2.1. Статическое электричество и магнетизм – основа науки об электромагнитном поле

          Путь к электричеству начался еще в глубокой древности.   Еще греку Фалесу из Милета, жившему в VI–V вв. до нашей эры, было известно свойство янтаря притягивать при натирании легкие предметы – перышки, солому, волосы и даже создавать искорки. Вплоть до шестнадцатого века это был единственный способ электризации тел, не имевший никакого практического применения.

      В средние века, когда компас, позволяющий определять курс корабля, стал известен Западу, изучение магнитных явлений приобретает практическое значение. В 1600 г. вышла книга английского ученого Гильберта (1544–1603) «О магните, магнитных телах и большом магните – Земле» [3]. В ней автор описал уже известные свойства магнита, а также собственные открытия. Он доказал, что наэлектризовать можно не только янтарь, но и алмаз, горный хрусталь и ряд других минералов. В отличие от магнита, который способен притягивать только железо (других магнитных материалов в то время не знали), наэлектризованное тело притягивает многие тела. Все тела, обладающие свойством притягивать, он назвал электриками, впервые введя этот термин в употребление (по-гречески янтарь–электрон). Одновременно им были определены вещества, не способные электризоваться.
       Вслед за Гильбертом важное место в истории науки об электричестве принадлежит немецкому бургомистру Ото фон Герике (1602–1686) [4]. Его исследования [4] в области электричества заложили начало экспериментальной электростатики.  Он сконструировал первое устройство для получения статического электричества – серный шар диаметром 15–20 см, вращающийся на оси. Насадив шар на ось, он наблюдал различные электрические явления. Притянутая к шару пушинка, отталкиваясь от него, парила в воздухе, притягиваясь к другим телам, особенно заостренным, а потом снова к шару. Параллельно, он обнаружил явление взаимного отталкивания двух наэлектризованных тел. Экспериментатор показал, что электростатические заряды могут распространяться по полуметровой льняной нитке, притягивающей к своему концу легкие предметы. Натирая шар рукой в темноте, он обнаружил слабое свечение.  При этом роль одного из полюсов выполнял сам изобретатель.

            Позднее машину Герике усовершенствовали другие изобретатели. Серный шар был заменен стеклянным, а в качестве одного из полюсов вместо ладоней исследователя применены кожаные подушечки. В 1729 г. англичанин Грей [4] открыл явление электропроводности. Он установил, что электричество способно передаваться от одних тел к другим по металлической проволоке. По шелковой же нити электричество не распространялось. В связи с этим Грей разделил все тела на проводники и не  проводники электричества. Французский ученый Дюфе выяснил, что существует два вида электричества. Один вид электричества образуется при натирании стекла, горного хрусталя, шерсти и некоторых других тел. Это электричество Дюфе назвал стеклянным электричеством. Второй вид электричества образуется при натирании янтаря, шелка, бумаги и других веществ. Этот вид электричества Дюфе назвал смоляным. Ученый установил, что тела, наэлектризованные одним видом электричества, отталкиваются, а разными видами – притягиваются. Немецкий  физик  Эвальд  Юрген  фон  Клейст  и нидерландский  физик  Питер  ван  Мушенбрук [3]  в 1745 году создали  первый  конденсатор  – «лейденскую банку».  Диэлектриком  в ней были  стенки  стеклянной  банки, откуда и возникло это название. Это был стеклянный сосуд с водой, обернутый фольгой. В воду погружали металлический стержень, пропущенный через пробку. Они считали, что накоплению электрических зарядов способствует вода, находящаяся в банке.

            Американский ученый Бенджамин Франклин (1706–1790) доказал, что вода в накоплении электрических зарядов никакой роли не играет, этим свойством обладает стекло – диэлектрик [4]. В сороковых годах XVIII века он выдвинул теорию о том, что существует электричество только одного рода – особая электрическая материя, состоящая из мельчайших частиц, способных проникать внутрь вещества. Если в теле имеется избыток электрической материи, оно заряжено положительно, при ее недостатке – тело заряжено отрицательно. Франклин предложил  стеклянное электричество Дюфе назвать положительным, а смоляное – отрицательным и ввел в практику знаки «плюс» и «минус», а также термины конденсатор, проводник, заряд.

            Уже к концу XVIII века свойства и поведение неподвижных зарядов были достаточно изучены и в какой-то мере объяснены. Однако ничего не было известно об электрическом токе – движущихся зарядах, так как не существовало устройства (детектора), которое могло бы регистрировать движение зарядов. Токи, получаемые от электростатической машины, были слишком малы, их нельзя было измерить. В конце XIX в. медик Гальвани (Luigi Aiosio Galvani) открыл первую конструкция детектора не искусственную, а природную – биологическую. Препарируя лягушек, он обнаружил появление в тканях препарированной лягушки кратковременных импульсов электрического тока, способствовавших резкому сокращению ее мышц.   Сопоставив свои результаты с предыдущими исследованиями, он сделал вывод о существовании «животного» электричества. В предложенной им теории для описания поведения мышцы использовалась модель электрического конденсатора. Предполагалось, что внешняя поверхность и внутренняя часть лягушечьей мышцы представляют собой обкладки конденсатора. Зарядка такого конденсатора происходит за счет возбуждения спинного мозга, которое передается через нерв. В момент замыкания обкладок «живого» конденсатора металлическим крючком происходит разряд, и в цепи начинает протекать электрический ток, в результате чего и происходят подергивания мышцы. При этом разряд не зависит от того, замыкают цепь проводником из однородного металла или из двух различных металлов. Позже Гальвани предположил, что «животное» электричество в отличии от обычного, «более эффективно действует через разнородные проводники». Однако профессор из Павийского университета Алессандро Вольта (Alessandro Guiseppe Antonio Anastasio Volta), тщательно повторив все опыты Гальвани, не согласился с выводами автора [5]. Вольта утверждал, что явление, открытое Гальвани, чисто физическое, а не физиологическое, и животного электричества не существует. Причина сокращения лягушечьей лапки, по мнению Вольта, который изобрел источник постоянного тока (вольтов столб) лежит в природе разнородных металлов, замыкающих цепь. Александро Вольта, как и Луиджи Гальвани, до конца своих дней твердо придерживался созданных им научных теорий, невзирая на то, что некоторые из них были неверными. Так, он считал, что в основе действия изобретенного им источника тока лежит контактная разность потенциалов. Однако по прошествии длительного времени было установлено, что причиной возникновения электродвижущей силы в гальваническом элементе является химическое взаимодействие металлов с проводящей жидкостью– электролитом. Полная теория гальванического элемента была создана только в конце XIX века. Исследования XX века показали, что явление контактной разности потенциалов существенно влияет на рабочие характеристики различных радиоэлектронных приборов и его необходимо учитывать при их разработке. Контактная разность потенциалов оказывает заметное влияние на вид вольтамперных характеристик электровакуумных ламп. На контактной разности потенциалов основана работа элементов полупроводниковой электроники: p-n-переходов и контактов «металл-полупроводник» [6].

           Таким образом, XIX век стал веком теоретического осмысления природы магнетизма и электричества. Именно в этом веке теоретически было доказано наличие электромагнитных волн, что и предопределило техническую революцию в области связи, а затем и телекоммуникационных технологий.