Ирина Радунская – Квинтэссенция. Книга первая (страница 24)

Здесь Кулон следовал Галилею. Галилей пренебрегал второстепенным. И Кулон понимал, что силу тяжести можно не учитывать. Ведь она направлена вдоль нити и уравновешена ее упругостью. Но сила упругости нити и инертная масса коромысла, взаимодействуя между собой, образуют колебательную систему — крутильный маятник. Для того, чтобы применять его для измерения внешних сил нужно, чтобы сила упругости нити была меньше измеряемой силы. Достаточно тонкие и длинные нити позволяют выполнить это условие.

Нужно еще, чтобы измеряемая сила была связана с периодом маятника по возможности простой зависимостью.

Галилей ограничивал свои опыты условием: величина колебаний маятника должна быть достаточно малой. В этом случае Галилей мог заменить синус угла отклонения в выражении периода колебаний маятника самим углом. Это же сделал Кулон. Он проводил опыты с малыми зарядами, когда силы их взаимного притяжения малы.

Выбирая заряды Кулон, по существу, добивался не малости зарядов, а малости вызываемых ими отклонений крутильного маятника.

Проверив выполнение своих требований, он слегка отклонял коромысло и наблюдал, как оно колеблется при отсутствии наэлектризованной палочки и при приближении на определенное расстояние заряженного шарика, находящегося на ее конце. Измерив период колебаний коромысла он вычислил его зависимость от величины зарядов и расстояния между ними и снова пришел к ожидаемому результату: сила взаимодействия разноименных зарядов пропорциональна произведению их величин и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Затем Кулон взялся за исследование магнитных сил. Мы знаем, что было известно Кулону: при намагничивании выявляют свое присутствие две магнитные жидкости. Они разбегаются к противоположным концам намагничиваемого стержня, образуя его противоположные полюсы.

Некоторые намагниченные предметы быстро лишаются магнитных свойств. Это происходит потому, что при удалении внешнего магнита их магнитные жидкости вновь перемешиваются и их магнетизм взаимно гасится. Другие намагниченные предметы остаются магнитами и после того, как вызвавший их намагничивание внешний магнит удален. Какая-то внутренняя сила неизвестной природы препятствует в них смешиванию разделенных магнитных флюидов. Мы сейчас называем силу, удерживающую намагниченный предмет в намагниченном состоянии, коэрцитивной силой.

Кулон знал, что силы взаимодействия полюсов магнитов подобны силам взаимодействия электрических зарядов: для одноименных магнитных полюсов это силы отталкивания, для разноименных — силы притяжения. Он предполагал, что математическая форма зависимости этих сил от величины «магнитных зарядов» и от расстояния между ними такая же как у электрических зарядов.

Это следовало проверить опытом. Путем измерения величины силы при помощи крутильных весов.

Возникало, однако, затруднение. Его можно было предвидеть. Ведь магнитные полюсы невозможно изолировать. Мы знаем, что об этом, как об известном, писал еще в 16-ом веке Перегрино. Сломав магнит, ты получишь два меньших магнита, каждый с обоими полюсами.

Естественно, что при приближении одного магнита к другому они одновременно будут испытывать отталкивание одноименных полюсов и притяжение разноименных.

Можно ли предвидеть результат?

Конечно. Если оба магнита подвешены на длинных тонких нитях, образующих крутильные весы, эти магниты прежде всего начнут поворачиваться. Как? Так, чтобы пары разноименных полюсов, которые в первый момент ближе между собой, повернулись друг к другу. После этого магниты сблизятся и соприкоснутся этими противоположными полюсами, если нити укреплены достаточно близко одна от другой.

Произойдет маленькое чудо. Вместо двух отдельных магнитов возникнет один с двумя разноименными полюсами на концах. В месте соприкосновения невозможно обнаружить два разноименных полюса. Они исчезнут. Их невозможно обнаружить и при помощи третьего вспомогательного магнита.

Подумаем, как Кулон вышел из этого затруднения.

Попытки установить величину силы магнитного взаимодействия расчетным путем приводили к огромным трудностям. Ведь истинное распределение магнитных флюидов внутри магнитов неизвестно.

Кулон проявил здесь остроумие экспериментатора, достойное Галилея. Он изготовил пару тонких длинных магнитов с шариками на концах и представил их себе, как магнитную гантель — аналогичную гимнастическому прибору: паре шаров, соединенных тонкой перекладиной. Он предположил, что магнитные флюиды, подобно разноименным магнитным зарядам, полностью сосредоточены в центрах шаров.

Теперь остается следовать указанию Галилея: оставить главное и пренебречь второстепенным.

Нужно представить, что две гантели сближены разноименными полюсами, но не до соприкосновения. Тогда взаимодействие между этими полюсами будет велико. Они будут сильно притягивать друг друга. Взаимодействием внешних более удаленных полюсов можно пренебречь. (Или вычислить поправки, вызванные их взаимодействием. Математикам удается провести такие вычисления.)

Если гантели сближены одноименными полюсами, они будут взаимно отталкиваться. И в этом случае главную роль играют силы отталкивания, действующие между близкими полюсами.

Дальше, как говорят, дело техники.

Кулон укрепил тонкий длинный магнит в качестве коромысла крутильных весов. И провел измерения зависимости сил магнитного взаимодействия, поднося второй длинный магнит так, чтобы их оси совпадали, но полюсы не соприкасались. Для этого нужно, чтобы второй магнит был ориентирован соосно с первым и перемещался вдоль их общей оси. Теперь нужно осторожно повернуть магнит, висящий на подвесе, и измерить период его колебаний, а также зависимость этого периода от расстояния между сближенными полюсами.

Вычисления, проведенные на основе многочисленных измерений, показали, что силы взаимодействия магнитных полюсов подчиняются тому же закону, которому следуют силы взаимодействия электрических зарядов.

Если связать с магнитными полюсами соответствующие «магнитные заряды», то в обоих случаях силы пропорциональны произведениям величины зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные — притягиваются.

Как и предполагал Кулон, силы, действующие между электрическими и магнитными зарядами, как и силы тяжести, направлены вдоль линии, соединяющей взаимодействующие тела! Это очень важно. Это показывает, что имеется глубокая аналогия между всеми тремя типами сил, известными в то время.

Первую трещину, возникшую на этой ясной и целостной картине мира, удалось обнаружить лишь через тридцать пять лет.

СЕНСАЦИЯ ГАЛЬВАНИ. ВОЛЬТОВ СТОЛБ

Впрочем, зародыш этой трещины был порожден, как считается, случайным наблюдением профессора анатомии Болонского университета Л. Гальвани. В действительности, как пишет Гальвани, дело обстояло так: его помощник (имени которого он не называет), заметил, что препарированная лапка лягушки сокращается каждый раз, когда, одновременно с прикосновением к ее бедренному нерву, из электрической (электростатической) машины извлекается искра. Гальвани исследовал это явление с 1780 года почти до смерти (последнее сообщение опубликовано в 1797 году, а он умер 4 декабря 1798 года).

Уже первые исследования показали Гальвани, что сокращение возникает и при отсутствии внешних разрядов в момент соединения нерва с другой частью лапки при помощи металла, причем серебро действовало много сильнее, чем железо или медь, а применение двух соприкасающихся металлов давало еще больший эффект.

Гальвани так и не узнал ничего о причине этого явления, но его открытие привлекло всеобщее внимание.

Наибольшего успеха добился уроженец итальянского города Комо физик А. Вольта. Он первоначально считал, что «животного электричества» не существует, за исключением особого случая «электрических рыб» — скатов и некоторых других. Результаты опытов, описанные Гальвани, показались ему необычайными, поразительными, по-существу, фантастическими.

Но коллеги Вольта по Павийскому университету, зная его как тонкого экспериментатора, настояли на том, чтобы он повторил опыты Гальвани. Эксперименты начались 24 марта 1792 года. Скептицизм Вольта быстро рассеялся. Уже 3 апреля этого года он написал Гальвани: «Итак, вот я, наконец, обращен; с тех пор, как я стал сам очевидцем и наблюдал эти чудеса, я, пожалуй, перешел от недоверия к фанатизму».

Будучи опытным экспериментатором, Вольта быстро нашел центральный пункт в наблюдениях Гальвани: разнородные металлы действуют сильнее, чем однородные. Исследования показали ему, что в опытах Гальвани всегда присутствовали различные металлы. Или куски, изготовленные из однородного металла, но отличающиеся состоянием поверхности в местах, прикасающихся к животному препарату. Вольта четко показал, что металлы, прикасающиеся к телу животного, должны различаться. Если они одинаковы и их поверхности свежеобработаны, а по соседству не проскакивают искры — эффект не наблюдается.

Уже 14 мая Вольта в университетской лекции утверждает, что нервы и мышцы препарата являются лишь индикатором. Он показывает знаменитый опыт.

Положив на язык золотую или серебряную монету и касаясь ее и кончика языка оловянной или свинцовой пластинкой, он ощущает кисловатый привкус. Если поменять местами металлические предметы, кисловатый вкус переходит в «щелочной», то есть отдающий горечью.