Электрическая стихия в мировозрении человека

Далее Эпинус подобно Ньютону говорит, что введенные им силы нужно признать как факт и что в настоящее время нельзя объяснить, каким образом они действуют через пространство. Придумывать же необоснованные гипотезы он не желает. Здесь он полностью копирует Ньютона.

Эпинус идет дальше, сравнивая силы тяготения и электрические силы. Он предполагает, что силы, действующие между частицами электрической материи, «изменяются обратно пропорционально квадрату расстояния. Так можно предполагать с некоторым правдоподобием, ибо в пользу такой зависимости, по-видимому, говорит аналогия с другими явлениями природы». Эта предполагаемая аналогия и дает возможность Эпинусу построить теорию электрических явлений.

Одной из интересных его работ было исследование электрической индукции. Эпинус показал, что если к проводнику приблизить заряженное тело, то на проводнике появляются электрические заряды. При этом сторона его, к которой подносят заряженное тело, электризуется зарядом противоположного знака. И наоборот, на удаленной части проводника образуется заряд того же знака, что и на поднесенном теле.

Если убрать заряженное тело, то проводник снова становится незаряженным. Но если проводник может быть разделен на две части в присутствии заряженного тела, то получатся два проводника, заряженные разноименными зарядами, которые останутся и при удалении индуцирующего заряда.

Эпинус подтвердил и закон сохранения электрического заряда. Он писал: «Если я хочу в каком-либо теле увеличить количество электрической материи, я должен неизбежно взять ее вне его и, следовательно, уменьшить ее в каком-либо другом теле».

Одновременно с теорией электрических явлений, основанной на представлении о дальнодействии, появляются теории этих явлений, в основе которых лежит принцип близкодействия. Одним из родоначальников этой теории можно считать Ломоносова.

Ломоносов был противником теории дальнодействия. Он считал, что тело не может действовать на другие мгновенно через пустое или заполненное чем-либо пространство.

Он полагал, что электрическое взаимодействие передается от тела к телу через особую среду, заполняющую все пустое пространство, в частности и пространство между частицами, из которых состоит «весомая материя», т. е. вещество.

Электрические явления, по Ломоносову, следует рассматривать как определенные микроскопические движения, происходящие в эфире. То же самое относится и к магнитным явлениям.

На точке зрения близкодействия в теории электричества и магнетизма стоял и другой петербургский академик - Леонард Эйлер. В середине XVIII в., как и Ломоносов, он выступил за теорию близкодействия. Он предполагал существование эфира, движением и свойствами которого объяснял наблюдаемые электрические явления.

Однако теоретические представления Ломоносова и Эйлера в то время не могли пол
учить развития. Вскоре был открыт закон Кулона. Он был по своей форме таким же, как и закон всемирного тяготения, и, естественно, его понимание было таким же, как и понимание закона тяготения. Таким образом, закон Кулона был воспринят как доказательство теории дальнодействия.

Основной закон электростатики - закон Кулона - был установлен французским физиком Кулоном в 80-х гг. XVIII в.

Однако история его открытия начинается раньше. Эта история показывает один из путей, по которому развивается физика, - путь применения аналогии

Эпинус уже догадывался о том, что сила взаимодействия между электрическими зарядами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. И эта догадка возникла на основе некоторой аналогии между силами тяготения и электрическими силами.

Но аналогия не является доказательством. Вывод из аналогии всегда требует проверки. Опираясь только на аналогию,. можно прийти и к неверным результатам. Эпинус не проверил справедливость данной аналогии, и поэтому его высказывание имело только предположительный характер.

Иначе поступил английский ученый Генри Кавендиш (1731 - 1810). Он также исходил из аналогии между силами тяготения и силами электрического взаимодействия. Но он пошел дальше, нежели Эпинус, и проверил на опыте выводы, вытекающие из нее.

Кавендиш проделал такой опыт в 70-х гг. XVIII в.. Он взял заряженный металлический шар и поместил его внутрь полого металлического шара, образованного двумя полушариями. Внешний полый шар сначала был не заряжен.

3атем внутренний шар тонкой проволокой соединялся с внешним шаром, для чего было сделано в последнем маленькое отверстие. Через некоторое время полушария разъединяли и освобождали внутренний шар. После этого соединяли его с электроскопом.

Что показывал электроскоп? Если правильно предположение, что силы взаимодействия между зарядами (в данном случае силы отталкивания) обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними, то электроскоп покажет отсутствие заряда.

Действительно, как только внутренний шар соединяли проволокой с полушариями, так сейчас же электричество начинало перетекать с шара по проволоке на полушария, равномерно распределяясь на них. Ведь между зарядами, находящимися на таре, действовала сила отталкивания, но пока шар изолирован, заряды не могли его покинуть. Попав же на внешний шар, заряды равномерно распределялись на его поверхности, и их действие на заряд, находящийся внутри шара, прекращалось.

Перетекание зарядов с внутреннего шара на внешний будет происходить до тех пор, пока они все не покинут внутренний шар. Отсюда Кавендиш и сделал вывод о том, что силы взаимодействия между электрическими зарядами обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними.

Таким образом, мы должны сказать, что Кавендиш первым экспериментально установил закон взаимодействия электрических зарядов. Однако он не обнародовал своего открытия. И эта работа оставалась при его жизни неизвестной. О ней узнали гораздо позже, только в середине прошлого столетия, после того как Максвелл опубликовал ее. Конечно, к этому времени она имела уже чисто исторический интерес.

Не зная об исследованиях Кавендиша, французский ученый Шарль Кулон (1736 - 1806) в 80-х гг. XVIII в. проделал ряд опытов и установил основной закон электростатики, получивший его имя.

Кулон установил, во-первых, что сила взаимодействия между точечными зарядами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Эта сила будет силой отталкивания, если заряды одноименные, и силой притяжения, если заряды разноименные.

Во-вторых, Кулон ввел понятие количества электричества и определил, что сила взаимодействия между зарядами пропорциональна их величине.

Кулон также экспериментально исследовал силы взаимодействия между магнитами. На основании данных эксперимента и полагая, что наряду с электрическими существуют и магнитные заряды, Кулон пришел к заключению, что силы взаимодействия между магнитными зарядами или магнитными массами также обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними.

В последующем, уже в XIX в. выяснилось, что магнитных зарядов не существует. Но законом Кулона для
магнитов продолжали пользоваться, хотя ему уже придавали иной смысл, нежели тот, который вкладывал в него Кулон.

Важнейшим шагом вперед в развитии учения об электрических и магнитных явлениях было изобретение первого источника постоянного тока - гальванического элемента. История этого изобретения начинается с работ итальянского врача Луиджи Гальвани (1737 - 1798), относящихся к концу XVIII в.

Гальвани интересовался физиологическим действием электрического разряда. Начиная с 80-х гг. XVIII столетия, он предпринял ряд опытов для выяснения действия электрического разряда на мускулы препарированной лягушки. Однажды он обнаружил, что при проскакивании искры в электрической машине или при разряде лейденской банки мускулы лягушки сокращались, если к ним в это время прикасались металлическим скальпелем. Однако, существует мнение, что это открытие принадлежит не Гальвани, а его жене, которая была его ассистентом при проведении опытов.

3аинтересовавшись наблюдаемым эффектом, Гальвани решил проверить, не будет ли оказывать такое же действие на лапки лягушки атмосферное электричество. Действительно, соединив один конец нерва лапки лягушки проводником с изолированным шестом, выставленным на крыше, а другой конец нерва с землей, он заметил, что во время грозы время от времени происходило сокращение мускулов лягушки.

Гальвани решил, что открыл «животное электричество», т. е. электричество, которое вырабатывается в организме лягушки. При замыкании нерва лягушки посредством медного крюка и железной дощечки образуется замкнутая цепь, по которой пробегает электрический заряд (электрическая жидкость или материя), что и вызывает сокращение мускулов.

Свои выводы Гальвани опубликовал в 1791 г. в «Трактате о силах электричества при мышечном движении». Его теория такова: сокращение мышц обусловлено возникновением в них электрического тока и в каждом животном есть свое собственное электричество.

Подобные опыты повторяли во многих странах. Однажды английский врач из Глазго приложил электроды к трупу повешенного! Когда «глаза мертвеца открылись», многие из присутствующих даже лишились сознания!

Открытием Гальвани заинтересовались и физики и врачи. Среди физиков был соотечественник Гальвани Алессандро Вольта. (1745 - 1827). Вольта повторил опыты Гальвани, а затем решил проверить, как будут себя вести мускулы лягушки, если через них пропустить не («животное электричество»), а электричество, полученное каким-либо из известных способов. При этом он обнаружил, что мускулы лягушки так же сокращались, как и в опыте Гальвани.

Проделав такого рода исследования, Вольта пришел к выводу, что лягушка является только («прибором»), регистрирующим протекание электричества, что никакого особого «животного электричества» не существует.

Почему же все-таки в опыте Гальвани мускулы лягушки регистрируют протекание электрического разряда? Что является в данном случае источником электричества? Вольта предположил, что причиной электричества является контакт двух различных металлов.

Нужно отметить, что уже Гальвани заметил зависимость силы судорожного сжатия мускулов лягушки от рода металлов, образующих цепь, по которой протекает электричество. Однако Гальвани не обратил на это серьезного внимания. Вольта же, наоборот, усмотрел в нем возможность построения новой теории.

Не согласившись с теорией («животного электричества», Вольта выдвинул теорию «металлического электричества». По этой теории причиной гальванического электричества является соприкосновение различных металлов.

В каждом металле, считал Вольта, содержится электрическая жидкость (флюид), которая, когда металл не заряжен, находится в покое и себя не проявляет. Но если соединить два различных металла, то равновесие электричества внутри них нарушится: электрическая жидкость придет в движение. При этом электрический флюид в некотором количестве перейдет из одного металла в другой, после чего равновесие вновь восстановится. Но в результате этого металлы наэлектризуются: один - положительно, другой - отрицательно.

Эти соображения Вольта подтвердил на опыте. Ему удалось показать, что действительно при простом соприкосновении двух металлов один из них приобретает положительный заряд, а другой отрицательный. Таким образом, Вольта открыл так называемую контактную разность потенциалов. Вольта проделывал следующий опыт. На медный диск, прикрепленный к обыкновенному электроскопу вместо шарика, он помещал такой же диск, изготовленный из другого металла и имеющий рукоятку. Диски при наложении в ряде мест приходили в соприкосновение. В результате этого между дисками появлялась контактная разность потенциалов (по терминологии Вольта, между дисками возникала «разность напряжений»).

Для того чтобы обнаружить «разность напряжений», появляющуюся при соприкосновении различных металлов, которая, вообще говоря, мала (порядка 1В), Вольта поднимал верхний диск и тогда листочки электроскопа заметно расходились. Это вызывалось тем, что емкость конденсатора, образованного дисками, уменьшалась, а разность потенциалов между ними во столько же раз увеличивалась.

Но открытие контактной разности потенциалов между различными металлами еще не могло объяснить опытов Гальвани с лягушками. Нужны были дополнительные предположения.

Составим обычную замкнутую цепь проводников из разных металлов. Несмотря на то что между этими металлами возникает разность потенциалов, постоянного течения электричества по цени не получается. Это сразу понятно для простейшего случая двух металлов. Возьмем, например, два куска медной и цинковой проволоки и соединим их концы. Тогда одна из них (цинковая) зарядится отрицательным электричеством, а медная - положительным. Если теперь соединить и другие концы этих проволок, то и в этом случае второй конец цинковой проволоки будет электризоваться отрицательно, а соответствующий конец медной проволоки положительно. И постоянного течения электричества в цепи не получится.

Но а опыте Гальвани соединялись не только металлы. В цепь включались и мышцы лягушки, содержащие и себе жидкость. Вот в этом и заключается все дело - решил Вольта.

Он предположил, что все проводники следует разбить на два класса: проводники первого рода - металлы и некоторые другие твердые тела и проводники второго рода - жидкости. При этом Вольта решил, что разность потенциалов возникает только при соприкосновении проводников первого рода.

Такое предположение объясняло опыт Гальвани. В результате соприкосновения двух различных металлов нарушается равновесие в них электричества. Это равновесие восстанавливается в результате того, что металлы соединяются через тело лягушки. Таким образом электрическое равновесие все время нарушается и все время восстанавливается, значит, электричество все время движется.

Такое объяснение опыта Гальвани неверно, но оно натолкнуло Вольта на мысль о создании источника постоянного тока - гальванической батареи. И вот в 1800 г. Вольта построил первую гальваническую батарею - Вольтов столб.

Вольтов столб состоял из нескольких десятков круглых серебряных и цинковых пластин, положенных друг на друга. Между парами пластин были проложены картонные кружки, пропитанные соленой водой. Такой прибор служил источником непрерывного электрического тока.

Интересно, что в качестве довода о существовании непрерывного электрического тока Вольта опять-таки привлекал непосредственные ощущения человека. Он писал, что если крайние пластины замкнуты через тело человека, то сначала, как и в случае с лейденской банкой, человек испытывает удар и покалывание. 3атем возникает ощущение непрерывного жжения, «которое не только не утихает, - говорит Вольта, - но делается все сильнее и сильнее, становясь скоро невыносимым, до тех пор пока цепь не разомкнется».

Изобретение Вольтова столба - первого источника постоянного тока - имело огромное значение для развития учения об электричестве и магнетизме. Что же касается объяснения действия этого прибора Вольта, то оно, как мы видели, было ошибочным. Это вскоре заметили некоторые ученые.

Действительно, по теории Вольта получалось, что с гальваническим элементом во время его действия не происходит никаких изменений. Электрический ток течет по проволоке, нагревает ее, может зарядить лейденскую банку и т. д., но сам гальванический элемент при этом остается неизменным. Но такой прибор является не чем иным, как вечным двигателем, который, не изменяясь, производит изменение в окружающих телах, в том числе и механическую работу.

К концу XVIII в. среди ученых уже широко распространилось мнение о невозможности существования вечного двигателя. Поэтому многие из них отвергли теорию действия гальванического элемента, придуманную Вольта.

В противовес теории Вольта была предложена химическая теория гальванического элемента. Вскоре после его изобретения было замечено, что в гальваническом элементе происходят химические реакции, в которые вступают металлы и жидкости. Правильная химическая теория действия гальванического элемента вытеснила теорию Вольта.

После открытия Вольтова столба ученые разных стран начали исследовать действия электрического тока. При этом совершенствовался и сам гальванический элемент. Уже Вольта наряду со «столбом» стал употреблять более удобную чашечную батарею гальванических элементов. Для исследования действий электрического тока стали строить батареи со все большим и большим числом элементов.

Наиболее крупную батарею в самом начале XIX в. построил русский физик Василий Владимирович Петров (1761 - 1834) в Петербурге. Его батарея состояла из 4200 цинковых и медных кружков. Кружки укладывались в ящик горизонтально и разделялись бумажными прокладками, пропитанными нашатырем. Батарея Петрова была описана им в его книге («Известия о Гальвани-Вольтовых опытах», вышедшей в России в 1803 г.

Первые шаги в изучении электрического тока относились к его химическим действиям. Уже в том же году, в котором Вольта изобрел гальваническую батарею, было открыто свойство электрического тока разлагать воду. Вслед за этим было произведено разложение электрическим током растворов некоторых солей. В 1807 г. английский химик Дэви путем электролиза расплавов едких щелочей открыл новые элементы: калий и натрий.

Исследование химического действия тока и выяснение химических процессов, происходящих в гальванических элементах, привело ученых к разработке теории прохождения электрического тока через электролиты.

Вслед за изучением химического действия тока ученые обратились к его тепловым и оптическим действиям. Наиболее интересным результатом этих исследований в самом начале XIX в. было открытие электрической дуги Петровым.

Открытие, сделанное Петровым, было забыто. Многие, особенно иностранные, ученые о нем не знали, так как книга Петрова была написана на русском языке. Поэтому, когда Дэви в 1812 г. снова открыл электрическую дугу, его стали считать автором этого открытия.

Наиболее важным событием,
приведшим вскоре к новым представлениям об электрических и магнитными явления
х, было открытие магнитного действия электрического тока. К изложению истории этого открытия мы и переходим.

Открытие электромагнетизма

В XVIII в. электричество и магнетизм считались хотя и похожими, но все же имеющими различную природу явлениями. Правда, были известны некоторые факты, указывающие на существование как будто бы связи между магнетизмом и электричеством, например намагничивание железных предметов в результате ударов молнии. Больше того, Франклину удалось как будто бы намагнитить кусок железа с помощью разряда лейденской банки. Все-таки известные факты не позволяли уверенно утверждать, что между электрическими и магнитными явлениями существует связь.

Такую связь впервые обнаружил датский физик Ханс Кристиан Эрстед (1777 - 1851) в 1820 г. Он открыл действие электрического тока на магнитную стрелку.

Интересна история этого открытия. Идею о связи между электрическими и магнитными явлениями Эрстед высказал еще в первом десятил
етии XIX в. Он полагал, что в явлениях природы, несмотря на все их многообразие, имеется единство, что все они связаны между собой. Эрстед собрал богатую статистику случаев перемагничивания стрелки компаса вследствие удара молнии. "Значит, электричество и магнетизм как-то связаны!"–решил он.

Руководствуясь этой идеей, Эрстед поставил перед собой задачу выяснить на опыте, в чем эта связь проявляется.

Эрстед открыл, что если над проводником, направленным вдоль земного меридиана, поместить магнитную стрелку, которая показывает на север, и по проводнику пропустить электрический ток, то стрелка отклоняется на некоторый угол.

После того как Эрстед опубликовал свое открытие, многие физики занялись исследованием этого нового явления. Французские ученые Био и Савар постарались установить закон действия тока на магнитную стрелку, т. е. определить, как и от чего зависит сила, действующая на магнитную стрелку, когда она помещена около электрического тока. Они установили, что сила, действующая на магнитный полюс (на конец длинного магнита) со стороны прямолинейного проводника с током, направлена перпендикулярно к кратчайшему расстоянию от полюса до проводника и модуль ее обратно пропорционален этому расстоянию.

Познакомившись с работой Био и Савара, Лаплас заметил, что для расчета «магнитной» силы, т. е., говоря современным языком, напряженности магнитного поля, полезно рассматривать действие очень малых отрезков проводника с током на магнитный полюс. Из измерений Био и Савара следовало, что если ввести понятие элемента проводника Dl

, то сила DF

, действующая со стороны этого элемента на полюс магнита, будет пропорциональна D

F ~ (

D

l/

r2
)

sin

a

-, где D

l

- элемент проводника, a

- угол, образованный этим элементом и прямой, проведенной из элемента D

l

в точку, в которой определяется сила, а r - кратчайшее расстояние от магнитного полюса до линии, являющейся продолжением элемента проводника.

После того как было введено понятие силы тока и напряженности магнитного поля, этот закон стали записывать так:

где D

H

- напряженность магнитного поля, I - сила тока, а k - коэффициент, зависящий от выбора единиц, в котор
ых измеряются эти величины. В международной системе единиц СИ этот коэффициент равен 1/4p.

Новый важнейший шаг в исследовании электромагнетизма был сделан французским ученым Андре Мари Ампером (1775 - 1836) в 1820г.

Раздумывая над открытием Эрстеда, Ампер пришел к совершенно новым идеям. Он предположил, что магнитные явления вызываются взаимодействием электрических токов. Каждый магнит представляет собой систему замкнутых электрических токов, плоскости которых перпендикулярны оси магнита. Взаимодействие магнитов, их притяжение и отталкивание объясняются притяжением и отталкиванием, существующими между токами. 3емной магнетизм также обусловлен электрическими токами, которые протекают в земном шаре.

Эта гипотеза требовала, конечно, опытного подтверждения. И Ампер проделал целую серию опытов для ее обоснования.

Первые опыты Ампера заключались в обнаружении сил, действующих между проводниками, по которым течет электрический ток. Опыты показали, что два прямолинейных проводника с током, расположенные параллельно друг другу, притягиваются, если токи в них имеют одинаковое направление, и отталкиваются, если направление токов противоположно.

Ампер показал также, что виток с током и спиралевидный проводник с током (соленоид) ведут себя как магниты. Два таких проводника притягиваются и отталкиваются подобно двум магнитным стрелкам.

Свои первые сообщения о результатах опытов Ампер сделал на заседаниях Парижской академии наук осенью 1820 г. После этого он занялся разработкой теории взаимодействия проводников, по которым течет электрический ток.

Ампер решил в основу теории взаимодействия токов положить закон взаимодействия между элементами токов. Нужно отметить, что Ампер говорил уже не просто о взаимодействии элементов проводников, как Био и Савар, а о взаимодействии элементов токов, так как к тому времени уже возникло понятие силы тока. И это понятие ввел сам Ампер.

Следуя взглядам того времени о подобии элементарных сил силам тяготения, Ампер предположил, что сила взаимодействии между элементами двух токов будет зависеть от расстояния между ними и должна быть направлена по прямой, соединяющей эти два элемента.

Проведя большое число опытов по определению взаимодействия токов в проводниках различной формы и по-разному расположенных друг относительно друга, Ампер в конце концов определил искомую силу. Подобно силе тяготения она оказалась обратно пропорциональной квадрату расстоянии между элементами электрических токов. Но в отличие от силы тяготения ее значение зависело еще и от относительной ориентации элементов токов.

Формулу, которую получил Ампер, мы приводить не будем. Она оказалась неверной, потому что он заранее предположил, что сила взаимодействия между элементами токов должна быть направлена по прямой, соединяющей эти элементы. На самом же деле эта сила направлена под углом к этой прямой.

Однако вследствие того что Ампер проводил опыты с замкнутыми постоянными токами, он получал при расчетах по своей формуле правильные результаты. Оказывается, что для замкнутых проводников формула Ампера приводит к тем же результатам, что и исправленная впоследствии формула, выражающая силу взаимодействия между элементами токов, которая по-прежнему носит название закона Ампера.

Т.о. согласно Амперу, все магнитные явления сводятся к взаимодействиям токов, магнитных же зарядов не существует. Со времени открытий Эрстеда и Ампера учение о магнетизме сделалось составной частью учения о электричестве.

Начало развития электротехники

Со 2-й четверти XIX века началось быстрое проникновение электричества в технику. В 20-х года появились первые электромагниты. Прежде всего возникает электрический телеграф. Первый электромагнитный телеграф был изобретен русским изобретателем П. Л. Шиллингом в 1832 г.

Телеграф Шиллинга употреблялся для практических целей. С его помощью осуществлялась связь между Зимним дворцом и зданием министерства путей сообщения в Петербурге.

Вскоре появились и другие телеграфные аппараты, отличающиеся от аппарата Шинлинга. В 1837 г. американец Морзе сконструировал более удобный телеграфный аппарат.

В телеграфе Морзе при замыкании ключа электрический ток поступал в обмотку электромагнита, который притягивал висящий маятник с закрепленным на конце карандашом, При этом конец карандаша касался бумажной ленты, непрерывно передвигающейся с помощью специального механизма в горизонтальном направлении перпендикулярно плоскости качания маятника.

3амыкание ключа на короткое время давало на бумажной ленте изображение точки, а на более длительное - тире. С помощью комбинаций точек и тире Морзе разработал специальный телеграфный код - азбуку Морзе.

В 1844 г. Морзе построил первую телеграфную линию в Америке между Вашингтоном и Балтимором. С этого времени началось широкое применение вершенной конструкции.

Вслед за применением электричества для связи изобретательская мысль начинает работать над задачей использования его в качестве движущей силы.

Уже в 30-х гг. XIX в. появляются изобретения различных электродвигателей. Первый электродвигатель, применяемый для практических целей, был изобретен в 1834 г. петербургским академиком Б. С. Якоби (1801 - 1874). В 1838 г. этот двигатель был применен для приведения в движение лодки, которая плавала по Неве со скоростью 2 км/ч.

3начительную роль в деле усовершенствования генераторов сыграло применение электричества для освещения.

Начало применения электричества для освещения относится к 60-м гг. прошлого столетия, когда дуговая лампа (т. е. электрическая дуга) была установлена на маяках. Но применение этих ламп встречало большие трудности. Дело в том, что дуговую лампу нужно было непрерывно регулировать, так как концы угольных электродов сгорали, расстояние между ними увеличивалось, в результате этого цепь разрывалась и дуга затухала.

Русский изобретатель Павел Николаевич Яблочков (1847 - 1894) много думал над усовершенствованием таких дуговых ламп и пришел к новому и оригинальному решению этой проблемы.

Вместо обычного расположения угольных электродов в дуговой лампе, при котором расстояние между ними менялось по мере их сгорания, Яблочков расположил их параллельно рядом, а между ними поместил изолирующую прокладку, которая сгорала вместе с углем. Эта конструкция получила название свечи Яблочкова. В 1876 г. Яблочков взял патент на свое изобретение, и оно быстро получило распространение. «Русский свет» (так называли изобретение Яблочкова) засиял на улицах, площадях, в помещениях многих городов Европы, Америки и даже Азии. «Из Парижа, - писал Яблочков,- электрическое освещение распространилось по всему миру, дойдя до дворца шаха Персидского и до дворца короля Камбоджи»).

С начала 80-х гг. появилась лампа накаливания. Первым изобретателем лампы накаливания был русский инженер А. Н. Лодыгин (1847 - 1923). Одна из конструкций лампы Лодыгина представляла собой стеклянный баллон, внутри которого в вакууме между двумя медными стержнями помещался угольный стержень.

Уже в 1873 г. Лодыгин демонстрировал освещение своими лампами одной из улиц Петербурга. В 1874 г. Лодыгин получил за свое изобретение Ломоносовскую премию Академии наук.

В 1879 г. американский изобретатель Эдисон создал удачную конструкцию лампы накаливания, и вскоре она получила распространение во всем мире.

Использование электричества для связи, в качестве движущей силы, для освещения явилось стимулом создания электрических генераторов, изобретения трансформаторов и т. д.

Появившаяся вместе с этим новая область техники - электротехника во второй половине Х1Х в. приобрела важное практическое значение.

Начало развития физики поля

В 30-40-х годах XIX века большой вклад в развитие науки об электричестве внес Майкл Фарадей – творец общего учения об электромагнитных явлениях, в котором все электрические и магнитные явления рассматриваются с единой точки зрения. С помощью опытов он доказал, что действия электрических зарядов и токов не зависят от способа их получения (до Фарадея различали "обыкновенное", полученное при электризации трением, атмосферное, "гальваническое", магнитное, "животное" и др. виды электричества).

Фарадей впервые ввел представление об электрическом и магнитном полях. Он отрицал концепцию дальнодействия, по которой следовало, что тела непосредственно (через пустоту) на расстоянии действуют друг на друга. Согласно идеям Фарадея, взаимодействие между зарядами и токами осуществляется посредством промежуточных агентов: заряды и токи создают в окружающем пространстве электрические (или магнитные) поля, с помощью которых взаимодействие передается от точки к точке (концепция близкодействия). В основе его представлений об электрическом поле лежало понятие силовых линий, которые он рассматривал как механические образования в гипотетической среде – эфире, подобные растянутым упругим нитям или шнурам.

Так пустое и неподвижное пространство Ньютона было "заполнено" полем, распространяющимся от точки к точке с конечной скоростью.

В 1861-73 учение получило свое развитие и завершение в работах Джемса Клерка Максвелла. Восхищенный новыми идеями Фарадея, Максвелл решил перевести их на математический язык и тем самым попытаться свести все законы электричества и магнетизма к системе уравнений, столь же общих, как и уравнения механики. При этом он, подобно Фарадею рассматривал электромагнитные явления как некую форму механических процессов в эфире.

Главное новое следствие, вытекающее из этих уравнений – существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света. Уравнения Максвелла легли в основу электромагнитной теории света. Они настолько поразили его коллег, что один даже воскликнул: “Не боги ли начертали эти уравнения, до чего красиво!”

В последней четверти XIX века начался новый этап в развитии электромагнитной теории, связанный с созданием электронной теории Гендриком Антоном Лоренцем (1853-!928). ). Эта теория установила атомисти­ческую структуру электричества, тем самым положив начало учению об электрическом строении вещества. Уравнения Максвелла получаются из уравнений электронной теории статистическим усреднением.

Попытки применения законов классической электродинамики к исследованию электромагнитных процессов в движ
ущихся средах натолкнулись на существенные трудности. Стремясь разрешить их Альберт Эйнштейн пришел в 1905 году к теории относительности.

Но это уже несколько другая история.

Мент
альные модели электрических явлений современного че
ловека

Здесь описывается, как квалифицированные рабочие во Французской национальной Электрической компании воспринимают бытовые ситуации, связанные с домашним электричеством. Данные собраны путем интервьюирования по поводу функционирования различных известных электроприборов (лампы, тестера, стиральной машины). Несмотря на то, что испытуемые изучали электрические явления в школе или на фирме, они редко обращались к теории. Умственные модели, которыми они пользовались, основывались на их собственном опыте. Электричество часто рассматривается как субстанция или жидкость, легко перемещаемая с одного места на другое. Концепция заземления показывает, что земля воспринимается как огромный резервуар, куда электричество стекает, после чего теряется.

Каждый включает и выключает лампы, использует бытовые электроприборы, исправляет повреждения в них или получает удар тока, когда прикасается к неизолированному проводу. Из этих различных впечатлений создается представление о феномене электричества. Многие люди используют электрические машины и аппаратуру в своей рабочей деятельности. Влияет ли это использование на их понятие "электричество"? Отметим дополнительно, что представления об электричестве выражаются в словах, которые многозначны, например, термин "ток" может означать, что электричество связано с чем-то жидким, текучим, подвижным; термин "разряд "означает, что электричество - это субстанция, которая может быть переведена из одного места в другое. Можно предположить, что понятие "жидкой субстанции" - это фундаментальная основа, на которой строится функциональное понимание электрического феномена в повседневной жизни и в работе.

Первая группа интервьюированных – 14 человек, были административными служащими, участвовавшими в одногодичной программе по повышению квалификации в этой компании. Закончив обучение по этой программе, они получают право: 1) консультировать клиентов, желающих видоизменить электрическую установку в квартире или провести электричество в новый дом; 2) руководить небольшой группой техников, которые выполняют эту работу. Выбранные для исследования лица закончили среднюю школу и некоторые из них учились в вузе. Все они когда-то изучали основы электричества, однако они уже многое забыли из того, что знали. Ко времени интервью они еще не начинали обучения по программе, если не считать двухнедельного курса по основам электричества для начинающих. В этом курсе были представлены некоторые понятия из основ по теме "электричество", такие как ток и напряжение. Испытуемые практиковались в измерениях электрических цепей с помощью амперметров и вольтметров. Программа по основам электричества включала тему только постоянного тока. Ничего не было сказано о том, как устроено электричество в домах. Спустя 18 месяцев после исследования, проведенного с этими 14 рабочими, в него была включена вторая группа из 15 рабочих. Последние принадлежали к той же популяции, что и первая группа (служащие государственной компании ЕОР). Они отличались от рабочих первой группы тем, что уже прошли упомянутый двухнедельный курс по основам электричества. После этого курса не предполагалось их дальнейшее обучение.

Для того чтобы выявить и интерпретировать представления взрослых об электричестве, использовался метод клинического интервью, предложенный в свое время Ж. Пиаже. Проведение такого интервью представляет собой нечто среднее между свободной беседой и использованием опросника: список вопросов был подготовлен заранее, однако они не задавались в фиксированном порядке и в зависимости от ответов испытуемых некоторые из них пропускались. В начале интервьюер задавал конкретный вопрос о некотором объекте, ситуации или событии, имеющих отношение к феномену электричества. Следующий вопрос зависел от типа полученного ответа.

После первого ответа испытуемого тактика, используемая интервьюером для выбора следующего вопроса и его формулировки, заключалась в построении гипотезы о характере субъективной репрезентации электрического феномена у испытуемого. Следующий вопрос был направлен на проверку этой гипотезы и получение более детального объяснения ситуации.

Для того чтобы сделать более ясным субъективное понимание ситуации, использовалась, когда это было возможно, техника "фальсификации/противоречия". Она заключается в постановке таких вопросов, которые ведут испытуемого к утверждениям, фальсифицирующим гипотезу или не согласующимся с предыдущим утверждением интервьюируемого. Например, один субъект сказал: "Переменный ток? Это означает, что электричество идет переменно к каждому из 2-х отверстий розетки"
. Такой ответ ведет к гипотезе, что субъект предполагает функциональное равенство двух проводов, связывающих лампу с розеткой. Следовательно следующий вопрос был: "Существуют ли различия между двумя проводами (в розетке)".
Испытуемый ответил:" Разницы нет".
Далее экспериментатор представляет опровержение: "Знаете ли вы прибор для проверки электрической схемы?"
Субъект отвечает: "Да, он используется для выяснения, где главная линия; лампа загорается, если вы помещаете штекер в главную линию"
Затем интервьюер спрашивает: "Почему лампа: не загорается в другом отверстии?"
Субъект отвечает: "Нейтральная и главная линия имеют неодинаковую функцию, электроны приходят из главной линии"
. Интервьюер: "Вы сказали, что электричество идет переменно к каждому из 2-х отверстий в розетке"
. Ответ субъекта был: "Первоначально электроны приходят из главной линии, а так как вы сделали связь между главной линией и нейтральной, электроны начинают идти вперед и назад, вперед и назад по электрической цепи"
. Этот ответ выявляет субъективную модель переменного тока: "переменный ток" означает, что ток идет попеременно по нейтральной и главной линий, но источник тока - главная линия.

На основании исследования была построена ментальная модель "Понятие электрического тока"
.

В большинстве случаев испытуемые подводились к вопросам, связанным с понятием переменного тока, через объяснение работы электрической лампы. После упоминания субъектом термина "переменный ток" интервьюер задавал вопросы типа: "Что такое переменный ток", "Какое различие между переменным и постоянным током"...

Было обнаружено, что ментальная модель большинства испытуемых относилась к постоянному току (20 человек из 29). Люди говорили, что "переменный ток" означает существование двух проводов: главного и нейтрального. По их мнению, при включении лампы электрический ток приходит из главного провода, идет через металлическую нить, нагревает ее и потом уходит из лампы в нейтральный провод. Интервьюер пытался выяснить, куда идет ток после нейтрального провода. Было получено четыре типа ответов: на электростанцию, на распределительный щит, на плавкий предохранитель, в землю. В первых трех случаях некоторые субъекты говорили, что ток потом возвращается к лампе, создавая замкнутую цепь.

Различия между переменным и постоянным током были, по мнению испытуемых, следующими: постоянный ток приходит из батарейки, в то время как переменный обеспечивается ЕОР компанией; в постоянном токе нет различий между главным и нейтральным проводом. Отметим, что не существует конкретного опыта, противоречащего этой ментальной модели, поэтому она могла бы быть достаточной для создания маленького электрического домашнего прибора.

Небольшая часть опрашиваемых (n=2) как главную характеристику переменного тока обозначила то, что он приходит из главного провода периодически: каждую 1/50 секунды идет ток, каждую следующую 1/50 секунды тока нет". На вопрос: "Почему нить накала постоянно светится?" - они отвечали, что мерцание слишком часто, чтобы глаза могли заметить его.

Семь испытуемых сказали, что переменный ток означает то, что он приходит попеременно из главного, потом из нейтрального провода. Трое из них имели более сложную модель: ток возникает в главном проводе, но как только появляется связь между главным и нейтральным (при включении вилки в розетку), электроны идут попеременно из главного и из промежуточного. Такие испытуемые были среди немногих, кто говорил, что одинаковое количество электронов входит в электрическую лампу и выходит из нее. Все субъекты, кроме двух, ясно отметили, что электрический ток является потоком электронов. Большинство испытуемых считали, что одинаковое количество электронов идет через всю цепь.

Модели, вырабатываемые взрослыми испытуемыми относительно переменного тока, основываются на хорошо известных повседневных ситуациях или профессиональном опыте. Они являются подлинно моделями опыта. Их функция состоит в том, чтобы человек мог успешно ориентироваться в жизненных ситуациях, реализуя некоторое предвидение событий. Модели имеют важную особенность: они являются локальными моделями, базирующимися на идеях, не всегда согласуемых друг с другом. Например, при обсуждении переменного тока некоторые испытуемые рисовали следующую картину: если стиральная машина не заземлена и происходит короткое замыкание, электричество проходит через человека, прикоснувшегося к поверхности машины, а затем возвращается к генератору через нейтральный конец. Эта ментальная модель, описывая ситуацию короткого замыкания, включает понятие замкнутого контура между двумя электрическими линиями: активной и нейтральной. В то же время некоторые из этих же испытуемых считали, что электричество переходит с активного конца провода на нейтральный либо внутри цепи тестера, либо внутри тела человека, пользующегося тестером. Таким образом понятие замкнутого контура не было одним и тем же в ситуации неисправной машины и пользования тестером. Объясняя работу тестера, предполагали, что ток возвращается по тому же проводу. Это означало, что наличие двух проводов не является необходимым. Некоторые испытуемые считали, что ток проходит через цепь тестера в тело пользователя и останавливается там. Это означало, что они не использовали понятие замкнутого контура.

В описанных ситуациях можно видеть две общих особенности:

Первое, электричество рассматривается как субстанция. Согласно словарю, "субстанция - это особый вид материи". Г.Башляр еще в 1938 году показал, что субстанциализация (т.е. "субстанциальное объяснение"), базирующееся на эмпирическом опыте, является эпистемологическим препятствием для знания (Bachelard, 1938). Он писал:

"Потребность субстанциализировать столь сильна в человеке, что чисто метафорические особенности часто рассматриваются как нечто существенное (Bachelard, op.cit.,p 109).

Во всех изученных ситуациях электричество понималось как материальный элемент, который может течь, накапливаться и сохраняться. Все эти особенности совпадаю
т с тем, что есть у жидкости, которая может двигаться, а может и останавливаться, как в случае удержания электричества внутри человеческого тела или на поверхности неисправной машины.

Второе, взрослые люди придают значение роли земли потому, что в формируемых ими моделях она является местом, куда электричество приходит и исчезает.

Все эти модели строятся на основе повседневного или профессионального опыта и глубоко укоренены в сознании взрослого человека.

За
ключение

Несмотря на бесспорные успехи современной теории электромагнетизма, создание на ее основе таких направлений, как электротехника, радиотехника, электроника, считать эту теорию завершенной нет оснований. Основным недостатком существующей теории электромагнетизма приходится считать отсутствие модельных представлений, непонимание сути электрических процессов; отсюда - практическая невозможность дальнейшего развития и совершенствования теории. А из ограниченности теории вытекают и многие прикладные трудности.

Например, как объяснить, что два взаимно неподвижных одинаковых заряда, которым полагается отталкиваться друг от друга по закону Кулона, на самом деле притягиваются, если они вместе движутся относительно давно покинутого источника? А ведь притягиваются, потому что теперь они - токи, а одинаковые токи притягиваются, и это экспериментально доказано.

Этот и многие другие вопросы не позволяют считать развитие теории электромагнетизма, как и всякой науки, полностью завершенным. Однако дальнейшая эволюция
ее возможна лишь на основе детального качественного рассмотрения процессов, происходящих в электромагнитных явлениях. Полезно напомнить, что мы и сегодня, как и уже много лет, пользуемся теорией, которую в законченном виде изложил Дж. К. Максвелл в своем знаменитом "Трактате об электричестве и магнетизме", вышедшем в свет в 1873 году. Мало кому известно, что в этом труде Максвелл обобщил свои более ранние работы 1855-1862 гг. В своей работе Максвелл опирается на экспериментальные работы М. Фарадея, опубликованные в период с 1821 по 1856 гг. (полностью Фарадей выпустил свои "Экспериментальные исследования по электричеству и магнетизму" в 1859 г)., на работы В. Томсона периода 1848-1851 гг., на работу Г. Гельмгольца "О сохранении силы" 1847 г., на работу У. Ранкина "Прикладная механика" 1850 г. и многие другие того же периода времени. Максвелл никогда и ничего не постулировал, все его выводы опирались на чисто механические представления об эфире, как об идеальной невязкой и несжимаемой жидкости, о чем Максвелл в своих трудах неоднократно пишет.

Фактически теория электромагнетизма остановилась в своем развитии на уровне Максвелла, использовавшего механические представления первой половины ХIХ столетия. Появившиеся в ХХ столетии многочисленные учебники по электротехнике, электродинамике и радиотехнике совершенствуют (или ухудшают?) изложение, но ничего не меняют по существу. Чего же не хватает в теории электромагнетизма сегодня? Не хватает прежде всего понимания того, что всякая модель, в том числе и модель электромагнетизма, разработанная Максвеллом, имеет ограниченный характер, а следовательно, может и должна совершенствоваться. Не хватает представления о необходимости вернуться к моделированию и именно к механическому моделированию электромагнетизма. Максвелл оперировал понятиями эфира как идеальной, т. е. невязкой и несжимаемой жидкости. А эфир оказался газом, причем газом и вязким, и сжимаемым. Это значит, что использованные Максвеллом представления Г. Гельмгольца о том, например, что вихри не образуются и не исчезают, а только перемещаются и деформируются, о том, что по всей своей длине произведение циркуляции на площадь поперечного сечения вихря остается величиной постоянной, далеко не всегда верны. В реальном газе вихри и образуются, и исчезают, а это Максвеллом не учтено. Уравнения Максвелла не отражают процесса в объеме, так как и первое, и второе уравнения Максвелла рассматривают процесс в плоскости. Правда, затем эта плоскость поворачивается в осях координат, что и создает эффект объемности, но на самом деле суть от этого не меняется, плоскость остается плоскостью. Если бы процесс рассматривался в объеме, то надо было бы рассмотреть изменение интенсивности вихря вдоль его оси, тогда были бы в какой-то степени охвачены процессы вихреобразования и распада вихрей. Но именно это и отсутствует в уравнениях Максвелла. А поэтому те задачи, в которых возникают эти вопросы, например, задача о диполе Герца в полупроводящей среде, принципиально не могут быть решены с помощью уравнений Максвелла.

Не учтен Максвеллом и факт непосредственного взаимодействия проводника с магнитным полем в момент пересечения проводника этим полем. Закон Фарадея, являющийся прямым следствием первого уравнения Максвелла, в этом смысле есть описательный, феноменологический закон, закон дальнодействия, поскольку в нем изменение поля происходит в одном месте, внутри контура, а результат этого изменения - ЭДС оказывается на периферии контура. И сегодня уже известны значительные расхождения между расчетами, выполненными в соответствии с законом Фарадея, и результатами непосредственных измерений. Разница в некоторых случаях составляет не один или два процента, а в несколько раз!

Этот перечень при необходимости можно продолжить. Теория электромагнетизма ждет своих современных Фарадеев и Максвеллов.

Однако ответы на эти вопросы лежат в сфере действия ученых-физиков. Современный же мир настолько сложен и многогранен, что человек вынужден быть специалистом в какой-то одной области, т.е. всем людям совсем не обязательно до тонкостей знать, что же такое электричество и каким образом объясняются электрические явления. Достаточно правильно понимать его природу и уметь пользоваться им без риска для своей безопасности.

С
писок использованной литературы

1. Философский энциклопедический словарь.–М.,1989.

2. Спасский Б.И. Физика в её развити.–М.:Просвещение,1979.

3. Спасский Б.И. Физика для философов.–М.:Прсвещение,1989.

4. Рожанский И.Д. История естествознания в эпоху эллинизма и Римской империи.–М.:Наука,1988.

5. Электричество. – №1-1989, №6-1990. М.: Энергоиздат.

6. http://newfiz.i-connect
.c
om/istoria.html– История физики, изложенная курам на смех

7. http://www-personal.rtsnet.ru/~dsatin/mentmodel.html – Ментальные модели физических явлений ( на примере электричества).

8. http://compute
r-museum.ru/connect/pervoputu.h
tml –Первые опыты по передаче электричества на расстояние.