Текст книги "Квинтэссенция. Книга первая"
Автор книги: Ирина Радунская
Соавторы: Ирина Радунская
Жанр:
Физика
сообщить о нарушении
Текущая страница: 10 (всего у книги 16 страниц)
Впрочем, зародыш этой трещины был порожден, как считается, случайным наблюдением профессора анатомии Болонского университета Л. Гальвани. В действительности, как пишет Гальвани, дело обстояло так: его помощник (имени которого он не называет), заметил, что препарированная лапка лягушки сокращается каждый раз, когда, одновременно с прикосновением к ее бедренному нерву, из электрической (электростатической) машины извлекается искра. Гальвани исследовал это явление с 1780 года почти до смерти (последнее сообщение опубликовано в 1797 году, а он умер 4 декабря 1798 года).
Уже первые исследования показали Гальвани, что сокращение возникает и при отсутствии внешних разрядов в момент соединения нерва с другой частью лапки при помощи металла, причем серебро действовало много сильнее, чем железо или медь, а применение двух соприкасающихся металлов давало еще больший эффект.
Гальвани так и не узнал ничего о причине этого явления, но его открытие привлекло всеобщее внимание.
Наибольшего успеха добился уроженец итальянского города Комо физик А. Вольта. Он первоначально считал, что «животного электричества» не существует, за исключением особого случая «электрических рыб» – скатов и некоторых других. Результаты опытов, описанные Гальвани, показались ему необычайными, поразительными, по-существу, фантастическими.
Но коллеги Вольта по Павийскому университету, зная его как тонкого экспериментатора, настояли на том, чтобы он повторил опыты Гальвани. Эксперименты начались 24 марта 1792 года. Скептицизм Вольта быстро рассеялся. Уже 3 апреля этого года он написал Гальвани: «Итак, вот я, наконец, обращен; с тех пор, как я стал сам очевидцем и наблюдал эти чудеса, я, пожалуй, перешел от недоверия к фанатизму».
Будучи опытным экспериментатором, Вольта быстро нашел центральный пункт в наблюдениях Гальвани: разнородные металлы действуют сильнее, чем однородные. Исследования показали ему, что в опытах Гальвани всегда присутствовали различные металлы. Или куски, изготовленные из однородного металла, но отличающиеся состоянием поверхности в местах, прикасающихся к животному препарату. Вольта четко показал, что металлы, прикасающиеся к телу животного, должны различаться. Если они одинаковы и их поверхности свежеобработаны, а по соседству не проскакивают искры – эффект не наблюдается.
Уже 14 мая Вольта в университетской лекции утверждает, что нервы и мышцы препарата являются лишь индикатором. Он показывает знаменитый опыт.
Положив на язык золотую или серебряную монету и касаясь ее и кончика языка оловянной или свинцовой пластинкой, он ощущает кисловатый привкус. Если поменять местами металлические предметы, кисловатый вкус переходит в «щелочной», то есть отдающий горечью.
В июне того же года Вольта пришел к решающему результату: «.. металлы не только прекрасные проводники, но и двигатели электричества…» Затем он пишет, что они «… сами вызывают нарушение равновесия тем, что извлекают этот флюид и выводят его …» Вместо «вызывают нарушение равновесия» мы теперь говорим «создают разность потенциалов».
В ходе полемики с Гальвани Вольта пришел к заключению о том, что нарушение равновесия электрических флюидов вызывает не только касание металлов, но и соприкосновение других проводников электричества, например, влажных предметов.
В результате многочисленных опытов Вольта «расставляет» металлы в ряд так, что наибольшее контактное напряжение возникает между металлами, более удаленными один от другого в этом ряду.
В 1796 году Вольта сумел обнаружить действие контактного электричества без помощи языка или препаратов Гальвани, а чисто физическими методами. После опытов с прибором, создающим электричество без всякого трения, путем бесконтактной электростатической индукции между вращающимися и неподвижными металлическими пластинами – Вольта останавливается на известном нам электроскопе с соприкасающимися легкими листочками, расходящимися под действием электрического заряда.
Теперь его опыты, наконец, дают объективные результаты. В конце 1799 года Вольта делает величайшее открытие. Если положить между парой разнородных металлов влажную ткань, то между металлами возникает «постоянное нарушение электрического равновесия».
Он накладывает много чередующихся металлических пластинок так, что каждая пара разделена влажной тканью, и обнаруживает сотрясение руки, как от лейденской банки. Но это устройство отличается от лейденской банки тем, что после каждого разряда самопроизвольно восстанавливает свой заряд. Это значит, что «прибор создает неуничтожаемый заряд, дает непрерывный импульс электрическому флюиду».
Вольта назвал новый прибор «электродвижущим аппаратом», а в последующей литературе он известен, как Вольтов столб. Столб потому, что Вольта клал чередующиеся пары металлов, разделенные влажной тканью, одну на другую, образуя из них вертикальную конструкцию.
Так человечество овладело источником постоянного электрического тока. И потомки вольтова столба – химические источники электрического тока с тех пор верно служат в переносных радиоприемниках и магнитофонах, в фонарях и во многих других полезных устройствах. Мы попросту называем их элементами или батарейками.
Практическое значение работы Вольта очевидно. Но еще важнее дорога, которую он, не сознавая ее значения, проложил, как взлетную полосу для радикального расширения наших знаний в области фундаментальных наук.
Речь идет о связи между электричеством и химией. Существование этой связи было известно и раньше. Но наблюдения, проводимые при помощи электрических разрядов, получаемых от лейденских банок и электростатических машин, давали очень незначительные эффекты, практически не поддававшиеся количественным измерениям.
Применение «электродвижущих аппаратов» значительно упрощало опыты и приводило к впечатляющим эффектам. Сам Вольта наблюдал таким образом разложение растворенных солей и окисление металлов. Затем английские ученые Э. Карлейль и У. Николсон при помощи «электродвижущего аппарата» разложили воду на водород и кислород.
Систематические исследования, проведенные английским химиком Х. Дэви, породили новую пограничную область науки – электрохимию.
Электрические батареи, потомки вольтова столба позволили наглядно продемонстрировать выделение тепла при прохождении электрического тока.
По-видимому, первым, сообщившим в 1802 году о новом источнике света, был француз Кюрте. В его опыте при замыкании батареи железным проводником, соприкасающимся с куском угля, появлялись искры, настолько яркие, что они освещали окружающие предметы.
В том же году русский академик В. В. Петров получил стабильную электрическую дугу и показал возможность использовать ее в течении длительного времени для освещения и для плавления металлов. Для этого он использовал построенную им большую «гальваническую» батарею, состоящую из 2100 медно-цинковых элементов.
Он показал, что источником напряжения в ней является химический процесс с участием металла и электролита. Электролитом служил раствор нашатыря, пропитывающего бумажные листки, разделявшие тонкие медные и цинковые диски.
Петров установил, что при увеличении сечения проводника, замыкающего батарею, сила тока возрастает. Он первым пришел к изоляции поверхности проводника. Исследовал при помощи постоянного тока явления электрического разряда в вакууме и обнаружил зависимость характера разряда от степени разрежения газа. Другие выдающиеся исследования и результаты Петрова выходят далеко за пределы этой книги.
В 1810 году Дэви повторил опыты Петрова, построив батарею из 2000 элементов и демонстрируя впечатляющие опыты с электрической дугой, которую долго называли Вольтовой дугой, в честь изобретателя гальванической батареи.
ПОВОРАЧИВАЮЩАЯ СИЛАТак, переходя из рук в руки, продвигался факел науки, разгораясь ярче с каждым шагом. Все укладывалось в рамки основополагающей идеи Ньютона: мир состоит из материальных тел, взаимодействующих между собой при помощи сил, направленных вдоль линий, соединяющих эти тела. Математика уточняет: в случае тел сложной формы силы направлены вдоль прямых, соединяющих центры тяжести этих тел.
Экспериментальные исследования сил, возникающих между ними, обладающими электрическими зарядами или магнитными свойствами, привели к тому же. Эти силы тоже действуют по линиям, направленным между зарядами. Математика и в этом случае приводит к формулам, аналогичным закону тяготения.
Есть, конечно, и различие. Силы тяготения всегда являются силами притяжения. Электрические и магнитные силы могут привести как к притяжению, так и к отталкиванию.
Подтвердилась и особенность магнитных сил: магнитные полюсы невозможно изолировать. Они всегда присутствуют попарно.
Эти факты обнаружены при помощи опытов. В духе Ньютона они поддаются математическому описанию. Все силы действуют вдоль прямых, соединяющих источники силы.
Идиллию разрушил датский физик, профессор Копенгагенского университета Х. Эрстед. Среди других проблем его интересовал вопрос о связи между электрическими и магнитными силами. Существование такой связи предполагали самые первые исследователи электрических и магнитных взаимодействий.
Были и сомневающиеся. Кардан и Гильберт настойчиво искали доказательств того, что подобная связь отсутствует. Они не смогли найти этих доказательств. Напротив, Франклин сумел обнаружить, что железные предметы намагничиваются, если они расположены вблизи проводника, через который проходит электрический заряд от лейденской банки.
21 июня 1820 года Эрстед на четырех страницах описал простой опыт. Электрический ток, протекающий по прямому проводу, идущему вдоль меридиана, отклоняет магнитную стрелку, расположенную вблизи этого проводника, от ее обычного положения, от направления север-юг.
Так впервые была обнаружена новая сила, отличная от известных Ньютону, Кулону и всем остальным ученым того времени. Она действовала не вдоль линий, соединяющих взаимодействующие тела. Она поворачивала магнитную стрелку! Это была «поворачивающая сила».
Статья Эрстеда написана на языке научного общения того времени, на латыни. Но уже существовали и научные журналы на живых языках.
Переводы для них выполняли ученики. Открытие Эрстеда столь сильно отличалось от системы научных взглядов того времени, что переводчики, будучи не уверенными в том, что они правильно понимают Эрстеда, давая буквальный перевод, приводили и оригинальный латинский текст фраз автора, относящихся к «поворачивающей силе».
Удивление и интерес ученых, экспериментаторов и теоретиков быстро распространился и среди людей, далеких от науки. Все хотели увидеть действие таинственной силы, поворачивающей магнитную стрелку.
В том же году знакомый уже нам французский физик Араго обнаружил, что проводник, по которому проходит электрический ток, «облепливается железными опилками так, как если бы это был магнит». Он заключил, что электрический ток вызывает магнетизм в железе, не подвергавшемся предварительному намагничиванию.
В том же 1820 году в это детективное расследование включились французские ученые Ж. Б. Био и Ф. Савар. Био был физиком, а Савар – военным хирургом. Они начали измерения величины силы, с которой электрический ток действует на магнитную стрелку.
Они воспользовались разработанным Кулоном методом колебаний крутильного маятника. Основой их установки был вертикальный проводник и расположенная вблизи него магнитная стрелка. При включении электрического тока магнитная стрелка начинала колебаться. Они изменяли расстояние центра стрелки от проводника. Оказалось, что сила, действующая на стрелку, зависит от расстояния иначе, чем в законах Ньютона и Кулона. Величина силы уменьшалась обратно пропорционально величине расстояния, а не квадрату расстояния. Это казалось странным и непонятным ученым, привыкшим к тому, что сила взаимного притяжения двух тел и сила взаимодействия электрических зарядов во всех случаях была обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.
Необычная зависимость силы от расстояния заинтересовала знаменитого французского астронома, физика и математика П. С. Лапласа. Он был большим авторитетом в мире науки и его заинтересованность сама по себе говорила о важности проблемы. Обсуждая результат Био и Савара он показал, что странный вид зависимости силы от расстояния объясняется тем, что на магнитную стрелку действует длинный провод. Если мысленно разделить провод на короткие участки и вычислять зависимость силы, действующей на стрелку, от каждого участка, то в формулу войдет обратная пропорциональность квадрата расстояния этого участка от стрелки.
Вспомним, что в математическую формулу закона тяготения и закона Кулона входит квадрат расстояния только потому, что они записаны для точечных масс и зарядов. Они сохраняют свой простой вид только для тел сферической формы и только, если расстояния измеряются между центрами этих сфер. Для тел иной формы формулы усложняются. По-видимому Лаплас был первым, обратившим внимание на это обстоятельство.
Так началось широкое наступление на тайну, связывающую электричество с магнетизмом.
Целый ряд важнейших результатов в этой области получил многосторонний французский ученый, прежде всего физик и математик, А. М. Ампер. 18 сентября 1820 года он сообщил Парижской академии наук об открытом им взаимодействии двух проводников, по которым проходят электрические токи. Согласные токи, то есть токи, текущие в двух проводниках в одинаковом направлении, взаимно притягиваются. Встречные токи вызывают взаимное отталкивание проводников.
Сохранилось предание о том, что после доклада Ампера один из присутствующих заметил: но что же нового в том, что вы нам рассказали? Мы знаем, что два проводника с током влияют на магнитную стрелку, ясно, что они должны действовать и друг на друга!
Ампер не знал, что возразить. Тогда вмешался Араго. Он вынул из кармана два ключа и сказал: «Каждый из них влияет на магнитную стрелку, но они не действуют друг на друга».
Реакция Лапласа была иной. После доклада Ампера, сопровождавшего демонстрацией, Лаплас спросил ассистента, показывавшего опыт: «А не вы ли, молодой человек, подталкивали провод?»
Оригинальность хода мыслей Ампера привела его к великому открытию. Мы уже упоминали об опыте Араго, обнаружившего притяжение железных опилок к проводнику, сквозь который проходит электрический ток. Все объяснили это тем, что электрический ток превращает проводник в магнит. Притяжение «согласных токов» видимым образом противоречит этому мнению.
Гений Ампера подсказал ему противоположное решение: не проводник становится магнитом, а магнит представляет собой совокупность круговых токов. Если это справедливо, то множество круговых токов, заполняющих прямой магнит, взаимодействуют между собой так, что все токи становятся параллельными, а их плоскости – перпендикулярными оси магнита. Ампер имел в виду кольцевые токи, протекающие по окружности малого размера, не уточняя их физическую природу.
Но он представил себе и макроскопическую модель этой совокупности. И реализовал такую модель. Он намотал спираль из металлической проволоки. Длина спирали была много больше, чем диаметр ее витков.
Ампер предполагал, что при прохождении электрического тока по виткам спирали она приобретет свойства магнита. Опыт блестяще подтвердил его рассуждения.
Затем он убедился в том, что одиночный виток проволоки ведет себя, как железная пластинка, намагниченная поперек ее плоскости.
Ампер стремился к краткости. Поэтому он создал много терминов, способных заменить многократное повторение длинных описаний. Таковы электростатика – взаимодействие неподвижных зарядов, электродинамика – взаимодействие движущихся зарядов или токов, соленоид – спираль из проволоки, магнитостатика – взаимодействие неподвижных магнитов, электромагнитное взаимодействие – взаимодействие токов и магнитов, и другие термины, применяемые и в наши дни.
Написав формулу взаимодействия элементарных токов, Ампер вывел из нее закон Био и Савара, а также закон Кулона для статического взаимодействия двух магнитов, рассматриваемых как две системы токов. Таким путем он смог объяснить «поворачивающую силу» Эрстеда, сведя ее к взаимодействию элементарных витков – магнитиков, направленному вдоль соединяющей их прямой.
Так Амперу удалось возродить механическую концепцию, поколебленную опытом Эрстеда. Но, как мы скоро увидим, трещина была скрыта только на поверхности, но продолжала существовать. Она вскрылась вновь спустя несколько десятилетий.
УРОЖАЙНЫЕ ГОДЫ. ТРАГЕДИЯ МАЙЕРАСобытия, описанные в предыдущем разделе, возникли взрывообразно в течение 1820–1821 годов главным образом благодаря трудам Эрстеда и Ампера.
Последующие годы тоже были урожайными. Еще в 1821 году немецкий физик Т. Зеебек исследовал влияние нагревания на прохождение электрического тока через проводники. Случай и наблюдательность привели его к открытию. Он припаял кусок висмута к концам медной спирали так, что образовался замкнутый проводник. Если один из спаев был теплее другого, то магнитная стрелка, помещенная вблизи конца спирали, отклонялась, как если бы спираль превращалась в магнит.
Зеебек понял, что это указывает на прохождение по спирали электрического тока, который шел через холодный спай от меди к висмуту, а через теплый спай от висмута к меди. Ток тек непрерывно в течение всего времени, пока сохранялась разница между температурами обоих спаев. Это был новый «вечный» источник электрического тока.
Эрстед в 1823 году назвал этот ток термоэлектрическим током. В этом же году Эрстед и французский математик и физик Ж. Фурье независимо установил, что термоэлектрический ток обладает свойством суперпозиции. Это значит, что напряжения, возникающие при последовательном соединении двух спаев разнородных металлов, складываются, если оба «левых» и оба «правых» спая имеют одинаковую температуру, но температуры «левых» спаев отличаются от температуры «правых». Так, наращивая спаи один за другим, и в наши дни создают термоэлектрические батареи, преобразующие тепловую энергию в электрическую. Одиночные термопары позволяют точно и надежно измерять разность температур между двумя спаями разнородных металлов.
В 1824 году Араго обратил внимание на то, что стрелка компаса, заключенная в медный корпус, движется медленнее, чем в корпусе, изготовленном из изолирующего материала. Иначе, чем наитием не назовешь его решение поместить над стрелкой компаса медный диск. Диск мог вращаться вокруг оси, являющейся продолжением оси, на которой укреплена стрелка. Произошло чудо – при вращении диска стрелка отклонилась! Изменение направления вращения диска заставило стрелку отклониться в противоположную сторону…
Не кажется ли тебе, читатель, что ученые подобны детям, складывающим из отдельных кубиков картинку? Но в отличие от детской игры у ученых нет этой картинки! Они – наоборот – перебирают кубики до тех пор, пока у них не складывается картинка, отражающая истинные контуры окружающего мира. У них нет достоверного образца, к истине их ведет интуиция, жажда найти ответ на поставленный вопрос, любознательность и знания!
Итак, продолжим повествование.
Причина, связывающая отклонение стрелки с вращением диска, представлялась весьма таинственной. Гипотезы, придуманные для объяснения опыта Араго, не выдерживали критики. К этой тайне мы еще возвратимся.
Француз Ж. Пельтье, бывший до тридцати лет часовщиком, а потом увлекшийся физикой, в 1835 году задумался над вопросом: как распределяется температура при прохождении электрического тока через границу двух металлов? Оказалось, что в местах спаев температура резко изменяется.
К его удивлению один и тот же спай изменял свою температуру в зависимости от направления тока.
Если спай при одном направлении тока нагревался сильнее, чем соседние участки металлов, то при изменении направления тока спай охлаждался. Наибольший эффект наблюдался для спаев висмута с сурьмой.
Многие физики усомнились в открытии Пельтье. Ведь результат противоречил твердо установленному факту нагревания проводников при прохождении электрического тока. Может быть такое отношение было связано с тем, что Пельтье был в физике самоучкой?
Лишь через четыре года немецкий физик Погендорф бесспорно подтвердил правоту Пельтье. Его путь в науку тоже был долгим. В течении восьми лет он был аптекарем, лишь в двадцать четыре года поступил в университет и, будучи студентом первого курса, изобрел гальванометр – измеритель слабых токов, успешно доживший до наших дней. Через пять лет он изобрел «зеркальную шкалу», узкую зеркальную дугу, помещаемую под стрелку измерительного прибора, под его шкалу и помогающую наблюдать стрелку без параллакса. При этом нужно «держать» глаз всегда строго над стрелкой.
Сейчас широко распространены терморегуляторы, основанные на эффекте Пельтье. Изменяя силу и направление тока, с их помощью добиваются выделения или поглощения тепла или поддержания температуры на заданном уровне. Они с успехом работают в качестве охладителей или терморегуляторов электронной техники, в медицине и в некоторых бытовых приборах.
Наряду с открытием неожиданных эффектов, связанных с прохождением электрического тока через проводники, в течение долгого времени оставались неясными законы и «механизмы», приводящие к нагреванию обычных проводников, лишенных спаев.
Лишь в 1841 году англичанин Д. П. Джоуль, бывший пивовар, начал экспериментировать, основываясь на представлении о течении электрического флюида и предполагая, что теплота выделяется при соударении частиц флюида с частицами проводника. Он писал: «… я подумал, что действие тока должно изменяться при изменении силы электрического тока, как квадрат силы тока. Ясно, что в таком случае сопротивление должно изменяться в двойном отношении: из-за увеличения количества проходящего электричества в данный промежуток времени, а также из-за увеличения самой его скорости».
Сколь ни наивным кажется нам это рассуждение, эксперимент подтвердил ожидания Джоуля. Открытый им закон, наряду с проведенными исследованиями процесса выделения тепла за счет механической работы, легли в основу фундаментального закона сохранения энергии.
Этот важнейший физический закон впервые сформулирован немецким врачом Ю. Р. Майером. Непонимание современников оказалось причиной того, что судьба Майера была трагичной.
Участвуя в качестве корабельного врача в плавании на остров Яву, Майер заметил, что цвет венозной крови человека в тропиках значительно светлее, чем в северных широтах. Он понял, что существует связь между реакцией окисления питательных веществ в организме человека и выделением тепла. Он предположил, что теплота и механическая работа, на которую расходуется окисляемая пища, способны к взаимному превращению. Майер в 1845 году впервые установил закон сохранения энергии и вычислил механический эквивалент теплоты.
Выдающееся открытие не получило признания. Брошюра с изложением его исследований, изданная им на собственные средства, осталась почти неизвестной. Первооткрывателем закона стали называть Джоуля.
Попытки Майера защитить свой приоритет привели к недобросовестным нападкам на него, перешедшими в настоящую травлю. Это привело его в сумасшедший дом и к преждевременной смерти.
