В прошлом посте развернулась целая дискуссия по поводу того, нужны ли здесь подобные статьи, но так как к этому моменту я уже подготовил продолжение, то решил его все-таки выложить.

В продолжение начатой недавно темы про историю развития электродинамики, поговорим теперь про электростатику.



Итак, Гильберт отделил магниты от веществ, которые могли электризоваться и притягивать к себе мелкие частицы (например, янтарь и стекло). С этого и началось развитие электростатики, то есть науки о взаимодействии неподвижных заряженных частиц. Тогда еще не знали природу взаимодействия ни между магнитами, ни между заряженными телами. Гильберт высказал предположение, что тела, которые могут электризоваться, содержат некие “соки”, а при трении они разогреваются или еще каким-то образом возбуждаются, благодаря чему от наэлектризованных тел начинает исходить испарение, которое и притягивает окружающие предметы. То есть по сути, Гильберт высказал предположение, что наэлектризованные тела взаимодействуют не сами по себе, а через некоторый вид материи. Эта теория будет позже названа теорией близкодействия. В противоположность ей, существовала теория дальнодействия, согласно которой тела взаимодействуют непосредственно между собой. Активным сторонником теории дальнодействия был Ньютон, его теория всемирного тяготения была, казалось бы, веским аргументом пользу дальнодействия. Ньютон критиковал теорию Гильберта об “испарении” наэлектризованных тел:

“Пусть он объяснит мне, каким образом наэлектризованное тело при трении может испускать излучение, столь разреженное и неуловимое и одновременно столь мощное, что его испускание, не вызывая ощутимого уменьшения веса наэлектризованного тела и, расширяясь в сферу, диаметр которой превышает два фута, тем не менее, остается способным возбуждать и удерживать медную или золотую пластинку на расстоянии свыше фута от наэлектризованного тела?”

В будущем, до Фарадея и Максвелла, именно теория дальнодействия будет считаться верной, но попытки объяснить ее ни к чему не приведут. Однако, сразу после Гильберта многих заинтересовала его теория. Правда, опять же, никто не мог объяснить как именно “испарения” действуют на тела.


Отто фон Герике

Первым заметил, что наэлектризованные тела не только могут притягиваться, но также и отталкиваться, Никколо Кабео (1585-1650). Позднее, в 1660 году, Отто фон Герике (1602 — 1686), немецкий физик, изготовил электрическую машину. Она представляла собой вращающийся на железной оси шар из серы. Если к вращающемуся шару прикладывать руку, то он электризовался и начинали проскакивать искры. Герике заметил, что шар притягивает легкие тела, а коснувшись шара, они тут же отталкивались и не притягивались к нему до тех пор пока не коснутся какого-нибудь другого тела. Он также заметил, что наэлектризованный шар светится в темноте.


Шарль Франсуа Дюфе

После того как накопилось достаточно много фактов о заряженных телах, эти факты нужно было как-то объяснить. В 1733 году Шарль Франсуа Дюфе (1698 — 1739) выдвинул предположение о существовании двух родов электричества — стеклянного и смоляного. Он разделил вещества, способные электризоваться на два класса: материалы из первого класса давали “стеклянное” электричество (этот род электричества был так назван, потому что сюда попало стекло), вещества второго класса давали “смоляное” электричество (сюда попал янтарь). Заряженные тела из разных классов притягивались, в то время как заряженные тела из одного класса отталкивались.


Питер ван Мушенбрук

Через 12 лет, в 1745 году после этой работы Дюфе в голландском городе Лейден Питер ван Мушенбрук (1692 — 1761) вместе со своим приятелем Кюнеусом (по другим сведениям — его ученик) изобрели первый в мире конденсатор, который получил свое название в честь города Лейден, — лейденская банка. Одновременно с Мушенбруком такую же конструкцию предложил немецкий ученый Клейст (1700 — 1748), поэтому лейденскую банку еще иногда называли банкой Клейста. Устройство лейденской банки было довольно простое — это был стеклянный сосуд, обклеенный снаружи листовым оловом, это была внешняя обкладка. Чтобы создать вторую, внутреннюю, обкладку, банку либо заполняли водой, либо покрывали оловом внутреннюю поверхности банки. В качестве контакта для внутренней обкладки выступала проволока, воткнутая через горловину банки. В первых опытах у конденсатора не было внешней обкладки, а в ее качестве выступали руки экспериментатора. Именно после удара тока от такой лейденской банки без внешней обкладки Кюнеус и узнал, что конденсатор работает. :) Лейденские банки могли накапливать заряд до микрокулона (но в то время такого понятия как Кулон еще не существовало, а самому Кулону в тогда было 9 лет). Лейденская банка сыграла очень важную роль в развитии электричества и подтолкнула к дальнейшим исследованиям. Кстати, именно Мушенбрук первый соединил лейденские банки в батарею, чтобы увеличить их суммарную емкость.


Бенджамин Франклин

Практически сразу после изобретения конденсатора на сцену выходит Бенджамин Франклин, тот самый американский политик, который участвовал и в создании американской конституции. Он необычно много сделал для исследования электричества. Во-первых, он предложил свою теорию вместо теории Дюфе о двух родах электричества. Франклин выдвинул предположение, что электричество бывает только одного вида, а разделение материалов на два класса объясняется избытком или недостатком этого самого одного электричества. И именно Франклин предложил обозначать заряженные тела знаками “+” или “-”. Таким образом, получилось, что “стеклянное” электричество стало обозначаться плюсом, а смоляное — минусом. Если бы он обозначил их наоборот, то нам бы сейчас было бы легче в том смысле, что по договоренности ток течет от плюса к минусу (от места избытка “электричества” к месту, где его мало), по обозначениям Франклина получается, что электрон (о котором тогда, разумеется, еще и не догадывались) имеет отрицательный заряд, следовательно, они бегут от минуса к плюсу. Таким образом получается, что ток течет по направлению, обратному движению электронов, переносчику того самого тока. Про электроны Франклин тогда, естественно, не знал, но из-за такого обозначения теперь существует такая небольшая путаница с направлением тока и направлением движения переносчиков тока — электронов.

Он же ввел такие понятия как “батарея”, “конденсатор”, “проводник”, “заряд”, “разряд”. Кроме того Франклин активно изучал молнии и установил, что атмосферное электричество и статическое электричество, получаемое с помощью трения, является одним и тем же электричеством. Даже на бюсте Франклина скульптором А. Гудоном была нанесена надпись на латинском языке: “Он отнял молнию у небес и власть у тиранов”, сама фраза принадлежит другу и биографу Франклина — Анн Роберу Жаку Тюрго (1727 — 1781). Франклин же установил в 1752 году, что молния есть ни что иное как электрический разряд. Он также изобрел громоотвод и заземление. Он также первый начал использовать электрическую искру для взрыва пороха. И именно Франклин объяснил принцип действия лейденской банки и какую роль в ней играет диэлектрик (конечно, насколько это было возможно в то время). Но, чтобы быть честным, аналогии между искрой и молнией были еще у Ньютона, он писал, что ему электрические искры напоминают молнии.


Шарль Огюстен де Кулон

К этому моменту ученые старались не только описать и объяснить электричество, но и каким-то образом измерить заряды и силу их взаимодействия. В последнем преуспел Шарль Огюстен Кулон (1736 — 1806). Вы уже, наверное, поняли, что речь пойдет о законе, который носит его имя. Свой закон он сформулировал в одном из семи мемуаров, которые выходили с 1785 по 1789 года. Напомню, что этот закон гласит:

“Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме направлена вдоль прямой, соединяющей заряды, прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.”

Генри Кавендиш

Вообще-то Кулона больше интересовали приборы, которыми он занимался, чем сама электростатика. Он хотел сделать как можно более точные крутильные весы, а заодно с их помощью измерял силу взаимодействия между зарядами. Он же ввел понятия магнитного момента и поляризации зарядов. То, что сила взаимодействия между зарядами пропорциональна 1/r^2 установил еще в 1771 году английский физик Генри Кавендиш (1731 — 1810), но не опубликовал свое открытие и эксперимент, с помощью которого он сделал такой вывод.


Джозеф Пристли

Правда, и Кулон, и Кавендиш лишь подтвердили предположение, которое было высказано Джозефом Пристли о том, что сила взаимодействия между зарядами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Пристли не был твердо уверен в своем предположении и основывал его на предположении, что заряды взаимодействуют так же, как и тела в законе притяжения. Но именно Кулон довел закон до логического конца, введя в него зависимость от величины заряда.

Еще интересно, что Кулон не принимал теорию Франклина о существовании только одного рода электричества, а придерживался теории Дюфе. Кулон представлял себе электричество в виде двух разных жидкостей, а взаимодействие между заряженными телами объяснял взаимодействиями частиц этих жидкостей.

Таким же образом Кулон представлял себе действие магнитов, объясняя их действие “магнитными жидкостями”. Но тогда, если в каждом теле текут две такие “магнитные жидкости” (так как у магнита два полюса), то получается, что их можно было бы разделить, но Кулон доказывал, что это невозможно, приводя в доказательство то, что у магнита нельзя получить только северный или только южный полюс, а если его разломить, то получим два магнита с двумя полюсами.
На этом пока прервемся, в следующей части поговорим про открытие гальванического электричества.

Ссылки

• Терлецкий Я.П., Рыбаков Ю.П. “Электродинамика”, 1990 г.
• Уиттекер Э. “История теории эфира и электричества. Классические теории”, 2001 г. (оригинал был написал аж в 1910 году).
• В. Карцев “Приключения великих уравнений”.

Ссылки на википедию, откуда я брал портреты, я уж давать не буду :)

Эта запись у меня в блоге