От Электричества до Телевидения. Популярная история

Послесловие по главам 1—3. Предисловие к главам 4—5

17-й век ознаменовался некоторыми инженерными достижениями в области электричества и магнетизма, были проведены интересные опыты, Галлей и Герике построили макеты, Герике построил электрическую машину, Декарт и Галлей выдвинули теории. Ученые Земли были почти готовы к пониманию физических причин электрических и магнитных явлений.

18-й век можно характеризовать как век экспериментов. В области электричества и магнетизма ученые продвигались «на ощупь», а многие результаты были получены «случайно». Оптика, астрономия, математика, механика были развиты уже в достаточной степени, а учение об электричестве и магнетизме отставало, но научные факты копились в умах естествоиспытателей для спринтерского рывка первых десятилетий 19-го века.

Глава 4. 1700 г. – 1749 г.

Опыты Гауксби и Грея, электрические машины, «лейденская банка» Мушенбрека, опыты Франклина

1701 г. Галлей

На рубеже 18-го века англичанин Эдмунд Галлей предпринял три плавания в Атлантический океан, в ходе которых он первым стал отмечать на карте места равных склонений и соединять их линиями. В 1701 г., после 2-го плавания он публикует работу «General Chart of the Variation of the Compass» – генеральную таблицу склонений компаса от 52 градуса северной широты до 52 градуса южной широты, с картой, на которой были проведены линии равного склонения, называемыми галлеевыми, или изогоническими. Достаточно сложную картину изогонических линий Галлей объяснял наличием у Земли 4-х полюсов. Эта версия нашла много противников, в том числе несколько позднее швейцарский математик Леонард Эйлер (1707—1783), который работал в том числе и в России, высказал гипотезу о несимметричном расположении полюсов Земли, которая оказалась верной [11].

1706 г. Гауксби, Франклин

В 1706 г. английский физик Фрэнсис Гауксби (1666—1713 гг.) построил по примеру Отто фон Герике электрическую машину, в которой стеклянный шар, расположенный на горизонтальной оси, приводился в быстрое вращение. На этой машине Гауксби провел многочисленные опыты. Электризацию Гауксби производил рукой, он достигал состояния шара, при котором последний в темноте освещал предметы на расстоянии до 10 футов, а искра от шара до пальцев экспериментатора была размером до дюйма (можно считать что разность потенциалов составляла около 25.000 вольт). Гауксби первым обнаружил явление люминесценции воздуха в стеклянной трубке, которая была приближена к наэлектризованному шару. Гауксби на своей машине экспериментировал с различными шарами – применял для их изготовления серу, смолу, смеси с глиной, стекло, а также откачивал из стеклянного шара воздух. Теоретических объяснений своим опытам Фрэнсис Гауксби не оставил, но объем экспериментов в 1705—1710 гг. он выполнил очень большой.

Последующие исследователи (Бернулли, Кассини и др.) в первые десятилетия 18-го века повторяли опыты Гауксби, и даже сделали меньше его. Целая группа физиков, например Ламонтр, Далансе, Гартсекер пытались давать объяснения магнитным и электрическим явлениям с философской точки зрения – это только уводило от истины.

В этом же 1706 году, 17 января, в Бостоне в семье хозяина мыловаренной мастерской Джозайи Франклина родился мальчик, которого назвали Бенджамином в честь одного из братьев отца. Это был Бенджамин Франклин – будущий великий американский государственный деятель, неплохой ученый и популяризатор науки.

1711 г. Ломоносов

В 1711 году, 8 ноября, близ Архангельска в семье вольного помора родился Михайло Ломоносов – великий русский ученый. Отмечу, что Меншуткин – автор жизнеописания Ломоносова (см. [13]) – осторожно пишет – вероятно 8 ноября.

«Дом Василия Дорофеева Ломоносова находился на большой проезжей дороге за деревней Денисовкой; тут же была и принадлежавшая ему земля. Первый раз он женился на дочери дьякона села Николаевских Матигор (расположенного недалеко от Холмогор), Елене Ивановне Сивковой: от этого брака родился в 1711 году, вероятно 8 ноября, их единственный сын Михайло Васильевич Ломоносов.» [13].

«ЛОМОНОСОВ Михаил Васильевич [8 (19).11.1711—4 (15).4.1765], первый русский учёный-естествоиспытатель мирового значения, человек энциклопедич. знаний, разносторонних интересов и способностей, один из основоположников фи-зич. химии, поэт, заложивший основы совр. рус. литературного языка, художник, историк, поборник отечественного просвещения и развития самостоятельной русской науки. Л. родился в дер. Денисовка (ныне с. Ломоносово) Куростровской волости ок. с. Холмогоры (Архангельской губ.) в семье крестьянина-помора Василия Дорофеевича Ломоносова, занимавшегося морским промыслом на собственных судах.» [14].

1716 г. северное сияние

В 1716 году, 17 марта, мощное северное сияние наблюдалось в небе Германии, Франции, Англии, Голландии, и этот удивительный природный феномен стал предметом для объяснений у ведущих ученых указанных стран. Ни одной правильной версии выдвинуто не было. Большинство ученых считало, что северное сияние вызвано истечением горючих газов из Земли в районе полюса, другие выдвигали версию об отражении в небе полярных льдов – по аналогии с миражами в пустыне. Наиболее близок к истине был астроном Эдмонд Галлей – в своей публикации он связал северное сияние с магнитным полем Земли (см. справку), но ему показалось, что уклонение дуги северного сияния от направления на север равно склонению магнитной стрелки. Это привело его к версии, что из Земли в районе полюса некое светящееся вещество иногда вырывается наружу и под действием магнитного истечения направляется с северного полюса к южному. Этот пример показывает – как далеки были великие ученые своего времени от правильного объяснения.

Справка: полярные сияния – северное и южное – вызваны люминесценцией газов атмосферы под действием заряженных частиц летящих от Солнца. Прорваться к атмосфере эти частицы могут только в районе магнитных полюсов, т. е. магнитное поле Земли не вызывает, а препятствует северному сиянию (Галлей и другие думали с точностью наоборот!). Цвет сияния в основном вызван кислородом – зеленый и красный, и азотом – фиолетовый и зеленый. Размер сияния зависит от солнечной активности – можно предположить, что 17 марта 1716 года Солнце было очень активным.

1724 г. Грегам

Развитие мореплавания и навигации вызывали повышенный интерес именно к магнитным наблюдениям. В 1724 г. английский механик Джорж Грегам (1675—1751 гг.) опубликовал важную работу «Observations made on variation of the horizontal needle at London 1722—1723». В этом сочинении он констатирует, что склонения магнитной стрелки изменяется почти непрерывно, и его амплитуда суточных колебаний склонения в Лондоне составляет около 0,5 градуса и имеет в течение суток максимум и минимум. Джорж Грегам первым заметил наличие дополнительных и постоянных колебаний наклонения, которые имели небольшую амплитуду, но определить их период не смог.

1729 г. Грей

В 1729 г. Стивен Грей (1666—1736 гг.), член Лондонского королевского общества, изучал вопрос об изменении характера электрических явлений в стеклянной трубке. Совершенно случайно Грей обнаружил, что электричество перетекает по бечевке от трубки к шарику из слоновой кости. Грей спускал шарик с балкона своего дома с высоты 26 футов и он электризовался от стеклянной трубки. Явление повторилось при замене бечевки шелковой нитью и медной проволокой. Грей обнаружил, что на передачу электричества влияет не толщина, а материал соединительной нити. Он заряжал тела, сделанные из смолы либо стекла, и их электризация сохранялась до 30 дней. Грей заряжал массивный куб из дуба и такой же куб, но полый и обнаружил, что эти предметы принимают равное количество электричества. Грей заряжал металлический ключ и одновременно притягивал его магнитом – электрическое и магнитное действие взаимно не мешали друг другу. Таким образом, Стивен Грей первым осуществил передачу электричества по проводам и создал прототип «лейденской банки» (см. 1745 г.) – конденсатора. [11, 12].

1732 г. Дюфе

Работы Стивена Грея успешно продолжил в 1733—1737 гг. и подтвердил француз Шарль Дюфе (1698—1739). Много внимания Дюфе уделил заряду электричеством человеческого тела и извлечению из него огромных искр – научной цели в этом не было, но публика была шокирована этими опытами. Теория электричества, предложенная Дюфе, не содержала ничего нового – он делил электричество на смолистое и стеклянное, что делал англичанин Гильберт еще в 1600 г. Отмечу, что Шарль Дюфе в 1732 г. первым опубликовал краткую историю электричества.

1740 г. Бозе

Около 1740 года профессор физики из Вюртенберга Георг Бозе (1710—1761) построил новую электрическую машину, она имела приводимый во вращение стеклянный шар и приспособление для трения, шар посредством металлической цепочки был соединен с жестяным цилиндром, подвешенным на шелковых нитях. При работе машины электричество накапливалось в цилиндре. Бозе сообщил о своих опытах в нескольких сочинениях 1738—1749 гг., при этом он первым отметил, что тела при переходе на них электричества не изменяются в весе [11]. Машину, аналогичную машине Бозе, во Франции построил Жан Антуан Нолле (1700—1770), который до этого присутствовал при всех публичных опытах своего соотечественника Шарля Дюфе (см. выше).

Рис 5. Электрическая машина Нолле конструкции Бозе по [10]

Электростатическая машина Георга Бозе содержала в себе все необходимые компоненты: стеклянный шар, замененный впоследствии на диск, приспособление для трения, накопительный цилиндр – конденсатор, с соединительной цепью – проводом, привод. В усовершенствованном виде (см. 1755 г.) машина конструкции Бозе образца 1740 года используется и сегодня для демонстрации в учебных целях.

1742 г. Дезагюлье

В 1742 году сын французского эмигранта английский физик Джон Теофил Дезагюлье (1683—1713) опубликовал диссертацию «Dissertation concerning Electricity», в которой первым употребил термины conductor – проводник и insulator – изолятор. Дезагюлье был хорошо известен в научном мире Англии – в 1714 году он по рекомендации великого Исаака Ньютона стал демонстратором на еженедельных заседаниях Королевского общества, в доме Дезагюлье долгое время проживал физик Стивен Грей (см. 1729 г.), естественно Дезагюлье знал о всех достижениях последнего. Диссертация Дезагюлье оказала влияние на развитие европейской науки об электричестве, Академия наук Бордо присудила диссертации золотую медаль.

Работы в области получения электричества и изучения его свойств вело большое число ученых – Бернулли, Винклер, Клейст, Вильсон и другие. Но наша история отмечает этапные работы и технические решения и открытия, и выполнивших их ученых.

1744 г. Людольф

На заседании Берлинской королевской академии врач Христиан Фридрих Людольф (1707—1763) зажег эфир с помощью наэлектризованного железного прута. Очевидно, что он делал этот опыт и ранее. Позднее Людольфа показали в этом году действие искры другие физики, в частности Винклер зажег спирт от своего пальца, Майльс зажег фосфор.

1745 г. Вольта, Клейст, Мушенбрек

В 1745 году, 18 февраля, в Комо, Италия, в семье священника родился Алессандро Вольта – основоположник электротехники, создатель 1-го источника тока (Вольтов столб).

«1745, 18 февраля – В Комо у падре Филиппо Вольты и графской дочери Маддалены Инзаги родился четвертый сын – Алессандро Иозеф Антоний Анастасий.» [15].

«Александр Вольта, один из восьми иностранных членов-товарищей нашей академии наук, родился в Комо, I8-го февраля 1745 г., от Филиппа Вольта и Магдалины де-Кенти Инзаги. Учиться он начал под родительским надзором в школе своего родимого города. Счастливые способности, прилежание и любовь к порядку скоро возвысили его над товарищами. Прилежный ученик на восемнадцатом году жизни переписывался уже со знаменитым тогда аббатом Нолле (см. 1740 г.) о весьма трудных физических вопросах. На восемнадцатом году своей жизни в латинской поэме, до сих пор не изданной, он описал явления, открытые знаменитейшими современниками физиками.» [16].

В 1745 году независимо друг от друга: в Германии – Эвальд Георг фон Клейст и Голландии Питер ван Мушенбрек (1692—1761) провели опыты, при которых обнаружили, что медицинская банка, наполненная жидкостью, очень сильно заряжается от электрической машины. Мушенбрек написал о своем опыте в январе 1746 года французскому физику Реомюру, а Клейст утверждал в частной беседе в 1745 году, что явление им обнаружено 11 октября 1745 года и сделал об этом сообщение в Берлинской королевской академии. Профессора из Лейдена Питера ван Мушенбрека принято считать изобретателем первого конденсатора – «лейденской банки», имя Клейста обычно не упоминается. По [11].

«Опыт Мушенбрека, получивший впоследствии название опыта с лейденской банкой, произвел сенсацию как среди физиков, так и в широкой публике. Многие любители, заинтересовавшись опытом, занялись изучением электричества. Среди физиков изобретение лейденской банки приветствовали как великое открытие.» [12].

1747 г. Франклин

В 1745 году опыты с электричеством (которое он называет «электрический огонь») начинает в Филадельфии американец Вениамин Франклин, сообщения об опытах он отправляет письмами, первое из которых адресовано 28 марта 1747 г. члену Королевского общества Питеру Коллинсону. Письмо от 1 сентября 1747 г. содержит важную информацию об опытах Франклина с «чудесной банкой Мушенбрека», Франклин пишет о том, что верх банки электризуется «положительно», и точно такое же количество «отрицательного» электричества находится на низу банки. Электричество «по-Франклину» униполярно, и имеет знак.

Франклин пишет:

«Удивительно, как эти два состояния электричества – плюсовое и минусовое – сочетаются и уравновешиваются в этой чудодейственной банке! Характер их взаимосвязи непостижим для моего ума!» По [17].

1748 г. Франклин

В 1848 году Франклин создает «то что бы называем электрической батареей» по [17] – одиннадцать обклеенных свинцовыми пластинками больших оконных стекол, которые соединены параллельно – так чтобы их можно было заряжать одновременно.

1749 г. Франклин

В 1849 году Франклин проводит опыты с отводом электрического огня из атмосферы с помощью «заострений» – фактически это прототип громоотвода. Опасные опыты не приводят к жертвам, хотя экспериментаторы держали железный лом в руках острием вверх, и заряжали человека в будке с помощью заостренного железного прута. Опыты Франклина вызывали все больший интерес в Европе – он первым нашел способ и защиты от молнии и использования атмосферного электричества. По [17].

Франклин выдвигает гипотезу о «малых частицах электрической материи».

«В письме к Питеру Коллинзу в 1749 году Франклин изложил свою основную гипотезу о природе электричества. Он нарисовал яркую картину электризации тел. „Электрическая материя, – писал Франклин, – состоит из частиц крайне малых, так как они могут пронизывать обычные вещества, такие плотные, как металл, с такой легкостью и свободой, что не испытывают заметного сопротивления“. Приведя эту выдержку из письма Франклина, П. Л. Капица писал: „Эта картина до сих пор в основном остается правильной… В наши дни мы называем эти „крайне малые частицы“ электронами“. Франклин писал, что любое тело является как бы губкой, насыщенной частицами электричества. Процесс электризации тел он сводил к тому, что тело, получившее избыток электрических частиц, заряжено положительно, тело, имеющее недостаток этих частиц, заряжено отрицательно.» [19]

Глава 5. 1750 г. – 1799 г.

Громоотвод Франклина, теории Эпинуса и Симмера, закон Кулона, открытие Гальвани, «ряд Вольта»

1752 г. Далибар

В 1852 году сообщения об опытах американца Франклина по извлечению электричества из атмосферы привели к постройке опытных громоотводов несколькими физиками в Европе. Во Франции Делор построил громоотвод на площади Парижа, Бюффон в Монтабаре, Далибар в Марли. Естествоиспытатели стали ждать грозу, не задумываясь о невероятной опасности опыта. 10 мая 1752 года в Марли аббату Далибару в присутствии группы своих прихожан первому в истории физики удалось извлечь из воздуха с помощью металлического шеста несколько длинных голубых искр. Одна искра попала ему руку и он испытал удар, сравнимый с ударом хлыста, после его опытов воздух запах серой, но радости Далибара не было предела – он вошел в историю науки, – дело в том, что Франклин предложил метод установки громоотвода, но масштабный опыт по его идее провел именно Далибар.

Рис 6. Опыт Далибара в Марли по [10]

Опыт Далибара был многократно повторен, в том числе:

17 мая 1752 г. н. с. искру из атмосферы получил в Париже Делор [10];

18 июля 1752 г. с. с. получил искру из «громовой машины» устроенной в своей квартире в Петербурге русский академик Георг-Вильгельм Рихман [13].

1753 г. С. М., Франклин, Рихман, Ломоносов, Кантон

17 февраля 1753 года в газете Scots Magazine некто, скрывшийся под псевдонимом «C. M.», предложил электростатическую систему связи. Линия связи по проекту состояла из 26-ти проводов, по числу букв английского алфавита, при этом каждый провод должен быть подключен одним концом к своей электрической машине. Прием сообщения производиться на другом конце линии связи при отклонении к проводу бумажного диска с соответствующей буквой. Подлинная фамилия изобретателя «C. M.» осталась неизвестна. Возможно это первый проект прототипа электрического телеграфа.

Опыт с получением электричества из атмосферы американец Франклин провел на год позднее француза Далибара (см 1752 г.). Историки обычно приписывают первенство в опыте с молнией Франклину – это не так.

«12 апреля 1753 года Франклин осуществил свой знаменитый опыт со змеем. Эксперимент отличался, как и все его опыты, простотой и вместе с тем большой изобретательностью. По углам рамки змея, сделанного из легкого шелкового платка, Франклин поместил острия, исходя из своего вывода, что острые предметы притягивают электричество. Змей был запущен в грозу, и возникавшие в тучах молнии притягивались этими остриями и передавались на бечевку, тянувшуюся к земле. Чтобы изолировать бечевку от земли, к ней была привязана шелковая лента, а к концу бечевки – ключ. Франклин подчеркивал в одном из своих писем Коллинзу, что необходимо было следить, чтобы шелковая лента на намокала; для этого человек, запускавший змея, должен был находиться под крышей. Как только грозовая туча оказывалась над змеем, вся система заряжалась электричеством, и ворс на бечевке поднимался дыбом. Когда дождь смачивал змей и бечевку, их электропроводность сильно увеличивалась, и на ключе скапливалось много электричества. «Вы увидите, – писал Франклин, – как электрический огонь обильно стекает с ключа при приближении вашего пальца». [19]

17 сентября 1753 года в письме Франклин подробно изложил теорию громоотвода. Он указал, что молния перестает действовать разрушительно, когда ее достаточно отводят, для этой цели он считает достаточным железные прутья диаметром в четверть дюйма. Для ликвидации взрывчатого разряда через громоотвод Франклин предлагает его заострять на конце, т. к. с металлического острия электричество стекает постепенно [17].

Рекомендации Франклина опоздали на 1 месяц – 6 августа 1753 г. н. с. опыты русского академика Рихмана завершились трагедией – при грозе из проволоки его «машины», которая шла с крыши в комнату, вылетел большой огненный шар (шаровая молния?), последовал взрыв – Рихман погиб от разрыва грудной клетки и тяжелой травмы головы. Рихман при своих экспериментах для измерений использовал некое подобие атмосферного электроскопа – льняную нить привязанную к проволоке идущей с крыши. Желая лучше понять угол отклонения этой нити он приблизился к проволоке на расстояние менее фута – и это привело к печальным результатам.

Михаил Ломоносов вел в этот же день наблюдения у своей «громовой машины», оборудованной в его квартире, но никак не пострадал. После гибели друга и коллеги 26 ноября 1753 г. с. с. Ломоносов делает сообщение «Слово о явлениях воздушных от Електрической силы происходящих…» [18]. Ломоносов формулирует два утверждения:

Электрическая сила, образующаяся в атмосфере, вызвана трением и теплом – точно так же как в электрической машине;

Основной причиной образования электрической силы в атмосфере является трение при вертикальном движении воздушных масс, которое обусловлено соотношением температур «нижней» и «средней» атмосфер и нагревом слоев атмосферы солнцем.

В 1753 году вопросом измерения силы электричества занимались независимо друг от друга несколько физиков, лучшего результата достиг англичанин Джон Кантон (1718—1772) – в его электроскопе было две нити, утяжеленные пробковыми шариками на концах (фактически это были конденсаторы), – конструкция Кантона стала прототипом современных электроскопов.

1754 г. Диниш, Кантон

15 июня 1754 году священник Прокоп Диниш в Прендице, Моравия, установил громоотвод в 22 клафтера высотой (клафтер=сажень = 1.8 метра). Возможно, это было первое применение громоотвода для защиты объекта в Европе, но уже 1756 году Диниш был вынужден снять свой громоотвод, т. к. прихожане обвинили его в том, что из-за его действия выдалось сухое лето. [11]. Споры о возможности защиты зданий от удара молнии громоотводами шли между учеными не менее 15 лет. К 1770 году мнение сторонников Франклина возобладало – громоотводы стали устанавливать на зданиях, в первую очередь на высоких.

В 1754 году англичанин Джон Кантон с помощью своего электроскопа (см. 1753 г.) провел ряд интересных опытов, которые обнародовал в статье «On some new electrical experiments». Он открыл, что для расхождения шариков не требуется перетекание электричества с тела, а достаточно приблизить электроскоп к нему – т. е. он открыл явление электрической индукции. Кантон пытался объяснить свои результаты – и сделал это неправильно – его опыты были объяснены в Германии (1757 г.) и России (1759 г.)

1755 г. Планта

С 1755 года в Германии, Франции, Англии в течение 10 лет электрическая машина повсеместно обрела своим генерирующим элементом стеклянные диски. Возможно первую подобную машину в 1755 году построил немец из Гальдштейна Мартин Планта (1717—1782). Современная конструкция электрической машины строится по образцу 1766 года английской машины механика Джессе Рамсдена (1735—1800), который приоритет Планта не признавал (вид современной машины другой – речь идет о принципе).

1758 г. Эпинус

7 сентября 1758 года в Петербурге академик Франц Эпинус (см. далее), приглашенный в Россию годом ранее из Берлинской академии, произнес речь о сходстве явлений электричества и магнетизма – «Sermo academicus de similitudine vis electricae atque magneticae» – на этих правильных воззрениях были основаны все его последующие работы. [12]. Необходимо сказать, что отношения Ломоносова и Эпинуса не сложились. Возможно сказывалась ревность сторожила к талантливому немцу, приглашенному к тому же на место убитого в 1753 году молнией академика Рихмана – друга Ломоносова. Не будем забывать, что 1758 год – время разгара Семилетней войны, в которой Россия и Пруссия были противниками.