Электричество. Лейденская банка

В 1676 г. астроном Жан Пикар, перенося ночью барометр, заметил, что время от времени “пустая” часть трубки начинает светиться. Этим явлением заинтересовался Иоганн Бернулли[17]. Он изготовил прибор, который светился подобно фосфору (трубка с “пустотой”). Электризацию стали получать, прикасаясь рукой к вращающемуся шару.

Англичанин Стивен Грей (1670-1735) фактически ввел понятия проводника и изолятора, если воспользоваться более поздними терминами, введенными в 1739 г. Дезагюлье. Грей открыл также явление электростатической индукции: ребенка, висевшего в воздухе, наэлектризовывали поднесением заряженной стеклянной палочки к его ногам. В 1733 г. Дюфе пришел к открытию двух видов электричества - стеклянного и смоляного. Рамсден изобрел электрофорную машину, в которой электризовался не шар, не цилиндр, а диск.

“Лейденская банка” была изобретена случайно немецким каноником фон Клейстом и лейденским физиком Мушенброком, независимо друг от друга, в опытах по электризации воды в 1745 г. В следующем году первоначальная бутылка с гвоздем была заменена банкой с обкладкой из фольги. Эти банки были соединены Франклином в Америке и Винклером в Германии в параллель, и были получены мощные батареи (Франклин).

Бенджамин Франклин (1706-1790) занялся исследованием электрических явлений почти случайно и через три года достиг замечательных успехов. Одним из первых поразивших его фактов было “...удивительное свойство остроконечных тел как притягивать, так и отталкивать электрический огонь”. Это наблюдение существовало и раньше, а в механизм он вникать не захотел. Им было обнаружено сходство между искрой и молнией. Жертвой подобного эксперимента стал академик из России Георг Вильгельм Рихман.

Теории электричества

В рассматриваемое время господствовал картезианский подход. Электрические свойства объясняли наличием некоего флюида, наделенного фантастическими свойствами. Избытком или недостатком флюида объяснял эти явления Франклин (в первом случае “плюс”, во втором - “минус”). Подобное объяснение применяется и в наши дни. Параллельно ходила версия о положительном и отрицательном электричестве (Беккариа и др.). Английское королевское общество вначале отвергло американца Франклина, его “письма”, а впоследствии, через 3 года присудило ему Коплеевскую медаль, а затем избрало своим членом. В трудах Б. Франклина был применен закон сохранения заряда.

Среди других исследователей электричества получил известность итальянец Беккариа, который выдвинул идею об электрическом сопротивлении и о связи электрических явлений с магнитными. В 1756 г. Франц Эпинус, немецкий и российский физик, получил конденсатор с воздушным зазором и тем самым доказал, что накопление электричества не связано с особыми свойствами стекла. Беккариа пошел дальше - исследовал различные материалы в качестве диэлектриков.

К этим исследованиям подключился и Генри Кавендиш (1731-1810), который, однако не издавал своих рукописей (это сделал впоследствии Максвелл, который основал и Кавендишскую лабораторию, известную кузницу кадров английских физиков и ученых из других стран).

С 1717 г. в Европе стал известен камень турмалин, минерал ромбоэдрической структуры, привозимый с Цейлона. Название ему дал Эпинус. Турмалин электризовался при нагреве. Рене Аюи обнаружил пьезоэлектричество (влияния давления) в турмалине.

Георг Христофор Лихтенберг (1744-1799), немецкий физик, художник, публицист, профессор Геттингенского университета и почетный академик Петербургской академии наук. Открыл фигуры поверхностного разряда, носящие его имя, ввел в употребление электростатический порошок, вплотную подошел к физическим основам электрографии (ксерокопирования). Известен как автор афоризмов, высоко ценимый И. Гете, Толстым Л.Н..

Наиболее ясные представления об электрической емкости, потенциале были выработаны у Алессандро Вольты(1745-1827). Он, например, предложил единицу измерения потенциала 13,35 В.

Кулон, Шарль Огюстен (1736-1806). Занимался кручением нитей и изобрел крутильные весы для измерения малых электрических и магнитных сил. Этот 48-летний военный инженер никогда специально не занимался электричеством и магнетизмом, и его открытие “закона Кулона” было побочным занятием. Поскольку электрические силы оказались того же типа, что и ньютоновские, можно было перенести многие представления механики в электростатику. Так, Эйлер ввел в электростатику понятие потенциала и нашел “уравнение Лапласа”. Пуассон(1781-1640) распространил математическое понятие потенциала на электрические и магнитные поля.

Алессандро Вольта исключил из электрической цепи лягушку Гальвани, которую тот считал источником животного электричества. Вольта показал, что причиной сокращений лапки лягушки был контакт разнородных металлов с влажной средой, а сама лапка играла роль высокочувствительного электрометра, сокращаясь под действием контактной разности потенциалов.

Девятнадцатый век

Оптика. Интерференция

Томас Юнг (1773-1829). Врач по профессии, человек разносторонних интересов, занимавшийся даже египтологией. Пришел к идее наложения световых потоков (интерференции). В основе этого открытия, возможно, лежали звуковые аналогии - биения (Юнг занимался исследованием человеческого голоса). Он обращается к наследию Ньютона - волны на воде. Получил дифракционную картину, оперируя с двумя отверстиями, освещенными Солнцем. Из этих опытов он определяет и длины световых волн: красных (0,7 мкм) и фиолетовых (0,42 мкм). Объяснил до мельчайших деталей цвета тонких пленок (на современном нам уровне)

Поляризация

Двойное лучепреломление на исландском шпате было открыто еще голландским физиком Христианом Гюйгенсом (1629-1695), автором волновой теории света (“Трактат о свете”, 1690 г.). На основе корпускулярной теории Ньютона Малюс (1775-1812) называет свет поляризованным, если его молекулы, “корпускулы” имеют определенную ориентацию. “Естественный” свет состоит из корпускул, ориентированых во всех направлениях. Это явление исследовали также Био и Араго во Франции и Брюстер в Англии. Доменик Франсуа Араго (1786-1853) установил поляризацию света от лунного серпа, комет, радуги, еще раз подтвердив тем самым, что все это - отраженный солнечный свет. Дэвид Брюстер установил, что отраженный луч полностью поляризован, а преломленный - имеет максимальную поляризацию в том случае, когда отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны (закон Брюстера).

Волновая теория Френеля

Век корпускулярной теории света длился недолго. Молодой дорожный инженер Огюстен Френель(1788-1827), оказавшийся не у дел, посвятил себя изучению дифракции, имея лишь примитивное оборудование. Во время проведения его опытов теория располагала тремя принципами: 1)элементарных волн, 2)огибающей и 3)интерференции. Френель решил объединить их.

Его работы критиковались Лапласом, Пуассоном и Био за математическую нестрогость. Однако, после перерыва в занятиях оптикой он все же решил представить их на конкурс Парижской академии наук в 1818 году.

Пуассон указал на противоречия расчетов Френеля со здравым смыслом: в центре геометрической тени непрозрачного диска при определенных его размерах, по представлениям Френеля, должно наблюдаться светлое пятно. Когда Френель экспериментально подтвердил, что “здравый смысл” ошибается, комиссия, в которую входили Пуассон, Лаплас, Араго, Био и Гей-Люссак присудила ему премию. Используя вместе с Араго интерференцию поляризованного света, Френель пришел к выводу о поперечных колебаниях эфира (аналогий в акустике не было). Отсюда следовало, что тонкая материя эфир должна быть и абсолютно упругой, ибо только в упругих телах наблюдали поперечные (механические) колебания. Араго отказался подписать совместную статью с таким выводом.

Скорость распространения света в среде зависит от длины волны, а при данной длине волны тем меньше, чем более преломляющей является среда. Из корпускулярной же теории следовало как раз обратное. В период с 1815 по 1823 годы благодаря Френелю было воздвигнуто здание волновой оптики. Его помогали строить молодые физики: Джордж Эйри, Джон Гершель, Франц Нейман.

Скорость света

Итак, корпускулярная теория приписывает свету большую скорость в более плотных средах, тогда как волновая - наоборот. Поскольку Араго не окончательно верил в волновую теорию, он предложил провести критический опыт, чтобы установить, какая из этих теорий справедлива.[18]

Физо (1819-1896). Принципиально опыт Физо был подобен опыту Галилея. Луч проходит в щель между зубцами колеса, вращающегося с большой скоростью. Отраженный луч идет ему навстречу. Базовое расстояние 8633 м. Вращением колеса добиваются, чтобы обратный луч попадал в следующую щель. Значение скорости света, полученное Физо, 313274304 м/с. Последующие проверки уточняли это значение вплоть до Андерсона (1941). Физо и Фуко сначала вместе, потом по отдельности пытались измерить скорость света в средах. Фуко выиграл соревнование в 1850 году с помощью установки, содержащей вращающееся зеркало. База установки составляла несколько метров.

В этом же направлении был важен опыт, поставленный впервые А. Майкельсоном в 1881 с целью измерения влияния движения Земли на скорость света. Отрицательный результат был одним из основных экспериментальных фактов, которые легли в основу теории относительности.

Измерения скорости света сыграли большую роль в физике, дополнительно утвердив волновую теорию света. Была установлена связь оптики с электромагнетизмом, поскольку скорость света совпала со скоростью электромагнитных волн, вычисленной из отношения электромагнитной и электростатической единиц электрического заряда. Это совпадение послужило одним из отправных пунктов при создании Максвеллом в 1864-1873 гг. электромагнитной теории света.

В современных измерениях скорости света используется модернизированный метод Физо (модуляционный метод) с заменой зубчатого колеса на электрооптический, дифракционный, интерференционный или какой-либо другой модулятор света, полностью прерывающий или ослабляющий световой пучок. С ещё меньшей погрешностью определяется скорость света как частное от деления независимо найденных длины волны и частоты атомарных или молекулярных спектральных линий. К. Ивенсон и его сотрудники в 1972 по цезиевому стандарту частоты нашли с точностью до 11-го знака частоту излучения СН₄-лазера, а по криптоновому стандарту частоты - его длину волны (около 3,39 мкм) и получили ± 0,8 м/с.

Генеральная ассамблеи Международного комитета по численным данным для науки и техники (CODATA, 1973) приняла скорость света равной с=299792458 1,2м/с. Наземные измерения систематически дают большее значение с, чем астрономические. Причина этого неизвестна.

Все проведенные измерения показали, что показатель преломления среды не равен точно отношению скоростей света в пустоте и в рассматриваемой среде, как того требует теория Френеля. Это расхождение объяснил в 1881 году Рэлей, который ввел понятие фазовой скорости, т. е. не наблюдаемой указанными методами скорости строго монохроматической волны, и “групповой скорости”, скорости гребня волны, получающейся в результате наложения большого числа монохроматических волн. В описанных опытах как раз и измеряется скорость групповая в диспергирующей среде, которая не совпадает с фазовой.

Поскольку физические теории никогда не бывают окончательными, блестящая теория Френеля просуществовала около 20 лет, после чего начались осложнения.

Эфир

Гипотеза упругих колебаний поставила вопрос о движении эфира. Астрономические опыты Араго показали, что движения эфира нет, т.е. вращение Земли не оказывает заметного влияния на результаты измерений. Этот результат оказался несовместимым с корпускулярной теорией, поэтому Араго обратился к Френелю с вопросом, совместим ли он с волновой теорией. Френель ответил положительно, если учитывать частичное увлечение эфира при вращении Земли вокруг своей оси.

Для световых волн имели значение акустические аналогии. Так, влияние движения источника звука было изучено Христианом Допплером (1803-1853), который показал, что приближение источника приводит к уменьшению периода колебаний, а удаление - к его увеличению (“красное” смещение в оптике).

В 1848 г. Физо предложил использовать этот эффект (эффект Допплера - Физо) для измерения радиальной составляющей скорости звезд по смещению их спектральных линий. Эффект Допплера тоже как будто подтверждал гипотезу Френеля о частичном увлечении эфира Землей.

Этой проблемой, как уже отмечалось, занимался и Майкельсон. В его установке луч разделялся на две взаимно перпендикулярных составляющих и затем вновь собирался. Если Земля движется относительно эфира (эфирный ветер), то должна была бы наблюдаться интерференционная картина. Но ее не было, следовательно, эфир полностью увлекается Землей. Однако явление аберрации света показало, что эфир неподвижен. Впоследствии это противоречие привело к созданию теории относительности.