От Электричества до Телевидения. Популярная история, 2-е издание

1.1. Электричество

Электрические явления знакомы человеку с более древних времен, чем магнитные. Вместе с этим очевидно, что люди не объединяли магнитные и электрические явления, не догадывались об их близкой физической природе. Из электрических явлений, которые были известны человеку как разные явления, можно отметить следующие:

молния – грозное природное явление, приписываемое проявлению божественной силы – у греков это верховное божество Зевс – Zevs (греч. – написано латинским шрифтом) – дата начала культа Зевса-громовержца может быть определена как 15—14 века до н. э.

электрошоковое действие отдельных видов рыб – предположительно египтяне знали о них в 24 век до н. э.

электрические свойства янтаря – накопление статического электрического заряда при натирании мехом – были обнаружены много ранее 7 века до н. э.

Происхождение слова электричество (а позднее и электрон) очевидно греческое т. к. elektron – это янтарь – на древнегреческом языке. В русский язык слово янтарь скорее всего пришло из литовского от gintaras (лит.), учтем при этом большую добычу янтаря на литовском побережье Балтийского моря, откуда солнечный камень и привозили в Русь.

Впрочем, месторождения янтаря есть по всей Европе – в том числе и в Северной Греции, этот природный материал – окаменевшая смола – использовался с древних времен как материал ювелирный. При трении о сухую кожу на янтаре накапливается электрический заряд, который может притягивать легкие предметы – перья, волосы и т. д. Это свойство янтаря долгое время считалось уникальным и только ему присущим.

Аристотель пишет, что Фалес Милетский проверил притягательные свойства янтаря, когда натер его кусок кошачьей шерстью и притянул пучок перьев. Проверить это сведение об опыте, проведенном в 7 веке до н. э., невозможно – будем доверять Аристотелю.

Римляне приписывали янтарю – амбре – (ambra – итал.) лечебные свойства, об этом упоминает Плиний (1 век), связано ли это с накоплением заряда от трения – неизвестно.

На этом сообщения об электричестве в описываемом периоде истории заканчиваются.

1.2. Магнетизм

Явление магнетизма – взаимного притяжения природных материалов – камней из магнитного железняка («магнит» – слово греческое magnyz– читается как «магниз») и самородного железа – известно человеку с древних времен. Сведения о приоритете китайцев в этой области науки не очень достоверны, но мы обязаны о них упомянуть [1]:

не ранее 2637 года до н. э. – китайский император Хуан-ди (2697—2597 годы до н. э.) использовал компас (?) в бою, чтобы найти направление, по которому он должен преследовать своих врагов.

1110 год до н. э. – китайский министр Тахеон Кун использовал компас при плавании из Кочина, Китай, в Тонкин; два года спустя китайские суда по компасу вышли в Индийский океан.

1022 год до н. э. – на китайских колесницах было установлено устройство с плавающей магнитной стрелкой в форме фигурки божества, которое протянутой рукой всегда указывало на юг.

Происхождение слова магнит греческое и в Европе первые описания магнитов встречаются у греческих авторов, их труды мы знаем в изложении европейских авторов средних веков. Внимание заслуживает 20-томный трактат [2] итальянского ученого и алхимика Джамбаттиста делла Порта (1540—1615) – в седьмом томе своего трактата он ссылается на греческого писателя Никандра (жил во 2 веке до н. э.) и римского писателя Плиния (жил в 23—79 гг. – погиб при извержении Везувия) и приводит легенду о греческом пастухе, который застрял в своих подкованных сандалиях на каменистом поле у города Магнез, и тем самым первым нашел магнитный железняк. Дата этого происшествия неопределенна, но известно, что легендарный Магнез, сын Зевса, правитель Магнеза – герой из греческой мифологии – жил в 10—12 вв. до н. э., следовательно, не ранее этого времени был открыт магнит – т. е. в Китае он был известен на 1500 лет раньше.

В 7 в. до н. э. магнит и его магнетизм (свойство притягивать железо) были в Греции общеизвестны, об этом можно судить по трактату «О душе» Аристотеля [3], в котором есть упоминание о философе Фалесе Милетском (жившем в 624—548 г. до н. э.):

«По-видимому, и Фалес, по тому, что о нем рассказывают, считал душу способной приводить в движение, ибо утверждал, что магнит имеет душу, так как движет железо.»

Свою версию происхождения слова магнит дает российская энциклопедия [4]:

«Магнитная железная руда находится почти везде, в России в особенности на Урале (гора Благодать); древние находили ее в Лидии у города Магнезии (Гераклеи), почему и назвали ее гераклейским камнем (Платон), лидийским камнем (Софокл).»

С года смерти Плиния (79 г.) в научных достижениях естествоиспытателей (вернее в сведениях о них) имеется 1000-летний провал, и только с 11 века появились новые сообщения о работах по изучению магнетизма и применения его на практике.

1.3. «Багдадская батарейка»

Для полноты картины о начальных сведениях по электричеству и магнетизму упомянем об одной археологической находке – т. н. «багдадской батарейке». Эту «батарейку» при раскопках в районе Багдада в 1936 г. нашел австрийский археолог Вильгельм Кёниг, в 1940 г. в Вене он опубликовал книгу о своей работе «Im verlorenen Paradies: 9 Jahre Irak». Артефакт, который нашел Кёниг, при большой фантазии можно принять за гальванический элемент – проводившиеся опыты с макетом «багдадской батарейки» закончились получением от нее напряжения 0,8—2,0 В. Дата изготовления «багдадской батарейки» условно относится к 3 веку до н. э. Скептики считают, что представленный Кёнигом артефакт имеет другое назначение – например, это сосуд для хранения свитков рукописей (к слову – традиционно по всем интересным археологическим находкам высказываются скептики, например, «золото Трои», которое нашел Шлиман, они считают «новоделом», сделанным «в Одессе на Малой Арнаутской» и т. д.). Артефакт Кёнига представлен в Техническом музее в Вене [5].

Рис. 1 фото электрического элемента [5]

2.1. Магнетизм

В области магнетизма внимание ученых в 10—15 веках в первую очередь было приковано к двум областям знания:

компасу, как навигационному прибору, использующему намагниченную стрелку;

Земле, как большому магниту, по поверхности которого можно перемещаться с использованием компаса.

Компас предположительно был завезен в Европу из Китая, но имеются сторонники версии о независимом создании компаса в Европе – установить доподлинно этот вопрос невозможно, как неизвестны имена создателей китайского и европейского компасов.

Неаполитанцы считали, что компас изобретен их земляком Флавием Джиои и поставили ему памятник, но исследователи первенство Неаполя не признавали:

«В одной рукописи ХI века сообщают, как о вещи давно известной, что китайцы употребляют магнитную стрелку для указания направления на море в при путешествиях на суше. Китайские императоры во время переездов через пустынные азиатские степи издавна имели магнитные стрелки в своих паланкинах. Первые известия об употреблении компаса у арабов относятся к 1242 г. Араб Байлак рассказывает, что в темные ночи сирийские мореплаватели кладут обыкновенно на воду крест из лучинок, а сверху магнит, который своими концами указывает направление. Арабы, впрочем, знали компас еще раньше, судя по одной цитате в сочинениях Альберта Великого, которая заимствована из древней арабской книги и положительно указывает на знание свойств магнитной стрелки. Подобное же указание встречается в одном французском стихотворении Гюйо (1181), где магнитная стрелка, с ясным намеком на ее употребление моряками, называется маринетте. Из всего сказанного очевидна неосновательность притязаний итальянца Флавия Джиои или Джири из Амальфи, которому обыкновенно приписывают изобретение компаса в 1302 г. и которому по этому случаю поставлен в Неаполе бронзовый памятник.» [11].

1200 г. Неккам

В 1200 г. первым из европейцев в своем энциклопедическом трактате «De naturis rerum» («О природе вещей») компас описал английский монах Александр Неккам (1157—1217 гг.). Неккам рассказывает о «плавающей» конструкции компаса, он точно описывает явления притяжения и отталкивания и предлагает теорию магнитной силы. [6].

За описанием Неккама последовали описания ряда авторов:

1204 г. – Жак де Витри (1165—1240 гг.);

1205 г. — Гийо де Провинс (1184—1210 гг.);

более подробное описание дал в 1220—44 гг. Винсент де Бове (1190—1264 гг.).

1269 г. Марикурт

В 1269 г. этапную работу по теории компаса «Epistola de Magnete» написал крестоносец из Пикардии Пьер де Марикурт (умер после 1269 г.). В письменном трактате Пьер де Марикурт изложил эмпирическую теорию по геомагнетизму, и представил изображения «плавающего» и «сухого» компасов (рис. 2) и описание их работы. Кроме того Марикурт предложил первый «вечный» двигатель, в котором магнитная стрелка под действием земного притяжения должна была сдвигать зубчатое колесико, размещенное на внешней окружности компаса. В 14 веке было известно около 30 версий рукописных копий трактата Марикурта, на основе одной из этих версий книга Марикурта «Epistola de Magnete» была напечатана в Аугсбурге только в 1558 г. Пикардиец Марикурт опередил время на 300 лет, но был забыт, т. к. «новое» объяснение принципа работы компаса в магнитном поле Земли в 1600 г. от своего имени представил англичанин Вильгельм Гильберт (1544—1603 гг.), который, безусловно, знал о работе Марикурта. Еще через 400 лет справедливость научного первенства Марикурта была признана, и с 2005 г. Европейский геофизический союз в знак особых заслуг Пьера де Марикурта ежегодно одного ученого естествоиспытателя награждает медалью имени Петра Перегриноса (это латинское имя Пьера де Марикурта).

Рис 2. реконструкция «плавающего» – а и «сухого» – б компасов Марикурта, [7]

С 1269 года по 1600 год новых оригинальных научно-технических работ по магнетизму мы не знаем. В тоже время развитие техники компаса и связанной с ним магнитной картографии шло бурно. Новые земли были открыты с использованием компаса, самые известные его пользователи мореплаватели итальянец Колумб и португалец Васко да Гама нашли путь в Америку и Индию. В практическом применении пользователи столкнулись с двумя явлениями, которые ухудшали точность компаса:

магнитное склонение – отклонение стрелки прибора от истинного направления на север;

магнитное наклонение – отклонение стрелки прибора от истинного горизонта.

1492 г. Колумб

Считается, что в 1492 г. Христофор Колумб (1451—1506 гг.) при плавании через океан в Америку точное направление на север определял по Полярной звезде, и обнаружил что магнитное склонение, которое считалось величиной постоянной, меняется в разных географических координатах. Его открытие привело к необходимости создания карт магнитных склонений – вероятно первую такую карту составил испанец Алонсо де Санта Крус в 1530 г.

1544 г. Гартман

Авторство обнаружения магнитного наклонения, возможно, принадлежит немецкому ученому Георгу Гартману (1489—1564 гг.) [8]. В 1544 г. в письме, которое 4 марта Гартман отправил из Нюрнберга герцогу Альбрехту Прусскому с голубем (!), он написал об обнаружении магнитного наклонения около 0,9 градуса. Письмо Гартмана находилось в Королевском архиве Кенигсберга, но в 1590 г. итальянские физики выразили свой скептицизм относительно открытия Гартмана, высказав версию о влиянии на магнитную стрелку железной оконной решетки.

1576 г. Норман

В 1576 г. выдающийся эксперимент по измерению магнитного наклонения в Лондоне провел английский производитель компасов Роберт Норман. В 1581 г. он опубликовал подробный научный памфлет «The newe attractive:…» – «Новое наблюдение:» [9]. Норман в своем памфлете приводит подробное описание применяемых в компасе магнитов, рассказывает о своем измерении магнитного наклонения в Лондоне. Он пишет «я обнаружил в Сити Лондона наклонение около 71 градуса 50 минут», и приводит поясняющие схемы и условный внешний вид изготовленного для замеров прибора (рис. 3) – стрелка прибора на рисунке показывает реальное магнитное наклонение в Лондоне. В знак признания научных заслуг Нормана один из кратеров на Луне назван его именем.

Рис 3. измеритель наклонения Нормана и схема поясняющая его работу по [9].

2.2. Электричество

Исследований, которые открыли бы новые явления в области электричества с 1000 по 1599 гг. не было. Упоминавшийся мной большой труд итальянца Джамбаттиста делла Порта [2] содержит описательные разделы, относящиеся к электричеству – но это изложение достижений предшественников и описание известных физических эффектов.

1600 г. Гильберт

1600 г. стал рубежом для научных исследований по магнетизму и электричеству. В этом году вышла содержательная работа англичанина Вильгельма Гильберта.

«Гильберт, Вильгельм (Gilbert, 1540—1603) – врач королевы Елизаветы и Иакова I. Занимался исследованиями над свойствами магнитов и земным магнетизмом. Его сочинение: «De magneto magneticisque corporibus et de magno magnete tellure» издано в Лондоне, в 1600 г. Он в нем высказывает, что для объяснения склонения и наклонения магнитной стрелки необходимо рассматривать землю, как большой магнит. Вообще это сочинение, в котором описаны впервые точные магнитные и электрические опыты, весьма замечательно для своего времени и положило начало настоящей науке о магнетизме и электричестве. Полное собрание его сочинений издано В. Босвелем под заглавием: «De mundi nostri sublunaris philosophia nova» (Амстерд., 1651). Увлеченный изучением магнитных явлений, Г. стремился объяснить и многие другие явления также магнетизмом [2].

Вильгельм Гильберт изобрел электроскоп – прибор для определения наличия заряда на предмете – это была металлическая легкая стрелка, которая могла вращаться на оси, автор назвал этот прибор «версориум». Для демонстрации магнитных свойств Земли Гильберт построил модель из магнитного материала – «терреллу» – «маленькую землю», на этом макете Гильберт с помощью компаса показал что является причиной склонения и наклонения у компаса на реальной Земле. Приборы Гильберта представлены на рис 4.

Рис 4. «Версориум» и «Террелла» Вильгельма Гильберта

Гильберт первым сообщил о наличии двух видов «электричества» (этот термин, происходящий от греческого названия янтаря, возможно первым употребил Гильберт) – натертый мехом янтарь по Гильберту получал «смолистое» электричество, а стеклянная палочка, натертая шелком, получала электричество другого типа, его Гильберт назвал «стеклянным». С помощью электроскопа Гильберт определил, что разноименное электричество у двух тел притягивается, но свойство отталкивания ему было неизвестно. Гильберт также показал, что если магнит расколоть, то у осколков магнита немедленно образуется 2 полюса. По Гильберту свойствами приобретения электрических свойств от трения обладают многие материалы, в частности алмаз, аметист, все виды стекла, сера, каменная соль и другие. Неспособными к получению электрических свойств при трении Гильберт называет кроме прочих агат, жемчуг, слоновую кость и металлы. Гильберт первым определил, что опрыскивание водой и спиртом ослабляет электрическую силу, а опрыскивание маслом не оказывает влияния. Родство электричества и магнетизма Гильберт не обнаружил, магнетизм он считает особым свойством, присущим телу от природы, а электричество – истечениями из тела, происходящими при трении.

1629 г. Кабеус

В 1629 г. в Ферраре итальянец Никколо Кабеус (1585—1650 гг.) напечатал свою работу «Philosophia magnetica», в которой он подтверждает научный факт о том, что Земля представляет собой большой магнит, а также сообщает о наличии сил электрического отталкивания и притяжения (термин «электрическая сила» первым употребил Кабеус). Никколо Кабеус выступал за тщательное подтверждение гипотезы экспериментом, при этом он был ярым противником Галилея (обвинял последнего в плагиате – списывании закона падения тела у ученых генуэзской школы), и считал, что магнитные свойства Земли дополнительно подтверждают геоцентрическую модель строения Солнечной системы.

1629 г. Декарт

В 1644 г. французский естествоиспытатель Рене Декарт (1595—1650 гг.) опубликовал работу «Principia Philosophiae», в которой предложил 1-ю теорию магнита. По Декарту вдоль оси магнита протекает вращающийся вихрь флюидов, которые втекают в один полюс и вытекают из другого. Идеи Декарта для магнетизма сходны с идеями Гильберта для электричества (см. выше) в части объяснения природы явления неким невидимым «истечением». В определенном смысле теория Декарта оказалась качественно верна, с заменой понятия «вихрь флюидов» на «магнитное поле».

1663 г. Фон Герике

Не позднее 1663 г., а возможно и 10 годами ранее, немецкий естествоиспытатель Отто фон Герике (1602—1686), провел в Магдебурге серию опытов на прототипе электрической машины. Цель Герике, более известного своими работами в области создания вакуума, состояла в проверке электрических опытов Гильберта, что он и выполнил, кроме того Герике открыл ряд новых электрических явлений.

«Чтобы наладить электрические опыты более удобно, чем Гильберт, и получать более сильные действия, Герике, устроив шар из серы величиною в детскую голову, насадил его на железную ось с рукояткой и установил на деревянном штативе. При вращении шара для натирания его служила ладонь человеческой руки. С этим-то зародышем электрической машины Герике удалось существенно пополнить скудные электрические сведения своего времени. Так, он наблюдал, что пушинка не только притягивается натертым шаром, но через некоторое время отталкивается им; ему даже удавалось, сняв шар с штатива, заставить пушинку плавать в воздухе. Далее он заметил, что пушинка, раз оттолкнутая от шара, начинает притягиваться к другим телам… К скамейке была прикреплена деревянная стойка, с вершины которой спускалась льняная нитка более чем в локоть длины. Натертый серный шар приближался к вершине стойки, а к нижнему концу нитки подводился пальца на два какой-нибудь посторонний предмет, – тогда конец нитки притягивался к последнему. Таким образом Герике показал, что электрическая сила может распространяться по льняным нитям на длину одного локтя.» [11].

Свои результаты Герике подробно описал в труде «Experimenta nova», изданном в 1672 г., электрические опыты описаны в книге 4, главе 15. Цель создания электрической машины Герике перед собой не ставил – его сфера из минеральной серы была сделана по образцу магнитной «тереллы» Гильберта. Явление электрической индукции, которое фактически открыл Герике, особого внимания у современников не вызвало, но подтолкнуло других ученых, в первую очередь англичанина Хэксби (см. далее) к углубленным исследованиям. Судьба экспериментальной модели с серным шаром, сделанным Герике, точно неизвестна, но в 1815 г. «машина Герике» находилась в Брауншвейгской политехнической школе – авторство этой «машины» точно не доказано.

1672 г. Бойль

После 1672 г. на основе труда Отто фон Герике и с использованием его воздушного насоса английский физик Роберт Бойль (1627—1691 гг.) провел ряд опытов и получил новые результаты.

«Эти и многие другие опыты Б. производил при помощи воздушного насоса, незадолго перед тем изобретенного Отто фон Герике, но получившего различные усовершенствования в руках Б. После появления сочинения Герике, в котором описаны его опыты над электричеством и магнетизмом, Б. занялся воспроизведением этих опытов и внес в них, как всегда, нечто новое; однако он иногда ошибался, как, например, в том случае, когда полагал, что железо отпадает от магнита под колоколом воздушного насоса вследствие разрежения воздуха.» [4].

Бойль обнаружил (возможно, не первый) взаимность электрического притягивания – что выражается в том, что не только не наэлектризованное тело притягивается наэлектризованным, но и второе притягивается первым. Используя воздушный насос, Бойль первым показал, что в пустоте электрические опыты удаются так же, как в обычных условиях, т. е. для проявления электрического взаимодействия тел воздух не нужен.