История выдающихся открытий и изобретений (электротехника, электроэнергетика, радиоэлектроника)

ГЛАВА 4 Что такое молния и гром. «Электрический указатель» Рихмана и «громовая машина» Ломоносова и Рихмана. Вклад Франклина в изучение атмосферного электричества

Летом 1753 г. ведущие газеты России и Западной Европы опубликовали сенсационное сообщение: в Петербурге в своей домашней лаборатории трагически погиб от удара молнии известный физик – академик Г.В. Рихман (1711-1753).

Многие столетия молнии и гром, причину которых долго не знали, разрушали храмы и колокольни, убивали людей и животных, вызывая страх и ужас. Но смерть ученого, изучавшего эти загадочные явления, естественно, вызвала широкий общественный резонанс.

Современному читателю трудно поверить, что до середины XVIII в. среди физиков существовали диаметрально противоположные представления о природе атмосферного электричества. Гром вызывает молнию или, наоборот, молния вызывает гром? Какова природа грозы? На эти вопросы искали ответы ученые-естествоиспытатели разных стран.

В сочинениях многих физиков середины XVIII в., изучавших электрические явления, высказывались идеи о том, что молния – это гигантский разряд электричества в атмосфере, в тысячи раз превосходящий по силе электрические искры, наблюдавшиеся во время лабораторных опытов.

Важнейшим шагом на пути изучения электрических явлений в атмосфере был переход от качественных наблюдений к установлению количественных закономерностей и разработке основ теории электричества. Наиболее значительный вклад в решение этих проблем был сделан петербургскими академиками М.В. Ломоносовым и Г.В. Рихманом и американским ученым Б. Франклином.

Михаил Васильевич Ломоносов (1711-1765) явился в России основоположником изучения электрических явлений, автором первой теории атмосферного электричества. При его поддержке академик Г.В. Рихман первым «попытался подвергнуть измерению порождаемое в атмосфере электричество». Уроженец г. Пярну (Эстония) Рихман обучался в германских университетах в Галле и Иене, а с 1735 г. в университете Петербургской академии наук; с 1741 г. – он профессор академии. Исследованиями атмосферного электричества Рихман занялся в январе 1745 г. и вскоре разработал оригинальную установку с «электрическим указателем».

Рис. 4.1. «Электрический указатель» Рихмана:

1 – деревянный квадрант с делениями; 2 – металлическая линейка; 3 – металлический лист, 4 – льняная нить

Георг Вильгельм Рихман был первым ученым, создавшим измерительный прибор для определения интенсивности электрических зарядов в атмосфере, названным им «электрическим указателем» (1745). На деревянной подставке (рис. 4.1) вертикально укреплялась «металлическая линейка», соединенная с металлическим шестом. К линейке подвешивалась льняная нить длиною «в 2 ? лондонских дюйма», против нее укреплялся «деревянный квадрант» с делениями «на градусы». При поступлении зарядов на «линейку» нить отклонялась, и по отклонению наэлектризованной нити можно было судить о величине «электрической силы». «Указатель» Рихмана был первым в мире электроизмерительным прибором непосредственной оценки, прообразом современных электрометров. Совершенствуя свой прибор, Рихман сделал его переносным, соединив с лейденской банкой. Спустя несколько лет Рихман создал еще одну конструкцию прибора «с колокольчиком», который звоном фиксировал «присутствие громовой материи». Сохранился рисунок этого оригинального устройства, сделанный Рихманом. Рихман неизменно пользовался поддержкой и помощью М.В. Ломоносова, их связывала многолетняя дружба. Ломоносов успешно разрабатывал теорию атмосферного электричества, которую позднее изложил на заседании Академии наук.

Ломоносов и Рихман совместно соорудили первую в мире оригинальную стационарную установку для наблюдения и изучения атмосферного электричества, назвав ее «громовой машиной» (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Схема «Громовой машины»:

1 – электрический указатель; 2 – соединительная проволока; 3 – металлический шест на крыше дома

Важнейшей частью этой машины был электрический указатель Рихмана. На крыше дома устанавливался «молниеприем- ник» 3 – металлический стержень, соединенный проволокой 2 с электроуказателем 1. Нижний конец стрежня был опущен в стеклянный стакан, наполненный медными опилками, что обеспечивало изоляцию установки от земли. «Громовая машина» в принципе отличалась от «электрического змея» Б. Франклина и приборов других исследователей, так как позволяла наблюдать за изменениями количества электричества в атмосфере при любой погоде и при отсутствии грозы.

Летом 1753 г. Ломоносов и Рихман, используя «громовую машину», при огромном стечении народа на валу Петропавловской крепости успешно провели совершенно оригинальный эксперимент, чтобы доказать электрическую природу молнии и опровергнуть существовавшие ошибочные представления об атмосферном электричестве.

Газета «Санкт-Петербургские ведомости» (1753 г., № 45) подробно описала эти события, назвав результаты опытов «чрезвычайными». На валу была установлена «целая батарея пушек», гром выстрелов «сотрясал небо», однако «электрический указатель» ничего не показывал. Кроме того, когда «на горизонте тучи посредственной величины и темности, из которых надолгом примечании не видно было блеску, ниже грому слышно»; но «соединенный с выставленным на воздухе в высоте около шести саженей железным прутом указатель электрической силы показывал, что воздух оную в себе имеет, ибо нитка с висячего с нею железа чувствительно удалялась и за перстом гонялась». Далее газета писала: «Из сего наблюдения явствует, что электрическая сила без действительного грома быть не может. Если второе правда, то не гром и молния электрической силы в воздухе, но сама электрическая сила грому и молнии причина. Сие подтверждается тем, что электрическую силу искусством без грому произвести можно; напротив того, произведенный искусством гром электрической силы не показывает».

Годом ранее та же газета (1752 г., № 50), описывая эксперименты Ломоносова и Рихмана, утверждавших, что молния – это электрические разряды в атмосфере, сообщила: «Итак, совершенно доказано, что электрическая материя одинакова с громовою материею, и те раскаиваться будут, которые… доказывать хотят, что обе материи различны».

Выводы М.В. Ломоносова послужили одной из основ разработанной им теории атмосферного электричества. В сентябре 1753 г. на публичном собрании Академии наук «Рихман, – писал Ломоносов, – будет предлагать опыты… а я – теорию и пользу от оной происходящую».

Но Г. В. Рихману не суждено было дожить до этого события всего двух месяцев. Смерть ученого послужила поводом для нападок со стороны духовенства и реакционных кругов на ученых, стремившихся проникнуть в тайны природы; их опыты они называли «кощунственными» и требовали их прекратить. Они утверждали, что смерть Рихмана – это «наказание Господне за вторжение в область божью».

Первым в защиту Рихмана выступил М.В. Ломоносов. В письме «первому Куратору» Московского университета графу И.И. Шувалову он писал: «Умер господин Рихман прекрасною смертию, исполняя по своей профессии должность. Память о нем никогда не умолкнет… Между тем, чтобы… сей случай не был истолкован противу приращения наук, всепокорнейше прошу миловать науки».

Огромный научный авторитет Ломоносова и поддержка наиболее прогрессивных отечественных ученых позволила ему публично доказать недопустимость нанесения «ущерба престижу и славе» России. И в ноябре 1753 г. он выступил в Академии наук со своим знаменитым докладом «Слово о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих». В его докладе, произнесенном на русском языке (в отличие от многих академических докладов, излагавшихся либо на латинском, либо на одном из европейских языков), была изложена разработанная им строго научная теория атмосферного электричества, которая, по утверждению современных специалистов, в своей принципиальной основе соответствует представлению об этих явлениях и в наши дни.

Рис. 4.3. Автоматический прибор Ломоносова:

1 – металлический стержень с трезубцем; 2 – проволочная пружина, припаянная к металлическому кружку

Заметим, кстати, что Ломоносов подчеркивал, что в своей теории он «Франклину ничем не обязан», все у него «собственное и новое». В разработке этой теории Ломоносов ближе, чем кто-либо из его предшественников, подошел к современным теориям грозы. Небезынтересно отметить, что в целях более безопасных методов измерения «электрической громовой силы» Ломоносов разработал своеобразный автоматический регистратор максимальной величины грозового разряда (рис. 4.3). После удара молнии по прибору «сему увидеть можно коль велика была самая большая «громовая сила». Находящийся в трубке металлический стержень припаян внизу к «металлическому кружку». При ударе «электрическая сила… погонит кружок» из трубки вниз и увлечет за собой металлический стержень с трезубцем, преодолевая сопротивление «проволочной пружины», а «зубцы не допустят» возвращения стержня в исходное положение.

Хотелось бы отметить еще одно удивительное по своей, можно сказать, мудрости и человеколюбию предложение нашего выдающегося соотечественника. В первое время после изобретения Франклином громоотвода его обычно устанавливали состоятельные граждане больших городов на крышах высоких зданий. Но молния часто поражала людей, животных и разрушала «храмины» в малонаселенных сельских местностях или в поле.

Ломоносов, опираясь на многие известные факты, писал о громоотводах: «Такие стрелы на местах, от человеческого обращения отдаленных, ставить за небесполезное дело почитаю, дабы ударяющая молния больше на них, нежели на головах человеческих и на храминах силы свои изнуряла».

К сожалению, Рихману не суждено было продолжить свои пионерские исследования, он трагически погиб, когда ему едва исполнилось 42 года. В день своей гибели он пригласил в свою домашнюю лабораторию «академического гравера» И. Соколова для зарисовки опытов с атмосферным электричеством. И когда он приблизился к электрическому указателю «на расстоянии одного фута, прямо в его лоб ударил бледно-синеватый огненный шар». Возможно, это была шаровая молния. Попытки врача вернуть ученого к жизни оказались безуспешными.

Георг Вильгельм Рихман пожертвовал собой во имя науки, «научая других своим примером».

Бенджамин Франклин (1706-1790) – сын бедного бостонского мыловара, был пятнадцатым ребенком в семье. Но именно ему было суждено принести заслуженную славу всей династии Франклинов. Он рано начал трудовую жизнь, старался много читать и успешно занимался самообразованием. После долгих лет лишений он стал одним из образованнейших людей и крупным общественным деятелем, генерал-почтмейстером американских колоний, основателем Пенсильванского университета, активным борцом за независимость и создателем государства Соединенных Штатов Америки.

С большим увлечением он занялся изучением электрических явлений и сделал большой вклад в американскую и мировую науку.

В своем труде «Опыты и наблюдения над электричеством» (1747) он излагает разработанную им «унитарную» теорию электричества и опыты, доказавшие электрическую природу молнии.

В 1752 г. в Филадельфии он впервые произвел знаменитый опыт с воздушным змеем, которого он запускал при приближении грозовых туч. К крестовине змея он прикрепил заостренную проволоку, а к концу бечевки привязал ключ и шелковую ленту, которую держал рукой. «Как только, – писал Франклин, – грозовая туча окажется над змеем, заостренная проволока станет извлекать из нее электрический огонь, и змей вместе с бечевкой наэлектризуется. А когда дождь смочит змей вместе с бечевкой, сделав их тем самым способными свободно проводить электрический огонь, Вы увидите, как он обильно стекает с ключа при приближении Вашего пальца». Затем от ключа он зарядил лейденскую банку и произвел ряд опытов, убедительно доказавших полнейшее сходство электричества и молнии.

Французский священник Далибар, живший близ Парижа, прочитав книгу Франклина, в которой высказывалась мысль, что молния – есть электрический разряд, решил проверить на практике это утверждение. И в мае 1752 г., еще не зная об опыте Франклина со змеем, он продемонстрировал в своем саду толпе прихожан, как во время грозы, держа железный шест за бутылку, укрепленную на его конце, «получил из шеста несколько длинных голубых искр». А когда один из разрядов попал ему в руку, то он ощутил впечатление «удара кнутом».

Сообщая о своих опытах в Парижскую академию наук, Далибар писал: «Материя грома неоспоримо та же, что и электричество. Идея, высказанная Франклином, перестает быть загадкой и сделалась достоверным фактом».

Еще в 1747 г. Франклин впервые указывает свойство металлических остриев собирать электричество, а в 1749 г. он сооружает первый громоотвод. Внедрение громоотводов в быт больших городов пробивало себе дорогу с большим трудом главным образом из-за религиозных опасений. Сохранилось свидетельство о том, как в 1783 г. один из французов установил на своем доме громоотвод, чем вызвал волнение жителей города. Между властями и домовладельцем состоялся судебный процесс, который получил большую огласку и положил начало карьере блестящего адвоката, ставшего известным всей Франции. Имя адвоката было Робеспьер.

Постепенно громоотводы стали широко применяться. Первый в Европе громоотвод был водружен в 1760 г. на Эдистон- ском маяке. Несколько типов молниеотводов были созданы известным чешским естествоиспытателем П. Дивишем (1698- 1765). Ранее мы уже упоминали об оригинальных молниеотводах, предлагавшихся М.В. Ломоносовым. Первый громоотвод в России был установлен в 1772 г. на колокольне Петропавловского собора.