От Электричества до Телевидения. Популярная история

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

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

1269 г. Марикурт

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

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

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

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

магнитное наклонение – отклонение стрелки прибора от истинного горизонта.

1492 г. Колумб

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

1544 г. Гартман

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

1576 г. Норман

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

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

2.2. Электричество

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

Глава 3. 1600 г. – 1699 г.

Первые теории и законы для электричества и магнетизма

1600 г. Гильберт

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

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

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

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

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

1629 г. Кабеус

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

1629 г. Декарт

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

1663 г. Фон Герике

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

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

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

1672 г. Бойль

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

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

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

1683 г. Галлей

В 1683 г. англичанин Эдмунд Галлей (1656—1742 гг.) опубликовал работу «Таблица магнитных склонений» для многих мест Земли, где приводились величины склонений преимущественно за период 1670—80 гг. Из этих наблюдений Галлей делал вывод, что в данное время в Европе и на восточном побережье Северной Америки склонение западное, но в океане должно быть место, где склонение восточное или даже равное нулю. Галлей выдвинул версию, что Земля имеет 4 полюса – версию оригинальную, но ошибочную.

1698 г. Галлей

В 1698 г. правительство Англии предоставило астроному Галлею корабль для проверки его версии о 4-х полюсах Земли и уточнения магнитного склонения в океане, что имело важное значение для морского ведомства. В 1698—1702 гг. Галлей предпринял три плавания в Атлантический океан, в ходе которых он первым стал отмечать на карте места равных склонений и соединять их линиями. Созданная Эдмундом Галлеем перваякарта изогонических линий склонения была опубликована в 1701 г.

Послесловие по главам 1—3. Предисловие к главам 4—5

17-й век ознаменовался некоторыми инженерными достижениями в области электричества и магнетизма, были проведены интересные опыты, Галлей и Герике построили макеты, Герике построил электрическую машину, Декарт и Галлей выдвинули теории. Ученые Земли были почти готовы к пониманию физических причин электрических и магнитных явлений.

18-й век можно характеризовать как век экспериментов. В области электричества и магнетизма ученые продвигались «на ощупь», а многие результаты были получены «случайно». Оптика, астрономия, математика, механика были развиты уже в достаточной степени, а учение об электричестве и магнетизме отставало, но научные факты копились в умах естествоиспытателей для спринтерского рывка первых десятилетий 19-го века.

Глава 4. 1700 г. – 1749 г.

Опыты Гауксби и Грея, электрические машины, «лейденская банка» Мушенбрека, опыты Франклина

1701 г. Галлей

На рубеже 18-го века англичанин Эдмунд Галлей предпринял три плавания в Атлантический океан, в ходе которых он первым стал отмечать на карте места равных склонений и соединять их линиями. В 1701 г., после 2-го плавания он публикует работу «General Chart of the Variation of the Compass» – генеральную таблицу склонений компаса от 52 градуса северной широты до 52 градуса южной широты, с картой, на которой были проведены линии равного склонения, называемыми галлеевыми, или изогоническими. Достаточно сложную картину изогонических линий Галлей объяснял наличием у Земли 4-х полюсов. Эта версия нашла много противников, в том числе несколько позднее швейцарский математик Леонард Эйлер (1707—1783), который работал в том числе и в России, высказал гипотезу о несимметричном расположении полюсов Земли, которая оказалась верной [11].

1706 г. Гауксби, Франклин

В 1706 г. английский физик Фрэнсис Гауксби (1666—1713 гг.) построил по примеру Отто фон Герике электрическую машину, в которой стеклянный шар, расположенный на горизонтальной оси, приводился в быстрое вращение. На этой машине Гауксби провел многочисленные опыты. Электризацию Гауксби производил рукой, он достигал состояния шара, при котором последний в темноте освещал предметы на расстоянии до 10 футов, а искра от шара до пальцев экспериментатора была размером до дюйма (можно считать что разность потенциалов составляла около 25.000 вольт). Гауксби первым обнаружил явление люминесценции воздуха в стеклянной трубке, которая была приближена к наэлектризованному шару. Гауксби на своей машине экспериментировал с различными шарами – применял для их изготовления серу, смолу, смеси с глиной, стекло, а также откачивал из стеклянного шара воздух. Теоретических объяснений своим опытам Фрэнсис Гауксби не оставил, но объем экспериментов в 1705—1710 гг. он выполнил очень большой.