Электричество и магнетизм

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

 

ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ЭЛЕКТРОСТАТИКЕ И  МАГНИТОСТАТИКЕ

Первые сведения об электричестве  и магнетизме

 

Изучение электрических и магнитных  явлений по-настоящему начинается только в XVIII в. Но первые сведения об этих явлениях были известны уже древним.

Древние греки знали свойство натертого  янтаря притягивать мелкие предметы. Само слово «электричество» происходит от греческого слова «электрон», что  значит по-русски янтарь.

Древние греки знали также, что  существует особый минерал - железная руда (магнитный железняк), способный притягивать железные предметы. 3алежи этого минерала находились возле города Магнесии. Название этого города послужило источником термина «магнит».

Древние не исследовали ни электрических, ни магнитных явлений. Однако они попытались дать объяснение этим явлениям.

Самое первое объяснение свойств магнита  притягивать железо заключалось  в том, что магниту приписывалась  «душа», которая заставляла магнит притягивать железо или притягиваться  к железу.

При этом магнит представляли подобно живому существу. Живое существо, например собака, видит кусок мяса и стремится к нему приблизиться. Подобно этому магнит как бы видит железо и стремится к нему притянуться.

Это объяснение весьма примитивно с  нашей точки зрения. Однако такого рода объяснения, когда предметы неживой природы одушевлялись, были характерными для древних, которые верили в существование целого ряда богов, духов и т. д.

Но в древности начала развиваться  и материалистическая философия. Философы-материалисты Древней Греции отвергали существование духов и пытались объяснить все явления природы естественными законами.

Они учили, что все тела состоят  из мелких материальных неделимых частиц - атомов. По их мнению, кроме атомов и пустоты, в которой атомы  движутся, ничего не существует. Все явления природы объясняются движением атомов. Само слово «атом» греческого происхождения. Оно означает «неделимый».

Философы, верившие в существование  атомов, из которых состоит природа, получили название атомистов. Одним  из родоначальников этой философии был древнегреческий философ Демокрит (460 - 370 до н.э.). Философы-атомисты пытались дать объяснение электрическим и магнитным явлениям без обращения к специальным «душам» и «духам».

 

 

Первые успехи в исследовании магнитных явлений в средние века

 

В средние века изучение магнитных  явлений приобретает практическое значение. Это происходит в связи  с изобретением компаса.

Уже в XII в. в Европе стал известен компас как прибор, с помощью которого можно определить направление на части света. О компасе европейцы узнали от арабов, которым было уже к этому времени известно свойство магнитной стрелки. Еще раньше, вероятно, такое свойство знали в Китае.

Начиная с XII в. компас все шире применялся в морских путешествиях для определения  курса корабля в открытом море.

Практическое применение магнитных  явлений приводило к необходимости  их изучения. Постепенно выяснялся  целый ряд свойств магнитов.

В 1600 г. вышла книга английского  ученого Гильберта «О магните, магнитных  телах и большом магните - Земле». В ней автор описал уже известные свойства магнита, а также собственные открытия.

Еще раньше узнали, что магнит всегда имеет два полюса. Они были названы  по имени частей света - северный полюс  и южный полюс. В числе свойств  магнита Гильберт указывал на то, что  одинаковые полюсы отталкиваются, а разноименные притягиваются.

Гильберт предполагал, что Земля  представляет собой большой магнит. Чтобы подтвердить это предположение, Гильберт проделал специальный опыт. Он выточил из естественного магнита  большой шар. Приближая к поверхности шара магнитную стрелку, он показал, что она всегда устанавливается в определенном положении, так же как стрелка компаса на 3емле.

Гильберт описал явление магнитной  индукции, способы намагничивания железа и стали и т. д. Книга Гильберта  явилась первым научным исследованием магнитных явлений.

 

Развитие учения об электричестве в XVII и XVIII вв. 
до изобретения лейденской банки

В своей книге Гильберт коснулся и электрических явлений. Нужно  отметить, что хотя в то время  магнетизм и электричество рассматривались как явления разной природы, тем не менее очень давно ученые заметили в них много общего. Поэтому не случайно во многих работах исследовались одновременно и магнитные и электрические явления. В частности, изучение магнетизма вызвало интерес к исследованию электрических явлений.

Так было и у Гильберта. Изучая магнитные  явления, что, как мы говорили, имело  практический интерес, он уделил внимание и электричеству, хотя оно в то время в практике не использовалось.

Гильберт открыл, что наэлектризовать можно не только янтарь, но и алмаз, горный хрусталь и ряд других минералов. В отличие от магнита, который способен притягивать только железо (других магнитных материалов в то время не знали), наэлектризованное тело притягивает многие тела.

Новый шаг к изучению электрических явлений был сделан немецким ученым Герике. В 1672 г. вышла его книга, в которой были описаны опыты по электричеству. Наиболее интересным достижением Герике было изобретение им «электрической машины». «Электрическая машина» представляла собой шар, сделанный из серы и посаженный на железный шест. Герике вращал этот шар и натирал его ладонью руки. Впоследствии ученый несколько раз усовершенствовал свою «машину».

Несмотря на простоту прибора, Герике смог с его помощыо сделать  некоторые открытия. Так, он обнаружил, что легкие тела могут не только притягиваться к наэлектризованному шару, но и отталкиваться от него.

В XVIII в. изучение электрических явлений  пошло быстрее. В первой половине этого столетия были открыты новые  факты.

В 1729 г. англичанин Грей открыл явление электропроводности. Он установил, что электричество способно передаваться от одних тел к другим по металлической проволоке. По шелковой нити электричество не распространялось. В связи с этим Грей разделил все тела на проводники и непроводники электричества.

3атем французский ученый Дюфе  спустя пять лет выяснил, что  существует два рода электричества.  Один вид электричества получается  при натирании стекла, горного  хрусталя, шерсти и некоторых  других тел. Это электричество  Дюфе назвал стеклянным электричеством.

Второй вид электричества получается при натирании янтаря, шелка, бумаги и других веществ. Этот вид электричества  Дюфе назвал смоляным. Ученый установил, что тела, наэлектризованные одним  видом электричества, отталкиваются, а разными видами, - притягиваются.

Впоследствии стеклянное электричество  было названо положительным, а смоляное - отрицательным. Это название предложил  американский ученый и общественный деятель Франклин. При этом он исходил  из своих взглядов на природу электричества.

 

 

Изобретение лейденской банки и первые электрические приборы

 

Очень важным шагом в развитии учения об электричестве было изобретение лейденской банки, т. е. электрического конденсатора.

Лейденская банка была изобретена почти одновременно немецким физиком Клейстом и голландским физиком Мушенбруком в 1745 - 1746 гг. Свое название она получила по имени города Лейдена, где Мушенбрук впервые проделал с ней опыты по изучению электрических явлений.

Мушенбрук так описывал свое изобретение  в письме к французскому ученому Реомюру: «Хочу сообщить Вам новый, но ужасный опыт, который не советую повторять. Я занимался изучением электрической сичы. Для этого я подвесил на двух шелковых голубых нитях железный ствол, получающий электричество от стеклянного шара, который быстро вращался вокруг оси и натирался руками. На другом конце висела медная проволока, конец которой был погружен в стеклянный круглый сосуд, заполненный наполовину водой, который я держал в правой руке; левой же рукой я пытался извлекать из электрического ствола искру. Вдруг моя правая рука была поражена ударом с такой силой, что все тело содрогнулось, как от удара молнии.

Несмотря на то что сосуд, сделанный  из тонкого стекла, не разбивается  и кисть руки обычно не смещается  при таком потрясении, тем не менее локоть и все тело поражаются столь страшным образом, что я не могу выразить словами, я думал, что пришел конец».

Вскоре лейденская банка была усовершенствована: внешнюю и внутреннюю поверхность  стеклянного сосуда стали обклеивать металлической фольгой. В крышку банки вставляли металлический стержень, который сверху заканчивался металлическим шариком, а нижний конец стержня при помощи металлической цепочки соединялся с внутренней обкладкой.

Лейденская банка является обычным  конденсатором. Когда внешнюю обкладку ее заземляют, а металлический шарик соединяют с источником электричества, то на обкладках банки скапливается значительный электрический заряд и при ее разряде может протекать значительный ток. Получение больших зарядов с помощь лейденской банки значительно способствовало развитию учения об электричестве.

Прежде всего усовершенствовалась  аппаратура для исследования электрических  явлений, в частности электрические  маслины. Это были, как и первая машина Герике, такие устройства, в которых электрический заряд получался в результате натирания стеклянного или эбонитового диска кожей или другими подобными материалами.

3атем появился первый электроизмерительный  прибор - электрометр. Его история  начинается с электрического  указателя, созданного Рихманом вскоре после изобретения лейденской банки. Этот прибор состоял из металлического прута, к верхнему концу которого подвешивалась льняная нить определенной длины и веса. При электризации прута нить отклонилась. Угол отклонения нити измерялся с помощью шкалы, прикрепленной к стержню и разделенной на градусы.

В последующее время были изобретены различной конструкции электрометры. Так, например, электрометр, созданный  италянцем Беннетом, имел два золотых  листочка, повсещенных в стетслянный  сосуд. При электризации листочки расходились. Будучи снабжен шкалой, такой прибор мог измерять, как тогда говорили, «электрическую силу. Но что такое «злектрическая сила», этого еще никто не знал, т. е. неизвестно было, какую физическую величину измеряет этот прибор. Данный вопрос был выяснен значительно позже.

 

Первые шаги в практическом применении учения 
об электрических явлениях

 

Хотя учение об электрических явлениях начало играть существенную роль в практической жизни лишь начиная с середины XIX в., тем не менее первые попытки практического применения злектричества относятся уже к середине XVIII в.

После изобретения лейденской банки, когда ученые смогли наблюдать сравнительно большие искры при электрическом  разряде, возникла мысль об электрической  природе молнии.

Известный американский ученый и общественный деятель Бенджамин Франклин (1706 - 1790) высказал эту идею в письме в  Лондонское королевское общество в 1750 г.

В этом письме он объяснял также, как  можно проверить высказанное  предположение. Он предлагал поставить на башню будку, на крышу которой вывести железный шест. Помещенный внутри будки человек в случае грозы мог бы извлекать из шеста электрические искры.

Содержание письма Франклина стало  известно во Франции. О нем узнал  француз Далибар, который в  мае 1752 г. проделал опыт, о котором писал Франклин.

У себя в саду, возле Парижа, Далибар  установил высокий железный шест, изолировав его от земли. В то время  когда собиралась гро:за, он попробовал извлечь электрические искры  из шеста. Опыт удался. Действительно, Далибару удалось получить электрические искры.

В том же году, летом, Франклин в  Америке проделал похожий опыт. Вместе со своим сыном он запустил змей во время грозы. Когда нить, которой  был привязан змей, намокла, то из нее  можно было извлекать электрические искры. Франклину даже удалось зарядить при этом лейденскую банку.

После того как об опытах Франклина  стало известно в Петербурге, подобными  же опытами занялись русские академики  Рихман и Ломоносов. Они устроили более удобную установку для  изучения атмосферного электричества, названную громовой машиной.

Громовая машина представляла собой  заостренный железный шест, установленный  на крыше дома. От железного шеста  в дом шла проволока. Конец  этой проволоки был соединен с  электрцческим указателем, т.е. с простейшим электрометром, изобретенным Рихманом.

С громовой машиной и Рихман и  Ломоносов проделали много опытов. Ломоносов открыл, что электрические  заряды в атмосфере появляются не только во время грозы, но и без  нее. На основе своих опытов Ломоносов  создал первую научную теорию образования электричества в атмосфере.

Летом 1753 г. случилось несчастье. Собиралась гроза, и Рихман пришел к своей  громовой машине, чтобы наблюдать  электри ческие разряды. Вдруг в  комнате появилась шаровая молния произошел электрический разряд - и ученый был убит.

Впечатлением от трагической смерти Рихмана немедленно воспользовалось  духовенство в целях борьбы с  безбожием. Попы и монахи стали распространять мысль о том, что Рихман был  наказан богом за дерзкие опыты.

После того как была выяснена электрическая природа грозы возникла идея устройства громоотвода для предохранения зданий от пожаров в результате попадания в них молнии.

Громоотводы быстро вошли в практику. Это было первое практическое применение учения об электрических явлениях. Оно способствовало развитию научных исследований по электричеству вообще.

Следует отметить, что духовенство  и позже враждебно относилось к исследованиям атмосферного электричества  и к использованию громоотводов, полагая, что защита от ударов молний - безбожное занятие.