Громкие заголовки вроде Электричество - величайшее изобретение человечества" в некоторой степени вводят в заблуждение. Люди не изобрели электричество как таковое. Как минимум не стоит забывать, что в нас самих постоянно протекают токи. Ведь чтобы читать этот текст колбочки и палочки ваших глаз должны передавать информацию мозгу, он в свою очередь проводя импульсы через синапсы, должен обрабатывать визуальную и смысловую часть полученных данных и в нужный момент заставлять сжиматься мышцы пальцев, чтобы прокручивать текст ниже. Наличие электрического заряда – это вообще одно из фундаментальных свойств материи, а упорядоченное движение заряженных частиц – естественное явление возникающие при возникновении разности потенциалов. Но конечно неоспорим тот факт, что открытие электромагнитных явлений и основанные на них изобретения коренным образом повлияли на развитие и текущий облик человеческой цивилизации.
На текущий момент человеческая цивилизация неразрывно связана с электричеством. Порой мы даже не задумываемся о том, насколько мы зависимы от него. Телефоны, компьютеры и освещение - это только вершина айсберга. Современные системы водоснабжения и отопления немыслимы без использования мощных насосов. Без холодильников можете забыть о привычном изобилии и доступности многих продуктов питания. Большинство двигателей внутреннего сгорания не будут работать без свечей зажигания. Медицина в целом и фармацевтика в частности вряд ли смогут существовать на уровне выше начала ХХ века. Об исследовании дальнего космоса, спутниках и космических полётах даже не заикайтесь. И так практически с каждым аспектом нашей жизни.
Сможет ли человечество выжить без электричества? Конечно да. Жизнь эта будет не то что бы менее комфортной. Она просто будет другой. Если представить мир, где произошла только первая промышленная революция, по прошествии 250 лет, в нём мы увидим цивилизацию развившую газо- и гидродинамические системы. Здесь так же будут и многомиллионные города с газовым освещением, и машины с двигателями внешнего сгорания, и летательные аппараты, поднимающиеся вплоть до верхней границы стратосферы, и развитая сеть пневмопочты. Вместо компьютеров будут использоваться аналоговые вычислительные машины. Для быстрой передачи информации на дальние расстояния земля будет покрыта сетью оптических телеграфов. Найдётся место и ветрякам, которые будут обеспечивать движение механизмов и вырабатывать тепловую энергию.
Так, что там с электричеством?
Наши предки были знакомы с электрическими явлениями и магнетизмом довольно давно. Если заглянуть в прошлое и откинуть стадию поклонения устрашающей, непомерной силе, которая запускала с неба огненные стрелы, можно увидеть упоминание «Громовержцев Нила» в древнеегипетских текстах (около 3000 лет до н.э.), размышления древнегреческого философа Фалеса Милетского (VII – VI веках до н.э.) о магнитных свойствах веществ (в частности магнитной руды и натёртого янтаря), указания на парализующие свойства электрических скатов в «Естественной истории» Плиния старшего (77 г.н.э.)
Долгое время известные электрические и магнитные явления не имели практического применения. Только в первом тысячелетии нашей эры появляется упоминание компаса в книге китайского учёного Цзэн Гунляна «Собрание важнейшего из военных канонов» (1044 г.н.э.). Первый известный научный трактат об экспериментальных исследованиях свойств магнитов, «Послание о магните» Пьера Пелерена де Марикура, издаётся в 1269 году.
Исследования Уильяма Гильберта
Важным шагом в изучении электричества и магнитных явлений становится труд Уильяма Гильберта «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле» (1600г). В нём впервые разделяются понятия собственно магнетизма и так называемого «эффекта янтаря» позже названного статическим электричеством. Гилберт ввёл понятие электрический (от греческого названия янтаря — электрон (ἤλεκτρον)). Он же создал первый в мире электроскоп, и с помощью него наглядно продемонстрировал появление заряда при натирании не только у янтаря, но и ряда других материалов: алмаза, сапфира, стекла, сургуча и пр. Гильберт описал явление утечки электричества во влажной атмосфере и уничтожение статического электричества в огне, изолирующие свойства некоторых материалов и экранирующее действие ткани, бумаги и металлов.
В рамках опытов с естественными магнитами Гильберт продемонстрировал, что при разделении куска намагниченного железа на части каждая из них сама образует двухполюсный магнит, а также и то, что полюсы, которые он назвал одноимёнными, отталкиваются, а разноимённые — притягиваются. Им было показано, что железные предметы под влиянием магнита сами приобретают магнитные свойства, а сила магнита при тщательной обработке поверхности возрастает.
В своём трактате Гильберт предложил первое научное объяснение того факта, что стрелка компаса всегда указывает на север. Проводя опыт с обработанным в виде шара куском магнетита (который он называл «террелла» — от лат. Terra, «Земля»), он продемонстрировал, что помещённый на него компас ведёт себя так же, как при использовании для ориентирования в море. На этом основании Гильберт впервые выдвинул гипотезу о том, что Земля является гигантским магнитом, магнитные полюсы которого могут совпадать с географическими полюсами.
Первые шаги к практическому применению
В 1663 Отто фон Герике создаёт первый электростатический генератор, состоящий из серного шара, который вращался вокруг своей оси и приобретал заряд буквально натираясь руками
1720-е - Стивен Грей проводит опыты по передаче электрического разряда на расстояние, по сути выделяя среди веществ проводники и изоляторы
1730-е - Шарль Франсуа Дюфе обнаруживает два вида электрического заряда, позже получившим название положительного и отрицательного, и первым использует прибор для определения их величины
1745 - Питером ван Мушенбруком создаётся первый конденсатор (Лейденская банка)
1750-е - 1760-е – активно и независимо ведутся работы по изучению атмосферного электричества Жаком Рома, Бенджамином Франклиным и Михаилом Ломоносовым совместно с Георгом Рихманом (последний погиб в результате эксперимента во время грозы 6 августа 1753 года). Доказывается электрическая природа молний. Создаётся конструкция молниеотвода с молниеприёмником, токоотводом и заземлением
1774 - Жорж Луи Лесаж создаёт первый электрический телеграф. Прибор его состоял из 24 изолированных проволок, соединявших две станции. Сигнал создавался подключением одной из проволок к источнику напряжения (электростатической машине). Индикаторами сигнала служили электроскопы на другом конце
1785 - Шарль Огюстен де Кулон публикует свои работы об электричестве и магнетизме, в которых формулирует свой закон: сила взаимодействия двух точечных зарядов пропорциональна их величинам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. С этого момента изучение электричества переходит в категорию точной науки
1791 - Луиджи Гальвани публикует «Трактат о силах электричества при мышечном движении» заложив тем самым основы электрофизиологии
По пути ко второй промышленной революции
1800 - Алессандро Вольта изобретает вольтов столб – первый гальванический элемент (химический источник электрического тока, по сути «батарейку»)
Значение данного изобретения переоценить достаточно сложно. Хоть это был и не первый в своём роде искусственный источник электроэнергии, но в отличие от электростатических генераторов он был более компактен, прост в устройстве и масштабировании. Благодаря ему произошёл взрывной рост в изучении свойств электричества. Результаты работ постепенно начинают приобретать прикладной характер, ориентироваться на массовое потребление и получение прибыли, что в итоге вылилось во вторую промышленную революцию.
Далее будет отмечена только незначительная часть событий и открытий XIX века, которые кардинальным образом изменили облик нашего мира.
1803 год - физик Василий Петров получает электрическую дугу, создав для этого самый мощный в мире вольтов столб, составленный из 4200 медных и цинковых кругов. Напряжение такого источника могло достигать 1700 вольт. Правда стоит отметить, что о самом открытии стало известно только в 1887, до того первооткрывателем считался Хэмфри Дэви. Факт открытия стал известен после изучения монографии учёного, а величину напряжения экспериментально определили только в 1951
1820 - Ханс Кристиан Эрстедн обнаружил электромагнитное взаимодействие. Замыкая и размыкая цепь с током, он увидел колебания стрелки компаса, расположенной вблизи проводника
1821
- Ампер доказывает, что связь электричества и магнетизма наблюдается только в случае электрического тока и отсутствует в случае статического электричества
- Томас Зеебек открывает явление термоэлектричества (эффект Зеебека)
- Майкл Фарадей создаёт установку, являющуюся пращуром современных электродвигателей, в которой движение проводника с током вокруг постоянного магнита осуществлялось постоянно
1825 - Уильям Стёрджен создаёт электромагнит
1827 – Георг Ом публикует свою работу, в которой описывает связь между силой тока в цепи, напряжением и сопротивлением (закон Ома)
1830-е - Майкл Фарадей публикует серию статей «Экспериментальные исследования по электричеству», в которых описывает различные электрические и электромагнитные явления. В частности он:
- открывает явление электромагнитной индукции и по сути создаёт, основанный на этом явлении электрогенератор, а позже и трансформатор
- формулирует и опубликует законы электролиза
- описывает необычную температурную зависимость электропроводимости сульфида серебра, а позже открывает ещё 5 веществ с подобными свойствами, которые позже отнесут к полупроводникам
1834
- Б.С. Якоби создаёт электродвигатель с вращением рабочего вала (до этого были устройства с возвратно-поступательным или качательным движением якоря). Практические испытания были проведены уже через три года - мотор был установлен на речном судне
- Пельтье обнаруживает выделение и поглощение тепла при пропускании тока через спай разнородных металлов (Эффект Пельтье)
1843 – под руководством Б.С. Якоби протягивается телеграфная линия между Петербургом и Царским Селом (25 км). Годом позже (1844) Морзе строит телеграфную линию между Вашингтоном и Балтимором (64 км)
1857 - Генрих Гейслер создаёт первые газорязрядные трубки (Гейслеровы трубки) в которых в качестве источника света используется тлеющий разряд
1870-е в массовое потребление начинает входить электрическое освещение благодаря разработкам Павла Николаевича Яблочкова (дуговая лампа – свеча Яблочкова), Александра Николаевича Лодыгина (лампа накаливания), Томаса Эдисона
1876 - Александр Белл патентует телефонный аппарат
1880 – открыт прямой пьезоэлектрический эффект братьями Жаком и Пьером Кюри
1880-е – появляются первые общественные электростанции, вводятся в эксплуатацию электрические трамваи
1882 - Н. Н. Бенардос изобретает электрическую сварку
1895 – А.С. Попов демонстрирует радиоаппаратуру способную передавать и принимать сигнал на расстояние без проводов
1898 - Вальдемар Поульсен разрабатывает технологию магнитной записи информации на проволоку
По сути, к концу XIX века была получена почти вся наша база знаний об электричестве, которой мы пользуемся и поныне. Все последующие научные изыскания постепенно переходили в область высоких технологий. Исследование квантовых эффектов, разработка лазеров, проектирование микроэлектроники, создание условий для сверхпроводимости - всё это в большей и большей степени требовало ресурсов и знаний, которые выходили далеко за рамки возможностей и понимания среднестатистического человека, делая разрыв между ним и наукой почти непреодолимым.
С моей точки зрения, конец XIX век именно тем и интересен, что случись какой-то глобальный катаклизм (вроде сильной вспышки на Солнце, падения метеорита, ядерной зимы), который приведёт к сильному сокращению нашей популяции и падению уровня технологий, мы достаточно быстро сможем вернуться к этому (конца XIX века) уровню жизни, имея на руках образцы оборудования, базовые знания и логику. А вот дальше... дальше, возможно человечество пойдёт по другому пути. Но, надеюсь, узнать нам этого не придётся)