Квинтэссенция. Книга первая - Ирина Львовна Радунская

разработать математическую теорию электрических и магнитных явлений. Он исходил из представления о двух электрических и двух магнитных флюидах. Эпинус изложил свои результаты в 1759 году в трактате «Опыт теории электричества и магнетизма». Здесь он высказал мысль о том, что электрические и магнитные силы, подобно силам тяготения изменяются обратно пропорционально квадрату расстояния.

Новые силы Природы — электрические и магнитные — властно завоевывали умы исследователей, заставляя их ломать головы над решением увлекательнейшей проблемы.

НОВЫЙ ПУТЬ. ОТ НАБЛЮДЕНИЙ К ИЗМЕРЕНИЯМ

Первого успеха на новом пути исследования электрических и магнитных явлений достиг француз Ш. О. Кулон. Он был военный инженер, увлекшийся физикой. Он перешел от наблюдений к измерениям. Есть некоторое сходство между ним и Ньютоном. Их главные достижения основаны на исследованиях, лежащих за пределами работ современников.

Для Ньютона такой, пролагающей новые пути, областью явилась математика, в которой он совершил величайший рывок. Он сделал своим основным исследовательским оружием эксперимент и математическую обработку результатов эксперимента. Таким путем он создал механику — науку о силах и вызываемых ими движениях.

Для Кулона основой послужили блестящие, но лежащие в стороне от общих интересов, исследования кручения упругих нитей. Он закончил их в 1784 году, установив, что сила, необходимая для закручивания нити, зависит не только от свойств ее материала. Упругая нить, писал он, может служить основой для точного измерения силы потому, что сила, требуемая для ее закручивания, пропорциональна углу закручивания и вполне определенно зависит от размеров нити. Сила закручивания пропорциональна четвертой степени диаметра нити и обратно пропорциональна ее длине. Кулон воспользовался полученным результатом для создания нового измерительного прибора. Прибор состоял из легкого коромысла, прикрепленного за середину к тонкой нити, и шкалы для измерения угла поворота коромысла.

Самым точным прибором для измерения силы в то время были весы, поэтому Кулон назвал свой новый прибор, основанный на изучении кручения нити — крутильными весами. Название сохранилось до наших дней и навсегда останется в науке, ибо крутильные весы становятся все чувствительнее и точнее, и не уступают в этом большинству приборов.

Кулон начал применять крутильные весы для измерения трения между твердыми телами и жидкостями и установил закон, связывающий величину трения с вязкостью жидкости и со скоростью движения тела в жидкости.

Затем он применил крутильные весы для измерения малых электрических и магнитных сил. Это было первым шагом, превращавшим исследование электрических и магнитных сил в количественную науку, полностью соответствующую Ньютоновскому пониманию задач науки.

Так изобретения, сделанные в области механики, послужили фундаментом для развития знаний в области электромагнитных явлений.

Кулон начал с того, что закрепил на одном конце сделанного из шеллака легкого коромысла своих крутильных весов маленький, изготовленный из бузины и позолоченный шарик. Затем уравновесил его листком слюды, помещенным на другом конце коромысла. Листок одновременно служил для успокоения колебаний коромысла, тормозясь о воздух.

Кулон заряжал бузиновый шарик наэлектризованной стеклянной палочкой, ждал успокоения колебаний коромысла и отмечал по шкале положение его равновесия. Сделав это, он подносил на некоторое расстояние к бузиновому шарику другой шарик, заряженный одноименным электричеством. Затем приближал его вдоль линии, перпендикулярной к коромыслу, изменяя направление перемещения по мере поворота коромысла так, чтобы подносимый шарик двигался по дуге окружности.

По мере продвижения заряженного шарика электрические силы отталкивали бузиновый шарик, вызывая поворот коромысла. Дождавшись успокоения колебаний коромысла, он измерял расстояние между шариками и угол поворота коромысла. Тщательные измерения и простые вычисления показали, что сила отталкивания пропорциональна произведению электрических зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между центрами шариков.

Математическое выражение закона отталкивания одноименных электрических зарядов совпало по форме с законом тяготения. Кулон предполагал это. Ведь он был идейным наследником Ньютона. Но теперь гипотеза трансформировалась в опытный факт!

Труднее было с установлением закона притяжения разноименных зарядов. Как следовало ожидать, сила притяжения возрастала по мере сближения разноименных зарядов и иногда приводила к их соприкосновению.

Кулону все же удалось несколько раз уравновесить упругую силу подвеса крутильных весов и силу притяжения зарядов. Но положение равновесия было неустойчивым и расстояние быстро начинало изменяться в ту или другую сторону — действие электрического заряда и упругость нити подвеса конкурировали между собой.

Тогда Кулона осенила блестящая идея. Он придумал для измерения малых притягивающих сил способ, известный как «метод колебаний». Теперь не нужно стремиться к достижению равновесия. Кулон начал применять свои крутильные весы в качестве крутильного маятника и измерять зависимость периода его колебаний от действия силы, порождаемой близким заряженным шариком.

Здесь Кулон следовал Галилею. Галилей пренебрегал второстепенным. И Кулон понимал, что силу тяжести можно не учитывать. Ведь она направлена вдоль нити и уравновешена ее упругостью. Но сила упругости нити и инертная масса коромысла, взаимодействуя между собой, образуют колебательную систему — крутильный маятник. Для того, чтобы применять его для измерения внешних сил нужно, чтобы сила упругости нити была меньше измеряемой силы. Достаточно тонкие и длинные нити позволяют выполнить это условие.

Нужно еще, чтобы измеряемая сила была связана с периодом маятника по возможности простой зависимостью.

Галилей ограничивал свои опыты условием: величина колебаний маятника должна быть достаточно малой. В этом случае Галилей мог заменить синус угла отклонения в выражении периода колебаний маятника самим углом. Это же сделал Кулон. Он проводил опыты с малыми зарядами, когда силы их взаимного притяжения малы.

Выбирая заряды Кулон, по существу, добивался не малости зарядов, а малости вызываемых ими отклонений крутильного маятника.

Проверив выполнение своих требований, он слегка отклонял коромысло и наблюдал, как оно колеблется при отсутствии наэлектризованной палочки и при приближении на определенное расстояние заряженного шарика, находящегося на ее конце. Измерив период колебаний коромысла он вычислил его зависимость от величины зарядов и расстояния между ними и снова пришел к ожидаемому результату: сила взаимодействия разноименных зарядов пропорциональна произведению их величин и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Затем Кулон взялся за исследование магнитных сил. Мы знаем, что было известно Кулону: при намагничивании выявляют свое присутствие две магнитные жидкости. Они разбегаются к противоположным концам намагничиваемого стержня, образуя его противоположные полюсы.

Некоторые намагниченные предметы быстро лишаются магнитных свойств. Это происходит потому, что при удалении внешнего магнита их магнитные жидкости вновь перемешиваются и их магнетизм взаимно гасится. Другие намагниченные предметы остаются магнитами и после того, как вызвавший их намагничивание внешний магнит удален. Какая-то внутренняя сила неизвестной природы препятствует в них смешиванию разделенных магнитных флюидов. Мы сейчас называем силу, удерживающую намагниченный предмет в намагниченном состоянии, коэрцитивной силой.

Кулон знал, что силы взаимодействия полюсов магнитов подобны силам взаимодействия электрических зарядов: