|
|
  |
Главная страница / Архитектура отрасли КАК ВОЗНИКАЮТ ТЕОРИИПочти анекдотическая история История эта связана с именем академика Роберта Симмера. Биографические сведения о нем крайне скудны. Родился предположительно в Шотландии около 1707 года, в 1753 году был избран членом Лондонского Королевского общества, умер в Лондоне 10 июня 1763 года. Путь, которым пришел к своим открытиям Симмер, неординарен, что подчеркивается всеми историками физики и обычно вызывает улыбку. Речь идет о прилипающих к ногам мужских чулках. Согласно обычаям своего времени Симмер носил на ногах две пары шелковых чулок, черную и белую, одну поверх другой. Почему? Возможно, подскажет факт биографии другого ученого – великого английского физико-химика Гемфри Дэви, о жизни которого известно больше. Вот что пишут биографы. «Дэви сделал большую часть открытий, находя, однако, время и для бурной светской жизни. Часто в спешке он надевал парадную одежду прямо на ту, в которой работал в лаборатории. Говорили, что однажды он явился на прием в пяти парах чулок» [1]. Так это было с Симмером или нет, вряд ли прояснится, но достоверно известно, что, снимая чулок за чулком, он заметил, что они оказываются сильно наэлектризованными. Причем чулки одного и того же цвета взаимно отталкивались, а белый и черный взаимно слипались (притягивались). Когда же черный и белый чулки снимались одновременно парой, таких явлений не наблюдалось. Симмер стал искать причины столь неординарного поведения этих предметов одежды. Для увеличения эффекта он натирал один чулок о другой. Они раздувались, словно надутые воздухом, а сближаясь, слипались, становились плоскими, и требовалось некоторое усилие, чтобы их разъединить. Ученый решил замерить эту силу притяжения посредством гирь. Она достигала иногда 4 фунтов (1 фунт равен 454 граммам). Для уменьшения влияния посторонних факторов он стирал чулки, перекрашивал и даже окуривал серой. Когда же Симмер умудрился вставить один заряженный чулок в другой, то для их разъединения потребовалось более 10 фунтов. При одном из опытов сила разъединения составила свыше 17 фунтов [2]. Результаты исследований Симмер издал в 1759 году в сборнике Королевского общества «Новые опыты и наблюдения, относящиеся к электричеству: 1. Электричество человеческого тела и животных субстанций, шелка и шерсти; 2. Об электричестве черного и белого шелка; 3. Об электрическом сцеплении; 4. О двух отличных силах в электричестве» [3]. Пытаясь разобраться в своих наблюдениях, Р. Симмер выдвинул гипотезу о существовании в порах тел природы двух невесомых типов электрических частиц, заряженных разноименно, но нейтрализующих одна другую. Наэлектризованным тело становится тогда, когда в нем имеется только один вид электрического флюида или по крайней мере избыток одного вида частиц. Гипотеза получила название дуалистической (от латинского дуалис – двойственный), а ее автор – прозвище «разутого философа». Две теории Собственно говоря, эта электрическая гипотеза, как и наблюдения Симмера, не былиубликации английского академика к электрическим исследованиям приступил французский ученый Ш. Дюфе, который точно установил существование двух видов электричества. Один он назвал «стеклянным», а другой – «смоляным электричеством». Это были синонимы терминов Симмера «электричества черного» и «электричества белого шелка». Но об опытах француза Симмер, скорее всего, не знал. Первой же теорией электричества нужно считать выдвинутую Б. Франклином идею о существовании некой гипотетической электрической жидкости. Эта невесомая жидкость по идее заполняла поры большинства тел в природе. Количество ее в телах должно быть строго определенным. Избыток жидкости в теле давал ему положительный заряд, а недостаток – отрицательный. Теория получила название «унитарной теории электричества» (от латинского унитаре – единство) и отзвуки предложений Франклина нашли свое отражение в современной физической терминологии: «источник тока», «электрическая емкость». Электрический ток в цепи течет, потому что, по представлению Франклина, является жидкостью. Теория была понятной, простой, удобной и позволяла объяснить все известные ко времени Франклина явления. – Почему при натирании наэлектризовываются тела? – Потому что при трении часть электрической жидкости перетекает из одного трущегося предмета в другой и они электризуются разноименно: один положительно, другой отрицательно. Или: – Почему заряжается лейденская банка? – Потому что электрическая машина перекачивает электрическую жидкость с одной обкладки банки на другую, создавая соответственно избыток этой жидкости на одной и недостаток на другой. Если заряженную банку закоротить проволокой, то электричество «потечет» от обкладки с избытком электричества к обкладке с недостатком его. Обратим внимание на то, что при рассмотрении этого вопроса появляется новое понятие – поток электрической жидкости, или «электрический ток». Теория Франклина получила мощную поддержку после одного из опытов Э. Киннерсли. Этот опыт в учебниках, как правило, не описывается, но имеет принципиальное значение. К одному металлическому бруску с двух сторон Э. Киннерсли подсоединил две электрические машины – одну с натираемым серным шаром А, другую – со стеклянным шаром В (рис. 1). Каждая машина, работая самостоятельно, исправно заряжала брусок электричеством, что доказывала искра, проскакивающая от бруска к пальцу экспериментатора. Но совместная работа машин дала неожиданный результат. «Нельзя извлечь ни одной искры, – писал Франклин, повторивший опыты Киннерсли, – иначе как при вращении одного шара медленнее другого или когда один шар работает хуже, чем другой» [4]. Выходило, что одна машина «закачивала» электричество в брусок, а другая – «выкачивала». Логично было предположить, что «стеклянное электричество» Дюфе – это «положительное электричество» Франклина, а «смоляное электричество» – не что иное, как «отрицательное электричество» унитарной теории. Сотни исследователей проводили ения можно было объяснить с помощью унитарной теории Франклина. Однако один из многочисленных опытов завел исследователей в тупик. Суть его в следующем. Если прострелить пулей из пистолета стопку обыкновенной писчей бумаги, то по линиям бумажных волокон в отверстии можно определить направление пули. После того как электрическим разрядом пробивали такую же стопку бумаги, ее волокна были направлены в разные стороны. Получалось, что сквозь пробитое отверстие навстречу одна другой одновременно текли две жидкости. Это было необъяснимо. Сейчас хорошо известно, что разряд лейденской банки имеет колебательный характер, т. е. ток за время разряда периодически меняет направление несколько раз, чем и объясняется полученный результат. Но тогда об этом никто не знал и появились сомневающиеся в истинности теории Франклина. К теориям, не позволяющим объяснить хотя бы одно явление, ученые относятся как к недостоверным. Второй удар унитарной теории нанес ее бывший апологет и последователь Франклина шведский физик И. К. Вильке. Изучая электрические истечения с остриев заряженных тел, он обратил внимание на тот факт, что «электрический ветер» с заряженных тел всегда направлен в одну сторону – от острия независимо от того, каким зарядом они заряжены (рис. 2). При унитарном объяснении явления такого не должно было быть. «Ветер» должен был втекать в тело с отрицательным зарядом, а не вытекать из него. Тут и появляется дуалистическая теория Симмера, которая завоевывает все новых и новых сторонников. После открытия электролиза приверженцев унитарной теории почти не оставалось. Ведь, например, при разложении воды явно в одну сторону стремились атомы водорода, а им навстречу – атомы кислорода (рис. 3), что вносило путаницу в рассуждения физиков. Потому Ампер предложил следующее: «Так как приходится говорить о двух противоположных направлениях, по которым текут оба электричества, то после слов «направление электрического тока» я буду всякий раз подразумевать положительное электричество». Это предложение было принято за правило в науке [5]. Реванш унитарной теории Намного позже описываемых событий, в 1883 году, американский изобретатель Эдисон обнаружил эффект, названный впоследствии его именем. В созданную вакуумную электрическую лампочку накаливания он ввел третий электрод и подал на него питание через гальванометр. Прибор показал наличие в этой цепи тока, что выглядело очень странным. Электрическая цепь была-то незамкнутой. Разрывалась она даже не воздухом, а вакуумом лампочки (рис. 4). Да и электрический ток протекал через гальванометр только в том случае, когда на электрод подавалось плюсовое питание. Впоследствии все разъяснилось открытием электрона, отрицательно заряженной электрической частицы – составной части атомов всех элементов природы. В металлах она может блуждать с места на место и в нагретом состоянии даже «выпрыгивать» за пределы тела, это так называемая термоэлектронная эмиссия (от латинского эмиссио – испускаю). В сло электрода эти частички им притягивались, цепь замыкалась. Значит, электроны и есть та субстанция, предсказанная некогда Б. Франклином и названная им электрической жидкостью. Да, но как доказать, что эта жидкость всегда находится в теле, а не поставляется источником питания? За это взялся американский физик Ричард Толмен. Идея была простой. Давно известно, что при резком торможении поезда с полок в вагонах падают не только вещи, но и пассажиры, так как продолжают двигаться по инерции. А если разогнать медный проводник, а затем резко остановить его? По первому закону Ньютона электроны должны продолжить движение и, если замкнуть цепь, пойдет электрический ток. Катушку с намотанной на нее проволокой длиной несколько километров поставили на центрифугу. Когда катушку раскручивали с большой линейной скоростью, а затем резко тормозили, гальванометр показывал импульс тока (рис. 5). Значит, Франклин был прав! Прав был и Симмер! В природе существует два вида электрического тока – ионный, связанный с переносом вещества (растворы, газы), и электронный, обусловленный передвижением отрицательно заряженных частиц – электронов (металл, вакуум). Гипотезы Франклина и Симмера помогли ученым в раскрытии тайн природы. Однако при всех успехах науки после Ампера осталась одна рудиментарная неувязка, которая не совсем вписывается в строгую логику физики. Речь идет о направлении движения электрического тока. Поток электронов направлен от минуса к плюсу (рис. 6), что хорошо видно на примере работы электронной лампы. Однако согласно предложенному Ампером правилу считается, что ток идет в обратном направлении. И это правило сохраняется до наших дней, создавая определенные неудобства. Так что в электротехнике за направление тока в электрической цепи принято направление, ПРОТИВОПОЛОЖНОЕ движению электронов. И с этим надо смириться, иначе пришлось бы менять множество других установившихся законов и правил. Например, правило пробочника (буравчика), терминов АНОД и КАТОД и т. д. По всей видимости, электротехнике придется нести этот крест до конца. Главная страница / Архитектура отрасли |