Экспериментальные коллизии лейденского опыта

В 1913г. Петербургский университет получил нового сотрудника – физика А.Ф.Иоффе. При специальности инженера-технлога, имея склонность к научной работе, до этого он в течение нескольких лет трудился в Мюнхенском университете под руководством лучшего физика-экспериментатора Европы В.К.Рентгена. Там же он и защитил докторскую диссертацию.

Теперь его научным руководителем стал физик О.Д.Хвольсон. В беседе о предстоящих исследовательских работах этот руководитель предложил ему «продолжить замечательную традицию русских ученых» воспроизводить лучшие научные заграничные работы. Понятно, что ученику Рентгена, самого первого лауреата Нобелевской премии по физике, даже слышать об этом было странно. Он переспросил: «Не лучше ли ставить новые еще не разрешенные вопросы?». На что Хвольсон ответил: «Но разве можно в физике придумать что-то новое? Для этого надо быть Джи-Джи Томсоном».

Действительно, Дж.Томсон, первооткрыватель электрона, был крупным физиком. Но потом оказалось, что и А.Ф.Иоффе тоже умел задавать вопросы в науке и вся мировая полупроводниковая техника по сути началась с него. К тому же он явился организатором русской научной школы, учениками которой гордилась бы любая страна мира, среди которых И.В.Курчатов и нобелевские лауреаты Н.Н.Семёнов, П.Л.Капица.

Умение задавать природе вопросы и получать на них ответы с помощью эксперимента считается самым важным в жизни науки. А деятели, которые умеют это делать, как раз и являются выдающимися учеными. Но нее так уж и неправ был и О.Д.Хвольсон. Фундамент современной физики состоит из выводов работ первопроходцев, которые регулярно проверяются, перепроверяются, уточняются. В случае неподтверждения выводов рушатся целые разделы наук, а затем кропотливо возводятся новые стены, филиалов этой науки, которые ведут к новым открытиям, к новым построениям. Такой процесс длится столетиями и нет этому конца.

Здесь мы поведаем историю об эксперименте одного ученого, которого заинтересовал перспективный научный вопрос о физическом явлении и который пытался решить его с помощью простого и убедительного опыта, но приведшего к ситуации, называемой коллизией. Это тот случай, когда полученные результаты противоречат друг другу.

Никто не сможет назвать точную дату научного открытия того факта, что электрические заряды можно накапливать с помощью специальных устройств, впоследствии названных лейденскими банками и позже получивших свое развитие в приборах, именующихся электрическими конденсаторами . Но можно утверждать, что после 1745г. с помощью лейденской банки удалось выяснить высокую скорость распространения электричества, его влияние на организм человека и животных, возможность поджигания электрическими искрами горючих газов и т.д. Тысячи исследователей пытаются применить этот прибор для нужд народного хозяйства. Однако саму лейденскую банку почему-то никто и не пытается изучать.

Первый вопрос природе по самой банке задает великий американский ученый-самоучка Бенджамин Франклин. Напомним, что лейденская банка в то время представляла собой обыкновенную закупоренную бутылку с водой, в пробку которой был вставлен железный стержень, касающийся этой воды. Саму бутылку или держали в руках, или ставили на свинцовый лист. Таким и было всё её устройство.

Франклин задался вопросом выяснить, где же в этом простом аппарате из стекла металла и воды может накапливаться электричество . В железном стержне, воде или самой бутылке? Сейчас, когда существуют различные измерительные приборы и половина населения пользуется компьютерами, этот вопрос многих поставит в тупик. Посмотрим, как решалась эта задача в 1748г, когда единственным измерительным прибором был сам экспериментатор, пропускающий через себя болезненные электрические удары. Большей частью будем приводить описание экспериментов самим автором опытов, чтобы убедиться в их гениальной простоте.

«Намереваясь исследовать наэлектризованную банку, чтобы установить, где скрыта ее сила, мы поместили ее на стекло и вынули пробку с проводом. Затем, взяв банку в одну руку и поднеся другой палец к ее горловине, мы извлекли из воды сильную искру со столь же сильным ударом, как если бы провод оставался на своем месте, а это показало, что сила скрывается не в проводе». Здесь автор проводом называет выводной стержень банки.

«После этого в целях выяснения, не находится ли электричество, как нам это думалось, в воде, мы опять наэлектризовали банку. Поставив ее на стекло, вынули из нее, как и раньше, провод с пробкой; затем всю воду из банки мы перелили в пустую бутылку, которая тоже стояла на стекле. Мы считали, что если электричество находилось в воде, то при прикосновении к этой бутылке мы получим удар. Никакого удара не последовало. Отсюда мы сделали вывод, что электричество либо было потеряно при переливании, либо же осталось в банке».

«Верным оказалось, как мы установили, последнее, потому что при испытании этой банки последовал удар, хотя в нее мы налили простую воду из чайника». Франклину ничего не оставалось, как признать, что заряд в банке мог быть только в её стекле.

«Чтобы выяснить затем, присуще это свойство стеклу бутылки или ее форме, мы взяли лист стекла, положили его на ладонь, прикрыли сверху пластинкой свинца и наэлектризовали последнюю. Поднесли к ней палец, в результате чего последовала искра с ударом». Таким способом было определено, что форма стекла на результат не влияет. Результатом решения этой задачи стало для Франклина изобретение плоского конденсатора, одной пластиной которого являлась ладонь экспериментатора, а другой – лист свинца. Впрочем, в дальнейшем он ладонь заменяет также на свинцовый лист.

У кого могли возникнуть сомнения в научной чистоте эксперимента янки? Он смело мог утверждать, что в электрической емкости «в сконденсированном виде» заряд находится в СТЕКЛЕ. Эти опыты при необходимости мог повторить любой и проверить выводы Франклина. Наверняка такие опыты производились и выводы подтверждались многими учеными. Была даже создана демонстрационная модель лейденской банки, с помощью которой показывали учащимся упрощенный вариант опыта, потом оказавшимся с неправильным выводом. Ведь если бы Франклин вместо воды применил в опыте ртуть, результат мог быть прямо противоположным.

Эксперименты с лейденской банкой были весьма эффектными и полностью отвечали идеям просвещенного абсолютизма, поэтому стали модными в высшем свете и в них принимали участие даже венценосные особы. А аббат Ж.А.Нолле даже занял пост официального электрика при короле Людовике XV. Он то и дал название прибору по имени университетского города Лейдена в Голландии, где скорее всего и был изобретен этот прибор.

Десяток лет экспериментов не пропали даром. Было точно установлено, что результаты опытов не зависят от состава воды (годилась любая). Более того, вместо воды в банку можно было насыпать свинцовую дробь или просто внутри ее укрепить свинцовую фольгу. На действие банки это не отражалось. Банки для усиления действия научились собирать в батареи.

Было установлено, что банки большего объема (следовательно, и с большей поверхностью стекла) давали более сильные разряды. А вот зависимость удара от толщины стекла была обратной. Более тонкие стекла давали более сильный разряд. Удивительно, что с помощью силы электрического удара исследователя, ученые довольно точно подошли к хорошо знакомой нам формуле емкости плоского конденсатора. Впоследствии историки науки в шутку назовут этот метод измерений ШОКМЕТРОМ. (От французского ШОК – удар, толчок).

Для объяснений электрических явлений в научной среде были выдвинуты несколько теорий, нашедших применение среди ученых. Среди них была и унитарная теория электричества, предложенная самим Франклином. Согласно этой теории электричество представляло собой некую невесомую жидкость, которая заполняла все тела. Если в телах было больше или меньше этой жидкости, то тело приобретало заряд. При избытке этой жидкости тело имело заряд положительный, при недостатке – отрицательный. Эта теория позже найдет свое развитие в электронной теории проводимости.

С помощью этой теории было легко объяснить явления, происходящие в конденсаторе (лейденской банке). При зарядке электрическая жидкость из одной обкладки конденсатора перетекает в другую обкладку. Следствием является положительный заряд одной обкладки и отрицательный другой. Стекло между ними служит только изолятором и ничем другим. Разрядить такой конденсатор легко. Достаточно замкнуть эти пластины проводником или телом человека. Но результаты опыта Франклина говорили о том, что заряд находится в стекле! Как же все это понимать?

Некоторые ученые, чтобы подтвердить правильность унитарной теории, пытались убрать из опыта стекло. Они заряжали два металлических бруска, которые висели рядом. Несомненно, что они представляли собой конденсатор, но без стекла. Увы, такой конденсатор экспериментатора током не ударял и вопрос оставался нерешенным.

В 1757 году в Петербурге вышел свет труд российского академика Франца Эпинуса «Опыт теории электричества и магнетизма», в которой описан опыт, решивший эту задачу. За основу он взял свою мысль о том, что электризация брусков была правильной, но потрясение экспериментатора ударом не было по причине малой емкости такого конденсатора. А увеличить емкость его можно увеличением обкладок конденсатора и уменьшением расстояния между ними. В связи с тем, что экспериментатор для свершения этого опыта изобретает новый вид электрической емкости – конденсатора с воздушным диэлектриком мы приводим текст самого Ф.Эпинуса.

«Итак, чтобы получить большую поверхность, я позаботился об изготовлении деревянных пластин, поверхность которых имела около восьми квадратных футов, я подвесил их, обложив металлическими листами на расстоянии полутора дюймов друг от друга в положении параллельном одна другой». Он зарядил такой конденсатор и разрядил через себя..

«Я немедленно получил сильное потрясение, совершенно подобное тому, какое вызывает лейденская банка. Кроме того, этот прибор был в состоянии воспроизвести и все другие явления, которые получаются в банке; нет нужды повергать их рассмотрению». Заметим, что восемь квадратных футов это чуть меньше квадратного метра.

Последнее замечание о «всех других явлениях» весьма существенно. Оно подчеркивает, что электричество из такого конденсатора ТОЧНО ТАКОЕ ЖЕ, как и из лейденской банки. Но здесь не было стекла, а предполагать, что заряды находятся в окружающем воздухе было непродуктивно. Позже, в 1838году такие вещества «при посредстве или через которые действуют электрические силы» М.Фарадей назовет ДИЭЛЕКТРИКАМИ. Эпинус же делает в книге замечание: «Я понял, что с Франклиным случилось нечто такое, что может случиться с каждым человеком», намекая на латинскую пословицу – Errare humanum est – человеку свойственно ошибаться.

Ф.Эпинус выслал в Америку свое сочинение специально для Франклина, но тот уже практически перестал заниматься исследованиями по электричеству, исключая практическое применение изобретенного им громоотвода. Он стал политиком. А Екатерина II отлучила от академической деятельности в России и Ф.Эпинуса. Она назначила его учителем физики для своего сына Павла, ставшего потом императором. А ведь он был приглашен в Петербург на смену погибшего при исследованиях атмосферного электричества Г.В.Рихмана. Так и получилось, что вопрос по поводу опытов с лейденской банкой оставался нерешенным еще долгое время.

И вот передо мной учебник по электричеству 1918г. издания. Это перевод книги французского автора Жоржа Клода с длинным названием «Электричество для всех и каждого удобопонятно изложенное». В нем идет описание опыта с лейденской банкой, как и у Франклина, но уже при отсутствии воды вообще. См. рисунок.

Слева изображена лейденская банка в сборе. Буквами А, В и С обозначены ее составные части. А и В – это внутренняя и наружная обкладки банки. С – это стеклянный стакан, служащий диэлектриком. Такая банка в сборе заряжается при демонстрационном опыте, затем заряженная разбирается демонстратором в резиновых рукавицах. Для доказательства факта, что обкладки банки не имеют заряда, их контактируют друг с другом. Убеждаются, что искры нет. Затем банку собирают. К удивлению она оказывается снова заряженной и дает мощнейшую искру. Этот опыт ставил многих в тупик. А наука не терпит неясностей. Однако объяснение ситуации было дано только в 1922 году.

В том году в лондонском «Философском журнале» была напечатана статья физика Дж.Адденбрука «Изучение опытов Франклина с лейденской банкой», где автор пришел к удивительным результатам, расставившим все точки над i . Оказывается, стекло в обычных условиях всегда покрыто водяной пленкой, мы это наблюдаем по запотеванию окон. Кстати, эта пленка не всегда наблюдается визуально. Вот там то и остаются заряды на разбираемом конденсаторе и играют роль обкладок в стоящем отдельно стакане. При употреблении Адденбруком стакана не из стекла, а из парафина, на котором не образуется стеклянная пленка, получается результат противоположный франклиновскому. В сухой атмосфере «эффект Франклина» на разборной лейденской банке тоже не наблюдается.

Ларчик, оказывается, открывался просто. Но ключик к нему искали почти 175 лет.

Литература:

1.В.Франклин. Опыты и наблюдения над электричеством. М., АН СССР, 1956, Стр. 29-30.

2. Ф.У.Т.Эпинус. Теория электричества и магнетизма. М., АН СССР, 1951, Стр. 70-92.

3. Жорж Клод. Электричество для всех и каждого удобопонятно изложенное бывшего воспитанника школы химии и физики в Париже. Перевод с франц. С-Петербург, Издание В.И.Губинского. Год издания не указан. (1918)

4. Л.Крыжановский. Загадка лейденской банки. «Квант» №11, 1991. с 28,29.