Сидней Уитингтон - История инженерного дела. Важнейшие технические достижения с древних времен до ХХ столетия

Парижанин Шарль Франсуа Дюфе (1698–1739), придворный Людовика XV, создал первую теорию электричества. Прочитав труды Грея в 1733 году, Дюфе сразу начал эксперименты с электропроводимостью и обнаружил два вида электрических зарядов – «стеклянный» и «смоляной», доказав, что одноименно наэлектризованные тела отталкиваются друг от друга, а разноименные – притягиваются. Дюфе писал: «По воле случая я узнал другой принцип, который проливает новый свет на предмет электричества. Этот принцип заключается в следующем: есть два электричества, отличающиеся друг от друга. Одно я назвал vitreous-электричество, другое – resinous-электричество. Первое – это электричество стекла, горного хрусталя, драгоценных камней, шерсти животных и многого другого. Второе – это электричество янтаря, копала, камеди, шелка и многого другого. Характерным для этих двух электричеств является следующее: тело из vitreous-электричества, к примеру, отталкивает все тела такого же электричества и, наоборот, притягивает все тела resinous-электричества».

Дюфе предположил, что нейтральное вещество имеет одинаковое количество vitreous и resinous-электричества и что любое вещество отдает один тип электричества, если его потереть, и становится заряженным другим типом. Теория Дюфе объясняла многие электрические явления и была довольно-таки полезной. Она не учитывала лишь того, что заряд любого тела также зависит от вещества, которым его трут.

Два человека, работавших параллельно и независимо друг от друга, одновременно открыли принцип электрического конденсатора. Это прибор, который держит заряд статического электричества посредством двух проводящих пластин, разделенных непроводящим материалом. Питер ван Мушенбрук (1692–1761) открыл то, что теперь называется лейденская банка, – стеклянный сосуд с внутренним и наружным металлическим покрытием – они разделены непроводящим стеклом. Мушенбрук сообщил о своем открытии в письме Реомюру, который в январе 1746 года зачитал его на собрании Французской академии наук. В октябре 1745 года Эвальд Георг фон Клейст (1700–1748), клирик собора в Каммине, также открыл принцип лейденской банки, однако его описания были настолько невнятными, что никто не сумел повторить его эксперименты. Первый разряд, полученный Мушенбруком от его банки, оказался настолько сильным, что физик начал свое письмо Реомюру словами: «Я хочу рассказать вам о новом, но ужасном эксперименте, который искренне не советую повторять». Позже Вольта дал этому прибору название «конденсатор», поскольку электричество в то время считалось «невесомой жидкостью», которую можно «конденсировать». Его также называют емкостью.

Когда лейденской банке было два года от роду, Бенджамин Франклин (1706–1790) использовал ее в экспериментах по демонстрации важной новой теории электрического явления. Большим вкладом Франклина в науку об электричестве явилась его одножидкостная теория, которая сменила двухжидкостную теорию Дюфе и с некоторыми изменениями была полезна для новых экспериментов в течение столетия. Франклин выразил новую концепцию в 1747 году, написав: «Некоторое время мы были убеждены, что электрический огонь не был создан трением, но собирался, на самом деле являясь рассеянным элементом, среди другой материи, и притягивался ею, особенно водой и металлами». Написав это, Франклин ничего не знал о теории Дюфе. Шарль Огюстен де Кулон (1736–1806) – французский гражданский инженер и физик – сделал следующий важный шаг в 1785 году, когда подтвердил умозаключение, сделанное в 1766 году Джозефом Пристли, английским философом и химиком. Тот утверждал, что сила притяжения или отталкивания между двумя маленькими сферами, имеющими электрические заряды, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Закон Кулона стал первым количественным законом в истории электричества.

Луиджи Гальвани (1737–1798), профессор из Болоньи, в 1786 году обнаружил, что отрезанная лягушачья лапка дергается, если ее коснуться скальпелем, когда в той же комнате работает электрическая машина, – отсюда одно из значений нашего слова «гальванизировать». Продолжая исследовать это странное явление, он выяснил, что лягушачья лапка дергается, если он одновременно касается мышцы и нерва концами металлического проводника, половина которого – цинковый стержень, а вторая половина – медный стержень. Лягушачья лапка не дергается, если металлический проводник состоит только из одного металла. Гальвани оказался перед двумя возможными трактовками этого интересного наблюдения. Или два проводника из разных металлов создают электричество при контакте, а лягушачья лапка действует как электрометр, обнаруживающий заряд, или мышца и нерв лягушачьей лапки производят электричество, а стержни действуют как проводники. К сожалению, Гальвани ошибочно выбрал второе объяснение и ввел термин «электричество животных», опубликовав свои наблюдения в 1791 году.

Профессор физики в Павии Алессандро Вольта (1745–1827) сначала принял теорию Гальвани об электричестве животных. Однако, проведя аналогичные эксперименты, Вольта обнаружил, что не может объяснить все результаты на основе теории электричества животных. Предположив, что источником электричества может быть контакт между двумя металлами, он заменил лягушачью лапку чувствительным электроскопом, прибором, который он изобрел в 1782 году для обнаружения мгновенного заряда статического электричества. С помощью электроскопа он сумел определить электрический заряд при контакте двух разных металлов без лягушачьих лапок или каких-либо других биологических материалов. Продолжая работу, Вольта открыл принцип батареи, о котором объявил в 1800 году. Впервые после появления батареи Вольта стал возможным продолжительный поток электрического тока. Для науки об электричестве и впоследствии для электрической инженерии открытие Вольтом электрического тока, в отличие от статического электричества, имело огромную важность. Открытия электропроводимости, конденсатора и электрического тока – это три самых важных открытия XVIII века для сегодняшней электрической инженерии.

В течение некоторого времени до 1800 года разные исследователи пытались установить связь между электричеством и магнетизмом. Эти исследования не давали результата, поскольку между статическим электричеством и магнетизмом нет никакой связи – только между электрическим током и магнетизмом. В 1852 году профессор из Копенгагена Ханс Кристиан Эрстед (1777–1851) первым сообщил о существовании электромагнетизма. Эрстед обнаружил, что электрический ток, пропущенный через проволоку, подвешенную над стрелкой магнитного компаса параллельно ей, заставляет стрелку поворачиваться и занимать положение почти под прямым углом к проволоке. Находка Эрстеда стимулировала научную активность. Всего через две недели после того, как о ней было объявлено во Французской академии наук, Андре-Мари Ампер (1775–1836) обнаружил, что виток проволоки действует как магнит, когда по нему пропущен ток, и что два таких витка притягивают и отталкивают друг друга, как магниты, но без присутствия магнетита. В своем труде, опубликованном в 1820 году, Ампер так же точно определил электрический потенциал или электрическое давление, в отличие от электрического тока. К 1822 году Ампер твердо определил, как опытным, так и эмпирическим путем, термодинамику.