Пекка Теерикор - Эволюция Вселенной и происхождение жизни
Гильберт рассматривал электричество как жидкость, которая возникает или переносится при трении, например, когда янтарь натирают мехом. Он назвал эту жидкость «электрика», по греческому названию янтаря (многие родственные слова, произошли от этого термина, например электрон). Он показал также, что Земля является огромным магнитом, и изучал ее свойства, используя миниатюрную модель из магнетита (рис. 13.1). Это помогло ему объяснить, почему стрелка компаса указывает направление север-юг. Истинный магнитный полюс Земли расположен на широте 83°, в Северной Канаде, и медленно смещается к северу примерно на 40 км в год. По определению, северным полюсом магнитной стрелки называют тот ее конец, который смотрит на север. Как мы знаем, Кеплер рассматривал роль магнетизма в движении планет; теперь очевидно, что он заблуждался.
Рис. 13.1. Иллюстрация из книги Уильяма Гильберта «О магните», Гильберт знал, что на стрелку компаса влияет магнитное поле Земли, которое он называл Orbis virtutis В Китае компасом пользовались уже в первые века нашей эры, а в Европе о нем узнали в XIII веке. На рисунке северный и южный магнитные полюса расположены слева и справа.
Другой англичанин, Стефен Грей (1666–1736), объявил в 1729 году, что электричество, полученное в результате трения, можно перемещать с места на место. В зависимости от способности пропускать через себя электричество он разделил вещества на проводники (например, медь) и изоляторы (например, стекло). Француз Шарль Дюфе (1698–1739) слышал о работах Грея и начал собственное исследование. Он пришел к выводу, что существует два вида электричества — стеклянное и янтарное (или смоляное). Первый вид возникает, например, при трении стекла шелковой тканью, а второй — в янтаре, когда его трут мехом. Он сделал такое заключение, заметив, что тела, заряжающиеся схожим электричеством, отталкиваются друг от друга, в то время как тела с противоположным электричеством притягивают друг друга.
Открытие Дюфе можно было интерпретировать по-разному: либо действительно существует два вида электрической жидкости, или же есть жидкость одного вида, но возможен ее избыток или дефицит, как предполагал, например, Бенджамин Франклин. Он считал стеклянное электричество реальным, положительным электричеством, а янтарное электричество представлял как нехватку, или отрицательное электричество. По его мнению, трение или любое другое действие и не создают, и не разрушают электричество, а всего лишь приводят к передаче электричества от одного тела к другому. Таким образом, он предчувствовал закон сохранения электрического заряда, один из краеугольных камней современной физики. Ту же идею еще раньше предлагал Уильям Уотсон (1715–1787).
Франклин был не только одним из «отцов-основателей» во время Американской революции, но и изобретателем эффективной «печи Франклина», бифокальных очков и громоотвода. Он начинал подмастерьем переплетчика, став затем торговцем книгами и издателем. Случайно, в Бостоне, Франклин посетил выставку чудес электричества и был так очарован, что следующие 10 лет изучал электричество. Но еще он был вынужден заниматься дипломатической работой, помогая в создании Декларации независимости, Конституции США и служа американским послом в Париже (рис. 13.2).
Рис. 13.2. Бенджамин Франклин (1706–1790) был эрудитом, диапазон интересов которого простирался от электричества до дипломатии.
Когда мы анализируем электрическое притяжение и отталкивание, совершенно естественно сравнить их с гравитацией Ньютона. Кроме того, что для электрической силы характерны два вида заряда, она является более сильной версией закона сил Ньютона, что облегчает исследования. Английский теолог и физик Джозеф Пристли (1733_18°4) первый продемонстрировал, что закон силы между зарядами является законом обратных квадратов, как и закон гравитации Ньютона. Наиболее детальные исследования электрической силы провел Шарль Кулон (1736–1806) во Франции, поэтому закон действующей между электрическими зарядами силы назвали законом Кулона.
Электрическая батарея, созданная итальянским физиком Алессандро Вольта (1745–1827), открыла широкое поле для исследований, изменивших всю картину. Раньше сильные электрические токи генерировались только на мгновение во время электрического разряда. Теперь любая лаборатория могла быть оснащена мощной электрической батареей (рис. 13.3). Мощность электрического тока для исследований повысилась в 10 000 раз. Так были раскрыты новые секреты природы.
Рис. 13.3. Эту большую батарею в подвале Королевского института использовал, например, Гемфри Дэви в своих экспериментах.
Объединение электричества и магнетизма.Следующее большое открытие произошло почти случайно. Ханс Кристиан Эрстед (1777–1851), профессор физики Копенгагенского университета, готовился к лекции об электричестве и магнетизме; для этого он принес в аудиторию батарею, чтобы продемонстрировать действие электрического тока. Рядом с батареей он положил компас — для демонстрации магнитных сил. Прежде он уже замечал, что между электричеством и магнетизмом существует некоторая связь: например, стрелка компаса беснуется во время грозы. До начала лекции оставалось немного времени, и профессор решил провести небольшой опыт. Эрстед положил компас рядом с проводом, по которому тек электрический ток, и его подозрения подтвердились: под действием тока стрелка компаса начала двигаться. Таким образом, два отдельных феномена, электричество и магнетизм, которые до этого рассматривались совершенно раздельно, в действительности оказались связаны друг с другом. Эрстед продолжил свои исследования и опубликовал результаты в 1820 году.
Новость об открытии Эрстеда распространилась очень быстро. Через несколько лет его статья была зачитана на собрании Французской академии наук. На этом собрании был и Ампер, который тут же начал работать над объяснением явления, обнаруженного Эрстедом. Теория была готова через неделю и послужила основой для объединения электричества и магнетизма в теорию электромагнетизма.
Андре Мари Ампер (1775–1836) родился недалеко от Лиона. Его отец, состоятельный купец, занимавший должность мирового судьи в Лионе, был казнен во время Французской революции. Теперь дом Ампера превращен в музей и открыт для посещения. В детстве Ампер не ходил в школу, а приобрел свои знания путем чтения книг. Вот эпизод, говорящий о его прекрасной памяти и способностях к обучению. Будучи еще маленьким мальчиком, он отправился в Лионскую библиотеку и попросил книги знаменитых математиков — Эйлера и Бернулли. Библиотекарь объяснил мальчику, что это сложные математические книги, которые ему будет трудно понять, к тому же — они написаны на латинском языке. Новость о латинском языке смутила Ампера, но он решил, что незнание латинского языка не должно мешать ему. Спустя несколько недель он вернулся в библиотеку, уже зная латынь, и начал читать эти книги.
Ампер женился в 24 года и содержал семью, работая школьным учителем. В 1808 году он был назначен инспектором школ и на этой должности оставался всю жизнь. Кроме того, он работал профессором в Париже. К 1820 году, когда Ампер заинтересовался электромагнетизмом, он был уже широко известен своими трудами по математике и химии. Этот разносторонний ученый начинал как профессор математики, затем стал профессором философии, а позднее — профессором астрономии! Начиная с 1824 года Ампер был уже профессором физики Коллеж де Франс.
Ампер не удовлетворился только лишь объяснением результатов Эрстеда и начал свои исследования. Например, он показал, что, смотав электрический провод в виток, можно создать искусственный магнит — электромагнит, который действует точно так же, как естественные магниты. Ампер смело, но совершенно верно предположил, что естественные магниты содержат внутри себя небольшие витки непрерывного тока, которые действуют вместе и создают естественный магнетизм.
Ампер сразу же понял важность феномена электромагнетизма в передаче информации. Включая и выключая ток, можно привести в движение стрелку компаса, находящегося довольно далеко. Послание может быть передано с такой скоростью, с какой распространяется электрический ток. Вскоре началось производство телеграфных аппаратов, работающих по этому принципу. Одна из первых телеграфных линий была протянута в 1834 году в Геттингене между лабораторией Вильгельма Вебера и астрономической обсерваторией Карла Фридриха Гаусса. В том же году первую коммерческую телеграфную линию, соединившую Вашингтон и Балтимор (США), наладил Сэмюэл Морзе, изобретатель азбуки Морзе.
Другим ученым, сразу же оценившим огромное значение открытия Эрстеда, стал англичанин Майкл Фарадей. Он был сыном кузнеца и получил минимальное образование. В 13 лет он стал подмастерьем переплетчика. Переплетая книги, он их читал. Один из клиентов дал ему бесплатный абонемент на посещение публичных лекций Гемфри Дэви (1778–1829). Фарадей сделал аккуратный конспект лекций, красиво переплел его и послал Дэви с запиской, в которой спрашивал, нет ли у Дэви работы для него. Каково же было удивление Фарадея, когда Дэви пригласил его к себе. Конспект был написан очень аккуратно и произвел на Дэви хорошее впечатление. В 1820 году он предложил мальчику должность своего ассистента в Королевском институте в Лондоне. Так началась одна из наиболее знаменитых карьер в науке. Говорили, что самым большим открытием Дэви был Фарадей (рис. 13.4).
