Валерия Черепенчук - 99 секретов физики

В прошлом «живой силой» именовали результат действия, производимого движущимся телом. Готфрид Лейбниц (1646–1716) определял эту величину как произведение массы тела на квадрат его скорости. Британский физик Томас Юнг (1773–1829) предложил вместо «силы» использовать термин «энергия» (от лат. «деятельность», «мощь»).

В XIX веке окончательно сложились два понятия: энергия кинетическая и энергия потенциальная. В первом случае энергия возникает при движении – например, текущая вода вертит жернова и превращает зерно в муку, работающее сверло станка заставляет его детали нагреваться. Во втором же речь идет о той энергии, которой обладают предметы в состоянии покоя: скажем, подвешенный на тросе груз, будучи сброшен на землю, может сделать в ней углубление.

В середине XIX века ученый Джеймс Джоуль (1818–1889), ставя опыты по получению тепла в ходе механической работы, сделал вывод: один вид энергии может переходить в другой. Так появилась термодинамика – раздел физики, изучающий возможности и способы передачи и превращения энергии. И первый ее закон (он же – закон сохранения энергии) гласит: энергия не возникает из ниоткуда и не уходит в никуда! В замкнутой системе ее количество остается постоянным. Второй закон, сформулированный Рудольфом Клаузиусом (1822–1888), констатирует: при любом энергетическом обмене или преобразовании (например, при кипячении воды) часть энергии будет потеряна.

Действительные богатства человечества – это искусства и науки. Это то, что отличает больше всего людей от животных и цивилизованные народы от варваров. – Готфрид Лейбниц

Механический калориметр Джоуля

С помощью этого прибора была определена зависимость между работой и теплотой

Еще в VII веке до нашей эры греческий философ и ученый Фалес Милетский обратил внимание, что если потереть клочком шерсти кусок янтаря (его греки называли «электроном»), то он начнет притягивать к себе шерстинки и прочую мелочь. Но тогда ученые не пошли дальше констатации факта.

Во второй половине XVI столетия англичанин Уильям Гильберт (1544–1603) в своей книге «О магните, магнитных телах и большом магните – Земле» использовал термин «электричество» – то есть, дословно, «янтарность». Электрическими Гильберт именовал тела, которые подобно янтарю после натирания приобретали способность притягивать мелкие предметы. Также он предположил, что Земля по своей сути представляет большой магнит. Так была заложена основа для исследования неограниченных возможностей электричества.

В первой трети XVIII века английский ученый Стивен Грей (1666–1736) установил, что некоторые материалы способны не только «электризоваться», но и передавать полученный заряд на довольно большое расстояние. Так было открыто явление проводимости. Кроме того, Грей обратил внимание, что некоторые вещества этой способностью не обладают – таким образом, в науку были введены понятия проводника и изолятора.

Ярким проявлением электричества в природе служат молнии, электрическая природа которых была установлена в XVIII веке.

Французский естествоиспытатель Шарль Франсуа Дюфе (1698–1739) заметил, что иногда наэлектризованные предметы притягиваются друг к другу, а иногда – отталкиваются: так возникло представление о положительных и отрицательных зарядах.

Блаженство тела – в здоровье, блаженство ума – в знании. – Фалес Милетский

В середине XVIII столетия исследования электричества шли во многих странах. Голландец Питер ван Мушенбрук (1692–1761) создал «лейденскую банку», способную накапливать электрический заряд, порождаемый трением. В России опыты с атмосферным электричеством проводили Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765) и Георг Рихман (1711–1753) – погибший от удара молнии при попытке «поймать» ее.

В 1800 году итальянский ученый Алессандро Вольта (1745–1827) предположил, что вещества могут являться не только проводниками, но и источниками тока, и создал первый в мире генератор: кружочки, изготовленные из двух разных металлов, складывались стопкой и переслаивались тканью или бумагой, пропитанными соленой водой либо солевым раствором. Если исследователь касался проволоки, соединявшей два конца «вольтова столба», он ощущал чувствительное покалывание. То есть химическая энергия превращалась в электрическую!

«Вольтов столб»

Алессандро Вольта

В начале XIX столетия появились первые исследования, заявившие о связи электричества и магнетизма: например, стрелка компаса отклонялась, когда рядом с ней замыкали цепь «вольтова столба». В 1820 году французский ученый Андре-Мари Ампер (1775–1836) доказал: интенсивность магнитного действия связана с интенсивностью электричества, и ввел понятия «электрический ток» и «сила тока». Суть электрического тока в том, что по проводнику от источника в сторону «потребителя тока» движется поток неких заряженных частиц.

Единица этой силы в честь исследователя была названа ампером.

Единица измерения электрического напряжения именуется «Вольт» – в знак признания заслуг Алессандро Вольты

На протяжении многих лет исследователи наблюдали в лабораториях возникновение магнитного поля вследствие «работы» электричества. Но можно ли пойти по другому пути – получить электричество путем создания магнитного поля?

В 1831 году английский ученый Майкл Фарадей (1791–1867) доказал, что это возможно. Расположив проволоку между полюсами магнита, ученый наблюдал, как при приближении проволоки к полюсам в ней возникает ток. Он стал основоположником учения об электромагнитном поле: суть его в том, что магнетизм и электричество не только способны порождать друг друга, но и в целом представляют собой единую сущность, по-разному проявляющуюся в разных условиях. Чуть позже земляк Фарадея Джеймс Клерк Максвелл придал этим теориям завершенность, подробно описав большинство процессов в виде уравнений и формул.

Электромагнитное поле