Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Он не остановился на этом. Франклин исследовал различные способы разряжения. В своих опытах он использовал предметы разной формы. Так, если поднести к предмету металлическую сферу, предмет разрядится через воздух на расстоянии в один дюйм. Если к тому же телу с тем же самым размером заряда поднести металлическую спицу, разряд возникнет на расстоянии в 6–8 дюймов. Вывод можно было сделать такой: заряженное тело легче разрядить острым предметом, чем тупым. Кроме того, при разряжении тела острой спицей искры и треск не наблюдались. (Тем не менее сам факт разряжения тела определялся очень просто: заряженное тело внезапно перестало отталкивать подвешенный вблизи пробковый шарик с таким же зарядом.)

Франклин догадался, что такое явление может быть полезным для решения проблемы, связанной с грозой. Если на крышу здания поместить высокий заостренный металлический стержень, то он сможет довольно эффективно разряжать заряженные облака, прежде чем они заполнят вспышкой молнии пробел между собой и крышей. А если присоединить к такому громоотводу проводники, разряд будет отводиться в землю, не причиняя вреда зданию. Таким образом дома можно защищать от грозы.

И действительно, это приспособление работало очень хорошо. В следующие 20 лет здания всей Европы и Америки находились под защитным покровом изобретения Франклина. Франклин стал первым великим ученым Нового Света, и благодаря этому открытию о нем узнали в Европе (факт, который имел важные политические последствия в дальнейшем, когда Франклин отправился во Францию во время американской революции, четверть века спустя после легендарного запуска змея). С изобретением громоотвода изучение электростатики достигло апогея. К концу XVIII века появился новый аспект в изучении электричества, и электростатика отошла на задний план.

Заряд может передвигаться от одной точки к другой (иногда это описывается как движение электрического тока), как это представлялось во времена Грея в начале XVIII века (см. гл. 10). Однако до 1800 года обнаруживались только мгновенные электрические потоки такого рода. Заряд может переместиться из лейденской банки, например, в тело человека, но после одной мгновенной искры передвижение уже совершено. Перемещение такого гигантского заряда, как молния, тоже происходит мгновенно. Говорят же «быстрый как молния».

Для того чтобы получить непрерывное перемещение заряда, или постоянный ток, из точки А в точку Б, необходимо создавать новый заряд в точке А, как только поток электронов покинет ее, и поглощать этот поток, как только он достигнет точки Б.

Первые способы проделать это были разработаны на основе наблюдений, проводившихся в 1791 году итальянским медиком и физиком Луиджи Гальвани (1737–1798). Гальвани интересовался как работой мышц, так и экспериментами с электричеством. Работая с лейденской банкой, он обнаружил, что искры из нее заставляют сокращаться мышцы в бедре рассеченной лягушки, несмотря на то что в них уже нет жизни. Другие тоже наблюдали подобное явление, но Гальвани открыл нечто новое: когда металлический скальпель касался мышцы в момент появления искры из находящейся рядом лейденской банки, мышца сокращалась, хотя непосредственного контакта с искрой она не имела [100] В результате этих экспериментов, которые привлекли внимание публики, сокращение мышцы человека как реакцию на электрический шок (или на любое другое неожиданное ощущение или даже сильную эмоцию) и стали называть «гальванизацией». .

Полагая, что причиной этому является наведенный (индуцированный) электрический заряд в скальпеле, Гальвани поместил мышцы бедра лягушки в наэлектрифицированную атмосферу грозы, подвесив их на медных крючках на железной ограде. Он добился сокращения мышц, а к тому же понял, что можно было обойтись и без грозы.

Необходимо было всего лишь дотронуться до мышц двумя разными металлами одновременно, причем не важно, есть ли поблизости искра или нет, а также не важно, идет гроза на улице или нет. Два разных металла, контактируя одновременно с мышцей, могут не просто заставить ее сокращаться, а могут сделать это несколько раз. Очевидно, что электричество имеет какое-то отношение к этому процессу и, что бы ни происходило электрический заряд не утрачивал своей силы даже после разряжения и сокращения мышцы, напротив, заряд мог самопроизвольно возникать снова и снова. Гальвани предположил, что электричество возникало в самой мышце, и назвал это «животным электричеством».

Однако другие ученые подозревали, что причиной порождения электрического разряда является все-таки скорее объединение двух металлов, нежели сама мышца. Наиболее выдающимся из этих ученых был Алессандро Вольта. В 1800 году он изучал комбинации различных металлов, но соединенных не мышечной тканью, а простыми растворами, которые никто бы не заподозрил в какой-то связи с «живой силой».

Он использовал различные металлы, объединенные в цепь, верно предположив, что для достижения лучших результатов необходимо иметь несколько источников, а не один. Сначала он использовал сосуды, наполовину наполненные соленой водой (каждый вместо мышцы лягушки), и соединял их перемычками в виде металлических пластин, медной и цинковой, спаянных вместе. Медный конец пластины опускался в один сосуд, цинковый — в другой. В каждом сосуде был медный конец одного моста с одной стороны и цинковый конец другого моста с другой стороны.

Такой вот «венок из чаш», как его называл Вольта, мог служить источником электричества, которое, как было ясно показано таким образом, возникало в металлах, а не в животных тканях. Еще важнее то, что электричество возникало постоянно и могло перемещаться непрерывным потоком.

Чтобы избежать потери тока, Вольта испытал другое устройство.

Он взял маленькие диски из меди или серебра (для этого хорошо подошли монеты) и диски из цинка. Затем построил из них столбик: серебро, цинк, серебро, цинк и т. д. Между этими пластинками положил картонные диски, пропитанные соленой водой, которые играли роль лягушачьих мускулов Гальвани или его собственных сосудов с соленой водой. Если до верхушки такого «вольтова столба» дотронуться металлическим проводом, то можно увидеть искру у его основания, если к основанию столба поднести другой конец этого провода. Фактически, если соединить проводом верхушку и основание, в нем создавался постоянный ток.

Это явление не могли полностью понять до начала следующего века, но в основе его лежал тот факт, что атомы всех веществ содержат как отрицательно заряженные электроны, так и положительно заряженные протоны. Следовательно, электрический заряд в постоянно действующем вольтовом столбе на самом деле не был создан Вольтой — он всегда существовал в веществе. Вольтов столб служил просто для того, чтобы разделять уже существующие отрицательные и положительные заряды. Легче всего описать это разделение на примере двух разных металлов.