Пётр Капица - Эксперимент, Теория, Практика. Статьи, Выступления

Франклин очень увлекался опытами по электричеству, и в продолжение семи лет большую часть своего времени он посвятил научной работе. Эти работы в то время, несомненно, стали ведущими в развитии учения об электричестве и получили мировое признание. За этот короткий срок Франклин был признан ведущим ученым своего времени. Большинство крупных научных обществ или академий отметили научные заслуги Франклина, избрав его своим членом, и ряд университетов присвоил ему почетное звание доктора.

Естественно возникает вопрос: как могло случиться, что Франклин, раньше никогда не занимавшийся физикой, на отлете, в небольшом городе Америки, вдали от центров мировой науки, будучи уже человеком зрелого возраста, смог за несколько лет работы возглавить развитие целой научной дисциплины?

И это произошло в середине XVIII века, когда наука велась людьми на уровне знаний таких ученых, как Ньютон, Гюйгенс, Эйлер? О дилетантизме здесь говорить не приходится. Как же мог Франклин достичь таких результатов, которые остались недоступны профессиональным ученым?

Мне думается, что надо искать объяснение в том, что Франклин первый правильно понял существо электрических явлений и поэтому открыл правильный путь для дальнейших исследований в этой области. Аналогичный резкий сдвиг в развитии целой важнейшей области физики — радиоактивности — произошел на глазах многих из нас.

После того как в 1896 году Беккерель открыл явление радиоактивности, в продолжение ряда последующих лет накоплялся богатейший опытный материал по изучению физических явлений, связанных с радиоактивными свойствами вещества. Во всем этом разнообразии опытного материала не имелось порядка, поскольку сущность самого явления радиоактивности не была понята. Резерфорд первый нашел, что физические явления, связанные с радиоактивностью, сразу же объясняются, если предположить, что радиоактивность является процессом распада материи. Для того чтобы это увидеть, от Резерфорда не требовалось глубокой эрудиции, но, главное, нужно было его большое воображение, прозорливость и смелость. На таких начальных этапах развития науки точность и пунктуальность, присущая профессиональным ученым, может скорее мешать выдвижению такого рода смелых предположений.

В начальной стадии изучения электричества требовалось, чтобы был сделан такой смелый шаг. И Франклин его сделал.

До работ Франклина было уже накоплено большое количество опытного материала, но факты были разрознены, и выдвинутая им гипотеза не только объединяла эти факты в стройную картину, но и указывала правильный путь для дальнейших исследований.

Свою основную гипотезу Франклин изложил в письме к Питеру Колинзу в 1749 году. Она дает ясную картину процессов, происходящих при электризации тел. Эта картина до сих пор в основном остается правильной. Вот выдержка из этого письма: «Электрическая материя состоит из частиц крайне малых, так как они могут пронизывать обычные вещества такие плотные, как металл, с такой легкостью и свободой, что не испытывают заметного сопротивления». В наши дни мы называем эти «крайне малые частицы» электронами. Далее Франклин рассматривал любое тело, как губку, насыщенную этими частицами электричества. Электризация тел состоит в том, что тело, имеющее избыток электрических частиц, положительно заряжено; если тело имеет недостаток этих частиц, оно заряжено отрицательно. Количественно Франклин это доказал очень наглядным опытом.

Представим себе, что два человека стоят на восковых подушках, т. е. изоляторах. Один из них трением электризует стеклянную палочку. Тогда, если он касается ею другого человека, они оба становятся наэлектризованными по отношению к земле, что просто доказывается тем, что любой из них, касаясь заземленного предмета, вызывает искру. Если же сразу после электризации стоящие на изоляторах люди коснутся друг друга, то между ними проскочит искра, после этого их наэлектризованность по отношению к земле пропадает. Это доказывается тем, что при прикосновении к заземленному предмету искры не возникнет.

Гипотеза Франклина исходила из материальной природы электричества и просто объясняла эти опыты. Если изолированный человек касается другого изолированного человека стеклянной палочкой, один из них теряет электрическую материю, другой в той же мере ее приобретает. Один из них заряжен положительно, другой отрицательно. Если они касаются друг друга, то происходит разряд и, поскольку сохраняется постоянное количество электрической материи, прежнее равновесие восстанавливается. Конечно, Франклин тогда не имел возможности на опыте воспринимать материальный характер электричества и поэтому не имел возможности определить, кто на самом деле получает электрическую материю и, следовательно, заряжен положительно, и кто ее теряет, т. е. заряжен отрицательно. Поэтому он принял наугад, что наэлектризованное стекло заряжено положительно, может быть, думая, что шерстяная материя при трении о стекло втирает в него электричество. Только в конце прошлого века, после открытия частиц электричества — электронов, стало известно, что не положительный электрод, как думал Франклин, накапливает электрические частицы, но отрицательный. Чтобы не менять привычных обозначений положительной и отрицательной полярности, электрону приписали отрицательный заряд.

Я приведу еще один опыт Франклина, который тоже представляет крупный научный интерес.

Свойство взаимного отталкивания одноименных заряженных тел Франклин распространил на заряды, находящиеся на металлических проводниках. Он считал, что заряды, отталкиваясь друг от друга, будут стремиться на наружную часть наэлектризованного металлического тела. Он доказал справедливость своего предположения следующим опытом.

Металлический чайник ставился на изолятор и электризовался. Требовалось найти опыт, который доказал бы, что заряд распределяется по наружной поверхности чайника. Для этого внутрь чайника помещалась цепь, которую посредством изолированной ручки можно было постепенно извлекать из чайника. Степень электризации чайника определялась по отталкиванию двух шариков, подвешенных к нему на ниточках. Опыт заключался в том, чтобы за изолированную ручку подымать цепь из чайника и наблюдать, как по мере ее вытягивания степень электризации чайника уменьшается.

Франклин рассуждал так: пока цепь находится внутри чайника, ее поверхность увеличивает внутреннюю поверхность чайника; когда цепь вытягивают наружу, то она увеличивает наружную поверхность чайника. Франклин заключает: если заряд распространяется только по наружной поверхности наэлектризованного проводника, то только при ее увеличении наэлектризованность будет уменьшаться. Это и наблюдается на самом деле, когда производится опыт.