Історія розвитку оптики електрики і магнетизму

Історія розвитку оптики, електрики і магнетизму

в XVIII столітті

Дослідження з електростатиці і магнітостатики

Перші відомості про електрику і магнетизм

Вивчення електричних і магнітних явищ по-справжньому починається тільки в XVIII ст. Але перші відомості про ці явища були відомі вже древнім.

Стародавні греки знали властивість натертого бурштину притягати дрібні предмети. Саме слово "електрика" походить від грецького слова "електрон", що означає по-русски бурштин.

Стародавні греки знали також, що існує особливий мінерал - залізна руда (магнітний залізняк), здатний притягати залізні предмети. 3алежі цього мінералу знаходилися біля міста Магнесии. Назва цього міста послужило джерелом терміна "магніт".

Древні не досліджували ні електричних, ні магнітних явищ. Однак, вони спробували дати пояснення цим явищам.

Найперше пояснення властивостей магніту притягувати залізо полягало в тому, що магніту приписувалася "душа", яка змушувала магніт притягувати залізо або притягатися до заліза.

При цьому магніт представляли подібно живій істоті. Жива істота, наприклад собака, бачить шматок м'яса і прагне до нього наблизитися. Подібно до цього магніт як би бачить залізо і прагне до нього притянуться.

Це пояснення дуже примітивно з нашої точки зору. Однак такого роду пояснення, коли предмети неживої природи одушевляється, були характерними для давніх, які вірили в існування цілого ряду богів, духів і т. д.

Але в давнину почала розвиватися і матеріалістична філософія. Філософи-матеріалісти Стародавньої Греції відкидали існування духів і намагалися пояснити всі явища природи природними законами.

Вони вчили, що всі тіла складаються з дрібних матеріальних неподільних частинок - атомів. На їхню думку, крім атомів і порожнечі, в якій атоми рухаються, нічого не існує. Всі явища природи пояснюються рухом атомів. Саме слово "атом" грецького походження. Воно означає "неподільний".

Філософи, які вірили в існування атомів, з яких складається природа, отримали назву атомістів. Одним з родоначальників цієї філософії був давньогрецький філософ Демокріт (460 - 370 до н. Е..). Філософи-атомісти намагалися дати пояснення електричним і магнітним явищам без звернення до спеціальних "душам" і "духам".

Перші успіхи в дослідженні магнітних явищ в середні століття

У середні віки вивчення магнітних явищ набуває практичне значення. Це відбувається у зв'язку з винаходом компаса.

Уже в XII в. в Європі став відомий компас як прилад, за допомогою якого можна визначити напрям на частини світла. Про компасі європейці дізналися від арабів, яким було вже до цього часу відомо властивість магнітної стрілки. Ще раніше, ймовірно, така властивість знали в Китаї.

Починаючи з XII ст. компас все ширше застосовувався в морські подорожі для визначення курсу корабля у відкритому морі.

Практичне застосування магнітних явищ призводило до необхідності їх вивчення. Поступово з'ясовується цілий ряд властивостей магнітів.

У 1600 р. вийшла книга англійського вченого Гільберта "Про магніті, магнітних тілах і великому магніті - Землі". У ній автор описав вже відомі властивості магніту, а також власні відкриття.

Ще раніше дізналися, що магніт завжди має два полюси. Вони були названі по імені частин світу - північний полюс і південний полюс. У числі властивостей магніту Гільберт вказував на те, що однакові полюси відштовхуються, а різнойменні притягуються.

Гільберт припускав, що Земля являє собою великий магніт. Щоб підтвердити це припущення, Гільберт виконав спеціальний досвід. Він виточив з природного магніту велику кулю. Наближаючи до поверхні кулі магнітну стрілку, він показав, що вона завжди встановлюється в певному положенні, так само як стрілка компаса на 3емле.

Гільберт описав явище магнітної індукції, способи намагнічування заліза і сталі і т. д. Книга Гільберта стала першим науковим дослідженням магнітних явищ.

Розвиток вчення про електрику в XVII і XVIII ст.
до винаходу лейденської банки

У своїй книзі Гільберт торкнувся і електричних явищ. Потрібно відзначити, що хоча в той час магнетизм та електрику розглядалися як явища різної природи, тим не менш, дуже давно вчені помітили в них багато спільного. Тому не випадково в багатьох роботах досліджувалися одночасно і магнітні та електричні явища. Зокрема, вивчення магнетизму викликало інтерес до дослідження електричних явищ.

Так було і в Гільберта. Вивчаючи магнітні явища, що, як ми говорили, мало практичний інтерес, він приділив увагу і електрики, хоча воно в той час у практиці не використовувалося.

Гільберт відкрив, що наелектризована можна не лише бурштин, а й алмаз, гірський кришталь і ряд інших мінералів. На відміну від магніту, який здатний притягувати тільки залізо (інших магнітних матеріалів у той час не знали), наелектризовані тіло притягує багато тіл.

Новий крок до вивчення електричних явищ був зроблений німецьким вченим Геріке. У 1672 р. вийшла його книга, в якій були описані досліди з електрики. Найбільш цікавим досягненням Геріке був винахід їм "електричної машини". "Електрична машина" представляла собою кулю, зроблений з сірки і посаджений на залізний засув. Геріке обертав цю кулю і натирав його долонею руки. Згодом вчений кілька разів удосконалив свою "машину".

Незважаючи на простоту приладу, Геріке зміг з його допомогою зробити деякі відкриття. Так, він виявив, що легені тіла можуть не тільки притягатися до наелектризованої кулі, але і відштовхуватися від нього.

У XVIII ст. вивчення електричних явищ пішло швидше. У першій половині цього століття були відкриті нові факти.

У 1729 р. англієць Грей відкрив явище електропровідності. Він встановив, що електрика здатне передаватися від одних тіл до інших по металевій дроті. За шовкової нитки електрика не поширювалося. У зв'язку з цим Грей розділив всі тіла на провідники і непроводнікі електрики.

3атем французький вчений Дюфе через п'ять років з'ясував, що існує два види електрики. Один вид електрики виходить при натирання скла, гірського кришталю, вовни і деяких інших тіл. Це електрику Дюфе назвав скляним електрикою.

Другий вид електрики виходить при натирання бурштину, шовку, паперу та інших речовин. Цей вид електрики Дюфе назвав смоляним. Вчений встановив, що тіла, наелектризовані одним видом електрики, відштовхуються, а різними видами, - притягаються.

Згодом скляне електрику було названо позитивним, а Смоляне - негативним. Цю назву запропонував американський вчений і громадський діяч Франклін. При цьому він виходив з своїх поглядів на природу електрики.

Винахід лейденської банки і перші електричні прилади

Дуже важливим кроком у розвитку вчення про електрику був винахід лейденської банки, тобто електричного конденсатора.

Лейденська банку була винайдена майже одночасно німецьким фізиком Клейста і голландським фізиком Мушенбрук в 1745 - 1746 рр.. Свою назву вона отримала на ім'я міста Лейдена, де Мушенбрук вперше виконав з нею досліди з вивчення електричних явищ.

Мушенбрук так описував свій винахід у листі до французького вченого Реомюром: "Хочу повідомити Вам новий, але жахливий досвід, який не раджу повторювати. Я займався вивченням електричної сили. Для цього я підвісив на двох шовкових блакитних нитках залізний стовбур, який одержує електрику від скляної кулі, який швидко обертався навколо осі і натирався руками. На іншому кінці висіла мідний дріт, кінець якої був занурений в скляний круглий посудину, заповнений наполовину водою, який я тримав у правій руці; лівої ж рукою я намагався витягати з електричного стовбура іскру. Раптом моя права рука була вражена ударом з такою силою, що все тіло здригнулося, як від удару блискавки.

Незважаючи на те, що посудина, зроблений з тонкого скла, не розбивається і кисть руки зазвичай не зміщується при такому потрясінні, тим не менш, лікоть і все тіло уражаються настільки страшним чином, що я не можу висловити, я думав, що прийшов кінець ".

Незабаром лейденська банку була вдосконалена: зовнішню і внутрішню поверхню скляної посудини стали обклеювати металевою фольгою. У кришку банки вставляли металевий стрижень, який зверху закінчувався металевою кулькою, а нижній кінець стрижня за допомогою металевої ланцюжка поєднувався з внутрішньої обкладкою.

Лейденська банку є звичайним конденсатором. Коли зовнішню обкладку її заземляють, а металева кулька з'єднують з джерелом електрики, то на обкладках банки накопичується значний електричний заряд і при її розряді може протікати значний струм. Отримання великих зарядів з допомогу лейденської банки значно сприяло розвитку вчення про електрику.

Перш за все, удосконалилася апаратура для дослідження електричних явищ, зокрема електричні маслини. Це були, як і перша машина Геріке, такі пристрої, в яких електричний заряд виходив в результаті натирання скляного або ебонітового диска шкірою або іншими подібними матеріалами.

3атем з'явився перший електровимірювальні прилади - електрометрії. Його історія починається з електричного покажчика, створеного Ріхманом незабаром після винаходу лейденської банки. Цей прилад складався з металевого прута, до верхнього кінця якого підвішувалися лляна нитка певної довжини і ваги. При електризації прута нитка відхилилася. Кут відхилення нитки вимірювався за допомогою шкали, прикріпленою до стрижня і розділеної на градуси.

У наступний час були винайдені різної конструкції електрометрії. Так, наприклад, електрометрії, створений італійцем Беннетом, мав два золотих листочка, поміщених в скляну посудину. При електризації листочки розходилися. Будучи забезпечений шкалою, такий прилад міг вимірювати, як тоді говорили, "електричну силу. Але що таке "електрична сила", цього ще ніхто не знав, тобто невідомо було, яку фізичну величину вимірює цей прилад. Дане питання було з'ясовано значно пізніше.

Перші кроки в практичному застосуванні вчення про електричні явища

Хоча вчення про електричні явища почало відігравати істотну роль у практичному житті лише починаючи з середини XIX ст., Тим не менш, перші спроби практичного застосування електрики відносяться вже до середини XVIII ст.

Після винаходу лейденської банки, коли вчені змогли спостерігати порівняно великі іскри при електричному розряді, виникла думка про електричну природу блискавки.

Відомий американський вчений і громадський діяч Бенджамін Франклін (1706 - 1790) висловив цю ідею в листі в Лондонське королівське товариство в 1750 р.

У цьому листі він пояснював також, як можна перевірити висловлене припущення. Він пропонував поставити на вежу будку, на дах якої вивести залізний засув. Поміщений всередині будки чоловік у випадку грози міг би отримувати з жердини електричні іскри.

Зміст листа Франкліна стало відомо у Франції. Про нього дізнався француз Далібар, який у травні 1752 проробив досвід, про який писав Франклін.

У себе в саду, біля Парижа, Далібар встановив високий залізний шест, ізолювавши його від землі. У той час коли збиралася гроза, він спробував витягнути електричні іскри з жердини. Досвід вдався. Дійсно, Далібар вдалося отримати електричні іскри.

У тому ж році, влітку, Франклін в Америці зробив схожий досвід. Разом зі своїм сином він запустив змій під час грози. Коли нитка, якою був прив'язаний змій, намокла, то з неї можна було витягати електричні іскри. Франкліну навіть вдалося зарядити при цьому лейденську банку.

Після того як про досліди Франкліна стало відомо в Петербурзі, подібними ж дослідами зайнялися російські академіки Ріхман і Ломоносов. Вони влаштували більш зручну установку для вивчення атмосферної електрики, названу громовий машиною.

Громова машина представляла собою загострений залізний засув, встановлений на даху будинку. Від залізного жердини в будинок йшла дріт. Кінець цього дроту був з'єднаний з електричним покажчиком, тобто з найпростішим електрометром, винайденим Ріхманом.

З громовий машиною і Ріхман і Ломоносов проробили багато дослідів. Ломоносов відкрив, що електричні заряди в атмосфері з'являються не тільки під час грози, але і без неї. На основі своїх дослідів Ломоносов створив першу наукову теорію утворення електрики в атмосфері.

Влітку 1753 р. трапилася нещастя. Збиралася гроза, і Ріхман прийшов до своєї громовий машині, щоб спостерігати електричні розряди. Раптом в кімнаті з'явилася кульова блискавка, стався електричний розряд - і вчений був убитий.

Враженням від трагічної смерті Ріхман негайно скористалося духовенство з метою боротьби з безбожництва. Попи і ченці стали поширювати думку про те, що Ріхман був покараний богом за зухвалі досліди.

Після того як була з'ясована електрична природа грози, виникла ідея пристрою громовідводу для запобігання будівель від пожеж в результаті попадання в них блискавки.

Громовідводи швидко увійшли в практику. Це було перше практичне застосування вчення про електричні явища. Воно сприяло розвитку наукових досліджень з електрики взагалі.

Слід зазначити, що духовенство і пізніше вороже ставилося до досліджень атмосферного електрики і до використання громовідводів, вважаючи, що захист від ударів блискавок - безбожна заняття.

Другою спробою використання електрики для практичних цілей було застосування його для лікування хвороб.

Як ми бачили вище, вже Мушенбрук, описуючи винахід лейденської банки, звернув увагу на сильне і незвичайне дію електричного розряду на людину.

Незабаром цим дією зацікавилися лікарі. Виникла думка про те, що в живому організмі існують електричні струми, які грають у ньому якусь важливу роль. Разом з цим прийшло переконання про можливість застосування електрики для лікування хвороб.

З цією метою стали проводити досліди з електризації людей, пропускання через тіло людини електричного струму і т. д. Був написаний ряд книг з дослідження дії електрики на організм людини. Як приклад можна вказати на книгу Марата, відомого діяча французької революції, лікаря за фахом. Він написав в 1783 р. "Трактат про медичне електриці", який був удостоєний спеціальної премії. Однак усі такі дослідження в той час не привели до яких-небудь позитивним практичних результатів. Дійсне застосування електрики для лікування хвороб почалося набагато пізніше. Але такі дослідження відіграли велику роль у посиленні інтересу до досліджень електричних явищ взагалі. Більше того, як ми побачимо нижче, саме дослідження впливу електрики на живий організм призвело до відкриття італійським лікарем Гальвані так званого гальванічного електрики.

Історія застосування електричних явищ в медицині дуже цікава тим, що вона показує, як нові відкриття в галузі фізичних наук бувають викликані завданнями інших наук (в даному випадку медицини).

Перші теорії електрики

Разом з прискорився розвитком досвідченого дослідження електричних явищ виникають і теорії цих явищ.

Звичайно, ще до середини XVIII ст. існували деякі міркування про природу електрики. Але вони були дуже примітивними. У більшості випадків електричні дії пояснювалися наявністю навколо заряджених тіл якихось електричних атмосфер.

У середині XVIII ст. з'являються вже більш змістовні теорії електричних явищ. Ці теорії можна розділити на дві основні групи.

Перша група - це теорії електричних явищ, засновані на принципі дальнодії.

Друга група - це теорії, в основу яких покладено принцип блізкодействія.

Зупинимося спочатку на розвитку теорії дальнодії, яка отримала в XVIII ст. майже загальне визнання. Основоположниками теорії дальнодействия були Франклін і петербурзький академік Епінус.

Франклін ще в 40-х р. XVIII ст. побудував теорію електричних явищ. Він припустив, що існує особлива електрична матерія, що представляє собою якусь тонку, невидиму рідина. Частинки цієї матерії мають властивість відштовхуватися один від одного і притягатися до часткам звичайної матерії, тобто до часток речовини, за сучасними поняттями.

Електрична матерія присутня в тілах в певних кількостях, і в цьому випадку її присутність не виявляється. Але якщо в тілі з'являється надлишок цієї матерії, то тіло електризується позитивно; навпаки, якщо в тілі буде недолік цієї матерії, то тіло електризується негативно. Назва ("позитивне і негативне електрику", яке так і залишилося в науці, належить Франкліну).

Електрична матерія, по Франкліну, складається з особливо тонких частинок, тому вона може проходити крізь речовину. Особливо легко вона проходить через провідники.

З теорії Франкліна слід дуже важливе положення про збереження електричного заряду. Дійсно, для створення, наприклад, негативного заряду на будь-якому тілі потрібно від нього забрати деяку кількість електричної рідини, яка повинна перейти на інше тіло і утворити там позитивний заряд такої ж величини. Після з'єднання цих тіл електрична матерія знову розподілиться між ними так, щоб ці тіла стали електрично нейтральними.

Це положення Франклін демонстрував на досвіді. Двоє людей стоять на смоляний диску (для ізоляції їх від навколишніх предметів і землі). Одна людина натирає скляну трубку. Інший стосується цієї трубки пальцем і витягує іскру. Обидва людини тепер виявляються наелектризованими: один - негативним електрикою, інший - позитивним. Але при цьому їх заряди рівні за абсолютною величиною. Після зіткнення люди втратять свої заряди і стануть електрично нейтральними.

Теорія Франкліна була розвинена Францем Епінуса (1724 - 1802). При цьому Епінус як би брав за зразок теорію тяжіння Ньютона.

Ньютон припустив, що між усіма частинками звичайних тел діють дальнодействующіх сили. Ці сили центральні, тобто вони діють по прямій, що сполучає частинки.

Епінус ж передбачає, що між частинками електричної матерії також діють центральні дальнодействующіх сили. Тільки сили тяжіння є силами притягання, сили ж, які діють між частинками електричної матерії, - силами відштовхування. Крім того, між частинками електричної матерії і частками звичайного речовини, так само як і у Франкліна діють сили тяжіння. І ці сили аналогічно силам тяжіння є дальнодії центральними.

Далі Епінус подібно Ньютону каже, що введені їм сили потрібно визнати як факт і що в даний час не можна пояснити, яким чином вони діють через простір. Придумувати ж необгрунтовані гіпотези він не бажає. Тут він повністю копіює Ньютона.

Епінус йде далі, порівнював сили тяжіння і електричні сили. Він припускає, що сили, які діють між частинками електричної матерії, "змінюються обернено пропорційно квадрату відстані. Так можна припускати з деяким правдоподібністю, бо на користь такої залежності, очевидно, говорить аналогія з іншими явищами природи ". Ця передбачувана аналогія і дає можливість Епінуса побудувати теорію електричних явищ.

Однією з цікавих його робіт було дослідження електричної індукції. Епінус показав, що якщо до провідника наблизити заряджене тіло, то на провіднику з'являються електричні заряди. При цьому сторона його, до якої підносять заряджене тіло, електризується зарядом протилежного знаку. І, навпаки, на віддаленій частині провідника утворюється заряд того ж знака, що й на піднесеної тілі.

Якщо прибрати заряджене тіло, то провідник знову стає незарядженим. Але якщо провідник може бути розділений на дві частини в присутності зарядженого тіла, то вийдуть два провідники, заряджені різнойменними зарядами, які залишаться і при видаленні індукуючого заряду.

Епінус підтвердив і закон збереження електричного заряду. Він писав: "Якщо я хочу в будь-якому тілі збільшити кількість електричної матерії, я повинен неминуче взяти її поза ним і, отже, зменшити її в будь-якому іншому тілі".

Одночасно з теорією електричних явищ, заснованої на уявленні про дальнодействії, з'являються теорії цих явищ, в основі яких лежить принцип блізкодействія. Одним з родоначальників цієї теорії можна вважати Ломоносова.

Ломоносов був супротивником теорії дальнодії. Він вважав, що тіло не може діяти на інші миттєво через порожній або заповнений чимось простір.

Він вважав, що електричне взаємодія передається від тіла до тіла через особливе середовище, що заповнює весь порожній простір, зокрема і простір між частками, з яких складається "вагома матерія", тобто речовина.

Електричні явища, на Ломоносову, слід розглядати як певні мікроскопічні руху, що відбуваються в ефірі. Те ж саме відноситься і до магнітних явищ.

На точці зору блізкодействія в теорії електрики і магнетизму стояв і інший петербурзький академік - Л. Ейлер. У середині XVIII ст., Як і Ломоносов, він виступив за теорію блізкодействія. Він припускав існування ефіру, рухом і властивостями якого пояснював спостережувані електричні явища.

Однак теоретичні уявлення Ломоносова і Ейлера в той час не могли отримати розвитку. Незабаром був відкритий закон Кулона. Він був за своєю формою таким же, як і закон всесвітнього тяжіння, і, природно, його розуміння було таким же, як і розуміння закону тяжіння. Таким чином, закон Кулона був сприйнятий як доказ теорії дальнодії.

Після відкриття закону Кулона теорія дапьнодействія зовсім витісняє теорію блізкодействія. І тільки в XIX ст. Фарадей відроджує теорію блізкодействія. Однак її загальне визнання починається з другої половини XIX ст., Після експериментального доказу теорії Максвелла.

Історія відкриття закону Кулона

Основний закон електростатики - закон Кулона - був встановлений французьким фізиком Кулоном в 80-х рр.. XVIII ст.

Проте, історія його відкриття починається раніше. Ця історія показує один із шляхів, за яким розвивається фізика, - шлях застосування аналогії, про який ми згадували вище.

Ми бачили, що Епінус вже здогадувався про те, що сила взаємодії між електричними зарядами обернено пропорційна квадрату відстані між ними. І ця здогадка виникла на основі деякої аналогії між силами тяжіння і електричними силами.

Але аналогія не є доказом. Висновок з аналогії завжди вимагає перевірки. Спираючись тільки на аналогію, можна прийти і до невірних результатів. Епінус не перевірив справедливість даній аналогії, і тому його висловлювання мало тільки Можливий характер.

Інакше надійшов англійський вчений Генрі Кавендіш (1731 - 1810). Він також виходив з аналогії між силами тяжіння і силами електричного взаємодії. Але він пішов далі, ніж Епінус, і перевірив на досвіді висновки, що випливають з неї.

Дамо уявлення про дослідження, виконаному Кавендіш.

Було відомо, що якщо взяти порожниста куля з рівномірно розподіленою масою, тобто з постійною щільністю, то мила тяжіння діє всередині кулі на яку-небудь масу, дорівнюватиме нулю. Це випливає з простих міркувань. Спробуємо їх зрозуміти.

Уявімо собі дуже тонкий шар кульової, утворений двома дуже близькими сферами, що мають один і той же центр. Нехай, наприклад, радіус зовнішньої сфери буде R, а товщина шару d . Щільність матеріалу, з якого складається кульової шар, r.

Визначимо силу тяжіння, що діє з боку нашого шару на матеріальну точку, поміщену усередині нього в якійсь точці а.

Для цієї мети проведемо через точку а й центр 0 пряму. Ця пряма перетне зовнішню сферу у двох точках С і С '. Побудуємо тепер на поверхні сфери навколо точки З дуже маленький чотирикутник 1, настільки маленький, що його можна розглядати як плоский квадрат. Позначимо кути цього квадрата d1, d2, d3, d4. Нехай його площа S, обсяг відповідного елемента кульового шару V.

Проведемо потім прямі лінії через точку а і точки d1, d2, d3, d4. Ці прямі перетнуть сферу вдруге в точках d1 ', d2', d3 ', d4'. Поєднавши ці точки, ми отримаємо другий чотирикутник 2, який також можна буде розглядати як плоский квадрат. Нехай його площа буде S ', а відповідний елемент обсягу кульового шару буде V'.

Легко бачити, що сила тяжіння, що діє на масу m, поміщену в точці a, з боку елементів кульового шару V і V ', буде рівна нулю. Дійсно, маси цих елементів будуть ставитися як площі квадратів S і S '. У свою чергу, площі квадратів S і S 'будуть прямо пропорційні квадратах їх сторін, отже, прямо пропорційні квадратах відстаней цих елементів до точки а - Са і С'а.

Таким чином, сили тяжіння, що діють на масу з боку елементів 1 і 2, будуть прямо пропорційні квадратах відстаней цих елементів до точки а. Але з іншого боку, ці сили за законом всесвітнього тяжіння повинні бути, навпаки, обернено пропорційні квадратах відстаней цих елементів до точки а.

Враховуючи, що сили, що діють з боку протилежних елементів, мають протилежні напрямки, приходимо до висновку, що сума цих сил має дорівнювати нулю.

Звідси зараз же слід і загальний висновок про рівність нулю сили тяжіння, що діє на масу, вміщену всередину кульового шару.

Дійсно, адже ми можемо весь кульової шар розбити на маленькі елементи, подібні елементам 1. І для будь-якого елемента завжди знайдеться інший елемент, дія якого на масу буде прямо протилежним. У результаті цього сила тяжіння, що діє всередині кульового шару на масу, дорівнюватиме нулю. Такий результат, до якого ми прийшли. Потрібно тільки підкреслити, що цей результат справедливий для випадку, коли сила обернено пропорційна саме квадрату відстані. Якби сила була пропорційна відстані в іншій мірі, такого результату ми б не отримали.

Отриманий висновок ми можемо зараз же перенести на випадок електричних сил.

Уявімо собі знову тонкий шар кульової, на поверхні якого рівномірно розподілений електричний заряд. Помістимо всередину цього шару інший заряд. Якщо сила взаємодії між зарядами обернено пропорційна квадрату відстані між ними, то за аналогією з п сила, діюча на нього до ст по шарового шару, дорівнюватиме нулю. Якщо помістити всередину шару другий такий же заряд того ж знака, то вони будуть відштовхуватися один від одного і рухатися в протилежні сторони.

Кавендіш у 70-х рр.. XVIII ст. проробив такий досвід. Він взяв заряджений металевий кулю і помістив його всередину порожнистого металевого кулі, утвореного двома півкулями. Зовнішній порожниста куля спочатку був не заряджений.

3атем внутрішній куля тонким дротом з'єднувався із зовнішнім кулею, для чого було зроблено в останньому маленький отвір. Через деякий час півкулі роз'єднували і звільняли внутрішній шар. Після цього з'єднували його з електроскопом.

Що показував електроскоп? Якщо правильно припущення, що сили взаємодії між зарядами (в даному випадку сили відштовхування) обернено пропорційні квадрату відстані між ними, то електроскоп покаже відсутність заряду.

Дійсно, як тільки внутрішній шар з'єднували дротом з півкулями, так зараз же електрику починало перетікати з кулі по дроту на півкулі, рівномірно розподіляючись на них. Адже між зарядами, що знаходяться на тарі, діяла сила відштовхування, але поки кулю ізольований, заряди не могли його покинути. Потрапивши ж на зовнішній шар, заряди рівномірно розподілялися на його поверхні, і їх дія на заряд, що знаходиться всередині кулі, припинявся.

Перетікання зарядів з внутрішнього кулі на зовнішній буде відбуватися до тих пір, поки вони все не покинуть внутрішній шар. Звідси Кавендіш і зробив висновок про те, що сили взаємодії між електричними зарядами обернено пропорційні квадрату відстані між ними.

Таким чином, ми повинні сказати, що Кавендіш першим експериментально встановив закон взаємодії електричних зарядів. Однак він не оприлюднив свого відкриття. І ця робота залишалася за його життя невідомою. Про неї дізналися набагато пізніше, тільки в середині минулого століття, після того як Максвелл опублікував її. Звичайно, до цього часу вона мала вже чисто історичний інтерес.

Не знаючи про дослідження Кавендіша, французький вчений Шарль Кунон (1736 - 1806) у 80-х рр.. XVIII ст. виконав ряд дослідів і встановив основний закон електростатики, який отримав його ім'я.

Кулон встановив, по-перше, що сила взаємодії між точковими зарядами обернено пропорційна квадрату відстані між ними. Ця сила буде силою відштовхування, якщо заряди однойменні, і силою тяжіння, якщо заряди різнойменні.

По-друге, Кулон ввів поняття кількості електрики і визначив, що сила взаємодії між зарядами пропорційна їх величині.

Кулон також експериментально досліджував сили взаємодії між магнітами. На підставі даних експерименту і вважаючи, що поряд з електричними існують і магнітні заряди, Кулон дійшов висновку, що сили взаємодії між магнітними зарядами або магнітними масами також обернено пропорційні квадрату відстані між ними.

У зв'язку з цим закон Кулона для взаємодії магнітів стали виражати як закон взаємодії між магнітними масами m1 і m2 у вигляді формули.

У подальшому, вже в XIX ст. з'ясувалося, що магнітних зарядів не існує. Але законом Кулона для магнітів продовжували користуватися, хоча йому вже надавали інший зміст, ніж той, який вкладав у нього Кулон.

Введення поняття потенціалів в електростатики

Відкриття закону Кулона було дуже важливим кроком у розвитку вчення про електрику і магнетизм. Це був перший фізичний закон, що виражає кількісні співвідношення між фізичними величинами у вченні про електрику і магнетизм.

За допомогою цього закону можна було вирішувати задачі про знаходження сил, що діють на заряди з боку інших зарядів, як завгодно розташованих в просторі. Якщо це були точкові заряди, то подібні завдання вирішувалися відразу безпосереднім застосуванням закону Кулона. Якщо ж заряди розподілялися в тілах безперервно за об'ємом або по поверхні, то потрібно було ввести поняття об'ємної або поверхневої щільності зарядів. Саме коли заряди безперервно розподілялися за обсягом, то щільність заряду r визначалася величиною D q / DV, де DV - елемент обсягу, а D q - заряд, що знаходиться в цьому обсязі, зовсім так само, як визначається щільність речовини у разі нерівномірного розподілу мас в тілі.

Аналогічно і поверхнева щільність заряду s визначається за формулою: s = D q / DS, де DS - елемент поверхні, а DS - заряд, який припадає на цей елемент поверхні.

Далі, для визначення сил, що діють на заряджені тіла у випадку неперервного розподілу зарядів, надходили аналогічно тому, як надходили в теорії тяжіння для випадку безперервно розподілених мас.

Обсяг або поверхню розглянутих тел розбивали на елементи обсягу або елементи поверхні і для взаємодії зарядів, що знаходяться в цих елементах обсягу або на цих елементами поверхні, застосовували безпосередньо закон Кулона, оскільки такі заряди можна було вважати точковими.

Однак такого роду задачі не представляли великого інтересу. Набагато більш цікавими і важливими були завдання, в яких потрібно визначити розподіл зарядів на провідниках.

Така, наприклад, завдання про розподіл електрики на провіднику заданої форми.

Є провідник заданої форми. Йому повідомляють певний електричний заряд. Потрібно знайти, як розподілиться цей заряд на провіднику і яка буде "електрична сила" в просторі, що оточує цей провідник. Ми сказали "електрична сила", а не напруженість електричного поля тому, що ще жодного поняття поля, ні поняття напруженості не було. Говорили про силу, яка діє на заряд, поміщений у будь-яку точку простору.

Для вирішення цього завдання відразу застосовувати закон Купони можна, тому що розподіл зарядів невідомо. Як же бути в цьому випадку?

Вже Кулон намітив шлях вирішення цього завдання. Він встановив, що електричний заряд розташовується тільки на поверхні провідника, але з різною поверхневою щільністю. При цьому, як вже було ясно, "електричні сили", що діють усередині провідника, повинні бути рівні нулю.

Цей принцип поклав в основу розробленої ним теорії розподілу зарядів по провіднику французький вчений Пуассон на початку XIX ст.

Пуассон (так само як і Кулон) вважав на противагу думок Франкліна і Епінуса, що існують дві електричні рідини (позитивне і негативне електрика). Частинки однієї і тієї ж рідини відштовхуються, а різних - притягаються. Сили притягання і відштовхування визначаються законом Кулона.

У незарядженому стані в тілі є рівні кількості електрики обох знаків. Вони розподілені рівномірно і не виявляють себе. Тіло набуває електричний заряд, якщо йому повідомляється додаткову кількість електрики того чи іншого знака.

У провідниках електричні частки пересуваються вільно, в непроводнікі їх пересування утруднено.

Якщо проводить електрику тілу повідомляють електричний заряд, то електричні частинки, відштовхуючись один від одного, будуть прагнути до поверхні провідника. І так як провідник оточений непровідним повітрям, то електрика буде накопичуватися тонким шаром на його поверхні. Цей процес піде до тих пір, поки всі частинки електричної матерії не зберуться на поверхні. І в цьому випадку електричні сили всередині провідника стануть рівними нулю, якими вони були і до того, як провідника повідомили електричний заряд.

Рівність нулю "електричної сили" всередині провідника є головною умовою, на основі якого можна вирішувати задачу про розподіл електричного заряду в провіднику. І оскільки цей заряд розташовується на його поверхні, то визначають поверхневу щільність електрики на цьому провіднику.

Користуючись зазначеним принципом, Пуассон вирішує задачу про розподіл щільності електричного заряду на провідниках, що мають форму кулі, еліпсоїда, двох дотичних куль. Що стосується розподілу заряду на поверхні кулі, то це завдання вирішується відразу, виходячи з симетрії фігури. Дійсно, адже всі крапки поверхні кулі абсолютно однакові, і немає жодної підстави для того, щоб у будь-якій точці щільність електричного заряду відрізнялася б від його щільності в іншій точці. Тому ми приходимо до висновку, що електричний заряд розподіляється з рівномірною щільністю по всій поверхні кулі.

Вирішуючи завдання на розподіл електрики по поверхні провідників, Пуассон прийшов до думки ввести деяку функцію, залежну від координат, яка полегшувала б рішення задач. Вона чудова тим, що приймає постійне значення на поверхні провідника.

Вивчив властивості цієї функції і широко застосував її для вирішення завдань на розподіл електричних зарядів англійський учений Грін, який і назвав цю функцію потенційної. Згодом же вона отримала найменування потенціалу електричного поля.

Грін з'ясував, що фізичний зміст має не сама ця функція, а різниця її значень для різних точок простору. У різних точках провідника значення функції завжди однаково. Говорячи сучасною мовою, поверхня провідника є еквіпотенційної поверхнею.

Крім Гріна, теорію потенціалу розробляв німецький математик Гаусс

Поняття потенціалу електричного поля безпосередньо пов'язане з поняттям потенційної енергії. Дійсно, потенціал в даній точці дорівнює потенційної енергії, яку має одиничний позитивний заряд, поміщений у цю точку. При цьому значення потенціалу, так само як і потенційної енергії, визначається з точністю до довільної сталої. У зв'язку з цим слід говорити не про потенціал даної точки, а про різниці потенціалів між двома точками (або потенціал даної точки щодо потенціалу інший вибраної точки). Потенціал, так само як і потенційна енергія, визначається роботою, виробленої електричними силами при переміщенні заряду в просторі. Саме різниця потенціалів двох точок електричного поля дорівнює взятій з протилежним знаком роботі поля по переміщенню одиничного заряду з однієї точки в іншу.

Розвиток електродинаміки

Історія винаходу гальванічного елемента

Найважливішим кроком вперед у розвитку вчення про електричні і магнітні явища був винахід першого джерела постійного струму - гальванічного елемента. Історія цього винаходу починається з робіт італійського лікаря Луїджі Гальвані (1737 - 1798), що відносяться до кінця XVIII ст.

Гальвані цікавився фізіологічною дією електричного розряду. Починаючи з 80-х рр.. XVIII сторіччя, він зробив ряд дослідів для з'ясування дії електричного розряду на м'язи препарованої жаби. Одного разу він виявив, що при проскакування іскри в електричній машині або при розряді лейденської банки м'язи жаби скорочувалися, якщо до них в цей час торкалися металевим скальпелем.

3аінтересовавшісь піднаглядним ефектом, Гальвані вирішив перевірити, чи не буде надавати таку ж дію на лапки жаби атмосферну електрику. Дійсно, з'єднавши один кінець нерва лапки жаби провідником з ізольованим жердиною, виставленим на даху, а інший кінець нерва із землею, він зауважив, що під час грози час від часу відбувалося скорочення м'язів жаби.

Потім Гальвані підвісив препарованих жаб за мідні гаки, зачеплені за їх спинний мозок, близько залізних грат саду. Він виявив, що іноді, коли м'язи жаби стосувалися залізної огорожі, відбувалося скорочення м'язів. Причому ці явища спостерігалися і в ясну погоду. Отже, вирішив Гальвані, в даному випадку вже не гроза є причиною спостережуваного явища.

Для підтвердження цього висновку Гальвані проробив подібний досвід в кімнаті. Він взяв жабу, у якої спинний нерв був з'єднаний з мідним гаком, і поклав її на залізну дощечку. Виявилося, що коли мідний гачок стосувався заліза, то відбувалося скорочення м'язів жаби.

Гальвані вирішив, що відкрив "тварина електрику», тобто електрику, що виробляється в організмі жаби. При замиканні нерва жаби допомогою мідного гака і залізної дощечки утворюється замкнута ланцюг, по якій пробігає електричний заряд (електрична рідина або матерія), що і викликає скорочення м'язів.

Відкриттям Гальвані зацікавилися і фізики і лікарі. Серед фізиків був співвітчизник Гальвані Алессандро Вольта. (1745 - 1827). Вольта повторив досліди Гальвані, а потім вирішив перевірити, як будуть себе вести м'язи жаби, якщо через них пропустити не ("тварина електрику"), а електрику, отримане будь-яким з відомих способів. При цьому він виявив, що м'язи жаби так само скорочувалися, як і в досвіді Гальвані.

Проробивши такого роду дослідження, Вольта прийшов до висновку, що жаба є тільки ("приладом"), реєструючим протікання електрики, що ніякого особливого "тваринної електрики" не існує.

Чому ж все-таки в досвіді Гальвані м'язи жаби реєструють протікання електричного розряду? Що є в даному випадку джерелом електрики? Вольта припустив, що причиною електрики є контакт двох різних металів.

Потрібно зазначити, що вже Гальвані зауважив залежність сили судомного стиснення м'язів жаби від роду металів, що утворюють ланцюг, по якій протікає електрику. Однак, Гальвані не звернув на те серйозної уваги. Вольта ж, навпаки, побачив у ньому можливість побудови нової теорії.

Не погодившись з теорією "тваринної електрики", Вольта висунув теорію "металевого електрики". За цією теорією причиною гальванічного електрики є зіткнення різних металів.

У кожному металі, вважав Вольта, міститься електрична рідина (флюїд), яка, коли метал не заряджений, знаходиться в спокої і себе не проявляє. Але якщо з'єднати два різних металу, то рівновага електрики всередині них порушиться: електрична рідина прийде в рух. При цьому електричний флюїд в деякій кількості перейде з одного металу в іншій, після чого рівновагу знову відновиться. Але в результаті цього метали наелектризується: один - позитивно, інший - негативно.

Ці міркування Вольта підтвердив на досвіді. Йому вдалося показати, що дійсно при простому зіткненні двох металів один з них здобуває позитивний заряд, а інший негативний. Таким чином, Вольта відкрив так звану контактну різницю потенціалів. Вольта проробляв наступний досвід. На мідний диск, прикріплений до звичайного електроскопа замість кульки, він поміщав такий же диск, виготовлений з іншого металу і має рукоятку. Диски при накладенні в ряді місць приходили в зіткнення. В результаті цього між дисками з'являлася контактна різниця потенціалів (за термінологією Вольта, між дисками виникала "різниця напруг").

Для того щоб виявити "різниця напруг", що з'являється при зіткненні різних металів, яка, взагалі кажучи, мала (близько 1 В), Вольта піднімав верхній диск і тоді листочки електроскопа помітно розходилися. Це викликалося тим, що ємність конденсатора, утвореного дисками, зменшувалася, а різниця потенціалів між ними в стільки ж разів збільшувалася.

Але відкриття контактної різниці потенціалів між різними металами ще не могло пояснити дослідів Гальвані з жабами. Потрібні були додаткові припущення.

Складемо звичайну замкнуту ланцюг провідників з різних металів. Незважаючи на те що між цими металами виникає різниця потенціалів, постійного течії електрики по цінуй не виходить. Це відразу зрозуміло для простого випадку двох металів. Візьмемо, наприклад, два шматки мідної та цинкової дроту і з'єднаємо їх кінці. Тоді одна з них (цинкова) зарядиться негативним електрикою, а мідна - позитивним. Якщо тепер з'єднати і інші кінці цих дротів, то і в цьому випадку другий кінець цинкової дроту буде електризуватися негативно, а відповідний кінець мідного дроту позитивно. І постійного течії електрики в ланцюзі не вийде.

Але в досвіді Гальвані з'єднувалися не тільки метали. У ланцюг включалися і м'язи жаби, які містять і собі рідину. Ось в цьому і полягає вся справа - вирішив Вольта.

Він припустив, що всі провідники слід розбити на два класи: провідники першого роду - метали і деякі інші тверді тіла і провідники другого роду - рідини. При цьому Вольта вирішив, що різниця потенціалів виникає тільки при зіткненні провідників першого роду.

Таке припущення пояснювало досвід Гальвані. В результаті зіткнення двох різних металів порушується рівновага в них електрики. Ця рівновага відновлюється в результаті того, що метали з'єднуються через тіло жаби. Таким чином, електричне рівновагу весь час порушується і весь час відновлюється, значить, електрика весь час рухається.

Таке пояснення досвіду Гальвані невірно, але воно наштовхнуло Вольта на думку про створення джерела постійного струму - гальванічної батареї. І ось в 1800 р. Вольта побудував першу гальванічну батарею - Вольтів стовп.

Вольтів стовп складався з декількох десятків круглих срібних та цинкових пластин, покладених один на одного. Між парами пластин були прокладені картонні кружки, просочені солоною водою. Такий прилад служив джерелом безперервного електричного струму.

Цікаво, що в якості аргументу про існування безперервного електричного струму Вольта знову-таки привертав безпосередні відчуття людини. Він писав, що якщо крайні пластини замкнені через тіло людини, то спочатку, як і у випадку з лейденської банкою, людина відчуває удар і поколювання. 3атем виникає відчуття безперервного печіння, "яке не тільки не вщухає, - каже Вольта, - але робиться все сильніше і сильніше, стаючи скоро нестерпним, до тих пір, поки ланцюг не розімкнеться".

Винахід Вольтова стовпа - першого джерела постійного струму - мало величезне значення для розвитку вчення про електрику і магнетизм. Що ж до пояснення дії цього приладу Вольта, то воно, як ми бачили, було помилковим. Це невдовзі помітили деякі вчені.

Дійсно, за теорією Вольта виходило, що з гальванічним елементом під час його дії не відбувається ніяких змін. Електричний струм тече по дроту, нагріває її, може зарядити лейденську банку і т. д., але сам гальванічний елемент при цьому залишається незмінним. Але такий прилад є не чим іншим, як вічним двигуном, який, не змінюючись, виробляє зміна в оточуючих тілах, в тому числі і механічну роботу.

До кінця XVIII ст. серед учених вже широко поширилася думка про неможливість існування вічного двигуна. Тому багато хто з них відкинули теорію дії гальванічного елемента, придуману Вольта.

На противагу теорії Вольта була запропонована хімічна теорія гальванічного елемента. Незабаром після його винаходу було відмічено, що в гальванічному елементі відбуваються хімічні реакції, в які вступають метали і рідини. Правильна хімічна теорія дії гальванічного елемента витіснила теорію Вольта.

Після відкриття Вольтова стовпа вчені різних країн почали досліджувати дії електричного струму. При цьому удосконалювався і сам гальванічний елемент. Вже Вольта поряд зі "стовпом" став вживати більш зручну чашково батарею гальванічних елементів. Для дослідження дій електричного струму стали будувати батареї з усе більшим і більшим числом елементів.

Найбільш велику батарею на самому початку XIX ст. побудував російський фізик Василь Володимирович Петров (1761 - 1834) в Петербурзі. Його батарея складалася з 4200 цинкових і мідних гуртків. Гуртки вкладалися в ящик горизонтально і поділялися паперовими прокладками, просоченими нашатирем. Батарея Петрова була описана ним у його книзі "Известия про Гальвані-вольтів дослідах", що вийшла в Росії в 1803 р.

Перші кроки у вивченні електричного струму ставилися до його хімічним діям. Вже в тому ж році, в якому Вольта винайшов гальванічну батарею, було відкрито властивість електричного струму розкладати воду. Слідом за цим було вироблено розкладання електричним струмом розчинів деяких солей. У 1807 р. англійський хімік Деві шляхом електролізу розплавів їдких лугів відкрив нові елементи: калій та натрій.

Дослідження хімічної дії струму і з'ясування хімічних процесів, що відбуваються в гальванічних елементах, привело вчених до розробки теорії проходження електричного струму через електроліти.

Слідом за вивченням хімічної дії струму вчені звернулися до його тепловим і оптичним дій. Найбільш цікавим результатом цих досліджень на самому початку XIX ст. було відкриття електричної дуги Петровим.

Відкриття, зроблене Петровим, було забуто. Багато хто, особливо іноземні, вчені про нього не знали, так як книга Петрова була написана російською мовою. Тому, коли Деві в 1812 р. знову відкрив електричну дугу, його стали вважати автором цього відкриття.

Найбільш важливою подією, що призвело незабаром до нових уявленням про електричні і магнітні явища, було відкриття магнітного дії електричного струму. До викладу історії цього відкриття ми й переходимо.

Відкриття електромагнетизму

У XVIII ст. електрику і магнетизм вважалися хоча і схожими, але все ж мають різну природу явищами. Правда, були відомі деякі факти, що вказують на існування начебто зв'язку між магнетизмом і електрикою, наприклад, намагничение залізних предметів в результаті ударів блискавки. Більше того, Франкліну вдалося нібито намагнітити шматок заліза за допомогою розряду лейденської банки. Все-таки відомі факти не дозволяли впевнено стверджувати, що між електричними і магнітними явищами існує зв'язок.

Такий зв'язок вперше виявив датський фізик Ханс Крістіан Ерстед (1777 - 1851) в 1820 р. Він відкрив дію електричного струму на магнітну стрілку.

Цікава історія цього відкриття. Йдемо про зв'язок між електричними і магнітними явищами Ерстед висловив ще в першому десятилітті XIX ст. Він вважав, що в явищах природи, незважаючи на всі їх різноманіття, є єдність, що всі вони пов'язані між собою. Керуючись цією ідеєю, він поставив перед собою завдання з'ясувати на досвіді, у чому цей зв'язок виявляється.

Ерстед відкрив, що якщо над провідником, спрямованим вздовж земного меридіана, помістити магнітну стрілку, яка показує на північ, і по провіднику пропустити електричний струм, то стрілка відхиляється на певний кут.

Після того як Ерстед опублікував своє відкриття, багато фізиків зайнялися дослідженням цього нового явища. Французькі вчені Біо і Савар постаралися встановити закон дії струму на магнітну стрілку, тобто визначити, як і від чого залежить сила, що діє на магнітну стрілку, коли вона поміщена близько електричного струму. Вони встановили, що сила, яка діє на магнітний полюс (на кінець довгого магніту) з боку прямолінійного провідника зі струмом, спрямована перпендикулярно до найкоротшій відстані від полюса до провідника і модуль її назад пропорційний цього віддалі.

Познайомившись з роботою Біо і Савара, Лаплас зауважив, що для розрахунку "магнітної" сили, тобто, кажучи сучасною мовою, напруженості магнітного поля, корисно розглядати дію дуже малих відрізків провідника зі струмом на магнітний полюс. З вимірювань Біо і Савара випливало, що якщо ввести поняття елементу провідника D l, то сила DF, що діє з боку цього елемента на полюс магніту, буде пропорційна DF ~ (D l / r 2) sin a -, де D l - елемент провідника , a - кут, утворений цим елементом і прямої, проведеної з елемента D l в точку, в якій визначається сила, а r - найкоротша відстань від магнітного полюса до лінії, яка є продовженням елемента провідника.

Після того як було введено поняття сили струму і напруженості магнітного поля, цей закон стали записувати так: , Де DH - напруженість магнітного поля, I-сила струму, а k-коефіцієнт, що залежить від вибору одиниць, в яких вимірюються ці величини. У міжнародній системі одиниць СІ цей коефіцієнт дорівнює 1 / 4 p.

Новий найважливіший крок у дослідженні електромагнетизму був зроблений французьким вченим Андре Марі Ампером (1775 - 1836) в 1820 р.

Роздумуючи над відкриттям Ерстеда, Ампер прийшов до зовсім нових ідей. Він припустив, що магнітні явища викликаються взаємодією електричних струмів. Кожен магніт являє собою систему замкнутих електричних струмів, площини яких перпендикулярні осі магніту. Взаємодія магнітів, їх тяжіння і відштовхування пояснюються притяганням і відштовхуванням, існуючими між струмами. 3емной магнетизм також обумовлений електричними струмами, які протікають в земній кулі.

Ця гіпотеза вимагала, звичайно, досвідченого підтвердження. І Ампер зробив цілу серію дослідів для її обгрунтування.

Перші досліди Ампера полягали у виявленні сил, що діють між провідниками, по яких тече електричний струм. Досліди показали, що два прямолінійних провідника зі струмом, розташовані паралельно один одному, притягуються, якщо струми в них мають однаковий напрямок, і відштовхуються, якщо напрям струмів протилежно.

Ампер показав також, що виток зі струмом і спіралевидні провідник із струмом (соленоїд) ведуть себе як магніти. Два таких провідника притягуються і відштовхуються подібно до двох магнітним стрільцям.

Свої перші повідомлення про результати дослідів Ампер зробив на засіданнях Паризької академії наук восени 1820 р. Після цього він зайнявся розробкою теорії взаємодії провідників, по яких тече електричний струм.

Ампер вирішив в основу теорії взаємодії струмів покласти закон взаємодії між елементами струмів. Потрібно зазначити, що Ампер говорив вже не просто про взаємодію елементів провідників, як Біо і Савар, а про взаємодію елементів струмів, так як на той час вже виникло поняття сили струму. І це поняття ввів сам Ампер.

Дотримуючись поглядів того часу про подібність елементарних сил силам тяжіння, Ампер припустив, що сила взаємодії між елементами двох струмів буде залежати від відстані між ними і повинна бути спрямована по прямій, що з'єднує ці два елементи.

Провівши велику кількість дослідів з визначення взаємодії струмів в провідниках різної форми і по-різному розташованих один щодо одного, Ампер зрештою визначив шукану силу. Подібно силі тяжіння вона виявилася обернено пропорційною квадрату відстані між елементами електричних струмів. Але на відміну від сили тяжіння її значення залежало ще й від відносної орієнтації елементів струмів.

Формулу, яку отримав Ампер, ми приводити не будемо. Вона виявилася невірною, тому що він заздалегідь передбачив, що сила взаємодії між елементами струмів повинна бути спрямована по прямій, що з'єднує ці елементи. Насправді ж ця сила спрямована під кутом до цієї прямої.

Однак внаслідок того, що Ампер проводив досліди із замкнутими постійними струмами, він отримував при розрахунках за своєю формулою правильні результати. Виявляється, що для замкнутих провідників формула Ампера призводить до тих самих результатів, що і виправлена ​​згодом формула, що виражає силу взаємодії між елементами струмів, яка як і раніше носить назву закону Ампера.

Відкриття електромагнітної індукції

Наступним важливим кроком у розвитку електродинаміки після дослідів Ампера було відкриття явища електромагнітної індукції. Відкрив явище електромагнітної індукції англійський фізик Майкл Фарадей (1791 - 1867).

Фарадей, будучи ще молодим вченим, так само як і Ерстед, думав, що всі сили природи пов'язані між собою і, більш того, що вони здатні перетворюватися один в одного. Цікаво, що цю думку Фарадей висловлював ще до встановлення закону збереження і перетворення енергії. Фарадей знав про відкриття Ампера, про те, що він, говорячи образною мовою, перетворив електрику в магнетизм. Роздумуючи над цим відкриттям, Фарадей прийшов до думки, що якщо "електрику створює магнетизм", то і навпаки, "магнетизм повинен створювати електрику". І ось ще в 1823 р. він записав у своєму щоденнику: "Звернути магнетизм в електрику". Протягом восьми років Фарадей працював над вирішенням поставленого завдання. Довгий час його переслідували невдачі, і, нарешті, в 1831 р. він вирішив її - відкрив явище електромагнітної індукції.

По-перше, Фарадей виявив явище електромагнітної індукції для випадку, коли котушки намотані на один і той же барабан. Якщо в одній котушці виникає або зникає електричний струм в результаті підключення до неї або відключення від неї гальванічної батареї, то в іншій котушці в цей момент виникає короткочасний струм. Цей струм виявляється гальванометром, який приєднаний до другої котушці.

Потім Фарадей встановив також наявність індукційного струму в котушці, коли до неї наближається або віддаляється від неї котушку, в якій протікав електричний струм.

Нарешті, третій випадок електромагнітної індукції, який виявив Фарадей, полягав в тому, що в котушці з'являвся струм, коли в неї вносили або ж видаляли з неї магніт.

Відкриття Фарадея привернуло увагу багатьох фізиків, які також стали вивчати особливості явища електромагнітної індукції. На черзі стояло завдання встановити загальний закон електромагнітної індукції. Потрібно було з'ясувати, як і від чого залежить сила індукційного струму в провіднику або від чого залежить значення електрорушійної сили індукції у провіднику, в якому индуцируется електричний струм.

Це завдання виявилося важким. Вона була повністю вирішена Фарадеєм і Максвеллом пізніше в рамках розвиненого ними вчення про електромагнітне поле. Але її намагалися вирішити і фізики, які дотримувалися звичайної для того часу теорії дальнодействия у вченні про електричні і магнітні явища.

Дещо цим ученим вдалося зробити. При цьому їм допомогло відкрите петербурзьким академіком Емілем Христиановичем Ленцем (1804 - 1865) правило для знаходження напряму індукційного струму в різних випадках електромагнітної індукції. Ленц сформулював його так: "Якщо металевий провідник рухається поблизу від гальванічного струму або магніту, то в ньому порушується гальванічний струм такого напрямку, що якби даний провідник був нерухомим, то струм міг би зумовити його переміщення в протилежну сторону, при цьому передбачається, що спочиваючий провідник може переміщатися тільки в напрямку руху або в протилежному напрямі ".

Це правило дуже зручно для визначення напрямку індукційного струму. Їм ми користуємося і тепер, тільки воно зараз формулюється трохи інакше, з вживанням поняття електромагнітної індукції, яке Ленц не використав.

Але історично головне значення правила Ленца полягало в тому, що воно наштовхнуло на думку, яким шляхом підійти до знаходження закону електромагнітної індукції. Справа в тому, що в атом правилі встановлюється зв'язок між електромагнітної індукції і явищем взаємодії струмів. Питання ж про взаємодію струмів був вже вирішене Ампером. Тому встановлення зв'язку з цим на перших порах дало можливість визначити вираз електрорушійної сили індукції у провіднику для ряду окремих випадків.

У загальному вигляді закон електромагнітної індукції, як ми про це сказали, був встановлений Фарадеєм і Максвеллом.

Початок розвитку електротехніки

Разом з розвитком і успіхами вчення про електромагнітні явища з'являється нова галузь техніки - електротехніка.

Перш за все, виникає електричний телеграф. Перший електромагнітний телеграф був винайдений російським винахідником П. Л. шилінгів у 1832 р.

Телеграф Шіллінга складався з передавального і приймаючої пристроїв, з'єднаних кількома проводами. У приймальному апараті було шість так званих мультиплікаторів. Кожен мультиплікатор був дротяну котушку, усередині якої перебувала магнітна стрілка, підвішена на нитці. До нитки поза котушки прикріплювалася ще одна магнітна стрілка, напрямок полюсів якої було протилежним напрямку полюсів першого стрільця. Така система називається астатичній, вона вживається для того, щоб виключити дію на стрілки магнітного поля Землі. Крім цього, до кожної нитки був прикріплений гурток, сторони якого були забарвлені в чорний і білий кольори.

Коли в котушку мультиплікатора надходив електричний струм певного напрямку, то на стрілку, що знаходиться всередині котушки, діяла пара сил. Стрілка поверталася, разом з нею повертався і гурток, показуючи білу або чорну сторону. На приймальному апараті знаходилося шість мультиплікаторів, з'єднаних провідниками з передавальними апаратами.

Передавальний апарат мав відповідне число клавішою і джерело електричного струму - гальванічну батарею. При натисканні певної клавіші ток посилався по проводах у відповідний мультиплікатор, в якому стрілки і гурток поверталися в потрібному напрямку. Таким чином, здійснювалася передача сигналів. З поєднання чорних і білих гуртків була розроблена умовна абетка.

Телеграф Шіллінга вживався для практичних цілей. З його допомогою здійснювався зв'язок між Зимовим палацом і будівлею міністерства шляхів сполучення в Петербурзі.

Незабаром з'явилися і інші телеграфні апарати, що відрізняються від апарату Шінлінга. У 1837 р. американець Морзе сконструював більш зручний телеграфний апарат.

У телеграфі Морзе при замиканні ключа електричний струм надходив в обмотку електромагніту, який притягував висить маятник із закріпленим на кінці олівцем, При цьому кінець олівця стосувався паперової стрічки, безперервно пересувається за допомогою спеціального механізму в горизонтальному напрямку перпендикулярно площині хитання маятника.

3амиканіе ключа на короткий час давало на паперовій стрічці зображення точки, а на більш тривалий - тире. За допомогою комбінацій точок і тире Морзе розробив спеціальний телеграфний код - азбуку Морзе.

У 1844 р. Морзе побудував першу телеграфну лінію в Америці між Вашингтоном і Балтімора. З цього часу почалося широке застосування вершенном конструкції.

Слідом за застосуванням електрики для зв'язку винахідницька думка починає працювати над завданням використання його в якості рушійної сили.

Уже в 30-х рр.. XIX ст. з'являються винаходи різних електродвигунів. Перший електродвигун, який застосовується для практичних цілей, був винайдений в 1834 р. петербурзьким академіком Б. С. Якобі (1801 - 1874). У 1838 р. цей двигун був застосований для приведення в рух човна, який плавав по Неві зі швидкістю 2 км / ч.

Пропонувалися і інші конструкції електричних двигунів. Однак, так само як і двигун Якобі, вони були незручні для практики і не отримували широкого застосування. Тільки у другій половині XIX ст. в результаті робіт ряду вчених і винахідників з'явився електродвигун, який почав широко застосовуватися в техніці.

Одночасно з електродвигуном почалися спроби конструювання генераторів електричного струму. Перші практично придатні генератори електричного струму також з'явилися тільки в другій половині XIX ст.

3начітельную роль в справі вдосконалення генераторів зіграло застосування електрики для освітлення.

Початок застосування електрики для освітлення відноситься до 60-х рр.. минулого століття, коли дугова лампа (тобто електрична дуга) була встановлена ​​на маяках. Але застосування цих ламп зустрічало великі труднощі. Справа в тому, що дугову лампу потрібно було безупинно регулювати, тому що кінці вугільних електродів згорали, відстань між ними збільшувалася, в результаті цього ланцюг розривалася і дуга затухала.

Російський винахідник Павло Миколайович Яблочков (1847 - 1894) багато думав над удосконаленням таких дугових ламп і прийшов до нового й оригінального вирішення цієї проблеми.

Замість звичайного розташування вугільних електродів в дугового лампі, при якому відстань між ними змінювалося в міру їх згоряння, Яблочков розташував їх паралельно поряд, а між ними помістив ізолюючу прокладку, яка горіла разом з вугіллям. Ця конструкція отримала назву свічки Яблочкова. У 1876 р. Яблочков взяв патент на свій винахід, і воно швидко набуло поширення. "Російський світ" (так називали винахід Яблочкова) засяяв на вулицях, площах, у приміщеннях багатьох міст Європи, Америки і навіть Азії. "З Парижа, - писав Яблочков, - електричне освітлення поширилося по всьому світу, дійшовши до палацу шаха перського та до палацу короля Камбоджі".

З початку 80-х рр.. з'явилася лампа розжарювання. Першим винахідником лампи розжарювання був російський інженер А. Н. Лодигін (1847 - 1923). Одна з конструкцій лампи Лодигіна представляла собою скляний балон, всередині якого у вакуумі між двома мідними стержнями містився вугільний стрижень.

Вже в 1873 р. Лодигін демонстрував освітлення своїми лампами одній з вулиць Петербурга. У 1874 р. Лодигін отримав за свій винахід Ломоносовський премії Академії наук.

У 1879 р. американський винахідник Едісон створив вдалу конструкцію лампи розжарювання, і незабаром вона набула поширення в усьому світі.

Використання електрики для зв'язку, в якості рушійної сили, для освітлення стало стимулом створення електричних генераторів, винаходи трансформаторів і т. д.

Розгромна разом з цим нова область техніки - електротехніка у другій половині Х1Х ст. придбала важливе практичне значення.

Всі прискорюють розвиток електротехніки призводить до необхідності вдосконалення вимірювальної апаратури. Конструюються і безперервно удосконалюються гальванометри, амперметри, вольтметри, магазини опорів, конденсатори і т. д.

Все це, звичайно, робить сильний позитивний вплив на розвиток наукових досліджень в області електромагнетизму, і розвиток цієї галузі фізичних наук йде все більш швидкими темпами.

Розвиток оптики

Перші кроки у розвитку геометричної оптики

В оптиці, так само як і в механіці, перші кроки були зроблені вже в давнину. Тоді були відкриті два закони геометричної оптики: закон прямолінійного поширення світла і закон відбиття світла.

До пізнання цих законів стародавні прийшли, ймовірно, дуже давно. Досвід повсякденного життя: спостереження тіні, перспективи, застосування методу візування при вимірюванні земельних площ і при астрономічних спостереженнях - приводив древніх, по-перше, до поняття променя світла, а, по-друге, до поняття прямолінійного поширення світла.

Спостерігаючи потім явище відбиття світла, зокрема, в металевих дзеркалах, які добре були відомі в той час, древні прийшли до розуміння закону відбиття світла.

Зазначені два закони були описані знаменитим грецьким вченим Евклідом, що жив у III ст. до нашої ери. За допомогою цих законів Евклід пояснив цілий ряд спостережуваних явищ і, зокрема, явищ відображення світла від плоских і навіть сферичних дзеркал.

Дослідженням відображення світла плоскими та сферичними дзеркалами займався інший знаменитий учений старовини - Архімед, який жив також у III ст. до нашої ери. Він знав властивість увігнутого сферичного дзеркала збирати світлові промені у фокусі. Про це повідомляється в творах вчених давнини: Архімед знав, "чому увігнуті дзеркала, поміщені проти сонця, запалюють підкладений труть".

Архімедові навіть приписують винахід спеціальних запальних пристроїв з увігнутих дзеркал, за допомогою яких він нібито спалив ворожий флот. Це, звичайно, легенда. Але те, що Архімед знав запальне властивість увігнутого дзеркала, це факт.

Вчені давнини мали уявлення про заломлення світла і навіть намагалися встановити закон заломлення. Птолемей поставив з ​​цією метою спеціальний досвід. Він взяв диск, по якому навколо центру оберталися дві лінійки - покажчики А і В. Цей диск Птолемей наполовину занурював у воду і переміщував верхню лінійку до тих пір, поки вона не здавалася продовженням нижній, що знаходиться у воді. Вийнявши потім диск з води, він визначав кути падіння і заломлення.

Однак, хоча експеримент Птолемея і був поставлений правильно і він отримав досить гарні чисельні значення для кутів падіння і заломлення, істинного закону він встановити не зумів.

В середні віки оптика продовжувала розвиватися на Сході, а потім і в Європі. Однак будь-яких нових істотних результатів за цей тривалий період у житті людства отримано не було. Єдиним важливим досягненням за цей час був винахід в XIII в. очок. Але цей винахід істотно не вплинуло на розвиток теоретичної оптики.

Наступним найважливішим винаходом, що зіграв дуже велику роль у подальшому розвитку оптики, було створення зорової труби.

Зорова труба була винайдена не однією людиною. Можливо, що ще великий італійський художник Леонардо да Вінчі на самому початку XVI ст. користувався зоровою трубою.

Є відомості про інших учених і винахідників, які також прийшли до цього винаходу.

Однак вирішальний крок у винаході зорової труби був зроблений Галілеєм.

У 1609 р. Галілей побудував зорову трубу. Свій винахід він використовував як телескоп для спостереження небесних тіл і зробив при цьому цілий ряд найважливіших астрономічних відкриттів, які дали йому можливість виступити на захист вчення Коперника. Проте Галілей не займався теоретичними дослідженнями з оптики. Він навіть не розібраний теорію дії винайденої їм зорової труби.

Основи теорії найпростіших оптичних інструментів розробив великий німецький астроном Йоганн Кеплер (1571 - 1630). Ще в 1604 р. він написав роботу, в якій виклав основи геометричної оптики.

Він пояснив дію очі і оптичного приладу взагалі, розглядаючи кожну точку предмета як джерело розбіжних променів. Кришталик ока, дзеркало, лінза або система лінз може знову зібрати ці розбіжні промені і з розходиться пучка зробити сходиться. Причому ці промені знову зберуться в одну точку, яка буде представляти собою зображення точки предмета. Таким чином, кожній точці зображення відповідає одна й тільки одна точка предмета.

Кеплер розглядав з цієї точки зору хід променів в найпростіших оптичних приладах, в двоопуклою і двояковогнутой лінзі, поставлених один за одним. Ця система лінз представляла собою систему, застосовану Галілеєм в його зорової трубі - телескопі.

У 1611 р. Кеплер видав новий твір з оптики. У ньому вчений продовжував розвивати теорію оптичних приладів. Зокрема, він описав тут зорову трубу, відмінну від труби Галілея, яка виявилася більш вдалою. Труба Кеплера складалася з двох двоопуклою лінз. Сам Кеплер тільки описав її пристрій, але труби не побудував. Її зробили інші вчені.

Розробивши теорію побудови зображення в оптичних приладах, Кеплер ввів нові поняття: "фокус" і "оптична вісь". Ці поняття застосовуються і в даний час в оптиці.

Наступним важливим кроком у розвитку оптики було відкриття закону заломлення світла.

Кеплер ще не знав цього закону. 3акон, яким він користувався, був невірним. Однак це не завадило вченому в його дослідженнях. Справа в тому, що у всіх випадках, які Кеплер розглядав, можна було вважати, що світлові промені проходить близько до головної оптичної осі
падіння a і кута заломлення. B закон заломлення
можна записати наближено:

Закон, яким користувався Кеплер для малих кутів падіння і заломлення, приводив до правильних результатів.

3акон заломлення світла було встановлено голландським ученим Снелліусом, але він його не опублікував. Цей закон був опублікований Декартом в 1637 р. Тепер геометрична оптика, фундамент якої заклав Кеплер, могла розвиватися далі.

Розвиток поглядів на природу світла і перші відкриття в галузі фізичної оптики

Перші уявлення про те, що таке світло, відносяться також до старовини.

В давнину уявлення про природу світла були досить примітивними, фантастичними і до того ж вельми різноманітними. Однак, незважаючи на різноманітність поглядів стародавніх на природу світла, вже у той час намітилися три основні підходи до вирішення питання про природу світла. Ці три підходи в подальшому оформилися в дві конкуруючі теорії - корпускулярну і хвильову теорії світла.

Переважна більшість древніх філософів і вчених розглядало світло як якісь промені, що з'єднують світиться тіло і людське око. При цьому одні з них вважали, що промені виходять з очей людини, вони ніби обмацують розглянутий предмет. Ця точка зору мала спочатку велике число послідовників. Навіть такий видатний учений, як Квклід, дотримувався її. Формулюючи перший закон геометричної оптики, закон прямолінійного поширення світла, Евклід писав: "Випускати очима промені поширюються по прямому шляху". Такого ж погляду дотримувався Птолемей і багато інших вчених і філософи.

Однак пізніше, вже в середні століття, таке уявлення про природу світла втрачає своє значення. Все менше стає вчених, наступних цим поглядам. І до початку XVII ст. цю точку зору можна вважати вже забутою.

Інші, навпаки, вважали, що промені випускаються світиться тілом і, досягаючи людського ока, несуть на собі відбиток світиться предмета. Такої точки зору трималися атомісти Демокріт, Епікур, Лукрецій.

Остання точка зору на природу світла вже пізніше, в XVII ст., Оформилася в корпускулярну теорію світла, згідно якої світло є потік якихось часток, що випускаються світиться тілом.

Третя точка зору на природу світла була висловлена ​​Аристотелем. Він розглядав світ не як закінчення чогось від світиться предмета в око і тим більше не як якісь промені, які виходять з ока і обмацують предмет, а як розповсюджується в просторі (в середовищі) дія або рух.

Думка Арістотеля в його час мало хто поділяв. Але надалі, знову ж таки в XVII ст., Його точка зору отримала розвиток і поклала початок хвильової теорії світла.

У XVII ст. у зв'язку з розвитком оптики питання про природу світла викликає все більший і більший інтерес. При цьому відбувається утворення двох протилежних теорій світла: корпускулярної і хвильової.

Для розвитку корпускулярної теорії світла була більш сприятливий грунт. Дійсно, для геометричної оптики уявлення про те, що світло є потік особливих частинок, було цілком природним. Прямолінійне поширення світла добре пояснювалося з точки зору цієї теорії. Також добре пояснювався і закон відбиття світла. Та й закон заломлення не суперечив цій теорії.

Загальне уявлення про будову речовини також не вступало в протиріччя з корпускулярної теорії світла. В основі тодішніх уявлень про будову речовини лежала атомистика. Всі тіла складаються з атомів. Між атомами існує порожній простір. Зокрема, тоді вважали, що міжпланетний простір є порожнім. У ньому і поширюється світло від небесних тіл у вигляді потоків світлових частинок. Тому цілком природно, що в XVII ст. було багато фізиків, які дотримувалися корпускупірной теорії світла.

У XVII ст., Як ми сказали вище, починає розвиватися і уявлення про хвильову природу світла.

Родоначальником хвильової теорії світла потрібно вважати Декарта. Декарт був противником існування порожнього простору. У зв'язку з цим він не міг вважати світло потоком світлових частинок. Світ, по Декарту, це щось на зразок тиску, що передається через тонку середу від світиться тіла в усі сторони. Якщо тіло підігрітий і світиться, то це означає, що його частки знаходяться в русі і чинять тиск на частки того середовища, яке заповнює весь простір. Це середовище отримала назву ефіру. Тиск поширюється на всі боки і, доходячи до ока, викликає в ньому відчуття світла.

Така точка зору Декарта на природу світла. Потрібно тільки відзначити, що у своєму творі, присвяченому спеціально оптиці, Декарт користується і корпускулярної гіпотезою. Але це, як він сам каже, зроблено для того, щоб його міркування були більш зрозумілі. Тому неправі ті, хто на основі тільки цього твору зараховує Декарта в прихильники нової теорії світла. Вчені XVII і XVIII ст. це добре розуміли і вважали Декарта родоначальником хвильової теорії світла.

Звичайно, у Декарта немає ще уявлення про світлові хвилях. Він уявляє собі світ як розповсюджується рух, або імпульс в ефірі. Але не це важливо. Важливим є те, що Декарт розглядає світ вже не як потік часток, а як поширення тиску, або рух імпульсу і т. д.

Декарт прийшов до відмови від корпускулярної теорії світла чисто умоглядним шляхом. Ніяких досвідчених даних, які говорили б за хвильову теорію світла, тоді ще не було. Перше відкриття, яке свідчить про хвильову природу світла, було зроблено італійським вченим Франческо Грімальді (1618 - 1663). Воно було опубліковано у 1665 р. після смерті вченого.

Грімальді зауважив, що якщо на шляху вузького пучка світлових променів поставити предмет, то на екрані, поставленому ззаду, не виходить різкій тіні. Краї тіні розмиті, крім того, уздовж тіні з'являються кольорові смуги. Відкрите явище Грімальді назвав дифракцією, але пояснити його правильно не зміг. Він розумів, що спостережуване ним явище знаходиться в протиріччі з законом прямолінійного поширення світла, а разом з тим і з корпускулярної теорією. Однак він не зважився повністю відмовитися від цієї теорії.

Світ, по Грімальді, що поширюється світловий флюїд (тонка невідчутна рідина). Коли світло зустрічається з перешкодою, то воно викликає хвилі цього флюїду. Грімальді привів аналогію з хвилями, що поширюються по поверхні води. Подібно до того, як навколо каменя, кинутого у воду, утворюється хвиля, так і перешкоду, поміщене на шляху світла, викликає у світловому флюїди хвилі, які поширюються за межі геометричної тіні.

Другим важливим відкриттям, що належать до фізичної оптики, було відкриття інтерференції світла. Простий досвід з інтерференції світла спостерігав Грімальді. Досвід полягає в наступному: на шляху сонячних променів ставлять екран з двома близькими отворами (пророблену в віконниці, що закриває вікно); виходять два конуса світлових променів. Помістивши екран в тому місці, де ці конуси накладаються один на одного, помічають, що в деяких місцях освітленість екрану менше, ніж, якби його висвітлював тільки один світловий конус. З цього досвіду Грімальді зробив висновок, що додаток світла до світла не завжди збільшує освітленість.

Інший випадок інтерференції приблизно в ті ж роки досліджував англійський фізик Роберт Гук (1635 - 1703). Він вивчав кольору мильних плівок і тонких пластинок з слюди. При цьому він виявив, що ці кольори залежать від товщини мильної плівки або слюдяної пластинки.

Гук підійшов до вивчення цих явищ з правильної точки зору. Він вважав, що світло - це коливальні рухи, що поширюються в ефірі. Він навіть вважав, що ці коливання є поперечними.

Явище інтерференції світла в тонких плівках Гук пояснював тим, що від верхньої і нижньої поверхні тонкої, наприклад мильною, плівки відбувається відображення світлових хвиль, які, потрапляючи в око, виробляють відчуття різних кольорів. Однак у Гука не було правильного уявлення про те, що таке колір.

Він не пов'язував колір з частотою коливань або з довжиною хвилі, тому не зміг розробити теорію інтерференції.

Третє важливе відкриття, що відноситься до хвильової оптики, було зроблено датським вченим Бартоліном в 1669 р. Він відкрив явище подвійного променезаломлення в кристалі ісландського шпату. Бартолін виявив, що якщо дивитися на який-небудь предмет через кристал ісландського шпату, то видно не одне, а два зображення, зміщених один відносно одного. Це явище потім досліджував Гюйгенс і спробував дати йому пояснення з точки зору хвильової теорії світла.

Наступний крок у розвитку хвильової теорії світла був зроблений Гюйгенсом. Гюйгенс працював над хвильової теорії світла в 70-х рр.. XVII ст. У цей час він написав "Трактат про світло", зміст якого доповів Паризької академії наук. Однак опублікував він цей твір пізніше, в 1690 р., вже після того як стали відомі роботи Ньютона по оптиці.

Гюйгенс вважав, що все світове простір заповнений тонкої невідчутною середовищем - ефіром, який складається з дуже маленьких пружних кульок. Ефір також заповнює простір між атомами, що утворюють звичайні тіла.

Поширення світла, по Гюйгенсу, є процес передачі руху від кульки до кульки, подібно тому, як поширюється імпульс уздовж сталевих куль, що стикаються один з одним і витягнутих в одну лінію.

Висунувши таку гіпотезу про світло, Гюйгенс присвятив основну частину своєї роботи поясненню відомих законів оптики: закону прямолінійного поширення світла, законів відбиття і заломлення.

Справа в тому, що в той період від усякої теорії світла було потрібно в першу чергу пояснити ці добре знайомі всім закони оптики. Це завдання добре виконувала корпускулярна теорія світла. Але ось чи може впоратися з нею хвильова теорія?

Адже якщо світло являє собою розповсюджується рух в ефірі, то як можна пояснити закон прямолінійного поширення світла? Для звуку, наприклад, хвильова природа якого була ясна, такий закон, здавалося, не існує. Дійсно, якщо між спостерігачем і звучним тілом поставити невеликий екран, то ж все одно спостерігач буде чути звук. Але для світла це невірно. Правда, явище дифракції вже відкрито, але це дуже малий ефект і на нього можна не звертати уваги.

Для того щоб показати, що хвильова теорія здатна пояснити прямолінійне поширення світла, Гюйгенс висуває свій відомий принцип. Наведемо формулювання цього принципу, дану самим Гюйгенсом.

"З приводу процесу утворення цих хвиль слід ще зазначити, що кожна частка речовини, в якому поширюється хвиля, повинна повідомляти свій рух не тільки найближчій частці, що лежить на проведеній від світної точки прямий, але необхідно повідомляє його також і всім іншим часткам, які стосуються її і перешкоджають її руху. Таким чином, навколо кожної частки повинна утворитися хвиля, центром якої вона є ". Але кожна з цих хвиль надзвичайно слабка, і світловий ефект спостерігається тільки там, де проходить їх огинає.

Грунтуючись на цьому принципі, Гюйгенс дає відомі школярам пояснення закону прямолінійного поширення світла, законам відбиття і заломлення.

Але для визнання хвильової теорії світла цього було мало. Явища дифракції й інтерференції не були пояснені Гюйгенсом. Але головна невдача теорії Гюйгенса полягала в тому, що вона була теорією безбарвного світла. Питання про колір в ній не розглядався, а до того часу Ньютон зробив нове важливе відкриття в оптиці - він виявив дисперсію світла.

Перш ніж перейти до викладу цього відкриття, скажемо ще про один важливий крок у розвитку оптики - першому визначенні швидкості світла.

Вперше швидкість світла була визначена датським астрономом Ремер у 70-х рр.. XVII ст. До цього часу серед вчених існувало дві протилежні думки. Одні вважали, що швидкість світла нескінченно велика. Інші ж хоча і вважали її дуже великий, проте, кінцевою.

Ремер підтвердив другу думку, провівши спостереження над затемненням супутників Юпітера. Вимірявши часи їх затемнення, він зміг з отриманих даних підрахувати швидкість поширення світла. За його підрахунками, швидкість світла вийшла рівною 300870 км / с в сучасних одиницях.

Оптика Ньютона

Ще в 60-і рр.. XVII ст. Ньютон зацікавився оптикою і зробив відкриття, яке, як здавалося спочатку, говорило на користь корпускулярної теорії світла. Цим відкриттям було явище дисперсії світла і простих квітів.

Розкладання білого світла призмою в спектр було відомо дуже давно. Однак розібратися в цьому явищі до Ньютона ніхто не зміг.

Вчених, які займаються оптикою, цікавило питання про природу кольору. Найбільш поширеною була думка про те, що біле світло є простим. Кольорові ж промені виходять в результаті тих чи інших його змін. Існували різні теорії з цього питання, на яких ми зупинятися не будемо.

Вивчаючи явище розкладання білого світла в спектр, Ньютон прийшов до висновку, що біле світло є складним світлом. Він являє собою суму простих кольорових променів.

Ньютон працював з простою установкою. У віконниці вікна затемненій кімнати було зроблено маленький отвір. Через цей отвір проходив вузький пучок сонячного світла. На шляху світлового променя ставилася призма, а за призмою екран. На екрані Ньютон спостерігав спектр, тобто видовжене зображення круглого отвору, як би складеного з багатьох кольорових гуртків. При цьому найбільше відхилення мали фіолетові промені - один кінець спектру - і найменше відхилення - червоні - інший кінець спектру.

Але цей досвід ще не був переконливим доказом складності білого світу і існування простих променів. Він був добре відомий, і з нього можна було зробити висновок, що, проходячи призму, білий світ не розкладається на прості промені, а змінюється, як багато хто думав до Ньютона.

Для того щоб підтвердити висновок про те, що біле світло складається з простих кольорових променів і розкладається на них при проходженні через призму, Ньютон проводив інший досвід.

На екрані, на якому спостерігався спектр, робилося також малий отвір. Через отвір пропускали вже не білий світ, а світ, який має певне забарвлення, кажучи сучасною мовою, монохроматичний пучок світла. На шляху цього пучка Ньютон ставив нову призму, а за нею новий екран. Що буде спостерігатися на цьому екрані? Розкладе він одноколірний пучок світла в новий спектр чи ні? Досвід показаний, що цей пучок світла відхиляється призмою як одне ціле, під певним кутом. При цьому світло не змінює своєї забарвлення. Повертав першої призми, Ньютон пропускав через отвір екрана кольорові промені різних ділянок спектра. У всіх випадках вони не розкладалися другу призму, а лише відхилялися на певний кут, різний для променів різного кольору.

Після цього Ньютон прийшов до висновку, що біле світло розкладається на кольорові промені, які є простими і призмою не розкладаються. Для кожного кольору показник заломлення має своє, певне значення. Кольоровість цих променів і їх преломляемості не може змінитися "ні заломленням, ні відображенням від природних тіл, або який-небудь інший причиною", - писав Ньютон.

Це відкриття справило велике враження. У XVIII ст. французький поет Дювард писав: "Але що це? Тонка сутність цих променів не може змінюватися за своєю природою! Ніяке мистецтво не в змозі його зруйнувати, і червоний або синій промінь має своє забарвлення, перемагаючи всі зусилля ".

Таким чином, прості промені є незмінними. Вони представляють, можна сказати, атоми світла, подібно атомам речовини. Цей висновок здавався в хорошому злагоді із корпускулярної теорії світла. Дійсно, незмінні атоми світу, прості промені, є потоком і однорідних частинок, які, потрапляючи в наш очей, викликають відчуття певного кольору. Суміш ж різнорідних світлових частинок є білим світлом. При проходженні через призму білий світ розкладається. Призма сортує світлові частинки, відхиляючи їх на різний кут відповідно до їх кольоровістю.

Відкриття дисперсії було розцінено Ньютоном і більшістю його сучасників і послідовників як факт, який підтверджує корпускулярну теорію світла.

З точки зору хвильової теорії важко було пояснити відкриття Ньютона, бо теорії поширення хвиль ще не було. Розуміння того, що колір визначається періодом світлової хвилі, прийшло значно пізніше. Але навіть якби хтось і здогадався про це, то все одно нелегко було уявити собі, чому при відображенні і ламанні період залишається незмінним.

Таким чином, з точки зору хвильової теорії зрозуміти відкриття Ньютона у той час було майже неможливо. І не випадково Гюйгенс у своїй роботі, про яку ми говорили вище, зовсім обійшов питання про дисперсії світла, хоча в 1690 р., коли була опублікована його книга, він вже знав про роботи Ньютона по оптиці.

Отже, Ньютон став на точку зору корпускулярної теорії світла, на основі якої було легко зрозуміти відкрите їм явище дисперсії світла. Але ж, запитаєте ви, до цього часу були вже відомі явища з області хвильової оптики - інтерференція і дифракція. 3анімаясь дослідженнями з оптики, Ньютон не міг пройти повз них і повинен був зіткнутися із завданням пояснення цих явищ на основі нової теорії.

І дійсно, Ньютон не забув про ці явища і спробував дати їм пояснення. Що стосується явища дифракції, то він більш-менш легко, як здавалося, впорався із зазначеною завданням. Коли світло проходить повз екрана, то між частинками, з яких складається екран, і світловими променями (атомами світла) діють сили тяжіння. Внаслідок цього промені заходять в область геометричної тіні.

Наведене пояснення було, звичайно, невірним. Але в той час, коли явище дифракції було ще недостатньо вивчено, таке пояснення здавалося переконливим.

Важче було з поясненням явища інтерференції. Його вже почали вивчати. І сам Ньютон зробив важливий крок у дослідженні інтерференції світла в тонких плівках.

Вчений зібрав спеціальну установку для вивчення цього явища. Він взяв лінзу, поклав її на скляну пластинку і спостерігав темні і світлі кільця, які видно при висвітленні лінзи і пластинки монохроматичним світлом. Це так звані кільця Ньютона.

Як можна пояснити появу етик кілець з точки зору нової теорії світла? Падаючи зверху на лінзу, світлові промені на певних відстанях від центру або відображаються, або заломлюються і проходять через установку. В результаті чого ми бачимо систему світлих і темних кілець.

Але чому ж на одних відстанях від центру лінзи світло відбивається, а на інших заломлюється? На це питання Ньютон відповів, що в одних місцях світлові промені (світлові частинки) відчувають "напади легкого відображення", а в інших - "напади легкого заломлення". Але чому це відбувається, вчений не міг сказати.

Пояснення кільцям Ньютона було дано на початку XIX ст. на основі хвильової теорії світла англійським вченим Юнгом. Але про це ми скажемо пізніше. Після Ньютона корпускулярна теорії світла стає загальновизнаною. Протягом всього XVIII ст. її дотримувалися майже всі фізики.

Розвиток хвильової теорії світла

Відродження хвильової теорії світла

Як ми сказали вище, після робіт Ньютона серед вчених трималося тверде переконання в справедливості нової теорії світла. Проте все ж і в XVIII ст. були вчені, які заперечували проти цієї теорії. З великих учених можна назвати російських академіків М. В. Ломоносова та Л. Ейлера.

Ломоносов вважав, що світло - це розповсюджується коливальний рух частинок ефіру, тобто невідчутною середовища, що заповнює весь світовий простір і пронизує пори вагомих тел.

Проти нової теорії світла, за Ломоносову, говорить та обставина, що світлові промені, проходячи через прозоре тіло з різних сторін, не заважають один одному. Навколо алмаза, пише Ломоносов, можна поставити тисячі свічок, так що тисячі пучків світла будуть перетинати один одного і при цьому жоден промінь не буде заважати іншому. Цей факт суперечить уявленню про те, що світло - це потік світлових частинок, але він не суперечить хвильової теорії світла. Подібно хвилям на воді, які проходять через одну і ту ж точку не змінюючись, світлові хвилі проходять через прозорі тіла, не заважаючи один одному.

З викладеного видно, що Ломоносов вже підходив до розуміння явища інтерференції.

Ейлер, так само як і Ломоносов, висловлювався проти корпускулярної теорії світла. Він уже чітко уявляв світло як хвилі, що поширюються в ефірі. При цьому Ейлер вперше висловив ідею про те, що колір визначається частотою коливань в світловий хвилі.

Проте ні Ломоносов, ні Ейлер не змогли залучити вчених на бік хвильової теорії світла.

В кінці XVIII ст. оптичними дослідженнями зайнявся англійський учений Томас Юнг (1773 - 1829). Він прийшов до важливої ​​ідеї, що кільця Ньютона дуже просто можна пояснити з точки зору хвильової теорії світла, спираючись на принцип інтерференції. 0н ж вперше і ввів назву "інтерференція" (від латинських слів inter - взаємно і ferio - ударяю).

Досить імовірно, що інтерференцію Юнг відкрив, спостерігаючи це явище для водяних хвиль. У всякому разі, описуючи це явище, він розглядав інтерференцію водяних хвиль. Він писав: "Уявімо собі, що деяка кількість однакових водяних хвиль рухається по поверхні гладкого озера з деякою постійною швидкістю і потрапляє у вузький канал, що виходить з озера. Уявімо собі також, що під дією іншої причини утворився такий же ряд хвиль, який, як і перший, доходить до цього каналу з тією ж швидкістю. Жоден з цих рядів хвиль не зруйнує іншого, а їх дії з'єднаються. Якщо вони вступають в канал так, що гребені одного ряду збігаються з гребенями іншого, то утворюється ряд хвиль зі збільшеними гребенями. Але якщо гребені одного ряду будуть відповідати западин іншого, то вони в точності заповнять ці западини і поверхня води залишиться гладкою. Я вважаю, що подібні ефекти мають місце кожного разу, коли подібним чином змішуються дві частини світу. Це явище я називаю законом інтерференції світла ".

Юнг, використовуючи явище інтерференції, пояснив появу кілець Ньютона. Ці кільця у відбитому світлі виникають в результаті інтерференції двох променів світла, відбитих від верхньої і нижньої поверхонь повітряного прошарку, утвореної лінзою і скляною пластинкою. Від товщини цього прошарку залежатиме різниця ходу між зазначеними променями. Зокрема, вони можуть посилювати чи гасити один одного. У першому випадку ми бачимо світле кільце, у другому - темне.

Якщо світло, що висвітлює установку, білий, то будуть спостерігатися кольорові кільця. За розташуванням кілець для різних квітів можна підрахувати довжину хвилі відповідних кольорових променів. Юнг проробив цей розрахунок і визначив довжину хвилі для різних ділянок спектра. Цікаво, що при цьому він використовував дані Ньютона, які були досить точними.

Юнг пояснив і інші випадки інтерференції в тонких пластинках, а також виконав спеціальний досвід з інтерференції світла. Цей досвід, який, як ми говорили, проводив ще Грімальді, відомий під назвою досвіду Юнга.

У даному досвіді спостерігається не тільки явище інтерференції, а й явище дифракції світла. Якщо закрити один отвір пальцем, то на екрані видно дифракційні кільця, утворені в результаті проходження світла через малий отвір.

Результати своїх досліджень з оптики Юнг доповів на вченій засіданні Лондонського королівського товариства, а також опублікував їх на початку XIX ст. Але, незважаючи на переконливість робіт Юнга, ніхто не хотів їх визнавати. Адже визнати правоту висновків Юнга означало відмовитися від звичних поглядів і, крім того, виступити проти авторитету Ньютона. На це поки що ніхто, крім самого Юнга, не наважувався.

На роботи Юнга не звернули уваги, а в пресі навіть з'явилася стаття, що містить грубі нападки на нього. Корпускулярна теорія світла і раніше здавалася непохитною.

Дослідження Френеля з інтерференції і дифракції світла

Французький інженер, що став згодом знаменитим фізиком, Огюстен Френепь (1788 - 1827) почав займатися вивченням явищ інтерференції і дифракції з 1814 р. Він не знав про роботи Юнга, але подібно до нього побачив у цих явищах доказ хвильової теорії світла.

У 1817 р. Академія наук Франції оголосила конкурс на кращу роботу по дифракції світла. Френель вирішив брати участь у цьому конкурсі. Він написав роботу, в якій виклав результати своїх досліджень, і направив її до Академії наук в 1818 р. У цій роботі Френель виклав ряд випадків інтерференції світла, які він досліджував. Зокрема, він описав досвід з інтерференції світла при проходженні через дві з'єднані разом призми, так звана бипризмой Френеля.

Досвід Френеля ясно показує випадок інтерференції від двох джерел світла. За допомогою цього досвіду Френель підрахував довжину хвилі для червоного світла. При цьому вона вийшла рівною довжині хвилі для червоного світла, визначеної з інших дослідів.

Основну ж увагу у своїй роботі Френель приділив дослідам по дифракції світла, для якої розробив спеціальну теорію. Ця теорія грунтувалася на вдосконаленому принципі Гюйгенса, який в подальшому став називатися принципом Гюйгенса - Френеля.

За Гюйгенсу, як ми бачили вище, хвильову поверхню в даний момент часу t можна розглядати як огибающую всіх сферичних хвиль, джерелами яких є всі точки хвильової поверхні в більш ранній, попередній момент часу t0.

За Френелю, значення амплітуди світлової хвилі в будь-якій точці простору в момент часу t можна розглядати як результат інтерференції всіх сферичних хвиль, джерелами яких є всі точки хвильової поверхні в більш ранній, попередній момент часу t0.

Френель, використовуючи цей принцип, досліджував різні випадки дифракції і розрахував розташування смуг для цих випадків.

Так, він розглянув проходження світла через маленький отвір і визначив, яка картина повинна бути видна на екрані, поставленому за цим отвором. За його розрахунками, виходило, що на екрані буде видно темні і світлі кільця, якщо світло монохроматичне. При цьому Френель обчислив радіуси цих кілець в залежності від розмірів отвору, від відстані джерела світла до отвору і відстані отвори до екрана, на якому спостерігається дифракційна картина.

Френель описав і інші випадки дифракції світла від різних екранів і розрахував розташування дифракційних смуг, виходячи з хвильової теорії. При цьому всі розрахунки Френеля збігалися з результатами, які спостерігаються на досвіді.

Роботи, представлені на конкурс, розглядала спеціальна комісія Академії наук. У її складі були найбільші вчені того часу: Араго, Пуассон, Біо, Гей-Люссак. Всі вони трималися ньютоновских поглядів на природу світла. Природно, що вони недовірливо поставилися до роботи Френеля. Однак збіг розрахунків Френеля з досвідченими даними було настільки хорошим, що комісія не могла відкинути роботу Френеля і була змушена присудити йому премію.

При цьому стався цікавий випадок. Розглядаючи розрахунки Френеля, член комісії Пуассон помітив, що вони призводять до парадоксального результату: згідно Френелю виходило, що в центрі тіні від круглого екрану має бути світла пляма. Однак цього досі ніхто не спостерігав. З теорії Френеля випливало, що це світла пляма буде помітно тільки в тому випадку, якщо радіус круглого екрану буде малим. Пройдений досвід підтвердив передбачення теорії Френеля, що справило велике враження на членів комісії.

Отже, комісія Академії наук присудила премію Френелю за його роботу з оптики. Однак це зовсім не означає, що хвильова теорія була визнана правильною. Премія вченому була дана за метод розрахунку. Що ж стосувалося самих уявлень, на основі яких був зроблений розрахунок, тобто уявлень про хвильову природу світла, то академіки, що розглядають роботу Френеля, не погодилися з ним.

Вони міркували приблизно так: фізичні основи теорії можуть бути невірні, а результати розрахунку правильні. Такі випадки історія знала. Наприклад, користуючись теорією Птолемея про будову Всесвіту, можна вести розрахунки і отримувати правильні результати положень небесних світил на небі, однак по суті вона невірна.

Потрібно сказати на захист академіків, що, незважаючи на блискучі результати, отримані Френелем, в його теорії був певний недолік. Справа в тому, що, крім інтерференції і дифракції, фізики вже досліджували поляризацію світла. Але теорія Френеля питань поляризації світла не стосувалася. Більше того, здавалося, що вона не в змозі їх пояснити.

Боротьба за визнання хвильової теорії світла

Френель не випадково в перших своїх роботах обійшов питання про поляризацію світла. Адже, розглядаючи світлові хвилі як хвилі в ефірі, Френель вважав їх поздовжніми. Ефір - це дуже тонка матерія, він подібний дуже розрідженого повітря. А в повітрі, як уже всі знали, можуть поширюватися тільки поздовжні хвилі, наприклад звукові, тобто згущення і розрідження повітряного середовища. У звукових хвилях нічого подібного явища поляризації не спостерігається.

Якби, звичайно, поляризація світла не була ще відома, то питання про хвильову природу світла вирішити було б простіше. Але явище поляризації світла було відкрито.

Датський фізик Бартолін ще в XVII ст. досліджував явище подвійного променезаломлення. Він спостерігав, що якщо на кристал ісландського шпату падає промінь світла, то він при ламанні роздвоюється. Якщо дивитися на точкове джерело світла через цей кристал, то можна побачити не один, а два таких джерела. Це явище залежить від орієнтації кристала щодо променя.

У кристалі є напрям, за яким роздвоювання променя не відбувається. Цей напрямок називається оптичною віссю кристала.

Явищем подвійного променезаломлення на початку XIX ст. зацікавився французький інженер Малюс. Досліджуючи це явище, він виявив, що якщо дивитися через кристал ісландського шпату на зображення Сонця у склі, то при одних положеннях цього кристала видно два сонця, а при певному положенні скла і кристала одне із зображень пропадає, навіть якщо світлові промені направлені не вздовж оптичної осі.

Малюс був прихильником нової теорії світла і з точки зору цієї теорії спробував пояснити спостережуване явище.

Він міркував так: світлові частинки не є кульками. Вони подібно магнітів мають полюси. У звичайному світі ці частки летять, будучи орієнтовані в просторі хаотично. При відображенні ж від скла або води вони як би сортуються. Одні, у яких полюси орієнтовані певним чином, заломлюються, а інші, які орієнтуються інакше, відбиваються. При певному куті падіння ця сортування буде найбільш повною. І в цьому випадку відбиті світлові частинки будуть орієнтовані всі в одному напрямку. У цьому випадку відбите світло буде повністю поляризований. Малюс і назвав це явище поляризацією. Слово "поляризація" він придумав виходячи з ідеї про те, що частки світла мають полюси.

Після відкриття Малюса стали посилено вивчати явище поляризації світла. Був з'ясований цілий ряд властивостей поляризованого світла. Проте вчені все-таки намагалися пояснити це явище з точки зору нової теорії.

Склалося таке становище, коли Юнг і Френель прекрасно пояснили явище інтерференції і дифракції, користуючись уявленнями про хвильову природу світла, але не могли пояснити поляризацію світла.

Роздумуючи над явищами поляризації та подвійного променя заломлення, Юнг і Френель прийшли до переконання про необхідність вважати світлові хвилі не поздовжніми, а поперечними. За допомогою цієї гіпотези Френель досліджував зазначені явища і розробив теорію проходження поперечних хвиль через двоякопреломляющіе тіло. Але все ж гіпотеза про поперечности світлових хвиль викликала багато заперечень.

Дійсно, вже було відомо, що поперечні хвилі можуть існувати і розповсюджуватися тільки в твердих тілах. Тому ефір потрібно було розглядати як тверде тіло. Але ефір адже дуже "тонка середовище", набагато більш "тонка", ніж повітря. Він не робить ніякого опору руху в ньому тел. Планети, наприклад, рухаються в ефірі, не відчуваючи ніякого опору. Як же можна вважати ефір твердим тілом?

Більше того, всяке тіло має пружністю по відношенню до стиснення. А це означає, що в ньому можуть розповсюджуватися хвилі стиснення і розрідження, тобто поздовжні хвилі. Отже, у кожному твердому тілі можуть виникати і поздовжні і поперечні хвилі. Якщо тільки визнати, що тіло є абсолютно нестискуваних або абсолютно твердим, то в ньому мають бути відсутні поздовжні хвилі. Отже, ефір потрібно було б розглядати не тільки як тверде тіло, але і як абсолютно тверде тіло. Такий ефір, звичайно, уявити собі було важко.

Однак поступово, незважаючи на всі труднощі, що стояли перед гіпотезою про поперечности світлових хвиль, хвильова теорія світла почала перемагати і витісняти корпускулярну теорію світла.

Нові дослідження інтерференції і дифракції світла, зокрема винахід дифракційної решітки, все більше і більше підтверджували цю теорію. Все більше вчених переходить на бік хвильової теорії світла. Можна вважати, що до 40-х рр.. XIX ст. хвильова теорія світла стає загальновизнаною.

Що ж до теорії ефіру, то над побудовою її билися багато вчених. Але ніхто з них не міг отримати задовільних результатів, ніхто не міг скласти задовільного уявлення про такому середовищі, в якій можуть існувати тільки поперечні хвилі, що мають властивості світлових хвиль.

У 1864 р. Максвелл висловив гіпотезу про електромагнітну природу світла. Через майже двадцять років Герц підтвердив її на досвіді. Після цього перед фізиками встала проблема побудувати теорію ефіру, яка давала б пояснення електричним і магнітним явищам, а значить і оптичним.

Учені довго працювали і над цією проблемою, пропонуючи різні моделі цієї гіпотетичної середовища. Було створено багато теорій, але жодну з них не визнали задовільною. Ефір вислизав від спроб фізиків побудувати його теорію.

З'явилося навіть думка про неможливість побудови такої теорії. Так справа тривало до виникнення теорії відносності, яка покінчила з ефіром і привела до нових уявленням про сутність електромагнітних, а разом з цим і оптичних явищ.