5.1. Первые сведения об электричестве трения и магнетизме

Электричество (от греческого «elektron», что означает «янтарь») – совокупность явлений, в которых обнаруживается существование, движение и взаимодействие заряженных частиц. Часто под электричеством понимают электрическую энергию, например, когда говорят об использовании электричества в народном хозяйстве. Значение термина «электричество» менялось в процессе развития физики и техники (М., «Советская энциклопедия», 1989).

Начальные знания об электризации трением и магнитных свойствах относятся к глубокой древности. К примеру, известный египтолог Бругш Паша предполагал, что в египетских храмах существовали… молниеотводы! Они представляли собой высокие деревянные мачты с металлической обшивкой. Такие же шесты, только сделанные из железа, были известны древним индусам.

В те далекие времена в окрестностях древнегреческого города Магнезия древние греки находили камешки, притягивающие легкие железные предметы (их назвали магнитами и оттуда пришло к нам слово «магнит»). Они находили и камешки, выбрасываемые приливами и волнами морей (их называли янтарем), которые не притягивали железных предметов, как магниты, но обладали не менее любопытным свойством: после натирания о шерсть приобретали способность притягивать к себе пушинки, волосинки, соломинки, легкие кусочки дерева и другие легкие тела. Древнегреческий философ Фалес Милетский впервые описал это явление, которое свыше 2000 лет оставалось неизученным и неиспользованным.

Письменное свидетельство знакомства человека с магнитными свойствами некоторых материалов находим в замечательной поэме «О природе вещей», написанной Титом Лукрецием Каром в I веке до нашей эры:

Также бывает, что попеременно порода железа
Может от камня отскакивать или к нему привлекаться.
Также и то наблюдал я, как прыгают в медном сосуде
Самофракийские кольца железные или опилки
В случае, если под этим сосудом есть камень магнитный.

Первые достоверно известные упоминания об электрических и магнитных явлениях связаны с именем выдающегося английского физика и врача, лейб-медика королевы Елизаветы Уильяма Гильберта.

В своем сочинении «О магнитах, магнитных телах и большом магните – Земле», вышедшем в Лондоне в 1600 г., он впервые рассмотрел магнитные и многие электрические явления и привел большой список тел, электризующихся трением. Его исследования свойств магнитной стрелки привели к верному выводу, что и Земля является магнитом.

Фалес Милетский (ок. 625 – ок. 547 гг. до н.э.) – древнегреческий мыслитель, родоначальник античной философии и науки, основатель милетской школы. Он происходил из знатного рода. Побуждаемый жаждой знаний, он много путешествовал по разным странам, в том числе предпринял путешествие в Египет, где познакомился с астрономическими, математическими и механическими познаниями египтян. Был всесторонним ученым и мыслителем, изобрел несколько астрономических приборов, удачно предсказал солнечное затмение 585 года до н.э. Известно, что ему были знакомы сила притяжения магнитов и электрические свойства янтаря, обретаемые им при трении. Он создал стройное философское учение, касающееся вопросов мироздания. В области науки ему принадлежит заслуга определения времени солнцестояний, равноденствий, установления продолжительности года в 365 дней, открытие факта движения Солнца по отношению к звездам. Он также имеет заслуги в области математики.

Уильям Гильберт (1544–1603) родился на юго-востоке Англии в городе Кольчестере, образование получил сначала в Кембридже, затем в Оксфорде. Гильберт в 1560-х годах успешно занимается врачебной практикой. Заинтересовавшись целебными свойствами магнитов, о которых узнал в рукописях древних и современных ему авторов, Гильберт приступил к фундаментальному изучению магнитных и электрических явлений, воспроизвел и проверил достоверность описанных опытов, поставил ряд собственных оригинальных экспериментов. Исследованиям магнетизма и электричества Уильям Гильберт посвятил 18 лет своей жизни, поставил свыше 600 опытов (все это делая в свободное от основной работы время) и в обеих этих областях сделал выдающиеся открытия. 

Известно также, что во время своих морских путешествий знаменитый Колумб сделал ряд научных открытий, среди которых наибольшее значение имеют его наблюдения над земным магнетизмом и компасом. Он определил величину магнитного отклонения стрелки компаса и заметил, что для различных точек земной поверхности она различна. Впервые это было констатировано 13 сентября 1492 года.

Гильберт первым стал пользоваться для опытов магнитной стрелкой, висящей на тонкой нити. Так как главное свойство магнита – его притягивающая сила и так как янтарь, натертый трением, притягивает к себе мелкие тела (что Гильберту было известно), то он старался установить зависимость между притягивающей силой магнита и такой же силой янтаря. Установить такую зависимость Гильберту не удалось, зато он открыл, что свойства янтаря присущи целому ряду других тел, в особенности различного рода стеклу, горному хрусталю и т.п. И, наоборот, другие тела (например, мрамор, известь, металлы и т.д.) этим свойством не обладают. Гильберт точно отличал тела, приобретающие от трения электрические свойства, от тел, которым эти свойства не сообщаются. Ему же обязаны своим происхождением и само слово «электричество», а также выражения «электрическая сила» и «электрическое тяготение». Так что если в исследованиях магнетизма Гильберт был первым не хронологически, а по значимости, то в познании электрических явлений он явился подлинным пионером. Очень важным в учении Гильберта является то, что он первым отделил электрические явления от магнитных, вскрыв различную их природу, и сформулировал различия между ними.

Природа электрических явлений оставалась долго сокрытой от человеческого исследования. Причина этого, может быть, заключается в том, что мы открываем данные явления только по сопровождающему их механическому, световому или тепловому действию.

В будущем дальнейшее изучение явления электризации трением показало, что оно вызывается электрическими зарядами, которые есть в любом веществе, так как электрически заряженные частицы являются составными частями атомов всех веществ. Но с того времени, как Гильберт показал, что трением можно привести в электрическое состояние очень большое число тел, расцветавшее тогда естествоиспытание с рвением взялось за дальнейшее исследование.

Магдебургский бургомистр и физик Отто фон Герике придумал и соорудил первое устройство для получения статического электричества.

Интересно, что примерно за тысячу лет до нового летосчисления важным достижением в области магнетизма было изобретение в Китае удивительно остроумного прибора, названного «указателем юга». Сначала он применялся лишь для гадания, но потом стал использоваться по своему прямому назначению – как мореходный компас. В это же время была создана и оригинальная конная «повозка, указывающая на юг», на которой было установлено механическое устройство, фиксирующее отклонение дышла от заданного направления «север – юг». Компас в Европе известен с XII века. Без этого простейшего навигационного прибора были бы невозможны великие географические открытия XV– XVII веков.

Конструкция первой машины для получения электричества описана им в сочинении «Новые, так называемые магдебургские, опыты о пустом пространстве» (1672 г.).

Стеклянный шар он заливал серой, а затем отбиванием удалял стекло. Получившийся шар из серы он снабжал деревянной осью с подшипниками. С помощью шнурка шар мог быть приведен в быстрое вращение. При трении шара о приложенную к нему руку между ним и свободно подвешенным перед ним металлическим стержнем проскакивали маленькие искорки. Стержень являлся проводником (кондуктором) и мог отдавать свой заряд руке или другим близко находящимся предметам. Первая электрическая машина трения Отто фон Герике и иллюстрация действия притягивающей силы электричества показаны на рис. 5.1.

Характерной чертой конца XVII и начала XVIII веков стало то, что исследование электрических и магнитных явлений занимает ведущее место. Эти исследования проявились в огромном числе опытов, которые, казалось, не имели никакой связи между собой, но из которых постепен

Отто фон Герике (1602–1686) – немецкий ученый, дипломат, бургомистр – по окончании Магдебургского училища изучал науки в университетах Лейпцига, Хельмштадта, Иены, Лейдена, увлекался правом, физикой, прикладной математикой, механикой, фортификацией, изучал явление вакуума, изобрел вакуумную откачку и осуществил известный эксперимент с магдебургскими полушариями. Также он занимался исследованиями в области электричества, обнаружил явление взаимного отталкивания двух наэлектризованных тел. но возникает знание законов электричества и магнетизма, в конце концов применяющееся на практике и достигающее своего кульминационного момента в беспримерном развитии современной электротехники. Внимание ученых в начале XVIII века было направлено на изучение различных атмосферных явлений, связанных с электричеством и магнетизмом. Так, в 1716 году английский астроном и геофизик Эдмунд Галлей (1656–1742) обнаружил, что появившееся в этом году северное сияние, видимое почти на всем континенте, отклонилось от точки севера почти настолько, насколько отклоняется магнитная стрелка. В этом он увидел связь явления северного сияния с земным магнетизмом.

Гравюра из книги Отто фон Герике «Новые, так называемые магдебургские, опыты о пустом пространстве», 1672 г.

Если еще до конца XVII века считали, что молния представляет собой серные или селитровые пары, которые внезапно загораются, то уже в самом начале XVIII века появились сообщения, что искры и треск при приближении пальца к подвергнутому трению янтарю можно сравнить с молнией и громом.