От Электричества до Телевидения. Популярная история

1.1. Электричество

Электрические явления знакомы человеку с более древних времен, чем магнитные. Вместе с этим очевидно, что люди не объединяли магнитные и электрические явления, не догадывались об их близкой физической природе. Из электрических явлений, которые были известны человеку как разные явления, можно отметить следующие:

молния – грозное природное явление, приписываемое проявлению божественной силы – у греков это верховное божество Зевс – Zevs (греч. – написано латинским шрифтом) – дата начала культа Зевса-громовержца может быть определена как 15—14 века до н. э.

электрошоковое действие отдельных видов рыб – предположительно египтяне знали о них в 24 век до н. э.

электрические свойства янтаря – накопление статического электрического заряда при натирании мехом – были обнаружены много ранее 7 века до н. э.

Происхождение слова электричество (а позднее и электрон) очевидно греческое т. к. elektron – это янтарь – на древнегреческом языке. В русский язык слово янтарь скорее всего пришло из литовского от gintaras (лит.), учтем при этом большую добычу янтаря на литовском побережье Балтийского моря, откуда солнечный камень и привозили в Русь.

Впрочем, месторождения янтаря есть по всей Европе – в том числе и в Северной Греции, этот природный материал – окаменевшая смола – использовался с древних времен как материал ювелирный. При трении о сухую кожу на янтаре накапливается электрический заряд, который может притягивать легкие предметы – перья, волосы и т. д. Это свойство янтаря долгое время считалось уникальным и только ему присущим.

Аристотель пишет, что Фалес Милетский проверил притягательные свойства янтаря, когда натер его кусок кошачьей шерстью и притянул пучок перьев. Проверить это сведение об опыте, проведенном в 7 веке до н. э., невозможно – будем доверять Аристотелю.

Римляне приписывали янтарю – амбре – (ambra – итал.) лечебные свойства, об этом упоминает Плиний (1 век), связано ли это с накоплением заряда от трения – неизвестно.

На этом сообщения об электричестве в описываемом периоде истории заканчиваются.

1.2. Магнетизм

Явление магнетизма – взаимного притяжения природных материалов – камней из магнитного железняка («магнит» – слово греческое magnyz– читается как «магниз») и самородного железа – известно человеку с древних времен. Сведения о приоритете китайцев в этой области науки не очень достоверны, но мы обязаны о них упомянуть [1]:

не ранее 2637 года до н. э. – китайский император Хуан-ди (2697—2597 годы до н. э.) использовал компас (?) в бою, чтобы найти направление, по которому он должен преследовать своих врагов.

1110 год до н. э. – китайский министр Тахеон Кун использовал компас при плавании из Кочина, Китай, в Тонкин; два года спустя китайские суда по компасу вышли в Индийский океан.

1022 год до н. э. – на китайских колесницах было установлено устройство с плавающей магнитной стрелкой в форме фигурки божества, которое протянутой рукой всегда указывало на юг.

Происхождение слова магнит греческое и в Европе первые описания магнитов встречаются у греческих авторов, их труды мы знаем в изложении европейских авторов средних веков. Внимание заслуживает 20-томный трактат [2] итальянского ученого и алхимика Джамбаттиста делла Порта (1540—1615) – в седьмом томе своего трактата он ссылается на греческого писателя Никандра (жил во 2 веке до н. э.) и римского писателя Плиния (жил в 23—79 гг. – погиб при извержении Везувия) и приводит легенду о греческом пастухе, который застрял в своих подкованных сандалиях на каменистом поле у города Магнез, и тем самым первым нашел магнитный железняк. Дата этого происшествия неопределенна, но известно, что легендарный Магнез, сын Зевса, правитель Магнеза – герой из греческой мифологии – жил в 10—12 вв. до н. э., следовательно, не ранее этого времени был открыт магнит – т. е. в Китае он был известен на 1500 лет раньше.

В 7 в. до н. э. магнит и его магнетизм (свойство притягивать железо) были в Греции общеизвестны, об этом можно судить по трактату «О душе» Аристотеля [3], в котором есть упоминание о философе Фалесе Милетском (жившем в 624—548 г. до н. э.):

«По-видимому, и Фалес, по тому, что о нем рассказывают, считал душу способной приводить в движение, ибо утверждал, что магнит имеет душу, так как движет железо.»

Свою версию происхождения слова магнит дает российская энциклопедия [4]:

«Магнитная железная руда находится почти везде, в России в особенности на Урале (гора Благодать); древние находили ее в Лидии у города Магнезии (Гераклеи), почему и назвали ее гераклейским камнем (Платон), лидийским камнем (Софокл).»

С года смерти Плиния (79 г.) в научных достижениях естествоиспытателей (вернее в сведениях о них) имеется 1000-летний провал, и только с 11 века появились новые сообщения о работах по изучению магнетизма и применения его на практике.

1.3. «Багдадская батарейка»

Для полноты картины о начальных сведениях по электричеству и магнетизму упомянем об одной археологической находке – т. н. «багдадской батарейке». Эту «батарейку» при раскопках в районе Багдада в 1936 г. нашел австрийский археолог Вильгельм Кёниг, в 1940 г. в Вене он опубликовал книгу о своей работе «Im verlorenen Paradies : 9 Jahre Irak». Артефакт, который нашел Кёниг, при большой фантазии можно принять за гальванический элемент – проводившиеся опыты с макетом «багдадской батарейки» закончились получением от нее напряжения 0,8—2,0 В. Дата изготовления «багдадской батарейки» условно относится к 3 веку до н. э. Скептики считают, что представленный Кёнигом артефакт имеет другое назначение – например, это сосуд для хранения свитков рукописей (к слову – традиционно по всем интересным археологическим находкам высказываются скептики, например, «золото Трои», которое нашел Шлиман, они считают «новоделом», сделанным «в Одессе на Малой Арнаутской» и т. д.). Артефакт Кёнига представлен в Техническом музее в Вене [5].

Рис. 1 фото электрического элемента [5]

2.1. Магнетизм

В области магнетизма внимание ученых в 10—15 веках в первую очередь было приковано к двум областям знания:

компасу, как навигационному прибору, использующему намагниченную стрелку;

Земле, как большому магниту, по поверхности которого можно перемещаться с использованием компаса.

Компас предположительно был завезен в Европу из Китая, но имеются сторонники версии о независимом создании компаса в Европе – установить доподлинно этот вопрос невозможно, как неизвестны имена создателей китайского и европейского компасов.

Неаполитанцы считали, что компас изобретен их земляком Флавием Джиои и поставили ему памятник, но исследователи первенство Неаполя не признавали:

«В одной рукописи ХI века сообщают, как о вещи давно известной, что китайцы употребляют магнитную стрелку для указания направления на море в при путешествиях на суше. Китайские императоры во время переездов через пустынные азиатские степи издавна имели магнитные стрелки в своих паланкинах. Первые известия об употреблении компаса у арабов относятся к 1242 г. Араб Байлак рассказывает, что в темные ночи сирийские мореплаватели кладут обыкновенно на воду крест из лучинок, а сверху магнит, который своими концами указывает направление. Арабы, впрочем, знали компас еще раньше, судя по одной цитате в сочинениях Альберта Великого, которая заимствована из древней арабской книги и положительно указывает на знание свойств магнитной стрелки. Подобное же указание встречается в одном французском стихотворении Гюйо (1181), где магнитная стрелка, с ясным намеком на ее употребление моряками, называется маринетте. Из всего сказанного очевидна неосновательность притязаний итальянца Флавия Джиои или Джири из Амальфи, которому обыкновенно приписывают изобретение компаса в 1302 г. и которому по этому случаю поставлен в Неаполе бронзовый памятник.» [11].

1200 г. Неккам

В 1200 г. первым из европейцев в своем энциклопедическом трактате «De naturis rerum» («О природе вещей») компас описал английский монах Александр Неккам (1157—1217 гг.). Неккам рассказывает о «плавающей» конструкции компаса, он точно описывает явления притяжения и отталкивания и предлагает теорию магнитной силы. [6].

За описанием Неккама последовали описания ряда авторов:

1204 г. – Жак де Витри (1165—1240 гг.);

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.

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 первая карта изогонических линий склонения была опубликована в 1701 г.