Макс Лауэ - ИСТОРИЯ ФИЗИКИ
Электролиз, в котором мы теперь видим причину возникновения гальванического тока, был описан уже в 1797 г. до элемента Вольта Александром Гумбольдтом (1769-1859) (стяжавшим большую славу своими достижениями в описательных естественных науках). Он наблюдал электролиз в цепи одного цинкового и одного серебряного электродов с прослойкой воды между ними. Гениальный фантазер Иоганн Вильгельм Риттер (1776-1810) получил путем электролиза металлическую медь из раствора медного купороса. Он обнаружил также идентичность статического и гальванического электричества, применяя для электролиза разряды лейденской банки. Он первый установил, что химические превращения являются причиной возникновения тока в гальваническом элементе. В 1800 г. Гемфри Дэви (1778-1829) начал свои знаменитые электролитические исследования, которые его привели в 1807 г. к открытию гальванического выделения щелочных металлов. Благодаря количественному измерению массы продуктов электролиза он открыл для исследования направление, которое привело в 1834 г. к закону эквивалентности Михаила Фарадея (1791-1867), в 1853 г. к работам Иоганна Вильгельма Гитторфа (1824-1914)
о передвижении ионов, в 1875 г. к открытию Фридрихом Кольраушем (1840-1910) независимости подвижности ионов, а в 1887 г. к теории электролитической диссоциации Сванте Аррениуса (1859-1927). Замечательное завершение нашел этот знаменитый ряд открытий в теории электродвижущих сил Вальтера Нерн-ста (1864-1941).
Тем самым была завершена теория гальванического тока. Правда, представление о том, что, например, ион натрия должен свободно двигаться в водном растворе, не реагируя химически с окружающей средой, встречало вначале значительное сопротивление; часто не признавали различия между нейтральным атомом и ионом. Но теория получила такие многочисленные подтверждения, что сопротивление постепенно заглохло.
Открытие Вольта положило начало ряду еще других линий развития. Гальванические элементы давали токи совсем другой силы и продолжительности, чем те, которые получались путем разряда конденсатора. В 1811 г. Дэви при помощи батареи из 2000 элементов получил вольтову дугу, которая служила электрическим источником света до тех пор, пока в 70-х годах XIX столетия она не была постепенно вытеснена изобретенной Томасом Эдисоном (1847-1931) осветительной лампой. Благодаря элементам стали доступны исследованию магнитные действия тока.
С начала XIX века существовало много различных предположений о силах, действующих между электрическими и магнитными флюидами; эти предположения привели к исследованиям взаимодействия между магнитными полюсами и открытыми вольтовыми столбами. Независимо от таких ложных путей и чисто случайно Ганс Христиан Эрстед (1777-1851) натолкнулся в 1820 г. на факт отклонения магнитной стрелки электрическим током и нашел после этого также соответствующее направление силы магнита, действующей на контур с током. Многие физики, особенно фран-
цуэские, стали исследовать вновь открытую область, и в течение двух лет были созданы основы электромагнетизма. Сначала Доминик Франсуа Араго (1786-1853) и Жозеф Луи Гей-Люссак (1778-1850) наблюдали намагничивание куска железа под влиянием тока, проходящего по проволоке, намотанной на железо. Это был первый электромагнит. В том же году Андре Мари Ампер (1775-1836) установил свое знаменитое правило пловца для определения направления магнитного силового поля по отношению к проводнику тока и нашел, что одинаково направленные токи притягиваются, а противоположно направленные - отталкиваются. Он показал, что соленоид действует как магнитный стержень. Одновременно Жан Батист Био (1774-1862) и Феликс Савар (1791-1841) на основании результатов опыта сформулировали названный по их имени закон магнитного действия отдельного элемента тока. Фарадей в 1821 г. подверг действию постоянных магнитов подвижные части цепи тока и, наоборот, магниты действию токов. После этого в 1822 г. Ампер показал взаимодействие двух электрических цепей тока и принял его за исходный пункт для своего основного закона электродинамики - термин, который впервые появляется именно у него. Особенное значение имело, правда только через столетие, его объяснение магнетизма уже не посредством двух магнитных флюидов, но действием гипотетических молекулярных токов (1821-1822).
Из этих магнитных действий тока была получена мера для силы тока. В 1826 г. Симон Ом (1787-1854) при помощи ясного разделения понятий «электродвижущая сила», «уровни напряжения», «сила тока» вывел названный по его имени закон пропорциональности между силой тока и разностью напряжений, причем коэффициент пропорциональности означал сопротивление проводника. Ом показал, что сопротивление
проволоки пропорционально длине и обратно пропорционально ее сечению, и заложил этим основы для понятия удельной электропроводности тел. Но это только одна из трех констант, которые характеризуют поведение любого вещества в отношении электричества и магнетизма.
В 1847 г. Р. Кирхгоф (1824-1887) смог разрешить проблему разветвления тока путем установления правил, названных по его имени.
Важнейшее применение электродинамика нашла в телеграфе. В 1833 г. Гаусс и Вильгельм Вебер (1804-1891) дали принцип функционирования телеграфа по одной линии.
После 1822 г. наступил перерыв в развитии электромагнетизма, хотя до этого была исследована только половина этой группы явлений.
В 1831 г. Фарадей открыл, что действию токов на магнит соответствует обратное действие магнита на ток. Он наматывал на железное кольцо две катушки из проволоки и пропускал ток через первую катушку; сразу же после включения тока в первой катушке возникал ток во второй; при выключении тока в первой катушке во второй появлялся ток противоположного направления. Тем самым была открыта индукция, и Фарадей в последующие годы выяснил ее различные формы. В 1833 г. его несколько неясные указания о направлении индуцированных движений токов Э. X. Ленц (1804-1865) соединил в правило, названное по его имени. Вскоре появились индукционные машины, которые вырабатывали электрический ток без применения гальванических элементов. Но особенно большой подъем в этой области начался после 1867 г., когда В. Сименс (1816-1892) заменил используемые в индукционных машинах стальные магниты электромагнитами, которые питались вырабатываемым этими маши-
нами током; именно в этом заключается динамоэлек-трический принцип.
Электродинамика дала возможность установить вторую, независимую от закона Кулона, систему мер. Можно, например, в качестве единицы силы тока выбрать такой ток, который, протекая в длинном проводнике на расстоянии одного сантиметра от второго такого же проводника с таким же током, действует на единицу длины последнего с силой в одну дину. Эта электромагнитная единица такова, что равная ей сила тока в течение единицы времени дает конденсатору единицу количества электричества. Это с необходимостью привело к вопросу об отношении к электростатической единице, определенной законом Кулона. Из соответствующих формул увидели, что это отношение имеет размерность скорости. Его значение измерил в 1852 г. Вильгельм Вебер (1804-1891) с удивительным результатом: это есть скорость света, равная 3 • 1010см/сек. Джемс Клерк Максвелл (1831-1879) проверил этот результат в 1868-1869 гг. с более высокой точностью, так как это имело основополагающее значение для электромагнитной теории света. В дальнейшем определение этого отношения было так усовершенствовано, что и сейчас считается точным измерением скорости света.
Применяемые в настоящее время в технике электрические единицы - ампер, ом, вольт и др. - были установлены в 1881 г. Интернациональным конгрессом в Париже. В то время, в силу недостаточного предвидения развития техники, не решались принять электромагнитную единицу силы тока как техническую единицу, так как она казалась непрактично большой, и определили ампер как 1/10 этой единицы.
Во всех упомянутых до сих пор измерениях имели дело с токами в металлических проводниках. В 1872 г. Генри Роуланд (1848-1901) показал, что конвекционные токи статических зарядов на движущихся телах оказывают точно такое же магнитное действие.
Открытия электродинамики поставили теорию перед задачами, которые в отличие от всех прежних задач не могли быть разрешены рассмотрением центральных сил, действующих между материальными точками и зависящих только от расстояния. Ампер и Франц Эрнст Нейман (1798-1895) и прежде всего Вильгельм Вебер разработали новую теорию. Основной закон Вебера (1846) охватил все, что тогда знали об электричестве, допущением, что сила между двумя зарядами зависит не только от расстояния, но также от скорости и ускорения, что токи являются движущимися зарядами. До 1890 г. закон Вебера играл большую роль в науке. Но все эти теории страдали тем недостатком, что они допускали дальнодействие. Поскольку была признана конечная скорость распространения электрических действий, они лишались почвы. Они свидетельствуют еще сегодня о том, как тяжел был путь познания в этой области, к каким большим изменениям всех физических воззрений он привел.
