Geum.ru

История развития электродинамики Магнетизм

Вид материалаДокументы

Содержание


Уравнения Максвелла
Подобный материал:

История развития электродинамики

Магнетизм


Когда точно были открыты постоянные магниты неизвестно, но уже в V веке н.э. магнетизм был известен. По крайней мере в это время уже знали, что подвешенные на веревке кусочки минерала магнетит, большие залежи которого были в древнем городе Магнесия, всегда ориентируются в одном и том же направлении. Собственно, и название “магнитизм” произошло от названия города Магнесия, который располагался на притоке реки Меандра. Этот город часто называют Магнесия на Меандре, потому что был еще один город с таким названием — Магнесия у Сипила. Сейчас Магнесия на Меандре называется Манисса и находится в Турции.

В Китае первый магнитный компас стали использовать во II веке до н.э. для указания направлении движения по пустыням, поэтому можно сказать, что магнетизм китайцы использовали уже тогда, хотя для Европы изобретение компаса произошло XII—XIII веках н.э. (по другим сведениям в IX веке).




Фалес Милетский
К этому времени магниты использовались, но не особо их изучали. Кроме того тогда уже знали о том, что янтарь способен притягивать кусочки шерсти, и это тоже относили к магнитным явлениям. К первым исследователям можно отнести, например, Фалеса Милетского (640/624 — 548/545 до н.э.). Он предположил, что у магнита есть “душа” и объявлял свойства магнита именно с помощью нее. Собственно, на этом его достижения в магнетизме и заканчивается.

Аверроэс

Арабский мыслитель Абу ал-Валид Мухаммад ибн Ахмад ибн Рушд, известный также под именем Аверроэс (1126 — 1198 гг), сделал интересное по тому времени предположение, что магнит искажал пространство вокруг него в соответствии с формой магнита.

В 1269 году Пьер Перегрин из Марикурта опубликовал рукопись “Трактат о магнитах”, в которой описал многие свойства магнита. По сути, эта рукопись изначально была просто письмом другу. Перегрин — это не фамилия, а прозвище, которое по современному можно перевести как пилигрим, паломник, странник, путешественник по святым местам. Тогда, во времена крестовых походов, такое прозвище было получить не трудно. Тем более, что Перегрин участвовал в военных действиях, а письмо-трактат писал в военном лагере Карла Анжуйского, осаждавшего город Лючеру.
Именно Перегрин открыл (или по крайней мере описал), что существуют полюса магнита, и написал, что два магнита должны притягиваться, или, как он выразился, “совокупляться”, разноименными полюсами. Также он говорил про отталкивание магнитов, если их поднести друг к другу одноименными полюсами. Еще он заметил, что если кусок магнитной руды разломить пополам, то каждый из обломков также имеет два полюса. Правда, слово “полюс” Перегрин не использовал, он говорил о местах магнита, где “магнитное действие”, особенно велико. Кроме того Перегрин с помощью магнитов

собирался делать вечный двигатель.




Уильям Гильберт
Но особенно много для развития магнетизма сделал Уильям Гильберт (1540 — 1603). Причем он был доктором медицины, но заинтересовался магнитами после прочтения “Трактата о магнитах” все того же Перегрина и позже опубликовал свою работу “О магните, магнитных телах и большом магните — Земле”, в которой точно классифицировал известные свойства магнита. Самый известный его эксперимент был поставлен с целью объяснить магнетизм Земли. Гильберт изготовил шар из магнитной

руды и исследовал, каким образом шар действует ни маленькую железную стрелку.
Он обнаружил сходство поведения этой стрелки с поведением стрелки инклинатора (компасной стрелки, вращающейся на горизонтальной оси) вблизи Земли и пришел к заключению, что Земля представляет собой гигантский магнит. Гильберт также высказал мысль, что «магнетическое действие выливается с каждой стороны» магнитного тела (понятие, отдаленно напоминающее силовые линии, который будут открыты Фарадеем в XIX веке). Он открыл, что при нагревании магнита выше некоторой температуры его магнитные свойства исчезают; впоследствии эта температура (588°С) была названа точкой Кюри, в честь Пьера Кюри. Гильберт открыл, что, когда приближают к одному полюсу магнита кусок железа, другой полюс начинает притягивать сильнее. Эта идея была запатентована через 250 лет после смерти Гильберта. Он же открыл и намагничиваемость если оно лежит вблизи магнита.

Гильберт многое сделал и открыл. Но Гильберт почти ничего не смог объяснить. Нет, объяснить он пытался, но получалось это довольно оригинально. Вот, например, как Гильберт объясняет тот факт, что при разрезании одного длинного магнита образуется много коротких, которые имеют первоначальное направление намагничивания и стремятся сохранить прежнее положение в пространстве. Он сравнивает магнит с веткой дерева:

«Пусть AB будет покрытый листвой сучок ивы… A – верхняя часть, B – нижняя, по направлению к корню. Разделили его в C. Я утверждаю, что конец A, снова вставленный в B с соблюдением правил прививки, прирастает к нему; точно так же, если B вставить в A, то они скрепляются друг с другом и дают ростки. Но если D вставить в A или C в B, то они вступают между собой в борьбу и никогда не срастаются, но один конец отмирает вследствие неподходящего и несоответствующего соединения, так как растительная сила, идущая одним путем, теперь оказывается стремящейся в противоположные стороны…»

Магнетизм он пытался объяснить с помощью все той же “души магнита”, про которую говорил Фалес.
И именно Гильберг первый разделил электричество от магнетизма, и именно после этого электричество и магнетизм стали изучать раздельно. Причем именно Гильберт ввел и само понятие “электричество”. Под электричеством он стал понимать притягивание куском янтаря шерсти. До него это явление считали разновидностью магнетизма. Он пытался установить, какие вещества похожи на янтарь по своим электрическим свойствам, а какие — нет. Вот первое в истории употребление слова «электрический»:

«Электрические тела – те, которые притягивают таким же образом, как янтарь» (Гильберт В. «О магните», глава «Объяснение некоторых слов»).

А само латинское слово “electricus” означает “Янтарный”. Он же показал, что притягивать шерсть и другие мелкие предметы могут также алмазы, сапфиры, горный хрусталь, стекло, сера, соль и т. д.


Электростатика

Итак, Гильберт отделил магниты от веществ, которые могли электризоваться и притягивать к себе мелкие частицы (например, янтарь и стекло). С этого и началось развитие электростатики, то есть науки о взаимодействии неподвижных заряженных частиц. Тогда еще не знали природу взаимодействия ни между магнитами, ни между заряженными телами. Гильберт высказал предположение, что тела, которые могут электризоваться, содержат некие “соки”, а при трении они разогреваются или еще каким-то образом возбуждаются, благодаря чему от наэлектризованных тел начинает исходить испарение, которое и притягивает окружающие предметы. То есть по сути, Гильберт высказал предположение, что наэлектризованные тела взаимодействуют не сами по себе, а через некоторый вид материи. Эта теория будет позже названа теорией близкодействия. В противоположность ей, существовала теория дальнодействия, согласно которой тела взаимодействуют непосредственно между собой. Активным сторонником теории дальнодействия был Ньютон, его теория всемирного тяготения была, казалось бы, веским аргументом пользу дальнодействия. Ньютон критиковал теорию Гильберта об «испарении» наэлектризованных тел:

«Пусть он объяснит мне, каким образом наэлектризованное тело при трении может испускать излучение, столь разреженное и неуловимое и одновременно столь мощное, что его испускание, не вызывая ощутимого уменьшения веса наэлектризованного тела и, расширяясь в сферу, диаметр которой превышает два фута, тем не менее, остается способным возбуждать и удерживать медную или золотую пластинку на расстоянии свыше фута от наэлектризованного тела?»

В будущем, до Фарадея и Максвелла, именно теория дальнодействия будет считаться верной, но попытки объяснить ее ни к чему не приведут. Однако, сразу после Гильберта многих заинтересовала его теория. Правда, опять же, никто не мог объяснить как именно

«испарения» действуют на тела.



Отто фон Герике
Первым заметил, что наэлектризованные тела не только могут притягиваться, но также и отталкиваться, Никколо Кабео (1585-1650). Позднее, в 1660 году, Отто фон Герике (1602 — 1686), немецкий физик, изготовил электрическую машину. Она представляла собой вращающийся на железной оси шар из серы. Если к вращающемуся шару прикладывать руку, то он электризовался и начинали проскакивать искры. Герике заметил, что

шар притягивает легкие тела, а коснувшись шара, они тут же отталкивались и не притягивались к нему до тех пор пока не коснутся какого-нибудь другого тела. Он также заметил, что наэлектризованный шар светится в темноте.



Шарль Франсуа Дюфе
После того как накопилось достаточно много фактов о заряженных телах, эти факты нужно было как-то объяснить. В 1733 году Шарль Франсуа Дюфе (1698 — 1739) выдвинул предположение о существовании двух родов электричества — стеклянного и смоляного. Он разделил вещества, способные электризоваться на два класса: материалы из первого класса давали «стеклянное» электричество ( этот род электричества

был так назван, потому что сюда попало стекло) , вещества второго класса давали «смоляное» электричество (сюда попал янтарь). Заряженные тела из разных классов притягивались, в то время как заряженные тела из одного класса отталкивались.





Питер ван Мушенбрук
Через 12 лет, в 1745 году после этой работы Дюфе в голландском городе Лейден Питер ван Мушенбрук (1692 — 1761) вместе со своим приятелем Кюнеусом (по другим сведениям — его ученик) изобрели первый в мире конденсатор, который получил свое название в честь города Лейден, — лейденская банка. Одновременно с Мушенбруком такую же конструкцию предложил немецкий ученый Клейст (1700 — 1748), поэтому лейденскую банку еще иногда называли банкой Клейста. Устройство лейденской банки было

довольно простое — это был стеклянный сосуд, обклеенный снаружи листовым оловом, это была внешняя обкладка. Чтобы создать вторую, внутреннюю, обкладку, банку либо заполняли водой, либо покрывали оловом внутреннюю поверхности банки. В качестве контакта для внутренней обкладки выступала проволока, воткнутая через горловину банки. В первых опытах у конденсатора не было внешней обкладки, а в ее качестве выступали руки экспериментатора. Именно после удара тока от такой лейденской банки без внешней обкладки Кюнеус и узнал, что конденсатор работает. Лейденские банки могли накапливать заряд до микрокулона (но в то время такого понятия как Кулон еще не существовало, а самому Кулону в тогда было 9 лет). Лейденская банка сыграла очень важную роль в развитии электричества и подтолкнула к дальнейшим исследованиям. Кстати, именно Мушенбрук первый соединил лейденские банки в батарею, чтобы увеличить их суммарную емкость.



Бенджамин Франклин
Практически сразу после изобретения конденсатора на сцену выходит Бенджамин Франклин, тот самый американский политик, который участвовал и в создании американской конституции. Он необычно много сделал для исследования электричества. Во-первых, он предложил свою теорию вместо теории Дюфе о двух родах электричества. Франклин выдвинул предположение, что электричество бывает только одного вида,

а разделение материалов на два класса объясняется избытком или недостатком этого самого одного электричества. И именно Франклин предложил обозначать заряженные тела знаками «+» или «-». Таким образом, получилось, что «стеклянное» электричество стало обозначаться плюсом, а смоляное — минусом. Если бы он обозначил их наоборот, то нам бы сейчас было бы легче в том смысле, что по договоренности ток течет от плюса к минусу (от места избытка “электричества” к месту, где его мало), по обозначениям Франклина получается, что электрон (о котором тогда, разумеется, еще и не догадывались) имеет отрицательный заряд, следовательно, они бегут от минуса к плюсу. Таким образом получается, что ток течет по направлению, обратному движению электронов, переносчику того самого тока. Про электроны Франклин тогда, естественно, не знал, но из-за такого обозначения теперь существует такая небольшая путаница с направлением тока и направлением движения переносчиков тока — электронов.

Он же ввел такие понятия как “батарея”, “конденсатор”, “проводник”, “заряд”, “разряд”. Кроме того Франклин активно изучал молнии и установил, что атмосферное электричество и статическое электричество, получаемое с помощью трения, является одним и тем же электричеством. Даже на бюсте Франклина скульптором А. Гудоном была нанесена надпись на латинском языке: “Он отнял молнию у небес и власть у тиранов”, сама фраза принадлежит другу и биографу Франклина — Анн Роберу Жаку Тюрго (1727 — 1781). Франклин же установил в 1752 году, что молния есть ни что иное как электрический разряд. Он также изобрел громоотвод и заземление. Он также первый начал использовать электрическую искру для взрыва пороха. И именно Франклин объяснил принцип действия лейденской банки и какую роль в ней играет диэлектрик (конечно, насколько это было возможно в то время). Но, чтобы быть честным, аналогии между искрой и молнией были еще у Ньютона, он писал, что ему электрические искры напоминают молнии.



Щарль Огюстен де Кулон
К этому моменту ученные старались не только описать и объяснить электричество, но и каким-то образом измерить заряды и силу их взаимодействия. В последнем преуспел Шарль Огюстен Кулон (1736 — 1806). Вы уже, наверное, поняли, что речь пойдет о законе, который носит его имя.

Свой закон он сформулировал в одном из семи мемуаров, которые выходили с 1785 по 1789 года. Напомню, что этот закон гласит:

«Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме направлена вдоль прямой, соединяющей заряды, прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.»





Генри Кавендиш
Вообще-то Кулона больше интересовали приборы, которыми он занимался, чем сама электростатика. Он хотел сделать как можно более точные крутильные весы, а заодно с их помощью измерял силу взаимодействия между зарядами. Он же ввел понятия магнитного момента и поляризации зарядов. То, что сила взаимодействия между зарядами пропорциональна 1/r2 установил еще в 1771 году английский физик Генри Кавендиш (1731 — 1810), но не опубликовал свое открытие и эксперимент, с помощью которого он делал такой вывод.



Джозеф Пристли
Правда, и Кулон, и Кавендиш лишь подтвердили предположение, которое было высказано Джозефом Пристли о том, что сила взаимодействия между зарядами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Пристли не был твердо уверен в своем предположении и основывал его на предположении, что заряды взаимодействуют так же, как и тела в законе притяжения. Но именно Кулон довел закон до логического конца, введя в него зависимость от величины заряда.

Еще интересно, что Кулон не принимал теорию Франклина о существовании только одного рода электричества, а придерживался теории Дюфе. Кулон представлял себе электричество в виде двух разных жидкостей, а взаимодействие между заряженными телами объяснял взаимодействиями частиц этих жидкостей.

Таким же образом Кулон представлял себе действие магнитов, объясняя их действие “магнитными жидкостями”. Но тогда, если в каждом теле текут две такие “магнитные жидкости” (так как у магнита два полюса), то получается, что их можно было бы разделить, но Кулон доказывал, что это невозможно, приводя в доказательство то, что у магнита нельзя получить только северный или только южный полюс, а если его разломить, то получим два магнита с двумя полюсами.
На этом пока прервемся, в следующей части поговорим про открытие гальванического электричества.

Электромагнетизм


Несмотря на то, что Гильберт в свое время разъединил электричество и магнетизм, ученые все-таки пытались делать попытки снова их объединить. Одним из поводов для поиска связи между этими физическими явлениями послужил случай (описанный в Философских трудах за 1735 год), произошедший в июле 1731 года. В дом одного торговца во время грозы ударила молния, причем пострадал в основном только угол комнаты, где лежали в ящике стальные ножи и вилки. Часть из них расплавилась, а часть осталась цела, но при этом они намагнитились и стали притягивать гвозди и другие металлические предметы.

Одним из таких ученых, кто искал общие свойства у электричества и магнетизма был Франц Ульрих Теодор Эпинус (1724 – 1802), немецкий ученый, принявший российское подданство. На мысль о сходстве электрических и магнитных явлений его натолкнуло сделанное им в 1756 году открытие, когда он заметил, что при нагревании кусочков кристалла турмалина, он электризуется таким образом, что один его конец становится заряженным положительно, а второй – отрицательно. Затем это было названо пироэлектрическим эффектом. Он усмотрел в этом сходство с полюсами магнита.



Ханс Кристиан Эрстед

Но все-таки особенно большую роль для появления электромагнетизма сыграл один опыт Ханса Кристиана Эрстеда (1777 – 1851). Это произошло не то в конце 1819, не то в начале 1820 года на одной из лекций курса «Электричество, гальванизм и магнетизм», который читал Эрстед. На одной из лекции он положил рядом с проводом магнитную стрелку (компас), а когда по проводу пустили ток от вольтова столба, стрелка неожиданно отклонилась от своего первоначального положения. По другой версии Эрстед на самой лекции действительно проводил такой эксперимент, но который ничего не показал, т.к. провод был расположен перпендикулярно первоначальному направлению магнитной стрелки, но зато после лекции Эрстед решил расположить стрелку параллельно проводу и тогда уже заметил влияние электрического тока на компас. Есть еще и третья версия, по которой Экстед демонстрировал студентам только лишь то, что электрический ток способен нагревать проводник, а компас рядом оказался случайно, причем влияние тока на магнитную стрелку заметил не сам Эрстед, а один из студентов. Впрочем, сам Эрстед третий вариант опровергал. Но как бы там ни было, но именно этот опыт по сути заложил основу для электромагнетизма, науки, объединяющей и электрические и магнитные явления.

После этого Эрстед провел аналогичные опыты с более мощным источником тока, и только в июле 1820 года было публично объявлено об открытии. А в сентябре того же года французский академик Доминик Франсуа Араго (1786 – 1853) рассказал об этом открытии на заседании Парижской академии наук. В этом же году Араго изобрел электромагнит и показал, что железный сердечник способен вызывать магнитные действия, если пропустить ток, через проволоку, намотанную на этот самый сердечник.



Жан-Батист Био



Пьер-Симон Лаплас

В этом же году два француза Жан-Батист Био (1774 – 1862) и Феликс Савар (1791 – 1841) экспериментально определили закон, по которому можно определить силу, с которой действует прямолинейный проводник с током, и ее направление на магнитную стрелку. Точнее они определили закон, по которому можно узнать направление и величину вектора магнитной индукции. Чуть позже другой француз Пьер Симон Лаплас (1749 – 1827) показал, что с помощью этого закона можно вычислить магнитное поле движущегося точечного заряда, если считать движение одной заряженной частицы током. Обобщенный закон сейчас называют законом Био-Савара-Лапласа. Как видите, в то время французская школа была очень сильна в электричестве, в том числе и благодаря тому, что Наполеон стал усиленно материально поддерживать ученых. Он же учредил ежегодную премию в 60 тысяч франков за лучшую работу для ученых, работающих в области «вольтаического электричества». Кстати, Лаплас был одним и преподавателей Наполеона в военной школе.

Опыты Эрстеда добавили новую головную боль ученым. До этого все известные взаимодействия были направлены вдоль линии, соединяющей взаимодействующие тела, а в данном случае направление взаимодействия было перпендикулярно такой линии. Это было непривычно для ньютоновской теории мира.



Карл Фридрих Гаусс

Здесь хотелось бы немного отвлечься от экспериментов и немного поговорить о теории, а заодно вспомнить сверстника Эрстеда, немецкого математика и физика – Карла Фридриха Гаусса (1777 – 1855). Именно Гаусс во многом заложил основы математической теории электромагнетизма. Гаусс в 1832 году предложил все физические величины свести к трем – единице длинны, массы и времени. Гаусс предложил использовать для этих величин соответственно миллиметр, миллиграмм и секунду. В 1851 году Вебер дополнил эту систему электрическими величинами. Позже система единиц, введенная Гауссом, хоть и немного в измененном виде, будет заложена в основу международной системы СГС (сантиметр-грамм-секунда).

Гаусс же ввел и понятие потенциала электрического поля, а в 1839 году в сочинении «Общая теория сил притяжения и отталкивания, действующих обратно пропорционально квадрату расстояния», изложил основные принципы теории потенциала, в частности, ряд положений и теорем. Среди них – основную теорему электростатики (теорема Гаусса-Остроградского). Также Гаусс выдвигал предположение, что скорость распространения электромагнитного взаимодействия является конечной, что противоречило теории дальнодействия, которая в то время принималась многими учеными.



Андре-Мари Ампер

Следующий шаг по объединению электричества и магнетизма сделал Андре-Мари Ампер (1775 – 1836), он показал, что два проводника с током взаимодействуют так же, как и магниты, но перед этим он заметил, что на магнитную стрелку действует только так называемое гальваническое электричество, статическое электричество стрелку не отклоняет. Именно Ампер ввел понятие «сила тока», чтобы оценивать величину взаимодействия магнитной стрелки и гальванического электричества. Для эксперимента, который окончательно соединил электрические и магнитные явления, Ампер использовал проводящие спирали, которые вели себя как магниты, когда по ним протекал ток. То есть они могли притягиваться и отталкиваться в зависимости от направления протекания тока. И именно Ампер свел все магнитные явления к чисто электрическим эффектам, то есть по сути заложил основы электродинамики.



Майкл Фарадей

Ученых интересовало, если электрический ток способен вызывать магнитное действие, то может ли магнит вызывать электрические действия. Точку в этом вопросе поставил Майкл Фарадей (1791 – 1867). Фарадей начал исследования, направленные на извлечения электричества из магнитов в 1822 году, а удалось ему это в 1831 году. Установка Фарадея состояла из следующих элементов: две катушки, намотанные на один каркас, внутрь которого мог легко входить железный сердечник. Одна катушка была подключена к электрической батарее, а вторая к гальванометру. Фарадей с помощником заметили, что после того, помощник Фарадея (сержант Андерсен) вдвигает сердечник в катушку, на короткое время в цепи вторичной обмотки возникает ток. Таким образом, Фарадей показал, что только при изменении магнитной индукции возникает электрический ток. Говорят, что Ампер проводил такие же эксперименты, но он, чтобы добиться наибольшей точности, устанавливал катушки в одной комнате, а гальванометр в другой, и пока шел смотреть на показания гальванометра, то возникающий ток уже затухал.

Именно Фарадей ввел понятия силовых линий, с помощью которых он пытался объяснить как взаимодействуют между собой магниты и проводники с током. Кстати, многие ученые не принимали силовые линии, так как они противоречили теории дальнодействия, согласно которой тела взаимодействуют между собой мгновенно и непосредственно, без помощи каких-то третьих тел на любом расстоянии. Ампер, между прочим, был сторонником именно дальнодейтсвия. А Фарадей считал, что все пространство заполнено силовыми линиями, через которые и передается взаимодействие между магнитами. Он также использовал понятие «силовой трубки», с помощью которых он рассчитывал находить направление вектора напряженности магнитного поля и его величину. В 1833 году Фарадей окончательно доказал, что статическое электричество, гальваническое (химическое) и электричество, полученное с помощью электромагнитной индукции – это одно и то же электричество.

Гальванизм



Это продолжение первых двух записей про историю электродинамики (первая часть – магнетизм, вторая часть – электростатика).



Георг Зульцер

До сих пор все исследования электричества сводились к электростатике, то есть к взаимодействию одиночных зарядов между собой, но в конце 18 века Луиджи Гальвани изобрел первый источник постоянного электричества. Но прежде чем переходить к описанию опытов Гальвани, хотелось бы упомянуть немецкого философа и профессора математики Иоганна Георга Зульцера (1720 – 1779). Он не занимался исследованием электричества, но зато еще в 1752 году, почти за 30 лет до открытия Гальвани, в своей работе «Исследование происхождения приятных и неприятных ощущений» заметил, что если свинцовую пластину соединить с серебряной и положить их на язык, то появится вкус железного купороса, хотя по отдельности эти металлы таким вкусом не обладают. На исследование электричества это никак не сказалось, но интересно как бы отреагировал философ, если бы он узнал, что и через 250 лет многие люди будут лизать батарейки, чтобы таким способом узнать на сколько они заряжены.



Луиджи Гальвани

В 1780 году итальянский врач Луиджи Гальвани изучал вместе со своими ассистентами нервную систему лягушек, а неподалеку стояла электрическая машина. О дальнейших событиях, подтолкнувших к открытию гальванического электричества, существуют несколько версий. По одной из них препарированную мертвую лягушку Гальвани по неосторожности положил стол недалеко от электрической машины, где лежал и скальпель, который касался лягушки. Когда вошла его жена, то она с ужасом увидела, что нога лягушки дергалась, когда в электрической машине проскакивали искры.

По другой версии один ассистентов препарировал лягушку и случайно прикоснулся скальпелем к бедренному нерву лягушки, а другому ассистенту показалось, что в это время проскочила искра в электрической машине. Гальвани заинтересовался эффектом и начал проводить опыты, чтобы определить что именно заставляет мышцы лапок лапки лягушек сокращаться. Он и его ассистенты смогли заставить дергаться лапки лягушек от электрического разряда. После этого Гальвани решил проверить вызовет ли атмосферное электричество (молния во время грозы) такой же эффект. Тогда он взял несколько препарированных лягушек, зацепил их медными (по другой версии латунными) крючьями и подвесил на железную решетку. Во время грозы сокращение мышц лапок тоже происходило, но физик заметил, что лапки иногда дергались и в тихую погоду. Сначала он не мог понять почему так происходит и винил в этом «изменение электрического состояния атмосферы», но заметил, что мышцы также сокращались, если прижать медные крючья к железной решетке, после чего он решил провести эксперименты у себя в лаборатории. Цитата самого Гальвани:

Я провел опыт с другими металлами в разное время суток, в разные дни, в разных местах и все время получал почти одинаковый результат, если не считать, что при использовании некоторых металлов сокращения были более сильными. После этого я провел опыты с различными телами, не проводящими электричество (стекло, клеи, смолы, камни, сухое дерево), но ничего не происходило.

Он заметил, что конечности лягушки сокращаются, если нервы и мышцы лягушки соединить металлической дугой, которая обычно состоит из двух разнородных металлов. После этого он предположил, что сокращения вызываются особой жидкостью, которую сразу же назвали гальванизмом или животным электричеством. Гальвани предположил, что электричество вырабатывается внутри лягушек (в общем случае внутри животных). Он считал, что это то же самое электричество, которое может вырабатывать электрический скат, и что это та же самая электрическая жидкость, о которой говорил Франклин. Причем жидкость по мнению Гальвани содержалась в нервной системе. Свои выводы он публиковал в 1791 году в трактате «Об электрических силах в мускуле». После этого многие ученые стали проводить эксперименты по выявлению гальванизма у других животных, в том числе и в трупах людей. Эти опыты довольно сильно помогли изучению физиологии.

После публикации трудов Гальвани ученые разделились на три лагеря. Первые полностью приняли теорию Гальвани о животном электричестве, вторые считали, что животное электричество и обычное электричество – это разные жидкости, третьи утверждали, что никакой особой жидкости в нервной системе нет.



Алессандро Вольта

Алессандро Вольта (1745 – 1827) был сторонником третьего лагеря, и именно он в 1792 году предположил, что электричество возникает вследствие контактов двух разных металлов. Удивительно, но сам Гальвани до этого не додумался, хотя в своих опытах он использовал разные металлы. Вот что пишет Вольта на счет гальванизма:

Металлы, которые были использованы при проведении опытов, будучи приложенными к мокрым животным тканям, сами по себе и в силу своих свойств способны возбуждать и выводить электрическую жидкость из состояния покоя, так что органы животного действуют пассивно.

Вольта даже предлагал изменить название «животное электричество» на «металлическое электричество».

Гальвани и его последователи были не согласны с Вольтой, а в 1827 году Леопольде Нобили (1784-1835) провел эксперимент, в котором с помощью гальванометра зафиксировал ток, протекающий в цепи, составленной лапками и туловищем лягушки, таким образом подтвердив существование «животного электричества», или, как это называется сейчас, биоэлектричество. Получилась интересная ситуация, когда две казалось бы конкурирующие теории оказались правы, причем в качестве доказательства первой теории (животного электричества) использовались эксперименты, относящиеся ко второй (теорию Вольты о контакте между металлами). И на самом деле сторонники двух теорий спорили по поводу совершенно разных эффектов.

Но к концу XVIII века гальваническое электричество, которое можно было получить, было очень слабым по сравнению со статическим электричеством (представляете сколько сейчас понадобилось бы лягушачьих лапок, чтобы питать мобильник), поэтому интерес к нему начал пропадать, но в 1800 году все тот же Вольта открыл способ как значительно усилить гальванический эффект. Он изобрел то, что потом стали называть Вольтов столб, он взял несколько пар соединенных между собой медных и цинковых пластинок, а между этими парами проложил мокрый картон. Получился такой бутерброд: медь, цинк, картон, медь, цинк, картон и т.д. Если теперь замкнуть две крайние пластины, то при этом проскакивает искра, а если прикоснуться к одновременно к самому верхнему и самому нижнему кружочкам, то можно почувствовать удар и покалывание. Причем действие столба, в отличие от лейденской банки, было не кратковременным, а постоянным. Вольта писал, что если замкнуть крайние пластинки через тело, то появляется ощущение жжения, «которое не только не утихает, но делается все сильнее и сильнее».

Чтобы доказать, что соединение между металлами дает тот же самый электрический эффект, что и электризация тел, Вольта провел следующий эксперимент. Он на какое-то время соединил две пластинки (цинковую и медную), а затем их разъединил и поднес к электроскопу, который показал, что пластинки оказались заряженными.

Открытие Вольты подтолкнуло ученых к дальнейшим исследованиям теперь уже постоянного тока и уже через месяц после открытия гальванического элемента при создании первого в Англии столба Никольсон (1753 – 1815) и Карлейль (1768 – 1840) открыли эффект электролиза воды. Открыли они его случайно, для лучшего контакта между пластиной столба и проводником, который должен идти к нагрузке, на место их соединения ученые нанесли каплю воды и заметили, что в этом месте образуется газ. Чуть позже Уильям Хайд Волластон (1766-1828) осуществил разложение воды с помощью электричества, полученного с помощью трения. Этот же опыт показал, что статическое электричество и гальваническое – это один и тот же тип электричества. В ноябре 1800 года Хэмфри Дэви (1778 – 1829) показал, что столб не производит тока, если пластины разделить чистой водой, и что мощность столба напрямую зависит от способности жидкости окислять цинк.

В 1803 году немецкий физик Иоганн Риттер (1776-1810), по сути, изобрел аккуммулятор. Он составил столб из серебряных кружочков, между которыми проложил влажное сукно. После того, как он пропустил ток от вольтова столба, столб, созданный Риттером сам стал вести себя как источник электричества. Объяснил это действие все тот же Вольта в 1805 году.


Уравнения Максвелла

Итак, еще со времен Декарта ученые пытались понять каким образом электрические и магнитные воздействия передаются в пространстве. Чтобы объяснить это Майкл Фарадей ввел такие понятия как «силовые линии» и «поле». Фарадей был экспериментатором и не был силен в математике, поэтому все его объяснения были физическими и довольно понятными. Он считал, что взаимодействие передается посредством особой среды – «поля», которое пронизано силовыми линиями (как магнитными, так и электрическими). Он не принимал теорию дальнодействия, согласно которой тела могут взаимодействовать друг с другом непосредственно на расстоянии.



Джеймс Клерк Максвелл

После Фарадея на сцену выходит Джеймс Клерк Максвелл (1831 – 1879), который принял теорию Майкла и стал пытаться дать ей математическое описание, поскольку силовые линии и поле хорошо объясняли процесс взаимодействия «на пальцах», но не давали количественных оценок. Фарадей предлагал считать количество силовых линий. В то же время Максвелл пытался объединить теории Фарадея и Ампера, который был сторонником дальнодействия. Именно из-за использования техники дальнодействия формулы, полученные им при развитии теории, получались все более громоздкие и требовали ввода все новых и новых параметров.

Наиболее надежной теорией XIX века была механика и теория Ньютона, с их помощью пытались объяснить и электрические явления. Например, Ом в своих объяснениях электрических явлений использовал гидравлическую теорию. Ток у него был жидкостью, а провода трубками, диаметр которых определяет сопротивление, а скорость движения жидкости аналогична силе тока. А вот, например, Томсон исследовал аналогии электрических явлений и упругости. А до этого, еще в возрасте 17 лет на первом курсе Кембриджа он сравнил распространение электростатической силы в области, содержащей наэлектризованные проводники, с распространением потока теплоты в бесконечном твердом теле. Здесь опять сталкиваются теории близкодействия и дальнодействия. Дело в том, что формулы, полученные Томсоном при использовании теории дальнодействия, очень были схожи с формулами из теории теплоты, которые выводились с учетом того, что частицы газа или жидкости взаимодействуют друг с другом при соприкосновении. Позже Максвелл, скажет про эту работу, что она «впервые ввела в математическую науку идею об электрическом действии, переносимом посредством непрерывной среды».

Так и Максвелл, для объяснения электрических и магнитных явлений в своей теории он использовал механические аналогии. Теория эта была ужасно сложная и неудобная, но в то же время очень даже интересная. Суть теории заключалась в следующем. Максвелл использовал в ней даже кинематику и аналогии с зубчатыми колесами. В качестве таких колес выступали изолированные вихри, которые должны заменять силовые трубки. Эти вихри очень малы, и могут умещаться даже внутри молекул среды. Между вихрями-шестеренками, которые должны вращаться в одну стороны, Максвелл расположил еще более мелкие «паразитные» колесики, помогающее такому вращению (ведь соприкасающиеся шестеренки не могут вращаться в одну сторону). Теперь, если сила прикладывалась к одной шестеренке, то начинали вращаться и другие, соседние.

Максвелл задумывал такую теорию, чтобы объяснить электромагнитную индукцию, открытую Фарадеем, но из нее следовали новые явления, до сих пор неизвестные. В частности то, что при изменении электрического поля должно возникать магнитное поле, то есть этот эффект был симметричен открытию Фарадея. Важно понимать, что Максвелл не идеализировал свою модель и не считал, что пространство это и есть такие шестеренки, он лишь искал аналогии, от которых можно отталкиваться.

Через некоторое время Максвеллу удалось полностью избавиться в своих рассуждениях от кинематики с ее шестеренками. Вслед за просто «полем» Фарадея Максвелл ввел понятие «электромагнитное поле» – новый, еще до этого не известный вид материи. Первое упоминание о нем было в статье «Динамическая теория». Максвелл в ней предсказал ЭМ волны, хотя пока он говорит только о магнитных волнах. Это был логичный шаг для объединения электромагнитной индукции Фарадея и его собственного открытия о том, что изменение электрического тока создает магнитное поле. Джеймс рассуждал примерно следующим образом. При разряде лейденской банки проскакивает искра – это электрический ток, который должен создавать вокруг себя магнитное поле. Это поле затухает, то есть меняется, следовательно, должно создаваться электрическое поле. А вот изменение электрического поля должно создавать так называемый ток смещения, который ввел Максвелл, а уже ток смещения должен создавать опять магнитное поле. Так получается волна.

После этого Максвелл пишет свой знаменитый «Трактат об электричестве и магнетизме» (он опубликован в 1873 году), в котором окончательно выделяются знаменитые уравнения. Причем уравнений этих изначально было 12 и они были разбросаны по всей работе, хотя и выделены отдельно (они нумеровались буквами, а не цифрами). Уже позже Герц и Хевисайд их «вычистили», выбросили уравнения, которые можно вывести друг из друга или те, которые просто по-другому математически описывали уже известные явления. Так были выделены те четыре уравнения, которые и проходят на первых курсах на курсах электродинамики. «Трактат» получился ужасно сложным, он занимал больше тысячи страниц и в нем Максвелл активно использовал такую математическую штуковину, которая называется кватернион. В то время они были придуманы относительно недавно Гамильтоном (в 1843 году).

А одним из первых теорию Максвелла применил Лоренц.