Современному читателю трудно поверить, что до середины XVIII в. среди физиков существовали диаметрально противоположные представления о природе атмосферного электричества. Гром вызывает молнию или, наоборот, молния вызывает гром? Какова природа грозы? На эти вопросы искали ответы ученые-естествоиспытатели разных стран.
В сочинениях многих физиков середины XVIII в., изучавших электрические явления, высказывались идеи о том, что молния – это гигантский разряд электричества в атмосфере, в тысячи раз превосходящий по силе электрические искры, наблюдавшиеся во время лабораторных опытов.
Важнейшим шагом на пути изучения электрических явлений в атмосфере был переход от качественных наблюдений к установлению количественных закономерностей и разработке основ теории электричества. Наиболее значительный вклад в решение этих проблем был сделан петербургскими академиками М.В. Ломоносовым и Г.В. Рихманом и американским ученым Б. Франклином.
Михаил Васильевич Ломоносов (1711-1765) явился в России основоположником изучения электрических явлений, автором первой теории атмосферного электричества. При его поддержке академик Г.В. Рихман первым «попытался подвергнуть измерению порождаемое в атмосфере электричество». Уроженец г. Пярну (Эстония) Рихман обучался в германских университетах в Галле и Иене, а с 1735 г. в университете Петербургской академии наук; с 1741 г. – он профессор академии. Исследованиями атмосферного электричества Рихман занялся в январе 1745 г. и вскоре разработал оригинальную установку с «электрическим указателем».
Рис. 4.1. «Электрический указатель» Рихмана:
1 – деревянный квадрант с делениями; 2 – металлическая линейка; 3 – металлический лист, 4 – льняная нить
Георг Вильгельм Рихман был первым ученым, создавшим измерительный прибор для определения интенсивности электрических зарядов в атмосфере, названным им «электрическим указателем» (1745). На деревянной подставке (рис. 4.1) вертикально укреплялась «металлическая линейка», соединенная с металлическим шестом. К линейке подвешивалась льняная нить длиною «в 2 ? лондонских дюйма», против нее укреплялся «деревянный квадрант» с делениями «на градусы». При поступлении зарядов на «линейку» нить отклонялась, и по отклонению наэлектризованной нити можно было судить о величине «электрической силы». «Указатель» Рихмана был первым в мире электроизмерительным прибором непосредственной оценки, прообразом современных электрометров. Совершенствуя свой прибор, Рихман сделал его переносным, соединив с лейденской банкой. Спустя несколько лет Рихман создал еще одну конструкцию прибора «с колокольчиком», который звоном фиксировал «присутствие громовой материи». Сохранился рисунок этого оригинального устройства, сделанный Рихманом. Рихман неизменно пользовался поддержкой и помощью М.В. Ломоносова, их связывала многолетняя дружба. Ломоносов успешно разрабатывал теорию атмосферного электричества, которую позднее изложил на заседании Академии наук.
Ломоносов и Рихман совместно соорудили первую в мире оригинальную стационарную установку для наблюдения и изучения атмосферного электричества, назвав ее «громовой машиной» (рис. 4.2).
Рис. 4.2. Схема «Громовой машины»:
1 – электрический указатель; 2 – соединительная проволока; 3 – металлический шест на крыше дома
Важнейшей частью этой машины был электрический указатель Рихмана. На крыше дома устанавливался «молниеприем- ник» 3 – металлический стержень, соединенный проволокой 2 с электроуказателем 1. Нижний конец стрежня был опущен в стеклянный стакан, наполненный медными опилками, что обеспечивало изоляцию установки от земли. «Громовая машина» в принципе отличалась от «электрического змея» Б. Франклина и приборов других исследователей, так как позволяла наблюдать за изменениями количества электричества в атмосфере при любой погоде и при отсутствии грозы.
Летом 1753 г. Ломоносов и Рихман, используя «громовую машину», при огромном стечении народа на валу Петропавловской крепости успешно провели совершенно оригинальный эксперимент, чтобы доказать электрическую природу молнии и опровергнуть существовавшие ошибочные представления об атмосферном электричестве.
Газета «Санкт-Петербургские ведомости» (1753 г., № 45) подробно описала эти события, назвав результаты опытов «чрезвычайными». На валу была установлена «целая батарея пушек», гром выстрелов «сотрясал небо», однако «электрический указатель» ничего не показывал. Кроме того, когда «на горизонте тучи посредственной величины и темности, из которых надолгом примечании не видно было блеску, ниже грому слышно»; но «соединенный с выставленным на воздухе в высоте около шести саженей железным прутом указатель электрической силы показывал, что воздух оную в себе имеет, ибо нитка с висячего с нею железа чувствительно удалялась и за перстом гонялась». Далее газета писала: «Из сего наблюдения явствует, что электрическая сила без действительного грома быть не может. Если второе правда, то не гром и молния электрической силы в воздухе, но сама электрическая сила грому и молнии причина. Сие подтверждается тем, что электрическую силу искусством без грому произвести можно; напротив того, произведенный искусством гром электрической силы не показывает».