ФРАНКЛИН, ЛОМОНОСОВ, АРАГО ИЗУЧАЮТ ...
Глава из книги "Магнит за 3 тысячелетия", автор В. Карцев
В этой главе рассказывается о янтарном перстне;
о тайне дергающихся лапок; о том, как человек узнал, что магнетизм
и электричество – близкие родственники; о пользе тесноты в лабораториях.
Гильберт обнаружил довольно много веществ, которые,
как и янтарь, могут притягивать мелкие кусочки материи и пылинки.
Манипулируя с этими и подобными веществами, любознательный бургомистр
немецкого города Магдебурга Отто фон Герике изготовил странную машину
– это был шар из серы, приводимый во вращение несложным механизмом.
Вращающийся шар касался металлической цепочки, присоединенной к
длинному металлическому бруску, подвешенному на веревках. Если шар
при вращении придерживали ладонями, то на нем накапливался значительный
электрический заряд, отводимый цепочкой к бруску.
Шары из серы изготовляли следующим образом: из стекла
выдували тонкий шарообразный сосуд, в который заливали расплавленную
серу. Когда сера остывала, стекло разбивали и получали шар из серы.
(К сожалению, Герике слишком уважал ученых своего времени, чтобы
вращать просто стеклянный шар. Ему нужен был шар из серы, поскольку
именно о ней писал Гильберт. Об электрических свойствах стекла было
тогда известно очень мало. А ведь если бы бургомистр попробовал
тереть ладонями стеклянный шар, он бы получил более мощную машину!)
С помощью шара из серы Отто фон Герике удалось провести очень эффектные
опыты: при трении шара о ладони между руками и бруском проскакивали
искры, причем некоторые из них были довольно крупными.
Машина Герике получила сразу же очень широкое распространение,
и неудивительно, что с ее помощью удалось обнаружить много электрических
эффектов.
Один из необычных случаев произошел в знаменитой
Лейденской лаборатории. Студент по имени Канеус использовал машину
Герике для того, чтобы «зарядить электричеством» воду в стеклянной
колбе, которую он держал в ладонях. Зарядка осуществлялась при помощи
цепочки, подсоединенной к бруску машины. Цепочка спускалась через
горлышко колбы в воду. По истечении некоторого времени Канеус решил
убрать свободной рукой цепочку – вынуть ее из сосуда. Прикоснувшись
к цепочке, он получил страшный электрический удар, от которого чуть
не умер.
Оказалось, что в сосудах такого типа электричество
может накапливаться в очень больших количествах. Таким образом была
открыта так называемая лейденская банка – простейший конденсатор.
Сведения о новом изобретении быстро распространились
по Европе и Америке. Во всех лабораториях и аристократических салонах
ставились удивительные опыты, одновременно неприятные, забавные
и таинственные.
Столица Франции, естественно, не осталась в стороне
от этого «лейденского поветрия». Придворный электрик Людовика XVI
иезуит Нолле провел такой опыт: сто восемьдесят монахов взялись
за руки. В тот момент, когда первый монах взялся за головку банки,
все 180 монахов, сведенные одной судорогой, вскрикнули с ужасом.
Несмотря на неприятное ощущение, тысячи людей хотели подвергнуться
этому испытанию. Изготовлялись новые банки, более мощные.
Лейденская банка стала одним из необходимейших атрибутов
многих исследований. С ее помощью можно было получить электрические
искры длиной в несколько сантиметров.
И на родине Гильберта продолжались исследования
электричества. Этим занимался Ньютон, его лаборант научился передавать
заряд лейденской банки по влажной веревке.
Наиболее дальновидному исследователю пришла в голову
мысль о том, что и сверкающая молния, раскалывающая грозовое небо,
– это грандиозная электрическая искра, полученная с помощью исполинской
лейденской банки... Этим исследователем оказался американец Бенджамин
Франклин (1706...1790). Сын бедных родителей, он мало ходил в школу,
то помогал отцу варить мыло, то обучался слесарному делу, то выполнял
поручения брата-типографа.
В двадцать семь лет он стал популярнейшим писателем.
Его «Бедный Ричард» выдержал бесчисленное количество изданий. «Я
мог бы попытаться вызвать к себе добрые чувства, провозгласив, что
я пишу эти выпуски не для чего иного, как для блага общества; но
это было бы неискренне, и, кроме того, современники мои слишком
умны для того, чтобы быть обманутыми таким образом... Истина же
в том, что я крайне беден, и... издатель обещал мне значительную
часть выручки...», – откровенно писал Франклин по поводу своей писательской
деятельности.
Физикой он заинтересовался после того, как прослушал
лекцию по электричеству, на которой была показана электрическая
искра и продемонстрировано неприятное действие на человека разряда
лейденской банки. Пользуясь словами батарея, конденсатор, проводник,
заряд, разряд, обмотка, мы вряд ли помним о том, что Франклин был
первым, кто дал названия всем этим предметам и явлениям. Всего семь
лет он занимался физикой (с 1747 по 1753 г.), но его вклад в науку
оказался огромным.
В последние годы жизни Франклин стал одной из выдающихся
фигур в политической жизни Америки, активным борцом за освобождение
ее от колониального ига Англии. Обаятельнейший, интереснейший человек
своего времени, веселый и жизнерадостный, атлетически сложенный,
Франклин был всегда окружен почитателями.
Обратимся же к семи «электрическим» годам из жизни
Франклина, точнее, к тем из них, которые были связаны с доказательством
электрической природы молнии.
После случайно прослушанной лекции Франклин развил
довольно простую, но стройную и правильную теорию статического электричества
и его передачи от одного тела к другому – ту теорию, которую мы
узнали в школе, впервые знакомясь с электричеством. Сейчас мы сделали
бы лишь одну поправку к этому учению: Франклин наугад принял, что
тело, которое накапливает электричество, заряжается положительно,
а тело, теряющее электричество, заряжается отрицательно. Мы знаем
теперь, что носителем электричества в проводниках является отрицательно
заряженный электрон. Поэтому наэлектризованное тело, на наш взгляд,
должно быть признано отрицательным. Естественно, что Франклин не
мог предугадать этого. Чтобы не ломать установившегося со времен
Франклина представления, сейчас направление тока (от «плюса» к «минусу»)
принимают обратным направлению происходящего в действительности
процесса – движения электронов.
Четкие представления Франклина о природе электричества
позволили ему создать теорию, по которой и молния есть не что иное,
как электрическая искра. В одном из своих трудов Франклин описал,
как нужно поставить доказывающий это опыт.
Француз Далибар, по описанию Франклина, провел в
Марли опыт: металлический стержень, установленный на горе, приближали
одним концом к заземленному стержню. Во время грозы 10 мая 1752
г. Далибар получил из грозового облака большую синюю электрическую
искру, сопровождавшуюся резким треском и запахом озона. Уже через
восемь дней Далибар показал этот опыт королю.
Однако, хотя Далибар первым получил «молнию с небес»,
ясно, что первооткрывателем был Франклин. В 1753 г. Франклин поставил
и свой знаменитый эксперимент с воздушным змеем.
В том же году аналогичные эксперименты провели М.В.
Ломоносов и Г.В. Рихман. Рихман хотел количественно оценить явление
электризации при разряде молнии. Неосторожно наклонившись слишком
близко к стержню своей «громовой машины», Рихман был поражен молнией
в голову.
Научный мир содрогнулся. И до того молнии убивали,
особенно звонарей у колоколов на церковных башнях, а тут жертвой
оказался ученый. По Ломоносову, «погиб Рихман славной смертью»,
печалился петербургский коллега Крафт («это был второй Плиний»),
оплакивал учителя молодой Румовский («молнией поражен Орфей, Эскулап
и Зороастр»). Со временем страсти утихли, а ученые стали принимать
меры безопасности.
К.Г. Кратценштейну (1723...1795), который констатировал
ужасную смерть Рихмана от разряда, вошедшего в висок и покинувшего
тело через мизинец ноги («башмак разодравши, но даже не прожегши»),
не суждено было утешиться до конца жизни. Он приехал в Петрополь
служить механиком в Академии наук уже известным доктором медицины
и философии, получив премию Академии Бордо за объяснение механизма
подъема водяных паров в воздухе, будучи избранным в Академию Леопольдины
за излечение электризацией паралича пальца у женщины. Рихмана он,
по его мнению, не уберег, в отчаянии уехал из России, даже не продлив
контракта с Академией Санкт-Петербурга, и осел в Копенгагене до
конца своих дней.
О молнии и защите от нее всегда ходило множество
диковинных рассказов и небылиц. Известно было, например, что кельтские
воины, если гроза застигала их в поле, ложились на землю, зажигали
факел и втыкали в землю острием вверх свои длинные мечи. Молния
била в мечи и уходила в землю, не причиняя вреда воину.
Много позднее итальянец Вольта на опыте показал,
что пламя свечи создает столб теплого воздуха, электропроводность
которого повышена. Сам ученый построил эффектный электрометр со
свечой, вдохновляясь, как он говорил, примером древнеегипетских
жрецов. Когда надо было «выпросить бога», они разжигали огромный
жертвенный костер, по столбу дыма из небес в землю била молния,
якобы возвещавшая волю Юпитера, Зевса или Озириса.
Впрочем, о древних громоотводах забылось, только
монахи пытались отогнать громы и молнии охранными молитвами, а в
народе далекими отзвуками прошлого жили странные рассказы о молниях,
богах, грозах и жертвах небесного огня. И нет числа таким рассказам,
как не было меры тайне, сопутствующей природе молнии. Неудивительно,
что после предложения Франклина поставить железные палки для защиты
от молнии, Европа и Америка разделились на два лагеря: ярых приверженцев
громоотвода и столь же ярых его противников. В Париже одно время
считались модными шляпки с громоотводом. В то же время парижский
домовладелец де Визери, поставивший на своем доме на Сен-Опера громоотвод,
подвергся яростным нападкам соседей, которые в конце концов подали
на него в суд. Это было в 1780 г. Процесс длился четыре года. Защитником
громоотвода на процессе выступал никому еще не известный адвокат
Максимилиан Робеспьер. На стороне противников громоотвода экспертом
выступал Жан-Поль Марат. В конце концов де Визери был оправдан...
Но французы еще долго противились громоотводу. Может быть, это продолжалось
бы и дальше, если бы не один курьезный случай.
В Филадельфии (США) в 1782 г. было установлено 400
громоотводов (всего в Филадельфии было в то время 1300 домов). Крыши
всех общественных зданий, за исключением, разумеется, гостиницы
французского посольства, были увенчаны металлическими штырями громоотводов.
Во время грозы 27 марта 1782 г. именно в дом-исключение ударила
молния. Гостиница была частично разрушена, а живший в ней французский
офицер убит. После этого случая, вызвавшего широкий общественный
резонанс, даже Франция официально признала громоотвод.
Возможно, лишь после этих очень громких процессов
и событий электрическая природа молнии стала общепризнанной. Ни
у кого не оставалось сомнений в том, что молния – это электрическое
явление. Связь молнии с электричеством была прочно доказана. Примерно
в это же время ученые стали понемногу подходить к восприятию идеи
о том, что молния каким-то образом связана и с магнетизмом. Однако
перебросить такой мостик было чрезвычайно сложно главным образом
из-за недостатка систематических сведений, касающихся магнита.
Какая неведомая, таинственная сила направляет стрелку
компаса? В чьих силах сообщить неживому камню способность двигаться,
присущую только живому? Кто бы мог подумать, что именно электричество
порождает столь разные и столь могучие эффекты – и молнию, и магнетизм?
Правильное направление мыслям ученых о природе магнетизма,
как и в случае электричества, дала молния.
В начале XIX столетия французский ученый Франсуа
Араго выпустил книгу «Гром и молния». В этой книге содержится несколько
любопытнейших записей, некоторые из них, быть может, и привели к
тому, что приятель Араго, французский физик Андре-Мари Ампер, впервые
дал правильное объяснение магнетизму.
Вот некоторые выдержки из книги «Гром и молния»:
«...В июле 1681 года корабль «Квик» был поражен молнией. Когда же
наступила ночь, то оказалось по положению звезд, что из трех компасов...
два, вместо того, чтобы, как и прежде, указывать на север, указывали
на юг, прежний северный конец третьего компаса направлен был к западу...»
И еще: «...В июне 1731 года один купец поместил
в углу своей комнаты в Уэксфильде большой ящик, наполненный ножами,
вилками и другими предметами, сделанными из железа и стали... Молния
проникла в дом именно через угол, в котором стоял ящик, разбила
его и разбросала все вещи, которые в нем находились. Все эти вилки
и ножи... оказались сильно намагниченными...»
Все более очевидным для исследований становился
факт тесной связи молнии и магнетизма. Следует учесть, что связь
молнии и электричества была в то время хорошо известна, поэтому
становится ясным, что недалек был день, когда наиболее прозорливый
увидит связь между электричеством и магнетизмом. Многие уже почти
угадали эту связь; не хватало лишь небольшого усилия, чтобы преодолеть
барьер, разделяющий две великие силы природы. Так, петербургский
академик Франц Ульрих Теодор Эпинус прочел 7 сентября 1758 г. на
общем собрании Академии трактат «О сходстве электрической силы с
магнитною», в котором он почти вплотную подошел к решению проблемы.
Недоставало какого-то мостика, какой-то связующей нити... Надежды
усилились, когда научные круги Европы познакомились с итальянскими
«новинками» – опытами профессора анатомии Алоизо Луиджи Гальвани.
Случайно получилось так, что в комнате, где в ноябре
1780 г. Гальвани изучал на препарированных лягушках их нервную систему,
работал его приятель – физик, производивший по методу Вольта опыты
с электричеством. Одну из отпрепарированных лягушек Гальвани по
рассеянности положил на стол рядом с электрической машиной. В это
время в комнату вошла жена Гальвани. Ее взору предстала жуткая картина:
при искрах в электрической машине лапки мертвой лягушки, прикасавшиеся
к железному предмету (скальпелю), дергались. Жена Гальвани с ужасом
указала на это мужу. Гальвани был поражен и решил, что причина этого
– электрические искры. Для того чтобы получить более сильный эффект,
он вывесил несколько препарированных лягушек на медных проволочках
на железный балкон во время грозы. Однако не только молнии – гигантские
электрические разряды – влияли на поведение лягушек. При порывах
ветра лягушки раскачивались на своих проволочках и иногда касались
железного балкона. Как только это случалось, лапки дергались.
Опыты Гальвани пробудили в широкой публике старые
мечты о бессмертии. Бессмертие казалось совсем близким, осязаемым.
Сегодня содрогается лапка убитой лягушки, а завтра... Бесчисленное
количество людей стали проделывать опыты по методике Гальвани.
Вот что писали об этом в одной из старых энциклопедий:
«В течение целых тысячелетий хладнокровное племя
лягушек беззаботно совершало свой жизненный путь, как наметила его
природа, свободно росло и наслаждалось земными благами, зная одного
только врага, господина аиста, да еще, пожалуй, терпя урон от гурманов,
которые требовали для себя жертвы в виде пары лягушачьих лапок со
всего несметного рода. Но в исходе позапрошлого столетия наступил
злосчастный век для лягушек. Злой рок воцарился над ними, и вряд
ли когда-либо лягушки от него освободятся. Затравлены, схвачены,
замучены, скальпированы, убиты, обезглавлены – но и со смертью не
пришел конец их бедствиям. Лягушка стала физическим прибором, отдала
себя в распоряжение науки. Срежут ей голову, сдерут с нее кожу,
расправят мускулы и проткнут спину проволокой, а она все же не смеет
уйти к месту вечного упокоения; повинуясь приказанию физиков или
физиологов, нервы ее придут в раздражение и мускулы будут сокращаться,
пока не высохнет последняя капля «живой воды». И все это лежит на
совести Алоизо Луиджи Гальвани...».
Но и сам Гальвани не был счастлив. Умерла любимая
жена Лючия, он лишился кафедры за отказ присягнуть Наполеону, занявшему
Италию, погибли два его племянника. Вскоре и сам ученый умер от
голода.
Понять, почему лапки мертвых лягушек дергаются,
Гальвани не было суждено. Лишь великий Алессандро Вольта понял,
что соединение разных металлических проводников (у Гальвани медная
проволока была привязана к железному балкону) само по себе вызывает
появление на их концах электрических зарядов. Если замкнуть концы
через тело лягушки, образуется электрический ток, который является
не кратковременным, как при «страшных опытах» Отто фон Герике, а
длительным. О природе этого тока у Вольта с Гальвани был очень серьезный
спор: Гальвани был уверен, что источником тока является сама лягушка,
а Вольта считал, что первопричина тока – соединение двух разных
металлов.
Хотя в споре Гальвани оказался не прав, он тем не
менее заложил основы учения о биотоках организма.
Вольта ставил совсем другие опыты – он скептически
относился к теории «животного электричества» Гальвани. Иногда его
можно было увидеть за странным занятием: он брал две монеты или
два кружочка – обязательно из разных металлов – и... клал их себе
в рот: одну на язык, другую под язык. Если после этого монеты или
кружочки соединяли проволочкой, Вольта чувствовал солоноватый вкус
– тот самый вкус, но гораздо слабее, что можем почувствовать мы,
лизнув одновременно два контакта батарейки. Из опытов, проведенных
раньше с машиной Герике и электрофором, Вольта знал, что такой вкус
вызывается электричеством. Положив один на другой множество кружков
(свыше ста), Вольта получил довольно мощный источник электричества
– вольтов столб. Присоединив к верхнему и нижнему концам столба
проводнички и взяв их в рот, Вольта убедился в том, что этот источник,
в отличие от машины Герике и электрофора, действует длительно.
Вслед за этим Вольта сделал еще одно изобретение
– он создал электрическую батарею, пышно названную «короной сосудов»
и состоявшую из многих последовательно соединенных цинковых и медных
пластин, опущенных попарно в сосуды с разбавленной кислотой. Это
был уже довольно солидный источник электрической энергии (солидный,
конечно, по тем временам; сейчас с помощью «короны сосудов» можно
было бы привести в действие разве что электрический звонок).
20 марта 1800 г. Вольта сделал доклад о своих исследованиях
в Лондонском Королевском обществе. Можно считать, что с этого дня
источники постоянного электрического тока – вольтов столб и батарея
– стали известны многим физикам и их начали широко применять. Распространению
этого изобретения и расширению опытов с электричеством способствовало
приглашение Вольта Наполеоном в Париж для чтения лекций перед видными
физиками Франции. В России тоже довольно быстро узнали об открытии
Вольта. Одна из самых гигантских и мощных электрических батарей
того времени, состоящая из 3000 «кружков», была построена русским
профессором В.В. Петровым, открывшим с помощью этой батареи прославившую
его электрическую дугу.
Уже в 1808 г. известный английский физик сэр Гемфри
Дэви осуществил электрическое дуговое освещение на практике. Электричество
начало свое победное шествие по всему миру. Особенно быстро развивалось
электрическое освещение. Небольшие лампы предлагалось даже помещать
на головах слуг и служанок в богатых домах. Так, журнал «Сайнтифик
Америкэн» писал в середине прошлого века:
«Вскоре настанет то время, когда и частные дома
будут освещаться девушками, вместо того чтобы использовать электрические
лампы на колоннах. Такая девушка (яркостью в 50...60 свечей) будет
сидеть в кресле гостиной и ждать, пока не позвонят гости – тогда
она включит на себе свет, примет посетителя и проводит в приемную.
Стоимость такой девушки будет гораздо ниже стоимости необходимого
для приема специального слуги и газового освещения. Гораздо приятней
иметь в доме электродевушку, чем громоздкие канделябры, которые
постоянно угрожают упасть вам на голову. Каждый домовладелец с эстетическим
чувством будет рад заменить канделябры девушками, для которых уже
выпущено 2500 комплектов ламп и батарей».
Электричество уже до этого прочно вошло в обиход
физических лабораторий. С ним проводились многочисленные опыты на
животных, с его помощью получали дугу и миниатюрные молнии – искры.
Слово «электричество» вошло в лексикон простых людей.
Электричество подозревали теперь во всех труднообъяснимых и таинственных
случаях. Взгляды того времени – во фразе: «Все электрическое – таинственное,
поэтому все таинственное – электрическое». Роберт Берне в своем
шутливом стихотворении «Золотое кольцо» еще раньше писал:
– Зачем надевают кольцо золотое
На палец, когда обручаются двое?
Меня любопытная дева спросила.
Не став пред вопросом в тупик,
Ответил я так собеседнице милой:
– Владеет любовь электрической силой,
А золото – проводник!
Очень близко к решению проблемы подошел Дэви. Ему удалось установить,
что электрическая дуга отклоняется под действием магнита. Это уже
была связь, но связь робкая, тонкая, связь, которой не придали должного
значения. Магнитная стрелка впервые повернулась под действием тока
в опытах итальянского физика Романьози: в 1802 г. Романьози заметил,
что при поднесении компасной стрелки к вольтову столбу она чуть
заметно отклоняется. Иногда никакого эффекта не наблюдалось. Романьози
не смог понять того, что стрелка отклонялась лишь тогда, когда вольтов
столб замкнут на нагрузку, другими словами, лишь тогда, когда по
нему течет ток.
Открыть это выпало на долю Ганса Христиана Эрстеда.
Другие страницы из книги "Магнит за 3 тысячелетия". Автор В. Карцев
Геркулесов камень
Рукотворные магниты
Гильберт разъединяет
Франклин, Ломоносов, Араго изучают...
Эрстед объединяет
Железо обзаводится «помощником»
Капица: «краткость – сестра успеха?»
Биттер: «секрет – в охлаждении»
Оннес: «дальше охлаждать некуда!»
Потребители просыпаются
Сортировщики микрочастиц
ЭПР
Пирамиды ядерного века
Плазма в магнитной рубашке
Энергетика 21 века
Послесловие
