Сразу хочется отметить, что сам вопрос «кто изобрел электричество» звучит некорректно, так как его никто не изобретал. Электричество неотъемлемая часть физической сути нашего мира и люди лишь могли открыть это явление.
Но сам процесс открытия затянулся на тысячи лет. Долгое время человек не понимал, что это такое. Но уже в древности люди встречались с электричеством.
Мы не можем ответить на вопрос, кто изобрел электричество, но можем проследить путь открытия от первых попыток изучения древними людьми до создания первого источника постоянного тока.
Город Магнезия и первое изучение электричества
Так, первое знакомство человечества с электричеством возникло в городе Магнезия, древнем городе, расположенном на территории современной Турции, примерно в VI веке до нашей эры. В окрестностях города жители находили камешки, которые притягивали железную стружку и прочие мелкие металлические предметы. Такие камешки назвали «магнитами», подразумевая, что находили их в городе Магнезия.
Но помимо первой встречи с магнитами, было ещё одно обстоятельство, почему это место так важно для истории электричества. Воды реки, у которой был расположен город, выбрасывали на берег янтарь, который имел удивительное свойство — если его потереть шерстью, он начинал притягивать к себе разные мелкие тела, например, пылинки, ворсинки, соломинки.
И в V веке до нашей эры древнегреческий математик, философ Фалес Милетский начал изучать это явление. Кстати, янтарь на греческом «электрон» — оттуда и пошли корни слова электричество. Но так как явление было новое, не понятное, считалось, что есть в этом проявление сверхъестественных сил. С научной точки зрения было проведено мало исследований и не раскрыта суть явления.
И лишь в 1 веке до н.э. Лукреций Кар — поэт, философ, описал эти процессы с точки зрения науки того времени. Причем описал как истинный поэт — в виде поэмы «О природе вещей».
Электричество в медицине
В журнале Физик в гостях у биолога (No1/2015, Выпуски 1-2015) упоминается, что первое изучение электричества в медицинских целях произошло при наблюдении за электрическими рыбами. Так, например, с помощью электрического ската древнеримский медик, хирург и философ Гален проводил электротерапию некоторым больным. Он прикладывал живого ската к болевым точкам, и через какое-то время боль отступала. Его метод лечения был настолько успешен, что император Марк Аврелий назначил его своим личным врачом. Было это во II веке нашей эры.
Электричество в эпоху нового времени
На протяжении долгих столетий тема электричества особо никак не развивалась, пока Ульям Гильберт в XVI веке не начал изучать труды Лукреция Кара. Его заинтересовал «эффект янтаря» и он ввёл термин электричество. В своих работах он впервые разделил магнетизм и статическое электричество.
Гильберт провёл много исследований и в 1600 году издал шеститомный трактат «О магните, магнитных телах и большом магните — Земле«. Так было положено начало развития электричества в Европе.
Первая электрическая машина
Через пол-века Отто фон Герике (немецкий физик, инженер и философ) продолжил исследования Гильбера. Но, если Ульям Гильберт проводил свои исследования в основном с янтарем, то Герике создал первую электрическую машину в 1663 году. Выглядела она, конечно, по современным меркам, просто смешно и нелепо, но в то время это был научный прорыв. Что же представляла из себя машина Герике?
Расплавленной серой наполняли стеклянный сосуд, а после того, как масса застывала, стекло разбивали. Получался шар из серы, сквозь который пропускали железный прут и размещали в специальном зажиме, который позволял раскручивать этот шар с палкой. Шар начинал вращаться, к нему прислоняли руку, и от обычного трения он электризовался.
С помощью такого приспособления Отто фон Герике провел первые углубленные изучения статического электричества и доказал возможность передачи тока по проводнику — в его экспериментах в роли проводника выступала льняная нить. Именно льняная нить станет первым рукотворным проводником электричества у человечества. Тогда нить просто присоединялась к наэлектризованному шару и замерялось, на какой длине нитка перестает притягивать к себе пушинки.
Сам Герике не особо много времени посвящал изучению электричества, так как эта область была лишь одна из многих, в которых он ставил эксперименты. Так, например, он ставил опыты с вакуумом, создавал различные насосы, изобрел водяной барометр, доказал наличие давление воздуха, изучал астрономию. Поэтому, возможно, Отто фон Герике мог бы дать миру больше знаний про электричество, но разносторонность его натуры и интерес ко многим областям науки не дали сосредоточиться на чём-то одном.
Позже его опыты продолжили Иссак Ньютон и Франсис Хоксби. Заметив, что стекло так же может накапливать статическое электричество, они стали использовать стеклянные шары вместо серного. Какое-то время принцип работы машины не изменялся, но в начале XVIII века Хоксби стал использовать стеклянные трубки, которые он потирал рукой или тканью. Таким образом, стеклянные трубки сменили электрическую машину Герике.
Первые изучения проводников
Стивен Грей, британский астроном любитель, заинтересовался опытами со стеклянными трубками как «источниками электрической силы». Он сам провёл ряд опытов, но одно его наблюдение внесло прорыв в развитие электричества. Оно в какой-то мере повторило опыт Герике с льняной нитью, но так как Герике не придал этому должного значения, то оно и не получило соответствующего признания.
Сами стеклянные трубки с одной стороны закрывались пробкой, что бы в них не попадала пыль и грязь. Стивен Грей как-то заметил, что пробка тоже притягивает к себе пылинки. Поняв, что на неё передается заряд, он вскочил и бросился на поиски нового материала для подтверждения догадки. Схватив валяющуюся ветку на улице, он вернулся в лабораторию и вставил её в трубку. Эффект повторился! Тогда исследователь вставил в трубку пеньковую бечевку, а к другому концу веревки присоединил шар из слоновой кости. Потерев стеклянную трубку, он увидел, что к шару из слоновой кости стали притягиваться пылинки и прочие мелкие объекты — так же, как к стеклянной трубке. Итак, он смог передать электричество на расстояние.
Видимо, изначально Стивен Грей считал, что передача осуществляется за счёт гравитации, поэтому первые опыты он проводил, свешивая с балкона вниз всякие предметы на бечевке.
Позже он выявил, что распространение идёт не благодаря гравитации, и электричество так же может перемещаться в любом направлении. Кроме того, он сделал вывод, что электричество может перемещаться под любым углом бечевки, а не только по прямой.
Кроме того, в ходе экспериментов, он выявил, что на передачу электричества влияет не толщина, а в первую очередь материал проводника.
Все его дальнейшие опыты заключались в нахождении ответа на вопрос — Как далеко можно передать электричество? В 1730 году он смог протянуть нить на 270 метров и успешно передать заряд на это расстояние.
Так же, одной из заслуг Стивена Грея была в том, что он показал, что электричество можно передавать, не касаясь трубкой линии, а при помощи электростатической индукцией, держа трубку возле веревки.
Два вида электричества
В 1733 году, французский ученый Шарль Франсуа Дюфе систематизировал все знания по электричеству, накопленные к тому моменту. Опыты сообщали, что некоторые заряженные тела притягиваются, а некоторые отталкиваются, но какого-то исчерпывающего объяснения не существовало.
Учитывая, что Шарль Франсуа Дюфе изучил десятки разных экспериментов и трудов своих предшественников, ему не составило труда выявить, что существует два вида материй, каждое из которых, будучи наэлектризованным, притягивает к себе аналогичное и отталкивает другое. Вот что пишет сам Дюфе:
Существует два рода электричества. Один род я называю стеклянным электричеством, а другой — смоляным. Первый род получается (трением) в стекле, в драгоценных камнях, в волосах, в шерсти и т.д., другой – в янтаре, смоле, шелке и т.д. Существенное различие этих двух родов электричества состоит в том, что каждый из них отталкивает электричество того же рода, но притягивает электричество другого рода
Таким образом, Шарль Франсуа Дюфе обнаружил два вида заряда, которые позже Бенджамин Франклин назвал положительными и отрицательными зарядами.
Первый конденсатор, или Лейденская банка
Лейденской банка — первый конденсатор, который мог накапливать электрический заряд. Была открыта в 1745 году. Хотелось бы сразу отметить, что банка так названа не по имени изобретателя, а по названию города. Причем изобрели её два независимых исследователя примерно в одно и тоже время.
Первый исследователь, кто получил первый эффект накапливания — Эвальд Георг фон Клейст. Он назвал своё открытие «медицинская банка», но был незаслуженно забыт историей, так как в Лейденском университете профессор Питер Ван Мушенбрук более детально изучил это явления, сделав ряд опытов и представил банку научному обществу.
Началось всё с Эвальда Георга фон Клейста, когда он, желая зарядить гвоздь от электрической машины, положил его в банку из под медицинских препаратов и поднес к металлическому шару. Подержав некоторое время банку у работающей электрической машины, Клейст посчитал, что гвоздь уже достаточно зарядился. Держа одной рукой банку, другой он стал доставать гвоздь и получил ощутимый электрический удар. Клейст начал экспериментировать, наливая в банку разную жидкость — спирт, ртуть. Эффект продолжался. Таким образом, была найдена первая возможность накапливать электричество.
Есть версия, что слухи об открытии Клейста дошли до Лейденского университета. Как бы то ни было, если они и дошли, то в неверном виде, поэтому Питеру Ван Мушенбруку пришлось практически с нуля повторять этот эксперимент. Будучи профессором Лейденского университета, Мишенбрук искал пути накопления заряда, так как ему не нравилось, что электричество быстро исчезает и ограничивает опыты по времени. Мушенбрук считал, что если тела он будет окружать плохими проводниками, то они будут дольше сохранять заряд.
Таким образом, он налил воду в стеклянную банку и пытался передать туда заряд по медной проволоке от электрической машины, но ему это не удавалось. Держа одной рукой банку, другой он схватился за медную проволоку, что бы вытащить её и получил мощнейший электрический удар, о котором он вспоминал всю свою жизнь.
Доклад Питера Ван Мушенбрука произвел фуров в научном сообществе. Начались опыты, нацеленные на более емкое и длительное накопление заряда. Основной идей эксперимента было то, что он работал, только если банку держать рукой.
Уже позже было объяснено, что вода в банке выступала в роли одной пластины конденсатора, а рука в роли другой, тогда как стекло между рукой и водой было диэлектриком.
Изучение атмосферного электричества в России
Из России очень внимательно наблюдали за международными исследованиями электричества два великих русских ученых — Ломоносов Михаил Васильевич и Георг Вильгельм Рихман (русский физик немецкого происхождения). Примерно в тоже время, когда была изобретена лейденская банка, в России шла большая работа по изучению атмосферного электричества.
Как и Франклин (про него написано ниже), Ломоносов и Рихман в первую очередь пытались понять сущность молнии. Была изобретена «громовая машина», конструкция которая была описана в «Санкт-Петербургских Ведомостях» в 1752 году.
Из середины дна бутылки выбил он иверень* и сквозь бутылку продел железный прут длиною от 5 до 6 футов, толщиною в один палец, тупым концом и заткнул горло ее коркою. После велел он из верхушки кровли вынуть черепицу и пропустил туда прут, так что он от 4 до 5 футов высунулся, а дно бутылки лежало на кирпичах. К концу прута, который под кровлею из под дна бутылочного высунулся, укрепил он железную проволоку и вел ее до среднего аппартамента все с такой осторожностью, чтобы проволока не коснулась никакого тела, производящего электрическую силу. Наконец, к крайнему концу проволоки приложил он железную линейку так, что она перпендикулярно вниз висела, и к верхнему концу линейки привязал шелковую нить, которая с линейкой параллельно, а с широчайшею стороною линейки в одной плоскости висела…
*. (Иверень — осколок, кусок стекла. )
При помощи такой машины получалось заряжать лейденскую банку. Однако самую широкую известность, в том числе мировую, эти эксперименты получили после того, как во время грозы Рихман подошел очень близко к оборудованию и был убит шаровой молнией.
Франклин и молнии
Именно Франклин, продолжая труды Дюфе, ввел понятие положительный и отрицательный заряд, вместо «стеклянного» и «смоляного». Это названия используются до сих пор.
В 1753 году Бенджамин Франклин осуществляет свой знаменитый эксперимент с воздушным змеем. Суть эксперимента заключалась в том, что змей, выполненный из шелковой материи и имеющий в углах рамки железные острия, был запущен в небо во время грозы. Как и ожидалось, змей собирал электричество и передавал его по шелковой ленте, к концу которой был привязан ключ.
Франклин подробно описал принцип работы громоотвода, и предложил заострять громоотвод на конце, что бы устранить взрывчатость разряда, впечатленный гибелью Рихмана.
Электричество — это жидкость
Франклин считал, что электричество — это жидкость, которая содержится в каждом теле. Пока это жидкость в покое и в неизменном количестве, тело не проявляет электрические явления.
Но, если количество этой жидкости уменьшиться, то тело получит свойства отрицательно наэлектризованного. А если увеличится, то тело получит положительный заряд.
Теория Франклина не получила большой поддержки в научной среде того времени. Тем не менее, его вклад в развитие науки об электричестве бесценен.
Электричество становится точной наукой
Шарль Огюстен де Кулон был талантливый французский военный инженер, физик, член Парижской Академии наук. В 1784 году изобрел крутильные весы, которые позволили измерять силу электростатистического взаимодействия. Вошел в историю, как человек, в 1785 году сформулировавший закон, который перевел электричество в разряд точных наук. Позже этот закон получил его имя (закон Кулона).
Формулировка закона Кулона гласит:
Модуль силы взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению модулей этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними.
В 1881 году кулон был принят в качестве единицы измерения электрического заряда на первом Международном конгрессе электриков в Париже.
Гальванизм — мертвая лягушка дрыгает лапками
В 1771 году, ученый Луиджи Гальвани, препарируя лягушку, без задней мысли положил её рядом с работающей электрической машиной. Коснувшись скальпелем до нервов внутреннего бедра лягушки, в изумлении увидел, как начали сокращаться мышцы.
Так, случайное обстоятельства этого открытия, положило начало электрофизиологии. Луиджи Гальвани скрупулезно изучал это явление, что в 1791 году вылилось в «Трактат о силах электричества при мышечном движении». В честь его имени открытия, совершенные им, назвали гальванизмом
Основной идей Гальвани было то, что мышцы это естественная природная лейденская банка, способная накапливать заряд, который передается по нервам.
Если Гальвани преследовал исключительно научные цели, то его племянник, Джованни Альдини, увидел в этом возможность собирать аудитории и устраивать шоу.
Договорившись о том, что он может использовать тела казненных преступников, в целях демонстрации «животного электричества», он пропускал ток через трупы и зрители в ужасе видели, как уже умершие люди корчили гримасы, двигали руками и ногами.
Позже это легло в книгу Мери Шелли «Франкенштейн, или Современный Прометей».
Так все же кто изобрел электричество, или первая батарейка
Если допустить, что факт открытия электричества можно считать свершившимся, как только появился первый источник постоянного тока, то случилось это в 1800 году, когда итальянский физик и физиолог Алессандро Вольта представил своё изобретение — так называемые Вольтов столб.
Вольтов столб представлял из себя двадцать пар дисков из различных металлов, разделенными бумагой, смоченными растворами щелочи. Он генерировал постоянный ток и в мире благодаря этому изобретению, наступила новая веха в истории развитии человечества — эра электричества.
Алессандро Вольта пришел к своему открытию, внимательно изучая труды Луиджи Гальвани и воздействию электричества на нервы лягушек. Он догадался, что эффект достигается только при наличии замкнутой цепи, а содрогание лапок лягушки наблюдается только когда её касаются проволоками из разных металлов.
Проведя опыты в этом направлении, он выяснил, что лапки лягушки сокращаются тем сильней, чем дальше отстоят друг от друга два металла в следующем ряду: цинк, оловянная фольга, олово, свинец, железо, латунь и т.д. до серебра, ртути, графита. Если использовать два проводника одного типа, то никакого эффекта не наблюдается.
Таким образом, Вольта подошел к открытию разницы потенциалов, что и использовал при создании первого генератора постоянного так — Вольтового столба.
Генератор постоянного тока создал благоприятные условия для проведения тысячи новых опытов, и уже в 1802 году российский ученный Василий Петров продемонстрировал электрическую дугу, что приблизило мир к открытию электрического освещения.