Великий физик и гражданин Америки

К 250-летию исследований Б. Франклина по электричеству

Ян Шнейберг

Он молнию отнял у неба и власть у тиранов...

Эпитафия на могиле Франклина

От разносчика газет до основателя университета

Когда 17 января 1706 г. в г. Бостон (Новая Англия - так называли северо-восточную часть США) в семье бедного ремесленника-мыловара родился пятнадцатый ребенок, никто не мог предположить, что этот мальчик прославит не только династию Франклинов, но и всю страну, станет всемирно известным ученым и одним из основателей нового государства - Соединенных Штатов Америки. Мальчика назвали Бенджамином. Он с детства познал нужду и, проучившись в школе всего два года, в десятилетнем возрасте начал зарабатывать себе на жизнь. У отца была мастерская сальных свечей, и Бенджамин стал его помощником. Однако вскоре он вынужден был заключить контракт с одним из старших братьев - владельцем типографии, где обязан был в течение десяти лет работать без жалованья.

Бенджамин Франклин (1706-1790 гг.)

Будучи способным и трудолюбивым, Бенджамин быстро освоил основные типографские работы и все свободное время уделял чтению и самообразованию. Он изучил основы арифметики, грамматики, логики и географии, учился свободно и грамотно излагать свои мысли.

Счастливый случай помог приобрести ему известность и в корне изменить свою жизнь. Когда брат начал издавать газету, пятнадцатилетний Бенджамин исполнял обязанности разносчика. Вскоре он понял, что может писать не хуже многих других, написал статью и под чужим именем представил ее в редакцию. К его удивлению, статья понравилась и была напечатана. Затем было еще несколько статей, вызвавших большой интерес многих читателей газеты. Тогда он открыл свое имя и быстро стал известен в городе, что вызвало зависть владельца газеты и существенно осложнило жизнь способного юноши. Не выдержав притеснений, Бенджамин расторгнул договор с братом и полураздетый, без средств к существованию уехал в Филадельфию - город, в котором он позднее станет первым гражданином и прославит его на весь мир.

Незаурядные способности и хорошее знание типографского дела помогли Франклину быстро устроиться на работу в одну из типографий. Он стал получать приличное жалованье и смог начать новую жизнь. Вскоре ему удалось побывать в Лондоне, где он изучил новейшие достижения типографской техники. Вернувшись в Филадельфию, Бенджамин открыл собственную типографию.

В это же время он все более увлекается наукой и общественной деятельностью. Его неутомимая энергия, природный ум и разносторонняя образованность притягивали к нему молодых людей. В 1727 г. Франклин создает просветительский клуб, где во время еженедельных встреч в непринужденной обстановке обсуждаются самые актуальные вопросы политики, науки, нравственности.

Вскоре Франклин начинает выпускать еженедельную газету-альманах, и его имя приобретает еще большую известность в городах Америки.

В 1731 г. Франклин создает в Филадельфии первую в стране публичную библиотеку, которая до наших дней сохранилась как одно из уникальных книгохранилищ Соединенных Штатов. Но на этом деятельность Франклина не заканчивается. Неуклонно растет и его авторитет. Вскоре ему присваивают звание генерал-почтмейстера и передают руководство всеми почтовыми отделениями английских колоний в Америке.

Огромная заслуга Б. Франклина - основание первого высшего учебного заведения - широко известного Пенсильванского университета, попечителем которого он оставался до конца своих дней. В память о его заслугах перед наукой в 1820 г. в Филадельфии был основан всемирно известный Франклиновский институт, ставший центром распространения научных знаний в стране.

Франклин был также основателем Философского общества (по типу Лондонского Королевского общества), существующего до сих пор и являющегося старейшим научным обществом Америки.

"Сила" лейденской банки в стекле

Знаменательное, можно сказать, судьбоносное событие в жизни и научной деятельности Франклина произошло в 1746 г. Совершенно случайно, исключительно из природного любопытства, он оказался, будучи в Бостоне, на лекции по электричеству, сопровождавшейся увлекательными опытами. С лекцией выступал шотландец Спенсер, имя которого вряд ли заняло бы значительное место в истории электричества, если бы среди слушателей не оказался такой всесторонне образованный и энергичный человек, как Бенджамин Франклин.

Потрясенный увиденными "электрическими чудесами", Франклин решил заняться экспериментами и написал о своем намерении давнему другу - члену Лондонского Королевского общества Питеру Коллинсону (1694 - 1768). Последний с одобрением отнесся к сообщению Франклина и прислал ему "трехфутовую стеклянную трубку толщиной с руку", которая электризовалась при натирании шелком. Франклин с присущей ему энергией и увлечением немедленно приступил к экспериментам, вскоре полностью завладевшим его "вниманием и временем".

О первом своем открытии, которое представлялось ему "новым явлением", Франклин пишет Коллинсону 11 июля 1747 г. Оно "... заключается в замечательной способности заостренных предметов извлекать или испускать электрический огонь". Позднее "эффект острия" Франклин использует при изучении атмосферного электричества. В этом же письме Франклин вводит "некоторые новые термины", которые используются и в современной электротехнике. Речь идет о "положительном" и "отрицательном" электричестве, или, как он пишет, "предпочтительнее - "плюсе" и "минусе". Франклин пытается проникнуть в сущность природы электричества. Его интересует, откуда возникает электричество при натирании (например, стекла -шелком) - возникает ли оно заново или переходит от одного из натираемых предметов к другим? "Электрическая субстанция" (тонкий электрический "флюид") одного рода, а не двух, как считалось ранее, состоит из чрезвычайно малых частиц, так как она способна проникать в обыкновенную материю, даже в самые плотные металлы с большой легкостью". В нормальном состоянии все тела содержат "нормальное количество "флюида" и являются электрически нейтральными. Когда же один из предметов, например, стекло, натираемое шелком, получает часть "флюида", которую шелк теряет, то стекло электризуется положительно, а шелк, теряющий часть "флюида", - отрицательно. С современной точки зрения, важное значение имело утверждение Франклина о том, что "электрическую субстанцию" нельзя создать или уничтожить, а можно только перераспределить. Как утверждают современные ученые, Франклин как бы предсказывает закон сохранения электрического заряда, и его теорию можно считать "... предшественницей электронной теории" [3].

Теория Франклина была высоко оценена его современниками, в частности и потому, что она весьма понятно объясняла некоторые электрические явления, например, действие лейденской банки.

Франклин провел множество опытов, чтобы установить, где сосредоточена "сила банки", - в стекле или в обкладках? И он доказал, что "сила банки" и ее способность "давать потрясения ... заключаются в самом стекле", а с помощью обкладок электричество "сообщается и уводится".

Убедившись в том, что "сила банки" - в стекле, Франклин решил создать новый вид банки (плоский конденсатор), состоящей из "больших оконных стекол". Он назвал ее электрической батареей, впервые введя, таким образом, термин, широко используемый в современной электротехнике. Можно сказать, что с его легкой руки в практику вошли термины "заряд" и "разряд". Созданная им батарея состояла из одиннадцати больших оконных стекол с приклеенными с каждой стороны стекла тонкими свинцовыми пластинками. Такая батарея, получившая название "Франклиновые доски", позволила накапливать значительные заряды.

Утверждая, вопреки существовавшим мнениям, что заряд лейденской банки сосредоточен в стекле, Б. Франклин вплотную подошел к современному представлению о том, что энергия, запасенная в конденсаторе, сосредоточена в его диэлектрике.

Унитарная теория Франклина вскоре оказалась бессильной в объяснении ряда новых проявлений электричества, что был вынужден признать и сам ее автор. Он утверждал, что "отталкивательной" способностью обладают лишь тела, содержащие "избыток" электричества, т. е. заряженные положительно. Но оказалось, что таким же свойством обладают и тела, заряженные отрицательно. В 1759 г. английским ученым Р. Симмером была разработана новая, "дуалистическая" теория, из которой следовало, что существуют две различные, "электрические субстанции" - положительная и отрицательная. Как известно, наличие двух родов электричества - одно из важнейших положений современной теории электромагнетизма.

"Огонь молнии и огонь электричества есть одно и то же"

Среди многих замечательных исследований Франклина наибольшую славу принесли ему знаменитые опыты по изучению атмосферного электричества, положившие начало новым важнейшим открытиям.

Еще в глубокой древности грозовые разряды и удары молний поражали воображение людей, приводя их подчас в ужас. Жертвами молний становились тысячи людей, животных и птиц. Под их ударами разрушались храмы и жилища.

По мере углубления исследований в области электричества уже в конце XVII - начале XVIII веков физики приходят к мысли о сходстве электрической искры, полученной от электростатической машины, с явлениями молнии и грома. Однако ряд известных ученых не соглашался с такими утверждениями, и поэтому долгое время никто из европейских ученых не проводил серьезных исследований атмосферного электричества.

В письмах и записных книжках Б. Франклина 1748 - 1750 гг. можно найти указания на то, что "огонь электричества и огонь молнии есть одно и то же". Но как доказать экспериментально тождественность явлений "обыкновенного" электричества и молнии?

Для этого Франклин решил воспользоваться результатами своих наблюдений о свойствах остроконечных предметов притягивать "электрическую субстанцию". Тогда и молния должна притягиваться к остриям. Почти 250 лет назад в письме к Коллинсону от 29 июля 1750 г. Франклин описывает эксперимент, который он проводил в Филадельфии в 1749 г. "чтобы решить вопрос о том, наэлектризованы или нет облака, заключающие в себе молнию?". Он убедился, что при взаимном сближении заряженных облаков между ними "станет возможным разряд", а для отвода удара молнии в землю можно использовать "заостренные железные пруты".

В этом же письме Франклин впервые высказывает убеждение, что "... заостренные предметы могут принести пользу человечеству при спасении домов, храмов, кораблей и т. п. от удара молнии, побудив нас устанавливать на самых высоких местах этих зданий вертикальные железные прутки, заостренные, как игла..., а от их основания спускать вниз проволоку снаружи здания до земли или вдоль одного из вантов корабля по борту до воды". В этих строках предельно ясно сформулирована идея создания "молниеотвода", применение которого принесло Франклину всемирную славу.

Но по иронии судьбы впервые публично продемонстрировать извлечение искр из наэлектризованного железного шеста удалось не самому Франклину, а скромному, но весьма образованному священнику Ж. Ф. Далибару из местечка Марли близ Парижа 10 мая 1752 г.

В Европе были известны исследования Франклина, так как П. Коллинсон регулярно сообщал о содержании писем ученого на заседаниях Лондонского Королевского общества. Эти письма составили весьма солидный труд под названием "Опыты и наблюдения над электричеством", который был переведен на многие языки, в том числе на русский.

Далибар, живо интересовавшийся исследованиями Франклина, решил сам провести опыт, который бы подтвердил, что молния представляет собой электрический разряд. Он установил в своем саду высокий железный шест и изолировал его конец с помощью четырех бутылок. Во время грозы, держа в руке латунную проволоку, вставленную в длинную стеклянную колбу, служившую рукояткой (это был простейший разрядник), Далибар, приближая проволоку к наэлектризованному шесту, извлекал из него длинные голубые искры, причем при этом ощущался характерный запах серы.

В мае 1752 г. Далибар послал докладную записку о своем эксперименте в Парижскую академию наук, в которой писал: "Из опыта, проведенного в городке Марли, неопровержимо следует, что субстанция молнии одинакова с субстанцией электричества".

Франклин не сразу узнал об успешном опыте Далибара. Продолжая свои исследования, он осуществил еще более эффектный опыт с запущенным в облака змеем, о котором вскоре узнал весь мир. В своем письме Коллинсону от 19 октября 1752 г. он подробно описал свой эксперимент, проведенный, по-видимому, в июне 1752 г.

Франклин изготовил воздушный змей, но вместо бумаги натянул на деревянные планки шелковый платок, поскольку шелк не намокает от дождя так быстро, как бумага. Он писал: "К верхнему концу деревянной крестовины змея нужно прикрепить кусок проволоки с острым концом, чтобы он выступал за край не меньше, чем на фут. Конец бечевки, за который берутся рукой, следует подвязать шелковой лентой, а в месте соединения бечевки с лентой нужно привязать ключ. Во время грозы необходимо следить за тем, чтобы шелковая лента не намокла, а бечевка не касалась дверного косяка или оконной рамы. Как только грозовая туча окажется над змеем, заостренная проволока станет извлекать из нее электрический огонь, и змей вместе с бечевкой наэлектризуется. А когда дождь смочит бечевку, сделав ее способной проводить электрический огонь, Вы увидите, как он обильно стекает с ключа при приближении вашего пальца. При этом от ключа можно зарядить банку..., воспламенить спирт и проводить прочие электрические опыты, которые обычно ставятся при помощи натертого стеклянного шара или трубки. Тем самым будет полностью доказано тождество между электрической субстанцией и субстанцией молнии".

Как уже отмечалось, к идее извлечения "электрического огня" из молнии с помощью заостренного металлического шеста, Франклин пришел еще в 1749 г. Однако попытка Коллинсона опубликовать работы Франклина в известных "Философских трудах" (Philosophical Transactions) Лондонского Королевского общества была отвергнута как недостойная публикации, а проект извлечения искр из облаков был признан фантастическим. Но когда Коллинсон опубликовал письма Франклина за свой счет, они вызвали огромный интерес и восхищение, сразу были переведены на французский язык, а король Франции выразил желание лично присутствовать при постановке опытов. После этого и Лондонское Королевское общество признало выдающиеся заслуги Франклина, приняв его в число своих членов (1756) и наградив почетной Золотой медалью Коплея.

Огромной заслугой Франклина перед наукой и человечеством является создание им первых надежных громоотводов, быстро распространившихся по всему миру и ставших необходимым устройством при сооружении зданий. Громоотвод Франклина применяется в современном градостроительстве почти без изменений.

Замечательные наблюдения и исследования Б. Франклина составили целую эпоху в изучении электрических явлений. Они способствовали дальнейшим поискам ученых в раскрытии многих тайн этого невиданного феномена.

Большой заслугой Франклина является и то, что он впервые указал на связь между электрическими и магнитными явлениями. Во время опытов в 1750 - 1751 гг. он наблюдал намагничивание швейной иглы при разряде через нее четырех лейденских банок.

Труды Франклина еще при его жизни получили мировое признание. Он был избран почетным членом многих научных обществ и академий, в том числе Петербургской академии наук (1789 г.).

Можно только догадываться, как много еще мог сделать для науки Франклин, если бы он посвятил ей свою жизнь. Однако исследованиям электрических явлений Франклин занимался только около восьми лет. Общественная и политическая деятельность Бенджамина Франклина не позволила ему уделить достаточно внимания науке.

В 1754 г. Франклин был избран делегатом от Пенсильвании на собрание представителей английских колоний в Америке, где он выступил с планом объединения колоний и создания федерации, которая позднее послужила основой образования Соединенных Штатов.

В 1757 г. Франклин был направлен в Англию в качестве представителя английских колоний в Америке и в течение 15 лет мужественно защищал интересы своих соотечественников.

В 1775 г. между английскими солдатами и колонистами начались военные действия. В связи с началом вооруженной борьбы в Филадельфии был созван общий Континентальный конгресс, в котором принял участие и Франклин.

В 1776 г. он вошел в состав Комитета для составления Декларации Независимости Соединенных Штатов.

В 1783 г. вместе с несколькими представителями Конгресса Соединенных Штатов Франклин подписал мирный договор, согласно которому Англия признала полную независимость американских колоний.

Несомненно, успешной дипломатической работе Франклина немало способствовали не только его личные качества, но и огромная популярность как гражданина и ученого, признанного лидера американской науки.

Семидесятисемилетний Франклин активно участвовал в выработке американской Конституции, добиваясь равных прав для богатых и бедных. Он страстно боролся за уничтожение рабства. Незадолго до кончины Франклин получил доброжелательное письмо от Вашингтона, который подчеркнул, что все сделанное Франклином подтверждает, что он недаром жил.

Смерть выдающегося ученого и государственного деятеля Америки 17 апреля 1790 г. потрясла весь мир. Известный деятель Великой французской революции О. Мирабо, выступая на заседании Национального собрания, торжественно заявил: "Античный мир воздвиг бы алтарь этому смертному, который знал, как покорить гром и деспотизм!".

Литература

1. Франклин В. Опыты и наблюдения над электричеством. - М.: Издательство АН СССР, 1956.
2. Лебедев В. Электричество, магнетизм и электротехника в их историческом развитии. - М.-Л.: НКТП СССР, 1937.
3. Кудрявцев П. С. Курс истории физики. -М.: Просвещение, 1982.
4. Льоцци М. История физики. - М.: Мир, 1970.
5. Веселовский О. Н., Шнейберг Я. А. Очерки по истории электротехники. - М.: МЭИ, 1993.

Статья опубликована в журнале "Электросвязь" №5, 2001 г., стр. 55.
Перепечатывается с разрешения редакции.