Коллектив авторов - 100 великих научных открытий

В 1663 г. Отто фон Герике — немецкий инженер и физик, а по совместительству глава города Магдебург — представил публике свое новое изобретение. Серный шар на длинной палке служил электрической машиной, притягивая либо отталкивая разные предметы, когда кто-то крутил и натирал его ладонями. За несколько веков этот аппарат не раз дорабатывали, и многим ученым он помог сделать очень важные наблюдения. Например, в начале XVIII в. француз Ш. Ф. Дюфе в ходе экспериментов с машиной увидел, что стекло и дерево при трении электризуются неодинаково.

Продолжая исследования Фея, двое других ученых — англичане С. Грей и Г. Уилер в 1729 г. поставили ряд любопытных опытов. Сначала они натерли стеклянную трубку, расположенную вертикально и закрытую снизу пробкой, — в итоге наэлектризовались и трубка, и пробка. Тогда ученые подвесили к пробке на 8-метровой бечевке шарик из слоновой кости — и он тоже получил заряд. Затем в трубку был вставлен направленный вверх 5-метровый шест, с которого свисала 10-метровая бечевка с шариком. После трения трубки шарик снова-таки наэлектризовался — заряд передался на 15-метровую дистанцию.

После этого Грей перевел бечевку с шаром на конце в горизонтальное положение и прикрепил к деревянным балкам гвоздями. Увы, на этот раз заряд сообщился не шару, а… балкам. Грей был растерян, но Уилер посоветовал ему заменить гвозди шелковыми шнурками, и эксперимент удался: шарик наэлектризовался. После ученые закрепили бечевку медной проволокой, и заряд снова ушел в балки. Опыт повторялся несколько раз с бечевками длиной 233 и 270 м, и полученные результаты показали: во-первых, электричество можно передавать на большие расстояния; во-вторых — одни материалы, такие как шелк, плохо проводят электричество, а другие, вроде металла, имеют хорошие проводящие качества. Потому Грей предложил классифицировать все материалы на проводники и изоляторы.

В том же 1729 г. голландский физик П. ван Мушенбрук, работавший в университете города Лейден, открыл удивительное свойство банки, покрытой изнутри и снаружи оловом, — конденсация электрического заряда. В банку через крышку был вставлен металлический стержень, и при его натирании электроны с него стекали внутрь банки, на олово, которое играло роль положительного электрода, в то время как внешний слой металла выступал отрицательным электродом. Когда работа электрического поля по переносу зарядов становилась слишком напряженной (то есть накапливался большой потенциал, о котором тогда еще никто не знал), банка разряжалась с искрами и громким треском, производя эффект молнии. Такой эффект заинтересовал других ученых, и экспериментировать с лейденской банкой стали все кому не лень.

Четыре года спустя француз Шарль Дюфе открыл два типа заряда: смоляной и стеклянный. Первый возникает, если натирать янтарь и другие смолы (сейчас его называют отрицательным), а второй (положительный) — при натирании стекла и разных минералов. Кроме того, Дюфе сформулировал закон, согласно которому наэлектризованные предметы притягивают ненаэлектризованные и отталкивают те, у которых тоже есть заряд.

Чуть позже американский ученый, изобретатель и политик Бенджамин Франклин (1706–1790) придумал собственную электрическую концепцию: якобы электричество представляет собой невесомую жидкость, которая наполняет абсолютно все предметы и может перетекать из одних в другие. Если жидкости слишком много, предмет электризуется положительно, если слишком мало — предмет заряжается отрицательно. Стоит только сблизить два объекта, заряженных положительно и отрицательно, и жидкость перетечет из первого во второй, чтобы уравновесить количество заряда. Именно так ученый объяснил, почему лейденская банка накапливает заряд, а потом разряжается, и высказал верное предположение, что электричество представляет собой мельчайшие частички — то есть состоит из атомов.

Теория Франклина вполне соответствовала открытию Дюфе, к тому же благодаря ей в научный мир вошло представление о движении электрического тока. Однако и она имела «белые пятна». Некоторые из них удалось заполнить Роберту Симмеру — автору дуалистической теории электричества. Симмер первым обнаружил, что при натирании чего-либо электризуется не только этот предмет, но и сам натирающий. Это навело его на интересную мысль: все объекты несут в себе обе разновидности электрической жидкости — и положительную, и отрицательную, которые взаимно нейтрализуются. Когда пропорция этих жидкостей меняется, объект электризуется, получая заряд преобладающей жидкости.

Теории Франклина и Симмера были восприняты как конкурирующие, хотя на самом деле они дополняли друг друга, составляя единую картину электрических явлений. В конце XVIII в. был открыт электролиз, предусматривающий разложение жидкости или раствора, когда через них пропускают ток. Этому открытию во многом поспособствовал итальянский физик А. Вольта — изобретатель «вольтова столба», генерирующего электроэнергию посредством чередующихся дисков из цинка, меди и пропитанной кислотой ткани. Опыты с электролизом показали образование в электролите двух противоположных зарядов, расходящихся в разные стороны: положительные частицы накапливались на катоде, отрицательные — на аноде. Так, если пропустить ток через воду, то она распадется на водород и кислород: пузырьки первого соберутся на отрицательном электроде (катоде), а пузырьки второго — на положительном (аноде).

Последующие исследования пополнили копилку знаний о статическом электричестве, однако ток — то есть динамичное поведение электричества — долгое время не привлекал внимания ученых. Ситуация изменилась в XIX в. в связи с развитием промышленности, когда возникла необходимость в электрическом освещении.

Первым, кто взялся за изучение тока, стал русский ученый В. Петров. Собрав самый большой на то время вольтов столб (в нем насчитывалось 4200 цинковых и медных пластин!), Петров доказал, что в процессе движения электричество эффективно нагревает проводники. Помимо того, ученый открыл электрическую дугу — разряд, возникающий между двумя угольными стержнями в газах (в том числе в воздухе), а также в вакууме. Данное явление, по словам Петрова, могло бы применяться и для освещения, и для плавки металлов. Это положило начало разностороннему исследованию свойств электричества и применению его на практике, а следовательно, развитию электротехники.

То, что минерал магнетит (магнитный железняк Fe 3O 4) притягивает металлические предметы, люди знали еще за 3 тысячи лет до нашей эры. Раньше всех эту «магическую» способность магнетита заметили жители Месопотамии, а объяснить ее попытались древние греки приблизительно в V в. до н. э. Так, античный философ Фалес Милетский (тот, что открыл статическое электричество, натирая шерстью янтарь) полагал, будто у магнетита есть душа. Иные мудрецы высказывали предположения о том, что магнетит и железо окутаны незримым паром, потому и притягиваются. Греки же придумали и название «магнетит» — в честь города Магнесия-у-Сипила, где были большие залежи этого минерала.