Громоотвод Бенджамина Франклина

В середине XVIII столетия Америка с точки зрения развития наук чем-то напоминала Россию: находясь на периферии относительно научных центров Европы, она узнавала о новейших достижениях с опозданием иногда в несколько лет. Тем удивительнее успехи, которых удавалось достичь героям-одиночкам, таким как Михайло Ломоносов в нашей стране или Бенджамин Франклин по ту сторону Атлантики. Эти учёные во многом опередили представления не только современников, но и будущих поколений. Ломоносов вошёл в историю физики как основатель молекулярно-кинетической теории. Франклин более известен созданием молниеотвода и опытом с воздушным змеем, что несколько несправедливо, поскольку главным его достижением можно назвать унитарную теорию электричества, положения которой легли впоследствии в основание теории электроники. «Переток» предлагает вспомнить научные достижения выдающегося американца.

Рождение интереса

Удивительно, что у Франклина в его насыщенной событиями жизни вообще хватило времени на эксперименты с электричеством. Один из отцов-основателей США, соавтор Конституции и Декларации независимости этой страны, Франклин уже в зрелом возрасте буквально «заболел» электричеством. Случилось это, как предполагается, в начале 1740-х годов. На тот момент будущему символу стодолларовой купюры США почти исполнилось сорок, он занимал заметную должность почтмейстера Пенсильвании и был состоятельным издателем. В Филадельфию приехал гастролёр, демонстрировавший в числе прочего простейшие фокусы с электричеством, мода на которые в Европе уже начинала спадать. В арсенале фокусника были хорошо известные европейским физикам электростатическая машина и лейденская банка. Но Франклина чрезвычайно заинтересовала таинственная сила, которую, как он полагал, можно было бы, изучив, использовать на благо общества, а не только для эффектных фокусов.

В Америке в это время науки об электричестве как таковой не существовало. Чтобы приступить к исследованиям, Франклину требовался надёжный источник новых знаний в Старом Свете, и он его нашёл. Этим источником стал член Лондонского королевского общества, британский естествоиспытатель Питер Коллинсон. В 1747–1752 годы, которые Франклин почти полностью посвятил исследовательской деятельности, Коллинсон являлся главным адресатом научных писем американца. Именно они потом легли в основание славы Франклина как учёного. С 1753 года у Франклина уже не было времени заниматься наукой всерьёз: он был назначен главным почтмейстером всех колоний Северной Америки, а с началом войны за независимость полностью посвятил себя политической и общественной деятельности. Успех его дипломатической миссии в Европе, когда США удалось заручиться поддержкой Франции в борьбе с англичанами, во многом был обеспечен славой великого учёного, о котором знали европейцы.

Плюс и минус

В 1746 году Коллинсон прислал в Пенсильванскую библиотеку (основанную Франклином и ставшей первой публичной библиотекой в Новом Свете) «электрическую трубку», то есть электростатический прибор, с подробной инструкцией по эксплуатации. Изучив устройство машины, Франклин немедленно приступил к экспериментам, и в середине следующего года направил Коллинсону ответное письмо, изложив в нём – что поразительно – уже собственную теорию электричества, получившую впоследствии название унитарной и по истечении веков не утратившей своей научной значимости.

Один из опытов, описанных в этом письме Франклина, касался «стекания» электричества по острым предметам и заключался в следующем: на горлышко стеклянной бутылки помещался чугунный шарик, сбоку его касался другой, пробковый, шарик, подвешенный на шёлковой нити к потолку. При электризации чугунного шарика пробковый отклонялся. Поднесение к устройству заострённого лезвия на расстояние пяти дюймов приводило к тому, что «электрический огонь» перетекал в лезвие, а пробковая горошина возвращалась в исходное положение. Использование тупого предмета вместо лезвия давало тот же эффект только при самом близком расположении к наэлектризованному чугунному шарику. Само по себе «стекание» электричества по острым предметам уже было описано русским учёным Георгом Рихманом, правда, Франклин об этом не знал: сказывалась география. Зато помимо очевидного наблюдения за выходом «электрического огня» из одного предмета в другой Франклин делает ещё одно, не столь очевидное и сформулированное впоследствии как закон сохранения заряда.

К тому моменту в физике существовало несколько разрозненных теорий электричества. Преобладающей была дуалистическая теория, разработанная французским физиком Шарлем Дюфэ по итогам изучения явлений притяжения и отталкивания наэлектризованных тел. Она заключалась в представлении о существовании двух различных по природе видов электричества – «стеклянного» и «смоляного». Тела, наполненные одинаковым видом электричества, отталкивают друг друга, тогда как тело со «стеклянным» электричеством и тело со «смоляным» будут друг друга притягивать. Все имевшиеся в XVIII веке знания об электричестве подтверждали догадку Дюфэ. Но Франклин, проводя собственные эксперименты, пришёл к иному выводу. В частности, он поставил следующий опыт: один человек, стоящий на восковой подставке, натирал стеклянную трубку, затем другой человек, также изолированный от окружающих предметов, проводил по трубке рукой. При этом первый человек отдаёт свой заряд, а второй его получает. Это означает, сделал вывод Франклин, что отдавший заряд человек оказывается отрицательно заряженным, а получивший – положительно заряженным, но совокупное количество «электрического огня» (так на тот момент Франклин именует заряд) остаётся неизменным. В описании опыта в письме Коллинсону Франклин вводит обозначение «–» и «+» для каждого из заряженных тел. Эти символы навсегда вошли в теорию физики (другими устойчивыми терминами, автором которых является Франклин, стали «проводник», «конденсатор», «батарея», «заряд»). Но главным, конечно, стало создание унитарной теории электричества, в дальнейшем лёгшей в основу теории электроники.

Теория конденсатора и первый электродвигатель

Франклин был принципиальным сторонником экспериментального метода в физике, чем отличался от многих своих коллег, полагавшихся на теоретические выкладки и философские представления о природе вещей. Действенность экспериментального подхода была блестяще подкреплена серией опытов с лейденской банкой, позволивших Франклину вывести научно обоснованную теорию конденсаторов, активное применение которых началось лишь столетие спустя.

Как и многие учёные того времени, Франклин широко использовал в своём физическом кабинете недавнее изобретение голландца Питера Мушенбрука из города Лейдена, способное накапливать электрический заряд. Лейденская банка была чрезвычайно популярна и дала толчок многим электротехническим находкам, однако глубоко исследовать принцип её работы до Франклина никто не пытался. Учёного заинтересовало, какой именно элемент в конструкции банки отвечает за скопление «электрического огня» – стеклянная банка, наполняющая её вода или опущенный в воду металлический стержень. В письме Коллинсону от 1749 года Франклин подробно описал последовательность опытов, позволивших ответить на этот вопрос. Для начала экспериментатор вынул из наэлектризованной банки стержень, поднёс к банке руку и получил заряд. Первый вывод – стержень отводит электричество, но не накапливает. Затем Франклин перелил из наэлектризованной банки воду в другой, ненаэлектризованный сосуд. Заряд сохранился в первой банке, так был получен второй вывод: электричество накапливалось и не в воде. Далее учёный заинтересовался вопросом, имеет накопление заряда отношение к материалу лейденской банки или к её форме. Он взял обычное оконное стекло, наэлектризовал его и получил тот самый вывод, который лёг в основу создания конденсаторов: накопление электрического заряда является свойством диэлектриков. Простота и точность экспериментов Франклина покорили многих его современников, признавших в американце учёного первой величины.

Другое открытие Франклина, однако, не получило такого признания, причём не только у научного сообщества, но и у самого экспериментатора. В очередном письме Коллинсону Франклин описал электрическое колесо, способное вращаться под воздействием заряда. На заострённый стержень помещалось легчайшее колёсико с прикреплёнными к нему проволоками, концы которых были наклонены в одну сторону. При подключении устройства к электростатической машине наэлектризованное колесо начинало вращаться в противоположную сторону. Франклин не отнёсся к этому изобретению серьёзно, посчитав его очередным эффектным трюком с электричеством. Позднее «франклиново колесо» было признано первым прототипом электродвигателя.

Гром и молнии

Атмосферные явления также входили в сферу интересов Франклина. Не удивительно, что, наблюдая электрические разряды в лаборатории и молнии в небе, американский учёный пожелал установить, не связаны ли они. Первые выкладки Франклина носили теоретический характер: если электрический заряд способен сохраняться при переходе наэлектризованной воды в состояние пара (это подтвердили лабораторные опыты), то вполне возможно, что облака также способны переносить электрический заряд, который отдают, как только встречают тело с нейтральным или противоположным зарядом. Не имея ещё возможности экспериментально подтвердить это предположение, Франклин между тем сделал важный практический вывод – направленный в небо проводник с заострённым концом способен «снять» заряд, обеспечив безопасность окружающим домам или, если речь о море, кораблям. Лондонское королевское общество, куда Франклин направил соответствующий доклад, встретило идею упирающихся в небо стержней скептически, если не с насмешкой, и отказалось публиковать. Только в 1752 году французский естествоиспытатель Далибар перевёл труд Франклина об атмосферном электричестве, и в нескольких городах были установлены подобные проводники. Правда, и Далибар, и его последователи, поместили стержень на изолированные платформы. Это дало возможность жителям Марли весной 1752 года наблюдать во время грозы удивительное явление – разряды молнии между остриём проводника и землёй.

Сам Франклин провёл свой эксперимент с атмосферным электричеством лишь летом 1752 года. Этот опыт стал классическим и позволил Франклину достичь главной цели – доказать единство природы атмосферного, «естественного» электричества и генерируемых с помощью электростатических машин «искусственных» разрядов. Учёный запустил в предгрозовые облака воздушного змея на шёлковой нити. Заострённая проволока на змее снимала электрический заряд. До начала дождя это приводило к тому, что заряд скапливался на шёлковой бечеве, но как только наэлектризованная нить намокала, она начинала проводить электричество. Франклину удалось зарядить от бечевы лейденскую банку, что доказывало, во-первых, наличие электричества в грозовых облаках, а во-вторых, его тождественность разрядам электростатических машин.

Важным моментом в эксперименте было наличие заземления, а также возможность получить заряд ещё до начала грозовых явлений. Параллельно с американским учёным, но без связи с ним, в России проводили свои опыты с атмосферным электричеством Ломоносов и Рихман. В том же 1752 году они опубликовали результаты экспериментов с «громовой машиной», показавших электрическую природу грома и молний. А в 1753 году Рихман трагически погиб, приняв разряд молнии от незаземлённого проводника на себя. Этот случай был расценён религиозными современниками как кара за неуместное вмешательство в небесные дела. Опыты с атмосферным электричеством на некоторое время прекратились, причём не только в России, но и Европе, где установка молниеотводов даже являлась поводом для судебных исков.

При подготовке материала использованы: Кудрявцев П. С. «Курс истории физики», Радовский М. И. «Бенджамин Франклин: 1706–1790», М. Уилсон «Американские учёные и изобретатели».