Историческая справка об электризации тел
Мальгина Вера Борисовна, учитель физики, ГБОУ Центр образования №80 Центрального района Санкт Петербурга
История изучения электричества интересна и поучительна. Некоторые, наиболее существенные исторические примеры можно использовать на уроках для повышения интереса к теме.
Греческий философ Фалес Милетский, живший в 624-547 гг. до н.э., открыл, что янтарь, потертый о мех, приобретает свойство притягивать мелкие предметы - пушинки, соломинки и т. п. Это свойство в течение ряда столетий приписывалось только янтарю.
Рождение учения об электричестве связано с именем Уильяма Гилберта (1540-1603),врача английской королевы Елизаветы. Первую свою работу по электричеству Гильберт опубликовал в 1600 г., где описал результаты своих 18 – летних исследований и выдвинул первые теории электричества и магнетизма. Здесь он впервые в истории науки применил термин «электричество» (от греческого слова «электрон», что означает «янтарь»). Он был одним из первых ученых, утвердивших опыт, эксперимент как основу исследования. Он показал, что при трении электризуется не только янтарь, но и многие другие вещества (алмаз, сапфир, хрусталь, стекло) и что притягивают они не только пылинки, но и металлы, дерево, листья, камешки и даже воду и масло. Гильберт открыл явление утечки электричества во влажной атмосфере, его уничтожения в пламени, экранирующее действие на электрический заряд бумаги, ткани или металлов, изолирующие свойства некоторых материалов.
Следующим этапом в развитии учения об электричестве были опыты немецкого ученого Отто фон Герике (1602-1686). В 1672г. вышла его книга, в которой были описаны опыты по электричеству. Наиболее интересным достижением Герике было изобретение им «электрической машины». «Электрическая машина» представляла собой шар, сделанный из серы и посаженный на железный шест. Герике вращал шар и натирал его ладонью руки. Впоследствии ученый несколько раз усовершенствовал свою «машину». С помощью этой «машины» Герике обнаружил, что кроме притяжения, существует и электрическое отталкивание.
В 1729 г. англичанин Стефан Грей (1666 – 1736г.) опытным путем открыл явление электропроводности. Он установил, что электричество способно передаваться от одних тел к другим по металлической проволоке. По шелковой нити электричество не распространялось. В связи с этим Грей разделил все тела на проводники и непроводники электричества.
Два вида электричества
Более 250 лет прошло с тех пор, как стало известно о существовании двух видов электричества. В 1733 году французский физик Шарль Дюфе (1698 – 1739г.) опубликовал во французском и английском журналах статьи. В них он описал результаты своих опытов по электризации различных тел. Для обнаружения и примитивного измерения электричества Дюфе пользовался версором Гилберта, сделав его намного более чувствительным.
Из многочисленных и остроумно поставленных экспериментов Дюфе сделал вывод, что существуют два вида электричества. Одно электричество возникает при натирании копала (ископаемой смолы), воска, шелка и многих других веществ. Другое появляется при натирании стекла, горного хрусталя, драгоценных камней, шерсти и др. Поэтому Дюфе назвал первое из них смоляным, а второе стеклянным электричеством. Тело, обладающее любым из двух видов электричества, притягивает к себе легкие тела (именно это свойство еще с античных времен обозначалось словом «электричество»). Различие же состоит в том, что тела, заряженные одним и тем же электричеством (стеклянным или смоляным), отталкивают друг друга, но если одно тело заряжено стеклянным, а другое смоляным электричеством, то они взаимно притягиваются.
Так были установлены фундаментальные факты: наличие двух видов электричества и существование электрических сил притяжения и отталкивания. Естественно возникает вопрос о том, как же появляется у тел то или иное электричество. В то время об этом можно было строить только догадки.
Флюид Франклина. Одна такая догадка была высказана в 1750 году американским физиком (а также известным государственным и общественным деятелем, одним из руководителей борьбы американских колоний за независимость) Бенджамином Франклином.
По Франклину, в каждом теле содержится особое электрическое вещество (флюид, как тогда говорили), что-то вроде электрической жидкости. Частицы этой электрической жидкости отталкиваются друг от друга, но сильно притягиваются частицами тела, так что всякое тело действует на электрическую жидкость подобно губке, втягивающей в себя воду (частицы электрической жидкости много меньше частиц самого тела, иначе они не могли бы проникать внутрь тела). Но присутствие электрической жидкости в теле не делает его наэлектризованным, если она содержится в теле в некотором, так сказать, нормальном количестве. При натирании же одного тела другим часть электрической жидкости перетекает из одного тела в другое, вот тогда-то оба тела и становятся наэлектризованными. То тело, в которое электрическая жидкость перетекла и в котором поэтому создается ееизбыток по сравнению с нормальным количеством, становится обладателем стеклянного электричества. Второе тело, в котором электрической жидкости оказывается меньше нормального количества, заряжается смоляным электричеством. Однако Франклин дал этим двум видам электричества другие названия. Стеклянное электричество (им обладают тела с избытком электрической жидкости) Франклин назвал положительным, а смоляное (которым обладают тела с недостатком электрического флюида) - отрицательным. Эти названия сохранились до наших дней, впрочем, как и другие термины, введенные в науку об электричестве Франклином: заряд, разряд, конденсатор, батарея, проводник и т. д.
Электричество и…чулки.
Другое объяснение было предложено в 1759 году англичанином Р. Симмером. Поводом для этого послужили довольно занятные наблюдения, проведенные им.
Симмер имел обыкновение носить две пары чулок: черные шерстяные для тепла и белые шелковые для красоты. Снимая с ноги сразу оба чулка и выдергивая один из другого, Симмер видел, как оба чулка раздуваются, воспроизводят форму ноги и притягиваются друг к другу. Однако чулки одного цвета, как черные, так и белые, друг от друга отталкиваются. Если держать в одной руке два белых, а в другой два черных чулка, то при сближении рук взаимное отталкивание одноцветных чулок и притяжение разноцветных приводит к забавной возне между ними - чулки противоположных цветов как бы набрасываются друг на друга и сплетаются в один причудливый клубок.
Эти наблюдения и привели Симмера к заключению, что в каждом теле имеется не одна, а две электрические жидкости - положительная и отрицательная, содержащиеся в теле в одинаковых количествах. При натирании двух тел какая-то из них может перейти из одного тела в другое, тогда в одном теле окажется избыток одной из жидкостей, а в другом - ее недостаток.
Электрический конфликт.
Так появились два представления об электричестве. Долгое время, почти полтора столетия, ни одна из них не получала всеобщего признания.
Когда в конце XVII- начале XIXвеков появилась возможность получать и изучать постоянный электрический ток, возник спор о том, что именно «течет» в цепи, содержащей источник тока и проводники. Были сомнения в том, одинаковы ли электричество, которое получают при натирании тел, и то, что течет в электрической цепи. Последнее получило даже специальное название - гальваническое электричество. Но все же многие считали, что в проводниках электрической цепи текут одновременно два симмеровских электричества, и называли электрический ток - электрическим конфликтом, поскольку эти электричества текут в противоположных направлениях. Так, например, когда в 1820 году X. Эрстед издал брошюру, в которой описывалось открытое им действие тока на магнитную стрелку, он назвал ее так: «Опыты, относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку».
Тогда читателям было понятно это странное для нас название, и брошюра имела успех в виду фундаментальной важности сделанного открытия.
Окончательное разрешение старый спор двух теорий - Франклина и Симмера - получил лишь в конце XIX- начале XXвеков. Теперь мы знаем, что победителем в споре надо признать Симмера. «Электрические жидкости Симмера» - это отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные протоны, которые в одинаковом числе содержатся в каждом нейтральном теле, в каждом атоме вещества.
Но кое-что оказалось верным в теории Франклина: при натирании тел переходить с одного тела на другое может только один «флюид» - отрицательно заряженные электроны. Однако тело, на которое они переходят, становится отрицательно заряженным, в то время как Франклин считал его заряженным положительно. Это связано с тем, что Франклин счел нужным назвать положительным стеклянное электричество Дюфе. От этого выбора, сделанного Франклином, следует и то, что электрону мы приписываем отрицательный знак заряда, и то, что за направление электрического тока принимается направление движения положительных зарядов, хотя в подавляющем большинстве проводников, прежде всего, металлических, фактически движутся отрицательно заряженные частицы. В электролитах и газах электрический ток – это встречное движение и положительных, и отрицательных частиц. Но теперь никто это не считает электрическим конфликтом.
Первые теории электричества
Вместе с ускорившимся развитием опытного исследования электрических явлений возникают и теории этих явлений.
Конечно, еще до середины XVIIIв. 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 XVIIIв. 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 XVIIIв. почти всеобщее признание. Основоположниками теории дальнодействия были Франклин и петербургский академик Эпинус.
Франклин еще в 40-х г. XVIIIв. 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 частице обычной материи, т. е. частицам вещества, по современным понятиям.
Эпинус же предполагает, что электрическая материя присутствует в телах в определенных количествах, и том 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 проходитчерез 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.
Это положение Франклин демонстрировал на опыте. Два человека стоят нaсмоляном диске (для изоляции их от окружающих предметов и земли). Один человек натирает стеклянную трубку. Другой касается этой трубки пальцем и извлекает искру. Оба человека теперь оказываются наэлектризованными: один - отрицательным электричеством, другой — положительным. Но при этом их заряды равны по абсолютной величине. После соприкосновения люди потеряют свои заряды и станут электрически нейтральными.
Теория Франклина была развита Францем Эпинусом (1724 - 1802). При этом Эпинус как бы брал за образец теорию тяготения Ньютона. Ньютонпредположил, 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 тяготения являются дальнодействующими и центральными. Далее Эпинус подобно Ньютону говорит, что введенные им силы нужно признать как факт и что в настоящее время нельзя объяснить, каким образом они действуют через пространство. Придумывать же необоснованные гипотезы он не желает. Здесь он полностью копирует Ньютона.
Эпинус идет дальше, сравнивая 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, наэлектризуется зарядом противоположного знака. И наоборот, на удаленной части проводника образуется заряд того же знака, что и на поднесенном теле.
Если убрать заряженное, тело, то проводник снова становится незаряженным. Но если проводник может быть разделен на две части в присутствии заряженного тела, то получатся два проводника, заряженные разноименными зарядами, которые останутся и при удалении индуцирующего, заряда.
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», т.е. 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 - Эйлер. В середине XVIIIв., как и Ломоносов, он выступил за теорию близкодействия. Он предполагал существование эфира, движением и свойствами которого объяснял наблюдаемые электрические явления. Однако теоретические представления Ломоносова и Эйлера в то время не могли получить развития. Вскоре был открыт закон Кулона. Он был по своей форме таким же, как и закон всемирного тяготения, и, естественно, его понимание было таким же, как и понимание закона тяготения. Таким образом, закон Кулона был воспринят как доказательство теории дальнодействия.
После открытия закона Кулона теория дальнодействия совсем вытесняет теорию близкодействия. И только в XIXв. Майкл Фарадей возрождает теорию близкодействия. Однако ее всеобщее признание начинается со второй половины XIXв., после экспериментального доказательства теории Максвелла.
Литература
1. Большая энциклопедия в шестидесяти двух томах. – М.:Терра, 2006
2. Горев Л. А. Занимательные опыты по физике. Книга для учителя.- М.: Просвещение, 1985
