Исследование электрической силы

Исследованием этой проблемы занималось много ученых. Б. Франклину (1706— 1790) — одному из авторов Декларации независимости США (1776) и Конституции США (1787) — принадлежит несколько плодотворных идей в исследовании природы электричества. Он полагал, что электричество, свободно движущееся в металлах, переносится мельчайшими частицами, которые существенно меньше атомов. Он же ввел понятие положительного и отрицательного зарядов: положительный заряд — это заряд тела, которое

накапливает электричество, отрицательный — это заряд тела, теряющего

электричество. Франклин не знал, что электричество связано с движением электронов. Поэтому то, что он назвал положительным зарядом, является на самом деле отрицательным, но традиция сохраняет принятые Франклином термины.

Б. Франклину принадлежит формулировка закона сохранения электрических зарядов в замкнутой системе (без действия внешних сил): полный заряд тел, входящих в эту систему, сохраняется, хотя внутри этой системы будут происходить изменения заряда от тела к телу при их движении внутри системы. Электричество, которое изучал Франклин, называется статическим. В России электричество изучалось М. В. Ломоносовым и Г. В. Рихманом (1711—1753), академиком Петербургской академии, погибшим по нелепой случайности при эксперименте. М. Ломоносову были известны идеи Франклина. В своей диссертации «Теория электричества, математически выведенная автором М. Ломоносовым» он сформулировал принципиально новое объяснение атмосферного электричества, чего у Франклина не было: электричество возникает

в результате «трения» вертикально восходящих и нисходящих потоков частиц воздуха в атмосфере.

Исследование динамического электричества начинается с открытий итальянцев

А. Вольта (1745—1827) и Л. Гальвани (1734—1787). Изобретение в 1800 г.

электрической батареи как иc-

точника постоянного электрического тока в результате химического и механического процессов вызвало огромную сенсацию: человечество приобрело способ производства электричества.

В 1791 г. профессор анатомии в Болонии Л. Гальвани опубликовал трактат «Об электрических силах в мускуле», в котором говорилось, что механизм передачи, взаимодействия в животных тканях имеет электрическую природу. Эта идея, основанная на эксперименте с лягушками, вызвала огромную сенсацию. Многие врачи стали рассматривать электричество как средство воскрешения из мертвых и восстановления функций организма: дыхания, сердцебиения, а некоторые пытались использовать электричество как средство оживления.

В 1809 г. Л. Окен, последователь немецкого философа Ф. Шеллинга (1775—

1854), опубликовал трехтомный труд «Учебник натуральной философии», в котором сформулировал 3738 истин-постулатов о происхождении жизни на основе гальванической полярности, т. е. электричества. Л. Окен развивал идею Ф. Шеллинга о природе как о развивающейся и самоорганизующейся системе, но не приводил доказательств в обоснование выдвинутых им постулатов. Исследования Ш. Кулона электрических и магнитных сил показали, что эти силы действуют в пустоте (вакууме) и убывают с увеличением расстояния между телами, как электрически заряженными, так и являющимися намагниченными. Это означало, что эти силы не нуждаются в физической среде для своего распространения и, следовательно, являются, как и силы тяготения, силами дальнодействия, убывающими с увеличением расстояния между взаимодействующими телами.

Аналогия между этими силами включала и существенные различия: сила тяготения, по Ньютону, зависела исключительно от массы взаимодействующих тел, в то же время электрическая сила, как показал Ш. Кулон, зависит от величины зарядов тел и их знаков (одноименно заряженные тела отталкиваются, заряженные противоположными знаками — притягиваются). Кроме этого, прохождение электричества через металлы приводит к их нагреванию, что не наблюдалось при намагничивании тел. Далее, при электрическом взаимодействии наблюдается явление электрического разряда типа молнии и свечения среды, при магнитном и гравитационном взаимодействии такое явление отсутствует. В 1820

г. шведский ученый X. Эрстед (1777—1851) на четырех страницах опубликовал наблюдаемое им явление. Он был уверен

в существовании всеобщей связи в мире и наблюдаемое им явление расценивал

как подтверждение этой идеи. Демонстрируя опыт о нагревании проводника,

через который проходит электричество, он случайно оставил около этого проводника компас. Наблюдательный студент обратил внимание на факт отклонения стрелки компаса от ее первоначального положения, когда по проводнику пропускалось электричество. X. Эрстед не смог дать объяснения этому факту. Но этот факт имел решающее значение в изучении связи электрических и магнитных сил. До этого было известно, что стрелки компаса изменяют свое положение на противоположное во время электрических разрядов

в атмосфере.

Во Французской академии A.M. Ампер (1775—1836) и его современник Д. Ф. Араго занимались этими проблемами. Первый пытался объяснить, почему движущиеся электрические заряды производят магнитные свойства, а неподвижные — нет. А. Ампер внес огромный вклад в развитие электродинамики,

но его слабое здоровье не позволило ему осуществить многие идеи в области не только электродинамики, но и науки в целом. Что касается Д. Ф. Араго, изучавшего явление отклонения магнитной стрелки при атмосферных процессах с электрическими разрядами, то он был близок к объяснению открытия X. Эрстеда,

но это удалось сделать лишь английскому физику М.Фарадею (1791 — 1867). Именно исследования М. Фарадея стали основой теории электромагнитного взаимодействия, созданной другим английским физиком Д. Максвеллом (1831 —

1879).

Понятие физического поля

М. Фарадей вошел в науку исключительно благодаря таланту и усердию в самообразовании. Выходец из бедной семьи, он работал в переплетной мастерской, где познакомился с трудами ученых, философов. Известный английский физик Г.Дэви (1778—1829), который способствовал вхождению М. Фарадея в научное сообщество, однажды сказал, что самым крупным его достижением в науке является «открытие» им М. Фарадея. М. Фарадей изобрел электродвигатель и электрогенератор, т. е. машины для производства электричества. Ему принадлежит идея о том, что электричество имеет единую физическую природу, т. е. независимо от того, каким образом оно получено: движением магнита или прохождением электрически заряженных частиц в проводнике. Для объяснения

взаимодействия между электрическими зарядами на расстоянии М. Фарадей ввел понятие физического поля. Физическое полеон представлял как свойство самого пространства вокруг электрически заряженного тела оказывать физическое воздействие на другое заряженное тело, помещенное в это пространство. С помощью металлических частиц он показал расположение и наличие сил, действующих в пространстве вокруг магнита (магнитных сил) и электрического заряженного тела (электрических). Свои идеи о физическом поле

М. Фарадей изложил в письме-завещании, которое было вскрыто лишь в 1938 г. в присутствии членов Лондонского Королевского общества. В этом письме было обнаружено, что М. Фарадей владел методикой изучения свойств поля и в его теории электромагнитные волны распространяются с конечной скоростью. Причины, по которым он изложил свои идеи о физическом поле в форме письма- завещания, возможно, следующие. Представители французской физической школы требовали от него теоретического доказательства связи электрических и магнитных сил. Кроме того, понятие физического поля, по М. Фарадею, означало, что распространение электрических и магнитных сил осуществляется непрерывным образом от одной точки поля к другой и, следовательно, эти силы имеют характер близкодействующих сил, а не дальнодействующих, как полагал Ш. Кулон. М. Фарадею принадлежит еще одна плодотворная идея. При изучении свойств электролитов он обнаружил, что электрический заряд частиц, образующих электричество, не является дробным. Эта идея была подтверждена

определением заряда электрона уже в конце XIX в.