Учение об электричестве и магнетизме гораздо моложе, чем механика и оптика. Кроме слова «магнит» и нескольких элементарных наблюдений над натертым янтарем древность не оставила ничего больше. (В Китае уже во втором столетии н. э. знали компас, но в Европу он попал только в XIII столетии.) Средние века дали знание того, что каждая часть магнита образует опять полный магнит. Достойным внимания является, может быть, страх, с которым воспринимал Христофор Колумб во время своего путешествия в 1492 г. перемену существовавшего в Южной Европе восточного отклонения компаса на западное. Даже в первые полтора столетия развития современной физики история физических идей мало направлялась в эту область, несмотря на несомненную заслугу Вильяма Гильберта (1540-1603), который исследовал при помощи небольшой магнитной стрелки изменение силовых линий вблизи намагниченных стальных шаров и установил совершенную аналогию их действия с действием Земли на компас, покончив тем самым со всеми преданиями о великих магнитных горах на Северном полюсе или о силе, исходящей из Полярной звезды. Он первый применил термин «электричество». Ничего не' изменили также исследования Отто Герике, который заметил отталкивание одинаково заряженных тел и построил первую машину, производящую электричество путем трения, а также открыл намагничивание кусочков железа магнитным полем Земли. В механике,
оптике, учении о теплоте и химии происходило глубокое сознательное исследование древних сокровищ донаучного опыта, который имел определенное значение. Но в области электричества и магнетизма лишь предстояло пройти соответствующую «доисторическую» стадию, прежде чем можно было придти к ясным идеям. Исследователи XVII и начала XVIII веков сталкивались с такими сложными явлениями, как электризация путем трения, образование искры, влияние влажности воздуха и др., которые невозможно было объяснить из-за отсутствия основных понятий электростатики.
Все же в эту эпоху возник ряд важных качественных наблюдений. Различение проводников электричества и изоляторов провел в 1731 г. Стефан Грей (1670-1736); Франц Эпинус (1724-1802) показал в 1759 г., что между ними существуют переходы всех ступеней. Оба наблюдали впервые индукционные действия заряженных тел на изолированные проводники. Случайные наблюдения привели в 1745 г. Эвальда Георга фон Клейста (родился вскоре после 1700 г., умер в 1748 г.) в Каммине (Померания) и Питера Мушенброка (1692-1761) в Лейдене к открытию лейденской банки - первоначальной формы электрического конденсатора, над пониманием которой трудился, кроме Эпинуеа, также Вениамин Франклин (1706-1790). Франклин дал термины «положительное» и «отрицательное» электричество. В связи с этим открытием Иоганн Карл Вильке (1732-1796) обнаружил в 1758 г. поляризацию диэлектрика - типичный пример рано появившегося и поэтому потерянного открытия. Электрофор, из которого должна была позднее развиться индукционная электростатическая машина, был изобретен Александром Вольта (1745-1827). Экспериментальное доказательство давно предполагавшейся электрической природы грозы, данное в 1752 г. Франклином, произвело большую и оправданную сенсацию.
Понятие «количество электричества», повидимому, уже с XVII столетия было общим достоянием и с самого начала без специального обоснования было
связано с представлением о том, что ничто не может быть создано или уничтожено. Еще не мог быть решенным спор о том, существуют ли два электрических «флюида», компенсирующих действия друг друга, или только один, имеющийся в электрически нейтральных телах в определенном «нормальном» количестве. Наш современный взгляд дуалистичен, поскольку положительные и отрицательные заряды приписываются носителям различной природы, и в то же время унитарен, поскольку существеннейшей составной частью материи объявляются атомные ядра - главнейшие носители положительного электричества.
В области магнетизма в середине XVIII столетия было известно лишь одно, опять преждевременное и потому не имевшее влияния, открытие явления диамагнетизма, которое было обнаружено в 1778 г. Антоном Бругмансом (1732-1789) при отталкивании висмута магнитом.
Учение об электричестве стало наукой только после установления закона Кулона, согласно которому сила, действующая между двумя зарядами, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Этот закон имеет своеобразную историю. Она началась с предположений об его существовании в связи с ньютоновским законом тяготения. В 1767 г. Пристли (1733-1804) вполне ясно видел убедительное доказательство этого закона в установленном им и другими, например Генри Кавендишем (1731-1810), явлении: заряд проводника находится целиком на его поверхности, в то время как внутренность проводника совершенно свободна от электрических действий. Однако на эти наблюдения не обращали никакого внимания. В 1785 г. Огюст Кулон (1736-1806) произвел опыты с помощью крутильных весов. Он непосредственно измерил силу между двумя маленькими заряженными шариками, частично по статическому отклонению весов, частично по колебаниям подвешенного к этим весам
шара. В следующей работе 1786 г. Кулон, не зная о своих предшественниках, сообщил о защитном действии проводников и видел также в этом доказательство закона электрических сил. Однако эта часть его работы была совершенно забыта, так что мы теперь большей частью связываем защитное действие проводников с именем Фарадея. На современников Кулона произвели большое впечатление только действительно наглядные измерения посредством крутильных весов, благодаря которым закон носит имя Кулона.
Кулон положил силу, действующую между двумя зарядами, пропорциональной количествам электричества по аналогии с законом Ньютона. Доказательства он не мог дать, так как не имел меры для зарядов. Идею определения этой меры, и именно на основе закона Кулона, мы впервые находим у Гаусса.
Кулон применял свой закон и к магнетизму. Но здесь его опыты менее убедительны, так как накопление магнитных «флюидов» на точечных полюсах представлялось всегда сомнительным, хотя он пытался доказать это заранее подготовленными измерениями. То, что было правильным в этом распространении закона Кулона на магнитные явления, нашло свое точное выражение в применимости дифференциального уравнения Лапласа к магнетизму, на что указал в 1828 г. Джордж Грин (1793-1841). Важным является полученное при помощи крутильных весов доказательство Кулоном того, что магнитное поле Земли сообщает магнитной стрелке вращательный момент, пропорциональный синусу угла отклонения от меридиана. Это является основой для понятия магнитного момента.
Прогресс, вызванный законом Кулона, иллюстрируется применением в 1811 г. Пуассоном (1781-1840) теории потенциала, развитой раньше для тяготения (гл. 3). Действительно, в законе Кулона или в эквивалентном ему дифференциальном уравнении Лапласа - Пуассона, а также в опыте, подтверждающем постоянство потенциала на проводнике, содержится вся электростатика, поскольку диэлектрики
не участвуют в явлениях. Дальнейшей разработкой теории потенциала мы обязаны, кроме Грина, Карлу Фридриху Гауссу (1777-1855), который выступил в 1839 г. со своей знаменитой работой. Эта теория оказала влияние далеко за пределами ее собственной области, так как стала прообразом для многих других областей математической физики.
Гаусс дал упомянутое определение количества электричества на основании закона Кулона. Единицей количества электричества является, соответственно этому закону, то количество, которое отталкивает с силой в 1 дину равное ему количество, находящееся от него на расстоянии в 1 см. Гаусс дал первое абсолютное измерение магнитного момента стального магнита и силы магнитного поля Земли. Его математическая тео-
рия этого поля является непосредственным и завершающим продолжением работы В. Гильберта. Гаусс основал также первую рациональную электрическую и магнитную систему мер. Но закон сохранения электричества впервые был доказан в 1843 г. Михаилом Фарадеем (1791-1867). В изолированном, соединенном с кондуктором электрометра «ведре для льда» он помещал заряженный металлический шар, висящий на длинной шелковой нити; мерой его заряда являлось расхождение листочков электрометра. Фарадей показал, что это расхождение не зависит от тех предметов, которые еще находятся в «ведре для льда», и от состояния их заряда. Можно этот заряд перенести целиком или частично на другой проводник; это не окажет никакого влияния. Только когда вносят новые заряды в «ведро для льда», отклонение электрометра также изменяется; оно указывает алгебраическую сумму введенных зарядов.