Герб горада Ліды, наданы 17 верасня 1590 г.
ПЕРВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
1. ГАЛЬВАНИЗМ
Весть об изобретении электрической батареи (см. гл. 7, § 20) стремительно распространилась, вызывая такой интерес, какого не вызывало, пожалуй, ни одно открытие со времен Ньютона. 17 ноября 1801 г. Вольта из Парижа, куда его пригласил Наполеон, чтобы он повторил свои опыты во Французском институте, пораженный и обрадованный, писал брату:
«Я сам... поражаюсь тому, что мои старые и новые открытия так называемого гальванизма, которые являются лишь демонстрацией чистого и простого электричества, получающегося от контакта различных металлов, вызвали столько энтузиазма. Оценивая их беспристрастно, я сам тоже вижу в них все же некоторую ценность: они проливают новый свет на теорию электричества; открывают новые пути для химических исследований с помощью некоторых частных явлений, вызываемых этими моими электромоторными аппаратами, как-то: разложения воды, окисления металлов и т. п., а также находят применение в медицине... Уже более года все газеты Германии, Франции и Англии полны сообщениями об этом. В Париже же они, можно сказать, вызвали фурор, потому что здесь к ним, как и к прочемут примешивается крик моды».
Однако это не было криком моды. Многочисленные обнаруженные явления были действительно поразительны. Научные изыскания стали проводиться сразу по трем направлениям, взаимно перекрещивающимся и взаимообусловленным: изучение природы этого нового явления, изготовление все более мощных батарей и изучение новых явлений.
Уже во времена полемики между Вольтой и Гальвани возникало сомнение в том, что в гальванических опытах появляется флюид особого рода. В 1796 г. Грен высказал предположение, что это тот же флюид, который проявляется в вольтовых контактных явлениях, и поэтому предложил назвать гальванизмом весь комплекс явлений, связанных с вольтовыми контактными явлениями. Этот неологизм понравился, быстро распространился и был одной из причин, продливших полемику относительно идентичности электричества и гальванизма, потому что всем известно, какой неотразимой силой обладает новое слово, вошедшее в общее употребление.
С появлением батареи Вольты, после того как стали известны получаемые с ее помощью эффекты, и особенно химические, вновь живо разгорелся спор о том, можно ли отождествить это новое явление, связанное с действием батарей, с электрическим флюидом, появляющимся в электростатических машинах. Особенно три факта усиливали сомнение в тождественности этих явлений: в батареях присутствие электричества совсем не проявлялось или же проявлялось очень слабо, значительно слабее, чем в электростатических машинах (например, электрический удар, заряд электрометра и т. п.); некоторые тела, являвшиеся проводниками флюидов от электростатических машин, казались изоляторами по отношению к флюидам от батареи; представлялось, далее, необъяснимым, каким образом флюид от батареи, столь слабый в своих электрических проявлениях, оказывался способным производить химические эффекты: разложение некоторых жидкостей и окисление некоторых металлов, эффекты, которые электричество электростатических машин, «гораздо более сильное и грозное», не способно было производить.
К этим сомнениям Вассалли Эанди прибавлял еще не поддававшееся в то время объяснению различие физиологических реакций на разряды электростатических машин и на ток от батареи: так, некоторые животные оставались лишь несколько оглушенными разрядом лейденской банки или электростатической машины, тогда как ток батареи убивал их.
На все эти возражения Вольта ответил статьей «SulVidentitd del fluido elettrico col fluido galvanico» («Об идентичности флюида электрического и флюида гальванического»), прочитанной во Французском институте в присутствии Наполеона, на заседании 11 фримера X года (1801 г.). Вольта отмечает, что причины и признаки тождественности обоих флюидов
«... столь очевидны и явны, что было бы упрямством и просто неприличием стремиться все еще отрицать такую тождественность или хотя бы сомневаться в ней».
Далее он показывает, что различия в характере действия этих двух флюидов следует искать в различном «напряжении» электростатических машин и батареи.
Эту статью Вольты мы можем рассматривать сегодня как конец полемики, но тогда она все еще продолжалась, потому что у ученых еще не сложилось ясного представления о «напряжении». По их мнению, эти явления можно было бы считать тождественными лишь тогда, когда с помощью батареи были бы получены те же эффекты, что и при посредстве электростатических машин, и такой же интенсивности. С этой целью были предприняты многочисленные исследования, и такое стимулирующее действие нужно считать положительной стороной полемики.
Из многочисленных опытов, предпринятых с целью разрешить этот спор, упомянем здесь наиболее важные. В 1801 г. Волластону удалось разложить воду с помощью электрических разрядов, подобно тому как это уже ранее делалось при помощи батареи. В 1804 г. Б. Можону (1784-1849), профессору химии в Генуе, и независимо от него К. Л. Мороццо (1744-1804) в Турине удалось намагнитить стальную иголку с помощью тока от батареи, подобно тому как Беккариа и другие намагничивали иголки разрядами электростатических машин или лейденской банки. Вильгельм Крюкшенк в 1800 г. получил от батареи видимые при свете дня искры, вызывавшие взрывы смесей. В том же году Антуану Франсуа Фуркруа (1755-1809) удалось с помощью батареи раскалить железную спираль; она даже сгорала, если ее помещали в резервуар с чистым кислородом, как в знаменитом опыте Лавуазье. Христиан Пфафф (1773-1852) заметил притяжение, действующее на кованый золотой листочек, помещенный между двумя проводниками, соединенными с полюсами батареи. Этот опыт был с большей точностью повторен Риттером и в 1806 г. навел Томаса Беренса (1775-1813) на мысль сконструировать свой электрометр, называемый теперь электрометром Боненберга и состоящий из двух одинаковых батарей, соединенных противоположными полюсами с двумя металлическими пластинками, помещенными под стеклянным колпаком, между которыми подвешен тонкий золотой листочек. В 1811 г. Жан Андре Делюк (1727-1817) заменил две батареи одной, и, наконец, в 1850 г. Вильгельм Ханкель (1814-1899) придал этому инструменту его нынешний вид.
Именно теории гальванического флюида, отличного от электрического, а вовсе не памяти Гальвани, как пишут некоторые историки, обязаны своим существованием введенные в употребление в первые годы XIX века и дошедшие до наших дней научные термины и вошедшие в живой язык слова, образованные от имени Гальвани, например слово «гальванометр», введенное С. Робертсоном (1763-1837) в 1801 г. для обозначения измерителя интенсивности гальванизма по его химическому действию. Этот термин понравился Амперу, и он с 1820 г. стал прибегать к нему, но уже в нынешнем его значении.
Спор о гальванизме был практически закончен Фарадеем в 1833 г., о чем мы будем говорить в дальнейшем.
2. ХИМИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ТОКА
Одним из первых явлений, наблюдавшихся Вольтой в его батарее, особенно в ее чашечном варианте, было разложение солей и окисление металлических пластинок, в частности цинка. Это явление было подтверждено в начале апреля 1800 г. Луиджи Бруньятелли (1761-1818) из Университета в Павии, первым из ученых, кому Вольта показал свой новый прибор. Однако в своем письме к Бэнксу (см. гл. 7) Вольта не упоминает об этих явлениях, быть может потому, что собирался заняться их более обстоятельным изучением. Поэтому Энтони Карлейль (1768-1840) и Уильям Никольсон (1753-1815), которым Бэнкс показал это письмо, прежде чем зачитать его (18 июня 1800 г.) в Королевском обществе, ничего не знали об этих опытах Вольты, когда, собрав батарею, начали свои исследования. Спустя несколько месяцев эти английские ученые открыли явление разложения воды. Они придумали приспособление для сбора отдельно водорода и кислорода, известное и сейчас. В две закрытые с одной стороны трубки, наполненные водой и опрокинутые над сосудом, также наполненным водой, они поместили платиновые концы цепи.
Электрохимические явления, собственно говоря, не были новостью. Еще в 1769 г. Беккариа восстанавливал окислы металлов с помощью электрических разрядов. Повторив некоторые опыты Пристли, у которого не хватило терпения довести их до конца, Кавендиш, использовав искровой разряд в воздухе, получил азотистый ангидрид и азотный ангидрид. С помощью построенной в Гаарлеме грандиозной электростатической машины Ван Марум разложил целый ряд веществ (в 1785 г. и позже), а в 1790 г. Адриан Ван Трооствик (1752-1837), тоже голландец, успешно разложил воду, пропуская через нее многочисленные искры (не менее 600).
Однако все предыдущие эксперименты не получили должной оценки из-за трудности их выполнения и незначительности полученных эффектов. Применение батареи значительно упрощало выполнение этих опытов, а получающиеся при этом эффекты были весьма впечатляющими. Поэтому известие об опытах Карлейля и Никольсона дало толчок многочисленным аналогичным исследованиям. В том же 1800 г. Уильям Генри сообщил о том, что ему удалось разложить аммиак; Вильгельм Крюкшенк за несколько месяцев до смерти успел сконструировать свою «батарею-корыто» и заметить, что в растворах солей металлов, через которые пропускается ток, металл отлагается на том проводнике, на котором при разложении кислотных растворов освобождается водород. Бруньятелли удалось первому осуществить посеребрение, оцинкование и омеднение электродов:
«Я часто наблюдал, как с серебряного проводника серебро устремлялось на платину или на золото и прекрасно серебрило их... Б других аналогичных опытах я наблюдал, как оцинковывалось и покрывалось медью золото или серебро при пропускании электрического тока, если в одном и том же сосуде находились проводники из золота или серебра вместе с цинком и медью».
Несколько лет спустя ему удалось позолотить две большие серебряные медали, погрузив каждую из них в насыщенный раствор аммиачного золота и подключив их к отрицательному полюсу батареи.
Систематические исследования химических эффектов электрического тока провел Хемфри Дэви (1778-1829). Яркий язык и точный отшлифованный стиль его изложения сделали гальванические явления популярными. Дэви доказал, что вода непосредственно не разлагается под действием электрического тока, вызывающего, однако, разложение кислот и солей, растворенных в воде. После долгих и терпеливых попыток в 1807 г. Дэви удалось разложить с помощью тока едкий калий, а немного спустя и едкий натр, получив два новых металла, названных им калием и натрием. Это событие имело широчайший резонанс и важнейшие последствия, отмеченные историей химии. От Дэви ведет свое начало новая ветвь науки - электрохимия, которая на протяжении XIX века постепенно все более отдаляется от физики, чтобы в конце века, как мы это увидим позднее, вновь сблизиться с ней.
Факт быстрого окисления металлов при контакте, который Оствальд рассматривает как важнейший факт научной электрохимии, был открыт Джованни Фабброни (1752-1822) и сформулирован им в докладе, зачитанном в 1792 г. во Флорентийской Академии земледелия (Accademia del Georgofili), труды которой были изданы, однако, лишь в 1801 г. Запоздание этой публикации ввело в заблуждение итальянских историков, которые приписывают Фабброни первую формулировку химической теории действия электрической батареи, поскольку Фабброни считал еще до того, как появилась батарея, что причину судорог лягушки в опытах Гальвани надо искать не в движении гальванического или электрического флюида, а в тепловом или химическом действии за счет контакта различных металлов. Тем не менее несомненно, что работы Фабброни вдохновили как француза Никола Готро (1753-1803), так и англичанина Волластона, которые в 1801 г. почти одновременно, но независимо друг от друга сформулировали химическую теорию вольтова столба. Согласно этой теории, источником электродвижущей силы является химическое взаимодействие металлов с жидкостью, в которую они погружены. Спор о природе электродвижущей силы вольтова столба продолжался на протяжении всего века; химическая теория наконец взяла верх, но ведь нельзя отрицать и «эффекта Вольты», т. е. наличия электрического напряжения при простом контакте двух металлов.
В 1799 г. с помощью опытов, аналогичных опытам Фабброни, Иоганн Риттер (1776-1810) также пришел к открытию основного явления электрохимии. Большое значение имеют и его исследования свойств вольтова столба. Риттер заметил, что если в течение некоторого времени пропускать ток через золотые проводники, погруженные в трубку, наполненную водой, а затем отключить проводники от полюсов батареи и соединить их между собой, то процесс химического разложения будет продолжаться в трубке, но в обратном направлении - на конце проводника, где вначале выделялся водород, теперь выделяется кислород и наоборот. Эффект этот становился еще более наглядным в опыте со столбиком, составленным из кружков из одного и того же металла, отделенных один от другого влажными картонными кружками. Риттер объяснил это явление тем, что столбик из кружков как бы поглощал флюид, исходящий из вольтовой батареи, а затем возвращал его внешней цепи; поэтому Эрстед назвал это приспособление Риттера «вторичным столбом».
Суть этого явления ясно понял лишь Вольта. Наблюдая химические явления, происходящие во вторичном столбе, он пришел к выводу, что это меняющийся, а не заряжающийся столб. Теория Вольты была подтверждена опытами, проведенными Стефаном Марианини (1790-1866) в 1826 г., хотя Бруньятелли еще в 1802 г. заметил, что на проводнике, соединенном с отрицательным полюсом, выделяются пузырьки водорода. Обычные школьные опыты, с помощью которых демонстрируется поляризация двух платиновых электродов, были описаны в 1824 г. Антуаном Сезаром Беккерелем (1788-1878).
Вторичные столбы практического интереса не представляли до тех пор, пока не был найден способ получения электрических токов от источников, отличных от вольтова столба. Это объясняет факт их столь позднего усовершенствования. Лишь в 1859 г. Гастон Планте (1834-1879) предложил свой хорошо известный тип свинцового аккумулятора, и только в 1881 г., т. е. после появления динамо-машины, Камилл Фор (1840-1898) улучшил его и придал ему тот вид, который известен и по сей день.
Вплоть до открытия электромагнитной индукции (см. §11) единственными генераторами тока были батареи Вольта и (с 1823 г.) термоэлектрическая батарея. Самым простым способом получения все более мощных батарей казалось последовательное соединение все большего числа элементов. Но чашечные батареи были слишком громоздкими, а батареи-столбы не только неудобны, но и ненадежны, потому что под тяжестью металлических кружков жидкость, которой были пропитаны прокладочные кружки, выдавливалась и батареи выходили из строя. Поэтому Вольта надеялся, что рано или поздно удастся создать батареи совсем без жидкости.
Это представление приводит в смущение современных критиков, потому что в нем неявно заключено отрицание принципа сохранения энергии, провозглашённого лишь через полвека после Вольта. Однако именно эту цель имел в виду Джузеппе Дзамбони (1776-1846), когда в 1812 г. предпринял первые попытки создания батареи из сухих проводников. После многих попыток Дзамбони убедился в том, что тело, помещенное между металлическими пластинками, должно быть непременно влажным; достаточно было, однако, и того, чтобы тело обладало своей естественной влажностью. Тогда Дзамбони пришла счастливая мысль заменить медные и цинковые пластинки кружками так называемой «золотой» или «серебряной» бумаги, которую сейчас применяют для оберток шоколадных конфет (листочки бумаги, покрытые тонким слоем меди или олова). Естественной влажности этой бумаги достаточно, чтобы обеспечить функционирование батареи, которая в небольшом объеме может содержать тысячи пар обкладок. Дзамбони получил таким образом «сухую батарею», которая так и называлась столбом Дзамбони и сыграла большую роль в науке. Дзамбони сразу увидел, что от этой батареи нельзя было ожидать
«ни химических, ни физиологических эффектов, а только физических, т. е. чистого электрического напряжения».
Вскоре он заменил бумагу пастой из смеси угольной пыли с водой, а затем, по совету Вольта, перекисью марганца. В 1831 г. Дзамбони применил свою батарею в конструкции электрических часов, один экземпляр которых находится в Институте физики Моденского университета. Эти часы идут почти непрерывно с 1839 г., и по наблюдениям, проводившимся на протяжении почти целого века, батарея Дзамбони, постепенно разрушаясь, кроме того, поляризуется, хотя и очень медленно.
В вопрос о механизме химического разложения при прохождении электрического тока, который пытались объяснить Монж, Бертоле и другие французские ученые, вскоре внес блестящий вклад Кристиан Гроттгус [1785-1822), двадцатилетний ученый. В 1805 г. он опубликовал в Риме, где находился для прохождения курса наук, статью, перепечатанную в следующем году одним из самых распространенных и авторитетных научных журналов того времени - парижским «Annales de chimie».
Гроттгус уподобляет вольтов столб магниту и соответственно вводит -термины положительный полюс и отрицательный полюс для обозначения двух концов батареи. Он распространяет эту аналогию также на «элементарные молекулы воды», т. е. на атомы водорода и кислорода, объединенные в каждой частице воды. При прохождении тока происходит отделение атомов и, может быть, вследствие трения между двумя частицами водород приобретает положительный заряд, а кислород - отрицательный. В результате цепочка молекул между полюсами располагается в порядке, указанном на рисунке.
Атом о молекулы oh притягивается к положительному полюсу и отдает ему свой заряд, тогда как атом h благодаря процессу, которого Гроттгус не объясняет, объединяется с кислородом о следующей молекулы, чей водород h объединяется с кислородом r следующей молекулы, и т. д. Подобный тке процесс происходит и с атомами водорода тех молекул, которые находятся рядом с отрицательным полюсом. Так с помощью этих последовательных разложений и соединений, согласно Гроттгусу, объясняется тот факт, что водород освобождается всегда на одном конце, а кислород - на другом.
Несмотря на свою примитивность, теория Гроттгуса просуществовала более полувека, с небольшими последующими усовершенствованиями. Она представляет собой одну из основных вех в развитии научной мысли, потому что вводит в науку понятие о том, что молекулы, по крайней мере молекулы некоторых соединений, состоят из двух противоположно заряженных частей; другими словами, теория Гроттгуса подготовила почву для ионных теорий.
3. ТЕПЛОВОЕ ДЕЙСТВИЕ ТОКА
Среди тепловых эффектов, производимых током батареи, самым наглядным, без сомнения, была дуга между двумя угольными проводниками. Уже в 1802 г. Кюрте заметил, что в момент замыкания цепи батареи с помощью-железного проводника, соприкасающегося с куском древесного угля, появлялись искры настолько яркие, что они освещали окружающие предметы. Несколько лет спустя Джон Чилдрен (1778-1852) обнаружил, что некоторые кусочки угля, помещенные в цепь,
«распространяли такой яркий свет, что даже сияние солнечного диска казалось слабым по сравнению с ним».
Но поистине эффектное явление продемонстрировал в 1810 г. Дэви с помощью большой батареи, состоявшей из 2000 элементов и построенной им на средства Королевского института. Помимо различных опытов по быстрому накаливанию и расплавлению металлов, которыми он поражал публику на своей первой лекции, проведенной после сооружения этой колоссальной батареи, Дэви также провел опыт с кусками угля длиной с дюйм и толщиной в шестую часть дюйма, включенными в цепь батареи. После того как цепь была замкнута, проскочила ярчайшая искра и куски угля накалились добела более чем на половину своей длины,
«...когда же оба куска угля стали удалять друг от друга, образовался непрерывный разряд через раскаленный воздух на расстоянии по крайней мере в четыре дюйма в виде необыкновенно яркой широкой световой дуги конической формы, обращенной выпуклостью вверх».
Дэви сразу же проверил, насколько высока температура этой дугиг которая плавила платину, «как будто то был воск в пламени свечи». Длину дуги можно было увеличивать, помещая ее под колпак пневматической машины и разрежая воздух, и если разреженность была достаточно сильной, удавалось получать дугу очень эффектного пурпурного цвета длиной в шесть или семь дюймов.
Ясно, что опыт Дэви, для которого требовалась мощная батарея, повторить было нелегко. Поэтому, когда десять лет спустя, в июле 1820 г., Де ла Риву удалось повторить этот опыт перед Женевским Научным Обществом, это показалось вещью настолько новой, что вплоть до сегодняшнего дня некоторые историки приписывают это открытие женевскому физику.
Если опыт с дугой поражал своей эффектностью, то другие тепловые явления казались весьма запутанными. Так, проведя по совету Волластона опыт с двумя платиновыми проволоками, Чилдрен (1815 г.) обнаружил, что из двух платиновых проволок одинаковой длины, но разного диаметра, подключенных в цепь последовательно, раскалялась только более тонкая, тогда как при параллельном включении раскалялась только более толстая. Дэви (1821 г.), нагревая лампой часть цепи, добивался уменьшения температуры другой ее части, а охлаждая ее льдом, получал увеличение температуры другой части.
Вплоть до 1841 г. все попытки объяснить эти и многие другие странные явления оказывались несостоятельными, но все более укреплялось мнение, что нагревание проводников связано с сопротивлением, которое они оказывают проходящему через них току, так что большему сопротивлению соответствует большее выделение тепла. Это мнение было высказано еще Киннерсли по поводу тепла, выделяемого разрядом лейденской банки. Основываясь на упомянутых выше опытах, Дэви пошел дальше, утверждая, что
«...проводящая способность металлов меняется с изменением температуры и уменьшается в том же отношении, в каком растет температура».
Этот закон сейчас хорошо известен; гораздо менее известно, кто открыл его.
4. ОПЫТ ЭРСТЕДА
Возможное существование тесной связи между электричеством и магнетизмом предполагали уже самые первые исследователи, пораженные аналогией электростатических и магнитостатических явлений притяжения и отталкивания. Это представление было настолько распространено, что сначала Кардан, а затем и Гильберт считали его предрассудком и всячески старались показать различие этих двух явлений. Но это предположение снова возникло в XVIII веке уже с большим основанием, когда было установлено намагничивающее действие молнии, а Франклину и Беккариа удалось добиться намагничивания с помощью разряда лейденской банки. Законы Кулона, формально одинаковые для электростатических и магнитостатических явлений, вновь выдвинули эту проблему.
После того как благодаря батарее Вольта появилась возможность получать электрический ток в течение долгого времени, попытки обнаружить связь между электрическими и магнитными явлениями стали более частыми и более интенсивными. И все же, несмотря на интенсивные поиски, открытие заставило себя ждать целых двадцать лет. Причины такой задержки следует искать в научных представлениях, господствовавших в те времена. Все силы понимались только в ньютоновском смысле, т. е. как силы, которые действуют между материальными частицами по соединяющей их прямой. Поэтому исследователи старались обнаружить силы именно этого рода, создавая приспособления, с помощью которых они надеялись обнаружить предполагаемое притяжение или отталкивание между магнитным полюсом и электрическим током (или, выражаясь более общим образом, между «гальваническим флюидом» и магнитным флюидом) или же пытались намагнитить стальную иглу, направляя по ней ток.
Взаимодействие между гальваническим и магнитным флюидом пытался обнаружить и Джан Доменико Романьози (1761-1835) в опытах, описанных им в статье 1802 г., на которую Гульельмо Либри (1803-1869), Пьетро Конфильякки (1777-1844) и многие другие ссылались потом, приписывая Романьози приоритет этого открытия. Достаточно, однако, прочесть эту статью, чтобы убедиться, что в опытах Романьози, проводившихся с батареей с незамкнутой цепью и магнитной иглой, вообще нет электрического тока, и поэтому самое большее, что он мог наблюдать,- это обычное электростатическое действие.
Когда 21 июля 1820 г. в одной очень лаконичной статье на четырех страничках (на латинском языке), озаглавленной «Experimenta circa effectum conflictus electrici in acum magneticam», датский физик Ганс Христиан Эрстед (1777-1851) описал фундаментальный опыт по электромагнетизму, доказывающий, что ток в прямолинейном проводнике, идущем вдоль меридиана, отклоняет магнитную иглу от направления меридиана, интерес и удивление ученых были велики не только потому, что было получено столь долго разыскивавшееся разрешение проблемы, но и потому, что новый опыт, как сразу же стало ясно, указывал на силу неныотоновского типа. В самом деле, из опыта Эрстеда ясно было видно, что сила, действующая между магнитным полюсом и элементом тока, направлена не по соединяющей их прямой, а по нормали к этой прямой, т. е. она, как тогда говорили, является «силой поворачивающей». Значение этого факта чувствовалось уже тогда, хотя полностью оно было осознано лишь много лет спустя. Опыт Эрстеда вызвал первую трещину в ньютоновской модели мира.
О том затруднении, в которое попала наука, можно судить, например, по замешательству, в котором находились итальянские, французские, английские и немецкие переводчики, переводившие на родной язык латинскую статью Эрстеда. Часто, сделав буквальный перевод, представлявшийся им неясным, они приводили в примечании латинский оригинал.
Действительно неясным в статье Эрстеда еще и сегодня остается объяснение, которое он пытается дать наблюдавшимся им явлениям, обусловленным, по его мнению, двумя противоположно направленными спиральными движениями вокруг проводника «электрической материи, соответственно положительной и отрицательной».
Исключительность явления, открытого Эрстедом, сразу же привлекла к нему большое внимание экспериментаторов и теоретиков. Араго, вернувшись из Женевы, где он присутствовал при аналогичных опытах, повторенных Де ла Ривом, рассказал о них в Париже, а в сентябре того же 1820 г. собрал свою известную установку с вертикальным проводником тока, проходящим сквозь горизонтально расположенный кусок картона, посыпанный железными опилками. Но окружностей изТжелезных опилок, которые мы обычно замечаем при проведении этого опыта, он не обнаружил. Экспериментаторы видят ясно эти окружности с тех пор, как Фарадей выдвинул теорию «магнитных кривых», или «силовых линий». Действительно, нередко, чтобы увидеть что-то, нужно очень желать этого! Араго же видел только, что проводник, по его выражению, «облепливается железными опилками так, как если б это был магнит», из чего он сделал заключение, что
«ток вызывает магнетизм в железе, которое не подвергалось предварительному намагничиванию».
Все в том же 1820г. Био зачитал два доклада (30 октября и 18 декабря), в которых сообщал о результатах проведенного им вместе с Саваром экспериментального исследования. Пытаясь открыть закон, определяющий зависимость величины электромагнитной силы от расстояния, Био решил воспользоваться методом колебаний, которым раньше пользовался уже Кулон (см. гл. 7, § 18). Для этого он собрал установку, состоящую из толстого вертикального проводника, расположенного рядом с магнитной стрелкой: при включении тока в проводнике стрелка начинает колебаться с периодом, зависящим от электромагнитной силы, действующей на полюса при различных расстояниях от центра стрелки до проводника с током. Измерив эти расстояния, Био и Савар вывели носящий теперь их имя хорошо известный закон, который в своей первой формулировке не учитывал интенсивности тока (ее тогда не умели еще измерять).
Узнав о результатах опытов Био и Савара, Лаплас заметил, что действие тока можно рассматривать как результат отдельных действий на полюса стрелки бесконечного числа бесконечно малых элементов, на которые можно разделить ток, и заключил из этого, что каждый элемент тока действует на каждый полюс с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния этого элемента от полюса. О том, что Лаплас принял участие в обсуждении этой проблемы, говорится у Био в его работе «Precis elementaire de physique ехреrimentale» (2-е изд., II, Париж, 1821, стр. 122). В сочинениях же Лапласа, насколько нам известно, нет никакого намека на такое замечание, из чего можно заключить, что он, видимо, высказал это в устной дружеской беседе с самим Био.
Чтобы пополнить свои сведения об этой элементарной силе, Био попытался, на этот раз один, определить опытным путем, изменяется ли и если изменяется, то каким образом действие элемента тока на полюс с изменением угла, образуемого направлением тока и прямой, соединяющей середину элемента с полюсом. Опыт состоял в сравнении того, какое действие оказывает на одну и ту же стрелку параллельный ей ток и ток, направленный под углом. Из данных опыта Био путем расчета, которого он не опубликовал, но который, безусловно, был ошибочным, как это показал в 1823 г. Ф. Савари (1797-1841), определил, что эта сила пропорциональна синусу угла, образуемого направлением тока и прямой, соединяющей рассматриваемую точку с серединой элемента тока. Таким образом, то, что сейчас называют «первым элементарным законом Лапласа», в значительной мере является открытием Био.
5. ГАЛЬВАНОМЕТР
Упомянутый уже нами опыт Араго, объяснявшийся многими физиками того времени тем, что провод, по которому проходит ток, намагничивается, был сразу правильно понят Ампером, тотчас же предсказавшим, а затем вскоре и подтвердившим экспериментально, что стальной брусок, помещенный внутри спирали, по которой проходит ток, приобретает постоянную намагниченность. Таким образом, был найден новый метод намагничивания, гораздо более эффективный, простой и удобный, нежели прежние. Но самое главное, этим был дан толчок для создания простого, но очень ценного приспособления - электромагнита, который используется в многочисленных научных и технических приборах. Первый подковообразный электромагнит сделал в 1825 г. американец Уильям Стерджен (1783- 1850); этот электромагнит немало удивил исследователей быстротой намагничивания и размагничивания бруска мягкого железа при включении или выключении тока в проводнике, которым был обмотан брусок. Конструкцию Стерджена улучшили одновременно и независимо друг от друга в 1831 г. Молль (1785-1838) и американец Джозеф Генри (1797-1878). За первой, написанной на латинском языке статьей Эрстеда последовала вторая, написанная по-немецки, которая тем не менее осталась малоизвестной. В ней Эрстед показал взаимность открытого им электромагнитного явления. Он подвешивал к проволоке маленькую батарейку, замыкал цепь и регистрировал ее вращение при приближении к ней магнита. То же самое, независимо от Эрстеда, обнаружил и Ампер, которому обычно это открытие и приписывается. Еще проще продемонстрировал действие магнита на подвижный элемент тока Дэви, приблизив по совету Араго полюс магнита к электрической дуге. Стерджен видоизменил опыт Дэви и придал своему эксперименту тот вид, в каком и сегодня он демонстрируется на уроках физики, когда дуга непрерывно вращается в магнитном поле.
Но первым физиком, которому удалось получить вращение проводника с током в магнитном поле, был Фарадей. В 1821 г. он сконструировал очень простое приспособление: конец подвешенного проводника был опущен в резервуар с ртутью, в который снизу входил слегка выступающий над поверхностью ртути вертикальный магнит. При пропускании тока через ртуть и проводник последний начинал вращаться вокруг магнита. Опыт Фарадея, блестяще модифицированный Ампером, бесчисленными способами варьировался затем на протяжении всего XIX века. Здесь мы укажем лишь на описанное в 1823 г. «колесо Барлоу», потому что оно представляет собой разновидность электрического мотора, который вполне может служить еще и сегодня педагогам для учебных целей. Это металлическое колесо с горизонтальной осью, край которого погружен в ванночку с ртутью и находится между полюсами подковообразного железного магнита. Если от оси колеса к его периферии и далее через ртуть течет ток, колесо вращается.
Правила Эрстеда об отклонении магнитной стрелки и соответствующее правило Ампера указывали на то, что отклонение возрастает, если тот же ток пропускать и над магнитной стрелкой и под ней. Это явление, предсказанное Лапласом и хорошо изученное Ампером, было использовано в 1820 г. Иоганном Швейггером (1779-1857) при конструировании мультипликатора представлявшего собой прямоугольную рамку, обмотанную несколько раз проводом, по которому протекал ток. В середине рамки помещалась магнитная стрелка. Почти одновременно Авогадро и Микелотти построили другой тип мультипликатора, несомненно, гораздо менее удачный, чем швейггеровский; описание его опубликовано в 1823 г. Однако в мультипликаторе Авогадро и Микелотти имелось одно новшество: магнитная стрелка, подвешенная на нити, вращалась над разграфленным сектором, а весь аппарат помещался под стеклянным колпаком.
Вначале казалось, что мультипликатор представляет собой предельно чувствительный гальванометр, но вскоре обнаружили, что его можно значительно улучшить. Уже в 1821 г. Ампер сконструировал «астатический аппарат», как он его назвал, подобный тому, который применял Вассалли Эанди, а еще раньше, в 1797 г., Джон Тремери. Прибор состоял из двух параллельных жестко связанных магнитных стрелок с полюсами, направленными в противоположные стороны. Вся система подвешивалась на острие, и можно было наблюдать, как она поворачивалась при пропускании электрического тока через параллельный проводник, расположенный очень близко к нижней стрелке. Таким способом Ампер доказал, что магнитная стрелка, когда она не подвержена магнитному влиянию Земли, располагается перпендикулярно току.
Леопольдо Нобили (1784-1835) пришла удачная мысль сочетать астатический аппарат Ампера с подвеской на нити, как у Авогадро и Микелотти; таким образом он пришел к своему известному астатическому гальванометру, первое описание которого он представил на заседании Моденской Академии наук 13 мая 1825 г. Чтобы дать представление о чувствительности этого инструмента, Нобили замечает, что, если соединить концы провода гальванометра железной проволокой, достаточно согреть один из стыков пальцами, чтобы стрелка отклонилась на 90°.
Гальванометр Нобили в течение нескольких десятилетий оставался самым чувствительным измерительным прибором в физических лабораториях, и мы уже видели (см. гл. 8, § 7), какую ценную помощью он оказал Меллони в его исследованиях. В 1828 г. Эрстед решил улучшить его, применив вспомогательный подковообразный магнит. Эта попытка успехом не увенчалась, но о ней все же следует упомянуть как о первом приборе с вспомогательным полем.
Эти измерительные приборы были значительно усовершенствованы лишь с появлением в 1837 г. тангенс-буссоли Клода Пуйе (1790-1868) и сжнус-буссоли, употреблявшейся уже за год до того тем же Пуйе. Возможно, Пуйе и сам не знал точно теории действия своего инструмента, которая была дана в 1840 г. Вильгельмом Вебером (1804-1891). В 1837 г. А. С. Беккерель изобрел «электромагнитные весы», получившие распространение лишь во второй половине столетия. Затем появились другие типы тангенс-буссолей: Гельмгольца (1849 г.), Гогэна (1853г.), Кольрауша (1882 г.). Тем временем Поггендорф с 1826г. ввел метод зеркального отсчета, развитый затем Гауссом (1832 г.) и примененный в зеркальном гальванометре Вебером в 1846 г. С большим энтузиазмом был принят гальванометр, изобретенный в 1886 г. Д'Арсонвалем (1851-1940), в котором, как известно, измеряемый ток проходит через легкую подвижную катушку, помещенную в магнитном поле.
6. ЭЛЕКТРОДИНАМИКА АМПЕРА
Одновременно с работами Био и Савара, и даже на несколько месяцев раньше, провел свои теоретические и экспериментальные исследования Ампер. 18 сентября 1820 г. он сообщил Парижской Академии наук о своем открытии пондеромоторных взаимодействий токов, которые он назвал электродинамическими. Точнее говоря, в этом своем первом докладе Ампер назвал эти действия «вольтаическими притяжениями и отталкиваниями», но потом стал именовать их «притяжениями и отталкиваниями электрических токов». В 1822 г. он ввел термин «электродинамический». Ампер был плодовитым и искусным изобретателем неологизмов. Именно ему мы обязаны такими словами, как электростатический, реофор, соленоид, и многими другими.
Говорят, что, когда Ампер зачитал свой доклад об электродинамических действиях токов, один из его коллег по окончании чтения спросил: «Но что же, собственно, нового в том, что вы нам сказали? Само собой ясно, что если два тока оказывают действие на стрелку, то они оказывают действие также и друг на друга». Ампер, захваченный врасплох, не знал, что ответить. Но ему на помощь пришел Араго. Он вынул из кармана два ключа и сказал: «Вот каждый из них тоже оказывает действие на стрелку, однако же они никак не действуют друг на друга». Такой случай, по-видимому, действительно был, потому что Ампер в своей большой работе «Memoire sur la theorie mathematique des phenomenes electro-dynamiques uniquement deduite de Vexperiences («О математической теории электродинамических явлений, однозначно выведенной из опыта») считает нужным заметить, что из опыта Эрстеда нельзя было логически заключить о взаимодействии двух токов, как из действия двух кусков железа на стрелку нельзя сделать вывода об их взаимодействии. Но рассказывают еще и о другом случае. Лаплас присутствовал на первой публичной демонстрации опыта Ампера. Публика уже расходилась, и Лаплас у выхода стал ждать ассистента, Даниэля Кол-ладона; увидев его, он хлопнул его по плечу и, пристально глядя на него, спросил: «А не вы ли это, молодой человек, подталкивали провод?»
Сразу же после открытия Эрстеда физикам показалось вполне естественным объяснить его тем, что при прохождении электрического тока через проводник последний становится магнитом. Такое объяснение
было принято Араго, который приступил к опыту, упомянутому в § 4, исходя именно из этого представления. Оно было принято также и Био, который упорно придерживался его еще много лет. Его придерживались также Дэви и Берцелиус. Последний уточнял, что каждое поперечное сечение проводника, по которому проходит ток, становится двойным магнитом с противоположными полюсами. Однако Ампер предложил другое объяснение, которое и является самым гениальным его вкладом в науку: не проводник, по которому течет ток, становится магнитом, а, наоборот, магнит представляет собой совокупность токов. В самом деле, говорит Ампер, если мы предположим, что в магните присутствует совокупность круговых токов, текущих в плоскостях, точно перпендикулярных его оси, в одном и том же направлении, то ток, идущий параллельно оси магнита, окажется направленным под углом к этим круговым токам, что и вызовет электродинамическое взаимодействие, стремящееся сделать все токи параллельными и направленными в одну сторону. Если прямолинейный проводник закреплен, а магнит подвижен, то отклоняется магнит; если же магнит закреплен, а проводник подвижен, то движется проводник.
Легко понять, что в то время, в 1820 г., гипотеза Ампера казалась исключительно смелой, и не удивительна поэтому та сдержанность, с которой она была встречена. Гипотеза Био и Араго казалась куда более правдоподобной. Но когда в 1821 г. Фарадей установил вращение токов в магнитном поле, Ампер заметил, что такой эффект нельзя объяснить никаким распределением магнитиков в проводнике, через который проходит ток; такое распределение могло вызвать лишь силы притяжения или отталкивания, но никак не вращающую пару сил.
Ампер заботился больше о том, чтобы найти опытное подтверждение своей собственной гипотезы, нежели о критике чужих теорий. Он подумал, что если магнит понимать как систему круговых параллельных токов, направленных в одну сторону, то спираль из металлической проволоки, по которой проходит ток, должна вести себя как магнит, т. е. должна принимать определенное положение под воздействием магнитного поля Земли и иметь два полюса. Опыт подтвердил предположения относительно поведения такой спирали под действием магнита, но не совсем ясны были результаты опыта, относящиеся к поведению спирали под действием магнитного поля Земли. Тогда Ампер решил взять для выяснения этого вопроса один-единственный виток проводника с током; оказалось, что виток ведет себя точно как магнитный листок.
Таким образом обнаружилось непонятное явление: один-единственный виток ведет себя как магнитная пластина, а спираль, которую Ампер считал в точности эквивалентной системе магнитных пластинок, вела себя не совсем как магнит. Пытаясь разобраться, в чем тут дело, Ампер с удивлением обнаружил, что в электродинамических явлениях спиральный проводник ведет себя точно как прямолинейный проводник с теми же концами. Из этого Ампер заключил, что в отношении электродинамических и электромагнитных действий элементы тока можно складывать и разлагать по правилу параллелограмма. Поэтому элемент тока можно разложить на две составляющие, из которых одна направлена параллельно оси, а другая - перпендикулярно. Если суммировать результаты действия разных элементов спирали, то результирующая окажется эквивалентной прямолинейному току, идущему по оси, и системе круговых токов, расположенных перпендикулярно оси и направленных в одну сторону. Поэтому, чтобы спираль, по которой проходит ток, вела себя точно как магнит, нужно скомпенсировать действие прямолинейного тока. Этого Ампер, как известно, добился очень просто, выгнув вдоль оси концы проводника. Но все же существовало различие между спиралью, по которой проходит ток, и магнитом: полюса спирали находились только на концах, тогда как полюса магнита - во внутренних точках. Чтобы устранить и это последнее различие, Ампер оставил свою первоначальную гипотезу о токах, прямо перпендикулярных оси магнита, и принял, что они расположены в плоскостях, находящихся под разными углами к оси.
Сразу же после своих первых электродинамических опытов Ампер решил вывести формулу для величины силы, возникающей между двумя элементами тока, чтобы из этой формулы можно было найти силу, действующую между двумя частями проводников данной формы и положения. Не имея возможности проводить опыты с элементами тока, Ампер в 1820 г. попытался сначала использовать следующий метод: провести тщательные и многочисленные измерения действия двух конечных токов разной формы и положения, затем принять какую-либо гипотезу о взаимодействии двух элементов тока, вывести из нее взаимодействие двух конечных токов и далее модифицировать эту гипотезу до тех пор, пока теоретические и экспериментальные результаты не окажутся в полном соответствии. Это классический путь, многократно испробованный в подобных исследованиях, однако Ампер вскоре убедился в том, что этот способ в данном случае был бы построен на сплошных догадках и желаемые результаты можно получить более прямым путем.
Установив, что подвижный проводник находится точно в равновесии под действием равных сил, вызываемых неподвижными проводниками, размеры и форму которых можно без нарушения равновесия изменять при соблюдении условий, допустимых опытом, Ампер получил возможность непосредственно рассчитать, каково должно быть взаимодействие двух элементов тока, чтобы равновесие при таких условиях действительно не зависело от формы и размеров неподвижных проводников. Он смог успешно применить этот гораздо более узкий критерий, потому что опытным путем было определено четыре случая равновесия, два из которых еще и сегодня приводятся в курсах физики (равенство абсолютной величины сил, действующих на одинаковые токи, текущие в противоположных направлениях; одинаковое действие на прямолинейный подвижный проводник двух неподвижных проводников, прямого и изогнутого, одинаково удаленных и имеющих концы в одних и тех же точках).
Исходя из этих четырех экспериментальных постулатов, Ампер путем довольно сложного доказательства вывел первую из формул электродинамического взаимодействия элементов тока, за которой последовали многие другие формулы, выведенные рядом ученых (Грассманн, Вебер, Риман и др.). Все эти формулы применялись для расчета, и все они подвергались критике. Эти формулы давали величину силы, действующей между двумя элементами тока, в зависимости от сил токов, расстояния между элементами и их взаимного положения.
В ходе теоретических исследований выяснилось, что части одного и того же проводника должны взаимно отталкиваться. Этот факт представлялся Амперу настолько важным, что он счел возможным положить его в основу всей электродинамики и поэтому решил найти ему непосредственное экспериментальное подтверждение. Таковое Ампер получил в сентябре 1822 г. с помощью приспособления, упоминаемого еще в некоторых современных курсах физики. Это сосуд, разделенный перегородкой на два отделения, наполненных ртутью и соединенных подвижным проводником, плавающим в ртути. При прохождении тока по проводнику из одного отделения в другое подвижный проводник смещается.
Из своей формулы взаимодействия элементов тока, рассматривая магнит как систему молекулярных токов, Ампер вывел первый закон Лапласа, а из него способом, описываемым во всех современных учебниках,- закон Био и Савара. Ампер, вывел также закон Кулона для магнитостатического взаимодействия двух магнитов, рассматриваемых как две токовые системы.
Другое благоприятное для своей теории обстоятельство Ампер видел в том факте, что незадолго до того выведенная Пуассоном формула для силы действия магнитного элемента на элемент северного или южного флюида совпадает с формулой, получающейся из его теории для очень маленькой замкнутой плоской петли тока. Отсюда сразу же следует, что если замкнутый малый. плоский контур тока эквивалентен элементарному магнитику, то, разлагая, как это рекомендуется и сейчас в учебниках, конечный контур на отдельные кольца, можно показать, что замкнутый контур действует точно так же, как элементарные магнитики, которые равномерно распределены по ограниченной этим контуром произвольной поверхности так, что их оси нормальны поверхности. Это знаменитая теорема эквивалентности Ампера. Ампер понимал, что к тем же проверяемым опытом выводам можно прийти, исходя и из других законов взаимодействия элементарных токов, поэтому особенно подчеркивал другое достоинство своей теории - ее способность сводить к единой причине (взаимодействию двух элементов тока) три вида взаимодействий, кажущихся совершенно различными: магнито-статические, электромагнитные и электродинамические. Но главное достоинство своей формулы (единственной, которая, по его мнению, имеет право называться действительно элементарной) он видел в том, что она изгнала из физики «вращательные силы», сведя все силы природы к взаимодействию частиц вдоль соединяющей их прямой.
Таким образом, в этой большой работе, опубликованной в 1827 г. и охарактеризованной Максвеллом как «совершенная по форме и непревзойденная по точности», Амперу удалось восстановить механистическую концепцию, сильно поколебленную опытом Эрстеда. Но как раз работы того же Максвелла позволили установить, что это всего лишь «заплата».
Вебер положил в основу своей теории электрического тока, рассматриваемого как истинный поток заряженных частиц, электромагнитное действие движущегося заряда; Максвелл также принял эту концепцию. По совету Гельмгольца Роуланд в 1876 г. с помощью классического эксперимента, вызвавшего длительную дискуссию, прекратившуюся практически лишь в 1903 г. благодаря Пуанкаре, доказал, что движущийся по окружности электрический заряд оказывает на магнитную стрелку точно такое же действие, как и круговой ток. Более того, при увеличении скорости заряда растет и сила, действующая на каждый полюс стрелки, т. е. величина силы зависит от скорости заряда. Между тем для механистической концепции характерно объяснение всех явлений силами, зависящими лишь от расстояния между частицами. Опыт Роуланда не только подтверждал существование «вращательных сил», но вводил новый элемент, совершенно чуждый механистической концепции и потому сильно ее поколебавший.
Однако вернемся еще раз к работе Ампера. Оставив в стороне его резкую полемику с Био, полную личных выпадов, мы хотим заметить, что Ампер объясняет, как это он уже делал и в 1821 г., земной магнетизм существованием внутренних токов в земном шаре - это одна из многочисленных и малоудовлетворительных теорий, пытающихся объяснить земной магнетизм.
В 1822 г. Леопольд Нобили подкрепил взгляд Ампера, создав «прибор», состоящий из
«...сферического шара, обмотанного металлической проволокой в направлении параллелей, которая соединяется концами с цинковым и медным электродами вольтова столба».
Этот прибор в некоторых курсах физики называют «шаром Барлоу», хотя Барлоу представил его описание в Королевский институт лишь 26 мая 1824 г., т. е. через два года после опубликования статьи Нобили.
ЗАКОН ОМА
7. ПЕРВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРОВОДНИКОВ
Что такое проводник? Это чисто пассивная составная часть электрической цепи, отвечали первые исследователи. Заниматься его исследованием - значит попросту ломать себе голову над ненужными загадками, ибо только источник тока представляет собой активный элемент. Такой взгляд на вещи объясняет нам, почему ученые, по крайней мере до 1840 г., почти не проявляли интереса к тем немногим работам, которые проводились в этом направлении. Так, на втором съезде итальянских ученых, состоявшемся в Турине в 1840 г. (первый собирался в Пизе в 1839 г. и приобрел даже некое политическое значение), выступая в прениях по докладу, представленному Марианини, Де ла Рив утверждал, что проводимость большинства жидкостей не является абсолютной, «а скорее относительной и изменяется с изменением силы тока». А ведь закон Ома был опубликован за 15 лет до этого!
Среди тех немногих ученых, которые первыми стали заниматься вопросом проводимости проводников после изобретения гальванометра, был Стефано Марианини (1790-1866). К своему открытию он пришел случайно, изучая напряжение батарей. Он заметил, что с увеличением числа элементов вольтова столба электромагнитное воздействие на стрелку не увеличивается заметным образом. Это заставило Марианини сразу же подумать, что каждый вольтов элемент представляет собой препятствие для прохождения тока. Он делал опыты с парами «активными» и «неактивными» (т. е. состоящими из двух медных пластинок, разделенных влажной прокладкой) и опытным путем^ нашел отношение, в котором современный читатель узнает частный случай закона Ома, когда сопротивление внешней цепи не принимается во внимание, как это и было в опыте Марианини.
Георг Симон Ом (1789-1854) признавал заслуги Марианини, хотя его труды и не оказали Ому непосредственной помощи в работе. Ом вдохновлялся в своих исследованиях работой «La theorie analytique de la chaleur» («Аналитическая теориятепла»,Париж, 1822 г.)Жана Батиста Фурье (1768-1830)-одной из самых значительных научных работ всех времен, очень быстро получившей известность и высокую оценку среди математиков и физиков того времени. Ому пришла мысль, что механизм «теплового потока», о котором говорит Фурье, можно уподобить электрическому току в проводнике. И подобно тому как в теории Фурье тепловой поток между двумя телами или между двумя точками одного и того же тела объясняется разницей температур, точно так же Ом объясняет разницей «электроскопических сил» в двух точках проводника возникновение электрического тока между ними.
Придерживаясь такой аналогии, Ом начал свои экспериментальные исследования с определения относительных величин проводимости различных проводников. Применив метод, который стал теперь классическим, он подключал последовательно между двумя точками цепи тонкие проводники из различных материалов одинакового диаметра и изменял их длину так, чтобы получалась определенная величина тока. Первые результаты, которые ему удалось получить, сегодня кажутся довольно скромными.
Историки поражаются, например, тем, что по измерениям Ома серебро обладает меньшей проводимостью, чем медь и золото, и снисходительно принимают данное впоследствии самим Омом объяснение, согласно которому опыт проводился с серебряной проволокой, покрытой слоем масла, и это вводило в заблуждение относительно точного значения диаметра.
В то время имелось множество источников ошибок при проведении опытов (недостаточная чистота металлов, трудность калибровки проволоки, трудность точных измерений и т. п.). Важнейшим же источником ошибок была поляризация батарей. Постоянные (химические) элементы тогда еще не были известны, так что за время, необходимое для измерений, электродвижущая сила элемента существенно менялась. Именно эти причины, вызывавшие ошибки, привели к тому, что Ом на основании своих опытов пришел к логарифмическому закону зависимости силы тока от сопротивления проводника, включенного между двумя точками цепи.
После опубликования первой статьи Ома Поггендорф посоветовал ему отказаться от химических элементов и воспользоваться лучше термопарой медь - висмут, незадолго до этого введенной Зеебеком (§ 9). Ом прислушался к этому совету и повторил свои опыты, собрав установку с термоэлектрической батареей, во внешнюю цепь которой включались последовательно восемь медных проволок одинакового диаметра, но разной длины. Силу тока он измерял с помощью своего рода крутильных весов, образуемых магнитной стрелкой, подвешенной на металлической нити. Когда ток, параллельный стрелке, отклонял ее, Ом закручивал нить, на которой она была подвешена, пока стрелка не оказывалась в своем обычном положении; сила тока считалась пропорциональной углу, на который закручивалась нить.
Ом пришел к выводу, что результаты опытов, проведенных с восемью различными проволоками,
«могут быть выражены очень хорошо уравнением Х=а/b+x
где X означает интенсивность магнитного действия проводника, длина которого равна х, а а и b - константы, зависящие соответственно от возбуждающей силы и от сопротивления остальных частей цепи».
Условия опыта менялись: заменялись сопротивления и термоэлектрические пары, но результаты все равно сводились к приведенной выше формуле, которая очень просто переходит в известную нам, если заменить X силой тока, а-электродвижущей силой и b+х - общим сопротивлением цепи.
Получив эту формулу, Ом пользуется ею для изучения действия мультипликатора Швейггера на отклонение стрелки и для изучения тока, который проходит во внешней цепи батареи элементов, в зависимости от того, как они соединены - последовательно или параллельно. Таким образом он объясняет (как это делается теперь в учебниках), чем определяется внешний ток батареи, - вопрос, который был довольно темным для первых исследователей.
Ом надеялся, что его экспериментальные работы откроют ему путь в университет, чего он так желал. Однако статьи прошли незамеченными. Тогда он оставил место преподавателя в кельнской гимназии и отправился в Берлин, чтобы теоретически осмыслить полученные результаты. В 1827 г. в Берлине он опубликовал свой главный труд «Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet» («Гальваническая цепь, разработанная математически»).
Эта теория, при разработке которой он вдохновлялся, как мы уже указывали, аналитической теорией теплоты Фурье, вводит понятия и точные определения электродвижущей силы, или «электроскопической силы», как ее называет Ом, электропроводности (Starke der Leitung) и силы тока. Выразив выведенный им закон в дифференциальной форме, приводимой современными авторами, Ом записывает его и в конечных величинах для частных случаев конкретных электрических цепей, из которых особенно важна термоэлектрическая цепь. Исходя из этого, он формулирует известные законы изменения электрического напряжения вдоль цепи.
Но теоретические исследования Ома также остались незамеченными, а если кто-нибудь и писал о них, то лишь для того, чтобы высмеять «болезненную фантазию, единственной целью которой является ^стремление принизить достоинство природы». И лишь лет десять спустя его гениальные работы постепенно начали пользоваться должным признанием: в Германии их оценили Поггендорф и Фехнер, в России - Ленц, в Англии - Уитстон, в Америке - Генри, в Италии - Маттеуччи.
Одновременно с опытами Ома во Франции проводил свои опыты А. Бек-керель, а в Англии - Барлоу. Опыты первого особенно замечательны введением дифференциального гальванометра с двойной обмоткой рамки и применением «нулевого» метода измерения. Опыты же Барлоу стоит упомянуть потому, что они экспериментально подтвердили постоянство силы тока во всей цепи. Этот вывод был проверен и распространен на внутренний ток батареи Фехнером в 1831 г., обобщен в 1851 г. Рудольфом Кольраушем (1809-1858) на жидкие проводники, а затем еще раз подтвержден тщательными опытами Густава Нидмана (1826-1899).
8. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Беккерель применил дифференциальный гальванометр для сравнения электрических сопротивлений. На основе проведенных им исследований он сформулировал известный закон зависимости сопротивления проводника от его длины и сечения. Эти работы были продолжены Пуйе и описаны им в последующих изданиях его известных «Elements de physique experimentale» («Основы экспериментальной физики»), первое издание которых появилось в 1827 г. Сопротивления определялись методом сравнения.
Уже в 1825 г. Марианини показал, что в разветвляющихся цепях электрический ток распределяется по всем проводникам независимо от того, из какого материала они сделаны, вопреки утверждению Вольты, который полагал, что если одна ветвь цепи образуется металлическим проводником, а остальные - жидкими, то весь ток должен проходить по металлическому проводнику. Араго и Пуйе популяризировали во Франции наблюдения Марианини. Не зная еще закона Ома, Пуйе в 1837 г. воспользовался этими наблюдениями и законами Беккереля, чтобы показать, что проводимость цепи, эквивалентной двум разветвленным цепям, равна сумме проводимо-стей обеих цепей. Этой работой Пуйе положил начало изучению разветвленных цепей. Пуйе установил для них целый ряд терминов, которые живы и до сих пор, и некоторые частные законы, обобщенные Кирхгофом в 1845 г. в его известных «принципах»: в «узле» алгебраическая сумма сил токов равна нулю; в «петле» сумма произведений сопротивления каждого участка на соответствующую силу тока равна алгебраической сумме электродвижущих сил, действующих на участках этой петли.
Самый большой толчок для проведения электрических измерений, и в частности измерений сопротивления, был дан возросшими потребностями техники, и в первую очередь проблемами, возникшими с появлением электрического телеграфа. Впервые мысль об использовании электричества для передачи сигналов на расстояние родилась еще в XVIII веке. Вольта описал проект телеграфа, а Ампер еще в 1820 г. предлагал использовать электромагнитные явления для передачи сигналов. Идея Ампера была подхвачена многими учеными и техниками: в 1833 г. Гаусс и Вебер построили в Геттингене простейшую телеграфную линию, соединявшую астрономическую обсерваторию и физическую лабораторию. Но практическое применение телеграф получил благодаря американцу Самуэлу Морзе (1791-1872), которому в 1832 г. пришла удачная мысль создать телеграфный алфавит, состоящий всего из двух знаков. После многочисленных попыток Морзе в 1835 г. наконец удалюсь построить частным образом первую грубую модель телеграфа в Нью-Йоркском университете. В 1839 г. была проведена экспериментальная линия между Вашингтоном и Балтиморой, а в 1844 г. возникла организованная Морзе первая американская компания по коммерческой эксплуатации нового изобретения. Это было также первое практическое применение результатов научных изысканий в области электричества.
В Англии изучением и усовершенствованием телеграфа занялся Чарльз Уитстон (1802-1875), бывший мастер по изготовлению музыкальных инструментов. Понимая важность измерений сопротивления, Уитстон стал искать наиболее простые и точные методы таких измерений. Бывший в то время в ходу метод сравнения, как мы видели, давал ненадежные результаты, главным образом из-за отсутствия стабильных источников питания. Уже в 1840 г. Уитстон нашел способ измерения сопротивления независимо от постоянства электродвижущей силы и показал свое устройство Якоби. Однако статья, в которой это устройство описано и которую вполне можно назвать первой работой в области электротехники, появилась лишь в 1843 г. В этой статье дано описание знаменитого «мостика», названного затем в честь Уитстона. Фактически такое устройство было описано еще в 1833 г. Гюнтером Кристи и независимо от него в 1840 г. Марианини; оба они предлагали метод сведения к нулю, но их теоретические объяснения, при которых не учитывался закон Ома, оставляли желать лучшего.
Уитстон же был поклонником Ома и очень хорошо знал его закон, так что данная им теория «мостика Уитстона» ничем не отличается от приводимой сейчас в учебниках. Кроме того, Уитстон, чтобы можно было быстро и удобно изменять сопротивление одной стороны мостика для получения нулевой силы тока в гальванометре, включенном в диагональное плечо мостика, сконструировал три типа реостатов (само это слово было предложено им по аналогии с «реофором», введенным Ампером, в подражание которому Пекле ввел также термин «реометр»). Первый тип реостата с подвижной скобкой, применяемый и сейчас, был создан Уитстоном по аналогии со схожим приспособлением, применявшимся Якоби в 1841 г. Второй тип реостата имел вид деревянного цилиндра, вокруг которого была намотана часть подключенного в цепь провода, который легко перематывался с деревянного цилиндра на бронзовый. Третий тип реостата был похож на «магазин сопротивлений», который Эрнст Вернер Сименс (1816-1892), ученый и промышленник, в 1860 г. улучшил и широко распространил. «Мостик Уитстона» дал возможность измерять электродвижущие силы и сопротивления.
Создание подводного телеграфа, пожалуй, еще более, нежели воздушного телеграфа, потребовало разработки методов электрических измерений. Опыты с подводным телеграфом начались еще в 1837 г., и одной из первых проблем, которую предстояло разрешить, было определение скорости распространения тока. Еще в 1834 г. Уитстон с помощью вращающихся зеркал, о чем мы уже упоминали в гл. 8, произвел первые измерения этой скорости, но полученные им результаты противоречили результатам Латимера Кларка, а последние в свою очередь не соответствовали более поздним исследованиям других ученых.
В 1855 г. Уильям Томсон (получивший впоследствии титул лорда Кельвина) объяснил причину всех этих расхождений. Согласно Томсону, скорость тока в проводнике не имеет определенной величины. Подобно тому как скорость распространения тепла в стержне зависит от материала, так и скорость тока в проводнике зависит от произведения его сопротивления на электрическую емкость. Следуя этой своей теории, которая в его времена подверглась ожесточенной критике, Томсон занялся проблемами, связанными с подводным телеграфом.
Первый трансатлантический кабель, соединивший Англию и Америку, функционировал около месяца, но затем испортился. Томсон рассчитал новый кабель, провел многочисленные измерения сопротивления и емкости, придумал новые передающие аппараты, из коих следует упомянуть астатический отражательный гальванометр, замененный «сифонным регистратором» его же изобретения. Наконец, в 1866 г. новый трансатлантический кабель успешно вступил в действие. Созданию этого первого большого электротехнического сооружения сопутствовала разработка системы единиц электрических и магнитных измерений.
Основа электромагнитной метрики была заложена Карлом Фридрихом Гауссом (1777-1855) в его знаменитой статье «Intensitas vis magneticae terrestris ad mensuram absolutam revocata» («Величина силы земного магнетизма в абсолютных мерах»), опубликованной в 1832 г. Гаусс заметил, что различные магнитные единицы измерения несоотносимы между собой, по крайней мере в большей своей части, и поэтому предложил систему абсолютных единиц, основанную на трех основных единицах механики: секунде (единице времени), миллиметре (единице длины) и миллиграмме (единице массы). Через них он выразил все остальные физические единицы и придумал ряд измерительных приборов, в частности магнетометр для измерения в абсолютных единицах земного магнетизма. Работу Гаусса продолжил Вебер, который построил много собственных приборов и приборов, задуманных еще Гауссом. Постепенно, особенно благодаря работам Максвелла, проводившимся в созданной Британской ассоциацией специальной комиссии по измерениям, которая издавала ежегодные отчеты с 1861 по 1867 г., возникла идея создать единые системы мер, в частности систему электромагнитных и электростатических мер.
Мысли о создании таких абсолютных систем единиц были подробно изложены в историческом отчете за 1873 г. второй комиссии Британской ассоциации. Созванный в Париже в 1881 г. Международный конгресс впервые установил международные единицы измерения, присвоив каждой из них название в честь какого-нибудь великого физика. Большая часть этих названий сохраняется до сих пор: вольт, ом, ампер, джоуль и т. д. После многих перипетий в 1935 г. была введена международная система Джорджи, или MKSΩ, которая принимает за основные единицы метр, килограмм-массу, секунду и ом.
С «системами» единиц связаны «формулы размерностей», примененные впервые Фурье в его аналитической теории тепла (1822 г.) и распространенные Максвеллом, которым и установлены применяемые в них обозначения. Метрология прошлого века, основывавшаяся на стремлении объяснить все явления с помощью механических моделей, придавала большое значение формулам размерностей, в которых она хотела видеть не больше и не меньше как ключ к тайнам природы. При этом выдвигался ряд утверждений почти догматического характера. Так, чуть ли не обязательным догматом было требование, чтобы основных величин было непременно три. Но к концу века начали понимать, что формулы размерностей - это чистая условность, вследствие чего интерес к теориям размерностей стал постепенно падать.