О пионерских экспериментальных исследованиях токов
реклама
1 УДК: 537.8 О пионерских экспериментальных исследованиях токов проводимости. Ольшанский В.М. About early studies of conducting currents. Olshanskiy V.M. Экспериментальные исследования Генри Кавендиша, выполненные на электрических скатах, принципиально изменили представления физиков о специфике электрических явлений в проводящих средах. В публикации 1776 г. «Отчет о попытках имитации электрического воздействия ската Torpedo» Кавендиш впервые описал законы убывания электрического поля в воде, предложил идею использования картин линий тока, описал связь заряда конденсатора с его емкостью и напряжением, возникающим на обкладках, предложил процедуру количественного измерения емкости и процедуру сравнения сопротивлений проводников. Результаты некоторых из описанных Кавендишем экспериментов мы могли бы объяснить сегодня иначе. Это касается в первую очередь сопоставления двух вариантов моделей электрического ската – деревянной и кожаной, требующих учета эффектов, возникающих на границах твердых материалов и электролитов. Продолжение исследований Кавендиша на электрических угрях привели Вольту к созданию Вольтова столба, а Фарадея к окончательному решению вопроса о природе источника мощности в гальваническом элементе. Переход в физике от механических Ньютоновых сил к «живым» силам, т.е. к энергиям, сопровождался экспериментами с живыми объектами. С экспериментов Кавендиша, Вольты и Фарадея, связанных с электрическими рыбами, следовало бы отсчитывать историю малоизвестными электродинамики. отечественным Однако, специалистам. эти работы Восстановление остаются внимания к биологическим основам естественных наук представляется необходимым. Ключевые слова: Электродинамика, проводящие среды, линии тока, напряжение, заряд, емкость,электропроводность, Кавендиш, А.Вольта, М.Фарадей электрические рыбы, история физики, Генри 2 Experimental studies of Henry Cavendish made on the electrical rays Torpedo dramatically changed the views of the scientists about electric phenomena in conducting media. In his publication in 1775 “An account of some attempts to imitate the effects of the Torpedo by electricity.’ he was first who described the laws of decreasing electric field in the water, proposed the idea of currents lines. He was also first who described the relationship between capacity, voltage and charge. He suggested capacity measurement methodology and procedure for and the comparison of resistance of conductors. The results of some Cavendish’ experiments we could explain today otherwise. This applies primarily to comparing of two variants electric ray models - wooden and leather requiring accounting effects arising at the boundaries of solid materials and electrolytes. Volta who continued the Cavendish research had created a voltaic pile – first artificial current source. Then experiments with an electric eel were continued by Faraday. After them approach to the physical analysis was cardinally changed - physics moved to the analysis of "live" forces or energies instead of Newtonian mechanical forces. So the electrodynamics history should begin with Cavendish, Voltas and Faraday experiments on electric fish. However , these works are still little known domestic experts. Restoration of attention to biological fundamentals of natural sciences is obviously necessary. Key words: electrodynamics, conducting media, currents lines, voltage, charge, capacity, conductivity, electric fish, physics, Henry Cavendish, A.Volta, M.Faradey. 3 ВВЕДЕНИЕ: ПЕРВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЫБАХ Знание истории своей науки, проблем, приведших к её возникновению, пионерских идей и экспериментов очевидно полезно как для тех, кто только изучает её основания, так и для специалистов, регулярно возвращающихся к осознанию базовых идей. Между тем, история становления электродинамики представляется фрагментарной, переписанной задним числом. Более всего это относится к биологическим истокам её происхождения и к тем выводам, которые были сделаны на основе физиологических экспериментов, т.е. к работам Кавендиша, Гальвани, Вольты, Фарадея. Согласно учебникам по электродинамике складывается впечатление, что электродинамика возникла внезапно в 1820 году, когда Ганс Христиан Эрстед опубликовал «Опыты, относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку» [1]. В том же 1820 году опыты Эрстеда повторяет Андре-Мари Ампер и к 1826 году публикует «Теорию электродинамических явлений, выведенных исключительно из опыта» [2]. С этого времени развитие электродинамики идет очень бурно с активным участием известных ученых Старого и Нового Света. Однако, опыт Эрстеда настолько прост, что трудно избежать мысли о случайном везении. Любой человек мог первым обнаружить, что при включении тока магнитная стрелка отклоняется. При условии – у него должны были быть магнитная стрелка и источник тока. Магнитная стрелка была известна в Европе по крайней мере с XII-XIII веков, в Китае сильно раньше. А вот источник тока – вольтаический аппарат – появился только в 1801 году. Но его изобретению предшествовали исследования другого нерукотворного источника электрического тока – электрических органов электрических рыб. Благодаря замечательному историку науки итальянскому нейрофизиологу Марко Пикколино мы можем точно назвать, кто и когда первым написал слова «электрические органы» [3-5]. Это был английский естествоиспытатель Джон Уолш, выполнивший в 1772 году серию исследований механизма воздействий разрядов скатов Torpedo на людей и животных. До этих исследований предполагалось, что оцепеняющее действие ската связано либо с силами ада и концентрированным злом, либо с быстрым, не фиксируемым зрением механическим ударом. Однако в 1745-1746 году была изобретена Лейденская банка – конденсатор из тонкого стекла, обклеенный изнутри и снаружи металлической фольгой и заряжаемый от электрофорной машины. И появилось новое развлечение – пропустить через собственное или чужое тело электрический разряд, наблюдая за возникающими при этом ощущениями. Особенно забавно было составлять цепочки из взявшихся за руки людей, например сотен гвардейцев, и вызывать их одновременное подпрыгивание. В эти же годы 4 шло освоение Америки. Одним из чудес, обнаруженных на этом континенте, был Суринамский угорь или Гимнот, обладающий той же способностью, что и скат Торпедо, но в еще большей степени. Уже в 1757 г. французский натуралист Мишель Адамсон отметил сходство ощущений, возникающих при воздействии суринамского угря и лейденской банки, а также возможность передачи этих воздействий через металлические стержни. Далее электрическую гипотезу воздействия угря поддержал английский ученый Эдвард Банкрофт, отметивший, что не делает аналогичное заключение в отношении скатов Торпедо, поскольку не имеет возможностей их исследований [3]. За проверку гипотезы об электрическом характере воздействия скатов Торпедо взялся Джон Уолш. Исследования Джона Уолша и последовавшие за ними исследования Кавендиша, Вольты, Гальвани и Фарадея очень хорошо характеризуются словами Луиджи Гальвани в предисловии к его «Трактату о животном электричестве» [6, C.81]: “Тогда я зажегся невероятным усердием и страстным желанием исследовать это явление и вынести на свет то, что было в нем скрытого”. Этот дух невероятного усердия и энтузиазма испытателей природы эпохи Просвещения передан в статье М. Пикколино «Укрощение ската» [4]. Дневник экспериментов Уолша напоминает детектив, в котором каждая обнаруженная подробность ведет к новым поворотам расследования до тех пор, пока все детали не сложатся в целую картину и все самые скептические вопросы не получат объяснения. Особую симпатию в этих работах вызывает их ориентация не на узких специалистов, владеющих особой терминологией и математическим аппаратом, а на обычных разумных людей, опирающихся на логику причин и следствий. Это был театр науки с многочисленными домашними спектаклями. В детективе Джона Уолша главный подозреваемый – электрический разряд – имел все основания ожидать, что следователь будет посрамлен и не сможет собрать и предъявить внятных доказательств его причастности к действиям ската Торпедо. При воздействиях скатов ни один физический прибор ничего не показывал – ни искр, ни характерного сухого треска, ни притяжения или отталкивания тонких листков золотой фольги, ни поворота коромысла с бузинными шариками. Более того, электрики того времени неоднократно утверждали и подтвердили экспериментами, что внутри проводника неуравновешенного электричества быть не может. Это согласовывалось с законом обратного квадрата зависимости электрической силы от расстояния. Опыты Кулона к этому времени еще не были поставлены, а опыты Кавендиша не были опубликованы, но уже были опубликованы и признаны доказательства демонстрируемое Джозефа Пристли, согласно которым экспериментально отсутствие поля внутри проводящей полой сферы однозначно свидетельствовало о зависимости электрической силы обратно пропорционально квадрату 5 расстояния. Единственный «прибор», на показания которого мог опираться Уолш, – ощущение человеком электрического удара. Но на таком же ощущении держалась и Реомюровская гипотеза быстрого удара, особенно если это удар локтем о твердый предмет. Главным методом исследования оставалось только комбинирование различных цепей разряда из разного числа людей и предметов. При этом оказалось, что у участников экспериментов разная чувствительность к току. В первом же эксперименте, в котором сам Джона Уолш, его помощник Артур и некий жителя Ла-Рошели Сонье, взявшись за руки дотронулись до ската, – восторженный Артур четко ощутил разряд, а Сонье ничего не почувствовал. Более того, и в последующих экспериментах, когда Уолш научился ставить их наиболее эффективным образом, максимальная длина цепочки, в которой все участники хоть как-то воспринимали шок, составляла не более 7 человек. Удар заряженной лейденской банки могли одновременно воспринять сотни людей в цепочке. По сведениям Банкрофта удар электрического угря передавался через цепочки из десятков людей. В то же время разряд от ската можно ощутить на расстоянии от него, а разряд от заряженной лейденской банки при её погружении в морскую воду не ощущался. Какое же электричество сильнее: ската или лейденской банки? Источник электричества внутри рыбы был установлен в буквальном смысле слова наощупь – касаясь пальцами и ладонями различных участков тела рыбы до тех пор, пока не будет выявлено такое положение, при котором ощущение удара максимально. То, что Уолш назвал электрическими органами, представляло собой особую структуру, напоминающую пчелиные соты и состоящую из множества параллельных столбцов, каждый из которых был разделен на множество ячеек. По заключению Уолша эта структура должна была выполнять роль батареи Лейденских банок. Но, чтобы накопить заряд между обкладками Лейденской банки должен быть изолятор. Может ли существовать изолятор внутри мокрой насквозь рыбы? Проводит ли электрический орган одного ската электрический разряд другого ската? Эти вопросы также подверглись экспериментальной проверке. Но из факта, что один скат проводит разряд другого ската, не следовало, означает ли это, что электрический орган не содержит изолирующих промежутков. А с другой стороны, если в замкнутой цепи, проводящей электрические разряды, в качестве одного из участков используется тонкая металлическая фольга, то любой разрез, даже сделанный самым тонким кончиком ножа, полностью прекращал передачу разрядов. Как в любом классическом детективе в конце следователь собирает причастных и рисует перед ними полную картину событий, объясняя смысл каждого мелкого факта. Королевское научное общество Великобритании сочло убедительным положительный ответ Уолша на главный вопрос: «Является ли действие скатов Торпедо электрическим?» и в 1774 6 г. Уолшу была вручена престижная медаль Копли. Кстати, первая медаль Копли была присуждена в 1731 г. за электрические эксперименты Стефена Грэя, в которых было показано, что электричество передается по мокрым веревкам и металлическим проводникам. А за 20 лет до Уолша такая же медаль была вручена Бенджамину Франклину за его электрические работы, в которых было показано, что разряд молнии имеет ту же природу, что и разряд лейденской банки. Но, признавая электрическую природу разряда ската, надо было ответить на первоначальные вопросы физиков: «Почему электричество скатов так не похоже на электричество лейденских банок?». За ответы на эти вопросы, следовавшие из экспериментов и размышлений Джона Уолша, берется легендарный сэр Генри Кавендиш. ЭКСПЕРИМЕНТЫ ГЕНРИ КАВЕНДИША С МОДЕЛЬЮ СКАТА TORPEDO Про Генри Кавендиша, который сделал множество научных открытий в области химии и физики, в частности, первым «взвесил Землю», т.е. измерил гравитационную постоянную в законе всемирного тяготения, принято со вздохом сожаления указывать, что большинство его работ остались неопубликованными. Чаще всего при этом упоминают закон Кулона, который мог бы носить имя Кавендиша. Распространено мнение, что только публикация Джеймсом Клерком Максвеллом неопубликованных работ Кавендиша [8] сделала известными его идеи. Но к этому времени они якобы уже утратили новизну и были переоткрыты другими авторами в ходе естественного развития науки. На самом деле 17 публикаций в самом популярном научном журнале того времени - «Трудах королевского общества» - мягко говоря, не мало. Плюс регулярное личное участие Кавендиша в работе общества. Так что многие идеи Кавендиша были известны его современникам и оказали свое влияние на эволюцию научной системы взглядов. Это несомненно относится и к идеям, изложенным в опубликованной в 1775 г. статье Кавендиша «An Account of some Attempts to imitiate the Effects of the Torpedo by Electricity» («Отчет о попытках имитации воздействий Torpedo с помощью электричества») [7]. С этой публикации Кавендиша можно было бы отсчитывать историю изучения текущего электричества, т.е. историю электродинамики. Уместно спросить – почему с Кавендиша, а не с Уолша? Можно, конечно, и с Уолша, тем более, что ряд основных идей был высказан им, но формально работа Уолша по её цели – это ихтиология, а работа Кавендиша – это физика. Поэтому оставим историкам разбираться, какая из идей, названных ниже, была до этого высказана Уолшем, а какая Бенджамином Франклином. Важно, что это опубликовано еще до изобретения «вольтаического аппарата», до Эрстеда, до Ампера, до Фарадея. 7 Статья Кавендиша начинается словами [7, P:196]: «Хотя доказательства Mr.Уолша, что воздействие Torpedo вызывается электричеством таковы, что оставляют мало места сомнениям, пока следует сознаться, что имеются некоторые обстоятельства, которые на первый взгляд кажутся с трудом согласовываются с такой гипотезой. Я предлагаю поэтому исследовать действительно ли эти обстоятельства реально несовместимы с таким взглядом и дать отчет о некоторых попытках имитировать действия этих животных электричеством» Одна из первых рассматриваемых проблем [7, P:197]: «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». Указывается, что мнение многих физиков, что ток выбирает лишь самые прямые и легкие пути – ошибочно. Это можно показать экспериментами по шунтированию воздействия разряда лейденской банки на человека с помощью различных параллельных путей, например удерживаемых в руках длинных и тонких металлических проволок. Для оценки шунтирования необходимы данные об электропроводности различных веществ. Кавендиш указывает, что сопротивление железа в 400 миллионов раз меньше сопротивления дистиллированной воды, а сопротивление морской воды в 100 раз меньше сопротивления дистиллированной воды. Если сравнить эти цифры с современными данными, то легко видеть, что они занижены – разница между электропроводностью железа и электропроводностью дистиллированной воды не 8, а 11 порядков, между морской и дождевой – не 2, а 4 порядка. Однако для качественного объяснения получаемых эффектов эти цифры вполне пригодны. Более того, поразительно как вообще эти результаты могли быть получены экспериментально задолго до изобретения амперметров и формулировки закона Ома (Ампер родился через 2 дня после даты публикации этой статьи, а Ом на 14 лет позже). Кавендиш объясняет свою методику расчета шунтирующих влияний и предлагает конструкцию делителя электричества: Рис.1. Приспособление Кавендиша для ослабления воздействия электричества. 8 Его современное обозначение выглядит привычно для любого инженера: Рис.2. Резистивный делитель напряжения. Что касается заниженных значений, то, скорее всего, причиной ошибки стала поляризация электродов – явление, обнаруженное много позже изобретения вольтова столба. Идея, что ток течет по всем доступным путям, применима и к скату [7, P:199]: «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 рис.1 [см. здесь рис.3], где сплошные линии означают сечение тела ската, а пунктирные – направления электрической жидкости». Эти пунктирные линии, которые позже будут названы Фарадеевыми, привели Кирхгофа к его знаменитым правилам расчетов электрических цепей, а Максвелла к его знаменитым уравнениям. Рис.3. Иллюстрация Кавендиша линий тока при разряде ската Torpedo. Следующий принципиальный вопрос: какой из источников электричества «сильнее» скат или лейденская банка, заряженная от электрофорной машины? От лейденской банки мы наблюдаем длинные искры, её разряд воздействует на сотни людей, образовавших цепь. Разряд ската не проходит даже через самый тонкий 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 течет через морскую воду. Для объяснения результатов экспериментов Кавендиш пользуется двумя терминами: 9 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 в эксперименте, что длина искры не зависит ни от величины поверхности лейденской банки, ни от их числа при соединении в батарею, а только от силы, с которой они заряжены [напряжения]. А вот сила шока, ощущаемого экспериментатором, тем больше, чем больше банка или чем больше их число, если все они заряжены до той же силы [напряжения] – «сила шока определяется количеством протекшего электричества». [7, P:201]. Попутно демонстрируется, что при соединении в параллель 4-х банок, заряженных до одинаковой величины, сохраняется напряжение и они создают искру той же длины, что и одиночная банка. А при соединении двух заряженных банок и двух незаряженных – сохраняется суммарный заряд, но, поскольку число банок возросло, то напряжение, в случае, если все банки одинаковы, становится вдвое меньше, что легко проверить по величине искрового промежутка. Понятие «емкость» впрямую как отдельный термин не вводится, но, фактически, речь идет именно о соотношении U = Q/C. Более того, 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 мы бы описали это формулой С = εS/d. Кавендиш согласен с Уолшем, что электрические органы скатов можно представить как батареи лейденских банок. Емкость электрических органов гораздо выше, чем емкость лейденских банок, используемых в экспериментах. Насколько выше? Как и в чем измерить неизвестную емкость батареи лейденских банок подручными средствами XVIII века? Кавендиш предлагает – давайте в качестве меры использовать емкость эталонного конденсатора. Берем эталон, который нетрудно воспроизвести - плоский конденсатор площадью 100 квадратных дюймов и толщиной стекла между обкладками 55/1000 дюйма (1.4 мм). Настраиваем электрометр на измерение двух величин – некоего (не важно какого) напряжения U и половины этого напряжения. Половину напряжения получаем присоединением банки, заряженной до напряжения U к точно такой же незаряженной банке. На всякий случай все разряжаем, заряжаем вторую банку до такого же напряжения U и соединяем с первой. В качестве U/2 берем то, что соответствует среднему расхождению шаров. Поскольку емкость лейденской банки существенно зависит от толщины стекла, а стекло у двух примерно одинаковых цилиндров может быть не очень одинаковым по толщине, то вышеназванная предосторожность не представляется излишней. 10 Процесс измерения выглядит так: Заряжаем батарею, емкость которой мы хотим измерить, до напряжения U, контролируемого электрометром. Затем присоединяем эталонный конденсатор, чтобы он зарядился от заряженной батареи. Отсоединяем эталонный конденсатор и разряжаем его. Снова подсоединяем к батарее, чтобы он зарядился. Снова отсоединяем и разряжаем. Считаем, сколько раз мы должны так сделать, чтобы напряжение на батарее упало вдвое. Предлагаемый принцип пересчета полученного значения числа пересоединений в относительную емкость выглядит так: Пусть емкость батареи равна 1, а емкость эталона составляет x (x<<1) от емкости батареи. Физически понятнее было бы за 1 принять эталон, а за x неизвестную емкость, но тогда вычислений было бы больше, что в условиях отсутствия калькуляторов существенно. Когда мы присоединяем эталон к батарее то заряд остается тем же, а емкость увеличивается и становится не 1, а (1+x). Соответственно, если напряжение до присоединения было U, то после присоединения оно будет U/(1+x). После разъединения заряд, который остался на батарее составит 1/(1+x) от первоначального. На втором шаге напряжение составит U/ [(1+x)*(1+x)]=U/(1+x)2, на третьем U/(1+x)3 и так далее. Эту процедуру нужно повторять, пока суммарное напряжение не упадет вдвое. Допустим, для этого нам пришлось «отливать» заряд 11.25 раза. Далее величина x может быть найдена логарифмированием из уравнения [1/ (1+x)] 11.25 = 2. В записи Кавендиша уравнение до логарифмирования выглядит так: Рис.4 Уравнение, описывающее разряд конденсатора, в записи Кавендиша. Идея постепенного разряда конденсатора с помощью эталонного конденсатора малой емкости была предложена до Кавендиша – аналогичные манипуляции осуществлял в своих опытах Бенджамен Франклин. Что за процесс моделируется таким образом и описывается уравнениями Кавендиша? Как должно убывать напряжение на емкости после каждого шага такой процедуры? Зададимся какой-нибудь величиной x, например, x=14 и построим график в Excel. Раз уж мы считаем в Excel, то не будем останавливаться на точке U/2, а продлим число шагов. 11 1 0,5 0 0 10 20 30 Рис. 5. Кривая разряда конденсатора на фиксированную нагрузку Это кривая разряда конденсатора на фиксированную нагрузку. Уравнение этой кривой в наши дни принято писать в виде: Q = Q0 e-t/RC, где RC – постоянная разряда. С точки зрения математики это же уравнение можно записать и в том виде, как у Кавендиша – это одно и то же. Отсюда физический смысл процедуры измерения емкости, предложенной Кавендишем: при разряде двух разных конденсаторов на одну и ту же нагрузку емкость одного конденсатора во столько раз больше емкости второго, во сколько раз медленнее происходит процесс его полуразряда. 1 RC = 14 RC = 49 0,5 0 0 10 20 30 40 50 60 Рис.6. Кривые разрядов двух разных конденсаторов на одинаковую нагрузку. 12 Описав процедуру измерения емкости, Кавендиш возвращается к задаче оценки емкости электрических органов ската. Он изготавливает модель ската по форме и размерам соответствующую её природному аналогу: Рис.7. Модель ската Torpedo, изготовленная Кавендишем для имитации воздействий натурального ската. На нижней и верхней сторонах модели закреплены металлические пластины, имитирующие нижнюю и верхнюю поверхности электрического органа. Эта модель соединялась проводами с различными комбинациями лейденских банок, заряжаемых от электрофорной машины. Модель хорошо имитировала воздействие ската на человека на воздухе, в какой-то степени её воздействие можно было почувствовать при её погружении в пресную воду, но при помещении модели в морскую воду никаких электрических ощущений во время её разрядов не возникало. Даже батарея из 49 лейденских банок не обладала достаточной емкостью, сравнимой с емкостью ската. Кавендиш пишет [7, P:224]: «Как показал мистер Хантер каждый столбец, из которых состоит электрический орган, разделен тонкими мембранами на большое количество частей, толщина которых меньше 1/150 дюйма (0.17 мм), но как Хантер сообщил мне, толщина самих мембран еще меньше. Суммарный объем органа в рыбе толщиной 10.3 дюйма, соответствующей размеру модели, примерно 24.3 кубических дюйма. Соответственно, суммарная площадь всех частей 3700 квадратных дюймов (2.4 кв.м). [Конденсатор] площадью 3700 квадратных дюймов и толщиной стекла 1/150 дюйма (0.17 мм) вместит столько же электричества, сколько [конденсатор] площадью 30500 квадратных дюймов (19.7 кв.м) при толщине 0.055 дюйма (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 в нескольких случаях 13 используемое Кавендишем слово “glass” (стекло) было по смыслу заменено на современное слово [конденсатор], взятое в скобки. В статье описано две модели – одна, сделанная из дерева, а вторая – из слоев вымоченной в морской воде овечьей кожи. Кожаная модель гораздо лучше, чем деревянная, имитировала действие ската, при её погружении в воду. Кавендиш объясняет это тем, что в кожаной модели внутреннее шунтирование присутствует и при её извлечении на воздух, поэтому различие между эффектами, наблюдаемыми на воздухе и в воде для неё меньше. Однако, более вероятным представляется иное объяснение, почему кожаная модель оказалась заметно лучше деревянной. Сегодня, опираясь на опыт более чем двух веков широкомасштабного развития электрической науки, включая исследования электрических рыб, легко быть «умнее» Кавендиша и сопоставлять его оценки с тем, что «на самом деле». Дадим свою примерную оценку емкости ската и емкости батареи из 49 лейденских банок. Согласно современным данным ток во время разряда электрического ската Torpedo, составляет примерно I = 30 А, напряжение на органе U = 50 В, длительность единичного разряда – RC = 3 мс. Отсюда мы можем посчитать, что полное сопротивление цепи разряда R=U/I = 1.5 Ом. Емкость, необходимая для разряда длительностью 3 мс на нагрузку 1.5 Ом, C = RC/R = 2000 мкФ. Полный эквивалентный заряд на обкладках конденсатора в начале разряда Q = CU = 0.1 Кл Для батареи лейденских банок, не уточняя их размеры и толщину стекла, примем характерную емкость одной банки за 1000 пФ. Емкость батареи из 50 банок – 50 нФ. Пусть батарея заряжена от электрофорной машины аж до 50 кВ. Тогда мы получаем заряд на обкладках 0.025 Кл – это всего лишь в 4 раза меньше, чем оцененный выше заряд ската. Однако время разряда конденсатора 50 нФ на нагрузку 1.5 Ом составит только 75 наносекунд. Это соответствует различию емкостей в 40000 раз. Чтобы сделать конденсатор емкостью в диапазоне не пикофарады или нанофарады, а микрофарады или миллифарады, нужны конденсаторы иного типа – электролитические, где малая толщина промежутка между обкладками задается не толщиной изолирующей прокладки, а расстоянием между зарядами на металле и зарядами в электролите. Похоже, именно такой тип конденсатора получился при изготовлении модели ската из слоев мокрой кожи. Этим, может объясняться заметно более высокая эффективность кожаной модели по сравнению с деревянной. 14 М.ФАРАДЕЙ, ВОЛЬТОВ СТОЛБ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ УГОРЬ Исследования Кавендиша и Уолша были продолжены Вольтой и принесли ему славу известного физика еще до того, как он прочитал удивительный трактат Гальвани, изменивший ход истории человечества. Про спор Вольты и Гальвани и историю создания первого гальванического источника – Вольтова столба - написано много. Свою точку зрения на этот спор я изложил в статье «Неоконченный спор» [9]. Созданный Вольтой искусственный электрический орган, имитирующий натуральные органы угря и ската – или вольтаический аппарат – дополнил предложенную Кавендишем идею батареи сухих и мокрых проводников (кожаная модель ската) идеей гальванопары. Из экспериментов Гальвани Вольта сумел вывести, что простой контакт двух разнородных металлов вызывает электрические явления, однако для суммации напряжений почему-то нужно прокладывать металлы мокрыми тряпочками и только после этого их имеет смысл объединять в батареи. Гораздо меньше написано об истории спора Фарадея и Вольты – об источнике мощности Вольтова столба. Неужели простой контакт двух разнородных металлов действительно, как утверждал Вольта [1, C.279] «обладает бесконечным зарядом, постоянным импульсом или действием электрического флюида»? Вольтов столб оказался редким случаем, когда изобретение работало не в соответствии с физическими представлениями автора, а вопреки им. Ответ на вопрос о механизме действия вольтова столба затянулся на десятилетия. Окончательную точку в этом споре поставил Майкл Фарадей в своей статье « Об источнике мощности в гальваническом элементе» [11, С. 32-152]. Но этой работе Фарадея предшествовала другая серия работ, выполненная на электрическом угре. [11, С.11-31] При упоминании исследований Фарадея, выполненных на электрических угрях, отечественные историки науки «стесняются» назвать те цели, которые ставил перед собой Фарадей, приступая к данной серии опытов. Между тем Фарадей не только не скрывал этих целей при первой публикации статьи, но и принципиально ничего не изменил в тексте при перепубликации статьи в составе «Экспериментальных исследований». В предисловии ко второму тому Фарадей пишет [11, C.7]: «В этом томе я, как и ранее, напечатал свои статьи или с малыми изменениями, или совсем без изменений. Единственное сделанное мною исключение состоит в том, что вверху каждой страницы я поместил точную и правильную дату каждой статьи. К сожалению, я включил в том и такие статьи, которые имеют полемический характер, но ничего не мог сделать. Некоторые из них содержат много нового, важного и разъяснительного материала». 15 Том открывает статья «Заключение о характере направления электрической силы у электрического угря». Статья поступила 15 ноября, доложена 6 декабря 1838 г. Со времени изобретения Вольтова столба прошло 38 лет. С самого начала изложения текст крайне эмоционален [11, C.11]: «Как ни удивительны законы и явления электричества, когда они открываются нам в неорганической, или мертвой, материи, интерес их едва ли может итти в сравнение с тем, который присущ той же силе, когда она связана с нервной системой и с жизнью; и хотя мрак, который в настоящее время окружает вопрос, может пока что затмить и его значение, всякое продвижение в нашем знании об этой могущественной силе в ее отношении к инертным предметам помогает нам рассеять этот мрак и выявить более ощутимо чрезвычайный интерес этой важнейшей отрасли физической науки. В самом деле, мы находимся только на пороге того, что человеку дозволено знать об этом предмете; и те многие выдающиеся ученые, которые помогли выяснению этого вопроса, до самого последнего момента чувствовали, как это весьма очевидно по их высказываниям, что дело обстоит именно так». Общая проблема, о которой идет речь, обозначена совершенно определенно [11, C.1112]: «После того, как стало известно … существование животных, способных давать такие же сотрясения живой системе, как электрическая машина, гальваническая батарея и гроза, стало настоятельно необходимо установить тождество жизненной [living] силы, которою они обладают, с той, которую человек может возбудить у инертной материи и которая получила название электричества». Очень интересны ссылки на предшественников [11, С.12]: «С электрическим скатом это было выполнено в совершенстве; определено и направление тока силы общими трудами ученых: Уолша, Кэвендиша, Гальвани, Гардини, Гумбольдта и Гей-Люссака, Тодда, сэра Гэмфри Дэви, д-ра Дэви, Беккереля и Маттеуччи. С этой же целью производились опыты над угрем, и исследования Уильямсона, Гардена, Гумбольдта, Фальберга и Гизана пошли весьма далеко в доказательстве тождественности электрической силы у этого животного с электричеством, возбуждаемым обычными способами; два последних ученых получили даже искру». Обратим внимание на отсутствие ссылки на Вольту – к этому мы еще вернемся. Оставляю читателю возможность самому прочитать все, что касается особенностей содержания электрических угрей и экспериментирования с ними, методики экспериментов и полученных экспериментальных результатов. Хочу лишь обратить внимание на помощников Фарадея в этих экспериментах [11, C.14]: «С этим угрем при любезной помощи г. Брэдли из указанной Галлереи, г. Гассио, а иногда и других господ, как-то профессоров Даниеля, Оуена 16 и Уитстона, я получил полное доказательство тождественности его силы с обычным электричеством». Профессор Джон Фредерик Даниэль вошел в историю науки как изобретатель гальванического элемента Даниэля – стабильного химического источника тока. Ричард Оуэн – один из наиболее известных английских зоологов и палеонтологов, награжденный медалью Карла Линнея. Чарльз Уитстон – создатель первой действующей телеграфной линии в Англии и создатель мостового метода электрических измерения – моста Уитстона. Интереснее всего последняя часть статьи – обсуждения и выводы. Для Фарадея электрические органы угря – это «вид естественных приборов, при помощи которых мы, сможем приложить принципы действия и противодействия к исследованию природы нервного влияния» [11, C.27]. Разделяя «нервную силу», циркулирующую в нервной системе, и электричество, вырабатываемое в электрическом органе, Фарадей предполагает, что электрический орган – это «прибор, при посредстве которого животное проявляет нервную силу, переводя ее в электрическую» [11, C.28]. Если это так, то возможно ли обратное преобразование? Фарадей пишет [11, C.28].: «Мы имеем аналогию по отношению к теплу и магнетизму. Зеебек научил нас, как переводить теплоту в электричество; затем Пельтье недавно дал нам точное его обращение и показал, как обращать электричество в теплоту, включая оба возможные направления — тепло и холод. Эрстед показал, как переводить электрические силы в магнитные, а я имел счастье прибавить последнее звено полного круга, действуя в обратном направлении и переведя магнитные силы в электрические». Как осуществить обратное преобразование? Очень просто [11, C.30].: «Опыт, который я имею смелость предложить, состоит в следующем: если угорь или скат был утомлен частым действием своего электрического органа, то можно ли, пропуская через него токи, по силе подобные тем, которые он сам испускает, или другой степени силы, постоянные или прерывные и в том же направлении, как и те, которые он испускает, восстановить его способность и силы быстрей, чем если предоставить его естественному отдыху?». Как известно, предложенный опыт не мог дать положительного результата – пропуская ток через электрического угря, мы не можем пополнять его жизненные силы. Но продолжим, однако, цепочку рассуждений и вспомним об отсутствии ссылки на Вольту. Вольта не экспериментировал с угрями и скатами и этим объясняется отсутствие ссылки на него в начале статьи. Но в обсуждении нельзя было обойти молчанием вопрос об адекватности Вольтова столба как модели натурального электрического органа угря или ската. Вольта неоднократно утверждал, что он открыл тайну функционирования электрических органов угрей и скатов [10, P.430-431]: «С каким электричеством, с каким прибором следует сравнивать этот орган ската или электрического угря и т. п? С тем, который; я построил согласно новому началу электричества, открытому мною несколько лет назад и подтвердившемуся последующими опытами, особенно занимающими меня в настоящее время, а 17 именно: проводники в некоторых случаях являются также двигателями электричества, когда имеется взаимное соприкосновение двух проводников разной природы и т. д.; с прибором, который я назвал искусственным электрическим органом, по существу не отличающимся от природного органа ската, сходным с ним даже формой, как я уже указывал». Но если натуральный орган – это преобразователь «возвышенной» нервной силы в грубую электрическую, то откуда берет эту силу аналог электрического органа - Вольтов столб? Высасывает жизненную энергию из окружающего пространства? Или Вольтов столб не является адекватной моделью электрического органа? Почему Фарадей ушел от этих вопросов? А он никуда не ушел! Переворачиваем страницу «Экспериментальных исследований» и читаем следующую статью – «Об источнике мощности в гальваническом элементе»: [11, C.32] «Что является источником мощности в гальваническом элементе? — Этот вопрос в настоящее время имеет чрезвычайное значение для теории и для развития электрической науки. Мнения относительно этого различны, но самыми значительными являются два, из которых первое находит источник мощности в контакте, а второе — в химической силе. Спор между ними касается самых основных принципов электрического действия, ибо мнения настолько различны, что два человека, соответственно принявшие их, принуждены в дальнейшем расходиться по всем пунктам, относящимся к возможной и глубокой природе агента, или силы, от которой зависит явление гальванического элемента» И тут же ссылка на Вольту[11, C.32]: «Теория контакта принадлежит Вольте, великому изобретателю самого элемента; с его времени она поддерживалась целым сонмом ученых, среди которых в последнее время стоят такие люди, как Пфафф, Марианини, Фехнер, Замбони, Маттеуччи, Карстен, Бушарда, а в отношении возбуждения мощности,— сам Дэви; все— яркие звезды в высоких сферах науки.» Через 38 лет после создания Вольтова столба нужно было, наконец, поставить точку в принципиальнейшем споре, в котором «сам Дэви» - учитель Фарадея, оказался сторонником неверной системы взглядов. В подтверждении химической природы источника мощности Фарадей приводит огромное, кажущееся избыточным, количество экспериментальных данных. Но можно предположить, что он сам сделал свой окончательный выбор, экспериментируя с угрем. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Знакомство с первоисточниками пионерских работ по электродинамике показывает, что биологические начала способствовали формированию новых физических представлений об электричестве не в меньшей степени, чем математические. Первоначальное тесное сотрудничество естествоиспытателей с широкими интересами, не ограниченными конкретной научной специализацией, было чрезвычайно плодотворным для совместного становления всех естественных наук – и физики, и химии, и биологии, а также для самых 18 разных выходов в практику. Сегодня биологические проявления электричества, даже такие важные и интересные как механизм передачи нервных импульсов по нервным волокнам, полностью исключены и из школьных и из ВУЗовских программ. Разнообразные электрические проявления живых систем фактически отданы так называемой альтернативной науке. Исключение биологических оснований из преподавания физики представляется особенно негативным в инженерных науках. Перед инженером- разработчиком стоят вопросы не только типа «как сделать?» требующие (и то далеко не всегда) строгих расчетов, но и вопросы «почему из разных вариантов следует отдать предпочтение этому?» или «зачем мы это делаем?». Методологии получения ответов на вопросы «почему?» и «зачем?» в физико-математических науках принципиально нет. Она есть в биологии, в эволюционной теории, одной из главных доктрин которой является доктрина утилитарности. Восстановление внимания к биологическим основам естественных наук представляется необходимым. Работа поддержана грантами Государственного Фонда Естественной Науки Китая (ГФЕН)(612111070) и РФФИ (13-05-91165-ГФЕН_а) Литература: 1. Голин Г.М., Филонович С.Р. Классики физической науки, Москва, Высшая школа, 589 с. 2. Ампер А. М. Электродинамика. — М.: АН СССР, 1954. — 492 с. 3. Finger, S., Piccolino M. The Shocking history of electric fishes. Oxford University Press, 2011, 470 p. 4. Piccolino M. (2007) "The taming of the electric ray : from a wonderful and dreadful “art” to “animal electricity” and electric battery” in "Brain, mind, and medicine: Essays in 18th century neuroscience", H. Whitaker, C.U.M. Smith & S. Finger (edrs), Springer, Berlin. 5. Piccolino M., Bresadola. Drawing a spark from darkness: John Walsh and electric fish // Trends in Neurosciences. 2002. V. 25. P. 51–57. 6. Гальвани А., Вольта А. Избранные работы о животном электричестве. - М.; Л.: ОГИЗ, 1937. 430 c. 19 7. Cavendish, H. (1776) An account of some attempts to imitate the effects of the Torpedo by electricity. Philos. Trans. Roy. Soc. 66, 196-225 8. Cavendish, Henry. The Electrical Researches of the Honourable Henry Cavendish. Cambridge: Cambridge University Press. 1879 – edited by James Clerk Maxwell 9. Ольшанский В.М. Алессандро Вольта и Луиджи Гальвани: неоконченный спор.// «Наука ижизнь», 2004, № 12, С. 102-109. 10. Volta A. On the Electricity excited by the mere Contact of conducting Substances of different Kinds // Philosophical Magazine, 1800, P.403-431 11. Фарадей М. Экспериментальные исследования по электричеству Т.2. 1951 Изд-во АН СССР. 538 с. Ольшанский Владимир Менделевич д.ф.-м.н., с.н.с. ИПЭЭ РАН 119071 Москва, Ленинский прспект, 33, домашний адрес 117133 Москва, ул.академика Варги, д.40, кв.181. Тел. +7-916-533-92-83, домашний телефон +7 495 3395694, сл. Тел. +7 4991359745. e-mail: [email protected] Olshanskiy Vladimir M. IPEE RAS 119071 Moscow, Leninskiy st. 33, home: 117133 Moscow, acad. Vargy st., 40-181. Tel. +7-916-533-92-83 (m), +7 495 3395694 (h), +7 4991359745 e-mail: [email protected]