Текст книги "Квинтэссенция. Книга первая"

Автор книги: Ирина Радунская

Соавторы: Ирина Радунская
сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 16 страниц)

Глава 4. ПРОЩАНИЕ С ФЛЮИДАМИ

РОЖДЕНИЕ ФЛЮИДОВ

Эллины знали о существовании силы, таящейся в глубинах янтаря. Она вырывалась наружу, когда янтарь натирали сухой суконкой. Эта сила притягивала пушинки и другие легкие сухие предметы. Янтарь – по-гречески – электрон. Так возникло название: электрическая сила. Знали греки и о способности магнитной руды притягивать железо. Но более десяти веков эти загадки не выдавали свой секрет! Никто не пошел дальше. Ни в объяснении, ни в применении этих странных явлений.

Пришло время – неизвестный гений построил компас.

Никто не знает имени изобретателя компаса. Однако в начале второго тысячелетия нашей эры его уже применяли моряки, плававшие по Средиземному морю.

Первое неизвестное древним свойство магнита было описано в 1558 году в трактате итальянца П. Перегрино. Он утверждал, что, сломав магнит на две части, нельзя получить по отдельности его северный и южный полюсы. В месте излома неизбежно возникают дополнительные полюсы, превращающие каждую часть в полноценный магнит, имеющий на концах противоположные полюсы. Перегрино не приписывает себе это поразительное открытие, но и не указывает первооткрывателя.

Англичанин У. Гильберт приобрел известность своим главным трудом «О магните, магнитных телах и большом магните – Земле». Книга вышла в 1600 году за три года до смерти автора. В книге, среди прочего, сказано, что железная проволока после ковки и вытяжки намагничивается, если она при этом натянута в направлении север-юг. Гильберт пытался объяснить почему так происходит, но не смог достичь понимания. Он склонился к мнению древнегреческого философа Фалеса о том, что магнит имеет душу.

Во второй части книги «О магните …» Гильберт сообщает, что электрическая сила может возникать не только у янтаря, но у многих кристаллов, стекла, серы, сургуча, каменной соли, квасцов и других веществ. Он назвал их электрическими телами.

Гильберт отмечает важный факт: влажные тела трудно поддаются электризации трением, но влажность не влияет на действие магнитов. Как и в случае магнетизма Гильберт не преуспел в понимании природы электричества.

Первую попытку объяснить возникновение магнетизма сделал итальянец Гримальди, известный нам исследованиями оптических явлений. В своем трактате «О свете» он уделил некоторые страницы магнитам, он объясняет их свойства присутствием в них магнитной жидкости. В не намагниченном теле эта жидкость является неупорядоченной. Магнит ее упорядочивает и придает телу, содержащему такую жидкость, магнитные свойства. Так родился первый флюид.

Лишь в 1883 году была напечатана заметка Б. Кастелли, предшественника Гильберта. Он изучал свойства магнитов при помощи железных опилок (как это и сейчас делают в школах). Их насыпают на лист бумаги, под которым лежит магнит.

Эти опыты позволили ему предположить, что существуют «магнитные тела первого рода» – в них, как он считал, рассеяны крошечные магнитные частицы, способные ориентироваться под действием внешнего магнита. Все они или их часть сохраняют ориентацию и после удаления этого магнита.

Кроме того, существуют «магнитные тела второго рода». Их магнитные частицы тоже ориентируются при приближении внешнего магнита. Однако они возвращаются в хаотическое состояние при его удалении и теряют свои магнитные свойства, временно сообщенные им внешним магнитом.

Так бывает в науке: близкая к истине идея веками остается неизвестной и возникает вновь после длительного признания ложной идеи – в данном случае теории магнитной жидкости.

Так, медленно, просыпаясь от многовековой спячки, наука начала движение вперед. Это происходило в области изучения электричества и магнетизма, в оптике и механике. Открытия в разных областях исследований дополняли и обогащали друг друга.

Основным, новым на этом пути, был переход от наблюдения явлений природы к специально поставленным опытам. Прежним остался подход к осмысливанию результатов опытов. Он опирался на гипотезы и приводил к новым гипотезам, к постепенному усложнению цепи гипотез. К невозможности установления связей между различными опытами.

После работ Гильберта в 18 веке заслуживают внимания лишь несколько открытий.

С. Грей обнаружил, что электрический заряд сосредотачивается только на внешних поверхностях наэлектризованных тел. Затем Ш. Дюфе установил, что существует два различных сорта электричества. На фоне прежних наблюдений это было важным открытием. Некоторое время в ходу были данные им названия: «стеклянное» и «смоляное» электричество. Так в науку вошли два электрических флюида.

До сих пор мы знаем то, что предметы и частицы материи могут обладать отрицательными или положительными электрическими зарядами или же не иметь их, то есть быть электрически нейтральными. Знаем, что равные и противоположные электрические заряды взаимно нейтрализуются. Нам известно, что полный электрический заряд Вселенной равен нулю. Вопрос – почему это так? – пока остается без ответа. Он ждет нас впереди и в этой книге, и в жизни. Не исключено, что понимание этой загадки перевернет наши сегодняшние представления об окружающем мире, о силах, властвующих во Вселенной. В начале XX века тоже царило благодушие, считалось, что все самое важное, известно людям …А ведь самое важное только начиналось – Эйнштейн с его теорией относительности, молодые бунтари с их квантовой наукой о глубинах материи …

В сороковых годах 18 века русский физик Г. Рихман начал исследования электричества. В 1745 году он создал первый электрический измерительный прибор, снабдив шкалой электроскоп. Главной частью его прибора была тонкая льняная нить, прикрепленная верхним концом к металлической пластине. Под влиянием электрического заряда нить отклонялась от этой пластины. Наблюдая ее отклонение при помощи шкалы можно было судить о величине электрического заряда, сообщенного прибору. Существовавшие до того электроскопы, снабженные двумя тонкими и легкими металлическими полосками, скрепленными своими верхними концами, не имели шкалы и позволяли лишь судить о присутствии электрического заряда.

Во время лабораторных опытов с электризацией предметов, Рихман открыл электрическую индукцию – бесконтактное наведение электрического заряда при приближении к незаряженному предмету другого предмета, несущего электрический заряд. Не ограничиваясь лабораторными опытами, Рихман начал исследовать атмосферное электричество.

Он передавал по проволоке в свою лабораторию электрические заряды, возникавшие при прохождении грозовых облаков над железным стержнем, укрепленным снаружи.

Однажды его установка была поражена прямым разрядом молнии. Это случилось шестого июля 1753 года. Рихман погиб.

Смертельный эксперимент Рихмана вошел в историю науки, но его прибор – электроскоп – на долгое время был предан забвению.

Незадолго до того, в 1746 году к аналогичным опытам независимо приступил американский ученый и общественный деятель Б. Франклин. В письмах к своему другу П. Коллинсону Франклин сообщал о проводимых им опытах с электричеством. В одном из писем он поведал о намерении установить на башне или колокольне железный шест с острием, чтобы наблюдать, можно ли извлечь из него искры при прохождении над ним грозовых облаков.

Коллинсон был членом Лондонского королевского общества и пытался опубликовать письма Франклина в трудах общества. Но письма были отвергнуты, как недостойные публикации, а весь проект назвали фантастическим.

Получив отказ, Коллинсон опубликовал письма Франклина за свой счет. Успех оказался огромным. Письма были переведены на французский язык. Поощряемые королем, три французских ученых Бюффон, Фалибар и Делор провели опыт, предложенный Франклином. 10 мая 1752 года безвестный солдат, поставленный для охраны шеста, заметил искру, возникшую во время прохождения грозового облака.

Многие ученые повторяли этот опыт.

Франклин запустил змей с железным острием и отметил перетекание электричества по влажной веревке. Потом он начал систематические наблюдения, установив над своим домом высокий железный шест. Он предложил применять такие шесты для защиты от молнии, соединяя шест при помощи проволоки с железным листом, закопанным в землю.

Через три года после того, как Королевское общество сочло письма Франклина недостойными публикации, оно наградило его медалью, а в 1756 году избрало своим членом.

К тому времени было сделано несколько попыток объяснения электрических явлений. Они так или иначе сводились к воззрениям, опирающимся на флюиды. Это были невесомые жидкости, каждой из которых приписывали особенности, характеризующие явления, подлежащие объяснению. Правдоподобие зависело от остроумия и эрудиции автора. По прежнему считалось, что существуют два флюида – стеклянный и смоляной. Порции одноименного флюида взаимно отталкиваются. Порции различных флюидов – притягиваются. Натирание извлекало их из тел. Они могли перетекать по проводникам.

Особняком стоят наблюдения Ф. Эпинуса, члена Петербургской академии наук. Он обнаружил странную способность кристаллов турмалина электризоваться без трения. При нагревании такого кристалла его концы заряжались противоположными электрическими флюидами. Это вызвало жаркую полемику, положившую начало учению о пироэлектричестве (от греческого «пир» – огонь).

Эпинус обнаружил также, что приближение наэлектризованной стеклянной палочки к концу изолированной бронзовой линейки вызывает появление на ее концах противоположных электрических зарядов. Причем на ее ближнем конце возникает заряд, противоположный заряду палочки. При удалении наэлектризованной палочки заряды на концах линейки исчезают.

До этого считалось, что поднесение заряженного тела к другому – незаряженному – приводит к перетеканию на последний электрического флюида (или электрической атмосферы), вызывая одновременную электризацию.

Эпинус показал, что этим дело не ограничивается. Процесс более сложен. Возможна электризация на расстоянии. Это было веским доводом в пользу гипотезы о существовании двух разноименных флюидов.

Эпинус пытался разработать математическую теорию электрических и магнитных явлений. Он исходил из представления о двух электрических и двух магнитных флюидах. Эпинус изложил свои результаты в 1759 году в трактате «Опыт теории электричества и магнетизма». Здесь он высказал мысль о том, что электрические и магнитные силы, подобно силам тяготения изменяются обратно пропорционально квадрату расстояния.

Новые силы Природы – электрические и магнитные – властно завоевывали умы исследователей, заставляя их ломать головы над решением увлекательнейшей проблемы.

НОВЫЙ ПУТЬ. ОТ НАБЛЮДЕНИЙ К ИЗМЕРЕНИЯМ

Первого успеха на новом пути исследования электрических и магнитных явлений достиг француз Ш. О. Кулон. Он был военный инженер, увлекшийся физикой. Он перешел от наблюдений к измерениям. Есть некоторое сходство между ним и Ньютоном. Их главные достижения основаны на исследованиях, лежащих за пределами работ современников.

Для Ньютона такой, пролагающей новые пути, областью явилась математика, в которой он совершил величайший рывок. Он сделал своим основным исследовательским оружием эксперимент и математическую обработку результатов эксперимента. Таким путем он создал механику – науку о силах и вызываемых ими движениях.

Для Кулона основой послужили блестящие, но лежащие в стороне от общих интересов, исследования кручения упругих нитей. Он закончил их в 1784 году, установив, что сила, необходимая для закручивания нити, зависит не только от свойств ее материала. Упругая нить, писал он, может служить основой для точного измерения силы потому, что сила, требуемая для ее закручивания, пропорциональна углу закручивания и вполне определенно зависит от размеров нити. Сила закручивания пропорциональна четвертой степени диаметра нити и обратно пропорциональна ее длине. Кулон воспользовался полученным результатом для создания нового измерительного прибора. Прибор состоял из легкого коромысла, прикрепленного за середину к тонкой нити, и шкалы для измерения угла поворота коромысла.

Самым точным прибором для измерения силы в то время были весы, поэтому Кулон назвал свой новый прибор, основанный на изучении кручения нити – крутильными весами. Название сохранилось до наших дней и навсегда останется в науке, ибо крутильные весы становятся все чувствительнее и точнее, и не уступают в этом большинству приборов.

Кулон начал применять крутильные весы для измерения трения между твердыми телами и жидкостями и установил закон, связывающий величину трения с вязкостью жидкости и со скоростью движения тела в жидкости.

Затем он применил крутильные весы для измерения малых электрических и магнитных сил. Это было первым шагом, превращавшим исследование электрических и магнитных сил в количественную науку, полностью соответствующую Ньютоновскому пониманию задач науки.

Так изобретения, сделанные в области механики, послужили фундаментом для развития знаний в области электромагнитных явлений.

Кулон начал с того, что закрепил на одном конце сделанного из шеллака легкого коромысла своих крутильных весов маленький, изготовленный из бузины и позолоченный шарик. Затем уравновесил его листком слюды, помещенным на другом конце коромысла. Листок одновременно служил для успокоения колебаний коромысла, тормозясь о воздух.

Кулон заряжал бузиновый шарик наэлектризованной стеклянной палочкой, ждал успокоения колебаний коромысла и отмечал по шкале положение его равновесия. Сделав это, он подносил на некоторое расстояние к бузиновому шарику другой шарик, заряженный одноименным электричеством. Затем приближал его вдоль линии, перпендикулярной к коромыслу, изменяя направление перемещения по мере поворота коромысла так, чтобы подносимый шарик двигался по дуге окружности.

По мере продвижения заряженного шарика электрические силы отталкивали бузиновый шарик, вызывая поворот коромысла. Дождавшись успокоения колебаний коромысла, он измерял расстояние между шариками и угол поворота коромысла. Тщательные измерения и простые вычисления показали, что сила отталкивания пропорциональна произведению электрических зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между центрами шариков.

Математическое выражение закона отталкивания одноименных электрических зарядов совпало по форме с законом тяготения. Кулон предполагал это. Ведь он был идейным наследником Ньютона. Но теперь гипотеза трансформировалась в опытный факт!

Труднее было с установлением закона притяжения разноименных зарядов. Как следовало ожидать, сила притяжения возрастала по мере сближения разноименных зарядов и иногда приводила к их соприкосновению.

Кулону все же удалось несколько раз уравновесить упругую силу подвеса крутильных весов и силу притяжения зарядов. Но положение равновесия было неустойчивым и расстояние быстро начинало изменяться в ту или другую сторону – действие электрического заряда и упругость нити подвеса конкурировали между собой.

Тогда Кулона осенила блестящая идея. Он придумал для измерения малых притягивающих сил способ, известный как «метод колебаний». Теперь не нужно стремиться к достижению равновесия. Кулон начал применять свои крутильные весы в качестве крутильного маятника и измерять зависимость периода его колебаний от действия силы, порождаемой близким заряженным шариком.

Здесь Кулон следовал Галилею. Галилей пренебрегал второстепенным. И Кулон понимал, что силу тяжести можно не учитывать. Ведь она направлена вдоль нити и уравновешена ее упругостью. Но сила упругости нити и инертная масса коромысла, взаимодействуя между собой, образуют колебательную систему – крутильный маятник. Для того, чтобы применять его для измерения внешних сил нужно, чтобы сила упругости нити была меньше измеряемой силы. Достаточно тонкие и длинные нити позволяют выполнить это условие.

Нужно еще, чтобы измеряемая сила была связана с периодом маятника по возможности простой зависимостью.

Галилей ограничивал свои опыты условием: величина колебаний маятника должна быть достаточно малой. В этом случае Галилей мог заменить синус угла отклонения в выражении периода колебаний маятника самим углом. Это же сделал Кулон. Он проводил опыты с малыми зарядами, когда силы их взаимного притяжения малы.

Выбирая заряды Кулон, по существу, добивался не малости зарядов, а малости вызываемых ими отклонений крутильного маятника.

Проверив выполнение своих требований, он слегка отклонял коромысло и наблюдал, как оно колеблется при отсутствии наэлектризованной палочки и при приближении на определенное расстояние заряженного шарика, находящегося на ее конце. Измерив период колебаний коромысла он вычислил его зависимость от величины зарядов и расстояния между ними и снова пришел к ожидаемому результату: сила взаимодействия разноименных зарядов пропорциональна произведению их величин и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Затем Кулон взялся за исследование магнитных сил. Мы знаем, что было известно Кулону: при намагничивании выявляют свое присутствие две магнитные жидкости. Они разбегаются к противоположным концам намагничиваемого стержня, образуя его противоположные полюсы.

Некоторые намагниченные предметы быстро лишаются магнитных свойств. Это происходит потому, что при удалении внешнего магнита их магнитные жидкости вновь перемешиваются и их магнетизм взаимно гасится. Другие намагниченные предметы остаются магнитами и после того, как вызвавший их намагничивание внешний магнит удален. Какая-то внутренняя сила неизвестной природы препятствует в них смешиванию разделенных магнитных флюидов. Мы сейчас называем силу, удерживающую намагниченный предмет в намагниченном состоянии, коэрцитивной силой.

Кулон знал, что силы взаимодействия полюсов магнитов подобны силам взаимодействия электрических зарядов: для одноименных магнитных полюсов это силы отталкивания, для разноименных – силы притяжения. Он предполагал, что математическая форма зависимости этих сил от величины «магнитных зарядов» и от расстояния между ними такая же как у электрических зарядов.

Это следовало проверить опытом. Путем измерения величины силы при помощи крутильных весов.

Возникало, однако, затруднение. Его можно было предвидеть. Ведь магнитные полюсы невозможно изолировать. Мы знаем, что об этом, как об известном, писал еще в 16-ом веке Перегрино. Сломав магнит, ты получишь два меньших магнита, каждый с обоими полюсами.

Естественно, что при приближении одного магнита к другому они одновременно будут испытывать отталкивание одноименных полюсов и притяжение разноименных.

Можно ли предвидеть результат?

Конечно. Если оба магнита подвешены на длинных тонких нитях, образующих крутильные весы, эти магниты прежде всего начнут поворачиваться. Как? Так, чтобы пары разноименных полюсов, которые в первый момент ближе между собой, повернулись друг к другу. После этого магниты сблизятся и соприкоснутся этими противоположными полюсами, если нити укреплены достаточно близко одна от другой.

Произойдет маленькое чудо. Вместо двух отдельных магнитов возникнет один с двумя разноименными полюсами на концах. В месте соприкосновения невозможно обнаружить два разноименных полюса. Они исчезнут. Их невозможно обнаружить и при помощи третьего вспомогательного магнита.

Подумаем, как Кулон вышел из этого затруднения.

Попытки установить величину силы магнитного взаимодействия расчетным путем приводили к огромным трудностям. Ведь истинное распределение магнитных флюидов внутри магнитов неизвестно.

Кулон проявил здесь остроумие экспериментатора, достойное Галилея. Он изготовил пару тонких длинных магнитов с шариками на концах и представил их себе, как магнитную гантель – аналогичную гимнастическому прибору: паре шаров, соединенных тонкой перекладиной. Он предположил, что магнитные флюиды, подобно разноименным магнитным зарядам, полностью сосредоточены в центрах шаров.

Теперь остается следовать указанию Галилея: оставить главное и пренебречь второстепенным.

Нужно представить, что две гантели сближены разноименными полюсами, но не до соприкосновения. Тогда взаимодействие между этими полюсами будет велико. Они будут сильно притягивать друг друга. Взаимодействием внешних более удаленных полюсов можно пренебречь. (Или вычислить поправки, вызванные их взаимодействием. Математикам удается провести такие вычисления.)

Если гантели сближены одноименными полюсами, они будут взаимно отталкиваться. И в этом случае главную роль играют силы отталкивания, действующие между близкими полюсами.

Дальше, как говорят, дело техники.

Кулон укрепил тонкий длинный магнит в качестве коромысла крутильных весов. И провел измерения зависимости сил магнитного взаимодействия, поднося второй длинный магнит так, чтобы их оси совпадали, но полюсы не соприкасались. Для этого нужно, чтобы второй магнит был ориентирован соосно с первым и перемещался вдоль их общей оси. Теперь нужно осторожно повернуть магнит, висящий на подвесе, и измерить период его колебаний, а также зависимость этого периода от расстояния между сближенными полюсами.

Вычисления, проведенные на основе многочисленных измерений, показали, что силы взаимодействия магнитных полюсов подчиняются тому же закону, которому следуют силы взаимодействия электрических зарядов.

Если связать с магнитными полюсами соответствующие «магнитные заряды», то в обоих случаях силы пропорциональны произведениям величины зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются.

Как и предполагал Кулон, силы, действующие между электрическими и магнитными зарядами, как и силы тяжести, направлены вдоль линии, соединяющей взаимодействующие тела! Это очень важно. Это показывает, что имеется глубокая аналогия между всеми тремя типами сил, известными в то время.

Первую трещину, возникшую на этой ясной и целостной картине мира, удалось обнаружить лишь через тридцать пять лет.