О пионерских экспериментальных исследованиях токов проводимости. (стр. 2 )

Источник электричества внутри рыбы был установлен в буквальном смысле слова наощупь – касаясь пальцами и ладонями различных участков тела рыбы до тех пор, пока не будет выявлено такое положение, при котором ощущение удара максимально. То, что Уолш назвал электрическими органами, представляло собой особую структуру, напоминающую пчелиные соты и состоящую из множества параллельных столбцов, каждый из которых был разделен на множество ячеек. По заключению Уолша эта структура должна была выполнять роль батареи Лейденских банок. Но, чтобы накопить заряд между обкладками Лейденской банки должен быть изолятор. Может ли существовать изолятор внутри мокрой насквозь рыбы? Проводит ли электрический орган одного ската электрический разряд другого ската? Эти вопросы также подверглись экспериментальной проверке. Но из факта, что один скат проводит разряд другого ската, не следовало, означает ли это, что электрический орган не содержит изолирующих промежутков. А с другой стороны, если в замкнутой цепи, проводящей электрические разряды, в качестве одного из участков используется тонкая металлическая фольга, то любой разрез, даже сделанный самым тонким кончиком ножа, полностью прекращал передачу разрядов.

Как в любом классическом детективе в конце следователь собирает причастных и рисует перед ними полную картину событий, объясняя смысл каждого мелкого факта. Королевское научное общество Великобритании сочло убедительным положительный ответ Уолша на главный вопрос: «Является ли действие скатов Торпедо электрическим?» и в 1774 г. Уолшу была вручена престижная медаль Копли.  Кстати, первая медаль Копли была присуждена в 1731 г. за электрические эксперименты Стефена Грэя, в которых было показано, что электричество передается по мокрым веревкам и металлическим проводникам. А за 20 лет до Уолша такая же медаль была вручена Бенджамину Франклину за его электрические работы, в которых было показано, что разряд молнии имеет ту же природу, что и разряд лейденской банки. 

Но, признавая электрическую природу разряда ската, надо было ответить на первоначальные вопросы физиков: «Почему электричество скатов так не похоже на электричество лейденских банок?». За ответы на эти вопросы, следовавшие из экспериментов и размышлений Джона Уолша, берется легендарный сэр Генри Кавендиш.

ЭКСПЕРИМЕНТЫ ГЕНРИ КАВЕНДИША С МОДЕЛЬЮ СКАТА TORPEDO

Про Генри Кавендиша, который сделал множество научных открытий в области химии и физики, в частности, первым «взвесил Землю», т. е. измерил гравитационную постоянную в законе всемирного тяготения, принято со вздохом сожаления указывать, что большинство его работ остались неопубликованными. Чаще всего при этом упоминают закон Кулона, который мог бы носить имя Кавендиша. Распространено мнение, что только публикация Джеймсом Клерком Максвеллом неопубликованных работ Кавендиша [8] сделала известными его идеи. Но к этому времени они якобы уже утратили новизну и были переоткрыты другими авторами в ходе естественного развития науки. На самом деле 17 публикаций в самом популярном научном журнале того времени - «Трудах королевского общества» - мягко говоря, не мало. Плюс регулярное личное участие Кавендиша в работе общества.  Так что многие идеи Кавендиша были известны его современникам и оказали свое влияние на эволюцию научной системы взглядов. Это несомненно относится и к идеям, изложенным в опубликованной в 1775 г. статье Кавендиша «An Account of some Attempts to imitiate the Effects of the Torpedo by Electricity» («Отчет о попытках имитации воздействий Torpedo с помощью электричества») [7]. С этой публикации Кавендиша можно было бы отсчитывать историю изучения текущего электричества, т. е. историю электродинамики. Уместно спросить – почему с Кавендиша, а не с Уолша? Можно, конечно, и с Уолша, тем более, что ряд основных идей был высказан им, но формально работа Уолша по её цели – это ихтиология, а работа Кавендиша – это физика. Поэтому оставим историкам разбираться, какая из идей, названных ниже, была до этого высказана Уолшем, а какая Бенджамином Франклином. Важно, что это опубликовано еще до изобретения «вольтаического аппарата», до Эрстеда, до Ампера, до Фарадея. 

Статья Кавендиша начинается словами [7, P:196]: «Хотя доказательства Mr. Уолша, что воздействие Torpedo вызывается электричеством таковы, что оставляют мало места сомнениям, пока следует сознаться, что имеются некоторые обстоятельства, которые на первый взгляд кажутся с трудом согласовываются с такой гипотезой. Я предлагаю поэтому исследовать действительно ли эти обстоятельства реально несовместимы с таким взглядом и дать отчет о некоторых попытках имитировать действия этих животных электричеством»

Одна из первых рассматриваемых проблем [7, P:197]: «Почему ток течет через тело человека, когда ему гораздо проще течь через морскую воду?». «Чтобы объяснить это следует предположить, что когда источник разряда заряжен и есть несколько различных путей между его положительным и отрицательным полюсами, какое-то количество электричества будет обязательно проходить вдоль каждого из путей; однако большее количество будет протекать по тому пути, на котором оно встретит меньшее сопротивление, чем по тому, на котором встретит большее».  Указывается, что мнение многих физиков, что ток выбирает лишь самые прямые и легкие пути – ошибочно.  Это можно показать экспериментами по шунтированию воздействия разряда лейденской банки на человека с помощью различных параллельных путей, например удерживаемых в руках длинных и тонких металлических проволок. Для оценки шунтирования необходимы данные об электропроводности различных веществ. Кавендиш указывает, что сопротивление железа в 400 миллионов раз меньше сопротивления дистиллированной воды, а сопротивление морской воды в 100 раз меньше сопротивления дистиллированной воды. Если сравнить эти цифры с современными данными, то легко видеть, что они занижены – разница между электропроводностью железа и электропроводностью дистиллированной воды не 8, а 11 порядков, между морской и дождевой – не 2, а 4 порядка. Однако для качественного объяснения получаемых эффектов эти цифры вполне пригодны. Более того, поразительно как вообще эти результаты могли быть получены экспериментально задолго до изобретения амперметров  и формулировки закона Ома (Ампер родился через 2 дня после даты публикации этой статьи, а Ом на 14 лет позже). Кавендиш объясняет свою методику расчета шунтирующих влияний и предлагает конструкцию делителя электричества:

Рис.1. Приспособление Кавендиша для ослабления воздействия электричества.

Его современное обозначение выглядит привычно для любого инженера:

Рис.2. Резистивный делитель напряжения.

Что касается заниженных значений, то, скорее всего, причиной ошибки стала  поляризация электродов – явление, обнаруженное много позже изобретения вольтова столба.

Идея, что ток течет по всем доступным путям, применима и к скату [7, P:199]: «По тому же принципу, если скат помещен в воду, электрический флюид будет протекать во всех направлениях и даже на большие расстояния от тела ската, как это показано на рис.1 [см. здесь рис.3], где сплошные линии означают сечение тела ската, а пунктирные – направления электрической жидкости». Эти пунктирные линии, которые позже будут названы Фарадеевыми, привели Кирхгофа к его знаменитым правилам расчетов электрических цепей, а Максвелла к его знаменитым уравнениям.

Рис.3. Иллюстрация Кавендиша линий тока при разряде ската Torpedo.

Следующий принципиальный вопрос: какой из источников электричества «сильнее» - скат или лейденская банка, заряженная от электрофорной машины?  От лейденской банки мы наблюдаем длинные искры, её разряд воздействует на сотни людей, образовавших цепь. Разряд ската не проходит даже через самый тонкий разрыв цепи. В то же время скат может вызвать ощущение очень сильного разряда, причем в ситуации, когда очевидно, что через тело человека протекает лишь малая часть тока, а основной ток течет через морскую воду.

Для объяснения результатов экспериментов Кавендиш пользуется двумя терминами:

1. Степень электризации (the degree of electrification) – то, что сейчас называют напряжением (tension или в честь Вольты voltage) и обозначают буквой U.

2. количество электричества (the quantity of electricity ) – то, что сейчас называют зарядом и обозначают буквой Q

Чем отличаются лейденские банки и их воздействие друг от друга? Кавендиш демонстрирует в эксперименте, что длина искры не зависит ни от величины поверхности лейденской банки, ни от их числа при соединении в батарею, а только от силы, с которой они заряжены [напряжения].  А вот сила шока, ощущаемого экспериментатором,  тем больше, чем больше банка или чем больше их число, если все они заряжены до той же силы [напряжения]  – «сила шока определяется количеством протекшего электричества». [7, P:201]. Попутно демонстрируется, что при соединении в параллель 4-х банок, заряженных до одинаковой величины, сохраняется напряжение и они создают искру той же длины, что и одиночная банка. А при соединении двух заряженных банок и двух незаряженных – сохраняется суммарный заряд, но, поскольку число банок возросло, то напряжение, в случае, если все банки одинаковы, становится вдвое меньше, что легко проверить по величине искрового промежутка. Понятие «емкость» впрямую как отдельный термин не вводится, но, фактически, речь идет именно о соотношении U = Q/C. Более того, указывается, что при одинаковом напряжении количество электричества прямо пропорционально площади обкладок и обратно пропорционально толщине стекла. От формы обкладок и соотношения их линейных размеров оно не зависит. Сегодня мы бы описали это формулой С = еS/d.

Кавендиш согласен с Уолшем, что электрические органы скатов можно представить как батареи лейденских банок. Емкость электрических органов гораздо выше, чем емкость лейденских банок, используемых в экспериментах. Насколько выше? Как и в чем измерить неизвестную емкость батареи лейденских банок подручными средствами XVIII века?