Учение об электрических и магнитных явлениях

ГЛАВА ПЕРВАЯ

СОСТОЯНИЕ УЧЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТНЫХ ЯВЛЕНИЯХ К СЕРЕДИНЕ XIX в.

К началу XIX в. из области электричества физикам были известны только явления, связанные с электрическим разрядом, вызывающим световые, звуковые и физиологические эффекты, да еще ряд явлений, связанных с механическими взаимодействиями (притяжение и отталкивание) между наэлектризованными телами. Существовали уже теории электрических явлений — унитарная и дуалистическая, конкурировавшие между собой. Каждая из них имела своих сторонников и своих противников. Уже были известны некоторые законы взаимодействия наэлектризованных тел (законы Кулона), были известны некоторые приборы для количественной характеристики электрического состояния тел (электроскопы). Для получения электричества кроме примитивных способов (трение, удары) были изобретены уже электрические машины разного рода, со стеклянными кругами и т. п. Для накопления электричества были уже изобретены лейденские банки. Уже было предложено разделение тел на проводники и непроводники электричества (изоляторы); уже было установлено тождество между электрическими разрядами и явлением молнии и т. д., но все имевшиеся сведения не удовлетворяли пытливые умы современников. Человеческий ум стремился познать сущность электричества. Во всех странах велись многочисленные работы по изучению электрических явлений. Они велись и у нас в России, главным образом, в Петербургской академии наук.

«Основанная Петром Великим, С.-Петербургская Академия Наук оказалась самым жизненным творением Петра, пережившим все остальные и сохранившимся до настоящего времени. По мысли Петра Академия Наук должна была быть той вершиной, откуда знание должно было исходить и распространяться, охватывая все более широкие круги» [1]. С XVIII в. Академия наук в Петербурге и стала действительно центром, вокруг которого сосредоточивалось большинство научных исследований, в том числе исследований в области электричества.

Во второй половине XVIII в. особенно замечательные работы в области изучения электрических явлений были выполнены академиками Ломоносовым (1711–1765 гг.), Рихманом (1711–1753 гг.) и Эпинусом (1724–1803 гг.).

Явлениями электричества много занимался знаменитый Михайло Васильевич Ломоносов. Он очень интересовался явлениями атмосферного разряда (молнии), и есть даже некоторые основания полагать, что Ломоносов раньше Франклина высказал мысль о тождестве молнии с обычным электрическим разрядом. В своем «Слове о явлениях воздушных от электрической силы происходящих», произнесенном на Акте Академии наук в Петербурге в 1753 г., Ломоносов говорил: «Франклину в моей теории о причине электрической силы в воздухе я ничего не должен» и далее «доказал я выкладкою, что верхний слой (воздуха) в нижний не только погрузиться может, но иногда и должен. Из сего основания истолкованы мною многие явления с громовой силой бывающие, которых у Франклина нет и следа». Но Ломоносова особенно интересовал вопрос о сущности и природе электрических явлений. Именно, по предложению Ломоносова Академия наук выдвинула в 1753 г., в качестве конкурсной темы на премию, вопрос о сущности электричества.

«Санкт-Петербургская Академия Наук всем натуры испытателям при обещании обыкновенного награждения ста червонных на 1755 год к первому числу июня месяца, для решения предлагает, чтобы сыскать подлинную електрической силы причину и составить точную ее теорию».

В первом пункте составленной им программы конкурсной работы Ломоносов говорит:

«Електрические явления много имеют общего со свойствами огня, много также и совсем противного. Пример первого есть, что огонь силою електрическою возбуждается; второго, что електрическая сила в произвождении своем огнем воспрещается; например, стекла, которые очень горячи, не могут произвести електрической силы. Притом, сквозь раскаленное железо, равно как и сквозь лед, сила сия распространяется. Того ради, по нашему мнению, должно осторожно смотреть и различать, что в причине произвождения електрической силы и огня есть общее и что особливое. Ежели сие точно и подробно будет разсмотрено и разобрано, то без сумнения большей ясности и света разсуждающим об електрической силе надеяться можно».

Неудовлетворенный введенным еще в конце XVI в. английским ученым, врачом королевы Елизаветы, Гильбертом делением тел на «електрические» и «неелектрические», Ломоносов в записанной им программе рекомендует будущим авторам обратить особое внимание на вопрос о различном отношении тел к электрическим явлениям.

«Понеже тела, — пишет он, — которые по другим свойствам натурою совсем разделены на разные роды через електрические явления во едино совокупляются, так что стекло, тело ломкое, твердое, постоянное, к принятию «пламени не способное и к минералам по большей части принадлежащее, с мягкою, вязкою, летучею и к сожжению способною шелковою материей, к животным только телам принадлежащею, через первоначальную електрическую силу во един вид соединяются. Так же животное одушевленное и металл, хотя совсем между собою суть различного рода, однако соединены через производную електрическую силу. Того ради для изобретения подлинной сея материи теории за полезное почитаем и сие, чтобы качества обоего рода тел с осторожностью разсмотреть и приметить, которые из них всем телам, имеющим первоначальную електрическую силу, и которые всем телам, имеющим производную силу, общие, ибо в противном случае надобно опасаться, чтобы мысль наша, пренебрегши свойствами чувствительных тел и гоняясь за нечувствительными материями, не стала больше снисходить своим воображением, нежели последовать строгости разсуждения».

Приведенные слова Ломоносова показывают, на каком уровне стояли в середине XVIII в. знания об электричестве, но в то же время они свидетельствуют о том высоком уровне научного мышления, на котором стоял наш русский академик. Об этом высоком уровне свидетельствуют и другие материалы, относящиеся к той же эпохе.

Рихман начал свои работы по электричеству уже в 1744 г. Стремясь получить возможность производить над электрическими явлениями количественные измерения, он придумал прибор, названный им «электрическим указателем» и являющийся первым, по времени появления, «электрометром».

«Электрическим указателем, — пишет Рихман, — я называю такой инструмент, с помощью которого можно определить при различной обстановке наэлектризованность любого тела, притом так, чтобы явствовало, где она больше». Этот прибор, основанный на явлении отталкивания двух наэлектризованных тел, Рихман применял при своих известных работах по изучению молнии. Изучению молнии он уделял много времени и внимания. Он и погиб, убитый молнией, во время наблюдения приближавшейся грозы.

Сведения по электричеству были тогда весьма ограничены, но еще более ограничены были сведения по магнетизму. Они сводились, пожалуй, к знанию механических действий естественных и стальных искусственных магнитов (притяжение и отталкивание) и к знанию свойств магнитной стрелки, применяемой для компасов. Но и эти механические свойства были известны только качественно. Лишь в конце XVIII в. (1785 г.) стал известен количественный закон взаимодействия между полюсами магнита. Еще не очень далеко было то время, когда ученый иезуит Кирхер (1634 г.) писал в своей книге [2], что магнит любит красный цвет и что, будучи завернут в красную материю, он становится сильнее и лучше сохраняет свою способность притягивать железо. Ученый иезуит объясняет это свойство магнита тем соображением, что магнит — «царь камней» и, следовательно, ему свойствен пурпур. Наоборот, по сведениям, сообщаемым Кирхером, магнит не выносит чеснока: будучи натерт чесноком, он теряет значительную часть своей притягательной силы.

Кирхер описывает и другого рода магнит, растительного происхождения. По его сведениям, в татарской орде, именуемой «За — волга», произрастает растение, именуемое «бараме» или «агнец», имеющее уши и ноги, как у барана, но не имеющее рогов. Это растение обладает магнитной силой по отношению к другим растениям. В эту эпоху имелось и много других подобных сведений о магнитах, однако одновременно высказывались и другие мысли. Так, немного раньше книги Кирхера появилась книга английского ученого врача Гильберта (1540–1603 гг.) «О магните, магнитных телах и великом магните — земле», в которой автор высказывает ряд весьма интересных мыслей о магнетизме, электричестве и впервые устанавливает различие между электрическими и магнитными явлениями. Гильберту принадлежит и самый термин «электричество».

После Гильберта учение о магнитных явлениях оставалось долгое время без дальнейшего развития и никаких новых, сколько-нибудь крупных работ о магнетизме не появлялось. Лишь в середине XVIII в., в связи с успехами изучения электрических явлений, появился интерес и к явлениям магнитным. Были высказываемы и мысли о связи между этими двумя родами явлений. Одним из пионеров идеи о связи между электрическими и магнитными явлениями был русский академик Эпинус. Об этом свидетельствует написанная им «Речь о сходстве электрической силы и магнитной в публичном Собрании Императорской Академии Наук в день 7 сентября 1758 г., говоренная Академии Наук профессором физики Ф. У. Эпинусом». В этой речи Эпинус рассматривает вопрос о связи между электрическими и магнитными явлениями и, опираясь как на свои исследования, так и на результаты, полученные другими учеными, кончает свою речь словами: «Показал я теперь, Почтеннейшие Слушатели, сходство между электрическою и магнитною силою и, таким образом, намерение свое исполнил». Эпинус говорил только о сходстве электрических и магнитных явлений, не рискуя сделать более смелых выводов. «Из сего можно заключить», писал он, «не только о некоемом союзе и сходстве магнитной и электрической силы, но и о сокровенном их точном подобии. Но я таким образом заключать не отважусь». Как известно, прошло много лет, пока появились люди, отважившиеся сделать это заключение.

Таким образом, наши пионеры в изучении электрических и магнитных явлений в самую раннюю эпоху изучения высказывали мысли, которые получили общее признание многими десятилетиями позднее, после работ Эрстеда, Ампера, Араго, Фарадея и др. Эти последние работы могли, однако, появиться лишь в последующую эпоху, после того, как стало известно новое электрическое явление — явление электрического тока, т. е. после изобретения вольтова столба, который впервые дал возможность получать длящийся электрический ток.

Работы Гальвани и Вольта послужили началом новой эпохи в изучении электрических явлений. Изобретение вольтова столба стало одним из величайших событий в истории развития знаний об электричестве потому, что вольтов столб дал впервые возможность получать электрический ток и затем изучить законы им управляющие и действия, сопровождающие его прохождение по проводникам.

Вольтов столб был изобретен итальянским физиком Алессандро Вольта в 1799 г. Алессандро Вольта первый обнаружил появление электродвижущих сил при соприкосновении разнородных металлов. Он же установил различие между проводниками первого класса (металлами) и второго класса (электролитами) и нашел, что составляя электрическую цепь из проводников обоих классов, можно получить в цепи электрический ток. Это открытие и привело его к сооружению «столбика», получившего в дальнейшем известную всем форму.

Изобретение Вольта вызвало к жизни, как тогда думали, новое электричество. «Не старое и шумное электричество Нолле и Франклина, — писал акад. Дюма, — но электричество Вольта, которое безшумно течет по металлическому проводнику».

Вольтов «столб», «столбик» или «столбец» стал непременной принадлежностью всех лабораторий, где изучались физические и химические явления. Его применил Дэви для своих разнообразных исследований, Фарадей для своих первых работ. Мощнейший «вольтов столб» построил для своих исследований и русский физик, профессор Медико-хирургической академии в Петербурге, впоследствии член Академии наук, Василий Владимирович Петров (1761–1834 гг.). Петрову мы обязаны открытием в 1802 г. того замечательного явления, которое затем получило название вольтовой дуги и которое вновь наблюдал в 1813 г. Гемфри Дэви (1778–1829 гг.). Это было первое электрическое явление, которое впоследствии получило приложение на практике и которое, следовательно, положило начало новому отделу технических знаний — электротехнике.

Первыми практическими применениями электричества были применения его для освещения. Первыми электрическими лампами были лампы с электрической дугой. Уже сам Петров писал, что при помощи открытого им электрического светового явления «темный покой достаточно освещен быть может».

За открытием вольтовой дуги последовал ряд других величайших открытий, касающихся электрического тока: были изучены свойства электрического тока, установлена связь между электрическими, магнитными, тепловыми и химическими явлениями, открыто явление термоэлектричества, обнаружено действие магнитного поля на световой луч, найдены законы механического взаимодействия токов между собою и взаимодействия токов и магнитов и, наконец, было открыто явление электромагнитной индукции. Все это было сделано в течение первой половины XIX в. Тогда же великими математиками той эпохи были приложены методы математического анализа к изучению электрических и магнитных явлений. Это привело к блестящим результатам. Теоретическое и экспериментальное изучение явлений магнитных и явлений электрического тока дало исключительно благоприятные результаты. К началу второй половины XIX в. физики обладали уже богатым запасом знаний по электричеству и магнетизму и, что оказалось особенно важным, владели способами количественного расчета этих явлении и способами их измерений. Серия важнейших открытий и изобретений началась с 1820 г. открытием датского физика Эрстеда (1777–1851 гг.) влияния тока на магнитную стрелку. Явление, наблюденное им, было весьма просто. Эрстед установил только факт, что электрический ток, получаемый от вольтова столба, проходя по проводнику, оказывает механическое воздействие на находящуюся вблизи магнитную стрелку и стремится поставить ее перпендикулярно к проводнику, но значение этого наблюдения было огромно: им впервые устанавливался факт существования вокруг проводника с током определенного магнитного поля.

Уже в том же 1820 г. Араго (1786–1853 гг.) при помощи создаваемого электрическим током магнитного поля намагнитил кусок стали и построил таким образом первый электромагнит со стальным сердечником. Позже были построены электромагниты с сердечником из мягкого железа. В 1822 г. Фарадей установил, что проводник, по которому проходит электрический ток, стремится вращаться вокруг магнитного полюса. Это наблюдение Фарадея было в дальнейшем использовано изобретателями электродвигателей.

В 1820 же г. Ампер (1775–1836 гг.) открыл явление механического взаимодействия между токами и в 1823 г. дал полную математическую обработку своих наблюдений, положив, таким образом, начало новому отделу науки об электричестве — электродинамике… В 1824 г. Араго и Гамбей наблюдали успокаивающее действие медной или иной пластинки из проводящего материала на качающуюся магнитную стрелку, которая как будто погружалась в вязкую среду. Араго сделал из этого наблюдения вывод, что если медная пластинка может задерживать колебания магнита, то если эту пластинку заставить вращаться, она увлечет за собой магнитную стрелку. Опыт подтвердил предположение Араго, и, таким образом, было открыто явление, названное «магнетизмом вращения».

Другие наблюдатели видоизменили опыт и, вращая магнит, заставляли вращаться помещенный над ним медный диск. В этом последнем виде, на много лет позже, явление было использовано М. О. Доливо-Добровольским для создания электродвигателей с вращающимся магнитным полем. Причины явления, названного «магнетизмом вращения», были во время его открытия совершенно непонятны и были объяснены только после открытия Фарадеем в 1831 г. явления электромагнитной индукции.

В 1823 г. Зеебеком (1770–1831 гг.) было открыто явление термоэлектричества, вызвавшее и вызывающее до сих пор ряд попыток осуществить заманчивую идею непосредственного превращения тепловой энергии в электрическую.

В 1827 г. немецким физиком Омом (1787–1854 гг.) было найдено соотношение между силой тока, электродвижущей силой источника тока и величинами, характеризующими проводник, по которому проходит ток. Это был знаменитый «закон Ома». Только знакомясь с трудами в области электричества, появившимися до установления закона Ома и введения понятия об «электрическом сопротивлении» проводников, можно понять, какое значение имело открытие этого закона и какую ясность и точность этот закон позволил внести во все расчеты электрических цепей.

Последовавшее затем установление законов Кирхгофа для разветвленных цепей еще более облегчило понимание и расчеты явлений в сложных электрических цепях.

1831 год ознаменовался открытием Фарадеем явления электромагнитной индукции. По своему научному и практическому значению это открытие имеет не много себе равных. Открытие Фарадеем закона электромагнитной индукции не явилось делом случая, наоборот, оно было следствием долгих размышлений и многочисленных экспериментов. Если электрический ток в проводнике способен образовывать в окружающем его пространстве магнитное поле, то несомненно должно существовать и обратное явление, когда существование магнитного поля обуславливает появление электрического тока. Так рассуждал Фарадей и уже в 1822 г. записал в своем дневнике: «Обратить магнетизм в электричество». Это самозадание он выполнил только в 1831 г. В 1833 г. акад. Ленд (1804–1865 гг.) сделал в Петербургской академии наук доклад о своих исследованиях над взаимодействием токов и магнитов, результатом которых явилось установление закона, выражающего связь между направлениями токов и их электромагнитными и электродинамическими взаимодействиями. Закону этому, известному ныне под именем закона Ленца, сам Ленц дал название: «Правило, по которому происходит сведение магнитоэлектрических явлений в электромагнитные». В своих работах Ленц устанавливает, что каждому электромагнитному явлению соответствует некоторое магнитоэлектрическое явление. Установление закона Ленца имело чрезвычайно большое значение. Задолго до установления Гельмгольцем принципа сохранения энергии Ленц выразил ту же идею в своем законе: «приближая проводник с током к другому замкнутому проводнику, мы возбуждаем в этом последнем ток. Работа перемещения первого проводника превращается в электрическую энергию во втором проводнике, направление тока в котором должно быть таково, чтобы препятствовать перемещению первого проводника, т. е. чтобы проводники отталкивались». В дальнейшем Ленц специально занялся вопросом об энергии электрического тока.

В 1834 г. Фарадей устанавливает законы электролиза, явления, открытого еще в 1800 г., и, таким образом, находит способ установить количественные соотношения между явлениями электрическими и химическими.

В 1837 г. Фарадей выясняет роль диэлектриков в электрических явлениях. В 1845 г. он находит количественные соотношения между явлениями магнитными и световыми, открыв явления магнитного вращения плоскости поляризации светового луча и установив зависимость в определенных случаях угла вращения от величины магнитного поля. Это явление, влияние магнитного поля на световой луч, послужило базой для многих замечательнейших открытий.

В том же году Фарадей устанавливает разницу между парамагнитными и диамагнитными телами.

К 1843 г. акад. Ленцем и Джоулем был установлен закон тепловых действий электрического тока (закон Ленца-Джоуля), связавший количественно электрические явления с тепловыми и, через их посредство, с механическими. Было, таким образом, установлено понятие об электрической энергии и об ее количественной связи с механической энергией.

В тот же период, в первой половине XIX в., был сделан еще целый ряд открытий и исследований в области электричества и магнетизма, имевших также большое значение. Таким образом, накопился целый ряд теоретических и практических сведений, которые позволяли уже надеяться осуществить мечту, зародившуюся в умах физиков уже очень давно, — мечту применить электрическую энергию для удовлетворения хозяйственных и культурных нужд человека. Осуществлением этой старой мечты занялись уже, главным образом, во второй половине XIX в., многочисленные пионеры-электрики, в числе которых было немало русских ученых и изобретателей, работы которых послужили первым этапом развития целых областей электротехники.

Примечания:

1

Акад. М. М. Богословский, Русское общество и наука при Петре Великом.

2

Сведения о книге Кирхера заимствованы из труда проф. И. И. Боргмана, Магнитный поток и его действия.