Курс истории физики - Кудрявцев Степанович

Эти исследования составили содержание труда Франклина «Опыты и наблюдения над электричеством», состоящего из писем к члену Лондонского Королевского общества Питеру Коллинсо-ну. Коллинсон прислал в филадельфийскую библиотеку стеклянную трубку с указанием, как пользоваться ею для производства электрических опытов. В письме к Коллинсону от 28 марта 1747 г. Франклин писал, что этот подарок побудил его и других членов библиотеки «заняться электрическими опытами, при проведении которых нами наблюдались некоторые новые, по нашему мнению, явления». Франклин занимался электричеством с большим увлечением. «...Мне до этого никогда не приходилось проводить исследование, которое столь полно завладело бы моим вниманием и временем...» — признавался он в том же письме. Результатом этого увлечения было создание унитарной теории электрических явлений, доказательство электрической природы молнии и другие важные открытия.

Рис. 26. Расположение приборов в электрических опытах Рихмана

Один из первых опытов Франклина заключался в электризации чугунного шара, помещенного на горлышке «чистой сухой стеклянной бутылки». Электризация исследовалась с помощью легкого пробкового шарика, подвешенного на шелковой нити, прикрепленной к потолку. Франклин установил в этом опыте действие проводящего острия, разряжающего шар, и светя щегося в темноте при разряде. Франклин уже в письме от 11 июля описал свои опыты с наэлектризованным шаром, острием, заряженной вертушкой. Здесь он ввел представление о положительном и отрицательном электричестве. «Чтобы электризовать плюс или минус, требуется знать лишь только то, что части трубки или шара, которые натираются, притягивают в момент трения электрический огонь и, значит, забирают его из предмета, которым производится натирание; эти же самые части, как только прекратится их натирание, стремятся отдать полученный ими огонь любому предмету с меньшим его количеством».

Рис. 27. Элетрические указатель, применявшийся при исследовании грозы. Рисунок Рихмана

Таким образом, Франклин пользуется представлением об особой электрической субстанции, которую он называет «электрическим огнем». Он предполагает, что электрический огонь «является распространенным элементом» и тела до процесса электризации имеют равные количества этого элемента.

В письме от 1 сентября 1747 г. Франклин описывает действие лейденской банки. «Удивительно, как эти два состояния электричества— плюсовое и минусовое — сочетаются и уравновешиваются в этой чудодейственной банке!» — восклицает он. Франклин тщательно исследовал эту взаимосвязь. Опытом с разборной банкой он установил, что вся сила банки и способность к удару заключается в самом стекле, а не в обкладках. Этот опыт им описан в письме IV от 1748 г. Здесь же он излагает результаты* своих опытов и сконструированное им «колесо Франклина» — модель электростатического двигателя, распространенную принадлежность школьных физических кабинетов.

К 1749 г. теория электричества Франклина была завершена. В письме Коллинсону от 29 июля 1750 г. он так формулирует ее основные положения.

«1. Электрическая субстанция состоит из чрезвычайно малых частиц, так как она способна проникать в обыкновенную материю, даже в самые плотные металлы, с большой легкостью и свободой, как бы не встречая при этом сколь-либо заметного сопротивления.

3. Электрическая субстанция отличается от обыкновенной материи в том отношении, что частицы последней взаимно притягиваются, а частицы первой отталкиваются друг от друга...

4. И хотя частицы электрической субстанции взаимно отталкивают друг друга, они сильно притягиваются всей прочей материей.

6. Таким образом, обыкновенная материя по отношению к электрической жидкости является как бы своеобразной губкой...

7. Но в обыкновенной материи содержится (как правило) столько электрической субстанции, сколько она может заключать в себе. Если прибавить ей этой субстанции еще, то она разместится снаружи, на поверхности, и образует то, что мы называем электрической атмосферой; в этом случае говорят, что предмет наэлектризован.

15. Электрическая атмосфера принимает форму того предмета, который она обволакивает...»

Франклин показывает, что электрическая атмосфера обволакивает шар равномерно, с остриев ее легче отобрать, чем с граней. Он демонстрирует стека-ние электричества с острия на различных опытах. Заметим, что это свойство острия и углов было еще раньше открыто и исследовано Рихманом. Существенно, что в теории Франклина электричество является субстанцией, которую нельзя создать или уничтожить, а можно только перераспределить. Закон сохранения электрического заряда—основное положение теории Франклина, предшественницы электронной теории.

Франклин высказал также гипотезу, что молния представляет собой разряд наэлектризованных туч. Он произвел знаменитый опыт с воздушным змеем, запуская его при приближении грозовых туч. К верхнему концу вертикальной планки крестовины змея он прикреплял заостренную проволоку. К концу бечевки привязывал ключ и шелковую ленту, которую держал рукой. «Как только грозовая туча окажется над змеем, заостренная проволока станет извлекать из нее электрический огонь, и змей вместе с бечевой наэлектризуется... А когда дождь смочит змей вместе с бечевой, сделав их тем самым способными свободно проводить электрический огонь, Вы увидите, как он обильно стекает с ключа при приближении Вашего пальца». (Письмо Коллинсону от 19 октября 1752 г.).

Опыты Франклина и его идея громоотвода вызвали широкий резонанс. Их повторяли в Европе.Жан Далибар (1703— 1799) во франции, установив на подставке из электрика (т. е. изолятора) в саду железный заостренный шест высотой 40 футов, извлекал из него искры во время грозы. Аналогичные наблюдения проводили Ломоносов и Рихман в Петербурге. Как мы уже знаем, во время наблюдений грозы 26 июля 1753 г. Рихман был убит молнией.

Отметим, что Франклин, употребляя термины «электрик» и «неэлектрик», критиковал их как неверные. По его теории электричество содержится во всех телах; электрическая субстанция «довольно равномерно рассредоточена по всей массе нашего шара, состоящего из суши и воды». Поэтому термины «электрик» и «неэлектрик» должны быть отброшены как неверные и заменены понятиями «проводник» и «непроводник» (единственное отличие одних тел от других состоит только в том, что некоторые проводят электрическую субстанцию, другие нет)».

Как мы видим, Рихман начал свои электрические исследования за два года до Франклина. Совершенно независимо от Франклина начал «электрические воздушные наблюдения» и Ломоносов. Ему удалось с помощью электрического указателя установить электрическое состояние атмосферы в отсутствие грома и молнии. Об этом он сообщал в своей посмертно опубликованной статье. Рихман и Ломоносов не приняли теории Франклина. Ломоносов разрабатывал свою теорию электрических явлений, в которой сделал попытку объяснить электричество движением частиц эфира. Сопоставляя это с идеей Рихмана об электрическом поле, можно констатировать, что если Франклин предвосхитил будущую электронную теорию, то петербургские академики предвосхитили будущую теорию поля фарадея — Максвелла.

В 1759 г. в Петербурге вышла на латинском языке книга «Опыт теории электричества и магнетизма» академика Франца Ульриха Теодора Эпинуса (1724—1802). За два года до выхода этой книги член Берлинской Академии наук Эпинус принял приглашение Петербургской Академии наук и заключил контракт на пять лет. Однако в России он нашел вторую родину, принял русское подданство и проработал в новом отечестве 45 лет до самой смерти.

«Опыт теории электричества и магнетизма» Эпинуса, в отличие от книги Франклина и работ Рихмана, рассматривал не только электрические явления, но и магнетизм. При этом, в отличие от Гильберта, Эпинус ищет не отличия, а сходства между электричеством и магнетизмом. Открытие им полярной электризации турмалина при нагревании (пироэлектричество), опубликованное им в 1756 г., поразило его в особенности тем, что он обнаружил «чрезвычайное сходство между этим камнем (турмалином) и магнитом». Под впечатлением этого открытия Эпинус «начал снова исследовать сходство между магнитом и электрической силой». В результате этих исследований он стал считать «причины магнитных и электрических явлений совершенно сходными, а действия магнита аналогичными действиям лейденской банки».

В основу своей теории Эпинус кладет представление об электрической и магнитной жидкостях, частицы которых взаимодействуют с материей и между собой притягательными и отталкива-тельными силами. Следуя примеру Ньютона, Эпинус не рассматривает природу этих сил, а описывает с помощью их экспериментальные факты. Вместе с тем Эпинус замечает, что хотя он «вполне убежден в существовании сил притяжения и отталкивания », однако не считает их, «как поступают некоторые неосторожные последователи великого Ньютона, силами, внутренне присущими телам», и не одобряет учения, «которое постулирует действие на расстояние». «...Мой взгляд, — пишет Эпинус, — сводится к тому, что притяжения и отталкивания... я считаю явлениями, причины которых еще скрыты, однако от них зависят и от них берут начало другие явления». Такова позиция Эпинуса в споре картезианцев и ньютониан-цев. Эпинус принимает франклиновс-кую гипотезу единой электрической жидкости: «Существует некая жидкость, производящая все электрические явления и вследствие этого названная электрическою, тончайшая, весьма эластичная, части которой, даже на значительных расстояниях, заметно отталкивают друг друга». «Частицы этой жидкости притягиваются материей, из которой состоят все известные до сих пор тела».