Электричество: положительное и отрицательное

Мы уже привыкли воспринимать электричество как неотъемлемую часть нашей жизни, однако мало кто задумывается о том, что электрические явления были открыты еще древними греками. Так, философ и математик Фалес Милетский, живший в VII в. до н. э., не раз наблюдал, как к янтарю, натертому шерстью, липнут перышки, лоскутки ткани, волоски и пр. Мудрец еще не знал, что во всем виновато статическое электричество, а обнаруженное им явление впоследствии будет названо электрическим лишь потому, что янтарь по-гречески именуется «электроном» — в честь звезды Электры.

Выдающийся изобретатель Никола Тесла в своей «Сказке об электричестве» писал, что греки верили, будто янтарь — это застывшие слезы сестер Фаэтона, который однажды попросил у отца, солнечного бога Фебоса, огненную колесницу, но по неосторожности чуть было не сжег всю землю. Более того, не только Фалес, но и писатель Плиний, и естествоиспытатель Теофраст замечали дивную способность янтаря к электризации трением. Увы, на этом греческие изыскания в области электричества прервались — и лишь в эпоху Возрождения, с начала 1660-х, люди вспомнили о данном явлении.

Первым, кто взялся серьезно изучать электричество, был англичанин Уильям Гильберт. Считая опыт главным источником знаний, Гильберт провел около шести сотен экспериментов, во многих из которых задействовал собственноручно сконструированный версор — прибор вроде электроскопа, определяющий наличие электрического заряда. Благодаря этому прибору ученый обнаружил, что янтарь — не единственное вещество, которое можно наэлектризовать трением, заставив притягивать разные легкие предметы. Подобным свойством обладают сургуч, каменная соль, сера, стекло, горный хрусталь, алмаз, карбункул, опал, сапфир, аметист, сланцы и берилл — данные вещества Гильберт назвал электрическими. Кроме того, он обратил внимание, что далеко не все предметы заряжаются таким способом: сколько ни три, скажем, металл, камень или кость — ничего не произойдет. Эти тела Гильберт отнес к группе неэлектризуемых, а все остальные — электризуемые — дотошно исследовал. Догадка о том, что молния и гром возникают вследствие электрического разряда, привела ученого к эксперименту, который показал: натертые предметы под влиянием огня теряют свой заряд.

В 1663 г. Отто фон Герике — немецкий инженер и физик, а по совместительству глава города Магдебург — представил публике свое новое изобретение. Серный шар на длинной палке служил электрической машиной, притягивая либо отталкивая разные предметы, когда кто-то крутил и натирал его ладонями. За несколько веков этот аппарат не раз дорабатывали, и многим ученым он помог сделать очень важные наблюдения. Например, в начале XVIII в. француз Ш. Ф. Дюфе в ходе экспериментов с машиной увидел, что стекло и дерево при трении электризуются неодинаково.

Продолжая исследования Фея, двое других ученых — англичане С. Грей и Г. Уилер в 1729 г. поставили ряд любопытных опытов. Сначала они натерли стеклянную трубку, расположенную вертикально и закрытую снизу пробкой, — в итоге наэлектризовались и трубка, и пробка. Тогда ученые подвесили к пробке на 8-метровой бечевке шарик из слоновой кости — и он тоже получил заряд. Затем в трубку был вставлен направленный вверх 5-метровый шест, с которого свисала 10-метровая бечевка с шариком. После трения трубки шарик снова-таки наэлектризовался — заряд передался на 15-метровую дистанцию.

После этого Грей перевел бечевку с шаром на конце в горизонтальное положение и прикрепил к деревянным балкам гвоздями. Увы, на этот раз заряд сообщился не шару, а… балкам. Грей был растерян, но Уилер посоветовал ему заменить гвозди шелковыми шнурками, и эксперимент удался: шарик наэлектризовался. После ученые закрепили бечевку медной проволокой, и заряд снова ушел в балки. Опыт повторялся несколько раз с бечевками длиной 233 и 270 м, и полученные результаты показали: во-первых, электричество можно передавать на большие расстояния; во-вторых — одни материалы, такие как шелк, плохо проводят электричество, а другие, вроде металла, имеют хорошие проводящие качества. Потому Грей предложил классифицировать все материалы на проводники и изоляторы.

В том же 1729 г. голландский физик П. ван Мушенбрук, работавший в университете города Лейден, открыл удивительное свойство банки, покрытой изнутри и снаружи оловом, — конденсация электрического заряда. В банку через крышку был вставлен металлический стержень, и при его натирании электроны с него стекали внутрь банки, на олово, которое играло роль положительного электрода, в то время как внешний слой металла выступал отрицательным электродом. Когда работа электрического поля по переносу зарядов становилась слишком напряженной (то есть накапливался большой потенциал, о котором тогда еще никто не знал), банка разряжалась с искрами и громким треском, производя эффект молнии. Такой эффект заинтересовал других ученых, и экспериментировать с лейденской банкой стали все кому не лень.

Четыре года спустя француз Шарль Дюфе открыл два типа заряда: смоляной и стеклянный. Первый возникает, если натирать янтарь и другие смолы (сейчас его называют отрицательным), а второй (положительный) — при натирании стекла и разных минералов. Кроме того, Дюфе сформулировал закон, согласно которому наэлектризованные предметы притягивают ненаэлектризованные и отталкивают те, у которых тоже есть заряд.

Чуть позже американский ученый, изобретатель и политик Бенджамин Франклин (1706—1790) придумал собственную электрическую концепцию: якобы электричество представляет собой невесомую жидкость, которая наполняет абсолютно все предметы и может перетекать из одних в другие. Если жидкости слишком много, предмет электризуется положительно, если слишком мало — предмет заряжается отрицательно. Стоит только сблизить два объекта, заряженных положительно и отрицательно, и жидкость перетечет из первого во второй, чтобы уравновесить количество заряда. Именно так ученый объяснил, почему лейденская банка накапливает заряд, а потом разряжается, и высказал верное предположение, что электричество представляет собой мельчайшие частички — то есть состоит из атомов.

Теория Франклина вполне соответствовала открытию Дюфе, к тому же благодаря ей в научный мир вошло представление о движении электрического тока. Однако и она имела «белые пятна». Некоторые из них удалось заполнить Роберту Симмеру — автору дуалистической теории электричества. Симмер первым обнаружил, что при натирании чего-либо электризуется не только этот предмет, но и сам натирающий. Это навело его на интересную мысль: все объекты несут в себе обе разновидности электрической жидкости — и положительную, и отрицательную, которые взаимно нейтрализуются. Когда пропорция этих жидкостей меняется, объект электризуется, получая заряд преобладающей жидкости.

Теории Франклина и Симмера были восприняты как конкурирующие, хотя на самом деле они дополняли друг друга, составляя единую картину электрических явлений. В конце XVIII в. был открыт электролиз, предусматривающий разложение жидкости или раствора, когда через них пропускают ток. Этому открытию во многом поспособствовал итальянский физик А. Вольта — изобретатель «вольтова столба», генерирующего электроэнергию посредством чередующихся дисков из цинка, меди и пропитанной кислотой ткани. Опыты с электролизом показали образование в электролите двух противоположных зарядов, расходящихся в разные стороны: положительные частицы накапливались на катоде, отрицательные — на аноде. Так, если пропустить ток через воду, то она распадется на водород и кислород: пузырьки первого соберутся на отрицательном электроде (катоде), а пузырьки второго — на положительном (аноде).

Последующие исследования пополнили копилку знаний о статическом электричестве, однако ток — то есть динамичное поведение электричества — долгое время не привлекал внимания ученых. Ситуация изменилась в XIX в. в связи с развитием промышленности, когда возникла необходимость в электрическом освещении.

Первым, кто взялся за изучение тока, стал русский ученый В. Петров. Собрав самый большой на то время вольтов столб (в нем насчитывалось 4200 цинковых и медных пластин!), Петров доказал, что в процессе движения электричество эффективно нагревает проводники. Помимо того, ученый открыл электрическую дугу — разряд, возникающий между двумя угольными стержнями в газах (в том числе в воздухе), а также в вакууме. Данное явление, по словам Петрова, могло бы применяться и для освещения, и для плавки металлов. Это положило начало разностороннему исследованию свойств электричества и применению его на практике, а следовательно, развитию электротехники.