22
Последняя трудов ученого неокоторы его опыты были поставленыано вою. Оказалось, что в подавляшем большинстве случае результаты Кавендиша весма точны.
Интерес к научному наследию ученого не ослабвал. В 1927 году по инциативе Кембриджского университета было предложено новое издание работы Кавендиша, в котором были включены и ранее неопубликаенные работы. И вовь ученый мир пришел в восхшение: многолетние (1782—1809 гг.) изменения характерistik магнитного поля Земли для в руки геофизков неоценным материалом о «магнитной истории» Земли. Оказалось, что Кавендиш высказывал идею о сохранении энергии, рассматривал величины, соответствующего потенциальной энергии. И вовь, в которой раз, были высказаны соглашения о том, что научные результаты Кавендиша оставались неизвестными болееста лет. Сожалеть приходится не только о забвении результатов, но и о том, что современник не был известны проблемы, интересавшие Кавендиша. Зачастую они составляли целую научную программу, разработавшуюся в течение XIX столетия. Приером может служить перечень проблем из области магнитизма: изучение постоянных и «меняюшихся» магнитов; влияние тела на магнитные свойства тела; зависимость «силы» магнитов от сечения; управлигие изгиб намагниченных игл в магнитном поле Земли; ошибки при изучении земного магнитизма, обусловленные этим изгибом.
Итак, восхшение и недоумение — чувства, возникающие при знакомстве с научным творчеством Генри Кавендиша. И, несмотря на то, что многое его результаты были получены заново другими учеными, по праву считающимся авторами открытий, ценность трудов Кавендиша непреходяща. И, прежде всего, она в научной глубине, с которой Кавендиш продумывает свои опыты, и в той скрупулезной тщательности, с которой он их выполял. Именно эти требования являются основными в современной экспериментальной физике.
Генри Кавендиш
Экспериментальное определение закона электрической силы
С творчеством выдалошегося ученого лучше всего знакомиться, читая его труды. Отмечая юбилей Кавендиша, мы публикуем сокращенный перевод его работы, посвященной установлению зависимости сил электрического прияжения и отталкивания от расстояния. Начало работы Кавендиша над проблемами электричества относится, повидимому, к 1771 году. Полученные им результаты представляют собой весма полное и, главное, точное решение поставленной задачи. В своих исследованиях ученый более чем на десятилетие определил Кулона, опубликовавшего результаты своих опытов в 1785 году. Интересно, что Кавендиш сумел ответить на поставленный вопрос, несмотря на то, что придерживался неправильных представлений о природе электричества. Он полагал, что существует некая электрическая жидкость, избыток которого проявляется в положительной электризации тела, а недостаток — в отрицательной. Для облегчения понимания физического смысла опытов Кавендиша в переводе неоторные устройства термины заменены соответствующими современными выражениями; там, где это необходимо, дан подтверчный комментарию.
Предлагаемая вниманию читателей работы Кавендиша написана, по видимому, между 1771 и 1775 годами. Однако она впервые была опубликована (на английском языке) лишь в 1879 году, в подготовленном Максвеллом собрании трудов Кавендиша.
Цель следующего эксперимента был ответ на вопрос: когда полый шар электризуется, заряжается ли малый шар, вложенный в первый и соединенный с ним каким-либо проводником? Таким образом можно найти закон электрического прияжения и отталкивания.
Я взял шар диаметром 12,1 дюйма, укрепил его на твердом стеклянном стекле, проходившем через центр шара как ось, и покрыл стержень сгугучом, чтобы сделать его менее проводящим электрическо. Затем я вложил этот шар между двумя полными картоными полусферами
Перевод и подготовка публикации выполнены С. Филоновичем.
23
динамиром 13,3 дюйма и толщиной около 1/20 дюйма так, что вряд ли в каком-нибудь месте между шаром и внутренней поверхности полусфер расстояние было меньше, чем 4/10 дюйма. Полусферы были сложены друг с другом так, что образованы полуюсферу, а их края соприкасалисьвозможно теснее. В каждой из них были сделаны вырезы, чтобы получились отверстия для выхода наружу стеклянного стержня.
Таким образом, я получил внутренний шар, окруженный полым шаром. Между ним не было связи, по которой электрическо могло бы переходить от одного к другому.
Затем с помощью провода, проходившего через одну из полусфер и касавшегося внутреннего шара, я создал связь между ними. К концу провода был прикреплен куском шелковой нити, посредством которого я при желании мог вытасивать провод наружу.
Вслед за этим я налестризовал полусферы с помощью провода, соединенного с положительной обкладкой лейденской банки, затем отделил его и мгновенно вытасил наружу провод, соединяющий внутренний и внешний шары. Провод, вынутый при помощи шелковой нити, не мог разрядить ни шар, ни полусферу. Затем я разделил полусферы, следя за тем, чтобы они не коснулись внутреннего шара, и приложил к шару пару маленьких пробковых шариков, подвешенных на тонких льняных нитях, чтобы увидеть, налестризовался ли внутренний шар.
Для большей уверенности в результате опыта я использовал еще другую аппаратуру. В принципие она была сложнее, чем нужно, однокрепirement этот был для меня настолько важен, что я хотел проверти его предельно аккуратно.
ABCD и AbcD — две деревянные рамки одинаковых размеров и формы, связанные петлями в точках A и D так, что каждой рамка может двигать вокруг горизонтальной оси AD; H — одна из полусфер, прикрепленная к рамке ABCD с помощью четырех стеклянных стержней Mm, Nn, Pp и Rr, покрытых супгуном; h — другая полусфера, прикрепленная таким же образом к рамке AbcD; G — внутренний шар, закрепленный на горизонтальном стержне Ss (деревянная рамка, с помощью которого удерживает стержень Ss, и петли в точках A и D на рисунке не показаны, дабы избежать его условия); Tt — обернуть станилом*) (в точке x) стеклянная палочка, которой касаются шара; со станию свешиваются пробковые шарики.
Благодаря действию различных пружин одно движение руки приводило к следующим последовательным действиям: удалялся провод, с помощью которого налестризоваилась полусферы, вытасивался провод, соединяющий полусферы и внутренний шар, полусферы разведнялись и к внутреннему шару подносилась палочка Tt. Кроме того, было предусмотрено, что электричество, находившееся на полусферах и проводе, посредством которого они заряжались, удалялось немедленно после разведнения полусфер; в противном случае действие этого электричества могло заставить пробковые шарики разойтись, даже если бы внутренний шар не был налестризован.
*) Станиоль — оловянная форла.
Рисунок из рукописи Кавендша со схемой опыта по определению закона электрического прятяжения и отталкивания.
24
Внутренний шар и полусферы я покрыл станиюм, чтобы сделать их хорошо проводниками электричеста.
При проведении экспериментовлейденская банка, покрытая станиюм, соединилась с проводом, через который налектизовалась полусферы; этот провод располагался так, чтобы не касаться полусфера до тех пор, пока банка не зарядится в должной степени. Затем провод приводился в соприкосовение с полусферами в течение двух трех секунд, отделгивался и полусферы разводились, как было описано выше.
К первичному проводнику, через который заряжаласьлейденская банка, присоединился электрометр и полусферы всегда заряжались одинаково.
Соображения, по которым я использовал банку, состоят в следующем. Без нее было бы трудно как установить, до какой степени налектизовались полусферы, так и удержать электричество одинаковой силы*) в течение секунды или двух; я опасался, что если провод будет лежать на полусферах во время электризации банки, то электричество может постепенно растаться само по себе по стеклянным стержням, которые удерживают шар и полусферы, а это вносило бы неокоторые ошибки в результаты опыта.
Результат экспериментов, которые я повторял несколько раз, был всегда один и тот же: я не заметил расхождения шариков или каких-либо признаков электричеста.
Что имеется возможностьчевать меньше количество электричества, я проводил опыт и другими способом. Перед тем как полусферы налектизовались, я электризовал пробковые шарики положительно, затемляя их расходиться примерно на дюйм. Тогда всед за разведением полусфера и приведением станиолях в контакт с шаром электричево пробковых шариков, естественно, передавалось шару; однако они проводали расходиться, хотя и едва заметно. Затем я практически так же повторял опыт, но предварительно электризовал шарики отрицательно, причем в той же самой степени, что и в первом случае. После проведения в контакт с шаром они расходились так же, как и при положительной электризации.
Необходимо отметить, что, если бы шар имел дополнительный положительный заряд, пробковые шарики должны были расходиться сильнее при их предварительной положительной электризации, чем при сообщении им отрицательного заряда.
С помощью этого приема может быть заменена малая электризация шара. Когда шарики уже получили достаточно для их расхождения количества электричества, дальнейшее увеличение их расхождения будет вызван количеством электрического жидкости*), в несколько метров то, который первооначально обладали шарики. Ясно, что этот способ проведения опыта неверен, если полусферы не электризуют примерно одинаково при положительной и отрицательной электризации шариков. Это условие проверялось с помощью электрометара.
Для того чтобы определить, сколько количество электричества на внутреннем шаре может быть обнаружено в этом опите, я удалил полусферы с их рамками, а шар и пробковые шарики оставил на месте. Затем взял кусок стека, покрытый станилом, каклейденская банка; об этом куске стека я знал, что на нем находится не более 1/59 части электричества, сосредоточенного на положительной обкладкелейденской банки**), с помощью которой электризовались полусферы.
Вслед за этим я налектизовал эту стеклянную пластинку до той же
*) To есть одинаковые заряды.
**) Отметим, что Кавендиш независимо от других ученных ввел понятие электрического емкости. В качестве этого емкости он использовал шар определяемых размеров; единицей емкости, использовавшейся Кавендишем, был «дюйм электричества», то есть емкость имела, как и в современной системе единиц CGSE, размерность длины. В данном случае Кавендиш имеет в виду, что конденсатор из куска стека, обклеенного станилом, имеет емкость, сосредоточную 1/59 части емкостилейденской банки.
25
степени (это показал электрометр), до какой была заряжена банка в первом опыте, отделил ее от первыйного проводника и сообщил ее электричесво лейденской банке, которая до этого момента не была назначена вовсе. Таким образом, в этом опыте банка получала только 1/60 часть электрической жидкости, сообщавшей ей в первом опыте.
Потом с помощью банки я на электризовал шар тем же способом, каким ранее заряжал полусферы, и сразу же, после того как был убран соединительный проводник, приблизил к шару пробковые шарики. Оказылось, что при использовании предварительно на электризованных пробковых шариков заряд шара проводлялся очень отчетливо, поскольку шарики развигались значительно сильнее, когда они были заряжены на электризованы положительное, чем при предварительной отрицательной электризации. Однако, если шарики заряжены не заряжать, электричесвана на шаре оказывается недостаточно для их развижения.
Ясно, что количество электрической жидкости, сообщенной шару в этом опыте, было менее 1/60 части жидкости, которая передавалась полусферам в предшествующих экспериментах.
Таким образом, оказалось, что если шар диаметром 12,1 дюйма вложен в полый шар диаметром 13,3 дюйма, соединин с ним каким-либо проводником и в связи на электризована положительное, то количество электрической жидкости, скапливающегося на внутреннем шаре, во всяком случае меньше 1/60 части жидкости, находящейся на внешней сфере, и никакие детали эксперимента не дают оснований думать, что внутренний шар вообще на электризован.
Отсюда следует, что электричесное отталкивание (и прияжение) должно быть обратно пропорционально квадрату расстояния, и когда шар на электризован положительное, электричесная жидкость сосредоточена целиком на его поверхности.
Оценим, насколько зависимость электрического прияжения и отталкивания от расстояния может отличаться от обратной пропорциональной квадрату расстояния, чтобы это отличище не проявлялось в экспериментах. Пусть проходит через диаметры двух концентрических сфера и и делится пополам точкой . в эксперименте приближенного равнялось 0,35 дюйма, — 13,1 дюйма. Если электричесное отталкивание (и прияжение) обратно пропорционально расстоянию в степении , то можно показать, что сила, с которой электричесная жидкость на отталкивает частиц [заряженную — . Ф.], находится в точке , по направлению к центру, относится к силе, с которой то же количество жидкости, сообщенное в центре, будет отталкивать частицы в противоположном направлении, как *).
Однако, поскольку только слегка отталкивается от обратной пропорциональной квадрату расстояния, жидкость на внутреннем шаре будет отталкивать частиц в точке применено с той же силой, как если бы вся жидкость находилась в центре. Поэтому, если бы жидкость на внутреннем шаре составляла 1/57 часть жидкости на , частица находилась бы в равновесии. поскольку послеедние между и , имеются всекие основания думать, что все сказанное относится к жидкости на поверхности банки.
Таким образом, мы можем заключить, что электричесное прияжение (и отталкивание) должно быть обратно пропорционально расстоянию в степении, лежащей между 2—1/50 и