Страница:
В работе Эпинуса есть и другие интересные предвидения, реализованные позже учеными.
Франц Ульрих Теодор Эпинус, физик, член Петербургской Академии наук с 1756 года, родился в 1724 году в городе Ростоке в семье пастора. В том же городе поступил в университет, откуда уходил в Иену, по обычаю буршей, меняющих университеты. Однако, в конце концов, снова вернулся в Росток, где и получил степень доктора медицины.
После окончания учебы Эпинус некоторое время работал приват-доцентом в том же университете, преподавал астрономию и физику. Но вскоре переехал в Берлин, где получил должность профессора астрономии при Академии наук. Одновременно он выполнял обязанности астронома при обсерватории.
В Берлине Эпинус познакомился с молодым, только что окончившим Ростокский университет Иоганном Карлом Вильке.
В то время многие физики были увлечены загадкой удивительных кристаллов, привезенных голландскими купцами в начале столетия с острова Цейлон. Назвали этот камень турмалином, или турмалем. Он бывал разного цвета, и его прозрачные кристаллы ценились наравне с индийскими рубинами и другими драгоценными камня ми. Но физиков привлекало то обстоятельство, что стоило нагреть турмалин на огне, как он тут же начинал притягивать к себе и отталкивать частички золы. Его даже прозвали за это «зольным камнем».
Знахари и «специалисты» черной и белой магии платили за кристаллы турмалина бешеные деньги. Надетый на шею или на палец при восходе солнца турмалин обещал своему владельцу счастье на целый день. Особенно хорошо помогал он в осенние дни. Впрочем, по данным современных ювелирных фирм, турмалин может принести счастье своему владельцу и в феврале, и в мае, и в августе…
В 1717 году удивительные свойства турмалина рассматривались на заседании Парижской Академии. Поскольку его притягивающая сила была признана магнитной, то минерал получил название «цейлонского магнита».
Молодой шведский врач Каролус Линнеус, в будущем знаменитый естествоиспытатель и почетный член многих академий Карл Линней, одним из первых стал сомневаться в магнитной природе силы турмалина. Линнеус читал лекции по минералогии и пробирному искусству, занимался медицинской практикой и еще находил время для обдумывания и подготовки своей «Системы природы».
Линней предположил, что сила притяжения турмалина при его нагревании имеет электрическую природу. И хотя у ученого не было доказательств, он назвал минерал «Lapis electnctis».
После серии опытов Эпинусу и Вильке удалось доказать, что при неравномерном нагревании турмалина на его противоположных сторонах возникают электрические заряды. По сути дела было открыто новое природное явление — еще одно проявление электрических сил, показывающее их связь с теплотой. Результаты опытов Эпинус опубликовал в мемуарах Берлинской Академии. Они обратили на себя внимание ученого мира. И в том же году молодой профессор получил не только лестное, но и выгодное приглашение — переехать в Россию, занять должность профессора физики Петербургской Академии наук.
На новом месте Эпинус проявляет завидную энергию и работоспособность. Он пишет популярные статьи, которые помещаются в академических изданиях. Пишет и ту замечательную работу, с которой мы начали зна комство с ним, — «Опыт математической теории электричества и магнетизма».
Во введении автор рассказывает, как открытый им пироэлектрический эффект в турмалине натолкнул его на мысль о глубоком сходстве электрических и магнитных явлений. Ведь до этого только магнит имел всегда два полюса, а теперь и нагретый турмалин оказался обладателем дипольного эффекта. Вот только почему? В чем причина обнаруженного явления? Однако Эпинус отказывается даже от обсуждения сил притяжения и отталкивания. При этом он ссылается на Ньютона, который также не занимался, по его мнению, выяснением причин всемирного притяжения. Правда, при этом автор трактата, чтобы избежать обвинений в эпигонстве, подчеркивает: «Я отнюдь не считаю их, как поступают некоторые неосторожные последователи великого Ньютона, силами внутренне присущими телам, и я не одобряю учения, которое постулирует действие на расстоянии. Действительно, я считаю несомненной аксиомой предположение, по которому тело не может производить никакого действия там, где его нет». Значит, силы притяжения и отталкивания, действующие на расстоянии, в его работе — лишь условное допущение. По мысли Эпинуса — это универсальное свойство электрических зарядов, точно так.же, как всемирное притяжение — универсальное свойство масс в механике Ньютона. А за субстанцию, обладающую свойствами электрического притяжения и отталкивания, Эпинус принимает некую единую электрическую жидкость, предложенную Франклином в своей теории.
Частицы электрической жидкости отталкиваются друг от друга, но притягиваются обычной материей. Они свободно проникают через поры одних тел и с трудом преодолевают другие. Первые, как мы можем легко понять, являются проводниками электричества, вторые — изоляторами. И все электрические явления, известные современной науке, Эпинус делит на два рода. К одному относит все, что связано с переходом электрической жидкости от одного тела к другому. Примером могут являться искры, возникающие при электризации тел. К другому — притяжение и отталкивание.
По аналогии с гипотезами, высказанными в теории электричества, Эпинус строит и теорию магнетизма. Он предполагает существование магнитной жидкости, частицы которой взаимно отталкиваются. Точно также делятся и тела: одни проявляют индифферентность, безразличие, к частицам магнитной жидкости (они являются аналогами диэлектриков), другие притягивают ее частицы (они являются проводниками).
Правда, закон Ньютона утверждал, что все тела природы связаны друг с другом силами притяжения, а если принять теорию единой электрической жидкости, то она приводила к тому, что материальные частицы должны отталкиваться друг от друга. Это обстоятельство немало смущало Эпинуса и его соратников. Позже ученый выдвинул предположение, что закон Ньютона применим к телам, содержащим естественное количество электрической жидкости. Это позволило обойти затруднения в формальном смысле, но убедительности теории не прибавило. И потому многие выдающиеся физики отказались принять франклиновскую унитарную теорию. Высоко оценивая труды Эпинуса за то, что в них дана приближенная математическая теория взаимодействия электрических и магнитных тел, исследователи все же вернулись к идее электрических жидкостей. Интересно, что и для этого случая вычисления Эпинуса оставались справедливыми.
До появления работы Эпинуса физики были уверены, что взаимодействие электризованных тел с неэлектризованными вполне возможно. Эпинус же утверждал, что лишь после того, как заряд одного тела вызовет появление заряда на другом, они приходят во взаимодействие. Это было, совершенно новым представлением, которое впоследствии пришлось весьма кстати, когда были открыты явления электрической и магнитной индукции и поляризации тел.
Интересно и утверждение петербургского профессора о том, что электрическая материя существует только в телах и отсутствует в пространстве, где действуют электрические силы. Здесь Эпинус довольно близко подходит к понятию электрического и магнитного поля, которое возникло и получило развитие в физике следующего столетия.
Работы Эпинуса сразу же стали широко известны и оказали большое влияние на взгляды физиков того времени, на развитие науки об электричестве. На его труды ссылались Кэвендиш и Кулон, о его теории писали Гауи и французские академики Лаплас, Кузен и Ле-жандр, а также Вольта и Фарадей…
Условия работы в академии были трудные. Одряхлевшего Шумахера заменил, по меткому выражению Ломоносова, «зять его, и имения, и дел, и чуть не Академии наследник» Тауберт — серая посредственность с угодливым характером. Этот академический советник держал себя всегда благопристойно и с достоинством, обладал в высшей степени умением вкрадываться в милость к знатным и пользоваться их расположением. Вместе с тем это был мелкий честолюбец и великим интриган… Другими членами канцелярии были назначены академики Ломоносов и Штелин. Ломоносов и Тауберт уже много лет питали друг к другу враждебные чувства. Понятно, что такое назначение не могло служить дальнейшему успеху работы канцелярии, да и всей Академии в целом.
К сожалению, Эпинус недолго занимался чисто научной деятельностью. Обласканный Таубертом, он полностью перешел на его сторону, стал в оппозицию Ломоносову и другим ученым, занявшись интригами и «искательством».
К 1758 году относится и его первый конфликт с Ломоносовым по поводу изобретенной тем «ночезрительной трубы». Вот как пишет о том сам Михаил Васильевич: «Подал советник Ломоносов в профессорское собрание проект о делании трубы, коею бы яснее видеть можно было в сумерках, и представил давно сделанный тому опыт. Физики профессор, что ныне коллежский советник, Эпинус делал на то объекции, почитая сие невозможным делом. Ломоносов немного после того спустя получил от камергера Шувалова присланную трубу того же сродства, и он представлял в доказательство своей справедливости. Однако профессор Эпинус не токмо слушать не хотел, но и против Ломоносова употреблял грубыя слова и вдруг вместо дружбы прежней стал оказывать неприятельские поступки. Все ясно уразумели, что то есть Таубертов промысел по шумахеровскому примеру, который ученые между профессорами споры, кои бы могли дружелюбно кончиться, употреблял в свою пользу, портя их дружбу. Все ясно оказалось тем, что Эпинус не токмо с Ломоносовым, но и с другими профессорами, ему приятелями, перестал дружиться, вступил в Таубертову компанию и, вместо прежнего прилежания, отдался в гуляние…»
В 1765 году Эпинус по желанию вступившей на престол Екатерины II принял на себя заботу о воспитаиии великого князя Павла Петровича. И с тех пор уже занимался только административной и государственной деятельностью.
Участвуя в придворных интригах, Эпинус забросил свои академические занятия, хотя и продолжал занимать должность. Как и большинство иностранцев, работавших в России, заботился главным образом о собственном благополучии. И это ему вполне удалось. Лишь в 1798 году в возрасте 74 лет он покинул русскую службу и перебрался в Дерпт (ныне Тарту), где через четыре года и умер.
Трибоэлектричество и постоянные магниты. XX век
В наши дни электростатические машины типа той, что демонстрировал почтенный куратор опытов Лондонского королевского общества мистер Фрэнсис Гауксби-старший, кажутся чем-то родственным деревянной сохе или каменному топору, хотя и сохранились еще в физических кабинетах некоторых школ. Здесь они позволяют получать электрические заряды, накапливать их на добрых старых лейденских банках и проводить опыты. Но не только на радость ребятишкам служит «чистое» электричество, получаемое при помощи трени.
В начале XX века перед физиками встал вопрос: как получать интенсивные пучки атомных частиц, обладающих большой скоростью, для бомбардировки атомного ядра? Для этого следовало прежде всего научиться создавать сильное электрическое поле. Тогда заряженные частицы, испускаемые каким-нибудь источником, попав в такое поле, начинают ускоренно двигаться по его направлению. Чем больше разность потенциалов в начале и в конце пути частиц, тем большую скорость, а следовательно, и энергию они приобретут.
Во всех физических лабораториях мира началось соревнование за получение сверхвысоких напряжений. Для любителей точных цифр могу сказать, что обычная динамо-машина дает напряжение примерно до тысячи вольт. Приняв меры, можно повысить его до 20 тысяч вольт. Индукционные катушки позволяют поднять напряжение до 100 тысяч вольт при небольшой мощности. Наконец, импульсные генераторы, держащие батареи конденсаторов, которые заряжаются постоянным током, дают возможность приблизиться к миллиону вольт.
В 1929 году американский физик Роберт Ван-де-Грааф из Принстонского университета предложил сначала принцип, а потом и новую конструкцию высоковольтного электрического генератора. Бесконечная движущаяся лента переносила заряд от источника внутрь большого полого металлического шара — кондуктора, установленного на изолированной колонне. Генераторы Ван-де-Граафа способны были накапливать до 5 миллионов вольт, при этом они оказались просты по устройству и обеспечивали высокое постоянство полученного напряжения.
Прошло более полувека, но и сегодня электростатические генераторы участвуют в экспериментах. Правда, самостоятельно — редко, чаще в сочетании с синхротронами они разгоняют частицы до энергий в миллиарды электрон-вольт!
В энергетике будущего, скорее всего, значительная доля электроэнергии будет вырабатываться безмашинным способом, например на магнитогидродинамических установках. Главная часть в них — магнитная система. Правда, участвуют в этом не постоянные магниты, о которых шла речь в этой главе, а потому отложим разговор о МГД-генераторах.
Первые естественные магниты вытачивали из кусков магнитного железняка. Уже в средние века кузнецы заметили, что если ковать железо, расположив его на наковальне по направлению строго с севера на юг, то после обработки оно оказывается намагниченным. Позже стали изготавливать искусственные магниты из мягкого железа, натирая его магнитным железняком. Кованую полосу железа натирали, начиная от середины к концам. Один конец — северным полюсом магнита, другой — южным. Примерно тогда же обнаружили, что если ту же железную полосу натирать одним магнитным полюсом, то после намагничивания оба конца железной полосы будут иметь одноименные полюса, но в середине ее окажется полюс противоположный.
Люди заметили, что не все сорта стали одинаково хорошо подвержены намагничиванию. Еще в конце прошлого столетия выяснилось, что даже ничтожная добавка вольфрама и кобальта в несколько раз улучшает магнитные свойства искусственных магнитов. А к середине нашего столетия металлурги получили сплав «альнико», в который входили алюминий, никель и кобальт с другими добавками. Магниты из «альнико» поднимали вес, в 500 раз превышающий их собственную массу. В нашей стране разработан сплав «магнико». Созданные на основе этого магниты, полученные методом спекания порошка «магнико», могут поднимать груз в 5000 раз больше собственного веса. А так называемые оксиднобариевые магниты — еще сильнее,
Магниты и магнитные материалы очень широко применяются в современной науке и технике. Они работают в насосах, перекачивающих жидкие металлы, в бесчисленном количестве приборов. Читатели хорошо знакомы с магнитными головками магнитофонов, с запоминающими устройствами в вычислительной технике, в небольших двигателях и генераторах, в электросчетчиках, микрофонах, в головках звукоснимателей и в акустических системах, наконец, в обыкновенных электрогитарах…
Но почему же все-таки магнит притягивает? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно электричество связать с магнитным полем и перейти от них, существующих порознь, к электромагнетизму.
ЧАСТЬ ВТОРАЯ
Глава 1
О своих наблюдениях 1749 года Франклин писал, что молния и электричество способны разрушить магнетизм или даже изменить полярность магнита. И в этих выводах американский ученый не был одиноким.
Французский ботаник д'Алибар в мае 1752 года установил в окрестностях Парижа железный шест высотой примерно в 40 футов (около 13 метров) и изолировал его снизу. Получилась ловушка для атмосферного электричества. Столяр, которого д'Алибар нанял сторожить свою установку, в первую же грозу, услыхав удар грома, отправился к шесту. На глазах — прибежавшего священника он извлек из шеста в принесенную лейденскую банку целый рой ярких искр.
Приехавший после грозы д'Алибар с удивлением обнаружил, что его железный шест намагничен…
Жарким грозовым днем в июне 1731 года, молния ударила в дом английского купца в городе Уэкфилде. Услышав грохот, испуганный негоциант вбежал в комнату и обнаружил, что небесный огонь разбил ящик, в котором лежали стальные ножи и вилки, и разбросал их по полу. Кинувшись подбирать имущество, купец с удивлением обнаружил, что все приборы оказались намагниченными.
Компасные мастера не раз замечали, что у кораблей, пришедших из дальних плаваний и побывавших в жестоких грозовых бурях, компасные стрелки оказывались перемагниченными. Северный конец указывал на юг, а южный — на север. Это случалось на судах, мачты которых не раз принимали на себя удары молний.
7 сентября 1753 года в здании Санкт-Петербургской Академии господин профессор Франц Ульрих Теодор Эпинус прочел перед собравшимися коллегами на академической конференции трактат «О сходстве электрической силы с магнитной». Он полагал, что электрический разряд, проходящий через железный или стальной стержень, приводит к изменению его магнитного состояния потому, что вызывает в нем механическое сотрясение, облегчающее перемещение магнитной жидкости.
Дальше оставалось только подтвердить на опытах связь электричества с магнетизмом. И вот это «только» никак не удавалось никому из физиков, потому что прежде всего следовало освободиться от необходимости зависеть от молнии, от кратковременных разрядов лейденских банок и получить какой-то устойчивый источник «электрической силы». Необходимость в нем ощущалась настолько остро, что он так или иначе должен был непременно появиться. И тут нам с вами, дорогой читатель, придется несколько отвлечься, чтобы познакомиться с новыми героями нашей истории, их великим спором и еще более великими открытиями…
Давайте совершим мысленное путешествие в Италию.
— Болонья, сеньоры, Болонья!!! — Проводник изо всех сил стучит в стеклянную дверь купе. — О мамма мия! Сколько можно спать?! Ведь мы приехали в Болонью! Болонья, сеньоры, Болонья!
Он явно преувеличивает, упрекая нас в сонливости. В итальянских поездах уснуть не так-то просто. Особенно в вагонах второго класса… Но нам действительно пора собираться. За окном бегут устрашающие своей неэстетичностью корпуса. Может быть, это заводы сельскохозяйственных машин или мотоциклов. А может быть, предприятия, на которых изготавливается электротехническое оборудование.
Сегодня Болонья — полумиллионный город. Важный экономический центр, узел железных дорог и муниципальных противоречий. Здесь после второй мировой войны преобладающим влиянием пользуются левые партии. Сегодня… Впрочем, стоп! Побывать в современной Болонье — дело, конечно, интересное. Но наш путь в Болонью вчерашнюю и даже позавчерашнюю. Точнее — более чем на двести лет назад, в 1780 год, когда Италия представляла собой малопривлекательную картину. Страна политически раздроблена. По-прежнему зависит от Австрии. Правда, разруха вроде бы стала поменьше, чем сразу после Семилетней войны. В некоторых землях проводятся реформы, ограничивающие феодальное всевластие. К сожалению, это не относится к Болонье. Вот уже 174 года город входит в состав Папского государства и находится под двойным гнетом.
Итак, 1780 год! Исчезли из поля зрения высотные дома, вокзалы и заводские корпуса. Очистился воздух от автомобильных выхлопов, от мотоциклетной трескотни. Кирпичная стена, окружающая город, с двенадцатью воротами-выходами приобрела монументальность.
Мы идем по узким и кривым улочкам вдоль бесчисленных и, увы, обветшавших палаццо XIII и XIV веков — времени расцвета города. Многочисленные портики и аркады, зубчатые стены и башенки, выкрашенные в серый и розовый цвета, придают окружающему определенный колорит. Улицы ведут к центральной площади, но наша цель — знаменитый Болонский университет. За время своего существования, с XI века, он не раз менял местонахождение, так что лучше спросить. Благо в студентах на улицах недостатка нет.
Вон этот дом! Давайте поднимемся на второй этаж, где в лаборатории практической анатомии сеньор про фессор Гальвани готовит материал к завтрашним занятиям.
О, да здесь не только препараторская! На столе, на сотором Гальвани препарирует лягушек, стоят электрическзя машина и ряд лейденских банок. Трещат искры. Студент крутит ручку, а под ножом препаратора в сумасшедшем танце дергаются отрезанные лапки болотных квакух… Но дадим слово самому сеньору профессору. В первой части своего трактата «О силах электричества при мышечном движении» он пишет; «Я разрезал и препарировал лягушку и, имея в виду совершенно другое, поместил ее на столе, на котором находилась электрическая машина при полном разобщении от кондуктора последней и довольно большом расстоянии от него. Когда один из моих помощников острием случайно очень легко коснулся внутренних бедренных нервов этой лягушки, то немедленно все мышцы конечностей стали так сокращаться, что казались впавшими в сильнейшие тонические судороги. Другой помощник заметил, что это удается тогда, когда из кондуктора машины извлекается искра. Удивленный новым явлением, он тотчас же обратил на него мое внимание, хотя я замышлял совсем другое и был поглощен своими мыслями»[22].
Обнаруженное явление было настолько впечатляющим, что Гальвани решил во что бы то ни стало исследовать его и «пролить свет на то, что было под этим скрыто». Он был убежден, что все дело здесь в электрических искрах. Но если слабая искра электрической машины заставляет лягушачью лапку дергаться, то что должно произойти во время грозы, при блеске молнии?
Послушные ассистенты сеньора профессора тут же отправились к соседнему пруду, откуда черпался материал для экспериментов. Ко времени грозы на железной ограде балкона лаборатории висела впечатляющая гирлянда лягушачьих лапок, нанизанных на медные проволочки. Долгое, томительное ожидание. Наконец подул ветер. Забарабанил дождь, и блеснула первая молния. Отрезанные лапки исправно дергались, правда не сильнее, чем в лаборатории, и вовсе не в такт с грозными разрядами небесного электричества. Тем не менее эксперимент вполне удовлетворил Гальвани. В своем трактате он писал:
"После успешных опытов во время грозы я пожелал обнаружить действие атмосферного электричества в ясную погоду. Поводом для этого послужило наблюдение, сделанное над заготовленными лапками лягушки, которые, зацепленные за спинной нерв медным крючком, были повешены на железную решетку забора моего сада: лапки содрогались не только во время грозы, но и когда небо было совершенно ясно. Подозревая, что эти явления происходят вследствие изменения атмосферы в течение дня, я предпринял опыт.
В различные часы в продолжение ряда дней я наблюдал нарочно повешенную на заборе лапку, но не обнаружил каких-либо движений в ее мускулах. Наконец, утомленный тщетным ожиданием, я прижал медный крюк, который был продет в спинной мозг, к железной решетке, желая посмотреть, не возникнут ли благодаря этому приему мышечные движения и не обнаружат ли они в чем-нибудь отличия и изменения, смотря по различному состоянию атмосферы и электричества".
Лапка задергалась. Но ее сокращение никак не удавалось соотнести с «переменами в электрическом состоянии атмосферы». Гальвани перенес опыты в помещение. Он укладывал лягушачьи лапки на подставки из разных металлов. В одних случаях сокращения были сильнее, в других слабее. Он пробовал экспериментировать с деревянной дощечкой в качестве подложки, со стеклом, смолой… Эффект не наблюдался.
Казалось бы, все подталкивало Гальвани к тому, чтобы изучить роль разнородных металлов в обнаруженном явлении. Но он по этому, пути не пошел. Анатом и физиолог, он решил, что лягушачьи лапки сами являются не чем иным, как источником электричества, неким подобием лейденской банки, а металлы… Металлы, в его понимании, были просто проводниками открытого им нового «животного электричества».
Странно звучит на современный слух выражение «животное электричество». Но именно к нему вела принятая логика исследований Гальвани. Вспомните хотя бы о том, что почти никаких измерительных приборов у экспериментаторов не было. Собственные пальцы — вот первый и наиглавнейший прибор.
Не раз, наблюдая за собственными ощущениями от разрядов лейденской банки, ученые и просто любители курьезов сравнивали эффект с результатами прикосновения к различным электрическим рыбам, известным с глубокой древности. И при этом отмечали полную аналогию ощущений.
Франц Ульрих Теодор Эпинус, физик, член Петербургской Академии наук с 1756 года, родился в 1724 году в городе Ростоке в семье пастора. В том же городе поступил в университет, откуда уходил в Иену, по обычаю буршей, меняющих университеты. Однако, в конце концов, снова вернулся в Росток, где и получил степень доктора медицины.
После окончания учебы Эпинус некоторое время работал приват-доцентом в том же университете, преподавал астрономию и физику. Но вскоре переехал в Берлин, где получил должность профессора астрономии при Академии наук. Одновременно он выполнял обязанности астронома при обсерватории.
В Берлине Эпинус познакомился с молодым, только что окончившим Ростокский университет Иоганном Карлом Вильке.
В то время многие физики были увлечены загадкой удивительных кристаллов, привезенных голландскими купцами в начале столетия с острова Цейлон. Назвали этот камень турмалином, или турмалем. Он бывал разного цвета, и его прозрачные кристаллы ценились наравне с индийскими рубинами и другими драгоценными камня ми. Но физиков привлекало то обстоятельство, что стоило нагреть турмалин на огне, как он тут же начинал притягивать к себе и отталкивать частички золы. Его даже прозвали за это «зольным камнем».
Знахари и «специалисты» черной и белой магии платили за кристаллы турмалина бешеные деньги. Надетый на шею или на палец при восходе солнца турмалин обещал своему владельцу счастье на целый день. Особенно хорошо помогал он в осенние дни. Впрочем, по данным современных ювелирных фирм, турмалин может принести счастье своему владельцу и в феврале, и в мае, и в августе…
В 1717 году удивительные свойства турмалина рассматривались на заседании Парижской Академии. Поскольку его притягивающая сила была признана магнитной, то минерал получил название «цейлонского магнита».
Молодой шведский врач Каролус Линнеус, в будущем знаменитый естествоиспытатель и почетный член многих академий Карл Линней, одним из первых стал сомневаться в магнитной природе силы турмалина. Линнеус читал лекции по минералогии и пробирному искусству, занимался медицинской практикой и еще находил время для обдумывания и подготовки своей «Системы природы».
Линней предположил, что сила притяжения турмалина при его нагревании имеет электрическую природу. И хотя у ученого не было доказательств, он назвал минерал «Lapis electnctis».
После серии опытов Эпинусу и Вильке удалось доказать, что при неравномерном нагревании турмалина на его противоположных сторонах возникают электрические заряды. По сути дела было открыто новое природное явление — еще одно проявление электрических сил, показывающее их связь с теплотой. Результаты опытов Эпинус опубликовал в мемуарах Берлинской Академии. Они обратили на себя внимание ученого мира. И в том же году молодой профессор получил не только лестное, но и выгодное приглашение — переехать в Россию, занять должность профессора физики Петербургской Академии наук.
На новом месте Эпинус проявляет завидную энергию и работоспособность. Он пишет популярные статьи, которые помещаются в академических изданиях. Пишет и ту замечательную работу, с которой мы начали зна комство с ним, — «Опыт математической теории электричества и магнетизма».
Во введении автор рассказывает, как открытый им пироэлектрический эффект в турмалине натолкнул его на мысль о глубоком сходстве электрических и магнитных явлений. Ведь до этого только магнит имел всегда два полюса, а теперь и нагретый турмалин оказался обладателем дипольного эффекта. Вот только почему? В чем причина обнаруженного явления? Однако Эпинус отказывается даже от обсуждения сил притяжения и отталкивания. При этом он ссылается на Ньютона, который также не занимался, по его мнению, выяснением причин всемирного притяжения. Правда, при этом автор трактата, чтобы избежать обвинений в эпигонстве, подчеркивает: «Я отнюдь не считаю их, как поступают некоторые неосторожные последователи великого Ньютона, силами внутренне присущими телам, и я не одобряю учения, которое постулирует действие на расстоянии. Действительно, я считаю несомненной аксиомой предположение, по которому тело не может производить никакого действия там, где его нет». Значит, силы притяжения и отталкивания, действующие на расстоянии, в его работе — лишь условное допущение. По мысли Эпинуса — это универсальное свойство электрических зарядов, точно так.же, как всемирное притяжение — универсальное свойство масс в механике Ньютона. А за субстанцию, обладающую свойствами электрического притяжения и отталкивания, Эпинус принимает некую единую электрическую жидкость, предложенную Франклином в своей теории.
Частицы электрической жидкости отталкиваются друг от друга, но притягиваются обычной материей. Они свободно проникают через поры одних тел и с трудом преодолевают другие. Первые, как мы можем легко понять, являются проводниками электричества, вторые — изоляторами. И все электрические явления, известные современной науке, Эпинус делит на два рода. К одному относит все, что связано с переходом электрической жидкости от одного тела к другому. Примером могут являться искры, возникающие при электризации тел. К другому — притяжение и отталкивание.
По аналогии с гипотезами, высказанными в теории электричества, Эпинус строит и теорию магнетизма. Он предполагает существование магнитной жидкости, частицы которой взаимно отталкиваются. Точно также делятся и тела: одни проявляют индифферентность, безразличие, к частицам магнитной жидкости (они являются аналогами диэлектриков), другие притягивают ее частицы (они являются проводниками).
Правда, закон Ньютона утверждал, что все тела природы связаны друг с другом силами притяжения, а если принять теорию единой электрической жидкости, то она приводила к тому, что материальные частицы должны отталкиваться друг от друга. Это обстоятельство немало смущало Эпинуса и его соратников. Позже ученый выдвинул предположение, что закон Ньютона применим к телам, содержащим естественное количество электрической жидкости. Это позволило обойти затруднения в формальном смысле, но убедительности теории не прибавило. И потому многие выдающиеся физики отказались принять франклиновскую унитарную теорию. Высоко оценивая труды Эпинуса за то, что в них дана приближенная математическая теория взаимодействия электрических и магнитных тел, исследователи все же вернулись к идее электрических жидкостей. Интересно, что и для этого случая вычисления Эпинуса оставались справедливыми.
До появления работы Эпинуса физики были уверены, что взаимодействие электризованных тел с неэлектризованными вполне возможно. Эпинус же утверждал, что лишь после того, как заряд одного тела вызовет появление заряда на другом, они приходят во взаимодействие. Это было, совершенно новым представлением, которое впоследствии пришлось весьма кстати, когда были открыты явления электрической и магнитной индукции и поляризации тел.
Интересно и утверждение петербургского профессора о том, что электрическая материя существует только в телах и отсутствует в пространстве, где действуют электрические силы. Здесь Эпинус довольно близко подходит к понятию электрического и магнитного поля, которое возникло и получило развитие в физике следующего столетия.
Работы Эпинуса сразу же стали широко известны и оказали большое влияние на взгляды физиков того времени, на развитие науки об электричестве. На его труды ссылались Кэвендиш и Кулон, о его теории писали Гауи и французские академики Лаплас, Кузен и Ле-жандр, а также Вольта и Фарадей…
Условия работы в академии были трудные. Одряхлевшего Шумахера заменил, по меткому выражению Ломоносова, «зять его, и имения, и дел, и чуть не Академии наследник» Тауберт — серая посредственность с угодливым характером. Этот академический советник держал себя всегда благопристойно и с достоинством, обладал в высшей степени умением вкрадываться в милость к знатным и пользоваться их расположением. Вместе с тем это был мелкий честолюбец и великим интриган… Другими членами канцелярии были назначены академики Ломоносов и Штелин. Ломоносов и Тауберт уже много лет питали друг к другу враждебные чувства. Понятно, что такое назначение не могло служить дальнейшему успеху работы канцелярии, да и всей Академии в целом.
К сожалению, Эпинус недолго занимался чисто научной деятельностью. Обласканный Таубертом, он полностью перешел на его сторону, стал в оппозицию Ломоносову и другим ученым, занявшись интригами и «искательством».
К 1758 году относится и его первый конфликт с Ломоносовым по поводу изобретенной тем «ночезрительной трубы». Вот как пишет о том сам Михаил Васильевич: «Подал советник Ломоносов в профессорское собрание проект о делании трубы, коею бы яснее видеть можно было в сумерках, и представил давно сделанный тому опыт. Физики профессор, что ныне коллежский советник, Эпинус делал на то объекции, почитая сие невозможным делом. Ломоносов немного после того спустя получил от камергера Шувалова присланную трубу того же сродства, и он представлял в доказательство своей справедливости. Однако профессор Эпинус не токмо слушать не хотел, но и против Ломоносова употреблял грубыя слова и вдруг вместо дружбы прежней стал оказывать неприятельские поступки. Все ясно уразумели, что то есть Таубертов промысел по шумахеровскому примеру, который ученые между профессорами споры, кои бы могли дружелюбно кончиться, употреблял в свою пользу, портя их дружбу. Все ясно оказалось тем, что Эпинус не токмо с Ломоносовым, но и с другими профессорами, ему приятелями, перестал дружиться, вступил в Таубертову компанию и, вместо прежнего прилежания, отдался в гуляние…»
В 1765 году Эпинус по желанию вступившей на престол Екатерины II принял на себя заботу о воспитаиии великого князя Павла Петровича. И с тех пор уже занимался только административной и государственной деятельностью.
Участвуя в придворных интригах, Эпинус забросил свои академические занятия, хотя и продолжал занимать должность. Как и большинство иностранцев, работавших в России, заботился главным образом о собственном благополучии. И это ему вполне удалось. Лишь в 1798 году в возрасте 74 лет он покинул русскую службу и перебрался в Дерпт (ныне Тарту), где через четыре года и умер.
Трибоэлектричество и постоянные магниты. XX век
В наши дни электростатические машины типа той, что демонстрировал почтенный куратор опытов Лондонского королевского общества мистер Фрэнсис Гауксби-старший, кажутся чем-то родственным деревянной сохе или каменному топору, хотя и сохранились еще в физических кабинетах некоторых школ. Здесь они позволяют получать электрические заряды, накапливать их на добрых старых лейденских банках и проводить опыты. Но не только на радость ребятишкам служит «чистое» электричество, получаемое при помощи трени.
В начале XX века перед физиками встал вопрос: как получать интенсивные пучки атомных частиц, обладающих большой скоростью, для бомбардировки атомного ядра? Для этого следовало прежде всего научиться создавать сильное электрическое поле. Тогда заряженные частицы, испускаемые каким-нибудь источником, попав в такое поле, начинают ускоренно двигаться по его направлению. Чем больше разность потенциалов в начале и в конце пути частиц, тем большую скорость, а следовательно, и энергию они приобретут.
Во всех физических лабораториях мира началось соревнование за получение сверхвысоких напряжений. Для любителей точных цифр могу сказать, что обычная динамо-машина дает напряжение примерно до тысячи вольт. Приняв меры, можно повысить его до 20 тысяч вольт. Индукционные катушки позволяют поднять напряжение до 100 тысяч вольт при небольшой мощности. Наконец, импульсные генераторы, держащие батареи конденсаторов, которые заряжаются постоянным током, дают возможность приблизиться к миллиону вольт.
В 1929 году американский физик Роберт Ван-де-Грааф из Принстонского университета предложил сначала принцип, а потом и новую конструкцию высоковольтного электрического генератора. Бесконечная движущаяся лента переносила заряд от источника внутрь большого полого металлического шара — кондуктора, установленного на изолированной колонне. Генераторы Ван-де-Граафа способны были накапливать до 5 миллионов вольт, при этом они оказались просты по устройству и обеспечивали высокое постоянство полученного напряжения.
Прошло более полувека, но и сегодня электростатические генераторы участвуют в экспериментах. Правда, самостоятельно — редко, чаще в сочетании с синхротронами они разгоняют частицы до энергий в миллиарды электрон-вольт!
В энергетике будущего, скорее всего, значительная доля электроэнергии будет вырабатываться безмашинным способом, например на магнитогидродинамических установках. Главная часть в них — магнитная система. Правда, участвуют в этом не постоянные магниты, о которых шла речь в этой главе, а потому отложим разговор о МГД-генераторах.
Первые естественные магниты вытачивали из кусков магнитного железняка. Уже в средние века кузнецы заметили, что если ковать железо, расположив его на наковальне по направлению строго с севера на юг, то после обработки оно оказывается намагниченным. Позже стали изготавливать искусственные магниты из мягкого железа, натирая его магнитным железняком. Кованую полосу железа натирали, начиная от середины к концам. Один конец — северным полюсом магнита, другой — южным. Примерно тогда же обнаружили, что если ту же железную полосу натирать одним магнитным полюсом, то после намагничивания оба конца железной полосы будут иметь одноименные полюса, но в середине ее окажется полюс противоположный.
Люди заметили, что не все сорта стали одинаково хорошо подвержены намагничиванию. Еще в конце прошлого столетия выяснилось, что даже ничтожная добавка вольфрама и кобальта в несколько раз улучшает магнитные свойства искусственных магнитов. А к середине нашего столетия металлурги получили сплав «альнико», в который входили алюминий, никель и кобальт с другими добавками. Магниты из «альнико» поднимали вес, в 500 раз превышающий их собственную массу. В нашей стране разработан сплав «магнико». Созданные на основе этого магниты, полученные методом спекания порошка «магнико», могут поднимать груз в 5000 раз больше собственного веса. А так называемые оксиднобариевые магниты — еще сильнее,
Магниты и магнитные материалы очень широко применяются в современной науке и технике. Они работают в насосах, перекачивающих жидкие металлы, в бесчисленном количестве приборов. Читатели хорошо знакомы с магнитными головками магнитофонов, с запоминающими устройствами в вычислительной технике, в небольших двигателях и генераторах, в электросчетчиках, микрофонах, в головках звукоснимателей и в акустических системах, наконец, в обыкновенных электрогитарах…
Но почему же все-таки магнит притягивает? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно электричество связать с магнитным полем и перейти от них, существующих порознь, к электромагнетизму.
ЧАСТЬ ВТОРАЯ
Знать — значит уметь
Глава 1
Электрическая эра в науке и начало электромагнетизма
Примерно с середины XVIII столетия пришло в опытную физику новое увлечение. Сначала в лабораториях ученых, а потом и в модных салонах, в ярмарочных балаганах демонстрировались голубые искры, получаемые с помощью электрических машин, экспериментаторы опускали в подкисленную.воду пластинки из разных металлов и получали электрическую силу. Ее накапливали в лейденских банках. И с помощью электрической искры намагничивали и перемагничивали железо.О своих наблюдениях 1749 года Франклин писал, что молния и электричество способны разрушить магнетизм или даже изменить полярность магнита. И в этих выводах американский ученый не был одиноким.
Французский ботаник д'Алибар в мае 1752 года установил в окрестностях Парижа железный шест высотой примерно в 40 футов (около 13 метров) и изолировал его снизу. Получилась ловушка для атмосферного электричества. Столяр, которого д'Алибар нанял сторожить свою установку, в первую же грозу, услыхав удар грома, отправился к шесту. На глазах — прибежавшего священника он извлек из шеста в принесенную лейденскую банку целый рой ярких искр.
Приехавший после грозы д'Алибар с удивлением обнаружил, что его железный шест намагничен…
Жарким грозовым днем в июне 1731 года, молния ударила в дом английского купца в городе Уэкфилде. Услышав грохот, испуганный негоциант вбежал в комнату и обнаружил, что небесный огонь разбил ящик, в котором лежали стальные ножи и вилки, и разбросал их по полу. Кинувшись подбирать имущество, купец с удивлением обнаружил, что все приборы оказались намагниченными.
Компасные мастера не раз замечали, что у кораблей, пришедших из дальних плаваний и побывавших в жестоких грозовых бурях, компасные стрелки оказывались перемагниченными. Северный конец указывал на юг, а южный — на север. Это случалось на судах, мачты которых не раз принимали на себя удары молний.
7 сентября 1753 года в здании Санкт-Петербургской Академии господин профессор Франц Ульрих Теодор Эпинус прочел перед собравшимися коллегами на академической конференции трактат «О сходстве электрической силы с магнитной». Он полагал, что электрический разряд, проходящий через железный или стальной стержень, приводит к изменению его магнитного состояния потому, что вызывает в нем механическое сотрясение, облегчающее перемещение магнитной жидкости.
Дальше оставалось только подтвердить на опытах связь электричества с магнетизмом. И вот это «только» никак не удавалось никому из физиков, потому что прежде всего следовало освободиться от необходимости зависеть от молнии, от кратковременных разрядов лейденских банок и получить какой-то устойчивый источник «электрической силы». Необходимость в нем ощущалась настолько остро, что он так или иначе должен был непременно появиться. И тут нам с вами, дорогой читатель, придется несколько отвлечься, чтобы познакомиться с новыми героями нашей истории, их великим спором и еще более великими открытиями…
Давайте совершим мысленное путешествие в Италию.
— Болонья, сеньоры, Болонья!!! — Проводник изо всех сил стучит в стеклянную дверь купе. — О мамма мия! Сколько можно спать?! Ведь мы приехали в Болонью! Болонья, сеньоры, Болонья!
Он явно преувеличивает, упрекая нас в сонливости. В итальянских поездах уснуть не так-то просто. Особенно в вагонах второго класса… Но нам действительно пора собираться. За окном бегут устрашающие своей неэстетичностью корпуса. Может быть, это заводы сельскохозяйственных машин или мотоциклов. А может быть, предприятия, на которых изготавливается электротехническое оборудование.
Сегодня Болонья — полумиллионный город. Важный экономический центр, узел железных дорог и муниципальных противоречий. Здесь после второй мировой войны преобладающим влиянием пользуются левые партии. Сегодня… Впрочем, стоп! Побывать в современной Болонье — дело, конечно, интересное. Но наш путь в Болонью вчерашнюю и даже позавчерашнюю. Точнее — более чем на двести лет назад, в 1780 год, когда Италия представляла собой малопривлекательную картину. Страна политически раздроблена. По-прежнему зависит от Австрии. Правда, разруха вроде бы стала поменьше, чем сразу после Семилетней войны. В некоторых землях проводятся реформы, ограничивающие феодальное всевластие. К сожалению, это не относится к Болонье. Вот уже 174 года город входит в состав Папского государства и находится под двойным гнетом.
Итак, 1780 год! Исчезли из поля зрения высотные дома, вокзалы и заводские корпуса. Очистился воздух от автомобильных выхлопов, от мотоциклетной трескотни. Кирпичная стена, окружающая город, с двенадцатью воротами-выходами приобрела монументальность.
Мы идем по узким и кривым улочкам вдоль бесчисленных и, увы, обветшавших палаццо XIII и XIV веков — времени расцвета города. Многочисленные портики и аркады, зубчатые стены и башенки, выкрашенные в серый и розовый цвета, придают окружающему определенный колорит. Улицы ведут к центральной площади, но наша цель — знаменитый Болонский университет. За время своего существования, с XI века, он не раз менял местонахождение, так что лучше спросить. Благо в студентах на улицах недостатка нет.
Вон этот дом! Давайте поднимемся на второй этаж, где в лаборатории практической анатомии сеньор про фессор Гальвани готовит материал к завтрашним занятиям.
О, да здесь не только препараторская! На столе, на сотором Гальвани препарирует лягушек, стоят электрическзя машина и ряд лейденских банок. Трещат искры. Студент крутит ручку, а под ножом препаратора в сумасшедшем танце дергаются отрезанные лапки болотных квакух… Но дадим слово самому сеньору профессору. В первой части своего трактата «О силах электричества при мышечном движении» он пишет; «Я разрезал и препарировал лягушку и, имея в виду совершенно другое, поместил ее на столе, на котором находилась электрическая машина при полном разобщении от кондуктора последней и довольно большом расстоянии от него. Когда один из моих помощников острием случайно очень легко коснулся внутренних бедренных нервов этой лягушки, то немедленно все мышцы конечностей стали так сокращаться, что казались впавшими в сильнейшие тонические судороги. Другой помощник заметил, что это удается тогда, когда из кондуктора машины извлекается искра. Удивленный новым явлением, он тотчас же обратил на него мое внимание, хотя я замышлял совсем другое и был поглощен своими мыслями»[22].
Обнаруженное явление было настолько впечатляющим, что Гальвани решил во что бы то ни стало исследовать его и «пролить свет на то, что было под этим скрыто». Он был убежден, что все дело здесь в электрических искрах. Но если слабая искра электрической машины заставляет лягушачью лапку дергаться, то что должно произойти во время грозы, при блеске молнии?
Послушные ассистенты сеньора профессора тут же отправились к соседнему пруду, откуда черпался материал для экспериментов. Ко времени грозы на железной ограде балкона лаборатории висела впечатляющая гирлянда лягушачьих лапок, нанизанных на медные проволочки. Долгое, томительное ожидание. Наконец подул ветер. Забарабанил дождь, и блеснула первая молния. Отрезанные лапки исправно дергались, правда не сильнее, чем в лаборатории, и вовсе не в такт с грозными разрядами небесного электричества. Тем не менее эксперимент вполне удовлетворил Гальвани. В своем трактате он писал:
"После успешных опытов во время грозы я пожелал обнаружить действие атмосферного электричества в ясную погоду. Поводом для этого послужило наблюдение, сделанное над заготовленными лапками лягушки, которые, зацепленные за спинной нерв медным крючком, были повешены на железную решетку забора моего сада: лапки содрогались не только во время грозы, но и когда небо было совершенно ясно. Подозревая, что эти явления происходят вследствие изменения атмосферы в течение дня, я предпринял опыт.
В различные часы в продолжение ряда дней я наблюдал нарочно повешенную на заборе лапку, но не обнаружил каких-либо движений в ее мускулах. Наконец, утомленный тщетным ожиданием, я прижал медный крюк, который был продет в спинной мозг, к железной решетке, желая посмотреть, не возникнут ли благодаря этому приему мышечные движения и не обнаружат ли они в чем-нибудь отличия и изменения, смотря по различному состоянию атмосферы и электричества".
Лапка задергалась. Но ее сокращение никак не удавалось соотнести с «переменами в электрическом состоянии атмосферы». Гальвани перенес опыты в помещение. Он укладывал лягушачьи лапки на подставки из разных металлов. В одних случаях сокращения были сильнее, в других слабее. Он пробовал экспериментировать с деревянной дощечкой в качестве подложки, со стеклом, смолой… Эффект не наблюдался.
Казалось бы, все подталкивало Гальвани к тому, чтобы изучить роль разнородных металлов в обнаруженном явлении. Но он по этому, пути не пошел. Анатом и физиолог, он решил, что лягушачьи лапки сами являются не чем иным, как источником электричества, неким подобием лейденской банки, а металлы… Металлы, в его понимании, были просто проводниками открытого им нового «животного электричества».
Странно звучит на современный слух выражение «животное электричество». Но именно к нему вела принятая логика исследований Гальвани. Вспомните хотя бы о том, что почти никаких измерительных приборов у экспериментаторов не было. Собственные пальцы — вот первый и наиглавнейший прибор.
Не раз, наблюдая за собственными ощущениями от разрядов лейденской банки, ученые и просто любители курьезов сравнивали эффект с результатами прикосновения к различным электрическим рыбам, известным с глубокой древности. И при этом отмечали полную аналогию ощущений.