О пионерских экспериментальных исследованиях токов проводимости. (стр. 1 )

УДК: 537.8

О пионерских экспериментальных исследованиях токов проводимости.

About early studies of conducting currents.

Olshanskiy V. M.

Экспериментальные исследования Генри Кавендиша, выполненные на электрических скатах, принципиально изменили представления физиков о специфике электрических явлений в проводящих средах. В публикации 1776 г. «Отчет о попытках имитации электрического воздействия ската Torpedo»  Кавендиш впервые описал законы убывания электрического поля в воде, предложил идею использования картин линий тока, описал связь заряда конденсатора с его емкостью и напряжением, возникающим на обкладках, предложил процедуру количественного измерения емкости и процедуру сравнения сопротивлений проводников. Результаты некоторых из описанных Кавендишем экспериментов мы могли бы объяснить сегодня иначе. Это касается в первую очередь сопоставления двух вариантов моделей электрического ската – деревянной и кожаной, требующих учета эффектов, возникающих на границах твердых материалов и электролитов. Продолжение исследований Кавендиша на электрических угрях привели Вольту к созданию Вольтова столба, а Фарадея к окончательному решению вопроса о природе источника мощности в гальваническом элементе. Переход в физике от механических Ньютоновых сил к «живым» силам, т. е. к энергиям, сопровождался экспериментами с живыми объектами. С экспериментов Кавендиша, Вольты и Фарадея, связанных с электрическими рыбами, следовало бы отсчитывать историю электродинамики. Однако, эти работы остаются малоизвестными отечественным специалистам. Восстановление внимания к биологическим основам естественных наук представляется необходимым.

Ключевые слова: Электродинамика, проводящие среды, линии тока, напряжение, заряд, емкость, электропроводность,  электрические рыбы, история физики, Генри Кавендиш, А. Вольта, М. Фарадей

Experimental studies of Henry Cavendish made on the electrical rays Torpedo dramatically changed the views of the scientists about electric phenomena in conducting media. In his publication in 1775 “An account of some attempts to imitate the effects of the Torpedo by electricity.’ he was first who described the laws of decreasing electric field in the water, proposed the idea of currents lines. He was also first who described the relationship between capacity, voltage and charge. He suggested capacity measurement methodology and procedure for and the comparison of resistance of conductors. The results of some Cavendish’ experiments we could explain today otherwise. This applies primarily to comparing of  two variants electric ray models - wooden and leather requiring accounting effects arising at the boundaries of solid materials and electrolytes. Volta who continued the Cavendish research had created a voltaic pile – first artificial current source. Then experiments with an electric eel were continued by Faraday. After them approach to the physical analysis was cardinally changed - physics moved to the analysis of "live" forces or energies instead of Newtonian mechanical forces. So the electrodynamics history should begin with Cavendish, Voltas and Faraday experiments on electric fish. However, these works are still little known domestic experts. Restoration of attention to biological fundamentals of natural sciences is obviously necessary.

Key words: electrodynamics, conducting media, currents lines, voltage, charge, capacity, conductivity, electric fish, physics, Henry Cavendish, A. Volta, M. Faradey.

ВВЕДЕНИЕ: ПЕРВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЫБАХ

Знание истории своей науки, проблем, приведших к её возникновению, пионерских идей и экспериментов очевидно полезно как для тех, кто только изучает её основания, так и для специалистов, регулярно возвращающихся к осознанию базовых идей. Между тем, история становления электродинамики представляется фрагментарной, переписанной задним числом. Более всего это относится к биологическим истокам её происхождения и к тем выводам, которые были сделаны на основе физиологических экспериментов, т. е. к работам Кавендиша, Гальвани, Вольты, Фарадея.

Согласно учебникам по электродинамике складывается впечатление, что электродинамика возникла внезапно в 1820 году, когда опубликовал «Опыты, относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку» [1]. В том же 1820 году опыты Эрстеда повторяет  Андре-Мари Ампер и к 1826 году публикует «Теорию электродинамических явлений, выведенных исключительно из опыта» [2]. С этого времени развитие электродинамики идет очень бурно с активным участием известных ученых Старого и Нового Света.

Однако, опыт Эрстеда настолько прост, что трудно избежать мысли о случайном везении. Любой человек мог первым обнаружить, что при включении тока магнитная стрелка отклоняется. При условии – у него должны были быть магнитная стрелка и источник тока.  Магнитная стрелка была известна в Европе по крайней мере с XII-XIII веков, в Китае сильно раньше. А вот источник тока – вольтаический аппарат – появился только в 1801 году. Но его изобретению предшествовали исследования другого нерукотворного источника электрического тока – электрических органов электрических рыб.

Благодаря замечательному историку науки итальянскому нейрофизиологу Марко Пикколино мы можем точно назвать, кто и когда первым написал слова «электрические органы» [3-5]. Это был английский естествоиспытатель Джон Уолш, выполнивший в 1772 году серию исследований механизма воздействий разрядов скатов Torpedo на людей и животных. До этих исследований предполагалось, что оцепеняющее действие ската связано либо с силами ада и концентрированным злом, либо с быстрым, не фиксируемым зрением механическим ударом.  Однако в 1745-1746 году была изобретена Лейденская банка – конденсатор из тонкого стекла, обклеенный изнутри и снаружи металлической фольгой и заряжаемый от электрофорной машины. И появилось новое развлечение – пропустить через собственное или чужое тело электрический разряд, наблюдая за возникающими при этом ощущениями. Особенно забавно было составлять цепочки из взявшихся за руки людей, например сотен  гвардейцев, и вызывать их одновременное подпрыгивание. В эти же годы шло освоение Америки. Одним из чудес, обнаруженных на этом континенте, был Суринамский угорь или Гимнот, обладающий той же способностью, что и скат Торпедо, но в еще большей степени.  Уже в 1757 г. французский натуралист Мишель Адамсон отметил сходство ощущений, возникающих при воздействии суринамского угря и лейденской банки, а также возможность передачи этих воздействий через металлические стержни. Далее электрическую гипотезу воздействия угря поддержал английский ученый Эдвард Банкрофт, отметивший, что не делает аналогичное заключение в отношении  скатов Торпедо, поскольку не имеет возможностей их исследований [3]. 

За  проверку гипотезы об электрическом характере воздействия скатов Торпедо взялся Джон Уолш. Исследования Джона Уолша и последовавшие за ними исследования Кавендиша, Вольты, Гальвани и Фарадея очень хорошо характеризуются словами Луиджи Гальвани в предисловии к его «Трактату о животном электричестве» [6, C.81]: “Тогда я зажегся невероятным усердием и страстным желанием исследовать это явление и вынести на свет то, что было в нем скрытого”. Этот дух невероятного усердия и энтузиазма испытателей природы эпохи Просвещения передан в статье М. Пикколино «Укрощение ската» [4].  Дневник экспериментов Уолша напоминает детектив, в котором каждая обнаруженная подробность ведет к новым поворотам расследования до тех пор, пока все детали не сложатся в целую картину и все самые скептические вопросы не получат объяснения. Особую симпатию в этих работах вызывает их ориентация не на узких специалистов, владеющих особой терминологией и математическим аппаратом, а на обычных разумных людей, опирающихся на логику причин и следствий. Это был театр науки с многочисленными домашними спектаклями.

В детективе Джона Уолша главный подозреваемый – электрический разряд – имел все основания ожидать, что следователь будет посрамлен и не сможет собрать и предъявить внятных доказательств его причастности к действиям ската Торпедо. При воздействиях скатов ни один физический прибор ничего не показывал – ни искр, ни характерного сухого треска, ни притяжения или отталкивания тонких листков золотой фольги, ни поворота коромысла с бузинными шариками.  Более того, электрики того времени неоднократно утверждали и подтвердили экспериментами, что внутри проводника неуравновешенного электричества быть не может. Это согласовывалось с законом обратного квадрата зависимости электрической силы от расстояния. Опыты Кулона к этому времени еще не были поставлены, а опыты Кавендиша  не были опубликованы, но уже были опубликованы и признаны доказательства Джозефа Пристли, согласно которым экспериментально демонстрируемое  отсутствие поля внутри проводящей полой сферы однозначно свидетельствовало о зависимости электрической силы обратно пропорционально квадрату расстояния. Единственный «прибор», на показания которого мог опираться Уолш, – ощущение человеком электрического удара. Но на таком же ощущении держалась и Реомюровская гипотеза быстрого удара, особенно если это удар локтем о твердый предмет. 

Главным методом исследования оставалось только комбинирование различных цепей разряда из разного числа людей и предметов. При этом оказалось, что у участников экспериментов разная чувствительность к току. В первом же эксперименте, в котором  сам Джона Уолш, его помощник Артур и некий жителя Ла-Рошели Сонье, взявшись за руки дотронулись до ската, – восторженный Артур четко ощутил разряд, а Сонье ничего не почувствовал. Более того, и в последующих экспериментах, когда Уолш научился ставить их наиболее эффективным образом, максимальная длина цепочки, в которой все участники хоть как-то воспринимали шок, составляла не более 7 человек.  Удар заряженной лейденской банки могли одновременно воспринять сотни людей в цепочке. По сведениям Банкрофта удар электрического угря передавался через цепочки из десятков людей. В то же время разряд от ската можно ощутить на расстоянии от него, а разряд от заряженной лейденской банки при её погружении в морскую воду не ощущался. Какое же электричество сильнее: ската или лейденской банки?