ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ЭЛЕКТРОСТАТИКЕ И МАГНИТОСТАТИКЕ
Первые сведения об электричестве и магнетизме
Изучение электрических и магнитных явлений по-настоящему начинается только в XVIII в. Но первые сведения об этих явлениях были известны уже древним.
Древние греки знали свойство натертого янтаря притягивать мелкие предметы. Само слово «электричество» происходит от греческого слова «электрон», что значит по-русски янтарь.
Древние греки знали также, что существует особый минерал - железная руда (магнитный железняк), способный притягивать железные предметы. 3алежи этого минерала находились возле города Магнесии. Название этого города послужило источником термина «магнит».
Древние не исследовали ни электрических, ни магнитных явлений. Однако они попытались дать объяснение этим явлениям.
Самое первое объяснение свойств магнита притягивать железо заключалось в том, что магниту приписывалась «душа», которая заставляла магнит притягивать железо или притягиваться к железу.
При этом магнит представляли подобно живому существу. Живое существо, например собака, видит кусок мяса и стремится к нему приблизиться. Подобно этому магнит как бы видит железо и стремится к нему притянуться.
Это объяснение весьма примитивно с нашей точки зрения. Однако такого рода объяснения, когда предметы неживой природы одушевлялись, были характерными для древних, которые верили в существование целого ряда богов, духов и т. д.
Но в древности начала развиваться и материалистическая философия. Философы-материалисты Древней Греции отвергали существование духов и пытались объяснить все явления природы естественными законами.
Они учили, что все тела состоят из мелких материальных неделимых частиц - атомов. По их мнению, кроме атомов и пустоты, в которой атомы движутся, ничего не существует. Все явления природы объясняются движением атомов. Само слово «атом» греческого происхождения. Оно означает «неделимый».
Философы, верившие в существование атомов, из которых состоит природа, получили название атомистов. Одним из родоначальников этой философии был древнегреческий философ Демокрит (460 - 370 до н.э.). Философы-атомисты пытались дать объяснение электрическим и магнитным явлениям без обращения к специальным «душам» и «духам».
Первые успехи в исследовании магнитных явлений в средние века
В средние века изучение магнитных явлений приобретает практическое значение. Это происходит в связи с изобретением компаса.
Уже в XII в. в Европе стал известен компас как прибор, с помощью которого можно определить направление на части света. О компасе европейцы узнали от арабов, которым было уже к этому времени известно свойство магнитной стрелки. Еще раньше, вероятно, такое свойство знали в Китае.
Начиная с XII в. компас все шире применялся в морских путешествиях для определения курса корабля в открытом море.
Практическое применение магнитных явлений приводило к необходимости их изучения. Постепенно выяснялся целый ряд свойств магнитов.
В 1600 г. вышла книга английского ученого Гильберта «О магните, магнитных телах и большом магните - Земле». В ней автор описал уже известные свойства магнита, а также собственные открытия.
Еще раньше узнали, что магнит всегда имеет два полюса. Они были названы по имени частей света - северный полюс и южный полюс. В числе свойств магнита Гильберт указывал на то, что одинаковые полюсы отталкиваются, а разноименные притягиваются.
Гильберт предполагал, что Земля представляет собой большой магнит. Чтобы подтвердить это предположение, Гильберт проделал специальный опыт. Он выточил из естественного магнита большой шар. Приближая к поверхности шара магнитную стрелку, он показал, что она всегда устанавливается в определенном положении, так же как стрелка компаса на 3емле.
Гильберт описал явление магнитной индукции, способы намагничивания железа и стали и т. д. Книга Гильберта явилась первым научным исследованием магнитных явлений.
Развитие учения об электричестве в XVII и XVIII вв.
до изобретения лейденской банки
В своей книге Гильберт коснулся и электрических явлений. Нужно отметить, что хотя в то время магнетизм и электричество рассматривались как явления разной природы, тем не менее очень давно ученые заметили в них много общего. Поэтому не случайно во многих работах исследовались одновременно и магнитные и электрические явления. В частности, изучение магнетизма вызвало интерес к исследованию электрических явлений.
Так было и у Гильберта. Изучая магнитные явления, что, как мы говорили, имело практический интерес, он уделил внимание и электричеству, хотя оно в то время в практике не использовалось.
Гильберт открыл, что наэлектризовать можно не только янтарь, но и алмаз, горный хрусталь и ряд других минералов. В отличие от магнита, который способен притягивать только железо (других магнитных материалов в то время не знали), наэлектризованное тело притягивает многие тела.
Новый шаг к изучению электрических явлений был сделан немецким ученым Герике. В 1672 г. вышла его книга, в которой были описаны опыты по электричеству. Наиболее интересным достижением Герике было изобретение им «электрической машины». «Электрическая машина» представляла собой шар, сделанный из серы и посаженный на железный шест. Герике вращал этот шар и натирал его ладонью руки. Впоследствии ученый несколько раз усовершенствовал свою «машину».
Несмотря на простоту прибора, Герике смог с его помощыо сделать некоторые открытия. Так, он обнаружил, что легкие тела могут не только притягиваться к наэлектризованному шару, но и отталкиваться от него.
В XVIII в. изучение электрических явлений пошло быстрее. В первой половине этого столетия были открыты новые факты.
В 1729 г. англичанин Грей открыл явление электропроводности. Он установил, что электричество способно передаваться от одних тел к другим по металлической проволоке. По шелковой нити электричество не распространялось. В связи с этим Грей разделил все тела на проводники и непроводники электричества.
3атем французский ученый Дюфе спустя пять лет выяснил, что существует два рода электричества. Один вид электричества получается при натирании стекла, горного хрусталя, шерсти и некоторых других тел. Это электричество Дюфе назвал стеклянным электричеством.
Второй вид электричества получается при натирании янтаря, шелка, бумаги и других веществ. Этот вид электричества Дюфе назвал смоляным. Ученый установил, что тела, наэлектризованные одним видом электричества, отталкиваются, а разными видами, - притягиваются.
Впоследствии стеклянное электричество было названо положительным, а смоляное - отрицательным. Это название предложил американский ученый и общественный деятель Франклин. При этом он исходил из своих взглядов на природу электричества.
Изобретение лейденской банки и первые электрические приборы
Очень важным шагом в развитии учения об электричестве было изобретение лейденской банки, т. е. электрического конденсатора.
Лейденская банка была изобретена почти одновременно немецким физиком Клейстом и голландским физиком Мушенбруком в 1745 - 1746 гг. Свое название она получила по имени города Лейдена, где Мушенбрук впервые проделал с ней опыты по изучению электрических явлений.
Мушенбрук так описывал свое изобретение в письме к французскому ученому Реомюру: «Хочу сообщить Вам новый, но ужасный опыт, который не советую повторять. Я занимался изучением электрической сичы. Для этого я подвесил на двух шелковых голубых нитях железный ствол, получающий электричество от стеклянного шара, который быстро вращался вокруг оси и натирался руками. На другом конце висела медная проволока, конец которой был погружен в стеклянный круглый сосуд, заполненный наполовину водой, который я держал в правой руке; левой же рукой я пытался извлекать из электрического ствола искру. Вдруг моя правая рука была поражена ударом с такой силой, что все тело содрогнулось, как от удара молнии.
Несмотря на то что сосуд, сделанный из тонкого стекла, не разбивается и кисть руки обычно не смещается при таком потрясении, тем не менее локоть и все тело поражаются столь страшным образом, что я не могу выразить словами, я думал, что пришел конец».
Вскоре лейденская банка была усовершенствована: внешнюю и внутреннюю поверхность стеклянного сосуда стали обклеивать металлической фольгой. В крышку банки вставляли металлический стержень, который сверху заканчивался металлическим шариком, а нижний конец стержня при помощи металлической цепочки соединялся с внутренней обкладкой.
Лейденская банка является обычным конденсатором. Когда внешнюю обкладку ее заземляют, а металлический шарик соединяют с источником электричества, то на обкладках банки скапливается значительный электрический заряд и при ее разряде может протекать значительный ток. Получение больших зарядов с помощь лейденской банки значительно способствовало развитию учения об электричестве.
Прежде всего усовершенствовалась аппаратура для исследования электрических явлений, в частности электрические маслины. Это были, как и первая машина Герике, такие устройства, в которых электрический заряд получался в результате натирания стеклянного или эбонитового диска кожей или другими подобными материалами.
3атем появился первый электроизмерительный прибор - электрометр. Его история начинается с электрического указателя, созданного Рихманом вскоре после изобретения лейденской банки. Этот прибор состоял из металлического прута, к верхнему концу которого подвешивалась льняная нить определенной длины и веса. При электризации прута нить отклонилась. Угол отклонения нити измерялся с помощью шкалы, прикрепленной к стержню и разделенной на градусы.
В последующее время были изобретены различной конструкции электрометры. Так, например, электрометр, созданный италянцем Беннетом, имел два золотых листочка, повсещенных в стетслянный сосуд. При электризации листочки расходились. Будучи снабжен шкалой, такой прибор мог измерять, как тогда говорили, «электрическую силу. Но что такое «злектрическая сила», этого еще никто не знал, т. е. неизвестно было, какую физическую величину измеряет этот прибор. Данный вопрос был выяснен значительно позже.
Первые шаги в практическом применении учения
об электрических явлениях
Хотя учение об электрических явлениях начало играть существенную роль в практической жизни лишь начиная с середины XIX в., тем не менее первые попытки практического применения злектричества относятся уже к середине XVIII в.
После изобретения лейденской банки, когда ученые смогли наблюдать сравнительно большие искры при электрическом разряде, возникла мысль об электрической природе молнии.
Известный американский ученый и общественный деятель Бенджамин Франклин (1706 - 1790) высказал эту идею в письме в Лондонское королевское общество в 1750 г.
В этом письме он объяснял также, как можно проверить высказанное предположение. Он предлагал поставить на башню будку, на крышу которой вывести железный шест. Помещенный внутри будки человек в случае грозы мог бы извлекать из шеста электрические искры.
Содержание письма Франклина стало известно во Франции. О нем узнал француз Далибар, который в мае 1752 г. проделал опыт, о котором писал Франклин.
У себя в саду, возле Парижа, Далибар установил высокий железный шест, изолировав его от земли. В то время когда собиралась гро:за, он попробовал извлечь электрические искры из шеста. Опыт удался. Действительно, Далибару удалось получить электрические искры.
В том же году, летом, Франклин в Америке проделал похожий опыт. Вместе со своим сыном он запустил змей во время грозы. Когда нить, которой был привязан змей, намокла, то из нее можно было извлекать электрические искры. Франклину даже удалось зарядить при этом лейденскую банку.
После того как об опытах Франклина стало известно в Петербурге, подобными же опытами занялись русские академики Рихман и Ломоносов. Они устроили более удобную установку для изучения атмосферного электричества, названную громовой машиной.
Громовая машина представляла собой заостренный железный шест, установленный на крыше дома. От железного шеста в дом шла проволока. Конец этой проволоки был соединен с электрцческим указателем, т.е. с простейшим электрометром, изобретенным Рихманом.
С громовой машиной и Рихман и Ломоносов проделали много опытов. Ломоносов открыл, что электрические заряды в атмосфере появляются не только во время грозы, но и без нее. На основе своих опытов Ломоносов создал первую научную теорию образования электричества в атмосфере.
Летом 1753 г. случилось несчастье. Собиралась гроза, и Рихман пришел к своей громовой машине, чтобы наблюдать электри ческие разряды. Вдруг в комнате появилась шаровая молния произошел электрический разряд - и ученый был убит.
Впечатлением от трагической смерти Рихмана немедленно воспользовалось духовенство в целях борьбы с безбожием. Попы и монахи стали распространять мысль о том, что Рихман был наказан богом за дерзкие опыты.
После того как была выяснена электрическая природа грозы возникла идея устройства громоотвода для предохранения зданий от пожаров в результате попадания в них молнии.
Громоотводы быстро вошли в практику. Это было первое практическое применение учения об электрических явлениях. Оно способствовало развитию научных исследований по электричеству вообще.
Следует отметить, что духовенство и позже враждебно относилось к исследованиям атмосферного электричества и к использованию громоотводов, полагая, что защита от ударов молний - безбожное занятие.
Второй попыткой использования электричества для практических целей было применение его для лечения болезней.
Как мы видели выше, уже Мушенбрук, описывая изобретение лейденской банки, обратил внимание на сильное и необычное действие электрического разряда на человека.
Вскоре этим действием заинтересовались врачи. Возникла мысль о том, что в живом организме существуют электрические токи, которые играют в нем какую-то важную роль. Вместе с этим пришло убеждение о возможности применения электричества для лечения болезней.
С этой целью стали производить опыты по электризации людей, пропусканию через тело человека электрического тока и т. д. Был написан ряд книг по исследованию действия электричества на организм человека. В качестве примера можно указать на книгу Марата, известного деятеля французской революции, врача по специальности. Он написал в 1783 г. «Трактат о медицинском электричестве», который был удостоен специальной премии. Однако все такие исследования в то время не привели к каким-либо положительным практическим результатам. Действительное применение электричества для лечения болезней началось гораздо позже. Но такие исследования сыграли большую роль в усилении интереса к исследованиям электрических явлений вообще. Больше того, как мы увидим ниже, именно исследование влияния электричества на живой организм привело к открытию итальянским врачом Гальвани так называемого гальванического электричества.
История применения электрических явлений в медицине очень интересна тем, что она показывает, как новые открытия в области физических наук бывают вызваны задачами других наук (в данном случае медицины).
Первые теории электричества
Вместе с ускорившимся развитием опытного исследования электрических явлений возникают и теории этих явлений.
Конечно, еще до середины XVIII в. существовали некоторые соображения о природе электричества. Но они были весьма примитивными. В большинстве случаев электрические действия объяснялись наличием вокруг заряженных тел неких электрических атмосфер.
В середине XVIII в. появляются уже более содержательные теории электрических явлений. Эти теории можно разделить на две основные группы.
Первая группа - это теории злектрических явлений, основанные на принципе дальнодействия.
Вторая группа - это теории, в основу которых положен принцип бнизкодействия.
Остановимся сначала на развитии теории дальнодействия, которая получила в XVIII в. почти всеобщее признание. Основоположниками теории дальнодействия были Франклин и петербургский академик Эпинус.
Франклин еще в 40-х г. XVIII в. построил теорию электрических явлений. Он предположил, что существует особая электрическая материя, представляющая собой некую тонкую, невидимую жидкость. Частицы этой материи обладают свойством отталкиваться друг от друга и притягиваться к частицам обычной материи, т. е. к частицам вещества, по современным понятиям.
Электрическая материя присутствует в телах в определенных количествах, и в зтом случае ее присутствие не обнаруживается. Но если в теле появляется избыток этой материи, то тело электризуется положительно; наборот, если в теле будет недостаток этой материи, то тело электризуется отрицательно. Название («положительное и отрицательное электричество», которое так и осталось в науке, принадлежит Франклину.
Электрическая материя, по Франклину, состоит из особо тонких частиц, поэтому она может проходить сквозь вещество. Особенно легко она проходит через проводники.
Из теории Франклина следует очень важное положение о сохранении электрического заряда. Действительно, для создания, например, отрицательного заряда на каком-либо теле нужно от него отнять некоторое количество электрической жидкости, которая должна перейти на другое тело и образовать там положительный заряд такой же величины. После соединения этих тел электрическая материя вновь распределится между ними так, чтобы эти тела стали электрически нейтральными.
Это положение Франклин демонстрировал на опыте. Два человека стоят на смоляном диске (для изоляции их от окружающих предметов и земли). Один человек натирает стеклянную трубку. Другой касается этой трубки пальцем и извлекает искру. Оба человека теперь оказываются наэлектризованными: один - отрицательным электричеством, другой - положительным. Но при этом их заряды равны по абсолютной величине. После соприкосновения люди потеряют свои заряды и станут электрически нейтральными.
Теория Франклина была развита Францем Эпинусом (1724 - 1802). При этом Эпинус как бы брал за образец теорию тяготения Ньютона.
Ньютон предположил, что между всеми частицами обычных тел действуют дальнодействующие силы. Эти силы центральные, т.е. они действуют по прямой, соединяющей частицы.
Эпинус же предполагает, что между частицами электрической материи также действуют центральные дальнодействующие силы. Только силы тяготения являются силами притяжения, силы же, действующие между частицами электрической материи, - силами отталкивания. Кроме того, между частицами электрической материи и частицами обычного вещества, так же как и у Франклина действуют силы притяжения. И эти силы аналогично силам тягогения являются дальнодействующими и центральными.
Далее Эпинус подобно Ньютону говорит, что введенные им силы нужно признать как факт и что в настоящее время нельзя объяснить, каким образом они действуют через пространство. Придумывать же необоснованные гипотезы он не желает. Здесь он полностью копирует Ньютона.
Эпинус идет дальше, сравнивал силы тяготения и электрические силы. Он предполагает, что силы, действующие между частицами электрической материи, «изменяются обратно пропорционально квадрату расстояния. Так можно предполагать с некоторым правдоподобием, ибо в пользу такой зависимости, по-видимому, говорит аналогия с другими явлениями природы». Эта предполагаемая аналогия и дает возможность Эпинусу построить теорию электрическйх явлений.
Одной из интересных его работ было исследование электрической индукции. Эпинус показал, что если к проводнику приблизить заряженное тело, то на проводнике появляются электрические заряды. При этом сторона его, к которой подносят заряженное тело, электризуется зарядом противоположного знака. И наоборот, на удаленной части проводника образуется заряд того же знака, что и на поднесенном теле.
Если убрать заряженное тело, то проводник снова становится незаряженным. Но если проводник может быть разделен на две части в присутствии заряженного тела, то получатся два проводника, заряженные разноименными зарядами, которые останутся и при удалении индуцирующего заряда.
Эпинус подтвердил и закон сохранения электрического заряда. Он писал: «Если я хочу в каком-либо теле увеличить количество электрической материи, я должен неизбежно взять ее вне его и, следовательно, уменьшить ее в каком-либо другом теле».
Одновременно с теорией электрических явлений, основанной на представлении о дальнодействии, появляются теории этих явлений, в основе которых лежит принцип близкодействия. Одним из родоначальников этой теории можно считать Ломоносова.
Ломоносов был противником теории дальнодействия. Он считал, что тело не может действовать на другие мгновенно через пустое или заполненное чем-либо пространство.
Он полагал, что электрическое взаимодействие передается от тела к телу через особую среду, заполняющую все пустое пространство, в частности и пространство между частицами, из которых состоит «весомая материя», т. е. вещество.
Электрические явления, по Ломоносову, следует рассматривать как определенные микроскопические движения, происходящие в эфире. То же самое относится и к магнитным явлениям.
На точке зрения близкодействин в теории электричества и магнетизма стоял и другой петербургский академик - Л. Эйлер. В середине XVIII в., как и Ломоносов, он выступил за теорию близкодействия. Он предполагал существование эфира, движением и свойствами которого объяснял наблюдаемые электрические явления.
Однако теоретические представления Ломоносова и Эйлера в то время не могли получить развития. Вскоре был открыт закон Кулона. Он был по своей форме таким же, как и закон всемирного тяготения, и, естественно, его понимание было таким же, как и понимание закона тяготения. Таким образом, закон Кулона был воспринят как доказательство теории дальнодействия.
После открытия закона Кулона теория дапьнодействия совсем вытесняет теорию близкодействия. И только в XIX в. Фарадей возрождает теорию близкодействия. Однако ее всеобщее признание начинается со второй половины XIX в., после экспериментального доказательства теории Максвелла.
История открытия закона Кулона
Основной закон электростатики - закон Кулона - был установлен французским физиком Кулоном в 80-х гг. XVIII в.
Однако история его открытия начинается раньше. Эта история показывает один из путей, по которому развивается физика, - путь применения аналогии, о котором мы упоминали выше.
Мы видели, что Эпинус уже догадывался о том, что сила взаимодействия между электрическими зарядами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. И эта догадка возникла на основе некоторой аналогии между силами тяготения и электрическими силами.
Но аналогия не является доказательством. Вывод из аналогии всегда требует проверки. Опираясь только на аналогию,. можно прийти и к неверным результатам. Эпинус не проверил справедливость данной аналогии, и поэтому его высказывание имело только предположительный характер.
Иначе поступил английский ученый Генри Кавендиш (1731 - 1810). Он также исходил из аналогии между силами тягогения и силами электрического взаимодействия. Но он пошел дальше, нежели Эпинус, и проверил на опыте выводы, вытекающие из нее.
Дадим представление об исследовании, выполненном Кавендишем.
Было известно, что если взять полый шар с равномерно распределенной массой, т.е. с постоянной плотностью, то мила тяготения действующая внутри шара на какую-либо массу, будет равна нулю. Это следует из просых соображений. Попытаемся их понять.
Представим себе очень тонкий шаровой слой, образованный двумя очень близкими сферами, имеющими один и тот же центр. Пусть, например, радиус внешней сферы будет R, а толщина слоя ?. Плотность материала, из которого состоит шаровой слой, ?.
Определим силу тяготения, действующую со стороны нашего слоя на материальную точку, помещенную внутри него в какой-то точке а.
Для этой цели проведем через точку а и центр 0 прямую). Эта прямая пересечет внешнюю сферу в двух точках С и С'. Построим теперь на поверхности сферы вокруг точки С очень маленький четырехугольник 1, настолько маленький, что его можно рассматривать как плоский квадрат. Обозначим углы этого квадрата d1, d2, d3,d4. Пусть его площадь S, объем соответствующего элемента шарового слоя V.
Проведем затем прямые линии через точку а и точки d1, d2, d3, d4. Эти прямые пересекут сферу вторично в точках d1', d2', d3', d4'. Соединив эти точки, мы получим второй четырехугольник 2, который также можно будет рассматривать как плоский квадрат. Пусть его площадь будет S', а соответствующий элемент объема шарового слоя будет V'.
Легко видеть, что сила тяготения, действующая на массу m, помещенную в точке a, со стороны элементов шарового слоя V и V', будет равна нулю. Действительно, массы этих элементов будут относиться как площади квадратов S и S'. В свою очередь, площади квадратов S и S' будут прямо пропорциональны квадратам их сторон, следовательно, прямо пропорциональны квадратам расстояний этих элементов до точки а - Са и С'а.
Таким образом, силы тяготения, действующие на массу со стороны элементов 1 и 2, будут прямо пропорциональны квадратам расстояний этих элементов до точки а. Но с другой стороны, эти силы по закону всемирного тяготения должны быть, наоборот, обратно пропорциональны квадратам расстояний этих элементов до точки а.
Учитывая, что силы, действующие со стороны противоположных элементов, имеют противоположные направления, приходим к выводу, что сумма этих сил должна быть равна нулю.
Отсюда сейчас же следует и общий вывод о равенстве нулю силы тяготения, действующей на массу, помещенную внутрь шарового слоя.
Действительно, ведь мы можем весь шаровой слой разбить на маленькие элементы, подобные элементам 1. И для любого элемента всегда найдется другой элемент, действие которого на массу будет прямо противоположным. В результате этого сила тяготения, действующая внутри шарового слоя на массу, будет равна нулю. Таков результат, к которому мы пришли. Нужно только подчеркнуть, что этот результат справедлив для случая, когда сила обратно пропорциональна именно квадрату расстояния. Если бы сила была пропорциональна расстоянию в другой степени, такого результата мы бы не получили.
Полученный вывод мы можем сейчас же перенести на случай электрических сил.
Представим себе опять тонкий шаровой слой, на поверхности которого равномерно распределен электрический заряд. Поместим внутрь этого слоя другой заряд. Если сила взаимодействия между зарядами обратно пропорциональна квадратам расстояний между ними, то по аналогии с п сила, действующая на него со ст по шаровому слою, будет равна нулю. Если поместить внутрь слоя второй такой же заряд того же знака, то они будут отталкиваться друг от друга и двигаться в противоположные стороны.
Кавендиш в 70-х гг. XVIII в. проделал такой опыт. Он взял заряженный металлический шар и поместил его внутрь полого металлического шара, образованного двумя полушариями. Внешний полый шар сначала был не заряжен.
3атем внутренний шар тонкой проволокой соединялся с внешним шаром, для чего было сделано в последнем маленькое отверстие. Через некоторое время полушария разъединяли и освобождали внутренний шар. После этого соединяли его с электроскопом.
Что показывал электроскоп? Если правильно предположение, что силы взаимодействия между зарядами (в данном случае силы оттанкивания) обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними, то электроскоп покажет отсутствие заряда.
Действительно, как только внутренний шар соединяли проволокой с полушариями, так сейчас же электричество начинало перетекать с шара по проволоке на полушария, равномерно распределяясь на них. Ведь между зарядами, находящимися на таре, действовала сила отталкивания, но пока шар изолирован, заряды не могли его покинуть. Попав же на внешний шар, заряды равномерно распределялись на его поверхности, и их действие на заряд, находящийся внутри шара, прекращалось.
Перетекание зарядов с внутреннего шара на внешний будет происходить до тех пор,пока они все не покинут внутренний шар. Отсюда Кавендиш и сделал вывод о том, что силы взаимодействия между электрическими зарядами обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними.
Таким образом, мы должны сказать, что Кавендиш первым экспериментально установил закон взаимодействия электрических зарядов. Однако он не обнародовал своего открытия. И эта работа оставалась при его жизни неизвестной. О ней узнали гораздо позже, только в середине прошлого столетия, после того как Максвелл опубликовал ее. Конечно, к этому времени она имела уже чисто исторический интерес.
Не зная об исследованиях Кавендиша, французский ученымй Шарль Кунон (1736 - 1806) в 80-х гг. XVIII в. проделал ряд опытов и установил основной закон электростатики, получивший его имя.
Кулон установил, во-первых, что сила взаимодействия между точечными зарядами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Эта сила будет силой отталкивания, если заряды одноименные, и силой притяжения, если заряды разноименные.
Во-вторых, Кулон ввел понятие количества электричества и определил, что сила взаимодействия между зарядами пропорциональна их величине.
Кулон также экспериментально исследовал силы взаимодействия между магнитами. На основании данных эксперимента и полагая, что наряду с электрическими существуют и магнитные заряды, Кулон пришел к заключению, что силы взаимодействия между магнитными зарядами или магнитными массами также обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними.
В связи с этим закон Кулона для взаимодействия магнитов стали выражать как закон взаимодействия между магнитными массами m1 и m2 в виде формулы:
В последующем, уже в XIX в. выяснилось, что магнитных зарядов не существует. Но законом Кулона для магнитов продолжали пользоваться, хотя ему уже придавали иной смысл, нежели тот, который вкладывал в него Кулон.
Введение понятия потенциалав электростатику
Открытие закона Кулона было очень важным шагом в развитии учения об электричестве и магнетизме. Это был первый физический закон, выражающий количественные соотношения между физическими величинами в учении об электричестве и магнетизме.
С помощью этого закона можно было решать задачи о нахождении сил, действующих на заряды со стороны других зарядов, как угодно расположенных в пространстве. Если это были точечные заряды, то подобные задачи решались сразу непосредственным применением закона Кулона. Если же заряды распределялись в телах непрерывно по объему или по поверхности, то нужно было ввести понятие объемной или поверхностной плотности зарядов. Именно когда заряды непрерывно распределялись по объему, то плотность заряда ? определялась величиной ?q/?V, где ?V - элемент объема, а ?q - заряд, находящийся в этом объеме, совсем так же, как определяется плотность вещества в случае неравномерного распределения масс в теле.
Аналогично и поверхностная плотность заряда ? определяетя по формуле: ? = ?q/?S, где ?S - элемент поверхности, а ?S - заряд, приходящийся на этот злемент поверхности.
Далее, для определения сил, действующих на заряженные тела в случае непрерывного распределения зарядов, поступали аналогично тому, как поступали в теории тяготения для случая непрерывно распределенных масс.
Объем или поверхность рассматриваемых тел разбивали на элементы объема или элементы поверхности и для взаимодействия зарядов, находящихся в этих элементах объема или на этих элементами поверхности, применяли непосредственно закон Кулона, поскольку такие заряды можно было считать точечными.
Однако такого рода задачи не представляли большого интереса. Гораздо более интересными и важными были задачи, в которых требовалось определить распределение зарядов на проводниках.
Такова, например, задача о распределении электричества на проводнике заданной формы.
Имеется проводник заданной формы. Ему сообщают определенный электрический заряд. Нужно найти, как распределится этот заряд на проводнике и какова будет «электрическая сила» в пространстве, окружающем этот проводник. Мы сказали «электрическая сила»), а не напряженность электрического поля потому, что еще ни понятия поля, ни понятия напряженности не было. Говорили о силе, которая действует на заряд, помещенный в какую-либо точку пространства.
Для решения этой задачи сразу применять закон Купона нельзя, потому что распределение зарядов неизвестно. Как же поступить в этом случае?
Уже Кулон наметил путь решения этой задачи. Он установил, что электрический заряд располагается только на поверхности проводника, но с различной поверхностной плотностью. При этом, как уже было ясно, «электрические силы», действующие внутри проводника, должны быть равны нулю.
Этот принцип положил в основу разработанной им теории распределения зарядов по проводнику французский ученый Пуассон в начале XIX в.
Пуассон (так же как и Кулон) считал в противоположность мнениям Франклина и Эпинуса, что существуют две электрические жидкости (положительное и отрицательное электричество). Частицы одной и той же жидкости отталкиваются, а разных - притягиваются. Силы притяжения и отталкивания определяются законом Кулона.
В незаряженном состоянии в теле имеются равные количества электричества обоих знаков. Они распределены равномерно и не обнаруживают себя. Тело приобретает электрический заряд, если ему сообщается дополнительное количество электричества того или иного знака.
В проводниках электрические частицы передвигаются свободно, в непроводниках их передвижение затруднено.
Если проводящему электричество телу сообщают электрический заряд, то электрические частицы, отталкиваясь друг от друга, будут стремиться к поверхности проводника. И так как проводник окружен непроводящим воздухом, то электричество будет скапливаться тонким слоем на его поверхности. Этот процесс пойдет до тех пор, пока все частицы электрической материи не соберутся на поверхности. И в этом случае электрические силы внутри проводника станут равными нулю, какими они были и до того, как проводнику сообщили электрический заряд.
Равенство нулю «электрической силы» внутри проводника является главным условием, на основе которого можно решать задачу о распределении электрического заряда в проводнике. И так как этот заряд располагается на его поверхности, то определяют поверхностную плотность электричества на этом проводнике.
Пользуясь указанным принципом, Пуассон решает задачу о распределении плотности электрического заряда на проводниках, имеющих форму шара, эллипсоида, двух соприкасающихся шаров. Что касается распределения заряда на поверхности шара, то эта задача решаетсн сразу, исходя из симметрии фигуры. Действительно, ведь все точки поверхности шара совершенно одинаковы, и нет никакого основания для того, чтобы в какой-либо точке плотность электрического заряда отличалась бы от его плотности в другой точке, Поэтому мы приходим к заключению, что электрический заряд распределяется с равномерной плотностью по всей поверхности шара.
Решая задачи на распределение электричества по поверхности проводников, Пуассон пришел к мысли ввести некоторую функцию, зависящую от координат, которая облегчала бы решение задач. Она замечательна тем, что принимает постоянное значение на поверхности проводника.
Изучил свойства этой функции и широко применил ее для решения задач на распределение электрических зарядов английский ученый Грин, который и назвал эту функцию потенциальной. Впоследствии же она получила наименование потенциала электрического поля.
Грин выяснил, что физический смысл имеет не сама эта функция, а разность ее значений для различных точек пространства. В различных точках проводника значение функции всегда одинаково. Говоря современным языком, поверхность проводника является эквипотенциальной поверхностью.
Помимо Грина, теорию потенциала разрабатывал немецкий математик Гаусс.
Понятие потенциала электрического поля непосредственно связано с понятием потенциальной энергии. Действительно, потенциал в данной точке равен потенциальной энергии, которой обладает единичный положительный заряд, помещенный в эту точку. При этом значение потенциала, так же как и потенциальной энергии, определяется с точностью до произвольной постоянной. В связи с этим следует говорить не о потенциале данной точки, а о разности потенциалов между двумя точками (или потенциале данной точки относительно потенциала другой выбранной точки). Потенциал, так же как и потенциальная энергия, определяется работой,производимой электрическими силами при перемещении заряда в пространстве. Именно разность потенциалов двух точек электрического поля равна взятой с обратным знаком работе поля по перемещению единичного заряда из одной точки в другую.
РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ
История изобретения гальванического элемента
Важнейшим шагом вперед в развитии учения об электрических и магнитных явлениях было изобретение первого источника постоянного тока - гальванического элемента. История этого изобретения начинается с работ итальянского врача Луиджи Гальвани (1737 - 1798), относящихся к концу XVIII в.
Гальвани интересовался физиологическим действием электри-
ческого разряда. Начиная с 80-х гг. XVIII столетия, он предпринял ряд опытов для выяснения действия электрического разряда на мускулы препарированной лягушки. Однажды он обнаружил, что при проскакивании искры в электрической машине или при разряде лейденской банки мускулы лягушки сокращались, если к ним в это время прикасались металлическим скальпелем.
3аинтересовавшись наблюдаемым эффектом, Гальвани решил проверить, не будет ли оказывать такое же действие на лапки лягушки атмосферное электричество. Действительно, соединив один конец нерва лапки лягушки проводником с изолированным шестом, выставленным на крыше, а другой конец нерва с землей, он заметил, что во время грозы время от времени происходило сокращение мускулов лягушки.
Затем Гальвани подвесил препарированных лягушек за медные крюки, зацепленные за их спинной мозг, около железной решетки сада. Он обнаружил, что иногда, когда мышцы лягушки касались железной ограды, происходило сокращение мускулов. Причем эти явления наблюдались и в ясную погоду. Следовательно, решил Гальвани, в данном случае уже не гроза является причиной наблюдаемого явления.
Для подтверждения этого вывода Гальвани проделал подобный опыт в комнате. Он взял лягушку, у которой спинной нерв был соединен с медным крюком, и положил ее на железную дощечку. Оказалось, что когда медный крючок касался железа, то происходило сокращение мускулов лягушки.
Гальвани решил, что открыл «животное электричество», т. е. электричество, которое вырабатывается в организме лягушки. При замыкании нерва лягушки посредством медного крюка и железной дощечки образуется замкнутая цепь, по которой пробегает электрический заряд (электрическая жидкость или материя), что и вызывает сокращение мускулов.
Открытием Гальвани заинтересовались и физики и врачи. Среди физиков был соотечественник Гальвани Алессандро Вольта. (1745 - 1827). Вольта повторил опыты Гальвани, а затем решил проверить, как будут себя вести мускулы лягушки, если через них пропустить не («животное электричество»), а электричество, полученное каким-либо из известных способов. При этом он обнаружил, что мускулы лягушки так же сокращались, как и в опыте Гальвани.
Проделав такого рода исследования, Вольта пришел к выводу, что лягушка является только («прибором»), регистрирующим протекание электричества, что никакого особого «животного электричества» не существует.
Почему же все-таки в опыте Гальвани мускулы лягушки регистрируютпротекание электрического разряда? Что является в данном случае источником электричества? Вольта предположил, что причиной электричества является контакт двух различных металлов.
Нужно отметить, что уже Гальвани заметил зависимость силы судорожного сжатия мускулов лягушки от рода металлов, образующих цепь, по которой протекает электричество. Однако Гальвани не обратил на;,то серьезного внимания. Вольта же, наоборот, усмотрел в нем возможность построения новой теории.
Не согласившись с теорией («животного электричества», Вольта выдвинул теорию «металлического электричества». По этой теории причиной гальванического электричества является соприкосновение различных металлов.
В каждом металле, считал Вольта, содержится электрическая жидкость (флюид), которая, когда металл не заряжен, находится в покое и себя не проявляет. Но если соединить два различных металла, то равновесие электричества внутри них нарушится: электрическая жидкость придет в движение. При этом электрический флюид в некотором количестве перейдет из одного металла в другой, после чего равновесие вновь восстановится. Но в результате этого металлы наэлектризуются: один - положительно, другой - отрицательно.
Эти соображения Вольта подтвердил на опыте. Ему удалось показать, что действительно при простом соприкосновении двух металлов один из них приобретает положительный заряд, а другой отрицательный. Таким образом, Вольта открыл так называемую контактную разность потенциалов. Вольта проделывал следующий опыт. На медный диск, прикрепленный к обыкновенному электроскопу вместо шарика, он помещал такой же диск, изготовленный из другого металла и имеющий рукоятку. Диски при наложении в ряде мест приходили в соприкосновение. В результате этого между дисками появлялась контактная разность потенциалов (по терминологии Вольта, между дисками возникала «разность напряжений»).
Для того чтобы обнаружить «разность напряжений», появляющуюся при соприкосновении различных металлов, которая, вообще говоря, мала (порядка 1В), Вольта поднимал верхний диск и тогда листочки электроскопа заметно расходились. Это вызывалось тем, что емкость конденсатора, образованного дисками, уменьшалась, а разность потенциалов между ними во столько же раз увеличивалась.
Но открытие контактной разности потенциалов между различными металлами еще не могло объяснить опытов Гальвани с лягушками. Нужны были дополнительные предположения.
Составим обычную замкнутую цепь проводников из разных металлов. Несмотря на то что между этими металлами возникает разность потенциалов, постоянного течения электричества по цени не получается. Это сразу понятно для простейшего случая двух металлов. Возьмем, например, два куска медной и цинковой проволоки и соединим их концы. Тогда одна из них (цинковая) зарядится отрицательным электричеством, а медная - положительным. Если теперь соединить и другие концы этих проволок, то и в этом случае второй конец цинковой проволоки будет электризоваться отрицательно, а соответствующий конец медной проволоки положительно. И постоянного течения электричества в цепи не получится.
Но а опыте Гальвани соединялись не только металлы. В цепь включались и мышцы лягушки, содержащие и себе жидкость. Вот в этом и заключается все дело - решил Вольта.
Он предположил, что все проводники следует разбить на два класса: проводники первого рода - металлы и некоторые другие твердые тела и проводники второго рода - жидкости. При этом Вольта решил, что разность потенциалов возникает только при соприкосновении проводников первого рода.
Такое предположение объясняло опыт Гальвани. В результате соприкосновения двух различных металлов нарушается равновесие в них электричества. Это равновесие восстанавливается в результате того, что металлы соединяются через тело лягушки. Таким образом электрическое равновесие все время нарушается и все время восстанавливается, значит, электричество все время движется.
Такое объяснение опыта Гальвани неверно, но оно натолкнуло Вольта на мысль о создании источника постоянного тока - гальванической батареи. И вот в 1800 г. Вольта построил первую гальваническую батарею - Вольтов столб.
Вольтов столб состоял из нескольких десятков круглых серебряных и цийковых пластин, положенных друг на друга. Между парами пластин были проложены картонные кружки, пропитанные соленой водой. Такой прибор служил источником непрерывного электрического гока.
Интересно, что в качестве довода о существовании непрерывного электрического тока Вольта опять-таки привлекал непосредственные ощущения человека. Он писал, что если крайние пластины замкнуты через тело человека, то сначала, как и в случае с лейденской банкой, человек испытывает удар и покалывание. 3атем возникает ощущение непрерывного жжения, «которое не только не утихает, - говорит Вольта, - но делается все сильнее и сильнее, становясь скоро невыносимым, до тех пор пока цепь не разомкнется».
Изобретение Вольтова столба - первого источника постоянного тока - имело огромное значение для развития учения об электричестве и магнетизме. Что же касается объяснения действия этого прибора Вольта, то оно, как мы видели, было ошибочным. Это вскоре заметили некоторые ученые.
Действительно, по теории Вольта получалось, что с гальваническим элементом во время его действия не происходит никаких изменений. Электрический ток течет по проволоке, нагревает ее, может зарядить лейденскую банку и т. д., но сам гальванический элемент при этом остается неизменным. Но такой прибор является не чем иным, как вечным двигателем, который, не изменяясь, производит изменение в окружающих телах, в том числе и механическую работу.
К концу XVIII в. среди ученых уже широко распространилось мнение о невозможности существования вечного двигателя. Поэтому многие из них отвергли теорию действия гальванического элемента, придуманную Вольта.
В противовес теории Вольта была предложена химическая теория гальванического элемента. Вскоре после его изобретения было замечено, что в гальваническом элементе происходят химические реакции, в которые вступают металлы и жидкости. Правильная химическая теория действия гальванического элемента вытеснила теорию Вольта.
После открытия Вольтова столба ученые разных стран начали исследовать действия электрического тока. При этом совершенствовался и сам гальванический элемент. Уже Вольта наряду со «столбом» стал употреблять более удобную чашечную батарею гальванических элементов. Для исследования действий электрического тока стали строить батареи со все большим и большим числом элементов.
Наиболее крупную батарею в самом начале XIX в. построил русский физик Василий Владимирович Петров (1761 - 1834) в Петербурге. Его батарея состояла из 4200 цинковых и медных кружков. Кружки укладывались в ящик горизонтально и разделялись бумажными прокладками, пропитанными нашатырем. Батарея Петрова была описана им в его книге («Известия о Гальвани-Вольтовых опытах», вышедшей в России в 1803 г.
Первые шаги в изучении электрического тока относились к его химическим действиям. Уже в том же году, в котором Вольта изобрел гальваническую батарею, было открыто свойство электрического тока разлагать воду. Вслед за этим было произведено разложение электрическим током растворов некоторых солей. В 1807 г. английский химик Дэви путем электролиза расплавов едких щелочей открыл новые элементы: калий и натрий.
Исследование химического действия тока и выяснение химических процессов, происходящих в гальванических элементах, привело ученых к разработке теории прохождения электрического тока через злектролиты.
Вслед за изучением химического действия тока ученые обратились к его тепловым и оптическим действиям. Наиболее интересным результатом этих исследований в самом начале XIX в. было открытие электрической дуги Петровым.
Открытие, сделанное Петровым, было забыто. Многие, особенно иностранные, ученые о нем не знали, так как книга Петрова была написана на русском языке. Поэтому, когда Дэви в 1812 г. снова открыл электрическую дугу, его стали считать автором этого открытия.
Наиболее важным событием, приведшим вскоре к новым представлениям об электрических и магнитными явлениях, было открытие магнитного действия электрического тока. К изложению истории этого открытия мы и переходим.
Открытие электромагнетизма
В XVIII в. электричество и магнетизм считались хотя и похожими, но все же имеющими различную природу явлениями. Правда, были известны некоторые факты, указывающие на существование как будто бы связи между магнетизмом и электричеством, например намагничение железных предметов в результате ударов молнии. Больше того, Франклину удалось как будто бы намагнитить кусок железа с помощью разряда лейденской банки. Все-таки известные факты не позволяли уверенно утверждать, что между электрическими и магнитными явлениями существует связь.
Такую связь впервые обнаружил датский физик Ханс Кристиан Эрстед (1777 - 1851) в 1820 г. Он открыл действие электрического тока на магнитную стрелку.
Интересна история этого открытия. Идем о связи между электрическими и магнитными явлениями Эрстед высказал еще в первом десятилетии XIX в. Он полагал, что в явлениях природы, несмотря на все их многообразие, имеется единство, что все они связаны между собой. Руководствуясь этой идеей, он поставил перед собой задачу выяснить на опыте, в чем эта связь проявляется.
Эрстед открыл, что если над проводником, направленным вдоль земного меридиана, поместить магнитную стрелку, которая показывает на север, и по проводнику пропустить электрический ток, то стрелка отклоняется на некоторый угол.
После того как Эрстед опубликовал свое открытие, многие физики занялись исследованием этого нового явления. Французские ученые Био и Савар постарались установить закон действия тока на магнитную стрелку, т. е. определить, как и от чего зависит сила, действующая на магнитную стрелку, когда она помещена около электрического тока. Они установили, что сила, действующая на магнитный полюс (на конец длинного магнита) со стороны прямолинейного проводника с током, направлена перпендикулярно к кратчайшему расстоянию от полюса до проводника и модуль ее обратно пропорционален этому расстоянию.
Познакомившись с работой Био и Савара, Лаплас заметил, что для расчета «магнитной» силы, т. е., говоря современным языком, напряженности магнитного поля, полезно рассматривать действие очень малых отрезков проводника с током на магнитный полюс. Из измерений Био и Савара следовало, что если ввести понятие элемента проводника ?l, то сила ?F, действующая со стороны этого элемента на полюс магнита, будет пропорциональна ?F ~ (?l/r2)sin? -, где ?l - элемент проводника, ? - угол, образованный этим элементом и прямой, проведенной из элемента ?l в точку, в которой определяется сила, а r - кратчайшее расстояние от магнитного полюса до линии, являющейся продолжением элемента проводника.
После того как было введено понятие силы тока и напряженности магнитного поля, этот закон стали записывать так:
где ?H - напряженность магнитного поля, I - сила тока, а k - коэффициент, зависящий от выбора единиц, в которых измеряются эти величины. В международной системе единиц СИ этот коэффициент равен 1/4?.
Новый важнейший шаг в исследовании электромагнетизма был сделан французским ученым Андре Мари Ампером (1775 - 1836) в 1820г.
Раздумывая над открытием Эрстеда, Ампер пришел к совершенно новым идеям. Он предположил, что магнитные явления вызываются взаимодействием электрических токов. Каждый магнит представляет собой систему замкнутых электрических токов, плоскости которых перпендикулярны оси магнита. Взаимодействие магнитов, их притяжение и отталкивание объясняются притяжением и отталкиванием, существующими между токами. 3емной магнетизм также обусловлен электрическими токами, которые протекают в земном шаре.
Эта гипотеза требовала, конечно, опытного подтверждения. И Ампер проделал целую серию опытов для ее обоснования.
Первые опыты Ампера заключались в обнаружении сил, действующих между проводниками, по которым течет электрический ток. Опыты показали, что два прямолинейных проводника с током, расположенные параллельно друг другу, притягиваются, если токи в них имеют одинаковое направление, и отталкиваются, если направление токов противоположно.
Ампер показал также, что виток с током и спиралевидный проводник с током (соленоид) ведут себя как магниты. Два таких проводника притягиваются и отталкиваются подобно двум магнитным стрелкам.
Свои первые сообщения о результатах опытов Ампер с,делал на заседаниях Парижской академии наук осенью 1820 г. После этого он занялся разработкой теории взаимодействия проводников, по которым течет электрический ток.
Ампер решил в основу теории взаимодействия токов положить закон взаимодействия между элементами токов. Нужно отметить, что Ампер говорил уже не просто о взаимодействии элементов проводников, как Био и Савар, а о взаимодействии элементов токов, так как к тому времени уже возникло понятие силы тока. И это понятие ввел сам Ампер.
Следуя взглядам того времени о подобии элементарных сил силам тяготения, Ампер предположил, что сила взаимодействии между элементами двух токов будет зависеть от расстояния между ними и должна быть направлена по прямой, соединяющей эги два элемента.
Проведя большое число опытов по определению взаимодействия токов в проводниках различной формы и по-разному расположенных друг относительно друга, Ампер в конце концов определил искомую силу. Подобно силе тяготения она оказалась обратно пропорциональной квадрату расстоянии между элементами электрических токов. Но в отличие от сины тяготения ее значение зависело еще и от относительной ориентации элементов токов.
Формулу, которую получил Ампер, мы приводить не будем. Она оказалась неверной, потому что он заранее предположил, что сина взаимодействия между элементами токов должна быть направлена по прямой, соединяющей эти элементы. На самом же деле эта сила направлена под углом к этой прямой.
Однако вследствие того что Ампер проводил опыты с замкнутыми постоянными токами, он получал при расчетах по своей формуле правильные результаты. Оказывается, что для замкнутых проводников формула Ампера приводит к тем же результатам, что и исправленная впоследствии формула, выражающая силу взаимодействия между элементами токов, которая по-прежнему носит название закона Ампера.
Открытие электромагнитной индукции
Следующим важным шагом в развитии электродинамики после опытов Ампера было открытие явления электромагнитной индукции. Открыл явление электромагнитной индукции английский физик Майкл Фарадей (1791 - 1867).
Фарадей, будучи еще моло дым ученым, так же как и Эрстед, думал, что все силы природы связаны между собой и, более того, что они способны превращаться друг в друга. Интересно, что эту мысль Фарадей высказывал еще до установления закона сохранения и превращения энергии. Фарадей знал об открытии Ампера, о том, что он, говоря образным языком, превратил злектричество в магнетизм. Раздумывая над этим открытием, Фарадей пришел к мысли, что если «электричество создает магнетизм», то и наоборот, «магнетизм должен создавать электричество». И вот еще в 1823 г. он записал в своем дневнике: «Обратить магнетизм в электричество». В течение восьми лет Фарадей работал над решением поставленной задачи. Долгое время его преследовали неудачи, и, наконец, в 1831 г. он решил ее - открыл явление электромагнитной индукции.
Во-первых, Фарадей обнаружил явление электромагнитной индукции для случая, когда катушки намотаны на один и тот же барабан. Если в одной катушке возникает или пропадает электрический ток в результате подключения к ней или отключения от нее гальванической батареи, то в другой катушке в этот момент возникает кратковременный ток. Этот ток обнаруживается гальванометром, который присоединен ко второй катушке.
Затем Фарадей установил также наличие индукционного тока в катушке, когда к ней приближали или удаляли от нее катушку, в которой протекал электрический ток.
Наконец, третий случай электромагнитной индукции, который обнаружил Фарадей, заключался в том, что в катушке появлялся ток, когда в нее вносили или же удаляли из нее магнит.
Открытие Фарадея привлекло внимание многих физиков, которые также стали изучать особенности явления электромагнитной индукции. На очереди стояла задача установить общий закон электромагнитной индукции. Нужно было выяснить, как и от чего зависит сила индукционного тока в проводнике или от чего зависит значение электродвижущей силы индукции в проводнике, в котором индуцируется электрический ток.
Эта задача оказалась трудной. Она была полностью решена Фарадеем и Максвеллом позже в рамках развитого ими учения об электромагнитном поле. Но ее пытались решить и физики, которые придерживались обычной для того времени теории дальнодействия в учении об электрических и магнитных явлениях.
Кое-что этим ученым удалось сделать. При этом им по могло открытое петербургским академиком Эмилием Христиановичем Ленцем (1804 - 1865) правило для нахождения направления индукционного тока в разных случаях электромагнитной индукции. Ленц сформулировал его так: «Если металлический проводник движется поблизости от гальванического тока или магнита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направления, что если бы данный проводник был неподвижным, то ток мог бы обусловить его перемещение в противоположную сторону; при этом предполагается, что покоящийся проводник может перемещаться только в направлении движения или в противоположном направлении».
Это правило очень удобно для определения направления ицдукционного тока. Им мы пользуемся и сейчас, только оно сейчас формулируется несколько иначе, с упогребпением понятия электромагнитной индукции, которое Ленц не использовал.
Но исторически главное значение правила Ленца заключалось в том, что оно натолкнуло на мысль, каким путем подойти к нахождению закона электромагнитной индукции. Дело в том, что в атом правиле устанавливается связь между электромагнитной индукцией и явлением взаимодействии токов. Вопрос же о взаимодействии токов был уже решен Ампером. Поэтому установление этой связи на первых порах дало возможность определить выражение электродвижущей силы индукции в проводнике для ряда частных случаев.
В общем виде закон электромагнитной индукции, как мы об этом сказали, был установлен Фарадеем и Максвеллом.
Начало развития электротехники
Вместе с развитием и успехами учения об электромагнитных явлениях появляется новая область техники - электротехника.
Прежде всего возникает электрический телеграф. Первый эпектромагнитный телеграф был изобретен русским изобретателем П. Л. Шиллингом в 1832 г.
Телеграф Шиллинга состоял из передающего и принимающего устройств, соединенных несколькими проводами. В приемном аппарате имелось шесть так называемых мультипликаторов. Каждый мультипликатор представлял собой проволочную катушку, внутри которой находилась магнитная стрелка, подвешенная на нити. К нити вне катушки прикреплялась еще одна магнитная стрелка, направление полюсов которой было противоположным направлению полюсов первой стрелки. Такая система называется астатической, она употребляется для того, чтобы исключить действие на стрелки магнитного поля Земли. Помимо этого, к каждой нити был прикреплен кружок, стороны которого были окрашены в черный и белый цвета.
Когда в катушку мупьтипликатора поступал электрический ток определенного направления, то на стрелку, находящуюся внутри катушки, действовала пара сил. Стрелка поворачивалась, вместе с ней поворачивался и кружок, показывая белую или черную сторону. На приемном аппарате находилось шесть мультипликаторов, соединенных проводниками с передающими аппаратами:
Передающий аппарат имел соответствующее число клавишей и источник электрического тока - гальваническую батарею. При нажатии определенной клавиши ток посылался по проводам в соответствующий мультипликатор, в котором стрелки и кружок поворачивались в нужном направлении. Таким образом осуществлялась передача сигналов. Из сочетания черных и белых кружков была разработана условная азбука.
Телеграф Шиллинга употреблялся для практических целей. С его помощью осуществлялась связь между Зимним дворцом и зданием министерства путей сообщения в Петербурге.
Вскоре появились и другие телеграфные аппараты, отличающиеся от аппарата Шинлинга. В 1837 г. американец Морзе сконструировал более удобный телеграфный аппарат.
В телеграфе Морзе при замыкании ключа электрический ток поступал в обмотку электромагнита, который притягивал висящий маятник с закрепленным на конце карандашом, При этом конец карандаша касался бумажной ленты, непрерывно передвигающейся с помощью специального механизма в горизонтальном направлении перпендикулярно плоскости качания маятника.
3амыкание ключа на короткое время давало на бумажной ленте изображение точки, а на более длительное - тире. С помощью комбинаций точек и тире Морзе разработал специальный телеграфный код - азбуку Морзе.
В 1844 г. Морзе построил первую телеграфную линию в Америке между Вашингтоном и Балтиморой. С этого времени началось широкое применеиие вершенной конструкции.
Вслед за применением электричества для связи изобретательская мысль начинает работать над задачей использования его в качестве движущей силы.
Уже в 30-х гг. XIX в. появляются изобретения различных электродвигателей. Первый электродвигатель, применяемый для практических целей, был изоретен в 1834 г. петербургским академиком Б. С. Якоби (1801 - 1874). В 1838 г. этот двигатель был применен для приведения в движение лодки, которая плавала по Неве со скоростью 2 км/ч.
Предлагались и другие конструкции электрических двигателей. Однако, так же как и двигатель Якоби, они были неудобны для практики и не получали широкого применения. Только во второй половине XIX в. в результате работ ряда ученых и изобретателей появился электродвигатель, который начал широко применяться в технике.
Одновременно с электродвигателем начались попытки конструирования генераторов электрического тока. Первые практически пригодные генераторы электрического тока также появились только во второй половине XIX в.
3начительную роль в деле усовершенствования генераторов сыграло применение электричества для освещения.
Начало применения электричества для освещения относится к 60-м гг. прошлого столетия, когда дуговая лампа (т. е. электрическая дуга) была установлена на маяках. Но применение этих ламп встречало большие трудности. Дело в том, что дуговую лампу нужно было непрерывно регулировать, так как концы угольных электродов сгорали, расстояние между ними увеличивалось, в результате этого цепь разрывалась и дуга затухала.
Русский изобретатель Павел Николаевич Яблочков (1847 - 1894) много думал над усовершенствованием таких дуговых ламп и пришел к новому и оригинальному решению этой проблемы.
Вместо обычного расположения угольных электродов в дуговой лампе, при котором расстояние между ними менялось по мере их сгорания, Яблочков расположил их параллельно рядом, а между ними поместил изолирующую прокладку, которая сгорала вместе с углем. Эта конструкция получила название свечи Яблочкова. В 1876 г. Яблочков взял патент на свое изобретение, и оно быстро получило распространение. «Русский свет» (так называли изобретение Яблочкова) засиял на улицах, площадях, в помещениях многих городов Европы, Америки и даже Азии. «Из Парижа, - писал Яблочков,- электрическое освещение распространилось по всему миру, дойдя до дворца шаха Персидского и до дворца короля Камбоджи»).
С начала 80-х гг. появилась лампа накаливания. Первым изобретателем лампы накаливания был русский инженер А. Н. Лодыгин (1847 - 1923). Одна из конструкций лампы Лодыгина представляла собой стеклянный баллон, внутри которого в вакууме между двумя медными стержнями помещался угольный стержень.
Уже в 1873 г. Лодыгин демонстрировал освещение своими лампами одной из улиц Петербурга. В 1874 г. Лодыгин получил за свое изобретение Ломоносовскую премию Академии наук.
В 1879 г. американский изобретатель Эдисон создал удачную конструкцию лампы накаливания, и вскоре она получила распространение во всем мире.
Использование электричества для связи, в качестве движущей силы, для освещения явилось стимулом создания электрических генераторов, изобретения трансформаторов и т. д.
Появившаяся вместе с этим новая область техники - электротехника во второй половине Х1Х в. приобрела важное практиче ское значение.
Все убыстряющееся развитие электротехники приводит к необходимости совершенствования измерительной аппаратуры. Конструируются и непрерывно совершенствуются гальванометры, амперметры, вольтметры, магазины сопротивлений, конденсаторы и т. д.
Все это, конечно, оказывает сильное положительное влияние на развитие научных исследований в области электромагнетизма, и развитие этой области физических наук идет все более быстрыми темпами.
РАЗВИТИЕ ОПТИКИ
Первые шаги в развитии геометрической оптики
В оптике, так же как и в механике, первые шаги были сделаны уже в древности. Тогда были открыты два закона геометрической оптики: закон прямолинейного распространения света и закон отражения света.
К познанию этих законов древние пришли, вероятно, очень давно. Опыт повседневной жизни: наблюдение тени, перспективы, применение метода визирования при измерении земельных площадей и при астрономических наблюдениях – приводил древних, во-первых, к понятию луча света, а во-вторых, к понятию прямолинейного распространения света.
Наблюдая затем явление отражения света, в частности, в металлических зеркалах, которые хорошо были известны в то время, древние пришли к пониманию закона отражения света.
Указанные два закона были описаны знаменитым греческим ученым Евклидом, жившим в III в. до нашей эры. С помощью этих законов Евклид объяснил целый ряд наблюдаемых явлений и, в частности, явлений отражения света от плоских и даже сферических зеркал.
Исследованием отражения света плоскими и сферическими зеркалами занимался другой знаменитый ученый древности – Архимед, живший также в III в. до нашей эры. Он знал свойство вогнутого сферического зеркала собирать световые лучи в фокусе. Об этом сообщается в сочинениях ученых древности: Архимед знал, «почему вогнутые зеркала, помещенные против солнца, зажигают подложенный трут».
Архимеду даже приписывают изобретение специальных зажигательных устройств из вогнутых зеркал, с помощыо которых он будто бы сжег вражеский флот. Это, конечно, легенда. Но то, что Архимед знал зажигательное свойство вогнутого зеркала, это факт.
Ученые древности имели представление о преломлении света и даже пытались установить закон преломления. Птолемей поставил с этой целью специальный опыт. Он взял диск, по которому вокруг центра вращались две линейки – указатели А и В. Этот диск Птолемей наполовину погружал в воду и перемещал верхнюю линейку до тех пор, пока она не казалась продолжением нижней, находящейся в воде. Вынув затем диск из воды, он определял углы падения и преломления.
Однако, хотя эксперимент Птолемея и был поставлен пра- вильно и он получил достаточно хорошие численные значения для углов падения и преломления, истинного закона он установить не сумел.
В средние века оптика продолжала развиваться на Востоке, а затем и в Европе. Однако каких-либо новых существенных результатов за этот длительный период в жизни человечества получено не было. Единственным важным достижением за это время было изобретение в XIII в. очков. Но это изобретение существенным образом не по- влияло на развитие теоретической оптики.
Следующим важнейшим изобретением, сыгравшим очень большую роль в последующем развитии оптики, было создание зрительной трубы.
Зрительная труба была изобретена не одним человеком. Возможно, что еще великий итальянский художник Леонардо да Винчи в самом начале XVI в. пользовался зрительной трубой.
Имеются сведения о других ученых и изобретателях, которые также пришли к этому изобретению.
Однако решающий шаг в изобретении зрительной трубы был сделан Галилеем.
В 1609 г. Галилей построил зрительную трубу. Свое изобретение он использовал как телескоп для наблюдения небесных тел и сделал при этом целый ряд важнейших астрономических открытий, которые дали ему возможность выступить в защиту учения Коперника. Однако Галилей не занимался теоретическими исследованиями по оптике. Он даже не разобран теорию действия изобретенной им зрительной трубы.
Основы теории простейших оптических инструментов разработал великий немецкий астроном Иоганн Кеплер (1571 – 1630). Еще в 1604г. он написал работу, в которой изложил основы геометрической оптики.
Он объяснил действие глаза и оптического прибора вообще, рассматривая каждую точку предмета как источник расходящихся лучей. Хрусталик глаза, зеркало, линза или система линз может вновь собрать эти расходящиеся лучи и из расходящегося пучка сделать сходящийся. Причем эти лучи опятьсоберутся в одну точку, которая будет представлять собой изображение точки предмета. Таким образом, каждой точке изображения соответствует одна и только одна точка предмета.
Кеплер рассматривал с этой точки зрения ход лучей в простейших оптических приборах, в двояковыпуклой и двояковогнутой линзе, поставленных друг за другом. Эта система линз представляла собой систему, примененную Галилеем в его зрительной трубе – телескопе.
В 1611 г. Кеплер издал новое сочинение по оптике. В трем уче-ный продолжал развивать теорию оптических приборов. В частности, он описал здесь зрительную трубу, отличную от трубы Галилея, которая оказалась более удачной. Труба Кеплера состояла из двух двояковыпуклых линз. Сам Кеплер только описал ее устройство, но трубы не построил. Ее сделали другие ученые.
Разработав теорию построения изображения в оптических приборах, Кеплер ввел новые понятии: «фокус» и «оптическая ось». Эти понятия применяются и в настоящее время в оптике.
Следующим важным шагом в развитии оптики было открытие закона преломления света.
Кеплер еще не знал этого закона. 3акон, которым он пользовался, был неверным. Однако это не помешало ученому в его исследованиях. Дело в том, что во всех случаях, которые Кеплер рассматривал, можно было считать, что световые лучи проходит близко к главной оптической оси. При этом ввиду малости угла
падения ? и угла преломления ? закон преломления
можно записать приближенно:
Закон, которым пользовался Кеплер для малых углов падения и преломления, приводил к правильным результатам.
3акон преломления света был установлен голландским ученым Снеллиусом, но он его не опубликовал. Этот закон был опубликован Декартом в 1637 г. Теперь геометрическая оптика, фунда-мент которой заложил Кеплер, могла развиваться дальше.
Развитие взглядов на природу света и первые открытия в области физической оптики
Первые представления о том, что такое свет, относятся также к древности.
В древности представления о природе света были весьма примитивными, фантастическими и к тому же весьма разнообразными. Однако, несмотря на разнообразие взглядов древних на природу света, уже в то время наметились три основных подхода к решению вопроса о природе света. Эти три подхода в последующем оформились в две конкурирующие теории – корпускулярную и волновую теории света.
Подавляющее большинство древних философов и ученых рассматривало свет как некие лучи, соединяющие светящееся тело и человеческий глаз. При этом одни из них полагали, что лучи исходят из глаз человека, они как бы ощупывают рассматриваемый предмет. Эта точка зрения имела сначала большое число последователей. Даже такой крупнейший ученый, как Квклид, придерживался ее. Формулируя первый закон геометрической оптики, закон прямолинейного распространения света, Евклид писал: «Испускаемые глазами лучи распространяются по прямому пути». Такого же взгляда придерживался Птолемей и многие другие ученые и философы.
Однако позже, уже в средние века, такое представление о природе света теряет свое значение. Все менше становится ученых, следующих этим взглядам. И к началу XVII в. эту точку зрения можно считать уже забытой.
Другие, наоборот, считали, что лучи испускаются светящимся телом и, достигая человеческого глаза, несут на себе отпечаток светящегося предмета. Такой точки зрения держались атомисты Демокрит, Эпикур, Лукреций.
Последняя точка зрения на природу света уже позже, в XVII в., оформилась в корпускулярную теорию света, согласно которой свет есть поток каких-то частиц, испускаемых светящимся телом.
Третья точка зрения на природу света была высказана Аристотелем. Он рассматривал свет не как истечение чего-то от светящегося предмета в глаз и тем более не как некие лучи, исходящие из глаза и ощупывающие предмет, а как распространяющееся в пространстве (в среде) действие или движение.
Мнение Аристотеля в его время мало кто разделял. Но в дальнейшем, опять же в XVII в., его точка зрения получила развитие и положила начало волновой теории света.
В XVII в. в связи с развитием оптики вопрос о природе света вызывает все больший и больший интерес. При этом происходит образование двух противоположных теорий света: корпускулярной и волновой.
Для развития корпускулярной теории света была более благоприятная почва. Действительно, для геометрической оптики представление о том, что свет есть поток особых частиц, было вполне естественным. Прямолинейное распространение света хорошо объяснялось с точки зрения этой теории. Также хорошо объяснялся и закон отражения света. Да и закон преломления не противоречил этой теории.
Общее представление о строении вещества также не вступало в противоречие с корпускулярной теорией света. В основе тогдашних представлений о строении вещества лежала атомистика. Все тела состоят из атомов. Между атомами существует пустое пространство. В частности, тогда считали, что межпланетное пространство является пустым. В нем и распространяется свет от небесных тел в виде потоков световых частиц. Поэтому вполне естественно, что в XVII в. было много физиков, которые придерживались кор-пускупирной теории света.
В XVII в., как мы сказали выше, начинает развиваться и представление о волновой природе света.
Родоначальником волновой теории света нужно считать Декарта. Декарт был противником существования пустого пространства. В связи с этим он не мог считать свет потоком световых частиц. Свет, по Декарту, это нечто вроде давления, передающегося через тонкую среду от светящегося тела во все стороны. Если тело нагрето и светится, то это значит, что его частицы находятся в движении и оказывают давление на частицы той среды, которая заполняет все пространство. Эта среда получила название эфира. Давление распространяется во все стороны и, доходя до глаза, вызывает в нем ощущение света.
Такова точка зрения Декарта на природу света. Нужно только отметить, что в своем сочинении, посвященном специально оптике, Декарт пользуется и корпускулярной гипотезой. Но это, как он сам говорит, сделано для того, чтобы его рассуждения были более понятны. Поэтому неправы те, кто на основе только этого сочинения зачисляет Декарта в сторонники корпускулярной теории света. Ученые XVII и XVIII вв. это хорошо понимали и считали Декарта родоначальником волновой теории света.
Конечно, у Декарта нет еще представления о световых волнах. Он представляет себе свет как распространяющееся движение, или импульс в эфире. Но не это важно. Важным является то, что Декарт рассматривает свет уже не как поток частиц, а как распространение давления, или движение импульса и т. п.
Декарт пришел к отказу от корпускулярной теории света чисто умозрительным путем. Никаких опытных данных, которые говорили бы за волновую теорию света, тогда еще не было. Первое открытие, свидетельствующее о волновой природе света, было сделано итальянским ученым Франческо Гримальди (1618 – 1663). Оно было опубликовано в 1665 г. после смерти ученого.
Гримальди заметил, что если на пути узкого пучка световых лучей поставить предмет, то на экране, поставленном сзади, не получается резкой тени. Края тени размыты, кроме того, вдоль тени появляются цветные полосы. Открытое явление Гримальди назвал дифракцией, но объяснить его правильно не сумел. Он понимал, что наблюдаемое им явление находится в противоречии с законом прямолинейного распространения света, а вместе с тем и с корпускулярной теорией. Однако он не решился полностью отказаться от этой теории.
Свет, по Гримальди, распространяющийся световой флюид (тонкая неощутимая жидкость). Когда свет встречается с препятствием, то оно вызывает волны этого флюида. Гримальди привел аналогию с волнами, распространяющимися по поверхности воды. Подобно тому как вокруг камня, брошенного в воду, образуется волна, так и препятствие, помещенное на пути света, вызывает в световом флюиде волны, которые распространяются за границы геометрической тени.
Вторым важным открытием, относящимся к физической оптике, было открытие интерференции света. Простой опыт по интерференции света наблюдал Гримальди. Опыт заключается в следующем: на пути солнечных лучей ставят экран с двумя близкими отверстиями (проделанными в ставне, закрывающей окно); получаются два конуса световых лучей. Помещая экран в том месте, где эти конусы накладываются друг на друга, замечают, что в некоторых местах освещенность экрана меньше, чем если бы его освещал только один световой конус. Из этого опыта Гримальди сделал вывод, что прибавление света к свету не всегда увеличивает освещенность.
Другой случай интерференции примерно в те же годы исследовал английский физик Роберт Гук (1635 – 1703). Он изучал цвета мыльных пленок и тонких пластинок из слюды. При этом он обнаружил, чго эти цвета зависят от толщины мыльыой пленки или слюдяной пластинки.
Гук подошел к изучению этих явлений с правильной точки зрения. Он полагал, что свет – это колебательные движения, распространяющиеся в эфире. Он даже считал, что эти колебания являются поперечными.
Явление интерференции света в тонких пленках Гук объяснял тем, что от верхней и нижней поверхности тонкой, например мыльной, пленки происходит отражение световых волн, которые, попадая в глаз, производят ощущение различных цветов. Однако у Гука не было правильного представления о том, что такое цвет.
Он не связывал цвет с частотой колебаний или с длиной волны, поэтому не смог разработать теорию интерференции.
Третье важное открытие, относящееся к волновой оптике, было сделано датским ученым Бартолином в 1669 г. Он открыл явление двойного лучепреломления в кристалле исландского шпата. Бартолин обнаружил, что если смотреть на какой-либо предмет через кристалл исландского шпата, то видно не одно, а два изображения, смещенных друг относительно друга. Это явление затем исследовал Гюйгенс и попытался дать ему объяснение с точки зрения волновой теории света.
Следующий шаг в развитии волновой теории света был сделан Гюйгенсом. Гюйгенс работал над волновой теорией света в 70-х гг. XVII в. В зто время он написал «Трактат о свете», содержание которого доложил Парижской академии наук. Однако опубликовал он это сочинение позже, в 1690 г., уже после того как стали известны работы Ньютона по оптике.
Гюйгенс полагал, что все мировое пространство заполнено тонкой неощутимой средой – эфиром, который состоит из очень маленьких упругих шариков. Эфир также заполняет пространство между атомами, образующими обычные тела.
Распространение света, по Гюйгенсу, есть процесс передачи движения от шарика к шарику, подобно тому как распространяется импульс вдоль стальных шаров, соприкасающихся друг с другом и вытянутых в одну линию.
Выдвинув такую гипотезу о свете, Гюйгенс посвятил основную часть своей работы объяснению известных законов оптики: закона прямолинейного распространения света, законов отражения и преломления.
Дело в том, что в тот период от всякой теории света требова-лось в первую очередь объяснить эти хорошо знакомые всем законы оптики. Эту задачу хорошо выполняла корпускулярная теория света. Но вот может ли справиться с ней волновая теория?
Ведь если свет представляет собой распространяющееся движение в эфире, то как можно объяснить закон прямолинейного распространения света? Для звука, например, волновая природа которого была ясна, такой закон, казалось, не существует. Действительно, если между наблюдателем и звучащим телом поставить небольшой зкран, то ведь все равно наблюдатель будет слышать звук. Но для света это неверно. Правда, явление дифракции уже открыто, но это очень малый эффект и на него можно не обращать внимания.
Для того чтобы показать, что волновая теория способна объяснить прямолинейное распространение света, Гюйгенс выдвигает свой известный принцип. Приведем формулировку зтого принципа, данную самим Гюйгенсом.
«По поводу процесса образования этих волн следует еще отметить, что каждая частица вещества, в котором распространяется волна, должна сообщать свое движение не только ближайшей частице, лежащей на проведенной от светящейся точки прямой, но необходимо сообщает его также и всем другим частицам, которые касаются ее и препятствуют ее движению. Таким образом, вокруг каждой частицы должна образоваться волна, центром которой она является». Но каждая из этих волн чрезвычайно слаба, и световой эффект наблюдается только там, где проходит их огибающая.
Основываясь на этом принципе, Гюйгенс дает известные школьникам объяснения закону прямолинейного распространения света, законам отражения и преломления.
Но для признания волновой теории света этого было мало. Явления дифракции и интерференции не были объяснены Гюйгенсом. Но главная неудача теории Гюйгенса заключалась в том, что она была теорией бесцветного света. Вопрос о цвете в ней не рассматривался, а к тому времени Ньютон сделал новое важное открытие в оптике – он обнаружил дисперсию света.
Прежде чем перейти к изложению этого открытия, скажем еще об одном важном шаге в развитии оптики – первом определении скорости света.
Впервые скорость света была определена датским астрономом Ремером в 70-х гг. XVII в. До этого времени среди ученых существовало два противоположных мнения. Одни полагали, что скорость света бесконечно велика. Другие же хотя и считали ее очень большой, тем не менее конечной.
Ремер подтвердил второе мнение, проведя наблюдения над затмением спутников Юпитера. Измерив времена их затмения, он смог из полученных данных подсчитать скорость распространения света. По его подсчетам, скорость света получилась равной 300870 км/с в современных единицах.
Оптика Ньютона
Еще в 60-е гг. XVII в. Ньютон заинтересовался оптикой и сделал открытие, которое, как казалось сначала, говорило в пользу корпускулярной теории света. Этим открытием было явление дисперсии света и простых цветов.
Разложение белого света призмой в спектр было известно очень давно. Однако разобраться в этом явлении до Ньютона никто не смог.
Ученых, занимающихся оптикой, интересовал вопрос о природе цвета. Наиболее распространенным было мнение о том, что белый свет является простым. Цветные же лучи получаются в результате тех или иных его изменений. Существовали различные теории по этому вопросу, на которых мы останавливаться не будем.
Изучая явление разложения белого света в спектр, Ньютон пришел к заключению, что белый свет является сложным светом. Он представляет собой сумму простых цветных лучей.
Ньютон работал с простой установкой. В ставне окна затемненной комнаты было проделано маленькое отверстие. Через это отверстие проходил узкий пучок солнечного света. На пути светового луча ставилась призма, а за призмой экран. На экране Ньютон наблюдал спектр, т. е. удлиненное изображение круглого отверстия, как бы составленного из многих цветных кружков. При этом наибольшее отклонение имели фиолетовые лучи – один конец спектра – и наименьшее отклонение – красные – другой конец спектра.
Но этот опыт еще не являлся убедительным доказательством сложности белого света и существования простых лучей. Он был хорошо известен, и из него можно было сделать заключение, что, проходя призму, белый свет не разлагается на простые лучи, а изменяется, как многие думали до Ньютона.
Для того чтобы подтвердить вывод о том, что белый свет состоит из простых цветных лучей и разлагается на них при прохождении через призму, Ньютон проводил другой опыт.
В экране, на котором наблюдался спектр, делалось также малое отверстие. Через отверстие пропускали уже не белый свет, а свет, имеющий определенную окраску, говоря современным языком, монохроматический пучок света. На пути этого пучка Ньютон ставил новую призму, а за ней новый экран. Что будет наблюдаться на этом экране? Разложит он одноцветный пучок света в новый спектр или нет? Опыт показан, что зтот пучок света отклоняется призмой как одно целое, под определенным углом. При этом свет не изменяет своей окраски. Поворачивал первую призму, Ньютон пропускал через отверстие экрана цветные лучи различных участков спектра. Во всех случаях они не разлагались второй призмой, а лишь отклонялись на определенный угол, разный для лучей различного цвета.
После этого Ньютон пришел к заключению, что белый свет разлагается на цветные лучи, которые являются простыми и призмой не разлагаются. Для каждого цвета показатель преломления имеет свое, определенное значение. Цветность этих лучей и их преломляемость не может измениться «ни преломлением, ни отражением от естественных тел, или какой-либо иной причиной»,– писал Ньютон.
Это открытие произвело большое впечатление. В XVIII в. французский поэт Дювард писал: «Но что это? Тонкая сущность этих лучей не может изменяться по своей природе! Никакое искусство не в состоянии его разрушить, и красный или синий луч имеет свою окраску, побеждая все усилия».
Таким образом, простые лучи являются неизменными. Они представляют, можно сказать, атомы света, подобно атомам вещества. Этот вывод казался в хорошем согласии с корпускулярной теорией света. Действительно, неизменные атомы света, простые лучи, являются потоком и однородных частиц, которые, попадая в наш глаз, вызывают ощущение определенного цвета. Смесь же разнородных световых частиц является белым светом. При прохождении через призму белый свет разлагается. Призма сортирует световые частицы, отклоняя их на разный угол в соответствии с их цветностью.
Открытие дисперсии было расценено Ньютоном и большинством его современников и последователей как факт, подтверждающий корпускулярную теорию света.
С точки зрения волновой теории трудно было объяснить открытие Ньютона, потому что теории распространения волн еще не было. Понимание того, что цвет определяется периодом световой волны, пришло значительно позже. Но даже если бы кто и догадался об этом, то все равно нелегко было представить себе, почему при отражении и преломлении период остается неизменным.
Таким образом, с точки зрения волновой теории понять открытие Ньютона в то время было почти невозможно. И не случайно Гюйгенс в своей работе, о которой мы говорили выше, совсем обошел вопрос о дисперсии света, хотя в 1690 г., когда была опубликована его книга, он уже знал о работах Ньютона по оптике.
Итак, Ньютон встал на точку зрения корпускулярной теории света, на основе которой было легко понять открытое им явление дисперсии света. Но ведь, спросите вы, к этому времени были уже известны явления из области волновой оптики – интерференция и дифракция. 3анимаясь исследованиями по оптике, Ньютон не мог пройти мимо них и должен был столкнуться с задачей объяснения этих явлений на основе корпускулярной теории.
И действительно, Ньютон не забыл об этих явлениях и попытался дать им объяснение. Что касается явления дифракции, то он более или менее легко, как казалось, справился с указанной задачей. Когда свет проходит мимо экрана, то между частицами, из которых состоит экран, и световыми лучами (атомами света) действуют силы притяжения. Вследствие этого лучи заходят в область геометрической тени.
Приведенное объяснение было, конечно, неверным. Но в то время, когда явление дифракции было еще недостаточно изучено, такое объяснение казалось убедительным.
Труднее обстояло дело с объяснением явления интерференции. Его уже начали изучать. И сам Ньютон сделал важный шаг в исследовании интерференции света в тонких пленках.
Ученый собрал специальную установку для изучения этого яв-ления. Он взял линзу, положил ее на стеклянную пластинку и наблюдал темные и светлые кольца, которые видны при освещении линзы и пластинки монохроматическим светом. Это так называемые кольца Ньютона.
Как можно объяснить появление этик колец с точки зрения корпускулярной теории света? Падая сверху на линзу, световые лучи на определенных расстояниях от центра либо отражаются, либо преломляются и проходят через установку. В результате чего мы видим систему светлых и темных колец.
Но почему же на одних расстояниях от центра линзы свет отражается, а на других преломляется? На этот вопрос Ньютон ответил, что в одних местах световые лучи (световые частицы) испытывают «приступы легкого отражения», а в других – «приступы легкого преломления». Но почему это происходит, ученый не мог сказать.
Объяснение кольцам Ньютона было дано в начале XIX в. на основе волновой теории света английским ученым Юнгом. Но об этом мы скажем позеже. После Ньютона корпускулярная теории света становится общепризнанной. В течение всего XVIII в. ее придерживались почти все физики.
РАЗВИТИЕ ВОЛНОВОЙ ТЕОРИИ СВЕТА
Возрождение волновой теории света
Как мы сказали выше, после работ Ньютона среди ученых держалось твердое убеждение в справедливости корпускулярной теории света. Однако все же и в XVIII в. были ученые"которые возражали против этой теории. Из крупных ученых можно назвать русских академиков М. В. Ломоносова и Л. Эйлера.
Ломоносов считал, что свет – это распространяющееся колебательное движение частиц эфира, т. е. неощутимой среды, заполняющей все мировое пространство и пронизывающей поры весомых тел.
Против корпускулярной теории света, по Ломоносову, говорит то обстоятельство, что световые лучи, проходя через прозрачное тело с разных сторон, не мешают друг другу. Вокруг алмаза, пишет Ломоносов, можно поставить тысячи свечей, так что тысячи пучков света будут пересекать друг друга и при этом ни один луч не будет мешать другому. Этот факт противоречит представлению о том, что свет – это поток световых частиц, но он не противоречит волновой теории света. Подобно волнам на воде, которые проходят через одну и ту же точку не изменяясь, световые волны проходят через прозрачные тела, не мешая друг другу.
Из изложенного видно, что Ломоносов уже подходил к пониманию явления интерференции.
Эйлер, так же как и Ломоносов, высказывался против корпускулярной теории света. Он уже отчетливо представлял свет как волны, распространяющиеся в эфире. При этом Эйлер впервые высказал идею о том что цвет определяется частотой колебаний в световой волне.
Однако ни Ломоносов, ни Эйлер не смогли привлечь ученых на сторону волновой теории света.
В конце XVIII в. оптическиими исследованиями занялся английский ученый Томас Юнг (1773 – 1829). Он пришел к важной идее, что кольца Ньютона очень просто можно объяснить с точки зрения волновой теории света, опираясь на принцип интерференции. 0н же впервые и ввел название «интерференция» (от латинских слов inter – взаимно и ferio – ударяю).
Весьма вероятно, что интерференцию Юнг открыл, наблюдая это явление для водяных волн. Во всяком случае, описывая это явление, он рассматривал интерференцию водяных волн. Он писал: «Представим себе, что некоторое количество одинаковых водяных волн движется по поверхности гладкого озера с некоторой постоянной скоростью и попадает в узкий канал, выходящий из озера. представим себе также, что под действием другой причины образовался такой же ряд волн, который, как и первый, доходит до зтого канала с той же скоростью. Ни один из этих рядов волн не разрушит другого, а их действия соединятся. Если они вступают в капал так, что гребни одного ряда совпадают с гребнями другого, то образуется ряд волн с увеличенными гребнями. Но если гребни одного ряда будут соответствовать впадинам другого, то они в точности заполнят зти впадины и поверхность воды останется гладкой. Я полагаю, что подобные эффекты имеют место всякий раз, когда подобным образом смешиваются две части света. Это явление я называю законом интерференции света».
Юнг, используя явление интерференции, объяснил появление колец Ньютона. Эти кольца в отраженном свете возникают в результате интерференции двух лучей света, отраженных от верхней и нижней поверхностей воздушной прослойки, образованной линзой и стеклянной пластинкой. От толщины этой прослойки будет зависеть разность хода между указанными лучами. В частности, они могут усиливать или гасить друг друга. В первом случае мы видим светлое кольцо, во втором – темное.
Если свет, освещающий установку, белый, то будут наблюдаться цветные кольца. По расположению колец для разных цветов можно подсчитать длину волны соответствующих цветных лучей. Юнг проделал этот расчет и определил длину волны для разных участков спектра. Интересно, что при этом он использовал данные Ньютона, которые были достаточно точными.
Юнг объяснил и другие случаи интерференции в тонких пластинках, а также проделал специальный опыт по интерференции света. Этот опыт, который, как мы говорили, проводил еще Гримальдй, известен под названием опыта Юнга.
В данном опыте наблюдается не только явление интерференции, но и явление дифракции света. Если закрыть одно отверстие пальцем, то на экране видны дифракционные кольца, образованные в результате прохождения света через малое отверстие.
Результаты своих исследований по оптике Юнг доложил на ученом заседании Лондонского королевского общества, а тактже опубликовал их в начале XIX в. Но, несмотря на убедительность работ Юнга, никто не хотел их признавать. Ведь признать правоту выводов Юнга означало отказаться от привычных взглядов и, кроме того, выступить против авторитета Ньютона. На это пока еще никто, кроме самого Юнга, не решался.
На работы Юнга не обратили внимания, а в печати даже появилась статья, содержащая грубые нападки на него. Корпускулярная теория света по-прежнему казалась непоколебимой.
Исследования Френеля по интерференции и дифракции света
Французский инженер, ставший впоследствии знаменитым физиком, Огюстен Френепь (1788 – 1827) начал заниматься изучением явлений интерференции и дифракции с 1814 г. Он не знал о работах Юнга, но подобно ему увидел в этих явлениях доказательство волновой теории света.
В 1817 г. Академия наук Франции объявила конкурс на лучшую работу по дифракции света. Френель решил участвовать в этом конкурсе. Он написал работу, в которой изложил результаты своих исследований, и направил ее в Академию наук в 1818 г. В этой работе Френель изложил ряд случаев интерференции света, которые он исследовал. В частности, он описал опыт по интерференции света при прохождении через две соединенные вместе призмы, так называемая бипризма Френеля.
Опыт Френеля ясно показывает случай интерференции от двух источников света. С помощью этого опыта Френель подсчитал длину волны для красного света. При этом она получилась равной длине волны для красного света, определенной из других опытов.
Основное же внимание в своей работе Френель уделил опытам по дифракции света, для которой разработал специальную теорию. Эта теория основывалась на усовершенствованном принципе Гюйгенса, который в последующем стал называться принципом Гюйгенса – Френеля.
По Гюйгенсу, как мы видели выше, волновую поверхность в данный момент времени t можно рассматривать как огибающую всех сферических волн, источниками которых являются все точки волновой поверхности в более ранний, предыдущий момент времени t0.
По Френелю, значение амплитуды световой волны в какой-либо точке пространства в момент времени t можно рассматривать как результат интерференции всех сферических волн, источниками которых являются все точки волновой поверхности в более ранний, предыдущий момент времени t0.
Френель, используя этот принцип, исследовал разные случаи дифракции и рассчитал расположение полос для этих случаев.
Так, он рассмотрел прохождение света через маленькое отверстие и определил, какая картина должна быть видна на экране, поставленном за этим отверстием. По его расчетам, получалось, что на экране будут видны темные и светлые кольца, если свет монохроматический. При этом Френель вычислил радиусы этих колец в зависимости от размеров отверстия, от расстояния источника света до отверстия и расстояния отверстия до экрана, на котором наблюдается дифракционная картина.
Френель описал и другие случаи дифракции света от различных экранов и рассчитал расположение дифракционных полос, исходя из волновой теории. При этом все расчеты Френеля совпадали с результатами, наблюдаемыми на опыте.
Работы, представленные на конкурс, рассматривала специальная комиссия Академии наук. В ее составе были крупнейшие ученые того времени: Араго, Пуассон, Био, Гей-Люссак. Все они держались ньютоновских взглядов на природу света. Естественно, что они недоверчиво отнеслись к работе Френеля. Однако совпадение расчетов Френеля с опытными данными было настолько хорошим, что комиссия не могла отвергнуть работу Френеля и была вынуждена присудить ему премию.
При этом произошел интересный случай. Рассматривая расчеты Френеля, член комиссии Пуассон заметил, что они приводят к парадоксальному результату: согласно Френелю получалось, что в центре тени от круглого экрана должно быть светлое пятно. Однако этого до сих пор никто не наблюдал. Из теории Френеля следовало, что это светлое пятно будет заметно только в том случае, если радиус круглого экрана будет малым. Проделанный опыт подтвердил предсказание теории Френеля, что произвело большое впечатление на членов комиссии.
Итак, комиссия Академии наук присудила премию Френел~о за его работу по оптике. Однако это вовсе не значит, что волновая теория была признана правильной. Премия ученому была дана за метод расчета. Что же касалось самих представлений, на основе которых был сделан расчет, т.е. представлений о волновой природе света, то академики, рассматривающие работу Френеля, не согласились с ним.
Они рассуждали примерно так: физические основы теории могут быть неверны, а результаты расчета правильны. Такие случаи история знала. Например, пользуясь теорией Птолемея о строении Вселенной, можно вести расчеты и получать правильные результаты положений небесных светил на небе, однако по существу она неверна.
Нужно сказать в защиту академиков, что, несмотря на блестящие результагы, полученные Френелем, в его теории был определенный изъян. Дело в том, что, кроме интерференции и дифракции, физики уже исследовали поляризацию света. Но теория Френеля вопросов поляризации света не касалась. Более того, казалось, что она не в состоянии их объяснить.
Борьба за признание волновой теории света
Френель не случайно в первых своих работах обошел вопрос о поляризации света. Ведь, рассматривая световые волны как волны в эфире, Френель считал их продольными. Эфир – это очень тонкая материя, он подобен очень разреженному воздуху. А в воздухе, как уже все знали, могут распространяться только продольные волны, например звуковые, т.е. сгущения и разрежения воздушной среды. В звуковых волнах ничего подобного явлению поляризации не наблюдается.
Если бы, конечно, поляризация света не была еще известна. то вопрос о волновой природе света решить было бы проще. Но явление поляризации света было открыто.
Датский физик Бартолин еще в XVII в. исследовал явление двойного лучепреломления. Он наблюдал, что если на кристалл исландского шпата падает луч света, то он при преломлении раздваивается. Если смотреть на точечный источник света через этот кристалл, то можно увидеть не один, а два таких источника. Это явление зависит от ориентации кристалла относительно луча.
В кристалле есть направление, по которому раздваивание луча не происходит. Это направление называется оптической осью кристалла.
Явлением двойного лучепреломления в начале XIX в. заинтересовался французский инженер Малюс. Исследуя это явление, он обнаружил, что если смотреть через кристалл исландского шпата на изображение Солнца в стекле, то при одних положениях этого кристалла видно два солнца, а при определенном положении стекла и кристалла одно из изображений пропадает, даже если световые лучи направлены не вдоль оптической оси.
Малюс был сторонником корпускулярной теории света и с точки зрения этой теории попытался объяснить наблюдаемое явление.
Он рассуждал так: световые частицы не являются шариками. Они подобно магнитам имеют полюсы. В обычном свете эти частицы летят, будучи ориентированы в пространстве хаотично. При отражении же от стекла или воды они как бы сортируются. Одни, у которых полюсы ориентированы определенным образом, прелом-ляются, а другие, ориентируемые иначе, отражаются. При определенном угле падения эта сортировка будет наиболее полной. И в этом случае отраженные световые частицы будут ориентированы все в одном направлении. В этом случае отраженный свет будет полыостью поляризован. Малюс и назвал это явление поляризацией. Слово «поляризация» он придумал исходя из идеи о том, что частицы света имеют полюсы.
После открытия Малюса стали усиленно изучать явление поляризации света. Был выяснен целый ряд свойств поляризованного света. Однако ученые всетаки пытались объяснить это явление с точки зрения корпускулярной теории.
Создалось такое положение, когда Юнг и Френель прекрасно объяснили явление интерференции и дифракции, пользуясь представлениями о волновой природе света, но не могли объяснить поляризацию света.
Раздумывая над явлениями поляризации и двойного лучепра-ломления, Юнг и Френель пришли к убеждению о необходимости считать световые волны не продольными, а поперечными. С помощью этой гипотезы Френель исследовал указанные явления и разработал теорию прохождения поперечных волн через двоякопреломляющее тело. Но все же гипотеза о поперечности световых волн вызвала много возражений.
Действительно, уже было известно, что поперечные волны могут существовать и распространяться только в твердых телах. Поэтому эфир нужно было рассматривать как твердое тело. Но эфир ведь очень «тонкая среда», гораздо более «тонкая», чем воздух. Он не оказывает никакого сопротивления движению в нем тел. Планеты, например, движутся в эфире, не испытывая никакого сопротивления. Как же можно считать эфир твердым телом?
Больше того, всякое тело обладает упругостью по отношению к сжатию. А это значит, что в нем могут распространяться волны сжатия и разрежения, т.е. продольные волны. Следовательно, в каждом твердом теле могут возникать и продольные и поперечные волны. Если только признать, что тело является абсолютно несжимаемым или абсолютно твердым, то в нем должны отсутствовать продольные волны. Следовательно, эфир нужно было бы рассматривать не только как твердое тело, но и как абсолютно твердое тело. Такой эфир, конечно, представить себе было трудно.
Однако постепенно, несмотря на все трудности, стоявшие перед гипотезой о поперечности световых волн, волновая теория света начала побеждать и вытеснять корпускулярную теорию света.
Новые исследования интерференции и дифракции света, в частности изобретение дифракционной решетки, все больше и больше подтверждали эту теорию. Все больше ученых переходит на сторону волновой теории света. Можно считать, что к 40-м гг. XIX в. волновая теория света становится общепризнанной.
Что же касается теории эфира, то над построением ее бились многие ученые. Но никто из них не мог получить удовлетворительных результатов; никто не мог составить удовлетворительного представления о такой среде, в которой могут существовать только поперечные волны, обладающие свойствами световых волн.
В 1864 г. Максвелл высказал гипотезу об электромагнитной природе света. Спустя почти двадцать лет Герц подтвердил ее на опыте. После этого перед физиками встала проблема построить теорию эфира, которая давала бы объяснение электрическим и магнитным явлениям, а значит и оптическим.
Ученые долго трудились и над этой проблемой, предлагая различные модели этой гипотетической среды. Было создано много теорий, но ни одну из них не признали удовлетворительной. Эфир ускользал от попыток физиков построить его теорию.
Появилось даже мнение о невозможности построения такой теории. Так дело продолжалось до возникновения теории относительности, которая покончила с эфиром и привела к новым представлениям о сущностй электромагнитных, а вместе с этим и оптических явлений.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Спасский Б.И. "ФИзика в ее развитии", пособие для учащихся. - М. Просвещение, 1979г. - 208с.
2. Дягилев Ф.М. "Из истории физики и жизни ее творцов", М. Просвещение, 1986г., 255с.
3. Вавилов С.И. "Исаак Ньютон", Издательство Академии наук СССР, 1960г., 294с.
4.
1
12