Исследования по электричеству Генри Кавендиша - самого загадочного ученого в истории

На протяжении пяти лет Джеймс Клерк Максвелл увлеченно исследовал двадцать пакетов рукописей Генри Кавендиша, переданных ему в 1874 году герцогом Девонширским в день открытия Кавендишской лаборатории, в самом центре Кембриджа (Великобритания). Никто не смог бы оценить и перевести на современный научный язык манускрипты этого загадочного ученого-исследователя лучше чем Максвелл.

Генри Кавендиш родился 10 октября 1731 года в Ницце, его мать умерла, когда мальчику было всего два года. В 1749 году Кавендиш пошел в Кембридж, но ушел из него уже в 1753 году, так и не получив учёной степени, и даже не пытаясь сдавать экзаменов, – он сам для себя был лучшим экзаменатором. После ухода из университета Кавендиш начинает вести собственные научные исследования в уединении своего жилища.

Начиная с 1764 года он провел ряд исследований по теплоте, но 20 лет не публиковал их результатов, несмотря на то, что это было слишком большим перерывом. Кавендиш одним из первых отверг флогистон, а честь открытия досталась Блеку и русскому академику Рихману, которые провели измерения теплоты плавления и парообразования, которые доказали, что термометры отнюдь не измеряют количества содержащегося в теле теплорода. Кавендиш же составил даже таблицу теплоемкостей многих тел, однако он попросту не читал статьи Блека по аналогичному вопросу.

Первой статьей, посланной Кавендишем в Королевское общество, была статья: «Искусственные атмосферы». Затем в «Философских трудах» появляется труд: «Анализ работы одного из лондонских насосов (на Ратбонплейс)».

Кавендиш был холодно-безразличен ко всему, что не касалось науки. Он умер на восьмидесятом году жизни, от единственной в его жизни болезни. Почувствовав приближение скорой смерти, Кавендиш приказал слугам до вечера его не беспокоить. Вечером слуги нашли его уже при смерти и вызвали врача. 

Умирающий Кавендиш заявил прибывшему врачу сэру Эверарду Хьюму, что продолжение его жизни будет означать продолжение страданий, и врач остался в бездействии. Кавендиш умер. Он оставил миллионное наследство своему кузену, деду Вильяма Кавендиша, седьмого герцога Девонширского, канцлера Кембриджского университета во времена Максвелла.

Изучая записи Кавендиша, Максвелл был поражен тем, как много открытий самого высшего ранга было сделано ученым, о которых он почему-то не счел необходимым информировать ни общество, ни научный мир.

Кавендиш изучал параллельное и последовательное соединение проводников, экспериментируя с моделью электрического ската, он исследовал проводимость растворов солей в трубках, которые были подобны проволокам из различных металлов. Он превзошел Ома задолго до открытия постоянных токов.

Кропотливые измерения емкости без электрометра Томсона, позволили экспериментатору определить диэлектрические постоянные воска, смолы, стекла и т. п. И все это до изобретения Вольта первого источника постоянного электричества.

Кавендиш пользовался электростатическими машинами трения, дававшими быстротечные слабые токи в малых количествах и на малое время. Все он делал без измерительных приборов, оценивая на ощупь удар током, но не самостоятельно, а при непосредственном участии своего слуги Ричарда, выполнявшего роль «живого гальванометра».

Эксперименты Генри Кавендиша с электрическими скатами, принципиально повлияли на представления физиков об электрических явлениях в проводящих средах и их особенностях. В статье 1776 г. «Отчет о попытках имитации электрического воздействия ската Torpedo» Генри Кавендиш впервые сформулировал законы уменьшения электрического поля в воде, он предложил использовать картину линий тока, описал то, как связан заряд конденсатора с его емкостью и напряжением, которое получается на его обкладках, предложил способ количественного измерения емкости и метод сравнения сопротивлений проводников.

Одна из первых рассматриваемых Кавендишем проблем была следующей: «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».

Кавендиш отмечает, что мнение многих физиков о том, что ток выбирает лишь самые прямые и легкие пути – ошибочно. Это он доказывает экспериментально, демонстрируя шунтирование воздействия разряда лейденской банки на человека с помощью различных параллельных путей, например удерживаемых в руках тонких длинных металлических проволок. Для оценки шунтирующего действия необходимы данные об электропроводности различных веществ.

Кавендиш отмечает, что сопротивление железа в 400 миллионов раз меньше чем у дистиллированной воды, а сопротивление морской воды в 100 раз меньше чем дистиллированной. Для качественного объяснения эффектов эти цифры были вполне пригодны, хотя и оказались заниженными. Однако поразительно, как эти результаты могли быть получены экспериментально задолго до изобретения амперметров и формулировки закона Ома.

Кавендиш объясняет методику расчета шунтирующих действий, предлагая конструкцию делителя электричества:

Что касается заниженных значений, то, скорее всего, причиной ошибки стала поляризация электродов.

Идея, что ток протекает по всем доступным путям, применима и к скату: «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 рисунке, где сплошные линии показывают сечение тела ската, а пунктирные – направления тока электрической жидкости». Эти пунктирные линии привели Кирхгофа к его правилам расчетов электрических цепей, а Максвелла - к его уравнениям.

Следующий принципиальный вопрос: какой из источников электричества «сильнее» - лейденская банка, заряженная от электрофорной машины или скат? От лейденской банки мы наблюдаем длинные искры, её разряд действует на цепь из сотни людей. Разряд же ската не проходит даже через самый узкий 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 протекает 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, что длина искры не связана ни с величиной поверхности лейденской банки, ни с их числом при соединении в батарею, а только с напряжением. А вот сила шока, испытываемого экспериментатором, тем больше, чем больше сама банка или чем больше их количество, если все они заряжены до одинакового напряжения – «сила шока определяется количеством протекшего электричества».

Попутно показывается, что при соединении 4-х банок параллельно, заряженных до одинаковой величины, сохраняется напряжение и они производят искру той же длины, что и одна банка. А при соединении двух заряженных банок и двух незаряженных – сохраняется только суммарный заряд, но, поскольку число банок возросло, то напряжение, в случае, если все банки одинаковы, уменьшается вдвое, и это легко проверить по величине искрового промежутка.

Термин «емкость» впрямую не вводится, но, фактически, речь идет именно о соотношении U = Q/C. Даже 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 это формула С = εS/d.

Кавендиш согласен с Уолшем (который тоже исследовал электрических скатов), что электрические органы скатов аналогичны батарее лейденских банок. И емкость электрических органов гораздо выше, чем емкость лейденских банок. Насколько выше? Как и в чем можно было измерить неизвестную емкость батареи лейденских банок подручными средствами XVIII века?

Кавендиш предложил в качестве меры использовать емкость эталонного конденсатора. Взять эталон, который легко воспроизвести - плоский конденсатор площадью 100 квадратных дюймов и толщиной стекла между обкладками 55/1000 дюйма (1.4 мм).

Настроить электрометр на измерение двух величин – некоего напряжения U и половины этого напряжения. Половина напряжения получается присоединением банки, заряженной до напряжения U к точно такой же незаряженной банке. На всякий случай все банки разряжают, заряжают вторую банку до такого же напряжения U и соединяют с первой. В качестве U/2 берется то, что соответствует среднему расхождению шаров.

Поскольку емкость лейденской банки сильно зависит от толщины стекла, а стекло у двух примерно одинаковых цилиндров может быть не идеально одинаковым по толщине, то вышеназванная предосторожность не представляется излишней.

Процесс измерения выглядит так: заряжается батарея, емкость которой необходимо измерить, до напряжения U, контролируемого электрометром. Затем присоединяется эталонный конденсатор, чтобы он зарядился от заряженной батареи.

Отсоединяется эталонный конденсатор и разряжается. Снова подсоединяется к батарее, зарядился. Снова отсоединяется и разряжается. Затем считают, сколько раз нужно так сделать, чтобы напряжение на батарее упало вдвое. Допустим, для этого нам пришлось «отливать» заряд 11.25 раза. Далее величина x может быть найдена логарифмированием. В записи Кавендиша уравнение до логарифмирования выглядит так:

Описав процедуру измерения емкости, Кавендиш возвращается к задаче оценки емкости электрических органов ската. Он изготавливает модель ската по форме и размерам соответствующую настоящему скату:

На нижней и верхней сторонах модели расположены металлические пластины, имитирующие нижнюю и верхнюю поверхности электрического органа. Модель соединялась проводами с различными комбинациями из лейденских банок, которые заряжались от электрофорной машины. Модель хорошо имитировала воздействие ската на человека на воздухе, в какой-то степени её воздействие можно было почувствовать и при погружении в пресную воду, но при помещении модели в морскую воду никаких электрических ощущений во время её разрядов не фиксировалось. Даже батарея из 49 лейденских банок не обладала достаточной емкостью, сравнимой с емкостью ската.

Кавендиш пишет: «Как показал мистер Хантер каждый столб, из которых состоит электрический орган, разделен тонкими мембранами на множество частей, толщина которых меньше 0.17 мм, но как мистер Хантер сообщил мне, толщина самих мембран еще меньше. Общий объем органа в рыбе толщиной 10.3 дюйма, соответствующей размеру модели, примерно 24.3 кубических дюйма. Соответственно, общая площадь всех частей составляет 2.4 кв.м. [Конденсатор] площадью 2.4 кв.м. и толщиной стекла 0.17 мм вместит столько же электричества, сколько [конденсатор] площадью 19.7 кв.м при толщине 1.4 мм. Это в 305 раз больше, чем для плоской пластины площадью 100 кв.дюймов, описанной выше и в 2.75 раз больше, чем батарея из 49 лейденских банок при заряде от одинакового источника. И если бы стекло удалось сделать в 5 раз тоньше, что не меньше толщины мембран, формирующих орган, то такой [конденсатор] содержал бы в 5 раз больше электричества или в 14 раз больше, чем моя батарея». Здесь используемое Кавендишем слово “glass” было по смыслу заменено на [конденсатор], взятое в скобки.

В статье описано две модели ската – одна, сделанная из дерева, а вторая – из слоев вымоченной в морской воде овечьей кожи. Модель из кожи гораздо лучше, чем деревянная, имитировала действие живого ската, при её погружении в воду. Кавендиш объяснил это тем, что в кожаной модели присутствует внутреннее шунтирование даже при её извлечении на воздух, поэтому различие между эффектами, наблюдаемыми на воздухе и в воде для неё меньше.

Максвелл понял, что не следует пренебрегать мыслями классика, и что до той точки в экспериментах, куда пришел Кавендиш, еще предстоит дойти, недаром и измерения емкости, и уточнение закона Ома, и определение Хевисайдом плотности Земли, и проверка закона Кулона, раньше подмеченного Эпинусом и Кавендишем, занимали в работах лаборатории одно из достойнейших мест.

Эксперименты Кавендиша по сопротивлению электролитов повторяли, делались попытки хотя бы грубо померить сопротивление нескольких электролитов в U-образных трубках, чтобы сопоставить эти измерения с результатами Кавендиша.

Кавендиш первым открыл закон Ома. Кстати, все это было проделано с помощью «физиологического гальванометра» - Ричарда.

В то время Эпинус первым применил высшую математику к исследованию электрических и магнитных явлений. В 1759 году он опубликовал трактат «Опыт теории электричества и магнетизма», в котором развивал теорию «одного» электричества Франклина, теорию электричества одного знака, распространяя ее и на магнитные явления.

Эпинус увидел внутреннюю связь между электрическими магнитными явлениями. Математика, впервые примененная Эпинусом к изучению электрических и магнитных явлений, привела его ко многим значимым выводам. Он заметил, что частицы как электрической, так и магнитной «жидкостей» взаимодействуют между собой «даже на значительном расстоянии», правда, ограниченном «атмосферой магнита».

Эпинус постулирует, что сила взаимодействия пропорциональна электрическим зарядам и, исходя из всеобщей гармонии природы, уменьшается, как и ньютоновское взаимодействие гравитационных масс, пропорционально квадрату расстояния, – то есть предвосхищает закон Кулона!

Однако Эпинус ошибочно полагал, что электричество сосредоточено во всем объеме тела, а не только на его поверхности, и это помешало ему высказаться более категорично и заявить свои права на открытие. Эпинус построил первый воздушный конденсатор, и выяснил роль в конденсаторе стекла не как накопителя электричества, а как его сохранителя, раньше Вольты (Вольта признавал это) изобрел простейший прибор для накопления электричества – электрофор, открыл миру пироэлектричество, образующееся у турмалина не при трении, а при нагревании. Во времена Кавендиша Эпинус был одним из величайших авторитетов в теории электричества.

Кавендиш не соглашался поначалу с ненастойчиво выраженным мнением Эпинуса о том, что сила взаимодействия электрически заряженных тел обратно пропорциональна второй степени расстояния. Он полагал сначала, что показатель степени при расстоянии не вполне равен двум; он предполагал, что этот показатель находится где-то в области между 1 и 3.

И лишь впоследствии, в 1772 году, изучая работу сферического конденсатора, он сам доказал, что, будь показатель степени при расстоянии не точно двойкой, электричество при установлении проводящего контакта между обкладками такого конденсатора неизбежно перетекало бы с внешней обкладки на незаряженную внутреннюю. А этого, как показал Кавендиш, не происходило.

Это было доказательством того, что позже будет названо законом Кулона. Почему Кулона? Потому что Кавендиш в свое время не счел необходимым публиковать свои результаты. Так ни одно из открытий Кавендиша не осталось неоткрытым в течение ста лет.

Андрей Повный

Интересные факты на Электрик Инфо