ЭРНЕСТ А. ЛЕСЬЕР.
В наши дни настолько распространено мнение, что электричество зародилось и развилось в девятнадцатом веке, что вызывает странное умственное ощущение созерцание того факта, что все мириады коммерческих применений, которые в последнее время были разработаны в этой области, могли бы быть сделаны китайцами или древними египтянами, насколько это касается потенциала Природы для развития электрических явлений. Автор знал одного восхитительного старого джентльмена в Вермонте, который однажды упомянул, как об общеизвестном факте, об изобретении электричества Эдисоном. Удивительно, насколько точно его состояние ума типизирует состояние ума очень многих людей.
В форме молнии, полярного сияния и удара электрического угря или ската электрические проявления были известны с тех пор, как человек начал наблюдать эти явления, но ископаемая смола янтарь была тем веществом, которое в конечном итоге дало свое имя ныне колоссальной силе. Было замечено за много веков до нашей эры, что этот материал обладает свойством притягивать к себе легкие тела при натирании шерстью, и, будучи названным греками ἤλεκτρον (электрон), передал свое имя свойству или силе, которую он таким образом выявил. Этот факт упоминается еще в 600 г. до н. э. Фалесом Милетским, хотя он и не передает нам имени первоначального наблюдателя этого явления. Как бы прост ни был этот эксперимент, он ознаменовал начало электрических исследований.
Не то чтобы научные исследования в этой или любой другой области велись очень усердно в те дни, ибо существует огромный разрыв между открытием вышеупомянутого свойства и приобретением каких-либо более солидных знаний, относящихся к электричеству. Явление в то время было занесено в список природных фактов, и, по-видимому, не было предпринято никаких попыток связать его с другими. Пытливый дух нынешнего века вряд ли может быть подчеркнут более ярко, чем сравнением почти ежедневных успехов в научных знаниях в настоящее время с тем фактом, что двадцать два столетия прошли между открытием вышеупомянутой силы янтаря древними и более поздним открытием того, что очень большое число других веществ, таких как алмазы, все виды стекловидных тел, сера, обычная смола и т. д., обладают тем же свойством. Несколько других разрозненных фактов были, однако, также отмечены древними: говорят, что огонь струился из головы Сервия Туллия в возрасте семи лет, а Вергилий утверждает, что пламя исходило от волос Аскания.
Рассматривая теперь историю возникновения электрической науки, мы находим, как только что упоминалось, огромный разрыв в более чем два тысячелетия между открытием притягивающей силы натертого янтаря и простым расширением знаний человека, включившим другие вещества. Философы Бойль и Отто фон Герике, которые были активны во второй половине семнадцатого века, добавили массу новых данных в этой области. Бойль, более того, открыл эквивалентность действия и противодействия между притягивающим и притягиваемым телом, а также то, что натертый янтарь или другой «электрик» сохранял свои притягивающие свойства в течение определенного периода после прекращения возбуждения.
Отто фон Герике сделал огромный шаг вперед, сконструировав первую электрическую машину, правда, в грубой форме, но которая оказалась чрезвычайно полезной для пополнения наших знаний о свойствах электричества. Его машина была сконструирована очень просто из серного шара, установленного на шпинделе, который можно было вращать с помощью рукоятки; оператор применял трение рукой, его тело получало положительный заряд, в то время как поверхность серы приобретала отрицательный. Факт разделения двух электризаций на поверхности серы, однако, в то время не был известен; единственный заряд, который наблюдал Герике, был тот, что появлялся на сере. Причина этого заключалась в том, что последняя, будучи непроводником, любое электричество, генерируемое на ней, было вынуждено оставаться там, по крайней мере, в течение определенного времени, и, следовательно, накапливалось так, что становилось наблюдаемым; тогда как противоположная электризация, стекающая в руку оператора, постоянно уходила в землю, не давая никаких признаков своего присутствия. Если бы оператор стоял на изолирующей подставке, электризация накапливалась бы на его теле так же, как и на сере. Герике сделал открытие, что легкое тело, будучи однажды притянутым к электризованной поверхности, почти немедленно отталкивалось от нее и не могло быть снова притянуто без удаления сообщенной ему электризации путем контакта с незаряженной поверхностью.
Сэр Исаак Ньютон около 1675 года сделал интересное применение принципа, связанного с этим. Он использовал полое барабанное устройство со стеклянными концами и очень короткой осью, в которое поместил несколько фрагментов бумаги. При энергичном натирании внешней стороны стекла куском шелка бумага начинала «прыгать из одной части стекла в другую и кружиться в воздухе». Это было повторено в 1676 году перед Королевским обществом к большому назиданию этого ученого органа.
Ньютон внес значительное улучшение в электрическую машину Герике, заменив серный шар Герике полым стеклянным. Что особенно интересно в этом улучшении, так это тот факт, что серный шар Герике, сравнительно тяжелый и громоздкий, изготавливался путем заливки расплавленной серы в стеклянный шар с последующим разбиванием стекла. Герике наблюдал в темноте своеобразную светимость проводящих поверхностей, когда они были хорошо заряжены с помощью его машины; он сравнивал ее с фосфоресцирующим светом, наблюдаемым при разламывании кускового сахара в темноте. Это был эффект, известный сегодня как кистевой разряд.
В 1705 году Фрэнсис Хоксби открыл своеобразное явление, которое он назвал ртутным фосфором. Оно производилось путем пропускания потока хорошо высушенной ртути через откачанный стеклянный приемник. Трение частиц ртути о струйный наконечник и стекло вызывало электризацию, которая проявлялась в фосфоресцирующем свечении. Приемник, в самом деле, вовсе не должен был быть тщательно откачан, явление происходило при давлении воздуха до примерно четырнадцати дюймов по барометру.
Треск и искра, сопровождающие электрический разряд, навели в то время на мысль об аналогии этих миниатюрных возмущений с громом и молнией, но идентичность этих двух явлений была полностью установлена лишь позже.
До этого времени факт того, что определенные вещества способны проводить электричество, не был известен, но в 1729 году Стивен Грей, член Королевского общества, энтузиаст-исследователь, сделал это открытие, а одновременно и родственное ему открытие о том, что большой класс материалов является непроводниками. Единственным источником электричества, который был в распоряжении экспериментаторов до этого времени, была электрическая машина, улучшенная, как описано, Ньютоном, которая давала прерывистые токи (разряды) бесконечно малой величины, как мы сказали бы сейчас, но чрезвычайно высокого давления. Этот факт огромного давления приводил к тому, что электричество прокладывало себе путь через очень несовершенные проводники, так что наши исследователи причисляли многие из последних к металлам. Так, Грей пришел к выводу, что бечевка является хорошим проводником, потому что она не оказывала достаточного сопротивления, чтобы предотвратить поток его электричества высокого давления (или, как мы сказали бы сейчас, высокого напряжения). Он пробовал и проволоку, но не осознавал, что она является лучшим проводником, чем бечевка, хотя ее проводимость была на самом деле в миллионы раз больше. В сотрудничестве со своим другом Уилером он передал электрические разряды на расстояние восьмисот восьмидесяти шести футов через предположительно сухую на воздухе бечевку — достижение, которое было бы примечательным даже в настоящее время. Он изолировал линию, подвесив ее на петлях из шелковой нити.
Грей надеялся, «что может быть найден способ собрать большее количество электрического огня и, следовательно, увеличить силу той мощи, которая, si licet magnis componere parva, кажется, имеет ту же природу, что и гром и молния».
Примерно в это же время Дезагюлье обнаружил, что те материалы, которые при натирании развивают электрические заряды, являются непроводниками, и что, наоборот, неэлектрики являются проводниками. Термины «электрики» и «неэлектрики» применялись к телам, соответственно способным и неспособным к возбуждению; слова «идиоэлектрики» и «анелектрики» также использовались в соответственно эквивалентных смыслах.
Во Франции Дюфе обнаружил, что проводимость бечевки значительно улучшается при наличии влаги, и ему удалось передать разряд на расстояние почти тысячи трехсот футов. Он подвесил себя на шелковых шнурах, электризовался, а затем заметил, что может дать удар током, сопровождающийся искрой, любому человеку, стоящему на земле.
Он также установил факт существования двух противоположных видов электризации и дал им названия «стеклянная» и «смоляная», исходя из того факта, что первая развивалась при возбуждении стекла и стекловидных веществ вообще, а вторая — при возбуждении янтаря и смол. Он заметил, что отличительной характеристикой этих двух видов является тот факт, что противоположные заряды притягиваются друг к другу, в то время как одноименные оказывают взаимное отталкивание. Дюфе и Грей умерли с разницей в три года, оба в возрасте сорока лет, причем Грей добавил к уже упомянутым результатам открытие проводящих свойств определенных жидкостей и человеческого тела.
Экспериментальные исследования теперь начали распространяться в Германию и Нидерланды. Электрическая машина была значительно улучшена профессором Бозе из Виттенберга и профессором Винклером из Лейпцига, которые соответственно добавили главный проводник и шелковую подушечку к этому важному аппарату. Шотландский монах-бенедиктинец из Эрфурта — профессор Гордон — заменил стеклянный шар цилиндром и тем самым довел инструмент в его существенных чертах практически до той формы, в которой он существует сегодня. Это улучшение позволило получать очень большие искры, которые вызывали воспламенение различных горючих веществ. Гордон дошел до того, что воспламенял спирт с помощью струи электризованной воды.
Мы переходим к эпохальному открытию — конденсатору, или, в его привычной лабораторной форме, лейденской банке. Профессору Мушенбруку из Лейденского университета пришла в голову мысль, что было бы неплохо попытаться предотвратить рассеивание электрического заряда, заключив содержащий его проводник в изолирующую оболочку. Для этого он взял стеклянную банку, частично наполнил ее водой и электризовал последнюю. Его ассистент, державший бутылку, случайно коснулся проволоки, соединенной с водой, и мгновенно получил удар гораздо более сильный, чем любой, который могла дать электрическая машина. Это привело к открытию, что, поскольку заряд «стеклянного» электричества накопился в воде, соответствующий заряд противоположного знака собрался на внешней стороне стекла и был «связан» там, как это называют, притяжением, оказываемым на него зарядом внутри. Он смог попасть на стекло благодаря тому, что рука ассистента покрывала часть его поверхности, и, поскольку он стоял на земле, электричество спокойно перетекло из последней через его тело на внешнюю поверхность стекла.
Аппарат был быстро усовершенствован путем покрытия внутренней и внешней сторон банки оловянной фольгой, подачи заряда с помощью проволоки или цепи на внутреннюю обкладку и установки внешней обкладки на землю или на проводящее вещество, находящееся в электрическом контакте с последней. Воодушевление, с которым это открытие было встречено учеными, по-видимому, было необычайным — один студент, пропустивший разряд через свое тело, как сообщалось, заявил, что не пропустил бы этот опыт ни за какие баснословные деньги, но и не повторил бы его, даже если бы это спасло ему жизнь. В действительности прогресс был колоссальным; это дало средство для буквального закупоривания электричества в количествах, ранее немыслимых. Главный кондуктор электрической машины не мог удерживать сколько-нибудь значительное количество электричества по той причине, что при достижении определенной небольшой интенсивности электризации добавление заряда нарушало равновесие, так сказать, и электричество ускользало внезапным (пробивным) разрядом, или искрой, или кистевым разрядом, о котором уже упоминалось. Однако с лейденской банкой, по мере того как электричество подавалось на внутреннюю обкладку, оно «связывалось» там зарядом противоположного знака, накапливающимся снаружи, и предел емкости банки определялся просто прочностью стекла: если подавалось слишком много электричества, напряжение взаимного притяжения между двумя зарядами снималось путем разрушения банки.
Хотя профессор Мушенбрук открыл этот принцип описанным выше способом, представляется крайне вероятным, что два других исследователя, работая независимо, также сделали то же самое. Некий Кюнеус и монах по имени Клейст каждый претендовали на честь первоначального изобретения конденсатора.
Примерно в 1747 году был произведен первый выстрел с помощью электричества; это было осуществлено сэром Уильямом Уотсоном, которому также удалось воспламенить спирт и газ с помощью капли холодной воды и даже льда. Тот же экспериментатор изменил обычную процедуру передачи электрического влияния от наэлектризованного тела к исследуемому (последнее было ненаэлектризованным), наэлектризовав последнее, а затем произведя желаемый эффект путем приближения его к ненаэлектризованному телу.
Группа членов Королевского общества с Уотсоном в качестве главного оператора предприняла серию исследований в широком масштабе, чтобы определить, если возможно, скорость электрического разряда, и пришла к ряду выводов, которые, однако, носили решительно отрицательный характер. Наиболее важные из них были следующими: что они не смогли заметить никакого интервала между моментом подачи разряда на один конец линии и его получением на другом; что разрушительное действие разряда сильнее через плохие проводники, чем через хорошие; что проводимость одинаково мощна независимо от того, происходит ли она через землю или воду.
Незадолго до этого во Франции были проведены блестящие эксперименты, и разряд был передан через двенадцать тысяч футов цепи, включая бассейн Тюильри площадью в акр, но они не были выполнены так систематически или с такими определенными целями, как английские эксперименты.
В следующем году Королевское общество продолжило свои исследования в более крупном масштабе, чем прежде, используя 12 276 футов проволоки, и обнаружило, что даже на такой длине скорость была практически мгновенной.
Уотсон выдвинул теорию, что электрические возмущения вызываются притоком или оттоком единой электрической жидкости из состояния нормальной электризации, тем самым отличаясь от Дюфе в своем мнении о существовании двух жидкостей. К этому убеждению его привело наблюдение, что он получал более крупную искру между двумя противоположно наэлектризованными телами, чем от любого из них к земле.
С этого времени на сцене появляется множество исследователей в этой области, одним из самых выдающихся среди которых был знаменитый американец Бенджамин Франклин. Несколько ранее его замечательной работы, примерно в 1750 году, Бозе сделал определенные открытия в вопросе уменьшения поверхностного натяжения проводящих жидкостей при электризации, а Моубрей и Нолле установили, что вегетация цветов и прорастающих семян ускоряется при их электризации.
Франклин (родился в 1706 г., умер в 1790 г.) сделал важное открытие активного разряда электричества с наэлектризованного тела посредством острий, а также обратное ему — т. е. что электричество быстро извлекается из заряженной атмосферы остриями. Это позволило ему повысить эффективность электрической машины, добавив гребенчатую серию острий к коллектору главного кондуктора.
До этого времени, хотя тождество молнии и электричества давно подозревалось, оно вовсе не было установлено, и Франклину можно приписать честь совершения этого, хотя и здесь, как в случае с изобретением лейденской банки, по-видимому, имели место успешные одновременные исследования в других местах. Перед проведением своего великого эксперимента Франклин опубликовал книгу, решительно поддерживающую веру в тождество этих двух явлений. Задумав идею извлечения электричества из верхних слоев атмосферы, он, к сожалению, потерял некоторое время в ожидании завершения строительства шпиля одной церкви в Филадельфии, с вершины которого он надеялся собирать электричество с помощью проволоки, но в конце концов нашел устройство, которое сейчас занимает в связи с его памятью примерно то же место, что и классическая вишня в связи с Вашингтоном — воздушный змей для сбора молний. Этот аппарат был очень просто сконструирован и имел заостренную проволоку, выступающую на небольшое расстояние над каркасом. Он управлялся, и электрическое соединение осуществлялось с помощью обычной бечевки, которая заканчивалась коротким отрезком шелковой ленты, чтобы защитить человека от возможной травмы и дать электричеству возможность накапливаться в системе путем изоляции «линии». На конце самой бечевки Франклин прикрепил металлический ключ. В компании со своим сыном он запустил змея во время грозы, которая произошла в июне 1752 года; некоторое время поблизости не было никаких электрических возмущений, и он был готов отказаться от эксперимента, когда заметил то, чего ждал — внешние волокна бечевки выпрямились под действием силы отталкивания — и, поднеся костяшку пальца к ключу, он извлек искру. Впоследствии, когда дождь намочил бечевку и заставил ее проводить гораздо лучше, появился прекрасный запас электричества, и Франклин зарядил лейденскую банку от ключа, тем самым достигнув фактического накопления «молнии».
Он продолжил свои исследования атмосферного электричества и обнаружил, что электризация облаков (или верхних слоев атмосферы) иногда бывает положительной, а иногда отрицательной. Изобретение громоотвода принадлежит ему.
Франклин встал на сторону Уотсона в его убеждении в единой природе электрической жидкости.
Как было указано выше, атмосферное электричество, по-видимому, собиралось независимо примерно в то же время в Европе, и там были проведены некоторые очень смелые и опасные эксперименты. Одним печальным событием в результате стала смерть профессора Рихмана в Санкт-Петербурге в 1753 году. Рихман в компании со своим другом Соколовым проводил наблюдения за электроскопом, соединенным с железным стержнем, который заканчивался в помещении и простирался в другом направлении над крышей здания. Во время проведения их экспериментов поблизости раздался сильный удар грома, и Рихман наклонился, чтобы осмотреть прибор. При этом он приблизил голову на фут к концу стержня, и Соколов увидел огненный шар «размером с кулак человека», который вылетел из него в голову Рихмана с ужасающим грохотом. Удар был, конечно, мгновенно смертельным, а то, что мы сейчас называем обратным ударом, ошеломило и парализовало Соколова. Это прискорбное событие послужило предупреждением другим смелым экспериментаторам.