Гипотезы о невесомых электрических и магнитных жидкостях

Из Г. И. Рузавина

Глава 4. Электромагнитная концепция мира

Уже в XIX веке физики дополнили механистическую картину мира электромагнитной. Электрические и магнитные явления были известны им давно, но изучались они обособленно друг от друга. Дальнейшее их исследование показало, что между ними существует глубокая взаимосвязь, что заставило ученых искать эту связь и создать единую электромагнитную теорию. Действительно, датский ученый Эрстед (1777 - 1851), поместив над проводником, по которому идет электрический ток, магнитную стрелку, обнаружил, что она отклоняется от первоначального положения. Это привело ученого к мысли, что электрический ток создает магнитное поле. Позднее английский физик Майкл Фарадей (1791 - 1867), вращая замкнутый контур в магнитном поле, открыл, что в нем возникает электрический ток. На основе опытов Эрстеда, Фарадея и других ученых английский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831 - 1879) создал свою электромагнитную теорию, то есть теорию о существовании единого электромагнитного поля. Таким путем было показано, что в мире существует не только вещество в виде тел, но и физические поля. Одно из них существовало и во времена Ньютона, хотя в его механике оно не фигурирует, поскольку предполагалось, что гравитационные силы действуют в пустом пространстве. Теперь это пространство называется гравитационным полем. После того как объектом изучения физиков наряду с веществом стали разнообразные поля, картина мира приобрела более сложный характер. Тем не менее, в первое время ученые пытались объяснить электромагнитные процессы, в том числе и световые явления, с помощью механических моделей, основанных на понятиях и принципах механистической картины мира. В этом можно убедиться, обратившись к краткой истории появления первых гипотез о природе электричества и магнетизма.

В самом начале исследований электрические и магнитные явления рассматривались как невесомые, положительно и отрицательно заряженные, жидкости, поскольку с помощью таких гипотез можно было объяснить известные к тому времени эксперименты. Если натереть эбонитовую палочку кусочком шерстяной ткани и поднести потом к металлической головке электроскопа, то его листочки расходятся. Отсюда делается вывод, что в результате трения эбонитовая палочка зарядилась отрицательно и этот заряд передала электроскопу. Листочки электроскопа, заряженные одноименным электричеством, отталкиваются друг от друга и поэтому расходятся. Аналогично этому, если натереть стеклянную палочку кошачьим мехом, она зарядится положительно. При прикосновении к электроскопу листочки, заряженные положительным одноименным электричеством, также разойдутся.

Гипотеза о существовании невесомых электрических жидкостей основывается на следующих предположениях: электричество представляет собой определенную субстанцию, подобную веществу, а именно жидкость; в каждом незаряженном теле находится одинаковое количество положительного и отрицательного электричества, и поэтому они взаимно нейтрализуют друг друга. При этом, какое электричество называть положительным или отрицательным - вопрос чисто условный; в результате определенных действий, например, трения, один вид электричества можно отделить от другого; имеется два вида тел, в одних из них электрические жидкости могут двигаться свободно, и поэтому они называются проводниками. В других – не могут двигаться, и поэтому называются изоляторами. К проводникам относят металлы, землю, человеческое тело. К изоляторам – фарфор, стекло, резину и т.п.

Все эти предположения, хотя и объясняют простейшие опыты с электрическими явлениями, но они связаны с попытками распространения механистической концепции о невесомых жидкостях на явления, принципиально отличные от явлений механических. Вот почему при механистическом подходе электричество уподобляют жидкости и говорят о течении электричества. Поскольку течение жидкости происходит при разных её уровнях, постольку пришлось и для электричества ввести понятия разности потенциалов. Возникает, однако, вопрос: отличается ли вес заряженного тела от электрически нейтрального тела?

Опыт показывает, что их вес является одинаковым. Чтобы согласовать этот факт с допущением о существовании электрических жидкостей, пришлось объявить их невесомыми субстанциями, а тем самым отойти от механистической концепции.

Распространению механистической концепции способствовали также количественные измерения зависимости электрических сил от величины электрических зарядов и расстояния между ними. Тщательные измерения, проведенные французским ученым Кулоном, позволили ему открыть закон, который весьма похож на закон всемирного тяготения Ньютона. Согласно закону Кулона, сила взаимодействия между электрическими зарядами прямо пропорциональна произведению величин эти зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Следовательно, сила взаимодействия между электрическими зарядами, как и массами тел в законе Ньютона, убывает с квадратом расстояния. Но уже здесь обнаруживаются различия. Если в законе Ньютона массы могут только притягиваться друг другу, то в законе Кулоне разноименно заряженные тела притягиваются, а одноименно заряженные - отталкиваются друг от друга.

Невесомые субстанции раньше в большом числе придумывались для объяснения целого ряда новых явлений немеханической природы. Так, например, теплоту рассматривали тоже как невесомую субстанцию, подобную жидкости, которая течет от горячего тела к холодному, если привести их в соприкосновение. В результате их температура станет одинаковой. Однако совсем иначе происходит с электричеством, ибо при взаимодействии разноименно заряженные тела становятся электрически нейтральными.

При дальнейшем развертывании исследований явлений электричества, попытки их объяснения с помощью механистических представлений наталкивались на серьезные трудности. Еще в конце XVIII в. итальянский ученый Алессандро Вольта (1745 - 1827) построил прибор, который теперь известен как вольтов столб, состоящий из нескольких элементов. Каждый такой элемент представляет собой батарею, в которой в сосуд, где налита вода и немного серной кислоты, опущены медная и цинковая пластинки. Если соединить эти пластинки проволокой, то в цепи возникнет электрический ток. Между медной и цинковой пластинками, согласно гипотезе об электрической жидкости, должна возникнуть разность потенциалов, которая в случае двух заряженных тел, соединенных проволокой, быстро исчезает, а в батарее продолжает сохраняться. Это заставило Вольта предположить, что пластинки «поставляют неограниченный заряд или производят непрерывное действие, или импульс электрической жидкости». Обратите внимание, Вольта еще рассматривает электричество как жидкость. Он не раскрывает и не анализирует причину возникновения разности потенциалов на пластинках в результате возникновения химических процессов в растворе, а тем самым не рассматривает его как процесс превращения химической энергии в электрическую.

Однако сильнейший удар механистическим попыткам объяснения электрических и магнитных явлений был нанесен сначала открытием Эрстеда о возникновении вокруг проводника, по которому течет ток, магнитного поля, а затем открытием электромагнитной индукции Фарадеем, то есть появлением в замкнутом контуре электрического тока под влиянием изменяющегося магнитного поля. Благодаря этим выдающимся открытиям электрические и магнитные явления, которые раньше изучались обособленно и изолированно, стали рассматриваться в конце XIX в. в рамках единой электромагнитной концепции. Место гипотетических электрических и магнитных жидкостей заняла новая концепция единого электромагнитного поля. Если в механике изменения и движение материальных частиц совершаются с помощью внешних сил, приложенных к частицам, или образованному из них телу, то в электродинамике изменения совершаются под воздействием сил поля.

Дата добавления: 2015-06-28