясной погоде. А в Петербурге Георг Вильгельм Рихман, который, как мы рассказывали ранее, произвел ценные калориметрические измерения, экспериментируя с молнией, нашел свою «завидную смерть», по выражению Пристли. Как мы увидим позднее, в Италии эти исследования послужили причиной нового подъема в науке.

Экспериментальное подтверждение наличия атмосферного электричества способствовало франклиновскому проекту громоотвода. Несмотря на возражения ряда физиков и некоторых местных властей, уже в 1753 г. громоотвод был сооружен Винклером. В 1769 г. великий герцог Тосканский приказал оборудовать громоотводами все склады пороха в герцогстве. В 1770 г. Джироламо Мариа Фонда предложил конструкцию громоотвода со щеточкой, справедливо полагая, что предохраняющее действие острия будет сильнее при большом числе острий.

14. ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

В годы с 1745 по 1750 был предложен ряд теорий электричества, объединяемых одной общей чертой, унаследованной от картезианской философии: наличием некоторого характерного флюида, которому ученые в полете фантазии приписывали самые необыкновенные свойства и качества, стараясь объяснить электрические явления механическими процессами.

Довольно известны были теории Нолле и Уильяма Уотсона (1707-1787), вскоре уступившие место теории Франклина, сформулированной им в 1747 г. Эта теория сразу покорила ученых. Исходит она из следующего явления: если человек стоит на изолирующей скамеечке и натирает голой сухой рукой стеклянную трубку, то другой человек, стоящий на полу, может извлечь искру, приблизив свой палец либо к стеклянной трубке, либо к человеку, натиравшему трубку. Это явление можно варьировать, и оно прекрасно объясняется, если, согласно Франклину, принять, что существует лишь один-единственный электрический флюид, содержащийся во всех телах. Каждый процесс электризации состоит в извлечении из одного тела части находящегося в нем флюида и его переходе в другое тело. Получающийся при этом недостаток или избыток электрического флюида в теле проявляется в характерных электрических явлениях. Таким образом, тело наэлектризовано либо потому, что у него имеется избыток электрического флюида по сравнению с нормальным состоянием, либо потому, что у него оказывается меньше электрического флюида, нежели в нормальном состоянии. В первом случае Франклин называет тело положительно (плюс), во втором - отрицательно (минус) электризованным. Эта терминология сохранилась до наших дней.

Для объяснения электрических явлений Франклин приписывает электрическому флюиду три основных свойства: чрезвычайную тонкость, взаимное отталкивание его частей, сильное притяжение электрической материи к обычной материи. Если тело заряжено положительно, то избыток электрического флюида размещается на его поверхности и образует «электрическую атмосферу». Это выражение применялось почти до середины XIX века, причем не всегда в переносном смысле, как более или менее образное выражение, а подчас в строго физическом смысле. Часто говорили о «толщине» электрической атмосферы в геометрическом смысле. Через такое словоупотребление уже в XVIII веке пробило себе дорогу понятие плотности электрического флюида, которое справедливо использовалось для объяснения «свойства острия».

Но как же, принимая существование электрической атмосферы, объяснить понде-ромоторноевзаимодействиетел, электризованных отрицательно и, следовательно, лишенных электрической атмосферы? И далее, идет ли речь о действии на расстоянии или об опосредствованном действии? Франклин благоразумно хранит молчание по этим вопросам.

Впрочем, построенной им теоретической модели оказалось достаточно, чтобы привести Франклина к созданию плоского конденсатора, названного в его честь, и к выяснению того факта, что сила удара лейденской банки заключена в стекле банки, а не в ее двух проводящих обкладках.

Неспособность теории Франклина объяснить пондеромоторные действия привела к появлению дуалистической теории, постоянно противостоявшей теории Франклина с переменным успехом.

Поводом к возникновению этой теории были некоторые странные явления, привлекшие в 1759 г. внимание англичанина Роберта Симмера (?-1763), а еще шестью годами раньше вызвавшие интерес Джамбаттисты Беккариа. Симмер замечал характерное потрескивание и проскакивание маленьких искр каждый раз, когда он снимал первую из двух пар шелковых чулок, которые одновременно носил. Чем обусловлена противоположная электризация чулок? Занявшись исследованием этого вопроса, Симмер пришел к выводу, что электрические явления обусловлены двумя различными электрическими субстанциями, которые, будучи обе активными и положительными, действуют, так сказать, противоположно. В каждом теле имеются оба эти флюида, но в нейтральном, т. е. неэлектризованном, состоянии оба флюида присутствуют в равном количестве, так что внешний эффект отсутствует. Тело кажется наэлектризованным положительно или отрицательно в зависимости от того, какого флюида в нем больше. По правде говоря, экспериментальные факты, приведшие Симмера к выдвижению своей теории, весьма скудны и не очень убедительны. Самым веским фактом была, несомненно, форма отверстий в бумаге, образующихся при электрическом разряде: выгиб краев отверстия наружу по обе стороны от поверхности бумаги, согласно Симмеру, наглядно свидетельствует о том, что два различных флюида пересекают бумагу в противоположных направлениях.

15. ДЖАМБАТТИСТА БЕККАРИА

Значение, приписывавшееся в то время лейденской банке, которая рассматривалась как великая победа науки, было, конечно, сильно преувеличено. Однако это преувеличение оказалось благотворным, так как именно оно способствовало образованию целой армии физиков, убежденных в том, что исследование электрических явлений - достойное занятие для ученого. Еще больший психологический эффект оказало доказательство Франклином электрической природы молнии: электрические явления перестали быть лишь развлечениями и превратились в мощное средство проникновения в тайны природы.

Энтузиазму, охватившему физиков, способствовали опубликованные Коллинсоном письма Франклина. Через 18 лет после их появления Джозеф Пристли (1733-1804), более известный своими работами по химии, писал:

«Нет ничего написанного об электричестве, что читали и чем восхищались бы во всей Европе больше, чем этими письмами. Почти не было такого европейского языка, на который бы их не перевели; и как будто этого было недостаточно, они были в конце концов переведены и на латинский язык» ( J. Priestley, The history and present state of electricity, with original experiments, London, 1767, p. 154).

Этот научный энтузиазм распространялся понемногу все шире и шире, охватив и Королевское общество, которое через три года после того, как сочло письма Франклина недостойными публикации, присудило ему Коплеевскую медаль, а в 1756 г. избрало его членом общества.

Не имея возможности «воздать всем сполна», мы остановимся здесь лишь вкратце на вышедшей в 1753 г. в Турине, безусловно, наиболее цельной и полной в то время работе по электричеству. Называлась она «Dell'elettricismo artificiale e naturale libri due» («Об электричестве искусственном и природном»), а автором ее был Джамбаттиста Беккариа (1710-1781), который, после того как посвятил себя математическим и геодезическим исследованиям, был назначен в 1748 г. профессором Туринского университета.

Джамбаттиста Беккариа. Портрет из его книги (G. Вессаria, Dell'elettricisino, Macerata, 1793)

Первая книга касалась «электричества искусственного», т. е., по нашей современной терминологии, - электростатики, вторая - «электричества природного», или, иначе, атмосферного электричества. Метод изложения напоминает книги по геометрии. Здесь мы ограничимся упоминанием лишь нескольких наиболее важных открытий, содержащихся в работе.

Впервые дано описание прибора, который иногда упоминается и сейчас как «термометр Киннерсли». Прибор представляет собой две сообщающиеся трубки, содержащие вино. В одной из них, верхний конец которой запаян, с помощью двух железных проволочек выше уровня вина вызывается искра; одновременно наблюдается повышение уровня жидкости в другой трубке. К сожалению, Беккариа не смог правильно интерпретировать это явление и приписал образование разности уровней механическому влиянию вторжения «электрического пара» в момент разряда.

Друг Франклина Эбенезер Киннерсли (1712-?), тоже увлекавшийся исследованием электричества, вновь вернулся к рассмотрению этого явления в 1761 г. и объяснил его нагреванием воздуха, вызванным искрой. В подтверждение этого объяснения он показал, что проводники, через которые происходит разряд, нагреваются до красного каления. Узнав об открытии своего друга, Франклин внимательно исследовал влияние молнии, ударившей в дом, и обнаружил обгоревший пол. Тем самым он окончательно развенчал легенду, в которую ранее и сам верил и которая в течение многих веков повторялась в философских трудах, о том, будто молния плавит металлы, не нагревая их: «холодное плавление» - так тогда это называли.

До Беккариа физики различали два класса тел: проводники, все в равной степени проводящие, и изоляторы, все в равной степени изолирующие.

Большой заслугой Беккариа было доказательство того, что столь четкого разграничения в действительности нет. Тем самым он ввел в физику понятие «электрического сопротивления» и положил начало его исследованию, показав, что вода менее проводящая, нежели твердые металлы и ртуть. Кроме того, Беккариа в 1772 г. установил следующий существенный факт:

«Металлы, хотя они много более податливы (т. е. проводящи), чем все другие тела, все же оказывают некоторое сопротивление, пропорциональное длине пути, который пробегает в них искра» (G. Beccaria, Ellettricismo artificiale, Torino, 1772, p. 134).

Опыты Беккариа были повторены в том же году английским физиком Джоном Кантоном (1718-1772), который подтвердил различие в сопротивлении разных тел. Генри Кавендиш произвел первые измерения электрического сопротивления, описанные в его докладе 1776 г. и еще лучше в других, не изданных работах.

Во второй части своего труда Беккариа приводит весьма искусные опыты с атмосферным электричеством и приходит к выводу, что электризация облаков может быть как положительной, так и отрицательной.

Но самый важный вклад Беккариа в исследование электрических явлений содержится в его «Lettere al Beccari» («Письмах к Беккари»), изданных в Болонье в 1758 г. и рассматривавшихся современниками как научный шедевр. Повторив опыты Франклина 1751 г., в которых с помощью разряда батареи через проводник осуществляется намагничивание железной проволоки или изменение полярности магнита, Беккариа выдвинул гипотезу о существовании тесной связи между «циркуляцией» электрического флюида и магнетизмом и задался вопросом

«...не обусловливает ли электрический флюид неким универсальным неощутимым непрерывным периодическим циркулирующим движением... во всех случаях возникновения и поддержания магнитных свойств» (G. Вессаria, Opere, Macerata, 1793, v. II, t. II, p. 139).

Эта гениальная мысль вызвала восхищение Пристли:

«это действительно великая мысль, и если она верна, она в высшей степени упростит наши представления о законах природы» (J. Priestley, цит. выше, р. 331).

В 1756 г. Франц Эпинус (1724-1802), немецкий физик, проживавший в Петербурге, ввел в употребление воздушный конденсатор, носящий его имя. С помощью этого прибора он намеревался показать, что стекло в лейденской банке или в плоском конденсаторе Франклина обладает накапливающим действием не потому, что это стекло, а просто потому, что это изолятор. Конденсатор Эпинуса имеет существенное историческое значение, потому что до его появления верили, что стекло, возможно, вызывает накопление электричества благодаря своей особой внутренней структуре. Эпинуе же показал, что тот же эффект достигается с любым изолятором, препятствующим течению электрического флюида.

Но Беккариа еще в 1754 г. учил в Турине, что стекло может быть заменено другим изолятором, и построил плоские конденсаторы с прокладками из различных материалов - сургуча, серы, смолы, смолы с канифолью. Он пошел дальше Эпинуса, показав, что конденсирующее действие для разных изоляторов различно. В пятом письме к Беккари Беккариа предпринимает первые опыты в этом направлении. Можно предположить, что именно это письмо послужило Кавендишу толчком к его гениальным экспериментальным исследованиям, оставшимся несправедливо неизданными до 1879 г., когда их публикацией занялся Максвелл.

В дальнейшем мы вновь вернемся к рассмотрению работ Беккариа, активнейшего пьемонтского ученого, который был учителем Лагранжа, вдохновлял исследования молодого Вольты и деятельность которого есть свидетельство возобновления научных исследований в Италии после векового затишья.

16. ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Турмалин, минерал с кристаллами ромбоэдрической системы, довольно распространенный в Европе, стал известен лишь с 1717 г. благодаря химику Луи Лемери (1677-1743), который описал его как особенный камень, привозимый с Цейлона, обладающий способностью притягивать легкие частицы и потому названный Линнеем в 1747 г. «электрическим камнем» (lapis electricus). Никто не занимался им до 1756 г., пока он не попал в руки Эпинуса, окрестившего его «турмалином» и начавшего исследовать его особые свойства. Целый ряд опытов, проведенных с исключительным умением, сразу убедил Эпинуса в том, что странная способность турмалина связана с электричеством, но совершенно отличается от общеизвестного явления электризации трением. Турмалин электризовался при нагреве, причем один конец его заряжался положительно, а другой - отрицательно.

Публикация Эпинуса вызвала жаркую полемику, в которой приняли участие, в частности, Бенджамин Уилсон (1708?-1788), Мушенбрек, Вильке, оспаривавшие результаты экспериментов Эпинуса главным образом потому, что им не удалось их повторить с той точностью, с которой ставил свои опыты сам Эпинус (подобные опыты и сейчас требуют тщательной постановки, если только не прибегать к электроскопическому порошку). Конец этой полемике положил Джон Кантон (1718-1772), который в прекрасном докладе, зачитанном Королевскому обществу в 1759 г., не только подтвердил результаты Эпинуса, но, кроме того, установил, что электризация получается и при охлаждении. В следующем, 1760 г. Кантон обнаружил, что свойством турмалина обладает также бразильский топаз, а Уилсон нашел его затем и у других драгоценных камней. В 1762 г. Кантон показал, кроме того, что возникающие при нагревании турмалина заряды равны по величине и противоположны по знаку. К этому выводу он пришел, погрузив образец турмалина в металлический сосуд с кипящей водой, соединенный с электрометром; электрометр не обнаружил никакого заряда. Заметим, что электрометр Кантона, введенный им в употребление с 1753 г. и бывший в течение многих лет одним из необходимейших приборов, представлял собой модификацию первого электроскопа с пробковыми шариками, описанного тем неизвестным автором, который в 1746 г. опубликовал первую работу по «медицинскому электричеству». Электроскоп Кантона состоял из двух почти соприкасающихся пробковых шариков, подвешенных в небольшой коробочке на двух льняных нитях.

Возвращаясь к свойствам турмалина, укажем, что минералог Рене Аюи (1743-1822) в своем учебнике по физике 1802 г. и в последующих изданиях вплоть до 1821 г. привел в порядок данные об этом явлении и представил их, по сути дела, в том же виде, в каком они известны сейчас, если не считать теоретических вопросов, отнюдь не решенных и в наше время. Кроме того, Аюи сделал важное открытие, что пироэлектрические кристаллы могут электризоваться не только при нагреве, но и под действием давления, и опираясь на это явление, позднее получившее название пьезоэлектричества, создал чувствительный электроскоп. Пьезоэлектричество исследовалось в течение всего XIX века и имеет сейчас многочисленные технические применения.

17. ЭЛЕКТРОФОР

В одной из своих работ 1759 г. Эпинус описывает следующий весьма важный опыт. Если к одному из двух концов бронзовой линейки приблизить наэлектризованную стеклянную палочку или серный цилиндр, то на ближнем конце линейки возникнет заряд, знак которого противоположен знаку заряда на электризующем теле, а на дальнем конце возникнет заряд того же знака. До этого, следуя Грею, считали, что тело, находящееся вблизи другого, наэлектризованного тела, или, как говорили, погруженное в электрическую атмосферу другого тела, воспринимает электрическое состояние этого тела; по существу эта ошибочная идея и послужила источником понятия «электрической атмосферы». Эпинус же показал, что явление электростатического влияния имеет совсем иной характер, настолько иной, что это явление можно было рассматривать как веский аргумент в пользу теории двух электрических флюидов, выдвинутой в том же году (см. § 14).

В эту полемику в 1766 г. включился Джован Франческо Чинья (1734-1790), родственник и ученик Беккариа, физик, известный в свое время тем, что вместе с Лагранжем и графом Луиджи ди Салуццо основал в 1757 г. то самое «Частное туринское общество», которое в 1783 г. было преобразовано в теперешнюю Туринскую Академию наук.

Из опытов Чинья интересен следующий. Если изолированную свинцовую пластину поднести к наэлектризованной шелковой ленте и к пальцу, то палец извлекает искру из пластины, а шелковая лента прилипает к пластине. Если затем отделить ленту от пластины, то лента остается заряженной, как и раньше, а пластина оказывается заряженной противоположным знаком. Из пластины можно снова извлечь искру и повторять это неограниченное число раз. Таким образом, Чинья смог зарядить лейденскую банку с помощью серии искр, попеременно отрывая ленту и вновь прикасаясь ею к пластине. Из этих опытов (на основании которых он впоследствии отстаивал свое авторское право на электрофор) Чинья сделал вывод, что электрические явления могут объясняться как теорией Франклина, так и теорией Симмера.

Эти опыты Чинья вновь привлекли внимание Беккариа к исследованию электрических явлений (с 1758 г. он был вынужден забросить их и заняться другими работами, относившимися к гидравлике и геодезии). В 1769 г. Беккариа опубликовал небольшую работу под названием «Experimenta atque observations quibus electricitas vindex late constituitur atque explicatur» («Опыты и наблюдения, которые устанавливают и объясняют охраняющее электричество»), в которой утверждал, что при соприкосновении двух противоположно наэлектризованных пластин их противоположное электричество взаимно уничтожается, но при последующем отрыве пластин друг от друга оно появляется вновь. Поэтому он и назвал это электричество «охраняющим» (vindex), поскольку оно «охраняет себе свое место».

Приборы Вольты. Второй и третий приборы слева - первоначальная форма электрофоров, предложенная Вольтой. Последний прибор справа - конденсаторный электроскоп

Против этой теории смело восстал молодой Вольта в своей первой работе 1769 г. «De vi attractiva ignis electrici ас phaenomenis inde pendentibus» («О притягательной силе электрического огня и о зависящих от него явлениях»), написанной в виде письма к Беккариа. Эта работа важна для понимания эволюции взглядов Вольты. Теперь, оглядываясь назад, можно, пожалуй, сказать, что в этом письме в зародышевой форме заключены все его последующие открытия. Здесь прямо утверждается наличие зарядов в изолирующих слоях и наблюденные Беккариа явления объясняются как явления электростатической индукции. Все эти явления рассмотрены весьма тщательно и с новой точки зрения.

Результаты новой постановки проблемы не заставили себя долго ждать. 10 июня 1775 г. Вольта уже мог написать Пристли:

«Я представляю Вам тело, которое, будучи лишь однажды наэлектризовано в течение самого непродолжительного времени и совсем не сильно, никогда не теряет своего электричества, упорно сохраняя живую силу своего действия, несмотря на бесконечно повторяющиеся прикосновения к нему» (Alessandro Vоlta, Le ореге, Ediz. naz., Milano, 1918-1930, III, p. 95).

Таким образом, Вольта описывает здесь прибор, названный им «постоянным электрофором» (elettroforo perpetuo). Этот прибор общеизвестен, так что описывать его, по-видимому, излишне.

Успех прибора Вольты был поистине громаден. Всюду начали изготовлять электрофоры: одни - небольшие разборные, хранящиеся в футлярах, удобные для транспортировки; другие - мастодонты, в которых щиты (достигавшие двух метров в диаметре!) приходилось поднимать с помощью системы блоков.

Электрофор был прототипом электростатической машины нового типа, индукционной машины, более эффективной, чем машина, основанная на трении. Первой индукционной машиной был «дупликатор», предложенный Джузеппе Белли (1791-1860) в 1831 г. В 1865 г. появилась более удобная машина Августа Тёплера (1836-1912), а в следующем году - машина Вильгельма Гольца (1836-1913), известная под названием «вимсхурт». Уже в нашем столетии была разработана значительно более мощная электростатическая машина Ван-де-Граафа, основанная на тихом разряде (см. гл. 16.)

Электроскоп, сконструированный Петербургской Академией наук по приказу императрицы Екатерины II. (Труды Петербургской Академии наук, 1777). Щит представляет собой прямоугольник с закругленными краями, подвешенный на шелковых веревках, подъем и опускание которого производятся с помощью показанной на рисунке системы блоков

Из новых работ, тотчас последовавших за созданием электрофора, упомянем открытие Георгом Христофором Лихтенбергом (1744-1799) фигур, до сих пор носящих его имя, и введение им в употребление электростатического порошка, применяемого и поныне. Укажем также «дупликатор» Абрагама Беннета (совершенно отличный от дупликатора Белли), который после критических замечаний Тиберио Кавалло (1749-1809), известного неаполитанского физика, жившего в Лондоне, был усовершенствован Уильямом Никольсоном (1753-1815) в 1788 г. и превращен

«...в инструмент, который с помощью вращения рукоятки создает оба состояния электричества без всякого трения или соединения с землей».

Этот прибор, который лучше, чем индукционная машина, может служить чувствительным датчиком малого заряда, оказался весьма полезным Вольта при его исследованиях контактного электричества.

Страница письма Вольта, адресованного Бэнксу, от 20 марта 1800 г., в котором он сообщает об изобретении нового аппарата

Свои исследования емкости конденсаторов Вольта начал с электрофора. В то время ни у кого не было столь ясных, как у Вольты, представлений о емкости и потенциале, или «напряжении» (согласно его терминологии). Достаточно прочесть его письмо к де Соссюру, датированное 20 августа 1778 г., под названием «Osservazioni sulla capacita del conduttori elettrici» («Наблюдения емкости электрических проводников») или, еще лучше, его «Lettere ш11а metrologia elettrica» («Письма об электрической метрологии»), адресованные Лихтенбергу, поражающие оригинальностью постановки экспериментов, проницательностью наблюдений и ясностью представлений. Он нашел -соотношение между емкостью, зарядом и напряжением изолированного проводника, установил ряд тонких методов сравнения различных электрометров, сконструировал сам весьма точные электрометры, предложил единицу измерения напряжения (равную примерно 13,350 в). Короче говоря, Вольта был основателем электрической метрологии.

Наиболее известным результатом этих исследований был конденсаторный электроскоп, описанный в докладе Королевскому обществу от 14 марта 1782 г. Это всем известный сейчас прибор: к головке электроскопа прикреплена металлическая пластина с покрытой лаком верхней поверхностью, на которой расположена другая металлическая пластина с изолирующей ручкой. Если зарядить нижнюю пластину, заземлив верхнюю, а затем, разорвав контакт, приподнять верхнюю пластину, то уменьшение емкости нижней пластины приведет к увеличению ее напряжения, а следовательно, к расхождению шариков электроскопа. Иными словами, этот прибор для изменения емкости проводника основан на связи между электрическим зарядом, емкостью и напряжением, которую Вольта ясно формулировал следующим «образом:

«Я хочу лишь сказать, что когда емкость больше, то данное количество электричества вызывает меньшее напряжение или, что то же самое, требуется большее количество электричества для доведения действия до заданной величины интенсивности. Короче говоря, емкость и электрическое действие, или напряжение, находятся в обратном отношении.

Заметим с самого начала, что я обозначаю термином напряжение (которым я часто заменяю слово "интенсивность") усилие, производимое каждой точкой наэлектризованного тела, чтобы избавиться от имеющегося в ней электричества и передать его другим телам, каковому усилию соответствуют, вообще говоря, проявления притяжения, отталкивания и т. д., ив частности степень расхождения электрометра» (Alessandro Vоltа, цит. выше, III, р. 285).

Добавим, что в приложении к этому докладу о конденсаторах Вольта сообщает о проведенных им сначала в Париже в 1782 г. вместе с Лавуазье и Лапласом, а затем в Лондоне в присутствии Беннета, Кавалло, Кирвана и Уокера опытах по электричеству, которое возникает «от простого испарения воды и различных химических реакций». Эти опыты, известные еще Франклину, привели впоследствии (1843 г.) к недолго просуществовавшей паровой электрической машине Уильяма Армстронга (1810-1900). Самому же Вольта они послужили для построения его теории атмосферного электричества.

Несколькими годами позже Вольта усовершенствовал электрометр Кантона, заменив пробковые шарики двумя легкими соломинками. Но наибольшей возможной в то время чувствительности этот прибор достиг, когда в 1787 г. Беннет и Антон Мариа Вассали Эанди (1761-1825) независимо заменили шарики Кантона или соломинки Вольта тончайшими металлическими листочками, придя, таким образом, к известному теперь «электроскопу с золотыми листочками».

18. ШАРЛЬ ОГЮСТЕН КУЛОН

Если рассмотреть направление исследований по электричеству в течение тридцатилетия, последовавшего за работами Франклина, то можно легко заметить проявление нового образа мышления. Электрические явления теряли свой первоначальный характер отдельных разрозненных забавных явлений природы и постепенно образовывали некое единство, которое существующие теории пытались охватить несколькими основными принципами. Чувствовалось, что от качественных исследований необходимо переходить к количественным, различать и определять количественные величины, нужно связать их математическими соотношениями, начать измерять их с помощью приборов, которые становились все более точными и чувствительными.

Такое направление исследований проявилось, как мы уже упоминали, в первых опытах Беккариа, более отчетливо выражено в работе Эпинуса «Tentamen theoriae electricitatis et magnetismi» (Есть русский перевод в книге: Ф. У. С. Эпинус, Теория электричества и магнетизма, Л., 1951), вышедшей в Петербурге в 1761 г., и вполне осознано у Вольты.

Эпинус в основу своего математического рассмотрения кладет следующие принципы: каждое тело обладает в своем естественном состоянии вполне определенным количеством электричества; частицы электрического флюида взаимно отталкиваются и притягиваются к обычной материи; электрические эффекты проявляются, когда количество электрического флюида в теле больше или меньше того, которое должно быть в естественном состоянии. Далее Эпинус переходит к аналитическому рассмотрению, предполагая, что силы между электрическими зарядами пропорциональны самим зарядам, но не зависят от расстояния между ними и от их распределения по проводникам. Эпинус хорошо знал, что в действительности силы зависят от расстояния, о том говорят простейшие наблюдения, но он сознательно не учитывал этого, так как не знал закона изменения сил с расстоянием, хотя и предполагал, исходя из экономии и гармонии в природе, что это должен быть закон обратных квадратов. Понятно, что построенная на таких предположениях теория Эпинуса в наше время потеряла всякую ценность. Однако в свое время ее значение было весьма велико, ибо она давала направление исследованиям.

И действительно, по пути Эпинуса пошел Генри Кавендиш (1731-1810), который в своей статье от 1771 г. принимает гипотезы Эпинуса с одним изменением: притяжение двух электрических зарядов считается обратно пропорциональным некоторой степени расстояния, пока не уточняемой. Эта гипотеза предполагает, что электрическое взаимодействие простирается вплоть до бесконечно больших расстояний, тогда как, согласно теоретическим представлениям того времени, исходившим из обыденного опыта, электрическое воздействие считалось проявляющимся лишь в «электрической атмосфере», окружающей наэлектризованное тело, в пределах которой допускалось, правда, изменение этой силы по какому-то закону. Из этой новой гипотезы Кавендиш вывел ряд математических следствий и, исключив «те, которые ему представлялись бессмысленными, пришел к выводу, что силы электрического взаимодействия должны быть обратно пропорциональны расстоянию в степени, меньшей третьей.

Крутильные весы. (Memoires de mathematique et de physique de I'Academie Royale, 1785.)

Во второй части своего доклада Кавендиш рассматривает эту же задачу с другой, совершенно новой точки зрения. Он исследует, как распределяется электрический заряд по проводящей заряженной сфере или по диску, поскольку чувствует, что это распределение должно зависеть от законов притяжения и расталкивания частей электрического флюида. Из принятых в первой части доклада гипотез и из вытекающих из них следствий Кавендиш с помощью интересных математических рассуждений делает вывод, что если сила взаимодействия электрических зарядов подчиняется закону обратных квадратов, то «почти весь» электрический заряд сосредоточен на самой поверхности проводника. Тем самым намечается косвенный путь установления закона взаимодействия зарядов.

Опыты по определению распределения зарядов на проводниках уже проводились раньше, и Кавендиш должен был об этом знать. Еще в 1753 г. Беккариа вслед за Греем заметил, что сплошной куб и полый куб, одинаково наэлектризованные, притягивают одинаково. Франклин придумал опыт с цепочкой, который до сих пор ставится в некоторых школах. Он же сообщил в 1755 г. о другом интересном опыте: если ввести в наэлектризованный серебряный сосуд, покоящийся на изолированной подставке, электрический пробник, то он не испытывает притяжения к стенкам сосуда и не приобретает заряда при прикосновении к его основанию. Франклин не смог объяснить этого факта. Пристли тоже не смог его объяснить, но высказал предположение, что второй опыт можно объяснить, приняв, что электрическое действие подчиняется закону обратных квадратов. В связи с этим английские физики, а особенно историки, сильно преувеличивая роль Пристли, называют закон притяжения и отталкивания электрических зарядов «законом Пристли».

Шарль Огюстен Кулон

Первым опыт Франклина объяснил Беккариа (позже, независимо от Вольта, он добавил еще одно наблюдение: наэлектризованный пробник, соприкасаясь с дном вазы, теряет свой заряд) в своей работе«De atmosphaera electrica» («Об электрической атмосфере»), написанной в виде письма Королевскому обществу и опубликованной в «Philosophical Transactions» за 1770 г. Это объяснение без изменения повторяется в его «Elettricismo artificialе» («Искусственное электричество»). Сконструировав «электрический колодец» и «пробник» - электроскоп, образованный двумя кусочками бумаги, подвешенными на сургучной палочке, Беккариа наблюдал, что даже при сильной электризации «колодца» пробник не обнаруживал электризации при его соприкосновении с внутренними стенками и с дном колодца, откуда справедливо заключил, как и Фарадей впоследствии в аналогичных опытах (см. гл. 10, § 15), что

«...все электричество сосредоточивается на свободной поверхности тел, не распределяясь по внутренним точкам вещества» (G. Beccaria, Elettricismo artificiale, цит выше, р. 193).

Кавендиш не мог не знать об этих опытах, но в своей неизданной работе 1772 г. хотел подтвердить их новым опытом, представлявшимся ему более убедительным. Этот опыт до сих пор описывается во всех курсах физики: две полые изолированные металлические полусферы, наложенные на изолированную металлическую сферу, полностью лишают ее заряда.

Кроме закона взаимодействия электрических зарядов, физики второй половины XVIII века пытались найти также закон магнитного действия. Из многих физиков, принимавших участие в этих исследованиях, следует специально упомянуть Джованни Антонио Далла Белла (1730-1823), итальянского физика, проживавшего в Лиссабоне. Далла Белла поставил опыты с не очень оригинальным приспособлением, представлявшим собой сферический магнит, расположенный на одной из чашек весов, с помощью которых определялось его притяжение к другому магниту, располагавшемуся на полу на различных расстояниях от первого. Прибор был весьма ординарен, но зато весьма ценной была идея Далла Беллы считать расстоянием между полюсами не расстояние между поверхностями магнитов, а расстояние между некоторыми точками внутри магнитов, из которых, как он считал, исходит магнитная сила, точно так же как при расчете ньютоновского притяжения, испытываемого каким-либо телом, мы определяем расстояние до центра Земли. Неудача предыдущих попыток определения закона магнитного действия объясняется, помимо экспериментальных трудностей, также отсутствием такого представления. Считая верным и для магнитов ньютоновский закон притяжения, Далла Белла поставил опыты, чтобы рассчитать, на каком расстоянии от поверхности каждого применявшегося магнита должен располагаться центр, который можно считать источником магнитной силы.

Таковы были достигнутые наукой знания, когда в 1784 г. Шарль Огюстен Кулон (1736-1806) довел до конца свои блестящие исследования упругого кручения нитей, до сих пор упоминаемые в физической литературе. Кулон обнаружил, что сила закручивания нити зависит от вещества нити, пропорциональна углу закручивания и четвертой степени диаметра нити и обратно пропорциональна ее длине. Это давало новый, исключительно чувствительный метод измерения силы путем ее сравнения с силой, возникающей при закручивании нити. Новый прибор, представлявший собой весы «для измерения мельчайших степеней силы», был назван самим Кулоном крутильными весами - название, сохранившееся до настоящего времени.

После использования этих весов для исследования трения между жидкостями и твердыми телами Кулон счел, что другой областью применения этого нового прибора может быть исследование малых электрических и магнитных сил. Таким образом, 48-летний французский военный инженер, никогда специально не занимавшийся электричеством и магнетизмом (известна лишь одна его заметка о способе намагничивания железных стрелок), в качестве побочного занятия проводил исследования, обессмертившие его имя.

Кулон начал с измерения зависимости силы отталкивания одноименных зарядов от расстояния и провел многочисленные эксперименты. Он приводит результаты трех измерений, при которых расстояния между зарядами относились как 36:18:17/2, а соответствующие силы отталкивания - как 36:144:5751, т. е. силы почти точно обратно пропорциональны квадратам расстояний. В действительности экспериментальные данные несколько отличаются от теоретического закона. Кулон объясняет причины расхождения, среди которых, помимо принятых при расчете некоторых упрощений, играет роль и утечка электричества за время опыта.

Более трудной оказалась задача измерения силы притяжения, поскольку интуитивно было ясно (и расчет подтверждает это), что весьма сложно помешать подвижному шарику весов войти в соприкосновение с другим зарядом противоположного знака. Все же Кулону, как он сообщает, неоднократно удавалось добиться равновесия между силой притяжения двух шариков и противодействующей «и силой действия закрученной нити. Полученные экспериментальные данные, не приведенные Кулоном, указывали на то, что сила притяжения также подчиняется закону обратных квадратов.

Но Кулон не удовлетворился этими результатами. Для подтверждения этого закона, который, как он предчувствовал, сыграет фундаментальную роль в учении об электричестве, Кулон прибег к новому оригинальному методу измерения малых сил, примененному уже ранее для измерения магнитной силы стального острия. Этот метод оказался весьма эффективным и известен сейчас как «метод колебаний». Он основан на том факте, что, подобно тому как частота колебаний маятника зависит от величины силы тяжести в данном месте, так же и частота колебаний наэлектризованной стрелки, колеблющейся в горизонтальной плоскости, зависит от интенсивности действующей на нее электрической силы, так что по числу колебаний в секунду можно найти эту силу. Для осуществления этого замысла Кулон заставил колебаться изолирующий стерженек, снабженный на конце маленькой вертикальной заряженной пластинкой и находящийся перед изолированным металлическим шаром, заряженным противоположно заряду пластинки и расположенным так, что один из его горизонтальных диаметров проходит через центр пластинки, когда она находится в равновесии. Этим путем также был полностью подтвержден закон обратных квадратов.

Неизвестно, знал ли Кулон об исследованиях Далла Беллы (доложенных Лиссабонской Академии наук в 1782 г., но опубликованных лишь в 1797 г.), но он понимал, что эти методы нельзя непосредственно применить для исследования магнитных сил по причине, которую указал еще Далла Белла: из-за трудности локализации магнитных масс, могущих находиться на стрелке. Кулон преодолел эту трудность значительно более оригинальными методами, чем Далла Белла, и экспериментально установил, что магнитное воздействие также подчиняется закону обратных квадратов.

Установив основные законы электрического и магнитного воздействий, Кулон продолжал свои экспериментальные и теоретические исследования, положившие начало количественной электростатике. Его внимание привлекло прежде всего явление утечки электричества, которое так сильно мешало измерениям в предшествовавших исследованиях. Согласно Кулону, утечка происходит через подставки, которые никогда не бывают абсолютно изолирующими, и из-за конвекции воздуха, частицы которого, приходя в соприкосновение с проводником, принимают на себя часть его заряда, шосле чего отлетают от проводника под действием отталкивания. Тщательные экспериментальные исследования привели Кулона к заключению, что убывание количества электричества на проводнике, расположенном в воздухе, происходит по экспоненциальному закону в зависимости от времени.

В качестве постулата, как уже до него сделал Эпинус, Кулон принял, что сила взаимодействия двух электрических зарядов пропорциональна произведению этих зарядов. Попытки некоторых последующих авторов доказать этот постулат оказались совершенно иллюзорными, они лишь создают путаницу в умах приступающих к изучению физики, а не вносят ясность, потому что при этом постулат Кулона выводится из других, значительно менее очевидных. Сформулировав этот постулат, Кулон исследовал распределение электричества на проводниках с помощью введенной им в употребление «пробной плоскости», представляющей собой кружок из позолоченной бумаги на изолирующей ручке, который но прикладывал к различным участкам поверхности проводника для определения плотности электричества. Таким способом он установил, что электричество распределяется по поверхности проводника (чтобы у едиться в этом, он повторил, в частности, опыт Кавендиша с двумя полусферами). Основываясь на законе обратных квадратов, он доказал это свойство теоретически. Далее он показал, что электричество распределяется равномерно по поверхности изолированной проводящей сферы; исследовал распределение на нескольких проводящих сферах, примыкающих друг к другу, а затем на цилиндре; строго показал, что наэлектризованное тело индуцирует на проводнике равные количества электричества противоположного знака.

Итак, за четыре года интенсивного и методического труда, с 1785 по 1789 г., Кулон заложил фундамент современной электростатики. Поскольку электрические силы оказались того же типа, что и ньютоновские, в электростатику можно было сразу перенести все свойства полей ньютоновских сил, найденных в теоретической механике. Эйлер ввел в механику понятие потенциала и нашел замечательное свойство этого потенциала (1756 г.) - так называемое «уравнение Лапласа». В 1811 г. Симон Пуассон (1781-1840) распространил математическое понятие потенциала на электрическое и магнитное' поля. В 1828 г. появилось классическое исследование электрического потенциала «Essay on the application of mathematical Analysis to the theorie of Electricity and Magnetism» («Опыт приложения математического анализа к теории электричества и магнетизма») Джорджа Грина (1793-1841). Весь этот быстрый прогресс теории электричества был бы невозможен без предварительного развития идей и аналитических методов теоретической механики.

19. ЛУИДЖИ ГАЛЬВАНИ

После первых же случаев поражения электрическим разрядом возникли, как мы видели, обоснованные предположения, и надежды, что новое вещество окажется способным облегчать или вылечивать болезни страждущего человечества. Открытие лейденской банки подтвердило предположения и еще больше подкрепило надежду. А когда Франклину наконец удалось извлечь электричество из облаков, а несколько позже Лемонье получил электричество при ясной погоде, стало казаться, «что вся природа стала электрической». А если вся природа электрическая, то и жизнь человека, как физическая, так и духовная, должна определяться течением по жилам и по мускулам этого таинственного вещества. Таким образом возникло представление о животном электричестве, главном регуляторе жизни животных вообще и людей в частности.

Луиджи Гальвани. Портрет кисти неизвестного художника

В 1773 г. появился мемуар Джона Уолша (?-1795), в котором доказывается электрическая природа известного свойства рыбы, называемой с тех пор электрическим скатом. Вильгельм Гравезанд и Мушенбрек, не удовлетворенные существовавшим ранее механическим объяснением действия этой рыбы, также выдвигали предположение о его электрической природе, но не подтвердили его никакими опытами. Некоторые опыты в этом направлении проделал Байен (1745-1798), но они прошли незамеченными. Таким образом, мемуар Уолша воспринимался как открытие и произвел сильное впечатление. В нем экспериментально показано, что явление удара от электрического ската можно воспроизвести с помощью искусственного электричества. Мемуар Уолша, написанный в виде письма Франклину, кончается так:

«С удовольствием направляю Вам эти сообщения. Те, что предсказывали и показали связь электричества со страшными атмосферными молниями, со вниманием узнают о том, что в глубине океана электричество существует в виде кроткой молнии, молчаливой и невидимой. Те, что анализировали заряженные банки, с удовольствием увидят, что их законы справедливы и для живых банок. Те, кто стал электриком благодаря разуму, с уважением отнесутся к электрику по инстинкту, которого природа с самого рождения одарила чудесным аппаратом и способностью пользоваться им» (John Walsh, Of the electric Property of Torpedo, Phil. Transactions of the Roy. Soc. of London, 1809, XIII, 477 (1773)).

За мемуаром Уолша последовало много других работ, посвященных физическому и анатомическому исследованию электрического ската; среди них выделяется мемуар Кавендиша (1776 г.), в котором помимо некоторых данных по интересовавшему его вопросу об измерении электрического сопротивления описан «искусственный электрический скат», где электричество поставляется батареей лейденских банок. Это забавное приспособление было погружено в подсоленную воду той же степени солености, что и море. При этом наблюдались те же эффекты, что и при действии ската.

Первые опыты Гальвани. (Memorie ed esperimenti inediti di Luigi Galvani, 1937.)

В период максимального обилия публикаций, последовавшего за работой Уолша, физики разделились на два лагеря: одни считали животное электричество свойственным лишь «электрическим рыбам», другие же приписывали его вообще всем животным. Физиологи того времени в свою очередь придумали себе без всяких экспериментальных оснований «животные эссенции», подобные электрическому флюиду, но в остальном не определенные. Эссенции, протекая по нервам, ответственны за перенос ощущений к мозгу и произвольное сокращение мышц в результате волевых импульсов.

На фоне этого океана необоснованных гипотез, путаных идей, ошибочных аналогий, смутных предчувствий начались исследования Луиджи Гальвани, родившегося в Болонье 9 сентября 1737 г. и умершего там же 4 декабря 1798 г.

Еще в 1773 г. Гальвани, будучи профессором анатомии в Болонскрм университете, начал анатомическое исследование мышечных движений лягушек, а в 1780 г. произвел на них свои первые электро-физиологические опыты. После И лет исследований и опытов он опубликовал свои результаты в знаменитом трактате «De vlribus electricitatis in motu musculari commentarius» («Трактат о силах электричества при мышечном движении»), помещенном в «Комментариях» Болонской академии и переизданном в следующем году племянником Гальвани Джованни Альдини, добавившим к трактату некоторые замечания и одну работу. В 1937 г. Энрико Бенасси выпустил первый итальянский перевод этого трактата с параллельным латинским текстом (Меmoriе ed esperimenti inediti di Luigi Galvani, Bologna, 1937, p. 83-192).

Гальвани так рассказывает об обстоятельствах своего открытия:

«Я разрезал и препарировал лягушку, как указано на фигуре Q, и поместил ее на стол, на котором находилась электрическая машина, при полном разобщении от кондуктора последней и на довольно большом расстоянии от него. Когда один из моих помощников острием скальпеля случайно очень легко коснулся внутренних бедренных нервов этой лягушки, то немедленно все мышцы конечностей начали так сокращаться, что казались впавшими в сильнейшие тонические судороги. Другой же из них, который помогал нам в опытах по электричеству, заметил, как ему казалось, что это удается тогда, когда из кондуктора машины извлекается искра. Удивленный новым явлением, он тотчас же обратил на него мое внимание, хотя я замышлял совсем другое и был поглощен своими мыслями. Тогда я зажегся страстным желанием исследовать это явление и вынести на свет то, что было в нем скрытного» (De viribus electricitatis in motu musculari commentarius, в книге Opere edite ed medite del Professore Luigi Galvani raccolte e publicate per cura dell Accademia delle Scienze dell'Istituto di Bologna, Bologna, 1841, p. 63. (Есть русский перевод в книге: Л. Гальвани, А. Вольта, Избранные работы о животном электричестве, М. -Л., 1937.)).

Различные опыты Гальваыи. (Memorie ed esperimenti inediti di Luigi Galvani, 1937.)

Многочисленные последующие эксперименты Гальвани подтвердили, что явление происходит именно так, как заметил его ассистент: как только из машины извлекается искра, каждый раз лягушку охватывает судорожная дрожь, если к ее нервам в этот момент экспериментатор прикасается проводником. Такие же результаты получались и на других животных, как холоднокровных, так и теплокровных, а также в тех случаях, когда искра извлекалась из лейденской банки или электрофора.

Надо было теперь установить, продолжает Гальвани во второй части своей работы, не вызывает ли атмосферное электричество те же эффекты, что и искусственное. С этой целью он протянул над своим домом длинный проводник и подвешивал к нему за бедренные нервы лягушек, к лапкам которых была присоединена другая весьма длинная проволока, опущенная в воду в колодезь, и наблюдал, что

«...сколько раз вспыхивала молния, столько же раз все мышцы в тот же момент впадали в сильнейшие и многократные сокращения» (Там же, р. 76-80).

Более того, сокращения мышц происходили не только в момент вспышки молнии, но и при грозовом небе, когда облака близко проходили над местом нахождения проводника.

Из этих опытов, продолжает Гальвани в третьей части работы, возникает желание определить экспериментально, не вызывается ли сокращение мышц лягушки не только бурными проявлениями атмосферного электричества, но и «спокойным электричеством и при ясном небе».

С этой целью он приготовил несколько лягушек и подвесил их на медных крючках к железной решетке, окружавшей висячий садик его дома. Несколько раз он наблюдал при этом сокращения мышц и приписывал их изменению состояния атмосферного электричества:

«...легко ошибиться в исследовании и считать виденным и найденным то, что мы желаем увидеть и найти» (Там же, р. 76-80).

Но вскоре он увидел, что ни одно из этих сокращений в действительности не объяснялось изменением состояния атмосферы. Тогда он решил продолжить опыты в доме: приготовил лягушку, положил ее на стол, прикрепил к ее спинному мозгу крючок, а другим концом дотрагивался до других частей, и вот «появились такие же сокращения, такие же движения». Гальвани различным образом менял условия опыта, приходя все время к тем же результатам.

«Подобный результат вызвал в нас немалое удивление и начал возбуждать в нас некоторое подозрение об электричестве, свойственном самому животному. Мне представлялось, что при этом явлении от нервов к мышцам как бы протекает флюид и образуется цепь, как в лейденской банке» (Там же, р. 76-80).

Последующие опыты превратили это предположение в уверенность: каждый раз, как металлической дугой соединялись мышцы и нервы только что убитой и препарированной лягушки, тотчас же происходило сокращение мышц.

Одно экспериментальное обстоятельство настолько привлекло внимание Гальвани, что он специально упоминает о нем: сокращения значительно более сильны, если металлическая дуга составлена из двух различных металлов.

«Так, например, если дуга железная и крючок железный, то чаще всего сокращения либо отсутствуют, либо весьма незначительны. Если, однако, один из этих предметов, например, железный, а другой медный или же, что гораздо лучше, серебряный (серебро по сравнению с другими металлами представлялось нам наиболее подходящим для проведения животного электричества), то сокращения немедленно становились гораздо энергичнее и гораздо продолжительнее» (Там же. р. 84, 100).

Исходя из этих опытов Гальвани считает себя вправе так начать четвертую и последнюю часть своего труда:

«Из того, что мы до сих пор узнали и исследовали, можно, я полагаю, с достаточным основанием заключить, что животным присуще электричество, которое мы позволили себе обозначить вместе с Бертолонием и другими некоторым общим названием «животного» (Там же. р. 84, 100).

Таким образом, цель четвертой части его труда - показать, что животное электричество имеет ту же природу и те же свойства, что и «машинное» электричество. Позже, в работе 1795 г., опубликованной в 1797 г. и написанной в виде письма Спаланцани, Гальвани изложил более полно теорию животного электричества: это электричество накапливается в неравновесном состоянии в мышечных тканях; через нерв, соприкасающийся с мышцей, оно переходит в еталлическую дугу, а через нее вновь возвращается в мышцу. Иными словами, мышцы и нервы, согласно Гальвани, образуют как бы две обкладки лейденской банки.

20. АЛЕССАНДРО ВОЛЬТА

Алессандро Вольта (родился в Комо 18 февраля 1745 г., умер там же 5 марта 1827 г.) относился с недоверием к так называемому «животному электричеству». Он принадлежал к той группе физиков, которая считала, что такого электричества вообще не существует, за исключением случаев «электрических рыб». И вот сторонник таких взглядов Вольта ознакомился с работой Гальвани. Описанные в третьей части работы Гальвани опыты показались Вольте столь необычными и поразительными, что он, возможно, не стал бы повторять их, если бы не настояния его коллег по Павийскому университету. Вольта начал повторять опыты Гальвани 24 марта 1792г., и скептицизм его стал рассеиваться. 3 апреля 1792 г. он пишет Гальвани:

«Итак, вот я, наконец, обращен, с тех пор как я стал сам очевидцем и наблюдал эти чудеса, я, пожалуй, перешел от недоверия к фанатизму» (Le opere di Alessandro Volta, Ediz. naz., I, Milano, 1918, p. 26. (Переводы работ Вольты о природе животного электричества на русский язык опубликованы в книге: Л. Гальвани, А. Вольта, Избранные работы о животном электричестве, М. -Л., 1937. - Прим. перев.)).

Алессандро Вольта

К фанатизму, но к благоразумному: 5 мая в публичной лекции в университете Вольта рассказывает об опытах Гальвани, превозносит их, поет хвалу важности этого открытия и возможностям дальнейшего его развития, но вместе с тем начинает выдвигать требования большей количественной строгости при исследовании этого явления, ибо

«...что хорошего можно сделать с вещами, не приведенными к степени и мере, особенно в физике? Как можно определить причину, если не определить не только качество, но и количество и интенсивность явлений?» (Le opere di Alessandro Volta, Ediz. naz., I, Milano, 1918, p. 26. (Переводы работ Вольты о природе животного электричества на русский язык опубликованы в книге: Л. Гальвани, А. Вольта, Избранные работы о животном электричестве, М. -Л., 1937. - Прим. перев.))

От себя он замечает, что лягушка может представлять собой

«...электрометр, в десятки раз более чувствительный, чем даже самый чувствительный электрометр с золотыми листочками».

Тем самым, сознательно или бессознательно, он начал выдвигать мысль о том, что лягушка представляет собой просто измерительный прибор. С помощью тонких опытов, выполненных с электрометром своей конструкции и с электрометром Беннета, Вольта приходит к выводу, что если действительно мышцы и нервы являются обкладками конденсатора, то нервы представляют собой отрицательную обкладку, а мышцы - положительную, т. е. как раз обратно тому, что утверждал Гальвани. Наконец, описывая, как ему удалось добиться сокращения мышц у еще живой и целой лягушки, Вольта настойчиво привлекает внимание к одной физической особенности гальванического опыта: образующие дугу металлы, прикладываемые к частям тела животного, чтобы вызвать сокращение мышц, должны быть различными. Через несколько дней после университетской лекции он, продолжая свои опыты, замечает:

«Факт... суть которого я еще не мог понять, что меня нисколько не удовлетворяет, заключается в необходимости применения неодинаковых проводников... У меня вызывает иногда сомнение, действительно ли различные или по-разному приложенные к двум точкам животного металлические провод-ники служат лишь для того, чтобы, соприкасаясь друг с другом, установить связь, предоставляющую электрическому флюиду путь, по которому тот естественно стремится перейти из одного места в другое, как представляется естественным думать. Одним словом, действительно ли они чисто пассивны или же они являются положительными активными агентами, приводящими в движение электрический флюид животных, нарушая его спокойствие и равновесие и заставляя его входить через проводник одного типа и выходить через проводник другого типа» (Там же, р. 39-40).

Мы уже говорили, что целесообразность применения различных металлов заметил еще Гальвани, причем это было не случайное наблюдение, как пишут некоторые историки, а многократное. Гальвани специально его подчеркивал как одно из условий, необходимых для успешности эксперимента, поскольку заметил, как он пишет в черновике одной неизданной работы, что опыт не удается или очень плохо получается, если дуга состоит из одного-единственного металла. В одной анонимной работе, несомненно принадлежащей Гальвани и опубликованной в 1794 г., он пытается объяснить большую активность разнородной дуги. Объяснение его, надо признать, довольно формальное и сводится к тому, что животное электричество отличается от искусственного своими свойствами и первое отличие заключается в том, что оно «более эффективно действует через разнородные проводники» (Ореrе di Luigi Galvani, цит. выше, р. 272). В этом проявляется различный образ мышления обоих ученых: физиолог Гальвани ищет причину явления только в физиологических фактах, физик Вольта видит причину в чисто физических явлениях.

Но вернемся к Вольте. 5 мая он превозносил Гальвани, а 14 мая в своей второй университетской лекции уже проводит сопоставления в чисто полемическом плане. Он показывает, что мышцы по существу не участвуют в создании самого явления: их сокращение вызывается, как вторичный эффект, возбуждением нерва. Для доказательства он ставит знаменитый опыт, в котором обнаруживается «кисловатый» привкус на языке при приложении к его кончику оловянной или свинцовой пластинки, а к середине языка серебряной или золотой монеты и при образовании проводящей дуги этими металлическими предметами. При этом ощущается тот же вкус, что и при приближении языка

«к кончику искусственно наэлектризованного проводника на такое расстояние, что искра еще не проскакивает» (Alessandro Volta, Le opere, цит. выше I, p. 62).

Кисловатый вкус переходит в «щелочной, т. е. отдающий горечью», если поменять на языке местами металлические предметы. Вольта нашел, что язык представляет собой чувствительнейший индикатор электричества, и это оказало ему ценную помощь в дальнейших исследованиях.

В июне 1792 г., через три месяца после того, как Вольта начал повторять опыты Гальвани, у него уже не оставалось былых сомнений:

«Таким образом, металлы не только прекрасные проводники, но и двигатели электричества; они не только предоставляют легчайший путь прохождению электрического флюида... но сами же вызывают такое нарушение равновесия тем, что извлекают этот флюид и вводят его, подобно тому как это происходит при натирании идиоэлектриков» (Там же, р. 117. (Идпоэлектриками в то время назывались тела, электризующиеся при трении. - Прим. перев.) ).

Это известный закон контактных напряжений; два разнородных металла вызывают «нарушение равновесия» (сейчас говорят - создают разность потенциалов) между обоими металлами. Установив этот закон, Вольта в результате длительной серии опытов располагает] металлы в ряд, построенный так, что больший эффект соответствует металлам, более удаленным друг от друга в этом ряду. Один из первых его «рядов напряжений» таков: цинк, оловянная фольга, обычное олово в пластинах, свинец, железо, латунь и различные сорта бронзы, медь, платина, золото, серебро, ртуть, графит, древесный уголь.

Виды 'столбов', описанных Вольтой в письме к Бэнксу. Сверху - 'цепочка чашек'. Буквой А обозначены серебряные пластины, буквой Z - цинковые

Против этого чисто физического объяснения явлений, наблюдаемых в опытах с лягушками, возражал Гальвани, поддержанный своим племянником Джованни Альдини (1762-1834) и Эудженио Валли (1762-1816). В последующем Гальвани пытался исключить из опытов металлические проводники, т. е. добиться сокращения мышц лягушки без применения физических средств. Вольта же искал способы исключить лягушку, т. е. найти физический метод обнаружения контактного электричества. Интересно, что оба они достигли цели и поэтому каждый считал себя победителем в споре. Гальвани в одном из опытов, упрощенном впоследствии Валли и описанном в наделавшей много шуму брошюре (1794 г.), препарировал лягушку так, что к ее телу остались присоединенными лишь бедренные нервы, а обе половинки лягушки затем были изогнуты так, что нервы касались голых бедренных мышц; каждое касание вызывало вздрагивание тела лягушки.

Вольта сначала пытался отрицать это явление, а потом ответил обобщением собственной теории: нарушение электрического равновесия наступает не только при контакте проводников первого класса, т. е. металлов, но и при контакте проводников второго класса. Короче говоря, нарушение равновесия наступает при контакте любых двух различных проводников, а следовательно, и при соприкосновении двух различных частей лягушки. И если даже разнородность соприкасающихся частей ни в чем ином не проявляется, сам факт нарушения электрического равновесия уже свидетельствует об этом. Иными словами, Вольта произвольно обратил закон контактных напряжений, утверждая, что нарушение электрического равновесия означает наличие контакта между разнородными проводниками.

Все же эта удобная позиция в споре была довольно шаткой и, несомненно, была бы разбита, если бы Вольта не нашел способа не только заменить лягушку другой гальванической цепью (собственным языком), как это было сделано в его поразительных опытах, но и вообще исключить все не чисто физические элементы из опыта. В 1796 г. Вольте удается наконец-то обнаружить контактное электричество чисто физическими методами с помощью дупликатора Никольсона. За первой изящной серией опытов с дупликатором последовали его классические опыты с конденсаторным электроскопом, описываемые сейчас во всех учебниках.

Из гальванической цепи была исключена лягушка, но зато и Гальвани исключил из цепи все физические факторы. С этого момента два направления исследования - физическое и физиологическое - разделились. По одному общему вопросу споры еще продолжались и особенно ожесточились в XIX столетии, пока в 1844г. Карло Маттеуччи (1811-1868) не опубликовал серию работ, доказывающих существование «животного электричества», отрицаемого «вольтианцами», но обладающего теми же свойствами, что и обычное электричество, а не отличного от него по природе, как утверждали «гальванианцы».

Теперь, уже уверенный в том, что свел гальваническое явление к чисто физическому, Вольта продолжал свои теоретические и экспериментальные исследования с вполне определенной целью - найти способ увеличения эффекта, который слишком слабо выражен при контакте только двух металлов. Так он начал исследовать «цепи» из проводников, т. е. явления, возникающие при приведении в соприкосновение нескольких проводников.

В 1796-1797 гг. Вольта обнаружил, что в цепи из металлических проводников напряжение между крайними металлами равно напряжению, которое устанавливается при непосредственном контакте этих металлов. С точки зрения поставленной цели это был по существу отрицательный ответ, 1 потому что он означал, что с помощью чисто металлических контактов нельзя достичь больших напряжений, чем при непосредственном контакте только двух металлов. Но в конце 1799 г. ему удается добиться желаемого. Расположив столбиком одинаковые контактные пары металлов, ориентированные одинаково и разделенные влажными дисками из ткани, Вольта получил между крайними металлами напряжение, пропорциональное количеству примененных пар.

20 марта Вольта пишет Джозефу Бэнксу (1743-1820), президенту Королевского общества:

«После долгого молчания, в котором я и не пытаюсь оправдываться, имею удовольствие сообщить Вам, Синьор, а через Ваше посредство и Королевскому обществу о некоторых поразительных результатах, полученных мною... Главный из этих результатов, содержащий в себе почти все остальные, это создание прибора, который по своим действиям, то есть по сотрясению, испытываемому рукой и т. п., сходен с лейденской банкой или, еще лучше, со слабо заряженной электрической батареей, но который, однако, действует непрерывно, то есть его заряд после каждого разряда восстанавливается сам собой, одним словом, этот прибор создает неуничтожаемый заряд, дает непрерывный импульс электрическому флюиду» (Там же, р. 565).

Так начинается длинное письмо Вольты, из которого мир узнал об изобретении нового прибора, названного автором «искусственный электрический орган» по аналогии с естественным электрическим органом у электрического ската, но потом переименованный им в «электродвижущий аппарат» или «колонну», что диктовалось его формой. Позже французы стали называть этот прибор «гальваническим столбом» или «вольтовым столбом», исходя из формы первых образцов.

Человечеству пришлось ждать еще 142 года появления атомного котла - аппарата, рождение которого по своим последствиям можно сравнить с изобретением вольтова столба.