Начало теории электричества. Эпинус. Кулон

⇐ ПредыдущаяСтр 19 из 33Следующая ⇒

Как и в других областях науки, теория электричества двигалась в направлении от явлений к принципам. Качественные исследования, первые опыты по электричеству, требовали количественной оценки, получения математических зависимостей.

Первая попытка математического рассмотрения электрических явлений принадлежит Францу Ульриху Теодору Эпинусу (1721-1802). Немец по происхождению, Эпинус почти всю свою жизнь прожил в России. Он родился в Ростоке, учился в университете родного города, затем в Иене. Ученую степень получил за диссертацию “О кривых линиях”. В 1755-1757 г.г. Эпинус стал профессором астрономии при Берминской Академии наук. Еще при жизни М.В. Ломоносова в 1757 г. Эпинус был приглашен на должность профессора физики в Петербургскую Академию наук и более 40 лет работал в этой должности. В 1765г. Екатерина Великая назначила Эпинуса воспитателем великого князя (впоследствии Павла I). С этого времени научная деятельность Эпинуса практически прекратилась. В 1797г. после восшествия Павла на престол Эпинус получил чин тайного советника. Умер Эпинус, уже будучи в отставке, в Юрьеве.

Теория Эпинуса базируется на действии электрических сил на расстоянии, и в этом Эпинус следует Ньютону, считая что взаимодействуют электрические жидкости. Одновременно Эпинус следует Франклину, разделяя электрическую силу на положительную и отрицательную. Эпинус указывает на сходство и различие магнитных и электрических сил. Свою теорию Эпинус развил математически и опубликовал в 1759 г. в сочинении “Теория электричества и магнетизма”. Эпинус в этой теории полагает, что каждое тело в своем естественном состоянии обладает определенным количеством электричества, электрические явления проявляются тогда, когда количество жидкой электрической материи больше или меньше того, которое должно быть в естественном состоянии. Электрические силы Эпинус полагает пропорциональными электрическим зарядам, то есть количеству электрической жидкой материи, и независящими от расстояния между зарядами. Эпинус был первым, обнаружившим явление электризации проводника от одного только приближения наэлектризованного тела – “электричества через влияние”.

Важнейшим в науке стало открытие Эпинусом явления электризации турмалина при нагревании, названное впоследствии “пироэлектричеством”. Особый кристалл, известный в Европе как “электрический камень”, был назван Эпинусом “турмалином”. Эпинус провел ряд тончайших экспериментов с турмалином и установил, что при нагревании один конец кристалла заряжается положительно, другой – отрицательно. В настоящее время пироэлектрические явления используются при преобразовании потока излучения в электрический сигнал (в пироэлектрических приемниках излучения). Пироэлектрические приемники применяются в самых различных областях техники, например, в системах ночного видения, в которых тепловое излучение объектов преобразуется в электрический сигнал, используемый для создания видимого изображения предметов.

Генри Кавендиш (1731-1810) развил теорию Эпинуса, полагая, что сила взаимодействия заряженных тел обратно пропорциональна некоторой степени расстояния между ними и простирается до бесконечного расстояния.

Честь установления закона взаимодействия электрических зарядов принадлежит Шарлю Огюстену Кулону (1736-1806), который своими исследованиями создал основы электростатики.

Ш.О. Кулон родился во французском городке Ангулеме в семье чиновника. Высшее образование Кулон получил в военно-инженерной школе в Мезьере. Научную известность Кулону принесла его первая работа по методам решения задач в области строительной механики. За работы по изучению проблем сухого (внешнего) трения в 1781 г. Кулон получил премию Парижской Академии наук и в том же году был избран членом этой Академии. В 80-е годы Кулон провел исследование кручения тонких металлических нитей. Кулон установил, что сила закручивания нитей зависит от материала нити, прямо пропорциональна углу закручивания и четвертой степени диаметра нити и обратно пропорционально ее длине. Это исследование позволило Кулону построить тончайший экспериментальный прибор – крутильные весы, служащие для измерения малых сил. Крутильные весы стали основным инструментом в исследованиях Кулона по электричеству и магнетизму. После событий 1789 г. научная работа Кулона практически прекратилась. В последние годы жизни Кулон занимался вопросами народного образования.

Свои исследования по электричеству и магнетизму Кулон начал с измерения зависимости силы отталкивания зарядов от расстояния между ними и установил, что силы почти в точности обратно пропорциональны квадратам расстояний. Такая же зависимость наблюдалась и в отношении сил притяжения. Аналогичные результаты были получены и другим методом, известным как “метод колебаний”. Этот метод основан на зависимости частоты колебаний наэлектризованной на конце стрелки от действующей на нее электрической силы. Кулону удалось установить, что действие магнитных сил также подчиняется закону обратных квадратов. Как и Эпинус, Кулон принял прямо пропорциональную зависимость действующей силы от величины произведения зарядов. Кулон исследовал с помощью изобретенной им “пробной плоскости” – кружка из позолоченной бумаги на изолирующей ручке, распределение электрических зарядов на проводниках. Теоретически, с использованием полученного им закона обратных квадратов, и экспериментально, Кулон доказал, что электрические заряды распределяются по поверхности проводника. Установленные законы обратных квадратов при взаимодействии зарядов имели глубоко идущие теоретические последствия. Механика Ньютона естественным образом распространялась на электростатику. Свойства полей Ньютоновских сил переносились в электростатику. Эйлер и Симон Пуассон (1781-1840) разработали теорию потенциала, распространили ее на электрические и магнитные явления.

Мощным инструментом при исследовании электрических и магнитных явлений стал математический анализ. Разработку теории потенциала продолжил Гаусс. На основании закона Кулона Гаусс дал определение количества электричества, в основу которого положено понятие силового взаимодействия единичных точечных зарядов, находящихся на единичном расстоянии.

Электрический ток. Вольта

Итальянский физиолог Луиджи Гальвани (1737-1798) в 1780 г. обнаружил сокращение мышц препарированной лягушки при прикосновении к ним двух разнообразных металлов, находящихся в контакте. Гальвани выдвинул идею существования так называемого “животного электричества”. Исследования этого явления привели Алессандро Вольта в новую область электрических явлений и к созданию первого источника постоянного тока.

Алессандро Вольта родился в г. Комо недалеко от Милана в знатной дворянской семье. Работая учителем физики в местной школе, Вольта одновременно занимался исследованиями в области химии и физики, изобрел ряд приборов для химического анализа. С 1777 г. до ухода в отставку в 1819 г. Вольта служил профессором физики в университете Павии. Последние годы жизни Вольта провел в родном городе.

Вольта с недоверием отнесся к опытам Гальвани и решил их повторить. Вольта писал, что его скептицизм сменился фанатизмом после того, как он получил те же результаты, что и Гальвани. Вольта, однако, отметил необходимость использования неоднородных металлов, находящихся в контакте, и стал искать причину явления не в области физиологии, а в области чисто физических явлений. Уже через три месяца после повторения опытов Гальвани, Вольта приходит к заключению, что именно два разнородных металла и “нарушают равновесие”, то есть по современным понятиям создают разность потенциалов. Вольта искал способы увеличения силы электрического воздействия, пытался исключить из опыта ткани лягушки, и это ему удалось. В 1779 г. в письме Джоузефу Бэнксу, президенту Королевского общества, Вольта пишет о результатах своих исследований и указывает: “Самым основным и включающим почти все остальные результаты является постройка прибора, сходного по эффектам, то есть по сотрясению, вызываемому в руках и т.д., с лейденскими банками или с такими слабо заряженными батареями, где бы заряд после каждого взрыва восстанавливался сам собой, одним словом этот прибор обладает бесконечным зарядом, постоянным импульсом или действием электрического флюида”. Далее в длинном письме Вольта описывает первый источник постоянного электрического тока – “вольтовый столб”, как его стали называть, образно передавая в названии саму конструкцию. Действительно, Вольта расположил в столбик контактные пары металлов, разделенные влажными кружками из ткани. В основе контактных пар Вольта использовал пары серебро-цинк. Напряжение между крайними металлами в столбе оказалось пропорциональным количеству пар. В этом же письме Вольта описывает и другие варианты конструкции своего прибора.

После появления “вольтовых столбов” вскоре обнаружились новые физические явления, в частности тепловое действие тока, электролиз, электрическая дуга. Изобретение Вольта произвело огромное впечатление на научный мир. Он был избран членом Лондонского Королевского общества и Академии наук Франции. На демонстрации опытов Вольта на заседании французской Академии присутствовал Наполеон. Французы “вольтовы столбы” стали называть также “гальваническими столбами”, а позже гальваническими элементами. Это название сохраняется и сегодня.

⇐ Предыдущая 14 15 16 17 181920 21 22 23 Следующая ⇒