Експериментальні колізії Лейденського досвіду

Хасапов Борис Георгійович

У 1913р. Петербурзький університет отримав нового співробітника - фізика А. Ф. Іоффе. При фахом інженера-технолога, маючи схильність до наукової роботи, до цього він протягом декількох років трудився в Мюнхенському університеті під керівництвом кращого фізика-експериментатора Європи В.К.Рентгена. Там же він і захистив докторську дисертацію.

Тепер його науковим керівником став фізик О.Д.Хвольсон. У бесіді про майбутні дослідженнях цей керівник запропонував йому «продовжити чудову традицію російських вчених» відтворювати кращі наукові закордонні роботи. Зрозуміло, що учневі Рентгена, самого першого лауреата Нобелівської премії з фізики, навіть чути про це було дивно. Він перепитав: «Чи не краще ставити нові ще не дозволені питання?». На що Хвольсон відповів: «Але хіба можна в фізиці придумати щось нове? Для цього треба бути Джі-Джі Томсоном ».

Дійсно, Дж.Томсон, першовідкривач електрона, був великим фізиком. Але потім виявилося, що і А.Ф.Иоффе теж умів ставити питання в науці і вся світова напівпровідникова техніка по суті почалася з нього. До того ж він з'явився організатором російської наукової школи, учнями якої пишалася б будь-яка країна світу, серед яких И.В.Курчатов і нобелівські лауреати Н.Н.Семёнов, П.Л.Капица.

Уміння задавати природі питання і отримувати на них відповіді за допомогою експерименту вважається найважливішим в житті науки. А діячі, які вміють це робити, як раз і є видатними вченими. Але не так вже й неправий був і О.Д.Хвольсон. Фундамент сучасної фізики складається з висновків робіт першопрохідців, які регулярно перевіряються, перевіряються, уточнюються. У разі непідтвердження висновків руйнуються цілі розділи наук, а потім ретельно зводяться нові стіни, філій цієї науки, які ведуть до нових відкриттів, до нових побудов. Такий процес триває століттями і немає цьому кінця.

Тут ми розповімо історію про експеримент одного вченого, якого зацікавив перспективний науковий питання про фізичне явище і який намагався вирішити його за допомогою простого і переконливого досвіду, але призвів до ситуації, званої колізією. Це той випадок, коли отримані результати суперечать один одному.

Ніхто не зможе назвати точну дату наукового відкриття того факту, що електричні заряди можна накопичувати за допомогою спеціальних пристроїв, згодом названих лейденськоїбанки і пізніше отримали свій розвиток в приладах, іменуються електричними конденсаторами. Але можна стверджувати, що після 1745р. за допомогою лейденськоїбанки вдалося з'ясувати високу швидкість поширення електрики, його вплив на організм людини і тварин, можливість підпалювання електричними іскрами горючих газів і т.д. Тисячі дослідників намагаються застосувати цей прилад для потреб народного господарства. Однак саму лейденську банку чомусь ніхто і не намагається вивчати.

Перше питання природі по самій банку задає великий американський вчений-самоучка Бенджамін Франклін. Нагадаємо, що лейденська банку в той час представляла собою звичайну закупорену пляшку з водою, в пробку якої був вставлений залізний стрижень, який стосується цієї води. Саму пляшку або тримали в руках, або ставили на свинцевий лист. Таким і було все її пристрій.

Франклін задався питанням з'ясувати, де ж в цьому простому апараті зі скла металу і води може накопичуватися електрику. У залізному стрижні, воді або самій пляшці? Зараз, коли існують різні вимірювальні прилади і половина населення користується комп'ютерами, це питання багатьох поставить в безвихідь. Подивимося, як вирішувалася ця задача в 1748р, коли єдиним вимірювальним приладом був сам експериментатор, що пропускає через себе хворобливі електричні удари. Здебільшого будемо приводити опис експериментів самим автором дослідів, щоб переконатися в їх геніальної простоти.

«Маючи намір досліджувати наелектризовану банку, щоб встановити, де прихована її сила, ми помістили її на скло і витягли пробку з проводом. Потім, взявши банку в одну руку і піднісши інший палець до її горловині, ми витягли з води сильну іскру з настільки ж сильним ударом, як якщо б провід залишався на своєму місці, а це показало, що сила ховається не в проводі ». Тут автор проводом називає вивідний стрижень банки.

«Після цього з метою з'ясування, чи не знаходиться електрику, як нам це думалось, в воді, ми знову наелектризували банку. Поставивши її на скло, вийняли з неї, як і раніше, провід з пробкою; потім всю воду з банки ми перелили в порожню пляшку, яка теж стояла на склі. Ми вважали, що якщо електрику знаходилося у воді, то при дотику до цієї пляшці ми отримаємо удар. Ніякого удару не було. Звідси ми зробили висновок, що електрика або було втрачено під час переливання, або ж залишилося в банку ».

«Вірним виявилося, як ми встановили, останнє, тому що при випробуванні цієї банки послідував удар, хоча в неї ми налили просту воду з чайника». Франкліну нічого не залишалося, як визнати, що заряд в банку міг бути тільки в її склі.

«Щоб з'ясувати потім, притаманне це властивість склу пляшки або її формі, ми взяли лист скла, поклали його на долоню, прикрили зверху платівкою свинцю і наелектризували останню. Піднесли до неї палець, в результаті чого послідувала іскра з ударом ». Таким способом було визначено, що форма скла на результат не впливає. Результатом вирішення цього завдання стало для Франкліна винахід плоского конденсатора, однією пластиною якого була долоню експериментатора, а інший - лист свинцю. Втім, надалі він долоню замінює також на свинцевий лист.

У кого могли виникнути сумніви в науковій чистоті експерименту янкі? Він сміливо міг стверджувати, що в електричній ємності «в сконденсованому вигляді» заряд знаходиться в СКЛІ. Ці досліди при необхідності міг повторити будь-хто і перевірити висновки Франкліна. Напевно такі досліди проводилися і висновки підтверджувалися багатьма вченими. Була навіть створена демонстраційна модель лейденськоїбанки, за допомогою якої показували учням спрощений варіант досвіду, потім опинилися з неправильним висновком. Адже якби Франклін замість води застосував в досвіді ртуть, результат міг бути прямо протилежним.

Експерименти з лейденської банкою були вельми ефектними і повністю відповідали ідеям освіченого абсолютизму, тому стали модними у вищому світі і в них брали участь навіть вінценосні особи. А абат Ж.А.Нолле навіть зайняв пост офіційного електрика при королі Людовику XV. Він то і дав назву приладу на ім'я університетського міста Лейдена в Голландії, де швидше за все і був винайдений цей прилад.

Десяток років експериментів не пропали даром. Було точно встановлено, що результати дослідів залежать від складу води (годилася будь-яка). Більш того, замість води в банку можна було насипати свинцеву дріб або просто всередині її зміцнити свинцеву фольгу. На дію банки це не відбивалося. Банки для посилення дії навчилися збирати в батареї.

Було встановлено, що банки більшого обсягу (отже, і з більшою поверхнею скла) давали більш сильні розряди. А ось залежність удару від товщини скла була зворотною. Більш тонкі скла давали сильніший розряд. Дивно, що за допомогою сили електричного удару дослідника, вчені досить точно підійшли до добре знайомої нам формулою ємності плоского конденсатора. Згодом історики науки жартома назвуть цей метод вимірювань ШОКМЕТРОМ. (Від французького ШОК - удар, поштовх).

Для пояснень електричних явищ в науковому середовищі були висунуті кілька теорій, що знайшли застосування серед вчених. Серед них була і унітарна теорія електрики, запропонована самим Франкліном. Відповідно до цієї теорії електрику являло собою якусь невагому рідину, яка заповнювала все тіла. Якщо в тілах було більше або менше цієї рідини, то тіло набувало заряд. При надлишку цієї рідини тіло мало заряд позитивний, при нестачі - негативний. Ця теорія пізніше знайде свій розвиток в електронній теорії провідності.

За допомогою цієї теорії було легко пояснити явища, що відбуваються в конденсаторі (лейденської банку). При зарядці електрична рідина з однієї обкладки конденсатора перетікає в іншу обкладку. Наслідком є ​​позитивний заряд однієї обкладки і негативний інший. Скло між ними служить тільки ізолятором і нічим іншим. Розрядити такий конденсатор легко. Досить замкнути ці пластини провідником або тілом людини. Але результати досвіду Франкліна говорили про те, що заряд знаходиться в склі! Як же все це розуміти?

Деякі вчені, щоб підтвердити правильність унітарної теорії, намагалися прибрати з досвіду скло. Вони заряджали два металевих бруски, які висіли поруч. Безсумнівно, що вони представляли собою конденсатор, але без скла. На жаль, такої конденсатор експериментатора струмом, не бив і питання залишалося невирішеним.

У 1757 році в Петербурзі вийшов друком працю російського академіка Франца Епінуса «Досвід теорії електрики і магнетизму», в якій описаний досвід, який вирішив цю задачу. За основу він узяв свою думку про те, що електризація брусків була правильною, але потрясіння експериментатора ударом не було з причини малої місткості такого конденсатора. А збільшити ємність його можна збільшенням обкладок конденсатора і зменшенням відстані між ними. У зв'язку з тим, що експериментатор для звершення цього досвіду винаходить новий вид електричної ємності - конденсатора з повітряним діелектриком ми наводимо текст самого Ф.Епінуса.

«Отже, щоб отримати більшу поверхню, я подбав про виготовлення дерев'яних пластин, поверхня яких мала близько восьми квадратних футів, я підвісив їх, обклавши металевими листами на відстані півтора дюймів один від одного в положенні паралельному одна інший». Він зарядив такий конденсатор і розрядив через себе ..

«Я негайно отримав сильне потрясіння, абсолютно схоже на те, яке викликає лейденська банку. Крім того, цей прилад був в змозі відтворити і всі інші явища, які виходять в банку; немає потреби піддавати їх розгляду ». Зауважимо, що вісім квадратних футів це трохи менше квадратного метра.

Останнє зауваження про «всіх інших явищах» має велике значення. Воно підкреслює, що електрику з такого конденсатора ТОЧНО ТАКЕ Ж, як і з лейденської банки. Але тут не було скла, а припускати, що заряди знаходяться в навколишньому повітрі було непродуктивно. Пізніше, в 1838году такі речовини «при посередництві або через які діють електричні сили» М.Фарадей назве діелектриків. Епінус ж робить в книзі зауваження: «Я зрозумів, що з Франкліном сталося щось таке, що може трапитися з кожною людиною», натякаючи на латинське прислів'я - Errare humanum est - людині властиво помилятися.

Ф.Епінус вислав до Америки свій твір спеціально для Франкліна, але той вже практично перестав займатися дослідженнями з електрики, виключаючи практичне застосування винайденого ним громовідводу. Він став політиком. А Катерина II відлучила від академічної діяльності в Росії і Ф.Епінуса. Вона призначила його вчителем фізики для свого сина Павла, який став потім імператором. Але ж він був запрошений до Петербурга на зміну загиблого при дослідженнях атмосферної електрики Г.В.Ріхмана. Так і вийшло, що питання з приводу дослідів з лейденської банкою залишалося невирішеним ще довгий час.

І ось переді мною підручник з електрики 1918р. видання. Це переклад книги французького автора Жоржа Клода з довгою назвою «Електрика для всіх і кожного удобопонятно викладене». У ньому йде опис досвіду з лейденської банкою, як і у Франкліна, але вже при відсутності води взагалі. Див. Малюнок.

Зліва зображена лейденська банку в зборі.Літерами А, В і С позначені її складові частини. А і В - це внутрішня і зовнішня обкладання банки. С - це скляний стакан, службовець діелектриком. Така банку в зборі заряджається при демонстраційному досвіді, потім заряджена розбирається демонстратором в гумових рукавицях. Для доведення факту, що обкладання банки не мають заряду, їх контактують один з одним. Переконуються, що іскри немає. Потім банку збирають. На подив вона виявляється знову зарядженої і дає потужну іскру. Цей досвід ставив багатьох в глухий кут. А наука не терпить неясностей. Однак пояснення ситуації було дано тільки в 1922 році.

Того року в лондонському «Філософському журналі» була надрукована стаття фізика Дж.Адденбрука «Вивчення дослідів Франкліна з лейденської банкою», де автор прийшов до дивних результатів, розставивши всі крапки над i. Виявляється, скло в звичайних умовах завжди вкрите водяною плівкою, ми це спостерігаємо по запітніння вікон. До речі, ця плівка не завжди спостерігається візуально. Ось там то і залишаються заряди на розглядуваної конденсаторі і грають роль обкладок в стоїть окремо склянці. При вживанні Адденбрука склянки не з скла, а з парафіну, на якому не утворюється скляна плівка, виходить результат протилежний франкліновскому. У сухій атмосфері «ефект Франкліна» на розбірний лейденської банку теж не спостерігається.

Скринька, виявляється, відкривався просто. Але ключик до нього шукали майже 175 років.

Список літератури

1.В.Франклін. Досліди і спостереження над електрикою. М., АН СРСР, 1956, стор. 29-30.

2. Ф.У.Т.Епінус. Теорія електрики і магнетизму. М., АН СРСР, 1951, стор. 70-92.

3. Жорж Клод. Електрика для всіх і кожного удобопонятно викладене колишнього вихованця школи хімії та фізики в Парижі. Переклад з франц. З-Петербург, Видання В.І.Губінского. Рік видання не зазначений. (1918)

4. Л.Крижановскій. Загадка лейденськоїбанки. «Квант» №11, 1991. з 28, 29.