Путешествие в космос - Электромагнетизм космических тел - 2. От Уильяма ГИЛЬБЕРТА до Шарля Огюстена КУЛОНА

2. От Уильяма ГИЛЬБЕРТА до Шарля Огюстена КУЛОНА

Через 100 лет после Гильберта родился Исаак Ньютон. И хотя он непосредственно ни электричеством, ни магнетизмом почти не занимался, его труды оказали решающее влияние и на эти области физики. Это отчетливо прослеживается в трудах Кулона, которого отделяет от Ньютона еще один век.

Ньютон, сформулировав три основные закона механики, выступил с грандиозной всеобъемлющей программой описания всех физических процессов: рассматривая любую механическую систему как совокупность материальных частиц и опираясь на законы Ньютона, можно было бы, зная положения и скорости всех частиц в некоторый (обычно говорят «начальный») момент времени, рассчитать их дальнейшее движение, т.е. предсказать эволюцию всей системы. Однако для этого требуется еще нечто очень важное: нужно знать, каковы силы, действующие на каждую из частиц системы.

Таким образом, сразу же возникает принципиальной важности вопрос: какие типы сил существуют в природе? Как они зависят от движения частиц и от их взаимного расположения?

Первым и исключительно важным примером решения такого рода проблем явился сформулированный самим Ньютоном закон гравитационного взаимодействия тел — знаменитый закон всемирного тяготения. По этому закону, между любыми «точечными» телами (размеры которых значительно меньше расстояний между ними) действует притяжение с силой, не зависящей от их скоростей, прямо пропорциональной массам тел и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

Великий труд Ньютона «Математические начала натуральной философии» почти на 300 лет определил дальнейшее развитие физики. И дело не только в том, что в нем нашли объяснения важнейшие задачи физики и астрономии. Была предложена четкая программа научных исследований. Одной из центральных частей этой программы было исследование сил.

Кулон одним из первых после Ньютона сделал важный шаг в этом направлении — он, опираясь на эксперимент, нашел закон взаимодействия электрических зарядов. Но об этом французском физике, главное научное достижение которого, увековечившее его имя, было сделано, на первый взгляд, почти случайно, хочется рассказать подробнее.

Шарль Огюстен Кулон (Ch. A. Coulomb) — французский физик и инженер, экспериментальные исследования которого имели основополагающее значение для формирования учения об электричестве и магнетизме, член Парижской академии наук — родился 14 июня 1736 г. на юго-западе Франции, в городе Ангулеме. Его отец Анри Кулон, мелкий правительственный чиновник, вскоре после рождения Шарля переехал с семьей в Париж, где некоторое время занимал доходную должность по сбору налогов, но, пустившись в спекуляции, разорившие его, вернулся на родину, на юг Франции, в Монпелье. Шарль с матерью остался в Париже.

В конце 40-х гг. Шарля поместили в одну из лучших школ того времени, где обучались молодые люди дворянского происхождения, — «Колледж четырех наций», известный также как Колледж Мазарини. Уровень преподавания там был достаточно высок, в частности большое внимание уделялось математике. Во всяком случае, юный Шарль настолько увлекся науками, что решительно воспротивился намерениям матери избрать для него профессию медика или, в крайнем случае, юриста. Конфликт был настолько серьезен, что Шарль покинул Париж и переехал к отцу в Монпелье.

В этом городе еще в 1706 г. было основано научное общество, второе после столичной академии. В феврале 1957г. 21-летний Кулон прочитал там свою первую научную работу «Геометрический очерк средне-пропорциональных кривых» и вскоре был избран адьюнктом по классу математики.

Но это приносило лишь моральное удовлетворение, нужно было выбирать дальнейший путь. Посоветовавшись с отцом, Шарль избрал карьеру военного инженера.

Научное общество Монпелье снабдило Кулона нужными рекомендациями, и после сдачи экзаменов (достаточно трудных, так что подготовка к ним потребовала девяти месяцев занятий с преподавателем) Шарль Кулон в феврале 1760 г. направился в Мезьер, в Военно-инженерную школу — одно из лучших высших технических учебных заведений того времени.

Кулон окончил Школу в 1761г. Хотя отзыв о нем руководителя Школы выглядит местами отнюдь не восторженно («Его работа об осаде хуже средней, рисунки сделаны очень плохо, с подчистками и пометками. <... > Он полагает, как и другие со сходным образом мыслей, что древесину для лафетов и повозок можно просто найти в лесу»), он, вероятно, был среди лучших выпускников (во всяком случае, его работа была отмечена денежной премией).

Получив чин лейтенанта, Шарль Кулон был направлен в Брест — крупный порт на западном побережье Франции.

В Бресте Кулону были поручены картографические работы, связанные с возведением и перестройкой укреплений на побережье. Но эта деятельность была непродолжительной. Меньше чем через два года Кулону пришлось экстренно включиться в работы по возведению крепости на острове Мартиника (Вест-Индия) для защиты его от англичан.

Объявленный конкурс на проект укрепления выиграл опытный военный инженер де Рошмор, но этот проект вызвал большой спор, в который был вовлечен и Кулон. Проект в целом удалось отстоять, но в него пришлось внести значительные изменения; в частности, ассигнования были уменьшены более чем в два раза. Кулон, остался фактическим руководителем строительства, под началом его работало почти полторы тысячи человек, и он оказался перед лицом множества весьма сложных (и далеко не только технических) задач.

Условия работы были трудными, климат очень тяжелым, не хватало людей, да и тех, которые оставались, преследовали болезни, уносившие многие жизни. Сам Кулон за восемь лет работы на острове тяжело болел восемь раз и впоследствии вернулся во Францию с сильно подорванным здоровьем. Большой приобретенный им опыт достался Кулону дорогой ценой. Но даже на Мартинике Кулон не забывал о науке.

Кулон вернулся во Францию в 1772 г. и получил назначение в Бушен. Условия работы здесь были несравненно легче, появилась возможность активно продолжить научную деятельность.

После возвращения на родину Кулон, проведя еще довольно большое число новых исследований, послал свой мемуар в Парижскую академию наук, а затем зачитал его на двух заседаниях в марте и апреле 1773г. Об этом труде весьма похвально отозвались два академика, которым было поручено его рецензирование (одного из них, Борда, Кулон впоследствии, спасая в период якобинской диктатуры, прятал в своем поместье). А в 1773 г. для молодого автора одобрение академиков было большой поддержкой.

Но вскоре он увлекся новыми проблемами, и это увлечение оказалось исключительно благотворным. В 1775г. Парижская академия наук объявила конкурсную задачу «Изыскание лучшего способа изготовления магнитных стрелок, их подвешивания и проверки совпадения их направления с направлением магнитного меридиана и, наконец, объяснение их регулярных суточных вариации».

Что касается последней части задачи (которая удивительным образом, неожиданно приблизила Кулона к тематике Гильберта!), ее решение в то время было явно недоступно, но вот задача о наилучшем устройстве компаса и, в частности, подвеса магнитной стрелки, была актуальна.

О том, насколько эта задача была непроста, какую высокую точность требовалось обеспечивать, можно судить хотя бы по следующему факту: подвешенная на тонкой шелковой нити стрелка так чувствительно реагировала на все воздействия, что приходилось защищать ее не только от слабейших воздушных потоков, но даже и от приближения глаза наблюдателя (на стрелке и на теле человека часто находятся электрические заряды, и их взаимодействие может сказаться на силах).

Чтобы исключить это влияние, Кулон решил заменить шелковые нити металлической проводящей электричество проволокой. Это был шаг, сыгравший очень большую роль в дальнейшем, когда Кулон изобрел и начал использовать крутильные весы.

Но пока до этих работ было еще далеко. В 1777г. Кулон становится победителем конкурса, посвященного разработке прибора для исследования магнитного поля Земли и тут же погружается в другую большую работу — в исследование трения. В 1779 г. (а затем повторно в 1781) академия объявила еще один конкурс, посвященный именно трению. Уже в 1780 г. Кулон представил в академию конкурсную работу «Теория простых машин», которая через год также была удостоена премии. Результаты этой работы базировались на многочисленных экспериментах, в которых Кулон исследовал как трение между твердыми телами, так и трение в жидкостях и газах. Эти работы Кулон проводил уже в Лиле, куда он был переведен в начале 1780 г.

Примерно через год исполнилось его давнишнее желание — перевод в Париж.

Капитан Кулон настойчиво хлопотал о переводе в Париж, и когда это произошло, осуществилась и еще одна его большая мечта: 12 декабря 1781г. он был избран в академики по классу механики.

В Париже на Кулона почти сразу же обрушилось множество дел, в том числе и административных. Некоторые из них имели политическую окраску, и одно из них даже закончилось для Кулона недельным заключением в тюрьму аббатства Сен-Жермен де Пре. Заседания в многочисленных комиссиях, в частности в Комиссии по каналам в Бретани, оставляли мало времени для науки, и, тем не менее, Кулон представил в 1784г. в академию свою работу, которую можно считать весьма важной: мемуар о кручении тонких металлических нитей, а 1785-1789 гг. — серию мемуаров по электричеству и магнетизму.

Исследование кручения нитей может показаться имеющим лишь вспомогательное, «техническое» значение, но без него были бы невозможны дальнейшие количественные измерения силы взаимодействия электрических зарядов и магнитных полюсов. Как и всегда, труд Кулона отличался глубиной и изобретательностью. Так, диаметр очень тонких нитей Кулон определял их взвешиванием и измерением длины.

Многое из того, что вошло в классические исследования Кулона, можно теперь заметить и в трудах некоторых его предшественников. Так, крутильные весы использовал еще в 1773 г. выдающийся английский ученый Генри Кавендиш (1731-1810), но он не печатал своих трудов, и его рукописи были опубликованы великим Джеймсом Клерком Максвеллом (1831-1879) лишь столетие спустя.

Важным для решения всей проблемы моментом явилось то, что Кулон понял: нужно исследовать взаимодействие «точечных» заряженных тел, т.е. таких, расстояния между которыми значительно превосходит их размеры. Но и здесь Кулон не был первым. К такой же мысли пришел и англичанин Робайсон (1739-1805), который в результате тщательных опытов пришел к выводу, что сила электрического взаимодействия между телами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними; но он сообщил о своих результатах лишь в 1801г., значительно позже Кулона.

При экспериментальном исследовании зависимости взаимодействия между зарядами от расстояния между ними Кулону очень помогла аналогия: подобно тому, как частота колебаний маятника зависит от силы тяготения, частота колебаний вокруг вертикальной оси вращения зарядов, или магнитных полюсов, укрепленных на концах горизонтального стержня в крутильных весах (а измерение этой частоты достаточно просто), также зависит от действующей силы.

Впрочем, «закон обратных квадратов» для взаимодействия зарядов уже давно казался многим почти очевидным. И дело здесь не только в гипнотизирующем примере закона всемирного тяготения великого Ньютона; другой закон не позволил бы объяснить множество наблюдавшихся позже фактов (например, почему внутри ящика с проводящими стенками, какой бы заряд на них не помещался, никакое электрическое поле не ощущается).

Только в наши дни удалось понять, какое важное место во всей физической картине мира занимает «закон обратных квадратов». Если бы сила взаимодействия была бы чуть иной, например, если бы она была обратно пропорциональна не квадрату расстояния, а некоторой другой его степени, то ни планетные системы, ни даже атомы не бы быть находиться в состоянии устойчивого динамического равновесия.

Закон Кулона гласит: покоящиеся точечные одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются с силой, пропорциональной величине этих зарядов и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

Этот закон известен теперь, наверное, любому школьнику. Но вряд ли многим известно, какое искусство и наблюдательность пришлось проявить исследователю. Кулон заметил попутно, что заряды довольно быстро «стекают» с тел, и правильно объяснил это тем, что воздух обладает некоторой проводимостью — это обстоятельство осложняло эксперимент, но оно само стало важным открытием.

Многие знают, что закон взаимодействия магнитных полюсов, также тщательно изученный Кулоном, внешне очень похож на закон взаимодействия электрических зарядов. Из-за этого электростатика и магнитостатика долго представлялись во всем подобными друг другу, если не считать того удивительного факта, что «магнитные заряды» противоположных знаков — полюса магнитов — почему-то всегда встречаются попарно и никогда — по отдельности. Лишь после работ Ампера выяснилось, что магнитные поля постоянных магнитов обусловлены не тем, что они состоят из огромного числа маленьких магнитиков (как полагал и Кулон), а электрическими токами, т.е. движением в атомах электрических зарядов (что, следует заметить, во времена Ампера и само выступало не более, как в качестве замечательной догадки).

Современную классическую (т.е. неквантовую) теорию электрических и магнитных явлений часто называют электродинамикой Фарадея и Максвелла. Но, конечно, в написании этой важнейшей главы физики почетное место занимают и многие другие замечательные ученые. В числе первых здесь по праву должно быть упомянуто имя Шарля Кулона.

<<<Назад Страница 4 Далее>>>

WalkInSpace.Ru

Правила:

«Путешествие в космос» © 2024

Использование материалов допускается при условии указания авторства WalkInSpace.ru и активной ссылки на www.WalkInSpace.ru.

Используются технологии uCoz