Теории электричества с жидкостью [1] [2] являются устаревшими теориями, которые постулировали одну или несколько электрических жидкостей , которые, как считалось, были ответственны за многие электрические явления в истории электромагнетизма . Теория электричества с «двумя жидкостями» , созданная Шарлем Франсуа де Систерне дю Фэем , постулировала, что электричество было взаимодействием двух электрических «жидкостей». Альтернативная более простая теория была предложена Бенджамином Франклином , названная унитарной, или одножидкостной, теорией электричества . Эта теория утверждала, что электричество на самом деле было одной жидкостью, которая могла присутствовать в избытке или отсутствовать в теле, тем самым объясняя его электрический заряд. Теория Франклина объясняла, как заряды могут рассеиваться (например, в лейденских банках ) и как они могут передаваться через цепочку людей. Теории электричества с жидкостью в конечном итоге были обновлены, чтобы включить эффекты магнетизма и электронов ( после их открытия).
В 1700-х годах многие физические явления рассматривались в терминах эфира , который был жидкостью, способной пронизывать материю. Эта идея использовалась на протяжении столетий и была основой для размышлений о физических явлениях, таких как электричество, как о жидкостях. Другие примеры моделей невесомых жидкостей 18-го века — теплород Лавуазье и магнитные жидкости Кулона и Эпинуса.
К XVIII веку одной из немногих теорий, объясняющих наблюдаемые электрические явления, была теория двух жидкостей. Эту теорию обычно приписывают Шарлю Франсуа де Систерне дю Фэю. Теория дю Фэя предполагала, что электричество состоит из двух жидкостей, которые могут протекать через твердые тела. Одна жидкость несет положительный заряд, а другая — отрицательный. Когда эти две жидкости соприкасаются друг с другом, они создают нейтральный заряд. [3] Эта теория в основном занималась объяснением электрического притяжения и отталкивания, а не тем, как объект может заряжаться или разряжаться.
Дюфе наблюдал это, повторяя эксперимент, созданный Отто фон Герике , в котором тонкий материал, такой как перо или лист, отталкивал заряженный объект после соприкосновения с ним. Дюфе наблюдал, что «листовое золото сначала притягивается трубкой; и приобретает электричество при приближении к ней; и, следовательно, немедленно отталкивается ею». [3] Это, по-видимому, подтверждало для Дюфея, что лист толкался, когда «ток» электричества протекал вокруг него и через него.
В ходе дальнейших испытаний дю Фей определил, что объект может удерживать один из двух типов электричества: стекловидное или смоляное. Он обнаружил, что объект со стекловидным электричеством отталкивает другой стекловидный объект, но притягивается к объекту со смоляным электричеством [4]
Другим сторонником теории двух жидкостей был Кристиан Готлиб Кратценштейн . Он также предположил, что электрические заряды переносятся вихрями в этих двух жидкостях. [5]
В 1746 году Уильям Уотсон предложил теорию одной жидкости.
11 июля 1747 года Бенджамин Франклин составил письмо, в котором изложил свою новую теорию. Это первая запись его теории. [6] Франклин разработал эту теорию, в основном сосредоточившись на зарядке и разрядке тел, в отличие от Дюфея, который сосредоточился в основном на электрическом притяжении и отталкивании. [6]
Теория Франклина утверждала, что электричество следует рассматривать как движение одной жидкости, в отличие от взаимодействия между двумя жидкостями. Тело будет проявлять признаки электричества, когда оно удерживает либо слишком много, либо слишком мало этой жидкости. Поэтому считалось, что нейтральный объект содержит «нормальное» количество этой жидкости. Франклин также обрисовал два возможных состояния электризации, положительное и отрицательное. Он утверждал, что положительно заряженный объект будет содержать слишком много жидкости, в то время как отрицательно заряженный объект будет содержать слишком мало жидкости. [7] Франклин смог применить это мышление, объяснив необъяснимые явления того времени, такие как Лейденская банка , базовое устройство для хранения заряда, похожее на конденсатор . Он утверждал, что провод и внутренняя поверхность стали положительно заряженными, в то время как внешняя поверхность стала отрицательно заряженной. Это вызвало дисбаланс в жидкости, и человек, касающийся обеих частей банки, позволял жидкости течь нормально. [6]
Несмотря на то, что это была более простая теория, в течение столетия велись жаркие споры о том, состоит ли электричество из одной жидкости или из двух. [7]
Теория одной жидкости показывает значительный сдвиг в том, как научное сообщество думало об электричестве. До теории Франклина существовало много конкурирующих теорий о том, как функционирует электричество. Теория Франклина вскоре стала наиболее широко принятой в то время. Теория Франклина также примечательна тем, что это первая теория, которая рассматривала электричество как накопление «заряда» из другого места, а не как возбуждение материи, уже присутствующей в объекте. [6]
Теория Франклина также дает основу для обычного тока , думая об электричестве как о движении положительных зарядов. Франклин произвольно думал о своей электрической жидкости как о имеющем положительный заряд, и поэтому все мысли были сделаны в рамках мышления положительного потока. Это проникло в мышление научного сообщества до такой степени, что электричество все еще рассматривается как поток положительных зарядов, несмотря на доказательства того, что электричество, движущееся через металлы (наиболее распространенный проводник), осуществляется электроном , или отрицательной частицей.
Франклин также был первым человеком, предположившим, что молния на самом деле является электричеством. Франклин предположил, что молния — это просто увеличенная версия маленьких искр, которые появляются между двумя заряженными объектами. Поэтому он предсказал, что молнию можно формировать и направлять с помощью заостренного проводника. Это стало основой его знаменитого эксперимента с воздушным змеем .
Хотя теория одной жидкости ознаменовала собой значительный прогресс в обсуждении электричества, у нее были некоторые недостатки. Франклин создал теорию для объяснения разрядов, аспекта, который ранее в основном игнорировался. Хотя она хорошо это объясняла, она не могла полностью объяснить электрическое притяжение и отталкивание. Было понятно, что два объекта со слишком большим количеством жидкости будут отталкиваться друг от друга, и почему два объекта с существенно разным количеством жидкости будут притягиваться друг к другу. Однако не было смысла, что два объекта без жидкости будут отталкиваться друг от друга. Слишком мало жидкости не должно вызывать отталкивания. [3]
Другая сложность этой модели электричества заключается в том, что она игнорирует взаимодействие между электричеством и магнетизмом. Хотя в то время эта связь не была хорошо изучена, было известно, что между этими двумя явлениями существует некоторая связь. Модель Франклина не ссылается на эти силы и не пытается их объяснить.
Хотя теория жидкости была преобладающей точкой зрения в течение некоторого времени, в конечном итоге она была заменена более современными теориями, в частности той, которая использовала наблюдения о притяжении между проводами с током для описания магнитных эффектов между ними. [4]
Ни Дюфе, ни Франклин не описывали эффекты магнетизма в своих теориях, поскольку оба занимались только электрическими эффектами. Однако теории магнетизма следовали очень похожей схеме, что и теории электричества. Чарльз Кулон описывал магниты как содержащие две магнитные жидкости, ауральную и бореальную, которые могли объединяться для описания магнитного притяжения и отталкивания. Связанная с этим теория одножидкостной магнетизма была предложена Францем Эпинусом , который описывал магниты как содержащие слишком много или слишком мало магнитной жидкости. [7]
Эти теории электричества и магнетизма считались двумя отдельными явлениями, пока Ганс Христиан Эрстед не заметил, что стрелка компаса отклоняется от магнитного севера, если ее поместить рядом с электрическим током. Это заставило его разработать теории о том, что электричество и магнетизм взаимосвязаны и могут влиять друг на друга. [8] Работа Эрстеда легла в основу теории французского физика Андре-Мари Ампера , которая объединила связь между магнетизмом и электричеством. [9]