Билет №15. Электризация тел. Два вида электрических зарядов. Взаимодействие зарядов. Закон сохранения электрического заряда
Определение
Электризацией называется процесс разделения электрических зарядов и накопление их в определенных местах предметов и тел. Явление происходит в результате трения, соприкосновения тел или в результате электростатической индукции. Простыми словами, когда рядом расположен какой-то предмет, обладающий электрическим полем.
: в физике выделяют два рода зарядов – положительные и отрицательные, или протоны и электроны. Между ними возникает электрическое поле. Одноименные заряды притягиваются, а разноименные отталкиваются.
Явление наблюдается на источниках питания и не только. На диэлектриках накапливаются заряды, все видели это в опытах, иллюстрирующих явление с эбонитовыми и стеклянными палочками, которые демонстрировали на уроках физики в школе.
Изначально все атомы, из них состоит всё что нас окружает, электрически нейтральны. В результате явления электризации на поверхности предметов появляются положительные или отрицательные заряды. Напомним школьный опыт: если потереть эбонитовую палочку шерстяной тканью, после прекращения трения палочка останется заряженной. Тогда говорят, что тело электризовано.
Таким образом, во время трения электроны переходили с одного предмета на другой. В результате, после прекращения трения избыточные электроны остались «не на своих» телах и получился избыточный заряд, и оно перестало быть нейтральным. В результате трения палочки о шерсть или мех на её поверхности образовался отрицательный заряд.
Статическое электричество в быту
Пенопластовые шарики прилипли к кошачьей шерсти из-за статического электричества
Статическое электричество широко распространено в обыденной жизни. Если, например, на полу лежит ковер из шерсти, то при трении об него человеческое тело может получить отрицательный электрический заряд, в то время как ковёр получит положительный. Другим примером может служить электризация пластиковой расчески, которая после причёсывания получает минус-заряд, а волосы получают плюс-заряд. Накопителем минус-заряда нередко являются полиэтиленовые пакеты, полистироловый пенопласт. Накопителем плюс-заряда может являться сухая полиуретановая монтажная пена, если её сжать рукой.
Электростатический разряд происходит при очень высоком напряжении и чрезвычайно низких токах. Даже простое расчёсывание волос в сухой день может привести к накоплению статического заряда с напряжением в десятки тысяч вольт, однако ток его освобождения будет настолько мал, что его зачастую невозможно будет даже почувствовать. Именно низкие значения тока не дают статическому заряду нанести человеку вред, когда происходит мгновенный разряд.[2]
С другой стороны, такие напряжения могут быть опасны для элементов различных электронных приборов — микропроцессоров, транзисторов и т. п. Поэтому при работе с радиоэлектронными компонентами рекомендуется принимать меры по предотвращению накопления статического заряда.
Условия возникновения явления и способы передачи зарядов
Мы рассказали, как объясняется это явление в природе, а теперь давайте рассмотрим, как можно наэлектризовать тела. Сразу отметим, что выполнение всех условий необязательно – электризация может происходить по тем или иным причинам, разделим их на две основных группы:
Вторая группа — электризация влиянием, то есть явление наблюдается при воздействии на тело внешних сил, среди которых:
Это и есть основные виды электризации.
Три способа электризации тел
Электрически нейтральное тело можно наэлектризовать разными способами:
Электризация трением
Электризация трением происходит, когда вы трёте один предмет о другой.
Проведите эксперимент. Возьмите небольшой лист бумаги и пластмассовую ручку. Потрите ручку о волосы, а потом прикоснитесь к бумаге. Вы наэлектризовали ручку трением о волосы.
Электризация прикосновением
При взаимодействии двух тел, одно из которых наэлектризовано, незаряженное тело получает электрический заряд, если к нему прикоснуться заряженным. Если поднести пластмассовую ручку, обладающую положительным зарядом, к нейтральному стержню электроскопа, то произойдёт перераспределение заряда. Электроны стержня будут притягиваться положительным зарядом ручки (перетекать на ручку). Соответственно, на стержне образуется недостаток электронов, то есть положительный заряд. Причём равный по величине заряду ручки.
Электризация наведением (электростатическая индукция)
Этот способ электризации означает, что вы подносите заряженный предмет к изолированному проводнику, но не прикасаетесь к нему. Тогда на проводнике появляются заряды, притом на той его части, которая ближе к предмету, эти заряды противоположного знака. А на дальнем конце образуется заряд того же знака, что и на заряженном предмете.
При удалении заряженного предмета заряды на проводнике пропадают. Но если до удаления предмета разделить проводник на две части, то заряды на них сохранятся.
Какие законы физики связаны с электризацией
Явление электризации связано с такими физическими законами как:
Мы уже рассматривали эти законы, вы можете ознакомиться подробнее в соответствующих статьях, на которые мы сослались.
Молнии
Основная статья: Молния
В результате движения воздушных потоков, насыщенных водяными парами, образуются грозовые облака, являющиеся носителями статического электричества. Электрические разряды образуются между разноименными заряженными облаками или, чаще, между заряженным облаком и озоновым слоем земли, с последующим разрядом на землю. При достижении критической разности потенциалов происходит разряд молнии между облаками, на земле или в околокосмическом слое планеты. Для защиты от молний устанавливаются молниеотводы, проводящие разряд напрямую в землю.
Помимо молний, грозовые облака могут вызывать на изолированных металлических предметах опасные электрические потенциалы из-за электростатической индукции.
В 1872 году экспедицией под руководством географа Генри Ганнетта[en] была покорена 13-я по высоте гора штата Монтана (США)[en]. Ей дали название Электрический пик
, так как у первопроходцев-покорителей, находящихся на вершине, после грозы начали сыпаться искры из пальцев рук и волос на голове[3][4][5].
Делимость электрического заряда. Электрон
В эксперименте с электрометрами металлическим стержнем часть заряда переносится от одного электрометра на другой. Из опыта видно, что заряд делится. Если коснуться стержня второго электрометра рукой, то заряд с него снимется, и распределится по всему телу (человеческое тело является хорошим проводником электричества). Если снова соединить приборы стержнем из металла, оставшийся заряд опять разделится. При повторении тех же шагов заряд каждый раз будет делиться. Кажется, что этот процесс будет происходить до бесконечности.
Заряды постепенно настолько уменьшаются, что электрометр уже не в состоянии их измерить. Уже очень точные опыты показали, что делить заряд до бесконечности нельзя, существует наименьший электрический заряд, который поделить уже нельзя. Называют его элементарным зарядом с абсолютной величиной e. Заряды измеряют в кулонах (Кл) в честь Шарля Кулона, французского физика.
Элементарным электрическим зарядом с отрицательным знаком обладает частица электрон (греч. «еlectron» – «янтарь»).
Передача (проведение) электричества
Все ли вещества могут одинаково передавать электрический заряд? Ответ можно получить с помощью двух электрометров, металлического стержня и эбонитовой палочки. Стержень и палочка крепятся к пластмассовой ручке.
Вещества, способные проводить электрические заряды, как в случае под буквой б, называются проводниками (металлы, кислотные, щелочные и солевые растворы). Вещества, с помощью которых нельзя передать заряды, называются диэлектриками (изоляторами). Хорошие диэлектрики – это резина, стекло, эбонит, фарфор, пластмассы, воздух и др.
В повседневной жизни
Вокруг нас постоянно происходит электризация тел. При трении некоторых предметов она становится настолько высокой, что к ним притягиваются даже габаритные тяжелые детали. В домашних условиях наблюдать процесс электризации можно следующим образом:
Телевизоры по этой же причине притягивают пыль к экранам и корпусу. А воздушный шарик, натертый о волосы головы, можно надолго подвесить к потолку. Происходит притяжение заряженной поверхности к обоям или другому покрытию.
Морозов А.: Ломоносов
Часть третья. XIII. «Громовая машина»
XIII. «ГРОМОВАЯ МАШИНА»
«Если не предлагать никаких теорий, то к чему служат столько опытов, столько усилий и трудов
4 ноября 1753 года архивариус Стафенгаген представил в Академическую канцелярию рапорт о необыкновенном происшествии, случившемся накануне в собрании профессоров. Им был заранее подготовлен протокол, в котором все академики были поименованы по старшинству. В таком порядке им надлежало и подписываться. Но тут неожиданно профессор Ломоносов с необыкновенной горячностью схватил поданный ему лист, «свое имя из вышеписанного числа вычернил, и приписал тут резоны свои, для чего он то сделал, и имя свое подписал на самом верху выше всех». Поступок Ломоносова произвел большой шум в Академии. Честолюбивые и заносчивые академики вознегодовали.
Шумахер не преминул представить президенту свое мнение о новых «несогласиях», которыми вся Академия «в беспорядочное состояние приведена быть может». Главною причиной, по которой происходят все «прекословия и раздоры», являлись, по его словам, «характеры некоторым академикам сверх профессорского их достоинства данные». Поэтому он и просит президента официально распорядиться, чтоб впредь «профессоры характер имеющие… должность свою исправляли по академическому регламенту». Но не успел Шумахер отослать свое мнение в Москву, как оттуда прибыло (уже по жалобе Ломоносова) указание, чтобы канцелярия не вступалась в дела академиков.
Ломоносов снова осадил своих противников. Он неспроста не захотел, чтобы его имя стояло после ненавистного и не имеющего ровно никаких заслуг перед наукой Тауберта только на том основании, что того зачислили адъюнктом раньше Ломоносова. Однако вспышка его была вызвана вовсе не «местничеством». С конца лета 1753 года Ломоносову приходилось выдерживать ожесточенную и напряженную борьбу не за себя и не за свое самолюбие, а за свою науку.
Ломоносова давно привлекала к себе загадка электрических явлений, природа которых была в его время «великой тьмою закрыта». Вплоть до середины XVIII века изучение электричества находилось в зачаточном состоянии и не особенно далеко ушло от наблюдений древних греков, установивших способность янтаря притягивать после трения различные легкие тела.
Немецкий физик-экспериментатор Отто Герике (1602–1686), прославившийся опытами с «магдебурскими полушариями», изготовил (ок. 1663 г.) шар из серы величиной с детскую голову. Вращая шар вокруг оси и натирая его ладонью, Герике заметил, что пушинка не только притягивается к шару, но потом и отскакивает от него. Натертый шар потрескивал и светился в темноте. Герике существенно пополнил тогдашние скудные сведения об электричестве и как бы создал прообраз будущей «электрической машины». Но еще долго сведения об электричестве сводились к отдельным разрозненным наблюдениям.
В начале XVIII века Грей и Уиллер в Лондоне, подвесив ребенка на шнурках из волос, установили, что его тело принимает заряд и проводит электричество. Лишь в 1733–1737 годах французский физик Шарль Дюфей выдвинул положение, что существует два рода электричества — «смоляное» и «стеклянное» (по способу получения), и указал, что однородные наэлектризованные тела отталкиваются, а разнородные притягиваются. Толчком к дальнейшим открытиям послужило изобретение в 1746 году «лейденской банки» голландским физиком Питером Мушенбреком. Первые лейденские банки наполняли спиртом или ртутью и только впоследствии стали применять обкладку.
Интерес к непонятному электричеству в это время распространился необычайно. Предприимчивые люди демонстрировали «электрические машины» перед множеством зевак, извлекая из этого занятия немалую прибыль. Некий доктор Спэнс решил познакомить с «чудесами науки» и далекую Америку. В 1746 году он объявился со своим «физическим кабинетом» в Бостоне. Эти опыты привлекли к себе внимание любознательного самоучки Бенжамина Франклина, который купил весь «физический кабинет» прогоревшего Спэнса. Скоро Франклин установил, что обкладки лейденской банки заряжены противоположным электричеством и что заостренный стержень может отнимать электричество от заряженного кондуктора. Это навело его на размышления о природе молнии и тождестве ее с получаемой искусственной искрой от электрической машины.
Летом 1750 года Франклин поделился своими опытами и соображениями со знакомым ему членом Лондонского королевского общества Коллинсоном. Тот огласил в двух заседаниях общества полученные им письма. Франклин предлагал проверить, действительно ли громовые облака наэлектризованы или нет. Для этого, по его мнению, нужно было соорудить будку, в которой поместить на скамейке со стеклянными ножками человека. От середины скамейки должен был идти высокий шест, футов в двадцать или больше, заостренный на конце.
Письма Франклина были встречены в Англии холодно и насмешливо. Высокомерные британские естествоиспытатели с недоумением отвергли ученые потуги своей заокеанской колонии. И в опубликовании «курьезного» сообщения Франклина было отказано. Все же Коллинсон издал в конце 1751 года в частной типографии книгу об опытах Франклина. Этими опытами заинтересовались во Франции. В Марли, неподалеку от Версаля, в мае 1752 года французский ученый д’Алибар установил железный шест в сорок футов вышины, из которого в ближайшую грозу были извлечены крупные и яркие искры.
Об опытах, произведенных в Париже, скоро стало известно и в России. Уже в середине июня 1752 года сообщение о них появилось в «Санкт-Петербургских Ведомостях». Ломоносов с бескорыстным энтузиазмом приветствовал новое завоевание науки. В «Письме о пользе Стекла» он говорит по этому поводу:
Вертясь, стеклянный шар дает удары с блеском,
С громовым сходственны сверканием и треском!
Дивился сходству ум; но, видя малость сил,
До лета прошлого сомнителен в том был. …
Внезапно чудный слух по всем странам течет,
Что от громовых стрел опасности уж нет!
Что та же сила туч гремящих мрак наводит,
Что, зная правила изысканны стеклом,
Мы можем отвратить от храмин наших гром…
Вести о новых опытах усилили давнишний интерес Ломоносова к электричеству. Вместе со своим другом Георгом Рихманом Ломоносов занялся тщательным и систематическим изучением явлений атмосферного электричества. Опыты их довольно подробно описывались в «Санкт-Петербургских Ведомостях». В № 50 за 1752 год было помещено описание «громовой машины», установленной Рихманом у себя в доме (на углу Пятой линии и Большого проспекта Васильевского острова):
«Из середины дна бутылки выбил он иверень[80] и сквозь бутылку продел железный прут длиною от 5 до 6 футов, толщиною в один палец, тупым концом и заткнул горло ее коркою. После велел он из верхушки кровли вынуть черепицу и пропустил туда прут, так что он от 4 до 5 футов высунулся, а дно бутылки лежало на кирпичах. К концу прута, который под кровлею из под дна бутылочного высунулся, укрепил он железную проволоку и вел ее до среднего апартамента все с такой осторожностью, чтобы проволока не коснулась никакого тела, производящего электрическую силу. Наконец, к крайнему концу проволоки приложил он железную линейку так, что она перпендикулярно вниз висела, и к верхнему концу линейки привязал шелковую нить, которая с линейкой параллельно, а с широчайшею стороною линейки в одной плоскости висела…»
Газета сообщает, что уже с начала июля Рихман начал «во все дни следить, отскочит ли нить от линейки и произведет ли потом какую электрическую силу, токмо не приметил ни малейшей перемены в нити. Чего ради с великой нетерпеливостью ожидал грому, который 18 июля в полдень и случился. Гром, по-видимому, был не близко от строения, однако ж он после первого удара тотчас приметил, что шелковая нить линейки отскочила, и материя с шумом из конца линейки в светлые искры рассыпалась и при каждом осязании причиняла ту же чувствительность, какую обыкновенно производят электрические искры. У некоторых, державших линейку, шло потрясение по всей руке… Посему не надобно к сему опыту ни электрической машины, ни электрического тела, но гром совершенно служит вместо электрической машины…» «Итак, — заканчивает автор статьи, — совершенно доказано, что электрическая материя одинакова с громовою матернею, и те раскаиваться будут, которые преждевременными маловероятными основаниями доказывать хотят, что обе материи различны».
Рихман заряжал во время громовых туч «мушенброково стеклянное судно» (лейденскую банку), смог зажечь нефть, электризовал себя и присутствующих, которые чувствовали такое же «потрясение» в руках, как и при «художественном» (то есть искусственном) электризовании (от машины).
«Громовая машина» M. В. Ломоносова, установленная в его петербургском доме.
Такими же опытами занимался и М. В. Ломоносов с лета 1752 года. В отчете за этот год он писал: «Чинил електрические воздушные наблюдения с немалою опасностию». Ломоносов водрузил на кровле дома на Второй линии Васильевского острова железный шест. Но он не обладал, как Рихман, собственной электрической машиной. 31 мая 1753 года Ломоносов писал Шувалову, что «для делания себе електрической машины не токмо где инде, но и с Вашего двора столяра за деньги не мог достать. И для того по сие время вместо земной машины служат мне иногда облака, к которым я с кровли шест выставил». Но и в этих условиях ему удается произвести замечательные наблюдения. В том же письме к Шувалову он сообщает, что «приметил я у своей громовой машины, 25 числа сего апреля, что без грому и молнии нитка от железного прута отходила и за рукою гонялась, а в 28 число того же месяца, при прохождении дождевого облака без всякого чувствительного грому и молнии происходили от громовой машины сильные удары с ясными искрами и с треском, издалека слышным; что еще нигде не примечено и с моею давною теориею о теплоте и с нынешнею о електрической силе весьма согласно».
чисто внешним изучением атмосферного электричества — по длине, цвету, треску, запаху от искр, выскакивающих из наэлектризованных под его действием предметов, Ломоносов и Рихман впервые приступили к последовательному изучению этих явлений, предусматривающих проведение длительных опытов, основывающихся на измерениях. Для этой цели Рихман изобрел простой и остроумный прибор, по образцу которого впоследствии стали строить позднейшие электрометры, которые вплоть до самого недавнего времени, по существу, оставались единственным средством для подобных электростатических измерений.
Электроизмеритель Рихмана представлял собой широкую вертикальную линейку, к которой была прикреплена льняная нитка в два с половиной дюйма (6,2 сантиметра). Под линейкою была укреплена рама с четвертью круга радиусом немного больше, чем длина нити. Если линейку привести в связь с наэлектризованным телом, то она отталкивала нить, которую притягивал квадрант. Чем больше нить уходила от линейки, тем сильнее было полученное электричество.
Рихман и Ломоносов постоянно обменивались своими наблюдениями и делились друг с другом своими теоретическими взглядами.
Ломоносов и Рихман без устали работали, чтобы подготовить речь и демонстрацию опытов к публичному годовому акту 25 ноября. «Оной Акт буду я отправлять с господином профессором Рихманом, — писал Шувалову Ломоносов, — он будет предлагать опыты свои, а я теорию и пользу от оной происходящую».
В июне 1753 года Ломоносов у себя в имении Усть-Рудицах выставил на высоком дереве неподалеку от дома «електрический прут». Прут был заключен в стеклянный тонкий цилиндр и прикреплен к шесту шелковым шнуром. Дом был еще недостроен, в окна не вставлены рамы. Но Ломоносов протянул уже в него проволоку с привешенным к ней железным аршином. Посреди хозяйственных забот и волнений, связанных с устройством имения, Ломоносов находил время и для научных наблюдений. 12 июля собралась гроза. Ломоносов кинулся к своему прибору. У него не оказалось ничего под рукой. Тогда он быстро решил, что пригодится и «прилучившийся топор». «Топор, — по словам Ломоносова, — к сему делу довольно был пристроен, ради трегранных углов», а кроме того, «сухое топорище при великой Електрической силе, вместо шелковой или стеклянной подпоры служить могло». С помощью этого несколько необычного физического инструмента он и стал производить наблюдения. Искры выскакивали из железного аршина беспрерывно, «ака некая текущая материя», когда Ломоносов, «топор приводя, рукою держал за железо». «Но когда к нему не прикасался, тогда конический шипящий огонь на два дюйма и больше к оному [топору] простирался». В это же время из неровных бревен, составляющих одну из сторон незаделанного окна, «шипящие конические сияния выскочили, и к самому аршину достигли и почти вместе у него соединились».
Ломоносов один из первых узнал о гибели Рихмана и тотчас же поспешил к нему в дом. Обо всех событиях этого дня он написал подробное письмо И. И. Шувалову, которое необходимо привести здесь полностью:
«Милостивый государь Иван Иванович!
«Санктпетербург. 26 июля 1753 года».
Это письмо раскрывает перед нами Ломоносова-человека, его сердечность, бескорыстие, отзывчивость, чувство справедливости и склонность к доброму товариществу. «Как хорошо его письмо о семействе несчастного Рихмана», — замечает Пушкин в третьей главе своей статьи «Путешествие из Москвы в Петербург».
— она снова столкнула его со всеми мерзостями, творившимися в Академии наук. До сих пор мало известно другое письмо о Рихмане, написанное Ломоносовым Михаилу Илларионовичу Воронцову 30 августа 1753 года. Ломоносов продолжает настойчиво хлопотать об обеспечении оставшейся без всяких средств семьи замечательного ученого[81].
Вдова Рихмана, писал Ломоносов Воронцову, «оставшись с тремя малыми детьми, не видит еще признаку той надежды о показании милости, которую все прежде ее профессорские вдовы имели, получая за целый год мужей своих жалованье. А у Рихмановой и за тот день жалованье вычтено, в которой он скончался, несмотря на то, что он поутру того же дня был в собрании. Он потерял свою жизнь, отправляя положенную на него должность… то кажется, что его сирот больше наградить должно».
Глубокое негодование охватывало Ломоносова, когда он видел, как сводят счеты не только с ним самим, но и мстят его друзьям, даже их сиротам. Не напрасно был он обеспокоен и тем. как бы «сей случай не был протолкован противу приращения наук».
«громовой машины», в которой видел «дерзкое испытание природы». Вельможа В. А. Нащокин злорадно глумился над памятью несчастного ученого. «Машиною старался… от идущего грома людей спасти, — записал Нащокин в своем дневнике о Рихмане, — но с ним прежде всех случилось при той самой сделанной машине».
Письмо Разумовского было получено в Петербурге 18 октября. Оно нимало не обескуражило Шумахера, который теперь решил выдвинуть против Ломоносова «ученые» аргументы. Письменные «сумнительства» были составлены академиком Августином Гришовым и поддержаны Брауном. 28 октября Академическая конференция в отсутствие Ломоносова постановила, чтобы он опровергнул эти «сумнительства».
Ломоносов был оскорблен таким ходом дела. Стиснув зубы, он сел составлять ответ. В то же время он ставил и новые опыты по электричеству. 30 октября он подал рапорт в Академическую канцелярию с просьбой выдать ему на дом до публичного акта только что полученные «из-за моря» «новые електрические шары со станком», необходимые «к большему исследованию моей теории».
1 ноября Ломоносов выступил со своими возражениями на предъявленные ему «сумнительства», и собрание, признав их убедительными, постановило речь Ломоносова напечатать. Но на этом его злоключения отнюдь не кончились. В тот же день, 1 ноября, доведенный до крайнего ожесточения, Ломоносов пишет Шувалову, что Шумахер, невзирая на ордер Разумовского, употребил «коварные происки» для того, чтобы задержать его речь. «Правда, что он всегда был высоких наук, а следовательно и мой ненавистник и всех профессоров гонитель и коварный злохитростной приводчик в несогласие и враждование, однако, ныне стал еще вдвое, имея двойные интересы, то есть прегордого невежду, высокомысленного фарисея зятя своего Тауберта».
После долгих треволнений «Слово о явлениях воздушных, от Електрической силы происходящих», было произнесено публично Ломоносовым 26 ноября 1753 года.
В своем «Слове» Ломоносов не только подтверждает и завершает открытие Франклина.
Ломоносов близко подошел к разгадке происхождения атмосферного электричества, надолго опередив в этом науку своего времени. Он сообщает об опытах и наблюдениях, которые остались вне поля зрения Франклина. Он подробно говорит о различных метеорологических явлениях: движении ветров, внезапном наступлении морозов и оттепелей, испарениях и осадках — различных условиях, при которых в воздухе возбуждается электрическая сила. Земная атмосфера находится в непрестанном движении. Холодные слои атмосферы в силу своей большей тяжести непрерывно, «по незыблемым естества законам», должны стремиться вниз, вытесняя теплый воздух нижних слоев.
Ломоносов указывает на неравные погружения атмосферы, на борьбу между теплыми и холодными течениями воздуха. По мнению Ломоносова, электричество в атмосфере и происходит от трения водяных и различных других паров, постоянно присутствующих в воздухе.
например, Ломоносов совершенно справедливо указывал, что облако, несущее электрический заряд, заряжено по всему своему объему и состоит из бесчисленного множества отдельных заряженных частиц. «Странным может быть покажется, — писал Ломоносов, — что толь маленькими шаричками столь ужасная сила производится: но дивиться перестанете, когда примете в рассуждение неисчислимое оных множество и водяной материи в облаке безмерную поверхность разделением ее на мелкие частицы происшедшую».
Предложенное Ломоносовым истолкование явлений, происходящих в верхних слоях атмосферы, произвело большое впечатление на Леонарда Эйлера, который сумел оценить принципиальное значение ломоносовской постановки вопроса. «То, что остроумнейший Ломоносов предложил относительно течения этой тонкой материи [то есть электричества] в облаках, должно принести величайшую помощь тем, кто хочет приложить свои силы для выяснения этого вопроса. Отличны его размышления об опускании верхнего воздуха и о внезапно происходящем от этого жесточайшем морозе. Что, действительно, в верхней атмосфере свирепствует самый сильный холод, доказывает более чем достаточное число наблюдений; а как это крайне холодный воздух побуждается к опусканию, мне кажется возможным вывести из самых достоверных положений гидростатики», — писал Л. Эйлер 22 января 1754 года в Академию наук.
Ломоносов уделял большое внимание изучению верхних слоев атмосферы и после произнесения своего «Слова о явлениях воздушных». Для этой цели он изобретает небольшой аппарат для подъема на значительную высоту метеорологических приборов. Представленный им 5 марта 1754 года проект и рисунок этой «машины» заслужил одобрение Конференции. 1 июля того же года Ломоносов уже демонстрировал свою, как он ее называл, «аэродромную машину», «имеющую назначением при помощи крыльев, приводимых в движение горизонтально в разные стороны заведенной часовой пружиною, сжимать воздух и подниматься в верхние слои атмосферы для того, чтобы можно было исследовать состояние верхнего воздуха метеорологическими приборами, прикрепленными к этой аэродромной машине».
Протоколом засвидетельствовано, что при заведенной пружине машина «быстро поднималась вверх». Ломоносов, со своей стороны, обещал работать над дальнейшим ее усовершенствованием, чего, по его мнению, можно было достигнуть, «если взять пружину побольше, если увеличить расстояние между крыльями и если коробка, содержащая пружину, для уменьшения весу будет сделана из дерева». Ему принадлежит приоритет в отношении идеи зондирования верхних слоев атмосферы и забрасывания в них самопишущих приборов для метеорологических целей, что осуществляется в наше время с помощью шаров-зондов.
Изучение верхних слоев атмосферы входило в общий круг метеорологических интересов и наблюдений Ломоносова. В своем «Слове о явлениях воздушных» Ломоносов делает целый ряд замечаний, относящихся к самым различным областям теоретической и прикладной метеорологии и климатологии, только еще складывавшихся в то время в самостоятельные научные дисциплины. Он ставит вопрос о главнейших факторах климата и в особенности указывает на смягчающее действие моря.
«Письме о пользе Стекла» Ломоносов мечтает о таком времени, когда с помощью барометров и других метеорологических приборов можно будет повсеместно «предвозвещать»:
…коль скоро будут ветры,
Коль скоро дождь густой на нивах зашумит,
…Коль могут счастливы селяне быть оттоле,
Какой способности ждать должно кораблям,
Узнав, когда шуметь или молчать волнам,
И плавать по морю безбедно и спокойно…
В этих словах явственно слышится голос помора, выходца из тех стран, где земледелие и мореходство шли рука об руку.
В области метеорологии Россия достигла существенных успехов. В 1706 году Петр I, развернув строительство новой столицы, распорядился вести регулярные наблюдения над вскрытием и замерзанием Невы. С 1726 года Петербургская Академия наук стала производить систематические наблюдения над температурой воздуха, а с 1741 года — над осадками.
Но Ломоносов идет еще дальше. Он думает о том, как бы реально обеспечить «предзнание погод». Он утверждает, что создание «истинной теории», которой можно будет надежно руководствоваться для этой цели, «ничем другим, как частыми и верными мореплавающих наблюдений и записками перемен воздуха утверждено и в порядок приведено быть должно. А особливо, когда бы в разных частях света в разных государствах те, кои мореплаванием пользуются, учредили самопишущие метеорологические обсерватории, в коих расположению и учреждению с разными новыми инструментами имею новую идею…».
Ломоносов поставил вопрос об организации службы погоды, своеобразной сети метеорологических станций и обсерваторий, снабженных лучшими, в том числе самопишущими, приборами.
Эти идеи Ломоносова нашли повсеместное осуществление только во второй половине XIX века.
практическое значение в жизни страны. Особенное внимание уделял Менделеев изучению верхних слоев атмосферы, так как справедливо считал, что именно здесь «образуется большинство метеорологических явлений земной поверхности». Изучение этих явлений Менделеев, как в свое время и Ломоносов, связывает с общими проблемами теоретической физики. «Занимаясь вопросом о разреженных газах, я невольно вступил в область, близкую метеорологии верхних слоев атмосферы», — писал Менделеев в одной из своих статей. Продолжая замыслы Ломоносова, Д. И. Менделеев и сам проектировал самопишущие приборы для этой цели и поддерживал идею об использовании для этой цели небольших аэростатов. «Не мы первые поняли необходимость и пользу такого изучения атмосферы, — писал Менделеев. — О нем раньше многих других думал Ломоносов».
Ломоносов имел все основания считать свою теорию оригинальной и независимой от Франклина. Чувство национального достоинства заставило его заявить во всеуслышание, что он в своей теории Франклину «ничего не должен». «О погружении верхнего воздуха я уже мыслил и разговаривал за несколько лет; Франклиновы письма увидел впервые, когда уже моя речь была почти готова, в чем я посылаюсь на своих господ товарищей».
Ломоносов указывает на разработанную им оригинальную теорию погружения верхней атмосферы и на то, что им истолкованы «многие явления с громовою силою бывающие, которых у Франклина нет и следу». «Франклинова догадка о северном сиянии, которого он в тех же письмах несколькими словами касается, от моей Теории весьма разнится», — говорит Ломоносов и добавляет: «Сверх сего ода моя о северном сиянии, которая сочинена 1743 года, а в 1747 году в Риторике напечатана, содержит мое давнейшее мнение, что северное сияние движением Ефира произведено быть может».
Ломоносов не случайно ссылается на свою гениальную оду «Вечернее размышление… при случае великого северного сияния». Эта ода не только отразила беспокоившее его с юных лет желание раскрыть тайну северного сияния, но и содержала в себе смелую попытку научно истолковать это загадочное явление. Вероятно, еще у себя на родине Ломоносов подмечал, что северные сияния появляются чаще всего с установлением морозной погоды, слышал рассказы поморов о том, что «сполох трещит — словно из ружей палят», знал о наблюдениях народного календаря, указывавшего, что в поморских широтах северное сияние разгоралось всего сильнее и ярче в марте и в конце сентября (по старому стилю). В то время как редкие на юге явления северного сияния вызывали суеверные толки и считались необыкновенным знамением, в котором часто усматривали столкновение «небесных воинств», для поморов это было делом обыкновенным. Подобные «знамения» они видели каждую зиму, и притом неоднократно, и всегда были склонны если не прямо искать естественных причин, то во всяком случае делать из своих наблюдений выводы, скорее относящиеся к области практической метеорологии, нежели к религии. Есть указания, что северяне установили, что «на пaзорях матка (то есть компас) дурит», и, следовательно, подметили, что стрелка компаса дрожит и отклоняется во время северных сияний под влиянием магнитной бури.
Но все это, разумеется, не объясняло причин северного сияния, до которых допытывалась неугомонная мысль молодого помора Ломоносова. Ответа на свои вопросы он не получил и когда приобрел естественнонаучное образование.
«Примечаниях в Ведомостях» статью, в которой подвергал критическому разбору все, что было к тому времени высказано западноевропейскими учеными. Особенно обращала на себя внимание «гипотеза» бреславльских натуралистов, полагавших, что северные сияния— не что иное, как отражение огней исландского вулкана Геклы в морских северных льдах? при их передвижении. Крафт справедливо недоумевал: «Как можно горе Гекле со своими огненными угольями и… чтоб оной лед так жестоко освещен был, чтоб отсвечение от того всей Европе видно было?»
Петербургские академики живо интересовались этим явлением, которое они могли наблюдать гораздо чаще. «Наша должность есть сия, чтобы мы о том, как о естественном фейерверке веселилися», — важно писал Крафт, приноравливаясь к придворному языку. Однако петербургские академики пытались более научно подойти к решению вопроса, хотя и их выводы оставались ненадежными. Умерший в 1729 году академик Фридрих Мейер утверждал, что с осени, по мере удаления солнца, на северном полушарии накопляется материя «стужи», вместе с тем с теплых частей земли «как бы великий мех снимается», а в результате происходит возгорание паров. Погасшие пары и образуют ту темную завесу, или «пропасть», которая и занимает один из сегментов северного сияния.
Точно так же и марбургский учитель Ломоносова Христиан Вольф полагал, что причину северных сияний надо искать в образующихся в недрах земли «тонких испарениях» — сернистых и селитренных, образующих в верхних слоях атмосферы множество искр, но полностью не воспламеняющихся и потому не превращающихся в молнию. Ибо в те времена и молнию чаще всего объясняли мгновенным воспламенением подобных горючих «испарений». Северное сияние по Вольфу — как бы недоразвившаяся гроза. К Вольфу прежде всего и относится недоуменный вопрос Ломоносова, когда он спрашивает в своей оде:
Как может быть, что мерзлый пар Среди зимы раждал пожар?
явление, Ломоносов не может остановиться ни на одной из предложенных теорий.
Иль солнечны лучи блестят,
Склонясь сквозь воздух к нам густой;
Иль тучных гор верьхи горят;
Иль в море дуть престал зефир,
Последнее толкование отражает складывающееся воззрение самого Ломоносова. Ломоносов первый указал на электрическую природу северных сияний, оставив далеко позади наивные домыслы и теории своих современников.
Прежде чем прийти к своей собственной оригинальной теории, Ломоносов много лет кряду вел наблюдения над северными сияниями.
Ломоносов старался определить высоту северных сияний. В «Изъяснении», приложенном к «Слову о явлениях воздушных», он сообщает: «Северное сияние нарочито порядочное, Октября 16, сего года [1753], приметил я здесь в Санктпетербурге, и сколько возможно было смерил, вышину нашед 20, ширину 136 градусов; откуда выходит вышина верьхнего края дуги около 420 верст». Профессор Б. Н. Меншуткин по этому поводу писал в 1936 году: «Новейшие исследования высоты северных сияний, сделанные за последние десять лет в Норвегии и Канаде, вполне подтверждают эти данные Ломоносова: чаще всего сияния возникают на высоте 130–150 километров над поверхностью земли, причем простираются вверх иногда до 72 километров».
Во время большого северного сияния, наблюдавшегося 12 (23) февраля 1753 года, Ломоносов пытался обнаружить присутствие электричества в воздухе. Он выставил «електрическую стрелу, которая летом громовую силу показывала».
Ломоносов готовил большую книгу — «Испытание причин северных сияний», для которой были «нагрыдорованы» на 11 медных досках 48 северных сияний, лично уже наблюдавшихся и зарисованных Ломоносовым. Сохранился план его работы, по которому книга должна была состоять из трех частей.
Ломоносов хотел не только дать научное объяснение северного сияния, но и привести его в связь с другими родственными явлениями природы. Он обращает внимание на искры, которые «за кормою выскакивают», на «вечерние блистания, что просто зарницею называются», на огни Кастор и Поллукс, или иначе «огни св. Эльма», появляющиеся на корабельных реях, и т. д. У него складывается представление об единстве этих явлений, об их электрической природе.
Ломоносов выводил все разнообразные проявления атмосферного электричества из земных причин, подчиняя их единому принципу. Но вместе с тем он отважился поставить вопрос и о космическом электричестве. Он смело говорит об электрических явлениях в хвостах комет, хотя «сему противно остроумного Невтона рассуждение, который хвосты комет почел за пары, из них исходящие, и солнечными лучами освещенные». Ломоносов стремился поставить общую проблему электричества в природе, и притом связав ее со всей системой своих физических представлений!
Ломоносов выдвинул идею особого молниеотвода, который привлекал бы на себя, собирал и отводил в землю «громовую силу» в местах, удаленных «от обращения человеческого», чем достигалась бы полнейшая безопасность. Для этого он предлагал ставить высокие заостренные шесты, или, как он называл их, «стрелы», «дабы ударяющая молния больше на них, нежели на головах человеческих и на их храминах силы свои изнуряла».
Ломоносова сама Москва несколько раз жестоко выгорала, а по деревням и маленьким деревянным уездным городкам «красный петух» то и дело скакал с крыши на крышу?
Ломоносов не только предлагал ввести в обиход новое полезное изобретение. Он должен был защищать его от суеверных нападок. Он отводил от ученых голов зловещие «перуны», готовые обрушиться на них из свинцовых туч невежества.
Против обвинений в дерзком и кощунственном испытании воли небес Ломоносов выставлял остроумные и убедительные доводы: «Не одни молнии из недра преизобилующия натуры на оную устремляются; но и многие иные: поветрия, наводнения, трясения земли, бури, которые не меньше нас повреждают, не меньше нас устрашают. И когда лекарствами от моровой язвы, плотинами от наводнений, крепкими основаниями от трясения земли и от бурь обороняемся… того ради какую можем мы видеть причину, которая бы нам избавляться от громовых ударов запрещала?»
Примечания
— осколок, кусок стекла.
81. Кроме исследований по атмосферному электричеству, Рихман в 1750 году опубликовал сочинение о теплоте, в котором предложил удобную и простую формулу для вычисления температуры смеси двух жидкостей (так называемая «формула Рихмана»).