Жидкостные теории электричества [1] [2] — это устаревшие теории, постулирующие наличие одной или нескольких электрических жидкостей , которые, как считалось, ответственны за многие электрические явления в истории электромагнетизма . «Двухжидкостная» теория электричества , созданная Шарлем Франсуа де Систерне дю Фэ , постулировала, что электричество — это взаимодействие между двумя электрическими «жидкостями». Альтернативная, более простая теория была предложена Бенджамином Франклином и названа унитарной, или одножидкостной, теорией электричества . Эта теория утверждала, что электричество на самом деле представляет собой одну жидкость, которая может присутствовать в теле в избытке или отсутствовать, что объясняет его электрический заряд. Теория Франклина объясняла, как можно рассеять заряды (например, в лейденских банках ) и как их можно передать через цепочку людей. Жидкостные теории электричества в конечном итоге были обновлены, включив в них эффекты магнетизма и электронов (после их открытия).
В 1700-х годах многие физические явления рассматривались как эфир , который представлял собой жидкость, способную пронизывать материю. Эта идея использовалась на протяжении веков и легла в основу представлений о физических явлениях, таких как электричество, как о жидкостях. Другими примерами невесомых моделей жидкости XVIII века являются калория Лавуазье и магнитные жидкости Кулона и Эпина.
К 18 веку одной из немногих теорий, объясняющих наблюдаемые электрические явления, была теория двух жидкостей. Эту теорию обычно приписывают Шарлю Франсуа де Систерне дю Фэ. Теория Дюфе предполагала, что электричество состоит из двух жидкостей, которые могут течь через твердые тела. Одна жидкость несла положительный заряд, а другая отрицательный заряд. Когда эти две жидкости вступали в контакт друг с другом, они создавали нейтральный заряд. [3] Эта теория в основном касалась объяснения электрического притяжения и отталкивания, а не того, как объект может заряжаться или разряжаться.
Дю Фэй наблюдал это, повторяя эксперимент Отто фон Герике , в котором тонкий материал, такой как перо или лист, отталкивал заряженный объект после контакта с ним. дю Фэй заметил, что «листовое золото сначала притягивается трубкой; и приобретает электричество, приближаясь к нему; и, как следствие, немедленно отталкивается от него». [3] Это, казалось, подтвердило Дю Фэ, что лист толкался, поскольку вокруг и сквозь него текла «поток» электричества.
Путем дальнейших испытаний Дю Фэй определил, что объект может удерживать один из двух типов электричества: стекловидное или смолистое. Он обнаружил, что объект со стекловидным электричеством отталкивает другой стекловидный объект, но притягивается к объекту со смолистым электричеством [4].
Другим сторонником теории двух жидкостей был Кристиан Готлиб Краценштайн . Он также предположил , что в этих двух жидкостях электрические заряды переносятся вихрями . [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 концентрируясь на зарядке и разрядке тел, в отличие от Дюфе, который концентрировался главным образом на электрическом притяжении и отталкивании. [6]
Теория Франклина утверждала, что электричество следует рассматривать как движение одной жидкости, а не как взаимодействие между двумя жидкостями. В теле проявлялись признаки электричества, когда оно содержало слишком много или слишком мало этой жидкости. Поэтому считалось, что нейтральный объект содержит «нормальное» количество этой жидкости. Франклин также выделил два возможных состояния электрификации: положительное и отрицательное. Он утверждал, что положительно заряженный объект будет содержать слишком много жидкости, а отрицательно заряженный объект будет содержать слишком мало жидкости. [7] Франклин смог применить это мышление, объяснив необъяснимые явления того времени, такие как лейденская банка , основное устройство для хранения заряда, похожее на конденсатор . Он утверждал, что проволока и внутренняя поверхность стали заряжены положительно, а внешняя поверхность — отрицательно. Это вызвало дисбаланс жидкости, и человек, прикасавшийся к обеим частям банки, позволял жидкости течь нормально. [6]
Несмотря на то, что это более простая теория, на протяжении столетия активно обсуждались вопросы о том, состоит ли электричество из одной жидкости или из двух. [7]
Теория одной жидкости демонстрирует значительный сдвиг в представлениях научного сообщества об электричестве. До появления теории Франклина существовало множество конкурирующих теорий о том, как работает электричество. Теория Франклина вскоре стала наиболее широко распространенной в то время. Теория Франклина также примечательна тем, что это первая теория, которая рассматривала электричество как накопление «заряда» из других источников, а не как возбуждение материи, уже присутствующей в объекте. [6]
Теория Франклина также обеспечивает основу для обычного тока , представления об электричестве как о движении положительных зарядов. Франклин произвольно полагал, что его электрическая жидкость имеет положительный заряд, и поэтому все мысли совершались в духе положительного потока. Это настолько повлияло на мышление научного сообщества, что электричество до сих пор воспринимается 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, кто предположил, что молния на самом деле является электричеством. Франклин предположил, что молния — это просто увеличенная версия маленьких искр, возникающих между двумя заряженными объектами. Поэтому он предсказал, что молниям можно придавать форму и направлять их с помощью заостренного проводника. Это послужило основой для его знаменитого эксперимента с воздушным змеем .
Хотя теория одной жидкости ознаменовала значительный прогресс в обсуждении электричества, у нее были некоторые недостатки. Франклин создал теорию, объясняющую выбросы — аспект, который ранее по большей части игнорировался. Хотя это объяснение было хорошо, оно не смогло 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 разным количеством жидкости будут притягиваться друг к другу. Однако не имело смысла, чтобы два объекта без жидкости отталкивали друг друга. Слишком мало жидкости не должно вызывать отвращения. [3]
Другая трудность 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 упоминает эти силы и не пытается их объяснить.
Хотя теория жидкости какое-то время была преобладающей точкой зрения, 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 Дю Фэй, ни Франклин не описали эффекты магнетизма в своих теориях, причем оба касались только электрических эффектов. Однако теории магнетизма развивались по той же схеме, что и теории электричества. Чарльз Кулон описал магниты как содержащие две магнитные жидкости, ауральную и бореальную, которые в совокупности могут описывать магнитное притяжение и отталкивание. Соответствующая теория магнетизма с одной жидкостью была предложена Францем Эпином , который описал 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 побудило 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]