4 Апрель, 2015
Электростатическая индукция и электрофор в опытах XVIII в.
Электростатическая индукция и электрофор в опытах XVIII в.
Термин «электростатическая индукция» (наведение зарядов разного знака на противоположных участках поверхности проводника в электростатическом поле) введен Майклом Фарадеем (1791 —1867) [1, с. 478], но опыты, основанные на этом явлении, проводились еще в XVII в. В первом из известных опытов такого рода немецкий инженер, физик и бургомистр в одном лице Отто фон Герике (1602—1686) обнаружил, что наэлектризованный трением серный шар передает свою способность притягивать легкие тела льняной нитке, свисающей с палки, если поднести шар к верхнему концу нитки и даже не касаться ее [2, с. 147.—150] (при высоких напряжениях, имеющих место при электризации трением, льняная нитка ведет себя как проводник).
Более осознанно наблюдал электростатическую индукцию английский ученый Стивен Грэй 1666—1736). Источником заряда в его опытах служила стеклянная трубка или палочка, которые электризовались трением. 5 августа 1729 г. Грэй «показал, что электричество можно передавать, не касаясь линии передачи трубкой, а только держа трубку близ линии [3].
В 1730 г. Грэй осуществил опыт с «электрическим мальчиком», как сказано в предметном указателе журнала [3]. Грэй натянул две шелковые веревки на одинаковой высоте и положил на них мальчика лет восьми—девяти лицом вниз так, чтобы одна веревка проходила под грудью, а другая — под бедрами. Перед лицом мальчика располагалась дощечка с латунными листками. При приближении наэлектризованной трубки к ногам изумленного мальчика листки подлетали к его лицу на высоту 20—25 см.
Ознакомившись с этим опытом, Шарль-Франсуа де Систерне Дюфе (1698—1739) решил проделать его на себе. Для этого французский ученый устроился на натянутых шелковых веревках (точнее, на деревянном щите с покрывалом, который висел на веревках). И тут-то произошло доселе неведомое явление: когда один ассистент поднес наэлектризованную трубку к рукам и лицу Дюфе, то между рукой другого ассистента, Жана-Антуана Нолле (1700—1770), находившегося со стороны ног Дюфе, и телом Дюфе неожиданно с шумом проскочила искра. Дюфе и Нолле испытали при этом несильную боль, как от булавочного укола или искры от огня. Электрическая искра извлекалась подобным способом и сквозь одежду, и из голого тела.
Дюфе опубликовал этот опыт в трудах Парижской академии наук за 1733 г. [4] и сообщил о нем в письме в Англию от 27 декабря 1733 г., которое Лондонское Королевское общество (академия наук) также опубликовало [5].
Весной 1734 г. Грэй решил воспроизвести опыт Дюфе. На сей раз у Грэя не оказалось достаточно прочных шелковых веревок, поэтому он не подвесил «электрического мальчика», а поставил его на изолирующую подставку и тоже успешно извлек искру из него [6].
Вот так успешно протекало заочное сотрудничество Грэя и Дюфе — людей разных национальностей, разного возраста и разного социального положения: Грэй был выходцем из ремесленников, а с 1719 г. пенсионером благотворительного Чартерхауза в Лондоне; Дюфе же был дворянином, с 1723 г. членом Парижской Королевской академии наук, а с 1732 г. заведующим Королевским ботаническим садом.
В 1737 г. немецкий физик Георг Маттиас Бозе (1710—1761) повторил опыт Дюфе по извлечению искр из человека, добившись более сильного эффекта благодаря применению вместо стеклянной трубки электризационной машины на основе вращаемого стеклянного шара [7, с. 277—278].
О том, какое впечатление производили в первой половине XVIII в. опыты с извлечением искр из человека, можно судить по следующему отрывку, которым начинается книга Христиана Готтлиба Кратценштейна (1723—1795, с 1748 по 1753 г. в Петербурге), написанная в форме писем к коллеге-медику в стиле, характерном для того времени: «Поверите ли тому, что я скажу Вам. Люди теперь научились делать себя такими страшными, что Вы не сможете прикоснуться к ним, не подвергнув себя опасности того, что из них выйдет пламя, как из горы Этны. Если не знать, что они из мяса и кости, то можно подумать, что попал в общество злых духов» [8, с. 3].
В 1743 и 1744 гг. Кратценштейн помогал в электрических исследованиях своему учителю, профессору университета в Галле Иоганну Готтлобу Крюгеру (1715—1759) [9, с. 11]. Эти исследования рассматриваются историками как первая попытка применения электричества в медицине. Их инициатором был Крюгер. Вот как он пришел к мысли об электролечении.
Ученый заметил на теле человека пятно от электрической искры. «Если электричество может не только вызывать пятна на коже,— рассуждал Крюгер,— но и распространяться по всему телу, то не несомненно ли, что электризацией можно вызвать изменения и во внутренних частях человеческого тела, где угодно. Однако всё, что может вызвать изменения в человеческом теле, можно использовать для восстановления потерянного или сохранения имеющегося здоровья, если только пользоваться этим вовремя и в нужных местах. Не следует ли отсюда, что электризация является новым видом лечения»,— заключает Крюгер в послании, датированном 21 декабря 1743 г. [10, с. 23].


Вернемся, однако, к опытам Грэя.

В 1735 г. Грэй со своим другом священником Грэнвилом Уилером (1701 —1770) подвесил горизонтально на шелковых шнурах железный стержень диаметром 1/2 дюйм (1,3 см) и длиной 4 фут (1,2 м). К одному концу стержня экспериментаторы подносили наэлектризованную стеклянную трубку, при этом ночью было видно свечение у концов стержня и было слышно шипение. Когда к другому концу один из экспериментаторов подносил палец или щеку, то между концом стержня и пальцем или щекой с шумом проскакивала искра.
Итак, «искрометный» опыт был проведен сначала с человеком (Дюфе), а лишь затем с металлическим стержнем.
В 1729 г. Грэй сделал открытие, которое не сразу было оценено по достоинству. В современных терминах это открытие из области электростатики формулируется так: свободные заряды в электростатическом поле находятся только на поверхности проводников. К подобному выводу Грэй пришел на основании следующего опыта.
Грэй подвесил на изоляторах рядом друг с другом два равновеликих куба из дерева (очевидно, непросушенного): один сплошной и один полый. Поднося наэлектризованную стеклянную трубку между кубами и симметрично над ними, Грэй обнаружил, что и тот и другой кубы одинаково притягивают находящиеся под ними кусочки фольги.
Грэй объяснял свои опыты погружением одних тел в «электрическую атмосферу» других. Предпосылки для подлинного объяснения различных электрических опытов создал Дюфе, который в 1733 г. открыл два вида электричества: стеклянное и смоляное, или, по позднейшей терминологии Бенджамина Франклина (1706—1790), положительное и отрицательное. Франклин исходил из наличия в телах «электрического флюида», избыток которого означает положительный заряд, а недостаток — отрицательный. Знаки зарядов Франклин выбрал на основе визуального наблюдения:       ученому казалось, что электрическая искра выходит из одних тел и входит в другие. Первые он назвал положительно заряженными, а вторые — отрицательно заряженными. Применяемые в наши дня знаки зарядов соответствуют позднейшей номенклатуре. Франклина (ученый изменил свою первоначальную номенклатуру). Теория Франклина получила название унитарной, потому что в ее основу положен электрический флюид одного вида [11].
В 1759 г. английский ученый Роберт Симмер (ок. 1707—1763) опубликовал теорию, согласно которой в любом теле имеется два вида электричества («+» и «—»), а заряд тела обусловлен их избытком или недостатком [12]. Унитарная и дуальная теории соперничали друг с другом с переменным успехом. Характерно, что Франклин не настаивал на исключительности своей теории и оказывал Симмеру техническую помощь с целью выяснения истины.
Рассмотренная выше экспериментальная конфигурация в виде длинного изолированного проводника в поле заряда, расположенного у конца проводника, применялась Джоном Кэнтоном (1718—1772) в 1753 г. и Франклином в 1755 г. [11, с. 135—149]. К концу полого металлического цилиндра подвешивались проводящие нити, оканчивающиеся пробковыми шариками (у Кантона), или пучки влажных нитей (у Франклина). Нити (с шариками) служили индикаторами электричества: при наличии заряда нити расходились. Поднося наэлектризованную стеклянную трубку («+») или сургучовую палочку («—») к концу цилиндра, не снабженному нитями, исследователи наблюдали расхождение нитей на противоположном конце. Из пояснений Франклина следовало, что заряды, возникавшие на концах цилиндра, были противоположного знака.
Свои опыты Кантон провел в связи с исследованиями по атмосферному электричеству: Кантона интересовало, что происходит в изолированных металлических шестах (незаземленных «громоотводах») под действием грозовых облаков, которые имитировались наэлектризованными стеклянной трубкой или сургучовой палочкой. Задача, которую ставил перед собой Кантон, состояла в «дальнейшем подтверждении выводов г-на Франклина о положительном и отрицательном состоянии облаков» [11, с. 135]. Франклин же провел свои опыты «в развитие опытов г-на Кантона» [11, с. 144], будучи явно не удовлетворенным его туманными объяснениями.
Франклин показал возможность зарядки проводника в подобных опытах: пусть произойдет разделение зарядов в проводнике, определяемое по расхождению нитей на обоих его концах. Прикоснемся кратковременно к концу, удаленному от источника заряда, при этом проскочит искра. Тем самым мы отведем заряд с конца проводника в землю, что будет видно по опусканию нитей. Если теперь убрать источник заряда, то нити вновь разойдутся, так как проводник в целом окажется заряженным со знаком, противоположным знаку заряда, отведенного в землю [11, с. 147].
Франклиновские взгляды и методика получили развитие в работах Франца Ульриха Теодора Эпинуса (1724—1802, с 1757 г. в России), который стал вторым профессиональным электрофизиком Петербургской Академии наук после Г.-В. Рихмана (1711 —1753) , погибшего при исследованиях атмосферного электричества.
Эпинус четко описал разделение зарядов в проводниках при электростатической индукции, иллюстрируя это явление следующим опытом: «Надлежит повесить на шелковых нитках или поставить на стеклянных подставках какую-нибудь металлическую призму и к одному ее концу должно принесть стеклянную трубку или трением наэлектризованный серный цилиндр, и в расстоянии двух или одного дюйма неподвижно держать; тогда увидишь, что все сие тело будет иметь электрическую силу; но притом одна сторона — положительную, а другая — отрицательную» [13, с. 400]. У Эпинуса встречается важное замечание, связанное с современным понятием электрической емкости. Ученый пишет о соприкосновении заряженного проводящего тела А с незаряженным проводящим телом В: «Если тело В будет очень большим по сравнению с телом А или если В будет соединено с земным шаром через посредство других тел, неэлектрических по своей природе [т. е. проводников — Л. К.], то электричество поглотится (...)» [13, с. 194].

Весьма любопытен следующий опыт Эпинуса (см. рисунок): «Положим на стеклянные подставки CD и EF металлический прут АВ, имеющий в длину приблизительно 1 фут, и на один из его концов положим какой-нибудь металлический брусок GL, имеющий в длину приблизительно 1 ½  дюйма, с крючком М посередине, к которому привязана хорошо высушенная шелковая нить НМ. Затем возьмем стеклянный электризационный цилиндр IK и, после того как он будет наэлектризован трением, поднесем его примерно на расстояние 1 дюйм к концу прута А, и пусть он остается неподвижным в таком положении.

опыт Эпинуса

Затем поднимем в воздух, с помощью шелковой нити ИМ, кусок металла GL и положим его на какую-нибудь стеклянную подставку N0. Если подвергнуть исследованию тело GL, то оно окажется электрическим, и притом отрицательно электрическим. Для второго опыта пусть все останется таким же, как было описано; стеклянную трубку IK снова поднесем к концу Л, но тело GL положим на другой конец прута В; если все останется как в предыдущем опыте, то тело gl (то же, что GL), будучи положено на подставку N0, опять станет электрическим, но будет уже обладать электричеством, противоположным тому, что прежде, т. е. положительным» [13, с. 133—134]. Поставив GL на В, коснувшись В проводником и убрав затем GL на N0, Эпинус получил примерно нулевой заряд GL.
Все эти опыты способствовали не только утверждению теории Франклина, но и изобретению электрофора—электростатического генератора, основанного на явлении индукции.
Созданию электрофора предшествовал также опыт Джован-Франческо Чиньи (1734—1790). Итальянский физик подносил снабженную изолирующей ручкой металлическую пластину к наэлектризованной шелковой ленте, при этом лента прилипала к пластине, а из пластины можно было извлечь пальцем искру. Отделив ленту от пластины, можно было убедиться, что лента осталась заряженной, как и прежде, а пластина оказалась заряженной с противоположным знаком. Из пластины можно было снова извлечь искру и повторить опыт много раз. На основании этого опыта Чинья отстаивал свой приоритет на электрофор [14, с. 181], хотя изобретение прибора в завершенном виде, датируемое 1775 г., принадлежит Алессандро Вольте (1745—1827).
Полное итальянское название прибора — elettroforo perpetuo, т. е. «вечный электроноситель». В электрофоре заряд, получаемый потиранием диэлектрической пластины, не расходуется как таковой. Он служит только для разделения зарядов (вследствие электростатической индукции) в находящейся над ней металлической пластине. Коснувшись металлической пластины, мы отводим заряд из ее верхнего приповерхностного слоя в землю, в результате чего пластина оказывается заряженной. (При больших размерах электрофора отводить заряд в землю через свое тело не безопасно, и в этом случае следует предусмотреть специальный разрядник.) Металлическую пластину кладут обратно; и описанную процедуру можно повторять многократно, каждый раз получая на пластине почти неизменный заряд.
Летом 1776 г. электрофор небольших размеров был привезен из Вены в Петербург [15]. Изучив его, механик Петербургской Академии наук И. П. Кулибин (1735—1818) по приказу императрицы Екатерины 11 в том же году изготовил «царь-электрофор», описанный в трудах академии за 1777 г. [16]. Кулибинский электрофор, как отмечается в трудах академии, был самым крупным в мире. Он состоял из двух металлических пластин в виде овалов или прямоугольников с закругленными углами. Нижняя пластина имела размеры 2,7X1,4 м. На ее заливку (для получения диэлектрика) пошло 74 кг смолы и 33 кг сургуча. Верхняя пластина, подвешенная на шелковых веревках, поднималась и опускалась посредством системы блоков. Электрофор был установлен во дворце императрицы в Царском Селе (ныне г. Пушкин). Императрица и придворные любовались огромными искрами при разряде электрофора. Впоследствии прибор был перевезен в физический кабинет при Академии наук, где находился до начала XIX в. (дальнейшая судьба неизвестна).
Изобретение электрофора не только расширило экспериментальные возможности исследователей, но и послужило толчком к созданию новых электростатических генераторов, в том числе не утратившего значения и в настоящее время генератора Ван-де-Граафа, развивающего напряжение до 20 МВ (проект — до 30 МВ).
Итак, опыты, основанные на электростатической индукции:
способствовали кристаллизации понятий «проводник» и «непроводник»;
способствовали утверждению понятия двух видов электрического заряда (« + » и «—»);
позволили извлекать искры из проводников, включая тело человека;
стимулировали зарождение электромедицины;
дали способ зарядки проводника, находящегося в электростатическом поле, путем отвода в землю разделенного заряда одного знака;
привели к изобретению электрофора.

Список литературы

1. Фарадей М. Экспериментальные исследования по электричеству.— Т. 1 / Пер. с англ. Е. А. Чернышевой и Я. Р. Шмидт-Чернышевой; комм, и ред. Т. П. Кравца.— Л.: Изд-во АН СССР, 1947,— 848 с.
2. Guericke О. v. Experimenta Nova (ut vocantur) Magdeburgica de Vacuo Spatio.— Amsterdam: Jansson, 1672.— 244 p.
3. Gray S. A letter (...) containing several experiments concerning electricity // Phil. Trans. — 1731 & 1732.— Vol. 37.— P. 18—44.
4. Du Fay Ch.-F. de C. Quatrieme memoire sur l’electricite // Memoires de l’Acad. (...) Paris.— 1733.— P. 457—476.
5. Du Fay Ch.-F. de C. A letter. (...) concerning electricity. Translated from the French (...) // Phil. Trans.— 1733 & 1734,—Vol. 38,—P. 258—266.
6. Gray S. Experiments and observations upon the light that is produced by communicating electrical attraction to animal or inanimate bodies (. ..) // Phil. Trans.— 1735&1736.— Vol. 39,— P. 16—24.
7. Gralath D. Geschichte der Electricitat // Versuche und Abhandlungen der Naturforschenden Gesellschaft in Danzig.— 1747,— 1. Theil.— S. 175—304.
8. Kratzenstein C. G. Abhandlung von dem Nutzen der Electricitat in der Arzneywissenschaft.— 2. Aufl.— Halle: Hemmerde, 1745.— 26 S.
9. Snorrason E. C. G. Kratzenstein professor physices experimentalis Petropol. et Havn. and his Studies on Electricity during the 18th Century.— Odense University Press, 1974.— (Acta Historica Scientiarum Naturalium et Medicina-lium, edidit Bibliotheca Universitatis Hauniensis.— Vol. 29).—206 pp.
10. Kriiger J. G. Zuschrift an seine Zuhorer worinnen er ihnen seine Gedanken von der Electricitat mitteilt.— Halle: Hemmerde, 1744.— 32 S.
11. Франклин В. Опыты и наблюдения над электричеством / Пер. с англ. В. А. Алексеева; ред., ст. и комм. Б. С. Сотина,— М.: Изд-во АН СССР, 1956,— 272 с.
12. Symmer R. New experiments and observations concerning electricity. Paper IV. Part I. Of two distinct powers in electricity // Phil. Trans.— 1759.— Vol. 60.— Pt. I.— P. 371—380.
13. Эпинус Ф. У. T. Теория электричества и магнетизма / Ред. и прим. Я. Г. Дорфмана.— Л.: Изд-во АН СССР, 1951,— 564 с.
14. Льоцци М. История физики / Пер. с итал. Э. Л. Бурштейна.— М.: Мир., 1970.— 464 с.
15. Ченакал В. Л. Электрические машины в России XVIII в. // Тр. Ин-та истории естествознания и техники.— 1961,— Т. 43,— С. 50—111.
16. Electrophore perpetuel // Acta Academiae Scientiarum Imperialis Petropolitanae.— 1777.— Pars. 1.— P. 70—71.

Автор: Крыжановский Л. Н.
Источник: Журнал Электричество 1992, №4 стр. 60-62

Все права сохранены  ©  Старые журналы для энергетиков

Перепубликация материалов возможна только с устного или письменного разрешения администрации сайта!