ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Что такое электричество?

elektrichestvoЭлектричество — электрич. заряды и связанные с ними электромагнитные поля; в более широком смысле — вся совокупность чрезвычайно разнообразных явлений, в которых проявляется существование движение и взаимодействие электрич. зарядов.

В обиходе под словом «электричества» зачастую понимают электроэнергию (напр., говоря об использовании электричества в сельском хозяйстве и т. п.). Содержание термина «электричества» испытывало в процессе развития физики и техники значительные изменения.

I. Период до 19 века

Простейшие электрические и магнитные явления были известны еще в глубокой древности, но учение об электричества вплоть до 17 в. почти не развивалось и к началу 18 в. представляло собой совокупность ряда несистематизированных фактов и противоречивых гипотез. Первые сведения об электричества сводились к тому, что некоторые тела

[напр., янтарь, от греч. названия которого «электрон» (ἤλεκτρον) и был произведен англ, ученым У. Гильбертом в 1600 термин «электричества»]

при трении «электризуются», т. е. начинают притягивать к себе лёгкие предметы. Гильберт впервые провел отчетливое различие между электрическими и магнитными воздействиями, установил существование магнитных полюсов и их неотделимость друг от друга, открыл наведённое намагничение. Вопросами электричества занимался затем нем. физик О. Герике, к-рыи сконструировал основанную на трении электрич. машину, послужившую прообразом электрич. машин 18 в Он открыл также явление электрич. отталкивания ‘(Гильберт полагал, что существует только электрич. притяжение). В начале 18 в. действия наэлектризованных тел рассматривались как проявления некоей «электрической атмосферы», окружающей эти тела однако вскоре начинает складываться представление об электрич. «флюидах» (жидкостях), находящихся внутри тел. Франц, ученый Ш. Ф. Дюфе электричества (в 1733—37) и амер. учёный Бенджамин Франклин (в 1747—54) установили, что электрич. заряды бывают двух родов: заряды одного и того же рода взаимно отталкиваются, заряды разного рода взаимно притягиваются. Эти два рода зарядов были названы положительными и отрицательными (Франклин считал, что существует только один электрич. флюид, избыток или недостаток которого даёт заряд различного знака).

Количественной мерой заряда может служить сила, с которой он действует на какой-либо другой «пробный» заряд при некоторых определённых условиях. Физик Г. Кавендиш (1773) и франц. физик Ш. Кулон (1785) путём тщательных измерений установили, что сила взаимодействия двух зарядов, находящихся на телах, размеры которых малы по сравнению с их взаимным расстоянием, обратно пропорциональна квадрату этого расстояния. Впоследствии англ, ученым М. Фарадеем (1835—38) было показано, что эта сила зависит также и от диэлектрической среды, в которой находятся заряженные тела. По имени Кулона силы взаимодействия покоящихся электрич. зарядов называются кулоновыми, или же электростатическими. Таким образом, открытие количественных законов электричества начинается лишь с конца 18 в. (хотя предположение о законе обратных квадратов высказывалось и ранее— русским учёным Ф. Эпинусом в 1709 и англ, учёным Дж. Пристли в 1767), когда техника электрич. опытов уже заметно продвинулась вперёд: были усовершенствованы источники получения электричества (электрич. машины), изобретены лейденская банка (электричества Клейст в Померании и П. Мушен- брук в Голландии, 1745—46), дающая возможность накапливать большие заряды, и электрич. весы. Электроскоп, изобретённый русским учёным Г.В.Рихманом был усовершенствован англ, исследователем А. Беннетом в 1787. Электростатич. силы долгое время были если не единственным, то одним из важнейших «лабораторных» проявлений электричества.

Большое место во 2-й половине 18 в. занимали исследования атмосферного электричества, электрич. искры и биологич. и физиология, действий электрич. разряда. Электрич. природа молнии была доказана Франклином в 1750—53. Независимо к такому же выводу пришли Рихман и М. В. Ломоносов, занимаясь вопросами атмосферного электричества и защиты от молнии. Ломоносов развил при этом электрич. теорию грозы. Ряд установленных фактов, как, напр., существование проводников и непроводников электричества (англ, учёный С. Грей, 1729), электростатич. индукции (Эпинус, 1750), неравномерность распределения заряда на поверхности проводников, подкреплял представление об электрич. флюидах, взаимодействующих на расстоянии (Франклин, Эпинус) подобно дальнодействию тел в ньютоновской теории тяготения. Поэтому после открытия Кулона (результаты Кавендиша стали известны лишь примерно через 100 лет после проведённых им опытов), когда оформилось количественное понятие заряда и был найден элементарный закон взаимодействия, к электрическим и магнитным взаимодействиям был применён математич. аппарат, разработанный в теории тяготения.

В 1823 франц. учёный С. Пуассон дал решение ряда электростатич. задач. В работах англ, учёного Дж. Грина (1828), а позднее и независимо от него нем. учёного К. Гаусса (1839) было дано последовательное применение к электростатике и магнитостатике общей теории потенциала, которая в результате сама существенно продвинулась вперёд и обогатилась рядом важных теорем.

II. Домаксвелловская электродинамика

Новый этап в истории учения об электричества начинается с открытия итал. учёными Л. Гальвани (1791) и А. Вольта (1794) химических и контактных источников электричества («электровозбудительной» силы) и электрич. тока, т. е. длительного движения электрич. зарядов по проводникам (см. Постоянный ток). Хотя результаты опытов указывали на наличие связи между электрич. током и электризацией трением, попыток проследить эту связь еще долгое время не было. Считалось, что среди разных родов электричества имеется еще один — «гальваническое», или «гальванивольтовое» электричество. Началось интенсивное изучение этого нового рода электричества, т. е. электрич. тока: сначала физиология действий тока, затем химических, наблюдаемых при прохождении тока через растворы (см. Электролиз), а также тепловых его действий, т. е. нагревания проводников и контактов при прохождении по ним тока.

В 1802 русский учёный В. В. Петров открыл электрич. дугу и указал на возможность её применений для электрич. освещения и в электрических плавильных печах. Количественное выражение для теплового действия тока было найдено, однако, гораздо позднее, когда уже значительно продвинулись вперёд как исследование электрич. тока, так и учение о теплоте. Независимо друг от друга англ, учёный Дж. Джоуль (1841) и русский учёный электричества X. Ленц (1842) установили, что количество тепла, развиваемое током при прохождении по проводнику, пропорционально квадрату силы тока и сопротивлению проводника (закон Джоуля — Ленца).

Ряд новых фундаментальных открытий в учении об электричества был сделан в 1820. Датский учёный X. Эрстед обнаружил прямую связь между электричеством и магнетизмом, а именно, наличие сил взаимодействия между электрич. токами и постоянными магнитами. Тогда же франц. учёный А. Ампер открыл силы взаимодействия между токами: одинаково направленные токи притягиваются, противоположно направленные — отталкиваются с силами, пропорциональными произведению сил токов. Под силой тока понимается при этом количество электричества (заряд), протекающее через сечение проводника за единицу времени. Силы взаимодействия токов, в отличие от кулоновых сил, определяются, движением электрич. зарядов; благодаря этому они получили название электродинамич. сил, а также магнитных, т. к. во многих отношениях они оказались подобны силам взаимодействия между магнитами. Это показали работы Ампера, франц. учёных Ж. Био и Ф. Савара, в которых были также установлены и элементарные законы взаимодействия между элементами токов и между элементом тока и магнитным полюсом.

Непосредственно вслед за названными открытиями Ампер показал, что свойства постоянных магнитов могут быть полностью объяснены на основе предположения, что в молекулах намагниченных тел циркулируют постоянные электрич. токи. Притяжение или отталкивание магнитов обусловлено, согласно этой гипотезе, электродинамич. силами взаимодействия между циркулирующими в них молекулярными токами. Ранее, когда магнетизм считали явлением, совершенно обособленным от электричества, его объясняли, исходя из представления о существовании магнитных зарядов или полюсов (северных и южных).

Гипотеза молекулярных токов Ампера, лишившая понятие магнитного заряда самостоятельного значения, полностью подтвердилась в процессе дальнейшего развития физики.

В настоящее время твёрдо установлено, что никаких магнитных зарядов не электричества 508 существует. До 2-й четверти 20 в. это утверждение понималось в том смысле, что первоисточником магнитного поля всегда и во всех случаях являются только движущиеся электрич. заряды. Такое понимание оказалось недостаточным. Современная физика установила наличие у элементарных частиц (ранее других — у электрона) т. н. спинового магнитного момента, который нельзя свести только к движению зарядов и который получил удовлетворительное объяснение лишь в квантовой механике. Таким образом, как магнитные взаимодействия между микрочастицами, так и ряд макроскопических магнитных явлений (напр., ферромагнетизм) связаны не только с движением электрич. зарядов, но и с существованием спиновых магнитных моментов, которые, в известном смысле, столь же первичны, как и электрич. заряд. Однако эти факты вовсе не противоречат тому, что не существует магнитных зарядов, и не затрагивают неразрывную связь между электрическим и магнитными явлениями. Со времени открытий Эрстеда и Ампера учение о магнетизме сделалось составной частью учения об электричества

Со 2-й четверти 19 в. начинается быстрое проникновение электричества в технику. До этого практич. приложения электричества были довольно скудны (громоотвод, примитивный телеграф и т. п.). В 20-х же годах 19 в. появляются первые электромагниты, в 30-х гг. — усовершенствованные схемы телеграфирования, гальванопластика, первые электродвигатели и генераторы тока, основанные на превращении механич. энергии в электрическую (ранее источниками тока служили гальванич. элементы), в 40-х гг. — первые осветительные электрич. приборы (применение электрич. дуги), и т. д. Практич. применение электричества в дальнейшем всё более возрастало, причём бурный рост электротехники (см.), связанный с достижениями физики, оказал существенное влияние на развитие учения об электричества

В 30-х и 40-х гг. 19 в. Фарадеем была создана новая концепция электромагнитных явлений, которая (правда, далеко не сразу, а лишь во 2-й половине 19 в.) легла в основу дальнейшего развития теории электричества. Работы Фарадея собраны им в дневниках («Экспериментальные исследования по электричеству»), в которых в хронологич. порядке описаны сотни проведённых им опытов и изложены все возникавшие у него идеи, гипотезы, выводы и сомнения. Ведущую роль в замечательном научном творчестве Фарадея играли две основные его идеи — идея единства всех сил природы и признание решающего значения промежуточной среды при любых электромагнитных взаимодействиях (концепция близкодеиствия). В те времена различали по способу получения ряд видов электричества: «обыкновенное» электричества (к к-рому причислялось, в первую очередь, электричества трения), атмосферное электричества, пьезо- и пироэлектричества, электричества гальваническое (токи, создаваемые гальванич. батареями), магнитное электричества (открытые Фарадеем индукционные токи), термоэлектричества, животное электричество (вырабатываемое специальными органами некоторых животных, напр. электрич. скатов, угрей) и т. п.

В своей работе, доложенной в 1833, Фарадей показал на ряде замечательно продуманных и проведённых экспериментов, что все известные действия электричества — физиологические, химические, тепловые, механические, магнитные и световые могут быть получены при помощи электричества любого происхождения и что все виды электричества тождественны, а различие между ними сводится к различиям, во-первых, в количествах электричества и, во-вторых, в величине напряжения (потенциала). Ещё большее значение имело открытие Фарадеем явления электромагнитной индукции, которое составило фундамент всей электротехники. Обнаруженные Эрстедом и Ампером силы взаимодействия токов и магнитов привели Фарадея к предположению, что если ток может возбуждать магнетизм, то и магнетизм вообще, и магнитное поле самих токов в частности, в свою очередь, должны обладать способностью возбуждать токи. Явление электростатич. индукции (см.) зарядов также подкрепляло убеждение Фарадея в том, что должна существовать индукция токов.

Еще в 1821 он заносит в записную книжку: «Превратить магнетизм в электричества». Первая запись о поставленных с этой целью опытах относится к 1824; с тех пор Фарадей с присущей ему исключительной настойчивостью в течение семи лет неоднократно возвращается к таким опытам. Длительные неудачи проистекали оттого, что Фарадей пытался вначале обнаружить индукцию постоянных токов. Он считал, что постоянный ток должен возбуждать постоянный же ток в смежных проводниках и что помещение неподвижного магнита внутри обтекаемой током катушки должно влиять на силу этого тока. Лишь в 1831, экспериментируя с прототипом современного трансформатора (две обмотки, навитые рядом друг с другом на железное кольцо), он обнаружил возникновение тока в одной из обмоток при размыкании и замыкании тока в другой. Таким путём Фарадей действительно нашёл связь магнетизма с электричества, хотя и не в той форме, в какой первоначально предполагал. За очень короткий срок после этого открытия он самым тщательным образом исследовал как индукцию токов переменными токами, так и индукцию их при относительном движении проводника в поле магнитов. Вскоре Ленц, основываясь на работе Фарадея и на многочисленных результатах как своих, так и чужих опытов, сформулировал общее правило определения направления индуцированных токов (1833, см. Ленца правило).

В 1833—34 Фарадей устанавливает законы электролиза (см.). Подобно тому как открытие индукции токов легло в основу электротехники, так открытие законов электролиза положило начало электрохимии, а в дальнейшем послужило непосредственной опорой для гипотезы о дискретности электрич. заряда (см. ниже). Совсем иначе, чем сами экспериментальные открытия Фарадея, с полной убедительностью доказывавшие в различных аспектах правильность его идеи о единстве явлений, казавшихся ранее совершенно разнородными, воспринималась другая руководящая его идея — об определяющей роли среды, в к-рой находятся наэлектризованные, намагниченные, обтекаемые током тела.

В 1-й половине 19 в. ньютоновский закон всемирного тяготения считался образцом для всех законов взаимодействия. Это убеждение, первоначально основанное только на успехах небесной механики, все более укреплялось по мере развития учения об электричества Законы Кулона для электрич. зарядов и для магнитных полюсов оказались по форме такими же, как и закон Ньютона. После открытия механич. взаимодействия токов Ампер поставил^ перед собой задачу облечь законы этого взаимодействия в ту же классич. форму действия на расстоянии и вновь достиг успешного решения, концепция непосредственною «дальнодействия» казалась нерушимой и стала ведущей в теории электрических и магнитных явлении. Нужна была исключительная смелость и самостоятельность мысли, чтобы отвергнуть эту общепринятую концепцию, вопреки её очевидным успехам. Для Фарадея непосредственное действие на расстоянии было непонятным и неудовлетворительным. электричества В первой же работе об индукции токов он формулирует законы этой индукции на основе представления о магнитных силовых линиях (см.)- Эти линии, наглядное изображение которых дают цепочки, образуемые вокруг магнитов и токов мелкими железными опилками, были для Фарадея нс просто способом описания явлений, а реальным содержанием всякого электромагнитного взаимодействия. Они характеризуют состояние среды или пространства вокруг токов, магнитов и электрич. зарядов. Через них передаётся от точки к точке взаимодействие между телами. В такой еще не развитой и во многом туманной форме Фарадей пришёл к представлению об электрическом и магнитном полях, и это представление вело его от одного фундаментального открытия к другому. В 1837 он открывает влияние диэлектрика на ёмкость конденсатора, приходит к представлению о поляризации диэлектриков и к понятию диэлектрич. проницаемости, совершив естественный перенос концепции поля (силовых линий) и на электрич. явления. С 1845, после четырёхлетнего перерыва, вызванного болезнью, Фарадей вновь интенсивно работает. Из выдающихся открытий этого периода следует назвать магнитное вращение плоскости поляризации света (эффект Фарадея), к к-рому Фарадея привело всё то же убеждение во всеобщей связи явлений (он искал прямую связь между светом и магнетизмом), а также открытие диамагнетизма (см.). Но, как уже было отмечено, развитие теории электричества шло в этот период своим путём — игнорируя или даже оспаривая идеи Фарадея о поле, опираясь на представление о мгновенном дальнодействии и на явное или подразумеваемое отрицание роли промежуточной среды. Свою задачу, вполне согласующуюся с характерным для того времени общим устремлением к «математизации физики», это направление научной мысли видело в возможно более полном охвате всех установленных закономерностей в единой математич. формулировке. Образцом такого подхода и метода является блестящая работа Ампера об электродииамич. силах. Идя именно в этом направлении, нем. учёный Ф. Нейман даёт в 1845 математич. формулировку законов индукции, попутно вводя в учение об электричества ряд новых понятий — вектора-потенциала (см.), коэфициентов взаимо- и самоиндукции токов; значение этих понятий в полной мере раскрывается позднее, в частности в теории электрических колебаний (см.) в контурах, состоящих из ёмкости и индуктивности, развитой англ, учёным У. Томсоном (Кельвином) в 1853. В 1846 нем. учёный В. Вебер связал ток в проводнике с плотностью электрич. заряда и скоростью его перемещения и установил общий закон взаимодействия двух движущихся точечных зарядов. Хотя это по прежнему закон мгновенного дальнодействия, но это не умаляет роли электродинамики Вебера. В пей уже содержались идеи, которые много позднее вошли составной частью в фундамент электронной теории голл. учёного Г. Лоренца. Кроме того, веберовский закон взаимодействия ввёл в учение об электричества новую универсальную постоянную (отношение электростатических и электромагнитных единиц заряда), имеющую размерность скорости. Численное значение этой фундаментальной постоянной с может быть получено путём чисто электродииамич. измерений — сравнением электростатич. сил взаимодействия с силами взаимодействия токов, что и было сделано Вебером и нем. учёным Ф. Кольраушем в 1858. Они получили с=310 740 км/сек. На основе работ Вебера и Неймана нем. учёный Г. Кирхгоф развил теорию распространения волн заряда и тока по проводам. Эти важные исследования проистекали, конечно, не только из задач, выдвигаемых самой теорией Электричества; они в значительной мере были стимулированы всё возрастающими практическими его применениями — развитием электрич. телеграфа, динамомашин и электродвигателей.

III. Электродинамика Максвелла

Со 2-й половины 19 в. идеи Фарадея получают своё развитие и завершение в трудах англ, учёного Дж. Максвелла и нем. учёного Г. Герца. В последней четверти 19 в. они приводят к тому «коренному повороту в направлении физических воззрений, который со времени Ньютона является первым принципиально новым шагом в развитии физического мировоззрения вообще. По существу от Фарадея ведет свое начало физика поля, с конечной скоростью распространения действия, в противоположность физике мгновенного действия на расстоянии» (Мандельштам Л. И., Введение к сборнику «50 лет радио», вып. 1, 1948, стр. 23). В своих работах (1861—73) Максвелл последовательно и безраздельно становится на позиции Фарадея. Максвелл пишет, что гл. образом надеясь сделать идеи Фарадея основой математич. теории, он и предпринял написание своего трактата об электричестве и магнетизме. Максвелл действительно дал математич. оформление воззрениям Фарадея — в виде системы дифференциальных уравнений в частных производных, к-рым удовлетворяют напряжённости электрического и магнитного полей и к-рые охватывают и объединяют все открытые ранее частные законы электричества Но содержание его теории этим далеко но исчерпывается. Решающим новым шагом была постулированная Максвеллом взаимность электрического и магнитного полей: подобно тому как изменение во времени магнитного поля порождает вихревое электрич. поле (закон индукции Фарадея), так изменение во времени электрич. поля создаёт вихревое магнитное поле. При этом величина, пропорциональная скорости изменения электрич. поля, оказывается аналогичной (в смысле связи с магнитным нолем) электрич. току, и Максвелл называет её током смещения (см.). Именно это обобщение законов электричества привело Максвелла к принципиально новым следствиям и предсказаниям: к установлению конечности скорости распространения любых электромагнитных взаимодействий (причём в вакууме скорость распространения должна быть равна электродииамич. постоянной Вебера) и возможности существования свободных электромагнитных волн, тождественных по всем основным своим свойствам со световыми волнами (см. Максвелла теория). Эти результаты полностью подтверждали (по крайней мере, теоретически) смелую идею о том, что свет — это электромагнитные волны. Максвелл считал автором этой идеи Фарадея [ ссылаясь на его статью «Мысль о лучевых колебаниях» (1846)] и видел свой вклад только в том, что в 1864 он мог высказать её более определённо, поскольку обнаружилось близкое совпадение скорости света, измеренной франц. учёным И. Физо оптич. методом, со значением электродинамич. постоянной, полученным Вебером и Кольраушем. При всей гениальности догадок Фарадея (мысль о том, что магнитные силы требуют времени для своего распространения, уже была им вы- 1 сказана 12 марта 1832) несомненно, однако, что заслуга открытия электромагнитной природы света электричества 510 и построения его развёрнутой электромагнитной теории принадлежит Максвеллу. Электромагнитная теория света, означавшая слияние оптики с учением об электричества, позволила связать между собой характеристики оптич. и электрич. свойств вещества (показатель преломления и диэлектрич. проницаемость), ликвидировала затруднения, с которыми сталкивалась прежняя механическая волновая теория в вопросе об отражении света,и уничтожила двойственность эфира: упругий эфир механической волновой теории оказался тождественным с электромагнитным эфиром Фарадея—Максвелла. Однако, несмотря на все эти достижения теории Максвелла, она отнюдь не получила немедленного признания, что объясняется господствующей ролью механицизма в естествознании того времени. Хотя сам Максвелл при построении своей теории и пользовался механич. моделями эфира (вращающиеся диски, механич. зацепления и т. п.), но для него эти модели имели скорее вспомогательное значение — они служили средством нащупывания правильных закономерностей. Между тем тогдашние учёные продолжали твёрдо придерживаться убеждения, что истинное объяснение любого явления достигается лишь тогда, когда его удаётся свести к механике. Ещё долгие годы после Максвелла продолжались упорные попытки многих выдающихся физиков [австр. учёный Л. Больцман, У. Томсон (Кельвин) и др. ] свести электромагнетизм к механике эфира, создавая всевозможные механич. его модели, наделяя механич. свойствами силовые линии и т. п. В числе других важных факторов, к-рые привели физику в конце 19 в. к преодолению этих «ньютоновских рамок» (А. Эйнштейн), сыграли большую роль как полная безуспешность и безнадёжность всех указанных попыток, так и окончательное торжество максвелловской теории электромагнитного поля со всем её специфич. своеобразием. Решающее подтверждение этой теории принесли классич. опыты Г. Герца (1886—89). Опираясь на максвелловскую теорию, Герц выяснил теоретически и сумел осуществить экспериментально совокупность условий, необходимых для повышения интенсивности излучения электромагнитных волн (см.), — достаточно высокие частоты электрич. колебаний и открытая электрич. цепь (вибратор) в качестве излучателя. Он получил эти волны (первоначально длиной ок.6 м, а в дальнейшем 60 см ), доказав тем самым их реальное существование, и детально исследовал их свойства, полностью подтвердив правильность всех более частных следствий теории Максвелла. Концепция электромагнитного поля прочно утвердилась в учении об электричества Многочисленные повторения и вариации опытов Герца постепенно всё шире охватывали шкалу длин волн, получаемых при помощи колебательного искрового разряда. В 1895 русский учёный П. Н. Лебедев, пользуясь чрезвычайно маленькими вибраторами, сумел возбудить волны длиной в 6 мм, на которых он вновь воспроизвёл все «оптические» явления: отражение и образование стоячих волн, преломление и дисперсию, интерференцию и диффракцию, а также двойное преломление. Полное смыкание электрич. спектра с тепловым, т. е. с инфракрасными волнами, излучаемыми нагретыми телами, было достигнуто в 1922 советским физиком А. А. Глаголевой-Аркадьевой, получившей при помощи «массового излучателя» — прибора, в к-ром вибраторами являются мелкие металлич. опилки, — волны длиной 0,35 мм. Выдающиеся результаты Герца послужили стимулом и к постановке вопроса о практич. использовании электромагнитных волн для целей связи. Своё решение, составившее эпоху в техническом и культурном прогрессе, эта задача получила в 1895 в результате изобретения радио русским учёным А. С. Поповым. Принципиальным моментом для развития всей концепции электромагнитного поля было введённое уже Максвеллом представление о пространственной локализации энергии в самом поле. Общая формулировка закона сохранения и движения энергии в сплошной среде была дана русским учёным Н. А. Умовым еще в 1874. Независимо понятие потока энергии в электромагнитном поле ввёл англ, учёный Дж. Пойнтинг (1884), который доказал в качестве следствия уравнений Максвелла общую теорему, выражающую закон сохранения и движения энергии в электромагнитном поле (теорема Пойнтинга). В дальнейшем на электромагнитное поле были с успехом распространены также понятие массы и законы сохранения импульса и момента количества движения (нем. учёный М. Абрагам, 1903). Импульс электромагнитной и, в частности, световой волны проявляется как давление, оказываемое волной на тело, на которое она падает. Существование давления света (см.) было доказано опытами Лебедева (1899). Применимость к электромагнитному полю динамич. понятий (масса, энергия, импульс) в известной мере подготавливала физику к радикальному пересмотру представлений Фарадея и Максвелла о поле как о состоянии неоторой особой среды (эфира). Этот пересмотр сделался неизбежным после того, как теория относительности (см. Относительности теория) вскрыла необходимость отказа от какого бы то ни было пространственно локализуемого эфира. Формирование современных воззрений на электромагнитное поле и на физич. поля вообще как на такую форму материи, в к-рой на первый план выступают свойства непрерывности в пространстве и во времени, несомненно было облегчено предшествующими достижениями динамики поля.

IV. Классическая электронная теория

В конце 19 в. начался новый этап в развитии учения об электричества, непосредственно опиравшийся на ряд важнейших экспериментальных открытий, но подготовленный как максвелловской электродинамикой, так и успехами кинетич. теории вещества. Содержание этого нового этапа, именуемого классической электронной теорией (см.)и связанного, в первую очередь, с именем Г. Лоренца, характеризуется, с одной стороны, установлением атомизма электричества, а с другой—развитием учения об электрич. строении вещества. Еще в те времена, когда господствовало представление об электричества как об особого рода невесомой жидкости (флюиде), было известно, что появление заряда любого знака (напр., при электризации трением) всегда сопровождается одновременным появлением равного заряда противоположного знака, общая сумма электрич. зарядов, взятых с надлежащими знаками, всегда остаётся неизменной. В фарадей- максвелловской электродинамике центр внимания переносится с электрич. зарядов на электромагнитное поле. Сам Максвелл нигде определённо не высказывается о природе электрич. зарядов и их связи с веществом, хотя о существовании такой связи, и притом самой тесной и глубокой, свидетельствовали уже законы электролиза, открытые Фарадеем. Для теории поля как таковой достаточно было формальной трактовки зарядов как «особых точек» поля, узлов электрических силовых линий. Развитие атомистической теории вещества возродило в последней электричества 511 четверти 19 в. интерес к вопросу о структуре элект- рич. зарядов и создало предпосылки для правильного его решения. Основываясь именно на фарадеевских законах электролиза, нем. учёный Г. Гельмгольц впервые в 1881 высказал гипотезу или, скорее, уверенность, что электричества прерывно, т. е. имеет место атомизм электрич. заряда. С каждым заряженным атомом вещества (ионом) электрич. заряд связан в виде дискретных порций, кратных одной и той же вполне определённой наименьшей величине — заряду одновалентного иона. Англ, учёный Дж. Стони предложил для этого элементарного заряда название «электрон» (1891). Впоследствии этот термин был сохранён для обозначения только одной из т. н. элементарных частиц — носителя элементарного отрицательного заряда, имеющего малую массу (см. Электрон). Универсальность электромагнитных явлений, возможность получения электрич. зарядов в первоначально незаряженных телах самыми разнообразными способами, исключительная «способность» электромагнитной энергии непосредственно переходить в любые другие виды энергии и обратно—все это уже давно привело к убеждению, что электрич. заряды всегда присутствуют во всяком веществе. Электрически нейтральные тела представляются такими лишь потому, что в них содержатся равные количества положительного и отрицательного электричества, действия которых в обычных условиях взаимно компенсируются. Успехи экспериментальной физики в конце 19 — начале 20 вв. полностью подтвердили эго воззрение и составили прочный фундамент электронной теории. Исследования электрич. разряда в разрежённых газах, открытие «катодных лучей», т. е. электронного потока в вакууме, открытие «каналовых лучей» — потока ионов в вакууме, испускание электронов накалёнными толами (термоэмиссия) и при освещении видимым или ультрафиолетовым излучением (фото- электрич. эффект), открытие радиоактивности и исследование радиоактивных излучений ■— таковы нек-рые из основных доказательств электрич. строения атомов и атомизма самого электрич. заряда. В результате установления этих фундаментальных фактов учение об электричества пронизало по сути дела всю физику. Электрические и магнитные взаимодействия заряженных частиц оказались определяющими как для структуры и свойств вещества в макроскопич. количествах, так и для строения и физико-химич. свойств атомов и молекул. Классическая электронная теория, к-рую Г. Лоренц строил на протяжении многих лет (подытоживающий труд его вышел в 1909), исходила из того, что атомы представляют собой сложные образования, построенные из положительных и отрицательных электронов, и уже с первых своих шагов во многом предсказала прямые экспериментальные доказательства прерывности электрич. заряда. От предшествующих теорий, также принимавших гипотезу прерывности электрич. заряда (Вебер и др.), электронная теория Лоренца принципиально отличается тем, что она включила в себя максвелловскую теорию электромагнитного поля: элементарные заряды создают в окружающем пространстве (в эфире, как еще считал Лоренц) электромагнитное поле, подчиняющееся законам Максвелла, и это поле, в свою очередь, проявляется в силовом воздействии на заряды, в электронную теорию Лоренца органически вошла конечная скорость распространения всех изменений поля, в отличие от прежних «электронных» теорий, предполагавших мгновенное дальнодействие. Теория Максвелла оперирует с макроскопич. зарядами и полями, опираясь непосредственно на макроскопич. опыт. Электронная теория поставила задачу объяснения макроскопических электромагнитных законов и электрических, магнитных и оптич. свойств вещества на основе микроскопич. электродинамики, т. е. исходя из определенных гипотез об электрич. строении вещества и из законов движения и взаимодействия элементарных заряженных частиц. Очевидно, что во всех тех вопросах, в которых теория Максвелла согласуется с опытом, электронная теория должна при переходе к усреднённым макроскопич. величинам давать те же самые результаты. Более того, в подобных вопросах, к к-рым относится, в частности, подавляющее большинство электро- и радиотехнич. задач, нет необходимости вдаваться в микроскопич. основу соответствующих явлений, а надо пользоваться прямо феноменологической максвелловской электродинамикой. Но электронная теория должна была дать объяснение и таким макроскопич. явлениям и свойствам вещества, которые либо совсем не охватываются теорией Максвелла, либо описываются путём введения эмпирических постоянных (дисперсия и абсорбция света и электромагнитных волн вообще; магнитооптич. явления — явление Фарадея, явление Зеемана; микроскопич. смысл феноменологических «постоянных» теории Максвелла — диэлектрич. и магнитной проницаемости, проводимости и т. д.). В этом направлении были достигнуты весьма большие успехи (см. Электронная теория), но в начале 20 в. наступила полоса очень тяжёлых затруднений и для электронной теории. Преодоление этих затруднений составило тот переворот в физике, который произошёл в самом начале 20 в. и который связан с возникновением важнейших современных физич. теорий.

V. Современное состояние теории электричества

Трудности, встретившиеся при попытках объяснения электромагнитных явлений в движущихся телах, привели к теории относительности, к полному отказу от представления об эфире и об электромагнитном поле как состоянии эфира. Трудности, связанные с явлениями поглощения и излучения света атомами вещества, а также новые факты, касающиеся взаимодействия электромагнитного излучения с элементарными заряженными частицами, привели к открытию двойственных, корпускулярно-волновых свойств электромагнитного поля. Стремясь разрешить противоречия, связанные с применением классической больцмаповской статистики к вопросу о распределении энергии в спектре теплового излучения тел по волнам различной длины, нем. учёный М. Планк (1900) высказал гипотезу световых квантов. В классич. электродинамике поле рассматривается как континуум; оно характеризуется электрической и магнитной напряжённостями Е и Н, которые являются непрерывными функциями времени и пространственных координат; энергия поля распределена в пространстве непрерывно, с определённой объёмной плотностью, тоже непрерывно меняющейся от точки к точке. А. Эйнштейн (1905) показал, что преодолеть упомянутые выше противоречия можно, исходя из представления, что энергия электромагнитных и, в частности, световых волн сконцентрирована во вполне определённых дискретных порциях (квантах). Величина этих порций различна для волн разной длины, а именно — обратно пропорциональна длине волны то есть, выяснилось, что электромагнитное поле обладает наряду со свойствами континуума также и дискретной, атомистич. структурой. В дальнейшем, на основе переноса волновых представлений на элементарные частицы вещества, возникла квантовая механика (см.), а ещё позднее получила более глубокое развитие квантовая электродинамика (см.). Но связанный с новыми теориями переворот в самых основных физич. воззрениях не означал «отмены» классич. учения об электричества Те элементы физич. теорий, которые не являются чисто умозрительными построениями (вроде невесомых флюидов, эфира и т. п.) и находятся в согласии с практикой и экспериментом, не могут быть просто зачёркнуты в процессе развития науки. Открытие новых фактов и создание новых теорий, приведшие к коренной перестройке многих фундаментальных понятий и представлений, означали в отношении классич. электродинамики лишь определение границ её применимости.В пределах этих границ и теория Максвелла, и классическая электронная теория сохраняют полную силу, оставаясь, в частности, без всяких изменений основой почти всех разделов электротехники, радиотехники и электроники. Поэтому под современным учением об электричества можно с полным основанием понимать классич. электродинамику Максвелла—Лоренца. На базе этой электродинамики за истекшую половину 20 в. решено огромное количество разнообразнейших конкретных задач как теоретического, так и прикладного характера. Квантовые теории вещества и поля, по сути дела, уже выходят за пределы учения об электричества и имеют своим предметом более широкие проблемы, касающиеся строения элементарных частиц и законов их движения и взаимодействия вообще. Элементарный электрич. заряд, равный elektro zarjad, всегда связан с мельчайшими частицами материи. Первоначально были известны лишь два вида носителей элементарного заряда: электрон (— е) и ядро атома водорода — протон (+е). Но в начале 30-х гг. 20 в. была открыта частица той же массы, что и электрон, но с зарядом +е, названная позитроном. До этого времени господствовало убеждение, что наличие электрич. заряда является неотъемлемым свойством элементарных частиц, но примерно в одно время с позитроном были обнаружены частицы, почти одинаковые по массе с протоном и лишённые электрич. заряда (нейтроны). В последующие годы, принёсшие быстрое развитие атомной и ядерной физики, был открыт ещё ряд элементарных частиц, как заряженных, так и нейтральных (мезоны, антипротоны,нейтрино и др.).Были обнаружены взаимные превращения элементарных частиц, рождение и аннигиляция электронно-позитронных пар, «размножение» частиц при соударениях. В свете этих фактов вопрос о том, чем объясняется устойчивость и недробимость элементарных электрич. зарядов, уже не приходится рассматривать как задачу электродинамики. Классическая электронная теория пыталась представить электрон в виде маленького шарика, сталкиваясь при этом с проблемой тех сил, к-рые сдерживают отдельные элементы заряда электрона, не давая им разлетаться под действием взаимного отталкивания. Наличие у реального электрона как корпускулярных, так и волновых свойств не только заставило отказаться от наивной (по существу — макроскопической) модели электрона-шарика, но в корне изменило самую постановку вопроса. Речь идёт о том, как связана величина элементарного заряда с другими фундаментальными физическими постоянными и чем объясняется кваятованность заряда, т. е. самое существование таких элементарных порций электричества Вопрос этот пока остаётся открытым, но уже в настоящее время можно предвидеть, что то или иное его решение не может быть найдено при изучении одних только электромагнитных взаимодействий. Т. о., дальнейшее углубление наших знаний об электричества будет, повидимому, достигнуто на пути ещё более широкого синтеза развивающихся физич. теорий.

Литеатура по элекричеству:

Спасский Б. И., История физики, ч. 1, М., 1956;

50 лет радио (1895—1945), вып. 1—Из предистории радио. Сборник оригинал, статей и материалов, сост. С. М. Ры- тов, М.—Л., 1948; Тамм И. Е., Основы теории электричества, 4 изд., М.—Л., 1949; Стрэттон Дж. А., Теория Электромагнетизма, пер. с [англ.], М.—Л., 1948. «электричества» — ежемесячный научно-технический журнал Академии наук СССР и Министерства электростанций СССР; рассчитан на^ шр женеров и научных работников. «электричества» — старейший русский и один из первых электротехнич. журналов в мире. Основан Русским техническим обществом в 1880 по инициативе передовых русских электротехников последней четверти 19 в. В. Н. Чи- колева, Д. А. Лачинова, П. Н. Яблочкова, А. Н. Лодыгина и др. В 1918—21 и 1942—43 в издании журнала был перерыв. В деятельности журнала участвовали А. Г. Столетов, О. Д. Хвольсон, А. С. Попов, М. О. Доливо-Добровольский, Н. Н. Бе- нардос, Н. Г. Славянов, М. А. Шателен, В. Ф. Мит- кевич, К. А. Круг, Г. О. Графтио, К. И. Шенфер, С. И. Вавилов, В. К. Аркадьев и др. В течение длительного времени в работе журнала принимают участие Г. М. Кржижановский, А. Ф. Иоффе и другие выдающиеся электротехники и физики страны. Главная задача журнала — борьба за тсхнич. прогресс и электрификацию страны. В журнале освещаются соответствующие инженерные задачи, научные проблемы и результаты теоретических и экспериментальных исследований по основным разделам электроэнергетики и электротехники. Около і/ тиража журнала выписывается зарубежными читателями. «электричества» осуществляет обмен изданиями с главнейшими электротехническими журналами других стран.