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

Первые ученые, которые создали конденсаторы подобного типа, — немецкий экспериментатор Эвальд Юрген фон Клейст в 1745 году и голландский физик Питер ван Мушенбрук (1692–1761) в 1746 году — испытали удивление и даже ужас, когда разрядили устройство и подверглись электрическому шоку. Фон Клейст сразу же прекратил всякие эксперименты, а ван Мушенбрук продолжил исследования, но с крайней осторожностью. Поскольку ван Мушенбрук работал в университете Лейден в Нидерландах, его конденсатор называется лейденской банкой.

Во второй половине XVIII века лейденская банка использовалась в различных важных экспериментах, связанных с электричеством. Можно было собрать и высвободить заряд столь огромной величины, что он мог вызвать шок у сотни взявшихся за руки людей, убивать маленьких животных и т. д. Сами по себе эти эксперименты не представляли особой важности, но они были необходимы для демонстрации электрического феномена и для привлечения внимания научных кругов (и широкой общественности тоже).

Лейденская банка

В частности, лейденская банка демонстрировала вопрос, связанный с разряжением через воздух. Сухой воздух является изолятором, но никакая изоляция не совершенна, и, если заряд какого-то предмета достаточно велик, он сможет пройти сквозь заданный изолятор. (Представьте груз, покоящийся на деревянной доске, которая подвешена в нескольких футах от земли. Доска в данном случае является своего рода изолятором в том смысле, что она не позволяет грузу упасть, несмотря на разность гравитационных потенциалов между землей и грузом. Если массу груза постоянно увеличивать, то настанет момент, когда доска сломается и груз упадет на землю. В терминах электрофизики, «изолятор» будет пробит, а груз «разряжен».)

Когда электрический заряд проходит через обычно являющуюся изоляционной прокладку из воздуха, под воздействием электрической энергии воздух нагревается до такой степени, что начинает светиться. Разряд сопровождается искрой. Горячий воздух увеличивается в объеме, а затем, отдавая свое тепло в окружающую атмосферу, снова сжимается. Этот процесс вызывает вибрации звуковых волн, поэтому разряд сопровождается не только сверканием, но еще и треском. Такие явления были замечены даже Герике в его опыте с заряженным шариком из серы. Лейденская банка с ее огромным накопленным зарядом производит больший эффект в создании искр и треска.

Франклин, который много работал с лейденской банкой, не мог не заметить сходства между разряжением и такими природными явлениями, как гром и молния. Лейденская банка порождает миниатюрные вспышки молнии и раскаты грома. И наоборот, земля и небо — это гигантские пластины лейденской банки. Франклин пытался доказать, что это больше чем просто поэтический образ.

В июне 1752 года он запустил воздушного змея во время грозы. Он привязал заостренный металлический стержень к деревянному каркасу змея и прикрепил к нему кусок шнура. Все это он соединил с веревкой, на которой держится змей. Еще он привязал металлический ключ к веревке. Во избежание электрического удара Франклин спрятался под навес и держал веревку со змеем при помощи изолирующего шелкового шнурка.

Змей исчез в облаках, и Франклин заметил, что волокна веревки торчат в разные стороны, отклоняясь друг от друга, как будто они получили электрический заряд и отталкивали друг друга. По-видимому, ключ тоже получил заряд. Франклин осторожно приблизил костяшки пальцев к ключу, появилась искра — точно такая же искра, сопровождаемая точно таким же треском, которые ожидают от лейденской банки. Затем Франклин достал лейденскую банку, которую принес с собой, и зарядил ее небесным электричеством. Результат получился абсолютно таким же, как от заряда электрической фрикционной машиной. Таким образом, он доказал, что и в небесах существует электричество и что молния — это гигантский электрический разряд, а гром — это мощный треск, сопровождающий такой разряд.

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

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

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

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

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

Первые способы проделать это были разработаны на основе наблюдений, проводившихся в 1791 году итальянским медиком и физиком Луиджи Гальвани (1737–1798). Гальвани интересовался как работой мышц, так и экспериментами с электричеством. Работая с лейденской банкой, он обнаружил, что искры из нее заставляют сокращаться мышцы в бедре рассеченной лягушки, несмотря на то что в них уже нет жизни. Другие тоже наблюдали подобное явление, но Гальвани открыл нечто новое: когда металлический скальпель касался мышцы в момент появления искры из находящейся рядом лейденской банки, мышца сокращалась, хотя непосредственного контакта с искрой она не имела[100].