Помоги проекту - поделись книгой:
Такие рыбы, как теперь достоверно известно, обладали электрическими органами, при этом напряжение превышало 200 В. И уже в первом веке нашей эры римские врачи использовали «удары» электрических рыб для лечения головных болей, подагры и других болезней. Конечно, врачи ничего не знали об электрических силах и объясняли воздействия рыб особым ядом.
В течение многих тысяч лет древние народы в паническом ужасе наблюдали грозные раскаты грома и яркие вспышки молний, но ни одному из мудрецов тех времен не могла прийти мысль о том, что притяжения натертого янтаря, удары «электрических» рыб и явления грозы в атмосфере имеют одну и ту же природу.
На основании изучения многих источников можно утверждать, что до 1600 г. заметных открытий в области электрических явлений сделано не было.
Что же касается магнитных явлений, то таинственные способности кусочков природного магнитного железняка притягивать легкие железные предметы упоминаются в старинных легендах и письменах, обнаруженных по всему миру – в Азии, Индии, Китае, Центральной Америке, Греции и Риме.
Слово «магнит» объясняется древними естествоиспытателями по-разному. Так известный римский ученый и писатель Плиний (23-79 гг. н. э.) в своей 37-томной «Естественной истории» описывает легенду о пастухе Магнесе, обнаружившем, что железные гвозди его сандалий и железный наконечник посоха притягивались большими черными камнями, разбросанными у подножий горы на острове Крит. Эти камни будто бы в честь Магнеса назвали «магнитами», а само явление притяжения – «магнетизмом».
Но древнегреческий философ Платон (427-347 гг. до н.э.) утверждал, что слово «магнит» происходит от названия древнегреческой провинции Магнезии, жителей которой называли «магнетами», а камни из Магнезии – «магнитами».
Мы узнаем интересные факты практического использования магнита. Древние индийцы еще во втором тысячелетии использовали магнит для извлечения железных наконечников стрел из тел раненых воинов. А в некоторых китайских летописях рассказывается о волшебных воротах из магнитного железняка, установленных близ дворцов императоров, сквозь которые не мог пройти человек, спрятавший под одеждой металлическое оружие (не напоминают ли эти ворота о современных металлоискателях, которые применяют при входе людей в некоторые здания и на массовые мероприятия?).
В одном из музеев Китая хранится компас, относящийся ко второму тысячелетию до н.э. (рис. 2.1). Известно также, что китайцы изготовляли так называемые «югоуказатели», изображавшие фигурку человека, обращенного лицом на юг, и прикрепленному к могущему вращаться магниту (так как большинство торговых путей и военных походов устремлялись из центральных районов Китая к южным морям).
Европейцы в XI в. заимствовали компас у китайцев через арабов, но капитаны-католики пользовались компасом тайно, опасаясь попасть на костер инквизиции, представители которой видели в компасе «дьявольский инструмент, созданный колдунами».
Древние ученые объясняли свойства магнита божественным происхождением, а уже упоминавшийся Фалес, а также Аристотель считали, что магнит обладает «душой», которая притягивала к нему железо.
Римский поэт Лукреций (99-55 гг. до н.э.) в своей знаменитой поэме «О природе вещей», написанной более двух тысяч лет назад, писал, что из магнита должны «семена выделяться» или же «ток истекать», раздвигающие воздух между камнем и железом, и в образовавшиеся «пустые пространства» туда «стремглав понесутся железа». Несмотря на очевидную примитивность представлений Лукреция, «материальные истечения», заполняющие пространство вокруг магнита, напоминают современные понятия магнитных силовых линий и магнитного поля.
Благодаря исследованиям ряда европейских естествоиспытателей уже в XI-XIII вв. было установлено существование у магнита разноименных полюсов и их взаимодействия, а также распространение магнитного действия через различные тела (бумагу, дерево и др.). Итальянец Д.Б. Порта и француз П. Перегрин описали способы изготовления магнитных стрелок, а П. Перегрин впервые снабдил компас градуированной шкалой (около 1270 г.)
В течение многих веков магнитные, тепловые и электрические явления объясняли действием особой жидкости, и только в 20-х гг. XIX в. выдающийся французский физик А.М. Ампер впервые доказал электрическую природу магнетизма.
Заметный удар по мистицизму, вымыслам и предрассудкам был нанесен зарождением и быстрым развитием экспериментального метода научных исследований, обусловленного бурным развитием торговли и ремесел. Одним из основоположников этого метода был Леонардо да Винчи. Это ему принадлежит завещание, обнаруженное в его записной книжке: «Не слушай учения тех мыслителей, доводы которых не подтверждены опытом», ибо «Мудрость – дочь опыта».
Первый фундаментальный научный труд о магнетизме принадлежал видному английскому ученому лейб-медику Королевы Вильяму Гильберту (1554-1603) – «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле» (1600 г.). Гильберт произвел более 600 «искусных» опытов, открывших ему тайны «скрытых причин различных явлений».
В отличие от многих своих предшественников Гильберт считал, что причиной действия на магнитную стрелку является магнетизм Земли, которая представляет собой «большой магнит». Это он доказал с помощью оригинального эксперимента: изготовил из магнитного железняка небольшой шар – «маленькую землю», назвав ее «тереллой» и показал, что магнитная стрелка в разных местах поверхности «тереллы» занимает положения, аналогичные тем, которые она принимает в поле земного магнетизма (рис. 2.2). Вот пример выдающегося открытия, которое с помощью эксперимента делают великие ученые.
Гильберт исследовал также электрические явления и установил, что при натирании электрическими свойствами обладают не только уже упоминавшийся янтарь, но и другие тела – сера, смола, горный хрусталь. Эти тела он назвал «электрическими» в соответствии с названием янтаря – «электрон».
Ученый правильно установил, что «степень электрической силы» бывает различна, что влага снижает интенсивность электризации тел при из натирании. Однако Гильберт ошибочно утверждал, что магнитные и электрические явления имеют разную природу: «электрическая сила» возникает только от трения некоторых тел, тогда как магнит постоянно действует на железо. Заметим, что это утверждение продержалось в науке более 200 лет.
Давно уже установлено, что пути к познанию новых фактов далеко не просты. Так, например, Гильберт пытался наэлектризовать трением металлы, не изолируя их. Ошибку Гильберта установил спустя два столетия выдающийся русский физик В. В. Петров.
Фундаментальный труд Гильберта в течение XVII в. выдержал несколько изданий и был настольной книгой многих естествоиспытателей Европы и сыграл важную роль в развитии учения об электричестве и магнетизме.
Наиболее прогрессивные естествоиспытатели, изучив книгу Гильберта, попытались создать специальное устройство для натирания указанных в книге тел, чтобы получить ббльший эффект проявления «электрических сил». Первым, кому удалось создать такую «машину», был известный изобретатель воздушного насоса Магдебургский бургомистр Отто фон Герике (1602-1686). В 1650 г. он изготовил шар из серы «величиной с детскую голову», насадил его на железную ось, укрепленную на деревянном штативе (рис. 2.3). С помощью рукоятки шар мог вращаться и электризовался от ладоней рук или куска сукна, прижимаемого к шару рукою.
Герике установил, что легкие пушинки вначале притягиваются к шару, а затем отталкиваются от него, кроме того, он заметил слабое свечение шара в темноте. Эти опыты впервые были описаны в книге в 1672 г., но объяснения наблюдаемых явлений ни Герике, ни его современники долгое время дать не могли.
И еще одно загадочное явление – электрическая искра – впервые наблюдалась в 1672 г. известным немецким ученым Г.В. Лейбницем, производившем опыты с машиной Герике.
Постепенно естествоиспытатели усовершенствуют электростатическую машину. Уже в первой половине XVIII в. серный шар заменяют стеклянным (стекло более интенсивно электризовалось), но так как шары или цилиндры было сложнее изготовлять, а при нагревании они нередко взрывались, то их заменили стеклянными дисками, натиравшимися кожаными подушечками, прижимавшимися к дискам пружинками. Для усиления электризации подушечки позднее стали покрывать амальгамой.
В 1744 г. машина была дополнена важным элементом – кондуктором – металлической трубкой, вначале подвешиваемой на шелковых нитях, а позднее устанавливавшейся на изолирующих опорах. «Кондуктор» служил резервуаром для сбора электрических зарядов, возникавших при натирании стеклянных дисков. К 60-70 гг. XVIII в. электростатическая машина приобрела современные черты (рис. 2.4).
Некоторые изобретатели, стремясь получить наибольший эффект, строили машины огромных размеров: в Англии в 1849 г. была создана машина с диаметром диска 2 м 27 см, вращение которого осуществлялось паровой машиной. В Парижском музее хранится машина с диаметром диска 1 м 85 см.
Особый интерес к электростатическим машинам был вызван возможностью использования их для медицинских целей (конец XVIII – начало XIX в.).
Одним из пионеров в области электромедицины был известный ученый-энциклопедист Андрей Тимофеевич Болотов (1738-1833). В его книге (рис. 2.5) «Краткие и на опытности основанные замечания о электрицизме и о способности елект- рических махин к помоганию от разных болезней» (СПб, 1803) подробно описана созданная им электростатическая машина (рис. 2.6) и разнообразные оригинальные машины и инструменты – «простые и надежные», в том числе «комнатные» и «дорожные» с диаметром стеклянного шара 20 см. Эти машины были предназначены для лечения в «трудно доступных» частях человеческого тела, в частности, «ушных», «ртяных» и других болезней. Характерно, что Болотов предлагает лечить «простой народ», страдающий от болезней, но не имеющий возможность самостоятельно избавиться от заболеваний. Его «махина» использовалась, – как он писал, – «…не требуя починки более десяти тысяч раз»… и «… успех от сих действований так вожделен и удачен, что в течение двух лет… в состоянии была помочь более 1500 человекам не только от разных легких… болезней, но много раз от самых тяжких, долговременных и запущенных… даже самых редких… и таких болезней, которые всем другим употребляемым до того лекарствам и даже врачеванию искусных медиков противоборствовали».
Удивительно яркая и убедительная пропаганда, выражаясь современным языком, новейших методов лечения, которыми в наше время наполнены рекламы медицинских фирм.
Заслуживает внимания стремление упростить конструкцию машины и инструментов с тем, чтобы изготовление их было «… сопряжено с меньшими хлопотами и издержками», что позволяло бы их изготавливать «… при помощи столяра, кузнеца и слесаря» и иметь «по примеру моему у себя дома».
Андрей Тимофеевич Болотов предстает перед нами и как ученый-патриот, стремившийся распространять и пропагандировать новейшие достижения науки и использовать их в интересах народа.
Опыты с электростатическими машинами и успехи в области естествознания привели к открытию новых явлений. Особенно следует отметить труды члена Лондонского королевского общества С. Грея (1670-1736) и члена Парижской академии наук Ш.Ф. Дюфе (1698-1739). Грею в 1729 г. удалось установить, что тела можно подразделить на две группы: проводники (например, проволоки, металлические нити) и непроводники (шелковые нити, стеклянные подставки), а «электрическая способность стеклянной трубки притягивать легкие тела, может быть передана другим телам».
Дюфе впервые обнаружил (1733-1738) два рода электричества – «стеклянное» и «смоляное» – и установил, что разноименные заряды притягиваются, а одноименные – отталкиваются. Им был создан прототип электроскопа в виде двух подвешенных нитей, расходящихся при их электризации – этот прибор получил широчайшее практическое применение. Особенно важно было его утверждение «быстроты передачи электричества» по проводникам. На основе экспериментов и наблюдений делаются первые попытки разработки теории электрических явлений и познания особенностей атмосферного электричества.
ГЛАВА 3 Изобретение конденсатора и создание первого электрохимического источника тока – важнейшие страницы в летописи электричества
Этот зимний день 1745 г. запомнился голландскому профессору из г. Лейдена Питеру Мюсхенбруку (1692-1761) на всю жизнь. Он оказался среди многих физиков, занимавшихся опытами с электростатической машиной. Важно было «накопить» получаемые от нее заряды. Зная, что стекло не проводит электричество, Мюсхенбрук наполнил стеклянную банку водой и опустил в нее конец медной проволоки, соединенной с кондуктором машины. Он правильно предположил, что заряды начнут накапливаться в банке.
Взяв стеклянную банку в правую руку, он попросил своего помощника вращать шар машины, и когда, по его мнению, в банке накопилось достаточное количество зарядов, Мюсхенбрук решил левой рукой отсоединить проволоку от кондуктора (рис. 3.1). Сам того не подозревая, он «пропустил» через себя накопленные заряды – ведь его руки стали внутренней и наружной обкладками банки. Естественно, профессор получил сильный удар, и ему показалось, что «пришел конец». В письме своему коллеге Реомюру в Париж в январе 1746 г. он писал, что этот «… новый и страшный опыт советую самим никак не повторять» и что он даже «ради Короны Франции» не согласится подвергнуться «столь ужасному сотрясению». Эффект электрического разряда был усилен еще и неожиданностью, с которой произошел.
Так была изобретена лейденская банка (по имени г. Лейдена), представлявшая собой простейший конденсатор, который после ряда усовершенствований стал одним из важнейших электротехнических устройств.
Письмо Мюсхенбрука произвело подлинную сенсацию, его опыт стали повторять не только физики, но и многие любители, интересующиеся новыми открытиями. Как это часто бывает, в том же 1745 г. независимо от Мюсхенбрука подобная банка была создана немецким физиком Э. Клейстом. В печати изобретение «банки» «приветствовалось, как великое открытие».
Особую известность приобрел опыт с лейденской банкой, осуществленный «мастером экспериментов» французским физиком аббатом Ж. Нолле в Версале в присутствии короля.
Нолле выстроил цепь из 180 гвардейцев, взявшихся за руки, причем «первый держал в свободной руке лейденскую банку, а последний, прикоснулся к проволоке, извлекая искру… Удар почувствовался всеми в один момент, было курьезно видеть разнообразие жестов и слышать мгновенный вскрик, исторгаемый неожиданностью у большей части почувствовавших удар». Далеко не всем известно, что от этой цепи солдат произошел термин «электрическая цепь». Опыты с лейденской банкой стали повторять физики в разных странах, особенно в Англии, что даже поразило Мюсхенбрука. В своем письме хранителю Физического кабинета в Royal Society В. Уатсону он писал: «Своими великолепнейшими опытами ты поразил всех!» Уатсон первый попытался определить скорость распространения электричества, «заставив» его «пробежать» расстояние в 12 000 футов.
В течение последующих десятилетий конструкция лейденской банки усовершенствовалась: вначале воду заменили дробью, а наружная поверхность обкладывалась тонкими свинцовыми пластинами, затем внутреннюю и наружную поверхности стали покрывать листами (оловянной фольгой), и банка приобрела современный вид (рис. 3.2). Исследования физиков привели к выводу о том, что количество электричества, накапливаемого в банке, пропорционально размеру обкладок и обратно пропорционально толщине изоляционного слоя.
В 1782 г. французский ботаник Адансон, посетив Сенегал, впервые сравнил удар электрического угря с ударом лейденской банки.
Петербургский академик Ф.У. Т. Эпинус (1724-1802) впервые отверг утверждение известного американского физика Б. Франклина об особой роли стекла в лейденской банке и впервые создал простейший «воздушный» конденсатор, состоявший из двух металлических пластин, разделенных воздушной прослойкой.
В 1747 г. Б. Франклин сформулировал первую теорию лейденской банки, указав, почему обе обкладки банки «заряжены противоположным электричеством». Выдающийся итальянский физик А. Вольта в 1782 г. соединил конденсатор с электроскопом (рис. 3.3) и показал, что, увеличивая расстояние между пластинами конденсатора, можно уменьшить его емкость (он впервые вводит этот термин), при этом увеличивается напряжение между пластинами, а это вызывает большее расхождение «листочков» электроскопа. Иными словами, он добился повышения точности измерения.
Прошло более двухсот лет, но конденсатор до сих пор остается одним из важнейших элементов современных электротехнических и радиоэлектронных схем.
Алессандро Вольта был уже профессором физики в старей- шем университете в г. Павии и ему принадлежало несколько открытий и изобретений (например, электрофор), когда летом 1791 г. он узнал об удивительном открытии итальянского анатома Л. Гальвани (1737-1798), описанном им в трактате «О силах электричества при мышечном движении».
Вот как описывает Гальвани свое открытие. Он препарировал лягушку, лежавшую на столе недалеко от электростатической машины. И когда его помощник случайно коснулся концом скальпеля спинного нерва лягушки, а от кондуктора машины извлеклась искра, «мускулы лапки содрогнулись как бы от конвульсии». Желая проверить влияние на лягушку атмосферного электричества, он зацепил медным крючком за спинной нерв лапку лягушки и подвесил ее на железную решетку забора его сада. Иногда лапка содрогалась независимо от состояния атмосферы. И когда он «утомленный напрасным ожиданием», прижал медный крючок к железным перилам, то мускулы заметно содрогнулись. Чтобы исключить влияние атмосферного электричества, Гальвани перенес лягушку в комнату и положил на «железную дощечку». Когда он прижал к дощечке медный крючок, «спазматические содрогания были налицо». Затем он стал использовать для опыта разные металлы и убедился, что сила содроганий изменяется. Но если металлы заменялись телами, не проводящими электричество (например, стекло, смолу, резину, дерево), «явлений не было».
В заключение Гальвани утверждал, что, по-видимому, «электричество находится внутри животного», и оно подобно «тонкой нервной жидкости», переходящей от нервов к мускулам, вызывает «содрогание» (это напоминает разряд лейденской банки). «Существует особый вид электричества, присущий организму животных» – утверждал Гальвани («животное электричество »).
Трактат Гальвани произвел сенсацию не только среди физиков, но и врачей и широкой публики. Если нервы и мускулы мертвой лягушки «оживают от действия разряда», то, по мнению физиологов, «жизненные проявления после смерти… приближают нас к разгадке тайны жизни» и возможного «средства исцеления».
Среди физиков начались горячие споры за и против животного электричества. Наиболее авторитетное заключение сделал А. Вольта, повторив опыты Гальвани. Лапки лягушки, утверждал Вольта, есть «чувствительный электрометр», а электричество возбуждается от «соприкосновения двух разнородных металлов».
В 1792-1795 гг. Вольта экспериментально – с помощью созданного им чувствительного электроскопа – доказал, что «два соприкасающихся металла взаимно электризуются».
В результате уникальных экспериментов Вольта установил закон контактных напряжений и, измерив контактную разность потенциалов, составил известный «ряд Вольта», где металлы располагались в следующей последовательности: цинк, свинец, железо, медь, платина, золото, серебро, ртуть. Каждый из них при соприкосновении с любым из последующих, получает положительный, а последующий – отрицательный заряд, например, железо (+)/медь (-), цинк (+)/серебро (-). Силу, возникающую между двумя металлами, Вольта назвал электровозбудительной или электродвижущей. Эта сила, «перемещает» электричество так, что получается разность напряжений между металлами, и эта разность напряжений будет тем больше, чем дальше в ряду расположены друг от друга металлы.
Но попытки Вольты получить непрерывный электрический ток (или флюид, как он вначале его называл) за счет простого контакта двух разнородных металлов оказались безуспешными. Как мы теперь понимаем, он предполагал получить электрическую энергию без затраты другого вида энергии.
Дальнейшие опыты показали, что для того, чтобы действия каждой пары металлов суммировались, их нужно разделить каким-либо проводящим материалом, который бы не препятствовал прохождению «флюида» (т.е. тока). Он считал, что существует два рода проводников – металлы и жидкости.
Экспериментальным путем он пришел к своей конструкции «столба»: если, например, составить «столб» из двух-трех пар цинковых и серебряных пластинок, то каждая серебряная пластинка будет соприкасаться с двумя одинаковыми цинковыми пластинками, и их общее действие будет иметь электричество разных знаков. Но если каждую пару цинк-серебро разделить суконным кружком, смоченным водой или (лучше) кислотой, то действие отдельных пар будет суммироваться.
Возникающее между крайними металлическими пластинками «столба» напряжение оказывается пропорциональным количеству примененных пар (рис. 3.4). Так был создан в 1799 г. знаменитый «вольтов столб» (это название впервые употребили французы, а Вольта вначале называл его «искусственным электрическим органом»). В 1800 г. Вольта сообщил о своем открытии президенту Лондонского королевского общества и приложил рисунок «столба».
В письме Вольта подробно описывал устройство и действие «столба», который «… создает неуничтожаемый заряд и дает непрерывный импульс электрическому флюиду». Им был также создан еще один вид своего прибора «чашечная» батарея (рис. 3.5): в банки с разбавленной серной кислотой погружались справа цинковые, а слева серебряные пластинки. Разнородные пластинки соседних банок соединялись «проводящей дугой».
Поделиться книгой: