Макс Лауэ - ИСТОРИЯ ФИЗИКИ
Понятие «количество электричества», повидимому, уже с XVII столетия было общим достоянием и с самого начала без специального обоснования было
связано с представлением о том, что ничто не может быть создано или уничтожено. Еще не мог быть решенным спор о том, существуют ли два электрических «флюида», компенсирующих действия друг друга, или только один, имеющийся в электрически нейтральных телах в определенном «нормальном» количестве. Наш современный взгляд дуалистичен, поскольку положительные и отрицательные заряды приписываются носителям различной природы, и в то же время унитарен, поскольку существеннейшей составной частью материи объявляются атомные ядра - главнейшие носители положительного электричества.
В области магнетизма в середине XVIII столетия было известно лишь одно, опять преждевременное и потому не имевшее влияния, открытие явления диамагнетизма, которое было обнаружено в 1778 г. Антоном Бругмансом (1732-1789) при отталкивании висмута магнитом.
Учение об электричестве стало наукой только после установления закона Кулона, согласно которому сила, действующая между двумя зарядами, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Этот закон имеет своеобразную историю. Она началась с предположений об его существовании в связи с ньютоновским законом тяготения. В 1767 г. Пристли (1733-1804) вполне ясно видел убедительное доказательство этого закона в установленном им и другими, например Генри Кавендишем (1731-1810), явлении: заряд проводника находится целиком на его поверхности, в то время как внутренность проводника совершенно свободна от электрических действий. Однако на эти наблюдения не обращали никакого внимания. В 1785 г. Огюст Кулон (1736-1806) произвел опыты с помощью крутильных весов. Он непосредственно измерил силу между двумя маленькими заряженными шариками, частично по статическому отклонению весов, частично по колебаниям подвешенного к этим весам
шара. В следующей работе 1786 г. Кулон, не зная о своих предшественниках, сообщил о защитном действии проводников и видел также в этом доказательство закона электрических сил. Однако эта часть его работы была совершенно забыта, так что мы теперь большей частью связываем защитное действие проводников с именем Фарадея. На современников Кулона произвели большое впечатление только действительно наглядные измерения посредством крутильных весов, благодаря которым закон носит имя Кулона.
Кулон положил силу, действующую между двумя зарядами, пропорциональной количествам электричества по аналогии с законом Ньютона. Доказательства он не мог дать, так как не имел меры для зарядов. Идею определения этой меры, и именно на основе закона Кулона, мы впервые находим у Гаусса.
Кулон применял свой закон и к магнетизму. Но здесь его опыты менее убедительны, так как накопление магнитных «флюидов» на точечных полюсах представлялось всегда сомнительным, хотя он пытался доказать это заранее подготовленными измерениями. То, что было правильным в этом распространении закона Кулона на магнитные явления, нашло свое точное выражение в применимости дифференциального уравнения Лапласа к магнетизму, на что указал в 1828 г. Джордж Грин (1793-1841). Важным является полученное при помощи крутильных весов доказательство Кулоном того, что магнитное поле Земли сообщает магнитной стрелке вращательный момент, пропорциональный синусу угла отклонения от меридиана. Это является основой для понятия магнитного момента.
Прогресс, вызванный законом Кулона, иллюстрируется применением в 1811 г. Пуассоном (1781-1840) теории потенциала, развитой раньше для тяготения (гл. 3). Действительно, в законе Кулона или в эквивалентном ему дифференциальном уравнении Лапласа - Пуассона, а также в опыте, подтверждающем постоянство потенциала на проводнике, содержится вся электростатика, поскольку диэлектрики
не участвуют в явлениях. Дальнейшей разработкой теории потенциала мы обязаны, кроме Грина, Карлу Фридриху Гауссу (1777-1855), который выступил в 1839 г. со своей знаменитой работой. Эта теория оказала влияние далеко за пределами ее собственной области, так как стала прообразом для многих других областей математической физики.
Гаусс дал упомянутое определение количества электричества на основании закона Кулона. Единицей количества электричества является, соответственно этому закону, то количество, которое отталкивает с силой в 1 дину равное ему количество, находящееся от него на расстоянии в 1 см. Гаусс дал первое абсолютное измерение магнитного момента стального магнита и силы магнитного поля Земли. Его математическая тео-
рия этого поля является непосредственным и завершающим продолжением работы В. Гильберта. Гаусс основал также первую рациональную электрическую и магнитную систему мер. Но закон сохранения электричества впервые был доказан в 1843 г. Михаилом Фарадеем (1791-1867). В изолированном, соединенном с кондуктором электрометра «ведре для льда» он помещал заряженный металлический шар, висящий на длинной шелковой нити; мерой его заряда являлось расхождение листочков электрометра. Фарадей показал, что это расхождение не зависит от тех предметов, которые еще находятся в «ведре для льда», и от состояния их заряда. Можно этот заряд перенести целиком или частично на другой проводник; это не окажет никакого влияния. Только когда вносят новые заряды в «ведро для льда», отклонение электрометра также изменяется; оно указывает алгебраическую сумму введенных зарядов. Этот опыт, не уступающий по своему значению в это же время полученным доказательствам закона сохранения энергии, не нашел такой же оценки только потому, что представление о неразрушаемых электрических флюидах было уже раньше установлено и не нуждалось в защите.
Второй, может быть еще более плодотворный, шаг наука об электричестве совершила тогда, когда Александр Вольта (1745-1827) сделал открытие на основе наблюдений Луиджи Гальвани (1737-1798) над лягушечьей лапкой, которые произвели сенсацию и нашли много последователей. Редко новое наблюдение является столь трудным для понимания, как это; этим открытием была проложена дорога в совершенно неизведанную область.
Первые случайные наблюдения Гальвани над вздрагиванием лягушечьих лапок, соединенных с металлической скобой, вблизи электрических искровых разрядов или при приближении грозы были фактически первым указанием на электрические колебания; лягушечья лапка действовала как «детектор». Но лишь более чем через сто лет физики смогли это использовать. Тогда же (1792 г.) исследование и счастливый случай привели Гальвани к тому, что он смог вызывать вздрагивания лапок лягушки при помощи скобы, сделанной из двух различных металлов. Это был первый гальванический элемент; лягушечья лапка была одновременно его электролитом и индикатором тока. Но это не было осознано самим Гальвани. Он полагал, может быть не совсем неправильно, что перед ним явления животного электричества, которые уже давно были известны у электрического ската и других рыб.
Вольта также защищал в 1792 г. это воззрение. Но после длинного ряда опытов он все более и более проникался мыслью, что биологический объект - лягушечья лапка или даже человеческий язык - имеют только второстепенное значение. В 1796 г. он совсем исключил этот момент и высказал существенное предположение о «циркуляции» электричества в цепи проводников, когда она состоит из двух (или более) проводников «первого» класса и одного проводника «второго» класса. Он первый ввел эти понятия, так же как понятие стационарного электрического тока. Опираясь на это новое знание, он сконструировал в 1800 г. вольтов столб, этот прототип гальванических элементов,
появившихся в последующие годы и десятилетия, как грибы после дождя. Знаменитым стал также «основной опыт Вольта», который должен был показать заряжение двух металлов при соприкосновении. Современная критика (Эмиль Варбург) его подрывает: между двумя металлическими пластинками имеется всегда еще водяная прослойка, и фактически то, что измерял Вольта, было напряжением на полюсах открытого гальванического элемента. Но правильным и основополагающим было указание Вольта на то, что в чисто металлической среде, сколько бы ни было различных металлов, моментально образуется электрическое равновесие, которое исключает любой ток. Только температурные различия порождают ток (термоэлектричество). Это было обнаружено в 1821 г. Томасом Иоганном Зеебеком (1770-1831).
Электролиз, в котором мы теперь видим причину возникновения гальванического тока, был описан уже в 1797 г. до элемента Вольта Александром Гумбольдтом (1769-1859) (стяжавшим большую славу своими достижениями в описательных естественных науках). Он наблюдал электролиз в цепи одного цинкового и одного серебряного электродов с прослойкой воды между ними. Гениальный фантазер Иоганн Вильгельм Риттер (1776-1810) получил путем электролиза металлическую медь из раствора медного купороса. Он обнаружил также идентичность статического и гальванического электричества, применяя для электролиза разряды лейденской банки. Он первый установил, что химические превращения являются причиной возникновения тока в гальваническом элементе. В 1800 г. Гемфри Дэви (1778-1829) начал свои знаменитые электролитические исследования, которые его привели в 1807 г. к открытию гальванического выделения щелочных металлов. Благодаря количественному измерению массы продуктов электролиза он открыл для исследования направление, которое привело в 1834 г. к закону эквивалентности Михаила Фарадея (1791-1867), в 1853 г. к работам Иоганна Вильгельма Гитторфа (1824-1914)
