Популярная история – от электричества до телевидения. Глава 5. 1750 г. – 1799 г.. Громоотвод Франклина, теории Эпинуса и Симмера, закон Кулона, открытие Гальвани, «ряд Вольта» (Владимир Кучин)

1752 г. Далибар

В 1852 году сообщения об опытах американца Франклина по извлечению электричества из атмосферы привели к постройке опытных громоотводов несколькими физиками в Европе. Во Франции Делор построил громоотвод на площади Парижа, Бюффон в Монтабаре, Далибар в Марли. Естествоиспытатели стали ждать грозу, не задумываясь о невероятной опасности опыта. 10 мая 1752 года в Марли аббату Далибару в присутствии группы своих прихожан первому в истории физики удалось извлечь из воздуха с помощью металлического шеста несколько длинных голубых искр. Одна искра попала ему руку и он испытал удар, сравнимый с ударом хлыста, после его опытов воздух запах серой, но радости Далибара не было предела – он вошел в историю науки, – дело в том, что Франклин предложил метод установки громоотвода, но масштабный опыт по его идее провел именно Далибар.

Рис 6. Опыт Далибара в Марли по [10]

Опыт Далибара был многократно повторен, в том числе:

17 мая 1752 г. н. с. искру из атмосферы получил в Париже Делор [10];

18 июля 1752 г. с. с. получил искру из «громовой машины» устроенной в своей квартире в Петербурге русский академик Георг-Вильгельм Рихман [13].

1753 г. С. М., Франклин, Рихман, Ломоносов, Кантон

17 февраля 1753 года в газете Scots Magazine некто, скрывшийся под псевдонимом «C. M.», предложил электростатическую систему связи. Линия связи по проекту состояла из 26-ти проводов, по числу букв английского алфавита, при этом каждый провод должен быть подключен одним концом к своей электрической машине. Прием сообщения производиться на другом конце линии связи при отклонении к проводу бумажного диска с соответствующей буквой. Подлинная фамилия изобретателя «C. M.» осталась неизвестна. Возможно это первый проект прототипа электрического телеграфа.

Опыт с получением электричества из атмосферы американец Франклин провел на год позднее француза Далибара (см 1752 г.). Историки обычно приписывают первенство в опыте с молнией Франклину – это не так.

«12 апреля 1753 года Франклин осуществил свой знаменитый опыт со змеем. Эксперимент отличался, как и все его опыты, простотой и вместе с тем большой изобретательностью. По углам рамки змея, сделанного из легкого шелкового платка, Франклин поместил острия, исходя из своего вывода, что острые предметы притягивают электричество. Змей был запущен в грозу, и возникавшие в тучах молнии притягивались этими остриями и передавались на бечевку, тянувшуюся к земле. Чтобы изолировать бечевку от земли, к ней была привязана шелковая лента, а к концу бечевки – ключ. Франклин подчеркивал в одном из своих писем Коллинзу, что необходимо было следить, чтобы шелковая лента на намокала; для этого человек, запускавший змея, должен был находиться под крышей. Как только грозовая туча оказывалась над змеем, вся система заряжалась электричеством, и ворс на бечевке поднимался дыбом. Когда дождь смачивал змей и бечевку, их электропроводность сильно увеличивалась, и на ключе скапливалось много электричества. «Вы увидите, – писал Франклин, – как электрический огонь обильно стекает с ключа при приближении вашего пальца». [19]

17 сентября 1753 года в письме Франклин подробно изложил теорию громоотвода. Он указал, что молния перестает действовать разрушительно, когда ее достаточно отводят, для этой цели он считает достаточным железные прутья диаметром в четверть дюйма. Для ликвидации взрывчатого разряда через громоотвод Франклин предлагает его заострять на конце, т. к. с металлического острия электричество стекает постепенно [17].

Рекомендации Франклина опоздали на 1 месяц – 6 августа 1753 г. н. с. опыты русского академика Рихмана завершились трагедией – при грозе из проволоки его «машины», которая шла с крыши в комнату, вылетел большой огненный шар (шаровая молния?), последовал взрыв – Рихман погиб от разрыва грудной клетки и тяжелой травмы головы. Рихман при своих экспериментах для измерений использовал некое подобие атмосферного электроскопа – льняную нить привязанную к проволоке идущей с крыши. Желая лучше понять угол отклонения этой нити он приблизился к проволоке на расстояние менее фута – и это привело к печальным результатам.

Михаил Ломоносов вел в этот же день наблюдения у своей «громовой машины», оборудованной в его квартире, но никак не пострадал. После гибели друга и коллеги 26 ноября 1753 г. с. с. Ломоносов делает сообщение «Слово о явлениях воздушных от Електрической силы происходящих…» [18]. Ломоносов формулирует два утверждения:

Электрическая сила, образующаяся в атмосфере, вызвана трением и теплом – точно так же как в электрической машине;

Основной причиной образования электрической силы в атмосфере является трение при вертикальном движении воздушных масс, которое обусловлено соотношением температур «нижней» и «средней» атмосфер и нагревом слоев атмосферы солнцем.

В 1753 году вопросом измерения силы электричества занимались независимо друг от друга несколько физиков, лучшего результата достиг англичанин Джон Кантон (1718—1772) – в его электроскопе было две нити, утяжеленные пробковыми шариками на концах (фактически это были конденсаторы), – конструкция Кантона стала прототипом современных электроскопов.

1754 г. Диниш, Кантон

15 июня 1754 году священник Прокоп Диниш в Прендице, Моравия, установил громоотвод в 22 клафтера высотой (клафтер=сажень = 1.8 метра). Возможно, это было первое применение громоотвода для защиты объекта в Европе, но уже 1756 году Диниш был вынужден снять свой громоотвод, т. к. прихожане обвинили его в том, что из-за его действия выдалось сухое лето. [11]. Споры о возможности защиты зданий от удара молнии громоотводами шли между учеными не менее 15 лет. К 1770 году мнение сторонников Франклина возобладало – громоотводы стали устанавливать на зданиях, в первую очередь на высоких.

В 1754 году англичанин Джон Кантон с помощью своего электроскопа (см. 1753 г.) провел ряд интересных опытов, которые обнародовал в статье «On some new electrical experiments». Он открыл, что для расхождения шариков не требуется перетекание электричества с тела, а достаточно приблизить электроскоп к нему – т. е. он открыл явление электрической индукции. Кантон пытался объяснить свои результаты – и сделал это неправильно – его опыты были объяснены в Германии (1757 г.) и России (1759 г.)

1755 г. Планта

С 1755 года в Германии, Франции, Англии в течение 10 лет электрическая машина повсеместно обрела своим генерирующим элементом стеклянные диски. Возможно первую подобную машину в 1755 году построил немец из Гальдштейна Мартин Планта (1717—1782). Современная конструкция электрической машины строится по образцу 1766 года английской машины механика Джессе Рамсдена (1735—1800), который приоритет Планта не признавал (вид современной машины другой – речь идет о принципе).

1758 г. Эпинус

7 сентября 1758 года в Петербурге академик Франц Эпинус (см. далее), приглашенный в Россию годом ранее из Берлинской академии, произнес речь о сходстве явлений электричества и магнетизма – «Sermo academicus de similitudine vis electricae atque magneticae» – на этих правильных воззрениях были основаны все его последующие работы. [12]. Необходимо сказать, что отношения Ломоносова и Эпинуса не сложились. Возможно сказывалась ревность сторожила к талантливому немцу, приглашенному к тому же на место убитого в 1753 году молнией академика Рихмана – друга Ломоносова. Не будем забывать, что 1758 год – время разгара Семилетней войны, в которой Россия и Пруссия были противниками.

1759 г. Эпинус, Симмер

В 1759 году в Петербурге опубликована работа академика Франца Эпинуса «Tentamen theoriae electricitatis et magnetismi», которая объясняла опыты Кантона и Франклина на основе «действия на расстоянии», теория «истечений», сохранявшаяся со времен Декарта, уходила в прошлое. В 1757 году Эпинус работал в Берлинской академии, и его коллега и сотрудник Иоганн Карл Вильке (1732—1796) написал диссертацию, в которой уже привел в порядок объяснения опытов англичанина Кантона с электроскопом.

«Эпинус (Франц Ульрих Теодор Aepinus) – германский математик, астроном и физик (1724—1802). По получении степени доктора медицины от ростокского университета, сделался в нем же приват-доцентом. С 1755—57 гг. был профессором астрономии при берлинской академии наук и астрономом берлинской обсерватории. В 1757 г. был приглашен в СПб. академию наук на должность профессора физики, на которой оставался до 1798 г.» «В торжественных собраниях петербургской академии наук Э. были произнесены следующие речи: «Sermo academicus de similitudine vis electricae atque magneticae» (1758; также и в русском переводе)» «в СПб. были напечатаны сочинения Э.: «Tentamen theoriae electricitatis et magnetismi» (1759),» «Значительнейшей из заслуг Э. перед физикой было его участие в создании теории электрической индукции. Его главное сочинение по физике «Tentamen etc.» явилось вследствие этого для своего времени делающим эпоху и притом в одинаковой степени как для электричества, так и для магнетизма.» [4].

Работа Франца Эпинуса оказала на учение об электричестве и магнетизме огромное влияние, но в ней сохранялись идеи Франклина об избытке «электрического огня» и «недостатке электрического огня», т. е. «униполярности». Новую – «дуалистическую» теорию электричества в своем сообщении 1759 года предложил англичанин Роберт Симмер. Симмер допустил одновременное существование в ненаэлектризованном теле двух противоположных электричеств, которые связывают друг друга и никак не проявляются. Электрические явления появляются в случае преимущества в теле одного из этих электричеств. Идея Симмера, который умер в 1763 году, и ничего кроме сообщений 1759 года не предложил, была модернизированной теорией «смолистого» и «стеклянного» электричества, но с важнейшим постулатом об их одновременном наличии. Постепенно теория униполярности Франклина в работах физиков была повсеместно заменена на теорию дуализма Симмера. Т. о. старые идеи Гильберта – Дюфе качественно были верны.

1760 г. Франклин

В 1760 году Франклин установил первый громоотвод в Филадельфии на доме торговца сукном Джона Веста. Как только громоотвод установили, началась гроза, и молния ударила в громоотвод – здание было защищено. Имя Франклина – инженера получило в Америке необычайную популярность. Так гласит официальная американская легенда.

1762 г. Лагранж

В 1762 году французский математик Лагранж в работе по акустике приводит в частном виде будущую теорему Гаусса, где использует оператор дивергенции. Гаусс свою «теорему Гаусса» представил в 1813 году, в обобщенном виде эту теорему представил Остроградский в 1831 году. В теории электромагнитного поля в России принято называть этот закон «теорема Остроградского-Гаусса». В 1861 году Максвелл представил свои 4 уравнения для электромагнитного поля – «уравнения Максвелла», 2 уравнения используют дивергенцию. До работ Герца оставалось более 10 лет, до работ Попова и Маркони – более 30! Выше изложенное демонстрирует – математика 18-го века опережала инженерную практику на 130 лет!

1767 г. Пристли

В 1761 году английский преподаватель Джозеф Пристли (1733—1804) начал активную экспериментальную работу. В 1766 году он установил, что сила взаимодействия зарядов обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними – т. е. это взаимодействие подобно закону тяготения Ньютона. В 1767 году Пристли опубликовал свою работу «History and present state of electricity» по электричеству, после чего продолжил работы уже в области химии. В 1774 году Пристли достиг выдающегося успеха – он первым получил кислород, знаменитый французский химик Лавуазье шел по его стопам.

Небольшая история.

Дело было так – Джозеф Пристли жил у пивоварни и случайно заинтересовался составом газов, рождающихся при брожении пива. Он обнаружил «крепкий воздух» – углекислый газ, которым научился насыщать воду – так в 1772 году появилась «сельтерская вода». Пристли обнаружил: «соляно-кислый воздух» – хлористый водород, «щелочной воздух» – аммиак, и, наконец, «чистый, дефлогированный воздух» – кислород. За получение «чистого воздуха» в 1776 году Пристли получил большую золотую медаль Королевского общества. А начиналось все с пива.

1769 г. Робинсон, Вольта

В 1769 году в Эдинбурге, Шотландия, доктор Джон Робинсон (1739—1805) провел эксперимент по измерению силы взаимодействия между зарядами и обнаружил, что эта сила зависит от расстояния с показателем степени у последнего равным (-2,06). Это дало ему основание предположить, что работа Джозефа Пристли (см. 1767 г.) верна.

В 1769 году в работы по электричеству включается 24-летний итальянец Вольта.

«1769, 18 апреля – Опубликована первая диссертации к Беккария о притягательных силах электрического огня на примере лейденской бутыли.» [15].

1771 г. Вольта

В 1771 году Алессандро Вольта изготовил электрическую машину из полированного дерева, в которой не было ни одной не деревянной детали, и этим удивил некоторых ученых – последние и не подозревали – свои работы начал гениальный инженер.

«1771, июль – Вторая диссертация к Спалланцани об устройстве простейшей электрической машины из дерева.» [15].

1772 г. Кулибин

В 1769 году, 23 декабря, нижегородец Иван Кулибин (1735—1818) был принят по контракту руководителем механической лаборатории Российской Академии наук. В лаборатории Кулибина, в том числе, изготовливались приборы для изучения электричества. В 1771 году Кулибин завершил конструирование большой электрической машины, которую делали по привезенному образцу, в 1772 г. началось ее изготовление. Лично Иван Кулибин придумал маленькую «карманную» электрическую машину, эти машины делались для Академии, а для любителей науки продавались в Книжной лавке. По [20].

Рис 7. Электрическая машина Кулибина образца 1772 г., по [20]

1775 г. Вольта, бомарше

В 1775 году Алессандро Вольта изготовил «электрофор» – интересный маленький лабораторный прибор, позволяющий создавать электрический заряд через индукцию. Сила «электрофора» именно в его простоте и доступности – электрические машины были крупными, дорогими и недоступными – а Вольта получал электричество с помощью блюдечка, пластинки, кусочка меха, пузырька и железного кружка с ручкой. Простота удивляла! Вольта сообщил о своем изобретении многим физикам, электрофором заинтересовались люди далекие от науки.

Как всегда нашлись и зубоскалы, полушутя полусерьезно называвшие электричество глупостями. Именно в 1775 году вышла бессмертная комедия Бомарше «Севильский цирюльник», где герои говорили:

1777 г. Лихтенберг

В 1777 году профессор из Геттингена Георг Лихтенберг при экспериментах с «электрофором» конструкции Вольта обнаружил, что электричество, истекающее с металлического острия в направлении смоляной пластинки, формирует смоляной порошок на его поверхности особым образом. Эти фигуры, отражающие в некоем смысле линии электрического поля, стали называть «лихтенберговыми».

Лихтенберг, Георг Кристоф (Lichtenberg, 1742—1799) – выдающийся немецкий ученый и публицист; род. в 1742. г. близ Дармштадта в семье деревенского пастора. В детстве у него образовался горб, остановивший его рост и сделавший его навсегда болезненным. Был проф. физики и астрономии в Геттингене и членом спб. акд. наук. Как ученый, Л. прославился лекциями по экспериментальной физике, которые пояснял опытами при помощи им самим усовершенствованных аппаратов, и открытием электрических фигур, названных его именем (лихтенберговые). [4].

1780 г. Гальвани

В 1780 году заведующий кафедрой университета в Болонье Луиджи Гальвани (1737 – 1798) начал работы, которые привели его к открытию животного электричества. [21].

6 ноября 1780 года он производит знаменитый опыт с лягушечьей лапкой.

1785 г. Кулон

Вопрос измерения силы электрического взаимодействия с 1750 года приобретает большое значение. Экспериментаторы предлагали все более и более совершенные электрометры. В 1779 году Кавалло поместил электрометр Кантона (см. 1754 г.) в стеклянную банку для исключения влияния воздуха, в 1781 году Вольта изготовил чувствительный соломенный электрометр. Новую измерительную конструкцию в 1784 году предложил французский физик Шарль-Огюстен Кулон (1736—1806) – он изобрел крутильные весы. Долгие опыты с маленькими металлическими шариками привели Кулона в 1785 году к «закону Кулона» о силе взаимодействия точечных зарядов. Закон Кулона – это один из фундаментальных законов электродинамики и теории поля.

1786 г. Гальвани

В 1786 году, 26 апреля, Луиджи Гальвани при помощи лягушечьей лапки и проволоки обнаруживает приближение грозы.

1788 г. Кулон

Французский физик Шарль-Огюстен Кулон завершает печать мемуаров об опытах с крутильными весами. Он провел опыты с намагниченными шариками и обнаружил, что их взаимодействие очень похоже на взаимодействие заряженных шариков. В 1789 году Кулон был принят в члены Парижской академии наук, но вскоре революция уничтожила все старые общественные институты Франции, академия закрылась. На время развитие науки во Франции, а затем и в Европе затормозилось.

1789 г. Вольта

Алессандро Вольта повторяет опыт Луиджи Гальвани с лягушечьей лапкой и обнаруживает явление электризации через соприкосновение разнородных металлов.

1791 г. Гальвани

В 1791 году Луиджи Гальвани публикует работу «Трактат о силах электричества при мышечном движении» и начинает новую страницу в науке об электричестве. [21].

1794 г. Вольта

В 1794 году Алессандро Вольта в письме профессору Вассалли предлагает ряд металлов, расположенных по создаваемой электрической силе – «ряд Вольта».

«Новая статья о животном электричестве в трех письмах, написанных синьору аббату Антону Мариа Вассалли профессору физики в королевском университете в Турине» «Письмо первое 10 февраля 1794 г.»

«Что Вы думаете о так называемом животном электричестве? Что касается меня, то я давно убежден, что все действие возникает первоначально вследствие прикосновения металлов к какому-нибудь влажному телу или к самой воде. В силу такого соприкосновения, электрический флюид гонится в это влажное тело или в воду от самих металлов, от одного больше, от другого меньше (больше всего от цинка, меньше всего от серебра). При установлении непрерывного сообщения между соответствующими проводниками этот флюид совершает постоянный круговорот.»

«Если вместо двигательных нервов в круг входят вкусовые нервы верхушки или краев языка, или же зрительные нервы, то соответственно возникает ощущение вкуса или света; и эти ощущения и движения тем сильнее, чем дальше отстоят друг от друга примененные два металла в том ряду, в каком они нами поставлены здесь: цинк, оловянная фольга, обыкновенное олово в пластинках, свинец, железо, латунь и различного качества бронза, медь, платина, золото, серебро, ртуть, графит. К ним следует прибавить, наконец, некоторые древесные угли, т. е. именно те, которые оказываются почти такими же проводниками, как металлы; другие же не годятся или плохи.» [21].

1797 г. Генри

В 1797 году в Олбани, США, родился Джозеф Генри – знаменитый физик.

ГЕНРИ (Henry) Джозеф (17.12.1797, Олбани, – 13.5.1878, Вашингтон), американский физик. С 1832 проф. Принстонского колледжа, с 1846 секретарь и директор Смитсоновского ин-та, с 1868 президент Нац. АН США; первый президент Философского об-ва в Вашингтоне (с 1871). Осн. труды по электротехнике. В 1828 впервые построил электромагниты большой силы, применив многослойные обмотки из изолированной проволоки. Г. открыл явление самоиндукции (1832) и колебательный характер разряда конденсатора (1842). Его именем названа единица индуктивности в системе СИ – генри. Г. принадлежат также работы по метеорологии.

1799 г. Вольта

В 1799 году Алессандро Вольта, профессор естественной философии в университете итальянского города Павия, пришел к окончательному выводу, что «животного электричества» (в том виде как его в те времена трактовали) не существует, а основными причинами открытия Луиджи Гальвани (см. 1780 г.) были две разных металла – стальной нож и оцинкованная пластина (жесть), – на которой лежала лягушка. Различные металлы, составляли пару из предложенного Алессандро Вольта ряда (см. 1794 г.), а разделение их влажными тканями лягушки привело к выработке электричества.

В следующем году 20 марта 1800 года Вольта извещает о великом открытии – создании «электрического органа» – «вольтова столба» – гальванической батареи.

Послесловие по главам 4—5. Предисловие к главам 6—8

18-й век ознаменовался большими достижениями в области электричества и некоторым прогрессом в области магнетизма. Гауксби, Бозе и их последователи построили удачную электрическую машину, серию смелых опытов с атмосферным электричеством провел Франклин, он же изобрел громоотвод, теории электричества предложили Дюфе, Франклин, Эпинус, Симмер, фундаментальные соотношения открыли Лагранж и Кулон. Последние десятилетия 18-го века прошли под знаком итальянской науки – «животное электричество» открыл Гальвани, открыл ряд активности металлов и приблизился к созданию гальванического элемента Вольта. Открытие итальянца Вольта в начале 19-го века переведет электричество из разряда диковин в двигатель человеческого прогресса.

19-й век человечество начинало в напудренных париках, на золоченых каретах запряженных лошадьми и деревянных парусниках, бегущих по воле ветра и волн, а закончило в деловых, вполне современных костюмах и пальто, на автомобилях, в железнодорожных вагонах и на пароходах. Прогресс в изучаемой нами отрасли в 19 веке был грандиозен. Электрическая и магнитная энергии были «обузданы» усилиями ученых и инженеров и стали важнейшей частью цивилизации. Физиками, химиками, электротехниками (появилась такая профессия) были проведены удивительные эксперименты, открыты разнообразные эффекты. Скудность технических сведений 16—18-го веков сменилась необъятностью информационного материала. Но мы будем следовать по нашей «информационной дороге» – от электричества к телевидению, оставляя «на обочине» важнейшие открытия и достижения не связанные напрямую с заданной темой – электрохимию, гальванику, электрометаллургию, электросварку, электрические машины, электрические генераторы, и т. д. и т. п. – в этих разделах будут упомянуты только первооткрыватели. Это единственный способ изложить нашу «Популярную историю».