Удивительная физика

Автор часто проделывал в детстве увлекательнейший опыт по электризации стекла, который вычитал из старого, дореволюционного учебника по физике Ф. Цингера 1905 г. издания. На книги толщиной 3 – 4 см кладут стекло, а под него на стол насыпают мелкие кусочки бумаги. Иной раз эти кусочки вырезают в форме прыгунов, балерин, зверей. Стекло энергично растирают сухим кулаком или куском замши, и, если воздух в комнате достаточно сух, через пару минут бумажки-прыгуны под стеклом начинают подлетать вверх, прилипать к стеклу, падать, снова подскакивать и так до тех пор, пока натирают стекло (рис. 300). Тот, кто проведет этот опыт самостоятельно, получит большое удовольствие!

Но тут выяснилось, что «противоречия» имеются не только между янтарем и магнитом, но и между электриками тоже.

Французский ботаник Шарль Дюфе, как и древние ученые, заметил, что некоторые предметы притягивались к натертому янтарю, но одновременно отталкивались от натертой, т. е. наэлектризованной, стеклянной палочки. Самое удивительное было то, что одни и те же тела могли отталкиваться от янтаря и притягиваться к стеклу! Не в состоянии никак объяснить это явление, Дюфе предположил, что существуют два вида электричества. Один из них, возникающий при натирании янтаря (застывшей смолы) Дюфе назвал «смоляным», а другой, связанный с натиранием стекла, – «стеклянным». Ученые повторили опыты Дюфе и вынуждены были согласиться с ним, хотя и не поняли, как это одни и те же явления вызываются разными видами электричества.

И вот знаменитый американский физик (он же известный политический деятель США – его портрет вы можете видеть на 100-долларовой банкноте) Бенджамин Франклин (1706—1790) ставит свой опыт, позволивший решить этот запутанный вопрос. Опыт состоял в следующем.

Два человека, находящиеся друг напротив друга, изолировались от пола не проводящими ток восковыми пластинками. Затем один из них получал заряд электричества, натирая стеклянную трубку, а потом эту трубку брал другой человек и снимал с нее заряд на себя. При этом оказывалось, что оба участника опыта наэлектризовались разными видами электричества, хотя стекло могло производить лишь один его вид. При прикосновении друг к другу участников между ними пробегала искра, и заряд исчезал совсем.

Франклин объяснил это явление так. Тело, содержащее «стеклянное» электричество, заряжено избытком некоторой материи (или, по определению Б. Франклина, флюида), а телу, содержащему «смоляное» электричество, этого флюида не хватает. Человек, натирая стеклянную трубку, отдавал свой флюид, а снимавший заряд – получал его. Поэтому при соприкосновении тел флюид перетекает в виде искры от одного тела к другому, выравнивая количество флюида в них.

Объяснение это было в принципе верным, только «флюид» сейчас называют электронами, избыток которых, кстати, оказался в «смоляном» электричестве, а недостаток – в «стеклянном». Перетекания электрического заряда с одного тела на другое – это переход электронов от одного тела к другому. Когда их переходит мало – это маленькая искорка, когда много – грозная молния. Недаром электричество в старину называли грозовой материей.

Смерть пришла с облаков

Предположив, что электрическая искра и молния – одно и то же, американский физик Б. Франклин подробно описал, как провести опыт, доказывающий это.

Надо было поднять повыше к грозовым облакам металлический стержень, приближенный к другому стержню, заглубленному в землю. Так и поступил, по описанию Франклина, француз Далибар. На горе города Марли он установил длинный стержень и во время грозы 10 мая 1752 г. «извлек» из грозового облака довольно большую электрическую искру. И синий цвет искры, и запах озона были такими же, что в экспериментах с электрическими искрами.

Интерес к опыту был настолько велик, что спустя лишь неделю его смотрел не кто иной, как король Франции.

Сам Франклин произвел свой опыт, доказывающий электрическое происхождение молнии, месяцем позже – в июне 1752 г. Описание этого классического опыта, чтобы избежать неточностей и искажений, приводим, цитируя знаменитого французского астронома Камилла Фламмариона по его книге «Атмосфера», изданной в 1900 г. [49].

«Франклин, действительно, возымел дерзкую мысль искать молнии в облаках, так как убедился еще предварительно, что остроконечный металлический шест, поднятый на большую высоту, привлекает электричество из грозовой тучи. Он с большим нетерпением ждал постройки высокой колокольни в Филадельфии; но, наконец, это ему надоело, и он решил попробовать другое средство, более подручное и не менее действенное. Так как дело было только в том, чтобы поднять металлическое острие на большую высоту, к самым грозовым облакам, то Франклину пришло в голову, что простой бумажный змей, которым играют дети, вполне и с выгодой может заменить собою колокольню. Взяв с собой поэтому шелковый платок, две крестообразно связанные палочки и длинную веревку, он вместе с сыном отправился за город попытать счастья. Из опасения быть осмеянным, как это всегда случается при неудачах, он хранил свое предприятие в строгой тайне. Пустили змея. Многообещавшие облака, которые в это время проходили, не произвели никакого эффекта. Все было покойно – ни искры, никаких проявлений электричества. После долговременного ожидания, однако же, волокна веревки стали то подниматься, то опускаться, как бы притягиваемые и отталкиваемые. Ободренный этим, Франклин подставил палец к концу веревки и получил искру, за которою последовали другие. Таким образом, в первый раз гений человека поймал молнию».

Мысли Франклина об электрическом происхождении молнии настолько увлекли современников, что опыты по извлечению молнии с облаков стали проводиться повсеместно.

Французский чиновник де Рома в том же июне 1752 г., ничего не зная об опыте Франклина, повторил его, причем поступил еще правильнее (но и опаснее!). Он проложил в веревку своего воздушного змея тонкую железную проволоку длиной 260 м и получил очень большие искры. Во время грозы эти искры были настоящими молниями. «Представьте себе, – писал он, – языки пламени в 9 – 10 футов длины в 1 дюйм ширины, сопровождаемые звуком, похожим на пистолетный выстрел!»

Как тут никого не убило – просто диву даешься! А ведь при опытах было много зевак. Один раз де Рома был даже опрокинут сильным разрядом, но жив остался.

А вот российскому ученому, члену Петербургской академии наук, другу Ломоносова Г. В. Рихману не повезло – он был убит разрядом, пришедшим с облаков. Он провел в свой кабинет с крыши дома изолированный железный шест, конец которого упирался в пол, будучи вставленным в стеклянный сосуд. Рихман ежедневно измерял напряжение на этом шесте. 6 августа 1753 г. во время сильнейшей грозы он стоял неподалеку от места, избегая крупных искр и проводя измерения. Вдруг в комнату вошел его знакомый; желая оградить его от приближения к смертоносному шесту, Рихман сам приблизился к нему на недозволенное расстояние. По описанию знакомого, из шеста вырвался огненный шар синеватого цвета, который ударил ученого в лоб и убил его. Заряд вышел через ногу Рихмана, пробив туфлю. Эта ужасная сцена изображена на старинной гравюре (рис. 301). Еще в древности люди пытались отвести от себя удары молний. Жрецы Древнего Египта ставили возле храмов обитые медью высокие шесты. Храм Мединет-Абу, например, еще при Рамзесе Третьем имел громоотвод из золотого стержня на высоком шесте. Знаменитый храм в Иерусалиме еще 1 500 лет назад снабдили для той же цели кольями в крыше. Но неграмотно выполненные громоотводы только увеличивали опасность удара молнии. Металлический стержень громоотвода должен быть очень хорошо заземлен, чего древние не могли знать.