После изобретения лейденской банки, когда ученые смогли наблюдать сравнительно большие искры при электрическом разряде, возникла мысль об электрической природе молнии.
Известный американский ученый и общественный деятель Бенджамин Франклин (1706 - 1790) высказал эту идею в письме в Лондонское королевское общество в 1750 г.
В этом письме он объяснял как можно проверить высказанное предположение. Он предлагал поставить на башню будку, на крышу которой вывести железный шест. Помещенный внутри будки человек в случае грозы мог бы извлекать из шеста электрические искры.
Содержание письма Франклина стало известно во Франции. О нем узнал француз Далибар, который в мае 1752 г. проделал опыт, о котором писал Франклин. Опыт удался. Действительно, Далибару удалось получить электрические искры.
В том же году, летом, Франклин в Америке проделал похожий опыт.
После того как была выяснена электрическая природа грозы возникла идея устройства громоотвода для предохранения зданий от пожаров в результате попадания в них молнии.
Громоотводы быстро вошли в практику. Это было первое практическое применение учения об электрических явлениях. Оно способствовало развитию и популяризации науки о электричестве.
Вместе с ускорившимся развитием опытного исследования электрических явлений возникают и теории этих явлений.
Конечно, еще до середины XVIII в. существовали некоторые соображения о природе электричества. Но они были весьма примитивными. В большинстве случаев электрические действия объяснялись наличием вокруг заряженных тел неких электрических атмосфер.
В середине XVIII в. появляются уже более содержательные теории электрических явлений. Эти теории можно разделить на две основные группы.
Первая группа - это теории электрических явлений, основанные на принципе дальнодействия.
Вторая группа - это теории, в основу которых положен принцип близкодействия.
Остановимся сначала на развитии теории дальнодействия, которая получила в XVIII в. почти всеобщее признание. Основоположниками теории дальнодействия были Франклин и петербургский академик Эпинус.
Франклин еще в 40-х г. XVIII в. построил теорию электрических явлений. Он предположил, что существует особая электрическая материя, представляющая собой некую тонкую, невидимую жидкость. Частицы этой материи обладают свойством отталкиваться друг от друга и притягиваться к частицам обычной материи, т. е. к частицам вещества, по современным понятиям.
Электрическая материя присутствует в телах в определенных количествах, и в этом случае ее присутствие не обнаруживается. Но если в теле появляется избыток этой материи, то тело электризуется положительно; наоборот, если в теле будет недостаток этой материи, то тело электризуется отрицательно. Название («положительное и отрицательное электричество», которое так и осталось в науке, принадлежит Франклину.
Электрическая материя, по Франклину, состоит из особо тонких частиц, поэтому она может проходить сквозь вещество. Особенно легко она проходит через проводники.
Из теории Франклина следует очень важное положение о сохранении электрического заряда. Действительно, для создания, например, отрицательного заряда на каком-либо теле нужно от него отнять некоторое количество электрической жидкости, которая должна перейти на другое тело и образовать там положительный заряд такой же величины. После соединения этих тел электрическая материя вновь распределится между ними так, чтобы эти тела стали электрически нейтральными.
Теория Франклина была развита Францем Эпинусом (1724 - 1802). При этом Эпинус как бы брал за образец теорию тяготения Ньютона.
Ньютон предположил, что между всеми частицами обычных тел действуют дальнодействующие силы. Эти силы центральные, т.е. они действуют по прямой, соединяющей частицы.
Эпинус же предполагает, что между частицами электрической материи также действуют центральные дальнодействующие силы. Только силы тяготения являются силами притяжения, силы же, действующие между частицами электрической материи, - силами отталкивания. Кроме того, между частицами электрической материи и частицами обычного вещества, так же как и у Франклина действуют силы притяжения. И эти силы аналогично силам тягогения являются дальнодействующими и центральными. Эпинус сравнивал силы тяготения и электрические силы. Он предполагает, что силы, действующие между частицами электрической материи, «изменяются обратно пропорционально квадрату расстояния. Так можно предполагать с некоторым правдоподобием, ибо в пользу такой зависимости, по-видимому, говорит аналогия с другими явлениями природы». Эта предполагаемая аналогия и дает возможность Эпинусу построить теорию электрических явлений.
Одной из интересных его работ было исследование электрической индукции. Эпинус показал, что если к проводнику приблизить заряженное тело, то на проводнике появляются электрические заряды. При этом сторона его, к которой подносят заряженное тело, электризуется зарядом противоположного знака. И наоборот, на удаленной части проводника образуется заряд того же знака, что и на поднесенном теле.
Эпинус подтвердил и закон сохранения электрического заряда. Он писал: «Если я хочу в каком-либо теле увеличить количество электрической материи, я должен неизбежно взять ее вне его и, следовательно, уменьшить ее в каком-либо другом теле».
Одновременно с теорией электрических явлений, основанной на представлении о дальнодействии, появляются теории этих явлений, в основе которых лежит принцип близкодействия. Одним из родоначальников этой теории можно считать Ломоносова.
Ломоносов был противником теории дальнодействия. Он считал, что тело не может действовать на другие мгновенно через пустое или заполненное чем-либо пространство.
Он полагал, что электрическое взаимодействие передается от тела к телу через особую среду, заполняющую все пустое пространство, в частности и пространство между частицами, из которых состоит «весомая материя», вещество.
Электрические явления, по Ломоносову, следует рассматривать как определенные микроскопические движения, происходящие в эфире. То же самое относится и к магнитным явлениям.
На точке зрения близкодействия в теории электричества и магнетизма стоял и другой петербургский академик - Л. Эйлер. В середине XVIII в., как и Ломоносов, он выступил за теорию близкодействия. Он предполагал существование эфира, движением и свойствами которого объяснял наблюдаемые электрические явления.
После открытия закона Кулона теория дальнодействия совсем вытесняет теорию близкодействия. И только в XIX в. Фарадей возрождает теорию близкодействия. Однако ее всеобщее признание начинается со второй половины XIX в., после экспериментального доказательства теории Максвелла.
Глава 4. Формирование современных представлений о электричестве в XIX и в начале XX ст.
В XVIII в. электричество и магнетизм считались хотя и похожими, но все же имеющими различную природу явлениями. Правда, были известны некоторые факты, указывающие на существование как будто бы связи между магнетизмом и электричеством, например намагничение железных предметов в результате ударов молнии. Больше того, Франклину удалось намагнитить кусок железа с помощью разряда лейденской банки. Все-таки известные факты не позволяли уверенно утверждать, что между электрическими и магнитными явлениями существует связь.
Такую связь впервые обнаружил датский физик Ханс Кристиан Эрстед (1777 - 1851) в 1820 г. Он открыл действие электрического тока на магнитную стрелку.
Эрстед открыл, что если над проводником, направленным вдоль земного меридиана, поместить магнитную стрелку, которая показывает на север, и по проводнику пропустить электрический ток, то стрелка отклоняется на некоторый угол.
После того как Эрстед опубликовал свое открытие, многие физики занялись исследованием этого нового явления. Французские ученые Био и Савар постарались установить закон действия тока на магнитную стрелку, т. е. определить, как и от чего зависит сила, действующая на магнитную стрелку, когда она помещена около электрического тока. Они установили, что сила, действующая на магнитный полюс (на конец длинного магнита) со стороны прямолинейного проводника с током, направлена перпендикулярно к кратчайшему расстоянию от полюса до проводника и модуль ее обратно пропорционален этому расстоянию.
Раздумывая над открытием Эрстеда, Ампер пришел к совершенно новым идеям. Он предположил, что магнитные явления вызываются взаимодействием электрических токов. Каждый магнит представляет собой систему замкнутых электрических токов, плоскости которых перпендикулярны оси магнита. Взаимодействие магнитов, их притяжение и отталкивание объясняются притяжением и отталкиванием, существующими между токами. 3емной магнетизм также обусловлен электрическими токами, которые протекают в земном шаре.
Эта гипотеза требовала, конечно, опытного подтверждения. И Ампер проделал целую серию опытов для ее обоснования.
Первые опыты Ампера заключались в обнаружении сил, действующих между проводниками, по которым течет электрический ток. Опыты показали, что два прямолинейных проводника с током, расположенные параллельно друг другу, притягиваются, если токи в них имеют одинаковое направление, и отталкиваются, если направление токов противоположно.
Ампер показал также, что виток с током и спиралевидный проводник с током (соленоид) ведут себя как магниты. Два таких проводника притягиваются и отталкиваются подобно двум магнитным стрелкам.
Ампер решил в основу теории взаимодействия токов положить закон взаимодействия между элементами токов. Нужно отметить, что Ампер говорил уже не просто о взаимодействии элементов проводников, как Био и Савар, а о взаимодействии элементов токов, так как к тому времени уже возникло понятие силы тока. И это понятие ввел сам Ампер. Проведя большое число опытов по определению взаимодействия токов в проводниках различной формы и по-разному расположенных друг относительно друга, Ампер в конце концов определил искомую силу. Подобно силе тяготения она оказалась обратно пропорциональной квадрату расстоянии между элементами электрических токов.
Все эти исследования были основой на которой выросла современная электрика. Максвелл математически связал электрические и магнитные явления воедино – в электромагнитные явления. А Г. Герц сумел доказать наличие электромагнитных волн, существование которых вытекало из законов Максвелла.
Важную роль в становлении современных представлений о электрическом токе, как о направленном движении заряженных элементарных частиц имел опыт Милликена. Этот опыт доказал существование элементарных зарядов электричества в природе. То есть элементарная природа электричества была полностью установлена. Суть опыта Милликена состояла в следующем.
В плоский конденсатор вводили маленькие капли масла (рис. 2). Из-за трения они электризовались. В отсутствии электрического поля капля начинает падать под действием силы тяжести. Подбирая напряженность электрического поля Е, каплю можно остановить и определить находящийся на ней заряд. Затем включается облучение воздушного промежутка до тех пор, пока капля не приобретет
рис. 2. дополнительный положительный или отрицательный заряд и ее равновесие нарушится. Изменяя напряженность электрического поля до некоторого значения Е, вновь добиваются равновесия капли и определяют ее новый заряд. Затем вновь включают облучение воздушного промежутка и т. д.
Получив ряд последовательных значений заряда капли Милликен установил, что как сами величины , так и их последовательные разности являются целыми кратными некоторого элементарного заряда е. Так экспериментально было доказано наличие элементарного заряда и элементарную природу электрического тока.
Современное уточненное значение величины элементарного заряда равно: .
Элементарный заряд является одной из фундаментальных констант физики.
Заключение.
В работе рассмотрено развитие взглядов на электричество от древнейших времен и до сегодня. Рассмотрены основные открытия электрики, которые имели большое, направляющее значение для развития науки. За это время наука о электричестве прошла большой путь и сегодня она выступает одной из основ современного мира. Открытые законы позволили создать мощные электродвигатели и генераторы, проводить освещение улиц и домов, использовать электричество в лечебных целях.
Вся история человечества показывает, что все начинается с малого, вот и история развития электричества началась с небольшого куска янтаря в руках греческого философа.
Список использованной литературы.
1. Дущенко В. П., Кучерук И. М. Общая физика. Электрика. – К.: Высшая школа, 1995. – 430 с.
2. Зисман Г. А., Тодес О. М. Курс общей физики. В 3 т. – М.: Наука, 1995. – 343 с.
3. Кухлинг Х. Справочник по физике: Пер. с нем. – М.: Мир, 1983. – 520 с.
4. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике. – М.: Наука, 1982. – 846 с.
5. Гершензон Е.М., Малов Н.Н. Курс общей физики. Электродинамика. – М.: Просвещение, 1990. – 346 с.
6. Иродов И.Е. Основные законы электромагнетизма. – М.: Высшая школа, 1991. – 432 с.
7. Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм. – М.: Высшая школа, 1983. – 265 с.
8. Савельев И.В. Курс общей физики. В 3 Т., Электричество и магнетизм. – М.: Наука, 2003. - Т.2. – 387 с.
9. Телеснин Р. В., Яковлев В.Ф. Электричество. В 2 Т., - M.: Высшая школа, 1973. – 327 с.
Страницы: 1, 2
