Глава 8. Электричество и человек: первые опыты
Страх и любопытство пробуждались в наших далеких предках, встречавшихся с электричеством и магнетизмом, каждый раз скрывавшимися под новой, еще более таинственной маской. Но каждая маска была замечена, распознана зоркостью и памятью поколений. В это время электрические явления еще не изучаются – огни святого Эльма, молнии, притягивающиеся кольца и пушинки служат пока объектом пассивного, но пристального созерцания.
В. Карцев. Приключения великих уравнений
Многие электрические явления природы на протяжении долгой истории человечества в немалой степени поддерживали у невежественных людей веру в богов, в сверхъестественное. Как писал об этом публицист, популяризатор науки В. А. Мезенцев:
С незапамятных времен люди причисляют к чудесам множество явлений – редкостных, необыкновенных, устрашающих. Такова естественная человеческая реакция: то, что выходит за пределы повседневного опыта, что не укладывается в привычные представления и не охватывается устоявшимися понятиями, – все это нередко воспринимается в извращенном виде, а иной раз и в ореоле мистики.
Между тем его коллега по литературному цеху В. П. Карцев в блестяще написанной книге «Приключения великих уравнений» рассказывал и о первых попытках противостоять натиску электрической стихии.
Так, легендарный второй царь Древнего Рима Нума Помпилий, правивший в 715–672 годах до н. э., судя по дошедшим до нас сведениям, знал о том, что «молнии предпочитают острия копий и мечей», причем даже пытался устроить некое подобие громоотводов. Следующий римский венценосец Тулл Гостилий, царствовавший в 673–641 годах до н. э., решил воспользоваться опытом своего предшественника. Однако он неправильно провел обряд, посвященный Юпитеру, и погиб, подняв над своим домом копье, не связанное медной цепью с бронзовым алтарем, углубленным в землю. В результате сильный разряд разрушил царское жилище и поразил Гостилия.
Историки приводят еще по меньшей мере два свидетельства борьбы со «стрелами Юпитера» на Италийском полуострове, славящемся молниеносными грозами. Речь идет о древнеримской медали «Юпитер Элизий», на которой изображен этруск, запускающий воздушного змея для защиты от громовержца, мечущего молнии. На другой гемме изображен храм Юноны, защищенный от гнева богов остриями гигантских копий.
На Ближнем Востоке существовал знаменитый Иерусалимский храм, в который часто попадали молнии, не принося никаких повреждений. Он был оснащен эффективной системой громоотводов, начинавшихся от системы железных кольев на позолоченных участках кровли и по металлическим водостокам сходивших в подземные водохранилища. Колоссальное количество атмосферного электричества до сих пор ждет своего применения, а первые искусственные источники электроэнергии известны еще с XVII века. Здесь надо вспомнить, что сам термин, от которого позже и произошло слово «электричество», ввел британский естествоиспытатель Вильям Гильберт, придворный лейб-медик королевы Елизаветы. В 1600 году вышел его знаменитый труд «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле. Новая физиология, доказанная множеством аргументов и опытов».
Еще задолго до появления гальванических элементов знаменитый естествоиспытатель, магдебургский губернатор Отто фон Герике создал электризационную установку, получившую название «машина Герике». В ней потираемый руками вращающийся серный шар служил изобретателю для модельной демонстрации электрического притяжения и отталкивания в явлениях электростатической индукции, эффект острия, электропроводность льняной нити, которой шар передавал свою способность притягивать легкие тела. В опыте с нитью притяжение наблюдалось в пределах нескольких сантиметров от нижнего конца полуметровой нити.
Исаак Ньютон (1643–1727) не только являлся одним из создателей классической механики, теории всемирного тяготения и оптики, но уделял большое внимание исследованию электрической субстанции. Так, в статье, доложенной Королевскому обществу в 1675 году, он предложил важное усовершенствование электризационной установки, заменив серный шар стеклянным, в результате чего появилась «электризационная машина», снабженная ручным приводом на основе вращающегося стеклянного шара, потираемого руками. С подобными приборами великий физик провел очень много опытов, часть из которых до сих пор известна историкам науки только по косвенным упоминаниям и в пересказах.
Первые попытки ученых объяснить грозу как процесс электрического разряда относятся к началу XVIII века. Одну из научных теорий грозы, в основных чертах соответствующую природе явления, дал на основании ряда экспериментальных исследований великий русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765). Он исследовал природу атмосферного электричества, открыл вертикальные восходящие и нисходящие воздушные течения, дал объяснение происхождению северных сияний, комет, установил связь между природой света и электричества.
В начале пятидесятых годов XVIII века Ломоносов вместе с академиком Георгом Вильгельмом Рихманом (1711–1753) создал лабораторную установку, включающую незаземленное электроизмерительное приспособление установки, включающей электроскоп с шелковой нитью, отклоняющейся от вертикали тем больше, чем сильнее атмосферный заряд, и прообраз лейденской банки. Свой прибор ученые назвали «громовой машиной», служившей для многочисленных наблюдений силы и характера электрических разрядов в атмосфере. С этой установкой они приступили к изучению атмосферного электричества, проведя ряд довольно опасных опытов. Так, 26 июля 1753 года в преддверии приближающейся грозы Рихман нагнулся к электрометру, в тот же миг от «громовой машины» отделился бледно-синий огненный шар небольшого размера и коснулся головы академика. Так трагически погиб близкий друг Ломоносова, совершив, по его словам, научный подвиг, равный подвигу Прометея, принеся человечеству огонь небес и научив обращаться с ним.
Ломоносов сообщал своему придворному покровителю графу Шувалову, что Рихман выполнял лейденский опыт «с сильным ударом», который «можно переносить с места на место, отделяя от машины в знатное расстояние около целой версты». Хотя история не сохранила нам детальное описание и чертеж этого уникального эксперимента, можно предположить, что Ломоносов и Рихман построили своеобразную линию передачи от электризационной машины на «знатное расстояние». В точности неизвестно, каковой же была эта линия передачи, но сам Ломоносов указывал, что молниеприемник в виде изолированного прута был укреплен на крыше дома Рихмана. К этому пруту крепилась железная проволока и, будучи тщательно изолирована от стен, вела прямо в кабинет Рихмана. На конце проволоки академики укрепили линейку с льняными и шелковыми нитями для измерения величины электрических зарядов. Затем они подвесили на шелковых шнурах сорокаметровую железную цепь, которая соединяла между собой остроконечный железный прут, заряжавшийся атмосферным электричеством даже в ясную погоду, и электрический указатель – электрометр. Длина цепи, по данным Рихмана, не влияла на показания электрометра. В опыте, о котором сообщает Ломоносов, Рихман, по-видимому заряжал и разряжал лейденскую банку «с сильным ударом» в различных точках линии.
Ломоносов и Рихман проводят опыты с громовой машиной.
В этом же, 1753 году Ломоносов написал сочинение о природе электричества и вызываемых им явлениях «Слово о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих», где выдвинул свою оригинальную теорию образования атмосферного электричества, доказывая при этом его полную идентичность искусственным электрическим явлениям, получаемым от электростатических машин. Согласно его представлениям, электризация облаков происходит за счет «трения мерзлых паров о воздух», при этом под «мерзлыми» парами Ломоносов имел в виду лед, а «воздух» понимался им как смесь воздуха, водяного пара и мельчайших водяных капелек. Ломоносов особо подчеркивал, что разделение электрических зарядов и образование сильного электрического поля происходит только при интенсивных вертикальных восходящих и нисходящих течениях.
Впоследствии Ломоносов продолжил исследования атмосферного электричества, он неопровержимо установил электрическую природу грозовых разрядов – молний, доказав, что в атмосфере, независимо от грозовых туч, всегда имеются электрические заряды, а также открыл электрическую сущность полярных сияний. Великий русский ученый даже смог, исходя из ничтожного набора экспериментальных фактов, высказать гениальное предвидение, что обычный свет свечи, костра и даже Солнца тоже имеет электрическое происхождение. Здесь же отметим еще одно очень важное наблюдение Ломоносова, сделанное им при анализе разбитой молнией «громовой машины» Рихмана: молниевый разряд сплавил вместе витки провода и сам стержень. Из чего Ломоносов впоследствии, после долгих размышлений, сделал опять-таки гениальный логический вывод: мощные электрические разряды могут плавить металлы. Как жаль, что и это открытие первого русского академика было оценено только через полтора столетия!
Лейденская банка была изобретена в 1745 году независимо голландским профессором Питером ван Мюсхенбруком (1692–1761) и немецким прелатом Эвальдом Георгом фон Клейстом. Диэлектриком в этом конденсаторе служило стекло сосуда, а обкладками – вода в сосуде и ладонь экспериментатора, державшая сосуд. Выводом внутренней обкладки служил металлический проводник, пропущенный в сосуд и погруженный в воду. Уже через год появились различные модификации лейденской банки с фольговыми обкладками, с внутренней обкладкой из металлических опилок или дроби и так далее. Лейденская банка позволяла накапливать и хранить сравнительно большие заряды, достигавшие миллионных долей кулона.
Летом 1748 года оригинальные опыты по передаче электричества проводил знаменитый американский государственный деятель и ученый Бенджамин Франклин (1706–1790). На противоположных берегах реки Скулкилл у самой воды он расположил два метровых металлических стержня; к верхушке одного из которых был прикреплен кусок проволоки с шариком на конце, свисавшим над сосудом со спиртом. Сам ученый так описывал свой опыт:
Тонкая проволока, прикрученная одним концом к ручке ложки со спиртом, была переброшена через реку и поддерживалась над водой паромным канатом. Другим концом этой проволоки была обвязана обкладка банки, при зарядке которой искра из крюка (вывода внутренней обкладки) проскакивала к верхушке прутка, воткнутого на этом берегу реки. Одновременно пруток на другом берегу давал искру в ложку со спиртом, который при этом воспламенялся на потеху филадельфийцам, наблюдавшим за опытом. Вторым проводом линии передачи служила вода реки.
Франклин также одним из первых установил, что молния является природным разрядом больших скоплений электрического заряда в нижних слоях атмосферы. В 1752 году он провел знаменитый опыт с бумажным змеем, к шнуру которого был прикреплен металлический ключ, и получил от ключа искры во время грозы. С тех пор молния интенсивно изучалась как интересное явление природы, а также из-за серьезных повреждений линий электропередачи, домов и других строений, вызываемых прямым ударом молнии или наведенным ею напряжением.
Электрические опыты Герике в более крупном масштабе продолжил английский ученый Стивен Грей (1666–1736). Благодаря его работам, проведенным при участии Грэнвилла Уилера (1701–1770), опыты по передаче электричества на расстояние вышли за пределы помещения.
В 1729 году, передавая заряды на большее расстояние, Грей провел опыт стоя на балконе и держа в руках стеклянную трубку со свисающей восьмиметровой веревкой с шаром из слоновой кости. Внизу находился ассистент Грея, определявший наличие заряда с помощью латунного листа (на дощечке). Грей также исследовал передачу электрических зарядов по горизонтали, подвешивая веревку на гвоздях, вбитых в деревянную балку, дальний конец веревки с шаром свисал, как обычно, над латунным листком. Однако этот опыт не получился, и Грей сделал правильный вывод о том, что электричество ушло в балку.
Преодолеть затруднение удалось благодаря оригинальной идее закрепить «линию электропередачи» шелковым шнуром, и первый же опыт оправдал все ожидания. Горизонтальная часть бечевочной линии проходила от стеклянной палочки, к которой она была привязана, до шелкового шнурка, а к концу линии был подвешен шар из слоновой кости. При потирании палочки латунный листок притягивался к шару и держался на нем некоторое время.
Работы Грея побудили к исследованиям по электричеству французского ученого Шарля-Франсуа де Систерне Дюфе (1698–1739), который в 1733 году воспроизвел опыты по горизонтальной передаче электричества с помощью бечевки. При этом Дюфе обнаружил, что опыт удается лучше, если намочить бечевку, а также пришел к выводу, что изоляционные свойства шелка обусловлены не его цветом, а применяемыми красителями. Затем исследователь показал, что линию передачи можно изолировать с помощью не только шелковых шнурков или конского волоса, но и стеклянных трубок, в том числе покрытых сургучом.
Осенью 1746 года в Парижской академии наук заслушали сообщение врача Луи-Гильома Лемонье. Он экспериментировал с тонкостенным лейденским сосудом. Лемонье заряжал его, прикасаясь выводом внутренней обкладки непосредственно к электризуемому трением стеклянному шару. При быстром вращении шара лейденский сосуд менее чем за полминуты заряжался настолько, что из проволочного вывода с шипением выходил пучок искр. Лемонье также разряжал лейденский сосуд через цепочку из большого числа людей, причем электрический удар люди испытывали тогда, когда стояли на изолирующем коврике (из смолы и воска в равных долях) или на полу. Люди образовывали цепочку, держась за руки или соединяясь друг с другом через многометровые металлические цепи. Одни цепи касались земли, другие были погружены в ведро с водой, а некоторые обмотаны вокруг больших кусков железа. Во всех этих опытах люди испытывали электрический удар.
Исследования Лемонье побудили других ученых предпринять в более крупных масштабах всяческие опыты с целью определения скорости распространения электричества. Четырнадцатого июля 1747 года английские физики проложили металлический провод по мосту через Темзу с одного берега на другой. При этом один из экспериментаторов, стоя на каменном спуске, держал в одной руке этот провод, а в другой – металлический стержень, погруженный в реку. На противоположном конце второй экспериментатор, также стоя на каменном спуске, держал в руке тот же провод, а в другой – заряженную лейденскую бутылку, обернутую свинцовой фольгой и наполненную металлическими опилками. Третий экспериментатор, стоявший рядом, одной рукой окунал в воду металлический стержень, а другой касался вывода внутренней обкладки лейденской банки, заряжаемой от электризационной машины в соседнем доме. Таким образом все три исследователя испытывали электрический удар. На основании проведенных опытов был также сделан вывод о том, что электричество распространяется мгновенно.
Опыты английских исследователей вызвали оживленную дискуссию среди специалистов по электричеству того времени. Вышеизложенные опыты стимулировали идею электрического телеграфа, но удивительно, что ее не высказал ни один из вышеупомянутых исследователей.
Таким образом, открытие электропроводности показало принципиальную возможность передачи электричества на расстояние, при этом в опытах были с успехом применены различные проводники: льняная нить, пеньковая бечевка, непросушенное дерево и, наконец, медная металлическая проволока.
Последующие опыты с электричеством неразрывно связаны с именем выдающегося русского ученого Эмиля Христиановича Ленца (1804–1865).
Будущий академик вначале планировал посвятить жизнь геофизическим исследованиям и даже совершил кругосветное путешествие, дополнив его экспедициями в отроги крымских и кавказских гор. Именно за свою большую работу по геофизике и астрономии он и был избран академиком Петербургской академии наук. При этом академик Ленц тут же изменил направление своих научных интересов, занявшись исследованиями в области электричества. Именно своими работами в области электричества и магнетизма Ленц вошел в историю науки. Он существенно дополнил и развил открытое Фарадеем явление электромагнитной индукции, сформулировав свое знаменитое правило для направления индукционных токов. Ленц доказывал, что сущность электричества совершенно одинакова, вне всякой зависимости от природы его возникновения, он также впервые дал правильное объяснение явлению электрической поляризации. Независимо от Джоуля он открыл закон превращения энергии электрической в тепловую (закон Джоуля – Ленца).
Замечательной чертой Ленца как ученого было глубокое понимание физических процессов и умение открывать их закономерности. Начиная с 1831 и по 1836 год он занимался изучением электромагнетизма.
В начале тридцатых годов XIX столетия знаменитый французский физик, математик и естествоиспытатель, член Парижской академии наук Андре-Мари Ампер (1775–1836) установил правило для определения направления действия магнитного поля на магнитную стрелку, исследуя взаимодействие между магнитом и электрическим током и обнаружив, что магнитное поле Земли влияет на движущиеся проводники с током. Он также открыл взаимодействие между электрическими токами и развил теорию магнетизма, предложив использовать электромагнитные процессы для передачи сигналов.
Согласно теории Ампера магнитные взаимодействия являются результатом происходящих в телах взаимодействий так называемых круговых молекулярных токов, эквивалентных маленьким плоским магнитам, или магнитным листкам. В 1822 году Ампером был открыт магнитный эффект катушки с током, откуда следовала идея эквивалентности соленоида постоянному магниту.
Между тем во время торжественного заседания Петербургской академии наук в 1830 году, принявшего Ампера в иностранные почетные члены, отмечалось, что приоритет многих его исследований принадлежит академику Ленцу, гораздо раньше проводившего опыты с многовитковыми контурами с током и открывшего усиливающий магнитное поле эффект ввода железных сердечников.
Э. Х. Ленц (1804–1865).
Во многом предвосхитил академик Ленц и открытия другого своего великого современника Майкла Фарадея (1791–1867), английского физика и физико-химика, считающегося основоположником учения об электромагнитном поле.
После открытия в 1820 году датским исследователем электромагнетизма Хансом Христином Эрстедом (1777–1851) магнитного действия электрического тока Фарадея увлекла проблема связи между электричеством и магнетизмом. В 1831 году Фарадей экспериментально открыл явление электромагнитной индукции как возникновение электрического тока в проводнике, движущемся в магнитном поле. Фарадей также дал математическое описание этого явления, лежащего в основе современного электромашиностроения.
Ампер и Фарадей создали несколько по существу мнемонических правил для определения направления наведенного тока (тока индукции). Но главного результата добился Ленц, открывший закон, определивший направление индуцируемого тока. Он известен сейчас как правило Ленца. Правило Ленца раскрывало главную закономерность явления: наведенный ток всегда имеет такое направление, что его магнитное поле противодействует процессам, вызывающим индукцию. Двадцать девятого ноября 1833 года это открытие было доложено Академии наук. В 1834 году Ленца избрали ординарным академиком по физике.
В 1842 году Ленц открыл независимо от Джеймса Джоуля закон, согласно которому количество тепла, выделяющегося при прохождении электрического тока, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени. Он явился одной из важных предпосылок установления закона сохранения и превращения энергии.
Совместно с Борисом Семёновичем Якоби Ленц впервые разработал методы расчета электромагнитов в электрических машинах, установил существование в последних «реакции якоря». Он также открыл важнейший принцип обратимости электрических двигателей, положив начало разработке динамо-машин. Кроме того, Ленц изучал зависимость сопротивления металлов от температуры и участвовал в разработке первых в мире электродвигателей.
