Текст книги "Покоренный электрон"

Автор книги: Михаил Ивановский

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 23 страниц)

Михаил Ивановский
ПОКОРЕННЫЙ ЭЛЕКТРОН

Глава первая. Электрон заявляет о своем существовании

Первое знакомство

В 1663 году священник села Новые Ерги, именовавший себя «поп Иванище», сообщил в ближайший монастырь о некоем непонятном и страшном событии, которое в том селении наблюдалось. Поп Иванище писал: «огнь на землю падал по многим дворам, и на путех, и по хоромам, аки кудели горя и люди от него бегали, а он катается за ними, а никого не ожег, а потом поднялся вверх во облак».

Сравнение с горящей куделью помогает понять, что именно случилось в селе Новые Ерги. Кудель – это пеньковые или льняные очёсы. Их обычно хранят на чердаках или в сараях. Во время пожара восходящие потоки горячего воздуха подхватывают легкие пушистые хлопья загоревшейся кудели, и они летают над пожарищем, как огненные мячики.

Следовательно, таинственный «огнь» был похож на горящую кудель, он катался за людьми, а потом поднялся вверх. Все это позволяет думать, что поп Иванище наблюдал шаровые молнии – редкое и до сих пор плохо изученное электрическое явление.

Старинные книги рассказывают и о так называемых огнях святого Эльма, которые иногда появляются перед грозой на высоких и остроконечных предметах. Эти огни похожи на бледные, светящиеся кисти, колеблющиеся на верхушках корабельных мачт, на крестах и шпилях церквей и даже на остриях копий и пик у ратников в походе.

Издавна наблюдали русские люди полярные сияния или «пазори» – бледнозеленые, розовые или даже багряно-красные столбы света, которые иногда колышутся ясной зимней ночью на северной части неба.

И, конечно, с незапамятных времен людям было известно такое обычное проявление атмосферного электричества как молния.

Рис. 1. С этим проявлением атмосферного электричества люди были знакомы с незапамятных времен.

Но не только атмосферные электрические явления указывали людям на существование этой могучей силы природы. Более двух с половиной тысяч лет назад ремесленники древней Греции познакомились с электрическими свойствами янтаря. Обтачивая и полируя янтарные бусы, серьги, браслеты и другие украшения, греческие камнерезы заметили, что от трения этот материал начинает притягивать к себе соломинки, волоски шерсти, кусочки ниток.

В шестом веке до начала нашего летоисчисления странная особенность янтаря привлекла внимание греческого философа Фалеса Милетского. Фалес натирал янтарь сукном и наблюдал, как янтарь притягивал пушинки. Эти опыты философ показывал своим ученикам, но объяснить их не мог.

Значит, с незапамятных времен люди были знакомы с электризацией трением. Однако серьезного значения этому явлению они не придавали, – его воспринимали как редкостную диковинку. И никому не приходило в голову связать представление о молнии и громе с забавными свойствами янтаря.

О природе электрических явлений ученые древнего мира высказывали разные, не подкрепленные опытом предположения и догадки. Одно из таких объяснений предложил римский философ и поэт Лукреций Кар, живший две тысячи лет назад. О молнии Лукреций писал:

 
Этот тончайший огонь из огней, существующих в мире,
Сделан природой весь из мельчайших и самых подвижных
Тел, для которых ничто не в силах поставить преграды.
 

Только сравнительно недавно люди узнали, что в стихах Лукреция о молнии есть доля истины, но эта доля истины была рождена не научным исследованием, а просто догадкой.

Древние ученые ничего не сделали для того, чтобы проникнуть в суть электрических явлений, да они и не могли ничего сделать, так как техника того времени была еще очень слаба.

В течение первых полутора тысяч лет нашей эры, которые известны в истории под названием средневековья, наука почти не развивалась.

Но уже в X и XI веках начинают расти города, происходит разделение труда между городом и деревней, расширяется обмен; в городах развивается ремесленное производство и вслед за этим возникает потребность в научном обобщении накопленных знаний. В следующие столетия естествознание делает заметные успехи. Наряду с богословскими книгами все чаще появляются научные трактаты. Одно из сочинений, вышедших в свет в 1600 году, называлось: «О магните, магнитных силах и о великом магните Земли». Автором его был английский медик Уильям Джильберт.

В этой книге он рассказывал не только о магнетизме, но и описывал свои «электрические опыты с янтарем и другими веществами».

Рождение нового слова

Джильберт повторил опыты Фалеса Милетского и убедился, что не только янтарь, но и алмазы, драгоценные камни, горный хрусталь, сера, смолы, сургуч, стекло и многие другие твердые вещества, когда их натирают сукном, кожей или мехом, приобретают свойство притягивать легкие предметы.

Это уже само по себе было важным открытием. Оно показывало, что таинственная притягательная сила присуща не только одному янтарю. Эта сила, решил Джильберт, является не свойством какого-либо одного вещества, а свойством того, что скрывается во многих веществах, пропитывая их, как вода пропитывает губку.

Это нечто, содержащееся в порах разных веществ, думал Джильберт, – особая невидимая жидкость. При трении она выдавливается из пор и проявляет свои «янтарные» свойства.

Для этой жидкости Джильберт придумал название: «янтарная субстанция». Но, составляя новый термин, Джильберт взял корень греческого названия янтаря – «электрон». Отсюда и получилась «электрическая субстанция» или, короче, «электричество».

Так родилось слово, которым стали обозначать всю совокупность электрических явлений.

После Джильберта в течение полутора столетий исследованиями электрических явлений занимались многие ученые.

Для своих опытов они добывали электричество трением. В одних случаях лисьим мехом натирали сургуч, в других – кожей терли стекло. Ученому Отто Герике пришла в голову мысль соорудить машину для добывания электричества. Он налил в большую круглую колбу расплавленной серы. Когда сера застыла, Герике разбил колбу, извлек серный шар, насадил его на ось и поместил в станок так, чтобы шар можно было вращать.

Рис. 2. Серный шар и станок Отто Герике для добывания электричества.

Помощник крутил шар, а Герике прикладывал к нему различные предметы, желая найти наиболее подходящий материал, чтобы электризовать серу. Он перепробовал множество материалов и наилучшим оказались… собственные ладони ученого. С тех пор Герике и многие его последователи добывали электричество буквально собственными руками.

Рис. 3. Электричество для опытов добывали тогда собственными руками.

Во время своих опытов с наэлектризованным серным шаром Герике заметил, что пушинка, на миг притянувшаяся к шару, затем отрывается от него и больше уже не притягивается, наоборот, она отталкивается. Тогда Герике подбросил наэлектризованную пушинку вверх и, держа серный шар под пушинкой, заставил ее летать в воздухе. Наэлектризованный шар, отталкивая пушинку, мешал ей упасть. И она летала до тех пор, пока Герике не надоедало ее гонять.

Так было открыто свойство наэлектризованных тел не только притягивать другие тела, но и отталкивать их.

Наблюдая отталкивание наэлектризованных тел, Герике встретился с явлением, чрезвычайно изумившим его. Когда ученый вынул из станка наэлектризованный серный шар, маленькое перышко, лежавшее на земле, поднялось, подлетело к шару и, на мгновение коснувшись его; тотчас опустилось на землю. Едва дотронувшись до поверхности земли, перышко снова подскочило к шару. Чуть продержавшись у его поверхности, оно опять совершило путешествие до земли и вернулось затем к шару. Пляска перышка продолжалась до тех пор, пока электризация шара не ослабела.

Ученые, повторившие этот опыт, дали ему такое объяснение: серный шар имеет некоторый запас электричества. Перышко, притянувшись к шару, заимствует часть его электричества, электризуется и отталкивается от шара. Опустившись на землю, перо отдает земле захваченную им порцию электричества и снова приобретает способность притягиваться к шару.

Коснувшись серного шара, перышко захватывает новую порцию электричества, какая только может поместиться на перышке, и опять несет его на землю. Так, подобно носильщику, перышко перетаскивает электричество от серного шара в землю.

Из этого опыта родилось представление об электрическом заряде как о порции электричества, которая может поместиться на том или ином предмете. На крупном предмете, вроде серного шара, заряд большой, а на крохотной пушинке – маленький.

После было установлено, что заряд, полученный от трения на стекле или на сере, не может сам по себе передвигаться но их поверхности; он долго сохраняется в тех местах, где возник. Нужно коснуться такого места, чтобы частично снять заряд.

Далее выяснилось, что те предметы, которые не удавалось наэлектризовать трением, когда держали их в руке, прекрасно электризуются, если их поместить на подставку из вещества, легко заряжающегося трением.

При этом оказалось, что заряд растекается по всей поверхности таких предметов, а не связан с тем местом, которое подверглось натиранию. Эти вещества были названы проводниками заряда. Стало понятно, почему сначала заряды на них не были замечены, – они просто стекали на другие предметы.

Вещества, по которым заряды не могли перемещаться, тогда были названы изоляторами. Они позволяли уединить, задержать заряд, возникающий на проводнике, не давали ему растекаться по окружающим предметам.

Два рода зарядов

Во время одного опыта с Герике случилось маленькое, но забавное происшествие. Пушинка, оттолкнувшись от наэлектризованного серного шара, стремительно полетела в сторону и притянулась к кончику носа ученого. Это показало, что при трении руки о серный шар наэлектризовался не только шар, но и человек. Он тоже стал притягивать пылинки и пушинки.

Ученые наблюдали часто притяжение наэлектризованных предметов к ненаэлектризованным. Пушинка, получив электрический заряд, обязательно оседала на каком-либо предмете, не имевшем заряда.

Такие опыты показали, что электрические заряды отталкиваются друг от друга, а притяжение возникает лишь между телами, из которых одно несет электрический заряд, а другое его не имеет. Два предмета – наэлектризованный и ненаэлектризованный, притянувшись друг к другу, как бы делят заряд между собой и затем отталкиваются.

Таковы были сведения об электрическом заряде, накопленные наукой к середине XVIII столетия.

Первым прибором, позволившим измерить электрические заряды, был электрометр, построенный русским академиком Г. В. Рихманом – другом М. В. Ломоносова.

Электрометр Рихмана состоял из вертикальной изолированной смолой или стеклом металлической линейки и привязанной к ее верхнему концу нитки. Когда линейке сообщали электрический заряд, он растекался также и по нитке. Заряды, скопившиеся на линейке и на нитке, заставляли нитку отталкиваться от линейки. Нитка отклонялась в сторону тем круче, чем больший заряд она получала. Измеряя угол между линейкой и ниткой, Рихман судил о величине заряда (рис. 4).

Рис. 4. Электрометры Рихмана.

Последующие исследователи заметили еще одну важную особенность электрических зарядов.

Французский физик Дюфе изготовил для своих опытов прибор с двумя нитками вместо одной.

Сквозь пробку стеклянной банки он пропустил металлический стержень.

Верхний конец стержня был увенчан металлическим шариком, а с нижнего свешивались две тончайших длинных полоски из сусального золота или две ниточки, не доходившие до дна. Когда металлическому стерженьку сообщали электрический заряд, ниточки отталкивались друг от друга, сигнализируя о присутствии заряда. Такой прибор назвали электроскопом (рис. 5).

Рис. 5. Электроскоп.

Дюфе натер кожей стеклянную палочку и приложил ее к шарику электроскопа. Тотчас же ниточки растопырились. Затем исследователь, натер сукном сургучную палочку. Она, разумеется, тоже наэлектризовалась и стала притягивать к себе соринки. Но когда Дюфе поднес наэлектризованный сургуч к электроскопу, уже получившему заряд от стеклянной палочки, произошло нечто странное. Ниточки электроскопа, приобретя дополнительный заряд от сургуча, не разошлись в стороны еще круче, как этого можно было ожидать, а наоборот – сблизились. Они показали, что заряд исчез! Тогда Дюфе натер сукном сургуч и поднес его к электроскопу – ниточки разошлись. Затем наэлектризовал стеклянную палочку и коснулся ею шарика электроскопа. Опять ниточки, потеряв заряд, повисли.

Дюфе ставил опыт за опытом. Два бузинных шарика, подвешенные на шелковинках и получившие заряды от стеклянной палочки, отталкивались друг от друга. Точно так же вели себя шарики, заряженные от сургучной палочки. Но когда Дюфе зарядил один шарик электричеством стеклянной палочки, а другой – сургучной, то они не отталкивались, а начинали притягиваться.

Дюфе решил, что существуют два совершенно противоположных по своим свойствам электричества – «стеклянное» и «смоляное». Однородные электрические заряды отталкиваются, разнородные – притягиваются. Придя в соприкосновение, говорил Дюфе, разнородные заряды исчезают.

Другие исследователи, производившие эти же опыты, заметили, что когда натирают сукном сургуч (или кожей стекло), то электризуются сразу оба предмета – и сукно и сургуч, но заряды получаются на них хотя и одинаковые по величине, но разных «сортов», на сукне – «стеклянные», а на сургуче – «смоляные».

Ученые возражают

Не все физики согласились с предположением Дюфе. Особенно резко возражал против его гипотезы гениальный русский ученый М. В. Ломоносов. Как это может быть, спрашивал Ломоносов, чтобы что-то превращалось в ничто? Было порознь два электрических заряда, а как только они сошлись вместе – исчезли оба!

Гипотеза Дюфе противоречила одному из величайших и основных законов природы – закону сохранения материи и движения, который был установлен и доказан Ломоносовым:

«Все перемены в Натуре случающиеся такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько же присовокупится другому. Так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте; сколько часов положит кто на бдение, столько же сну отнимет. Сей всеобщей естественной закон простирается и в самые правила движения: ибо тело, движущее своей силой другое, столько же оныя у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».

Что-либо не может превратиться в ничто, из ничего нельзя сделать что-то. Материя и движение неразрывны, вечны, они только изменяют форму, но ни при каких условиях не исчезают.

Современник М. В. Ломоносова В. Франклин выдвинул против Дюфе такие доводы: почему эти два сорта электричества всегда одинаковы по количеству? Почему они всегда появляются одновременно и никогда порознь? Не есть ли это то же самое, что предмет и его тень? А мы, не зная, где предмет и где его тень, считаем тень другим предметом!

Электричество – одно, оно распространено всюду, содержится во всех без исключения телах, но не проявляет себя, так как его везде поровну. Когда мы натираем кожей стекло, или сукном сургуч, то никакого особого «стеклянного» или «смоляного» электричества не возникает. При трении происходит только перераспределение зарядов: на одном из соприкасающихся при трении тел образуется избыток электричества, на другом – недостаток.

И когда наэлектризованные сургуч и стекло соприкасаются, избыток встречается с недостатком и заряды не исчезают, а лишь уравновешиваются или, как обычно говорят, нейтрализуются, действие их перестает чем-либо проявляться.

Чтобы отличить избыток от недостатка «мы условимся называть всякое тело наэлектризованным положительно, если оно отталкивается стеклянной палочкой, натертой шелком, и наэлектризованным отрицательно, если оно отталкивается сургучом, натертым кошачьим мехом», – так писал Франклин, который ввел подразделение зарядов на положительные, обозначенные знаком плюс, и отрицательные, обозначенные знаком минус.

Обозначение двух родов зарядов знаками плюс и минус сохранилось и поныне.

Современная наука установила, что в действительности во всех предметах существуют два рода зарядов: положительные и отрицательные, но пока их содержится поровну – они себя не обнаруживают. Если же отнять у предмета часть его отрицательных зарядов, он наэлектризуется положительно, а отнятые отрицательные заряды перейдут на какой-либо другой предмет, который, конечно, зарядится отрицательно.

Так, например, когда натирают стекло кожей, то на стекле образуется избыток положительных зарядов, а на коже – избыток отрицательных. Стекло заряжается положительно, а кожа отрицательно.

Однако заряд на коже не всегда проявляет себя, потому что и кожа и человек, который ее держит в руке, сравнительно хорошо проводят электричество. Заряд с кожи уходит в руку человека, а затем в землю, и, конечно, его обнаружить не удается, – он уже исчез; но если натянуть на руку резиновую перчатку или как-нибудь изолировать кусок кожи, заряд останется, и его можно обнаружить, – поднести кожу к электроскопу, и листочки электроскопа разойдутся.

Еще одно заблуждение

Вслед за Дюфе петербургский академик Эпинус сделал еще одно важное открытие, которое тоже послужило источником нескончаемых споров. Эпинус заметил, что все предметы, находящиеся вблизи какого-либо наэлектризованного тела, приобретают электрические заряды. Когда к наэлектризованному телу подносят электроскоп, то его листочки расходятся в стороны еще до соприкосновения шарика электроскопа с наэлектризованным телом.

В этом явлении для ученых XVIII века самым удивительным было то, что предметы, на которых появлялись электрические заряды, не соприкасались с наэлектризованным телом: его действие сказывалось на расстоянии.

Новое явление получило название электризации наведением или электризации путем индукции, а получившиеся при этом заряды – индуктированными.

Сначала казалось, что индуктированные заряды не совсем «настоящие», ведь стоило только удалить электроскоп от заряженного тела, как его листочки спадались и заряд электроскопа исчезал. Но это было недоразумением, и оно вскоре выяснилось.

Исследуя электризацию наведением, ученые установили, что предмет, на котором возникает индуктированный заряд, электризуется двояко, то есть на его противоположных сторонах скапливаются заряды разных знаков. Если наэлектризованное тело несет положительный заряд, то сторона предмета, обращенная к наэлектризованному телу, приобретает отрицательный заряд, а его другая сторона – положительный.

Один исследователь догадался взять для опыта предмет, состоящий из двух половинок – нечто вроде шара с разъемными полушариями (рис. 6).

Рис. 6. Половинки этого прибора приобретают разноименные заряды.

Он приблизил его к наэлектризованному предмету, а затем раздвинул половинки (каждая половина была укреплена на своей изолирующей подставке); ученый тем самым разделил заряды. Одно полушарие оказалось заряженным положительно, а другое – отрицательно, и заряды на полушариях не исчезали даже, когда наэлектризованный предмет отодвигали в сторону, значит, это были самые «настоящие» заряды.

Такой опыт доказал, что в каждом предмете действительно имеются и положительные и отрицательные заряды, но пока их в теле поровну и пока они распределены равномерно, тело остается нейтральным, а заряды, в нем содержащиеся, никак себя не проявляют. При электризации наведением, под воздействием наэлектризованного тела, заряды рассортировываются: положительные отходят в одну сторону, а отрицательные в другую – одноименные с наводящим зарядом отталкиваются, разноименные к нему притягиваются и стремятся приблизиться.

Другой исследователь захотел узнать, насколько ослабевает электрический заряд оттого, что он создает индуктированные заряды в окружающих его предметах.

Для опыта ученый взял большой металлический диск, положил его на стеклянную пластинку, наэлектризовал положительным электричеством и прикрыл другим куском стекла. Затем ученый взял другой такой же металлический круг, но только снабженный стеклянной рукояткой. Этот второй круг ученый положил поверх наэлектризованного диска, как изображено на рисунке 7.

Рис. 7. Заряд металлического диска, лежащего между стеклянными пластинками, оказался неистощимым.

Разумеется, круг при этом тоже наэлектризовался, то есть в нем разделились заряды: положительные скопились на верхней стороне круга, а отрицательные – на нижней.

Положительные заряды можно было отвести в землю, просто коснувшись круга рукой, тогда на круге остались только отрицательные заряды; их нельзя было удалить, – они удерживались притяжением положительным зарядом на нижнем круге.

Ученый взял этот круг за стеклянную рукоятку, отнес его в сторону и там разрядил. Затем снова положил свой круг поверх наэлектризованного диска, круг снова наэлектризовался, а ученый отнес его в сторону и разрядил.

Исследователь проделал это в третий раз, в четвертый… Ученый носил свой круг туда и сюда, попеременно то заряжая его у диска, то разряжая в стороне. Однако заряд металлического диска, лежавшего на стеклянной пластинке, от этого нисколько не ослабел.

Опыт пришлось прекратить, так как ученый устал таскать круг взад и вперед; он убедился, что истощить заряд металлического диска таким образом невозможно!

Этим опытом было установлено, что электрический заряд, индуктируя в других предметах наведенные заряды, сам не уменьшается и не расходуется.

Все это – и явление индукции, и явная неистощимость заряда, возбуждающего другие заряды, – было непонятно.

Люди придумывали различные, по большей части совершенно необоснованные объяснения и спорили друг с другом, безуспешно стараясь отстоять каждый свое мнение.

Тогда многие физики считали, что электризация наведением является волшебным свойством электрических зарядов и они могут действовать на расстоянии, рождая другие заряды из ничего. Это мнение противоречило ломоносовскому закону сохранения материи, оно было глубоко ошибочным и заводило науку в тупик.