Движение мельчайших частичек

 

Трагическая гибель друга не остановила М. В. Ломоносова. Он продолжал опыты.

Ломоносов не был путником, блуждающим в лесу фактов, он не искал ощупью тропинку к научной истине, а шел напрямик к ней, как бы прорубая широкую просеку. Он всегда шел к цели своим путем, не преклоняясь перед иностранными авторитетами.

В апреле 1756 года Ломоносов начал писать большую работу: «Теория електричества, разработанная математическим способом», но успел закончить только две первые главы.

Ломоносов неопровержимо установил электрическую природу молнии, а также доказал, что в атмосфере, независимо от наличия грозовых туч, всегда имеются электрические заряды. Ломоносову принадлежит открытие электрической сущности полярных сияний.

Ломоносов высказал смелое предположение, что обычный свет костра, свечи или солнца – также электрического происхождения. Эта гениальная догадка М. В. Ломоносова подтвердилась только много лет спустя.

Прекрасно понимая, что одному человеку не под силу разрешить задачу о природе электрических явлений, Ломоносов стремился привлечь к ее решению ученых всего мира. По его настоянию Петербургская Академия наук объявила конкурс на лучшую научную работу о сущности электричества. В 1753 году было объявлено:

«Санкт‑Петербургская Академия наук всем натуры испытателям при обещании обыкновенного награждения ста червонных на 1755 год к первому числу июня месяца для решения предлагает, чтобы сыскать подлинную електрической силы причину и составить точную ее теорию».

Задача, которую Ломоносов намеревался разрешить в два года, потребовала почти полутораста лет и труда нескольких сот ученых. Среди них первое, почетное место бесспорно принадлежало самому Ломоносову. Он наметил правильный путь решения задачи, он первый указал на родство тепловых и электрических явлений. В основе тех и других лежит общая причина – движение мельчайших частичек, из которых состоят все вещества. «Нельзя также отрицать движение там, где глаз его не видит, – писал Ломоносов, – кто будет отрицать, что движутся листья и ветви деревьев в лесу при сильном ветре, хотя издали он не заметит никакого движения. Как здесь из‑за отдаленности, так и в горячих телах вследствие малости частичек движущегося вещества, движение скрывается от взора».

Эта теория помогла Ломоносову создать представление об электричестве более глубокое и более правильное, чем у всех его предшественников и многих ученых, живших после него.

«М. В. Ломоносову по необъятности его интересов принадлежит одно из самых видных мест в истории культуры всего человечества», – писал академик С. И. Вавилов.

 

Батарея академика Петрова

 

Новая эпоха в науке об электричестве началась в марте 1800 года, когда итальянский физик Алессандро Вольта изобрел прибор, позволявший получать непрерывный поток электрических зарядов. Это давало громадные преимущества по сравнению с прежними несовершенными способами добывания электричества.

Новый прибор стал известен в науке под названием Вольтова столба (рис. 18).

Рис. 18. Вольтов столб.

 

Вольтов столб состоял из набора металлических и суконных кружков. Кружки укладывались в таком порядке: на серебряном кружке лежал цинковый, затем – суконный кружок, смоченный водным раствором нашатыря, на нем серебряный и цинковый кружки и снова суконный. Серебро, цинк, сукно, серебро, цинк, сукно… и наконец, серебро, цинк. Первый и последний кружки в этом «первобытном» Вольтовом столбе играли роль проводников и по сути дела были совершенно лишними.

Электричество в Вольтовом столбе возникает непрерывно в результате химического взаимодействия двух различных металлов, смоченных раствором нашатыря.

Вольтов столб был прообразом будущих гальванических элементов, которые служили главным источником электричества в первой половине XIX века.

После изобретения Вольтова столба в распоряжении ученых оказался источник, способный непрерывно поддерживать движение электрических зарядов в проводнике. Такое движение назвали постоянным электрическим током. Изобретение источника тока открыло широкие возможности для новых исследований электричества. Вольтовым столбом спешили обзавестись физики, химики, медики и просто любители науки.

В Петербурге опыты с Вольтовым столбом проводил профессор физики Медико‑хирургической Академии Василий Владимирович Петров. Это был талантливый физик и искусный экспериментатор.

Петров заказал 100 цинковых и 100 медных кружков диаметром по 10 дюймов. Каждый кружок весил более фунта. Из них Петров составил Вольтов столб, применив вместо суконных прокладок бумажные кружки, пропитанные водным раствором нашатыря. Однако мощность прибора не удовлетворила Петрова. Для опытов, которые он задумал, эта батарея была слабовата, и ученый заказал другую – «наипаче огромную батарею, состоявшую иногда из 4200 медных и цинковых кружков».

Рис. 19. Батарея В. В. Петрова.

 

В этой батарее Петров не стал располагать кружки столбиком. Столб из 4200 кружков получался, по расчетам Петрова, высотой в 40 футов, то есть более 12 метров. Обращаться с таким столбом было бы затруднительно, пришлось бы ломать потолки в лаборатории, и батарея поднялась бы над крышей здания, как фабричная труба. А главное, ученый опасался, что под тяжестью столба влага из прокладок в нижней части батареи будет выдавлена, и ожидаемого результата не получится.

Петров заказал ящики из красного дерева, разгороженные на восемь отделений. Внутренние стенки ящика и все перегородки он облил расплавленным сургучом. Когда сургуч застыл, получилась твердая, совершенно водонепроницаемая корка, служившая прекрасной изоляцией.

В каждое отделение Петров уложил по 525 медных и цинковых кружков.

Все секции своей батареи Петров соединил изолированными проводами, употребляя для изоляции шелк, сургуч, воск, лаки. Это было крупной технической новинкой. Но никто из ученых не понимал тогда, как важно тщательно изолировать проводники. Петров доказал, что только надежно изолированная батарея способна дать наиболее сильный ток.

В одном из своих опытов он положил на стеклянную скамеечку два куска угля, проводящего электрический ток; затем двумя металлическими стерженьками (на стеклянных ручках), соединенными с полюсами батареи, он сблизил угольки на расстояние примерно в 1–3 линии (линия – 2,54 миллиметра). Между угольками появился «весьма яркий белого цвета свет или пламя, от которого оные угли скорее или длительнее загораются и от которого темный покой довольно ясно освещен быть может».

Это было великое открытие! Петров создал электрическую дугу, – открыл один из видов электрического разряда – дуговой разряд.

И техника сварки металлов, и металлургия, и осветительная техника теперь широко применяют дугу Петрова.

Впервые в мире Петров исследовал электропроводность различных материалов и установил, что уголь может по‑разному пропускать электрический ток: одни сорта угля проводят ток лучше, другие – хуже.

Продолжая свои опыты с электрической дугой, Петров вносил в ее пламя листочки олова, серебра, золота, меди, цинка, и они сгорали, окрашивая пламя в особые, свойственные им цвета.

Петров разложил электрическим током воду на водород и кислород, то есть положил начало еще одному важному применению электрической энергии, которое впоследствии получило название электролиза.

Все эти опыты Петрова служили звеньями его основной работы. Он изучал, какое действие оказывает электрический ток на материалы, сквозь которые он проходит. С этой целью ученый испытывал сначала твердые тела и различные жидкости, а затем перешел к газам.

 

Ток проходит через газ

 

На медную тарелку воздушного насоса Петров поставил серебряный стакан, перевернутый вверх дном. Этот стакан он накрыл хрустальным колпаком, имевшим высоту 21,6 сантиметра и ширину 13 сантиметров.

В верхней части колпака было оставлено небольшое отверстие, плотно закрытое медной оправой. Через оправу в особом сальнике, набитом кожаными кольцами, проходил медный прут. Кожаные кольца сальника мешали наружному воздуху проникать внутрь колпака, но позволяли поворачивать, поднимать или опускать медный прут. Нижний конец прута, спускавшийся до дна серебряного стакана, в зависимости от характера опыта оканчивался либо шариком, либо стальной иголкой. Серебряный стакан понадобился Петрову только потому, что медный прут оказался коротковат (рис. 20).

Рис. 20. Прибор Петрова для исследования действия тока на разреженный газ.

 

Один провод своей батареи Петров присоединил к металлической тарелке насоса, а второй – к верхнему концу медного прута. Затем Петров привел в действие воздушный насос. Когда воздуха под колпаком осталось совсем мало, между иголкой и дном стакана возникло яркое свечение белого цвета, а иголка разогрелась до красного каления.

Петров заменил иглу шариком и наблюдал, что при большом разрежении воздуха в колпаке, возле шарика появилось свечение белого цвета, но у дна стакана оно было фиолетовое, а между ними – розово‑красное.

Наибольшее разрежение, которого мог добиться Петров с помощью своего воздушного насоса, разнялось 1,5 миллиметрам ртутного столба, то есть 1/500 доле нормального атмосферного давления. Большего разрежения насос тогда дать не мог.

Петров был первым ученым, пропустившим электрический ток через разреженный газ. Этим он положил начало исследованию явлений, которые впоследствии раскрыли перед наукой и техникой невиданно широкие перспективы. Петров был пионером той обширной области электротехники, которая стала называться электроникой и развернулась в полном блеске только в самые последние десятилетия.