Термодинамика и молекулярная физика

Учение о теплоте зародилось в 18 веке. До этого времени понятие температуры и теплоты практически не различались. Работами ученых 18 века было начато количественное исследование тепловых явлений. В разработку шкал для измерения температуры основной вклад внесли немецко-голландский физик Габриэль Даниэль Фаренгейт (1686-1736), французский ученый Рене Антуан Фершо де Реомюр (1683-1757) и шведский ученый Андерс Цельсий (1701-1744). Голландский физик Питер ван Мушенбрек (1692-1761) провел первые исследования теплового расширения твердых тел и использовал расширение железного бруска для измерения температуры плавления ряда металлов.

Количественные исследования смешивания воды разных температур, проведенные российским физиком Георгом Вильгельмом Рихманом (1711-1753), изучение шотландским ученым Джозефом Блэком (1728-1799) процессов плавления и испарения и другие работы в области тепловых явлений привели к разделению понятий теплоты и температуры. Были введены единицы измерения количества тепла (калория), понятия теплоемкости, теплот плавления и парообразования. Для объяснения природы теплоты использовались две теории: по одной теплота связывалась с движением частиц, а по другой рассматривалась специальная материя - теплород. Следует отметить работы в этом направлении Ломоносова, который был ярым противником теории теплорода.

ЛомоносовМихаил Васильевич (19.11.1711-15.04.1765) – русский ученый-энциклопедист. Родился в с. Денисовка Архангельской губернии в семье крестьянина. В 1731-35 учился в Славяно-греко-латинской академии в Москве, в 1735-36 – в университете при Петербургской АН, в 1736-41 – за границей в Марбурге и Фрейберге. С 1742 – адьюнкт, с 1745 – академик Петербургской АН.

Работы в области физики, химии, астрономии, горного дела, металлургии и др. Экспериментально доказал (1756) закон сохранения вещества, который был окончательно подтвержден А.Лавуазье в 1774. Представлял природу как единое целое, где все взаимосвязано и не исчезает бесследно (закон сохранения материи и движения Ломоносова). Был основоположником внедрения физических методов в химию, разработал конструкции различных приборов (около 100). Был непримиримым противником невесомых (флюидов), является одним из основоположников молекулярно-кинетической теории теплоты. Нагревание связывал с возрастанием поступательного и вращательного движения, что изложил в работе “Размышления о причине теплоты и холода” (1747-48). Вместе с Г.В.Рихманом проводил исследования по электричеству, используя для этого изобретенный Рихманом “электрический указатель” – прообраз электрометра. Разработал теорию атмосферного электричества. Сконструировал телескоп-рефлектор (ночезрительная труба), с помощью которой в 1761 наблюдал прохождение Венеры по диску Солнца и открыл на ней атмосферу.

Велик вклад Ломоносова в развитие науки, культуры и образования, он заложил основы естествознания в России. В 1755 по его инициативе и проекту был открыт Московский университет, носящий теперь его имя. АН СССР учредила Золотую медаль им. М.В.Ломоносова.

Ломоносов заложил основы молекулярно-кинетической теории, правда, представляя молекулы в виде вращающихся шариков, т.к. упругих столкновений между ними быть по его представлениям не могло. Но преимущество в 18 веке в соответствии с распространенной общей научной методологией того времени, широко использовавшей представления о различных флюидах, отдавалось теории теплорода, как более наглядной и допускающей простые аналогии, а несостоятельность ее была показана позднее.

В 19 веке развивалось учение о теплоте, и были сформулированы основные положения термодинамики и молекулярно-кинетической теории. В конце 18 - начале 19 века проводилось много исследований теплового расширения тел. Особое внима­ние обращалось на его равномерность и был установлен ряд аномалий для твердых и жидких тел: анизотропия расширения кристаллов, максимум плотности воды при 4 С, сжатие иодистого серебра при нагреве от -10 до 70 С и др. Для теплового расши­рения воздуха Вольтой в 1793 г. была установлена равномерность расширения, а в 1802 г. французский физик и химик Жозеф Луи Гей-Люссак (1778-1850) сформулировал на основе собственных экспериментов и исследований своего соотечественника Жака Шарля (1746-1823) закон о том, что все газы расширяются равномерно и одинаково, и рассчитал коэффициент расширения. В том же 1802 г. Дальтон сформулировал свой закон о парциальных давлениях.

Дальтон Джон (06.09.1766–27.07.1844) – английский химик и физик, член Лондонского королевского общества (1822), Парижской АН. Родился в Иглсфилде в бедной семье. Образование получил самостоятельно. Был учителем математики в Манчестере, с 1799 читал частные лекции.

Физические исследования в области молекулярной физики: адиабатическое сжатие и расширение, насыщенный и перегретый пар, зависимость растворения газов от их парциального давления.

Один из основоположников атомистических представлений в химии, открыл закон кратных отношений, ввел понятие атомного веса и составил первую таблицу атомных весов элементов. В 1794 г. провел физиологические исследования, открыл слепоту к отдельным цветам (дальтонизм).

Многочисленные работы привели к заключению о различии теплоемкостей воздуха при постоянном объеме и постоянном давлении. На это различие обратил внимание Лаплас и в 1816 г. он объяснил несоответствие экспериментального значения скорости звука в воздухе получаемому из теории Ньютона изменением температуры при чередующихся сжатиях и разрежениях воздуха.

Лаплас Пьер Симон (28.03.1749-05.03.1827) - французский астроном, физик и математик, член Парижской (1785) и Петербургской АН (1802). Родился в Бомон-ан-Оже. Учился в школе бенедектинцев. С 1771 - профессор Военной школы в Париже, с 1790 - председатель Палаты мер и весов.

Основные работы в области небесной механики подытожены в пятитомнике "Трактат о небесной механике" (1798-1825). Сделал почти все, чего не могли сделать его предшественники для объяснения движения тел Солнечной системы на основе закона всемирного тяготения. Предложил гипотезу происхождения Солнечной системы (1796). В небесной механике видел образец окончательной формы научного познания. Лаплассовский детерминизм стал нарицательной обозначением механистической методологии классической физики.

Физические исследования относятся к молекулярной физике, теплоте, акустике, электричеству, оптике. В 1821 установил закон изменения плотности воздуха с высотой (барометрическая формула). В 1806-07 разработал теорию капиллярности, вывел формулу для скорости звука в газах с поправкой на адиабатичность. Активно выступал против теории флогистона, вместе с А.Лаувазье впервые применил для измерения линейного расширения тел зрительную трубу, при помощи сконструированного им ледяного калориметра определил удельные теплоемкости многих веществ (1783).

В математике известен “оператором Лапласа”, “преобразованием Лапласа”, “интегралом Лапласа”, “теоремой Лапласа”, является одним из создателей теории вероятностей. Как председатель Палаты мер и весов активно внедрял в жизнь метрическую систему мер. Активно участвовал в реорганизации высшего образования во Франции, в частности в создании Нормальной и Политехнической школ. Участвовал в политической жизни, при всяком перевороте поддерживая победителей. Активный член Якобинского клуба, при Наполеоне был министром внутренних дел, членом сената, получил титул графа. В 1814 проголосовал за низложение Наполеона, при реставрации Бурбонов получил пэрство и титул маркиза.

Лаплас ввел в формулу Ньютона поправку, соответствующую отношению теплоемкостей при постоянном давлении и объеме, что устранило несоответствие и послужило основой для экспериментального метода определения этого отношения для всех газов.

Одновременно в основном усилиями химиков развивалась атомистика. Один из создателей ее основ Дальтон в 1803 г. сформулировал закон кратных отношений и в 1808 г. он опубликовал труд "Новая система химической философии", в котором изложил атомистическую теорию. По этой теории соединения состоят из атомов (по Демокриту) элементов, которые различаются по атомному весу. Шведский химик Иенс Якоб Берцелиус (1779-1848) внес большой вклад в атомистическую теорию и в 1826 г. опубликовал таблицу атомных весов, которые в основном совпадают с принятыми в настоящее время. Он также предложил химические символы элементов по первым буквам их латинского названия.

На основе атомных весов с учетом химических свойств элементов Менделеев сделал самое гениальное открытие в химии 19 века - периодический закон и составил периодическую таблицу химических элементов.

Менделеев Дмитрий Иванович (08.02.1834—2.02.1907) – русский ученый, член-корреспондент Петербургской АН (1876), член многих иностранных академий наук и обществ, в его честь назван 101 химический элемент - менделевий. Родился в Тобольске в семье директора гимназии. Окончил Главный педагогический институт в Петербурге (1855). В 1857-90 преподавал в Петербургском университете (с 1865 – профессор). В 1890 покинул университет из-за конфликта с министром просвещения. С 1892 – ученый-хранитель Депо образцовых гирь и весов, которое по его инициативе в 1893 реорганизовано в Главную палату мер и весов, ее управляющий в 1893-1907.

Основные работы в области химии, а также физики, метрологии, метеорологии и др. Открыл в 1869 один из фундаментальных законов природы – периодический закон химических элементов и на его основе создал периодическую таблицу. Исправил значения атомных весов многих элементов, предсказал существование и свойства новых, еще не открытых элементов (галлий, германий, скандий) и вычислил приблизительно их атомные веса. Последующие открытия блестяще подтвердили эти предсказания и периодический закон. Предсказал существование критической температуры (1860), обобщив уравнение Клайперона, вывел в 1874 общее уравнение состояния идеального газа (уравнение Клайперона-Менделеева). В 1887 осуществил беспилотный полет воздушного шара для наблюдения солнечного затмения и изучения верхних слоев атмосферы. Разработал физическую теорию весов, конструкцию коромысла и арретира, точные приемы взвешивания. В 1888 выдвинул идею подземной газификации угля.

АН СССР учредила премию и золотую медаль Менделеева за лучшие работы по химии.

В 1808 г. Гей-Люссак экспериментально открыл закон объемных отношений, по которому образующие соединение газы занимают объемы в отношении кратных целых чисел. Интерпретация этого закона в ряде случаев противоречила данным Дальтона, что вызвало резкие выступления последнего. Но в 1811 г. итальянский химик Амедео Авагадро (1776-1856) сформулировал свой закон о том, что при одинаковых внешних условиях (температура и давление) в равных объемах газов содержится равное число частиц. При этом допускалось, что молекула газа может состоять из нескольких атомов, что разрешало противоречие между результатами Гей-Люссака и Дальтона.

Успехи учения об атомно-молекулярном строении вещества, в особенности, газов, безусловно, оказало влияние на становление термодинамики и молекулярной физики и способствовало развитию механической теории теплоты.

Во второй половине 18 века господствовала теория тепло­рода, но уже в начале 19 века она стала уступать свои позиции механической теории теплоты. Этому в немалой степени способствовали начатые еще в 1765 г. Уаттом методические экспериментальные изучения паровой машины, которые затем были продолжены широким кругом исследователей.

УаттДжеймс (19.01.1736 – 19.08.1819) – шотландский изобретатель, член Эдинбургского (1784) и Лондонского (1785) королевских обществ, Парижской АН (1814). Родился в Гриноке. С 1756 г. работал механиком в университете в Глазго.

Исследовал свойства водяного пара. При детальном изучении паровой машины Ньюкомена ввел много усовершенствований: конденсатор, центробежный регулятор ввода пара, золотник, паровую рубашку вокруг цилиндра, механизм передачи движения от поршня к балансиру и др. В 1784 г. создал универсальный паровой двигатель с непрерывным вращением с высокой эффективностью, получивший широкое распространение и сыгравший большую роль в промышленной революции 19 века. Ввел первую единицу мощности – лошадиную силу. Сконструировал ряд приборов: ртутный манометр и вакуумметр, водомерное стекло, индикатор давления. Изобрел индикаторные чернила, установил состав воды.

Его именем названа единица мощности - ватт.

Именно в итоге работ по ре­шению практической проблемы увеличения эффективности паровой машины Карно сформулировал основные положения термодинамики об эквива­лентности работы и теплоты (1 начало) и о необходимости холодильника в тепловой машине.

КарноНикола Леонард Сади (01.04.1796 – 24.08.1832) – французский физик и инженер. Родился в Париже в семье выдающегося военачальника, политического деятеля и ученого Л.Карно. Окончил Политехническую школу (1814). В 1814-19 и 1826-27 – на военной службе в качестве инженера.

Является одним из создателей термодинамики. В 1824 в сочинении “Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развить эту силу”, исходя из невозможности создания вечного двигателя, впервые показал, что полезную работу можно получить только при переходе тепла от нагретого тела к более холодному (2 начало термодинамики). Только разность температур нагревателя и холодильника обусловливает отдачу тепловой машины, а природа рабочего тела не играет никакой роли (теорема Карно). Ввел понятия кругового и обратимого процессов, показал преимущества применения в паровых машинах пара высокого давления и его многократного расширения, сформулировал принцип работы газовых тепловых машин.

Но идеи Карно поначалу остались почти незамеченными, что объ­ясняется, прежде всего, их новизной. И лишь в 1834 г. французский физик и инженер Бенуа Поль Эмиль Клайперон (1799-1864) обратил внимание на эти работы, заменил первоначальный цикл Карно циклом из двух изотерм и двух адиабат и ввел уравнение состояния газа, объеди­нившее законы Бойля и Гей-Люссака.

Окончательно же идею об эквивалентности работы и теплоты в 1842-43 г.г. сформулировали немецкий врач Юлиус Роберт Майер (1814-1878) и Джоуль, которые также численно определили механический эквивалент теплоты.

ДжоульДжеймс Прескотт (24.12.1818–11.10.1889) – английский физик, член Лондонского королевского общества (1850). Родился в Солфорде в семье владельца пивоваренного завода. Получил домашнее образование. Первые уроки по физике ему давал Дальтон, под влиянием которого были начаты экспериментальные исследования.

Работы в области электромагнетизма, теплоты, кинетической теории газов. Установил в 1841 зависимость выделяемого тепла от величины проходящего тока и сопротивления проводника (закон Джоуля-Ленца). Исследовал тепловые явления при сжатии и расширении газов, показал, что внутренняя энергия идеального газа не зависит от его объема. Совместно с У.Томсоном в 1853-54 открыл явление охлаждения газа при его адиабатическом протекании через пористую перегородку (эффект Джоуля-Томсона). Построил термодинамическую температурную шкалу, теоретически определил теплоемкость ряда газов. Вычислил скорость движения молекул газа и установил ее зависимость от температуры, давление считал результатом ударов частиц газа о стенки сосуда. Открыл явление магнитного насыщения (1840) и магнитострикции (1842).

Его именем названа единица энергии - джоуль.

В 1847 г. Гельмгольц вводит понятие энергии, которая не уничтожается, а лишь переходит из одной формы в другую, т.е. сформулировал за­кон сохранения энергии во всех физических явлениях.

ГельмгольцГерман Людвиг Фердинанд (31.08.1821 – 08.09.1894) – немецкий естествоиспытатель, член Берлинской (1871), Петербургской (1868) и других академий наук и научных обществ. Медаль Копли (1873). Родился в Потсдаме в семье преподавателя гимназии. Учился в Военно-медицинском институте и университете в Берлине. В 1842 г. получил степень доктора по физиологии. В 1849-55 – профессор физиологии Кёнигсбергского, в 1858-71 – Гейдельбергского университетов, в 1871-88 – профессор физики Берлинского университета и с 1888 – президент Физико-технического института (Берлин-Шарлоттенбург).

Физические исследования в областях электродинамики, оптики, теплоты, акустики, гидродинамики. Разработал термодинамическую теорию химических процессов, введя понятия свободной и связанной энергии. Показал колебательный характер электрических процессов в контуре из индуктивности и конденсатора, развил теорию электродинамических процессов в проводящих неправильных телах, теорию аномальной дисперсии света.

Существенные успехи в физиологической акустике и физиологии зрения, разработал количественные методы физиологических исследований, впервые измерил скорость распространения нервного возбуждения.

Заложил основы теории вихревого движения в гидродинамике и теории разрывных движений в аэродинамике. Разработанный Гельмгольцем принцип механического подобия объяснил ряд метеорологических явлений и механизм образования морских волн.

Взгляды Гельмгольца стали основой энергетической школы, для которой в отличие от механистической концепции мира с понятиями материя и сила энергия - единственная физическая реальность, а мате­рия - лишь кажущийся ее носитель.

Основателем механической теории теплоты был Клаузиус, начавший в 1850 г. исследования принципа эквивалентности теплоты и ра­боты и закона сохранения энергии.

Клаузиус Рудольф Юлиус Эммануэль (02.01.1822–24.08.1888) – немецкий физик, член-корреспондент Берлинской АН (1876), член Петербургской (1878) и других академий наук и научных обществ. Родился в Кеслине в семье пастора. Окончил Берлинский университет, степень доктора (1847). Преподавал в Королевской артиллерийской технической школе в Берлине. С 1855 преподавал в Цюрихском политехникуме, с 1867 – профессор Вюрцбергского и с 1869 – Боннского университетов.

Работы в области молекулярной физики, термодинамики, теоретической механики. Математической физики. В 1850 независимо от У.Ранкина получил общее соотношение между теплотой и работой (1 начало термодинамики) и разработал идеальный термодинамический цикл паровой машины (цикл Ранкина-Клаузиуса). Дал математическое выражение 2 начала как в случае обратимых круговых процессов, так и необратимых, показал, что изменение энтропии определяет направление протекания процесса. Ввел в кинетическую теорию газов статистические представления, понятие о сфере действия молекул, первый теоретически вычислил давление газа на стенки сосуда. Доказал в 1870 теорему вириала, связывающую среднюю кинетическую энергию системы частиц с действующими на нее силами. Обосновал связь температуры плавления вещества с давлением (уравнение Клайперона-Клаузиуса).

Теоретически обосновал закон Джоуля-Ленца, развил теорию термоэлектричества, ввел представление об электролитической диссоциации. Разработал теорию поляризации и независимо от О.Моссотти вывел соотношение между диэлектрической проницаемостью и поляризуемостью диэлектрика (формула Клаузиуса-Моссотти).

Клаузиус ввел понятие внутренняя энергия и придал 1 началу точную математическую форму, а также переформулировал 2 начало термо­динамики: невозможен самопроизвольный переход тепла от более холодного к более нагретому телу. В 1865 г. он ввел новую величину - энтропию, сыгравшую фундаментальную роль в термодинамике. Эта величина постоянна в идеальных обратимых процессах и возрастает для реальных процессов.

Реализация связи между механическими процессами и тепловыми явлениями была осуществлена в кинетической теории газов. Гельмгольц в 1847 г. первым вы­двинул гипотезу о том, что внутренняя причина взаимопревращения механической работы и теплоты лежит в сведении тепловых явлений к явлениям механического движения. Этот путь был найден в 1856 г. немецким физиком Августом Карлом Кренингом (1822-1879), а го­дом позже Клаузиусом, которые построили кинетическую теорию. Было получено уравнение состояния с учетом средней кинетической энергии молекул и введена связь ее с температурой. Кинетической теории удалось объяснить многие явления: диффузию, растворение, теплопроводность и др. Учет взаимодействия между моле­кулами и конечности их размеров позволил голландскому физику Иоганнесу Дидерику Ван дер Ваальсу (1837-1923) в 1873 г. ввести поправки в уравнение идеального газа и описать поведение реальных газов.

Формулировка 2 начала термодинамики не соответствовала традиционным механическим представлениям, где все процессы обратимы. Кинетическая теория делает это несоответствие противоречием. Эти трудности были преодолены Максвеллом и Больцманом, ко­торые ввели понятие вероятности физических явлений и поставили на место дина­мических законов в механике статистические законы в термодинамике.

Максвелл Джейм­с Клерк (13.06.1831–05.11.1879) – английский физик, член Эдинбургского (1855) и Лондонского (1861) королевских обществ. Родился в Эдинбурге в семье юриста. Учился в Эдинбургском (1847-50) и Кембриджском (1850-54) университетах. По окончании последнего преподавал в Тринити колледж, в 1856-60 – профессор Абердинского университета, в 1860-65 – Лондонского королевского колледжа, с 1871 – первый профессор экспериментальной физики в Кембридже. Под его руководством создана Кавендишская лаборатория в Кембридже.

Работы в области электродинамики, молекулярной и статистической физики, оптики, механики, теории упругости. Установил статистический закон распределения молекул газа по скоростям (распределение Максвелла), развил теорию переноса, применив ее к процессам диффузии, теплопроводности и внутреннего трения. Создал теорию электромагнитного поля (уравнения Максвелла), введя понятие тока смещения и само определение электромагнитного поля. Развил идею электромагнитной природы света и раскрыл связь между оптическими и электромагнитными явлениями. Установил соотношения между основными теплофизическими параметрами, развивал теорию цветного зрения. Сконструировал ряд приборов.

Впервые (1879) опубликовал рукописи работ Г.Кавендиша, был известным популяризатором физических знаний.

Его именем названа единица магнитного потока - максвелл.

Больцман Людвиг (20.02.1844–05.09.1906) – австрийский физик, член Австрийской (1895), Петербургской (1899) и других академий наук. Родился в Вене в семье служащего. Окончил Венский университет (1866). Профессор университетов в Граце (1869-73 и 1876-89), Вене (1873-76 и 1894-1900 и с 1903), Мюнхене (1889-94), Лейпциге (1900-02).

Работы в области кинетической теории газов, термодинамики и теории излучения. Вывел закон распределения молекул газа по скоростям (статистика Больцмана). Применив статистические методы, вывел кинетическое уравнение газов, являющееся основой физической кинетики. Связал энтропию системы с вероятностью ее состояния и доказал статистический характер 2 начала термодинамики. Статистическая интерпретация 2 начала вместе с Н-теоремой Больцмана легли в основу теории необратимых процессов.

Впервые применил принципы термодинамики к излучению и теоретически получил закон теплового излучения, который был экспериментально установлен Й.Стефаном. Из термодинамических соображений подтвердил существование по гипотезе Д.Максвелла давления света.

Непрерывные нападки со стороны противников кинетической теории газов вызвали у Больцмана манию преследования, что, возможно, привело к самоубийству.

Второе на­чало термодинамики уже рассматривается не как достоверный закон природы, а как вероятный. Здесь впервые классическая физика сталкивается с дуализмом явлений природы.

Следует сказать, что термодинамика только в самых своих истоках опиралась на представления механической теории теплоты. По мере развития она превратилась в самостоятельный раздел физики, методология и мощный аппарат которого стал применяться в различных областях физики и химии. Этому в немалой степени способствовали достаточно общие представления о термодинамических потенциалах, основной вклад в развитие которых внес американский физик Джозайя Уиллард Гиббс (1839-1903). В частности, введением понятий свободная энергия и химический потенциал он по существу положил начало новой дисциплины - физической химии и одного из основных ее направлений - термодинамики химических реакций, .

Электромагнетизм.

В 18 веке продолжались работы по электризации тел, начатые Гильбертом. Многочисленные эксперименты, проведенные в различных лабораториях, позволили обнаружить не только новые материалы, способные электризоваться при трении, но и открыть ряд новых свойств этого явления. Англичанин Стивен Грей (1670-1735) показал, что электричество может распространяться по некоторым телам, т.е. ввел понятия проводника и изолятора. Были усовершенствованы устройства для получения электричества - электростатические машины, созданы конденсаторы (лейденская банка).

Интерес к новым явлениям широко распространялся в обществе благодаря различным фокусам и демонстрациям на публике. Систематические исследования с электрическими явлениями провел Франклин и сформулировал в 1747 г. свою теорию с использованием понятия электрического флюида, избыток или недостаток которого обусловливает электризацию тел.

Франклин Бенджамин (17.01.1706-17.04.1790) – американский физик, член Лондонского королевского общества (1756), Петербургской АН (1789), видный политический и общественный деятель, медаль Копли (1753). Родился в Бостоне в семье предпринимателя. Образование получил самостоятельно. В 1727 организовал в Филадельфии собственную типографию, в 1731 – первую в Америке публичную библиотеку, в 1743 – американское философское общество (первое в Америке научно-исследовательское учреждение), в 1751 – Пенсильванский университет. 1737-53 – почтмейстер Пенсильвании, 1753-74 – североамериканских колоний. Участвовал в составлении “Декларации независимости” и конституции США.

В 1746-54 провел экспериментальные исследования по электричеству, объяснил действие лейденской банки, построил первый плоский конденсатор, изобрел в 1750 молниеотвод, доказал в 1753 тождественность земного и атмосферного электричества, электрическую природу молнии. Разработал (1750) теорию электрических явлений, ввел понятия положительного и отрицательного электричества. Исследовал вопросы теплопроводности металлов, распространения звука в воздухе и воде. Автор ряда изобретений (применение искры для взрыва пороха и др.).

Работы Франклина Лондонское королевское общество признало недостойными публикации, и они были опубликованы его другом английским физиком Питером Коллинсоном (1694-1768) за свой счет. Успех публикации был огромен, а после того, как в 1752 г. был реализован его эксперимент с молниеотводом, подтверждающий эквивалентность электрической искры и молнии, научный энтузиазм к исследованию электрических явлений распространился очень широко. Королевское общество в 1753 г. присудило Франклину Коплеевскую медаль, а в 1756 г. избрало своим членом.

Общая, уже сложившаяся к тому времени методология научных исследований требовала количественных измерений. И основателем электрической метрологии был Вольта, который также сконструировал весьма точные электрометры.

Вольта Алессандро (18.02.1745-05.03.1827) – итальянский физик, химик и физиолог, член Лондонского королевского общества и Парижской АН, медаль Копли (1794). Родился в Комо в знатной дворянской семье. Учился в школе ордена иезуитов. В 1774-79 преподавал физику в гимназии в Комо, с 1779 – профессор Павийского университета, в 1815-19 – директор философского факультета Падуанского университета.

Работы в области электричества, молекулярной физики. Развил теорию лейденской банки (1769), построил смоляной электрофор (1775), электроскоп с соломинками (1781), конденсатор (1783), электрометр и другие приборы, описал действие телеграфа. В 1792 начал повторять опыты Л.Гальвани с “животным” электричеством и пришел к выводу, что причиной кратковременного тока является наличие цепи из двух классов разнородных проводников (двух металлов и жидкости). В конце 1799 сконструировал первый источник длительного гальванического тока – вольтов столб. Открыл (1795) взаимную электризацию разнородных металлов при контакте и составил ряд напряжений для металлов (1801). Исследовал тепловое расширение воздуха, наблюдал диффузию, установил проводимость пламени (1787). Обнаружил метан (1776) и объяснил его образование разложением животных и растительных останков.

Его именем названа единица напряжения - вольт.

Блестящие исследования в области электричества провел Кулон.

Кулон Шарль Огюст (14.06.1736-23.08.1806) – французский физик и военный инженер, член Парижской АН (1803). Родился в Ангулеме в семье чиновника. Окончил военно-инженерную школу в Мезьере (1761), после чего несколько лет находился на военной службе на Мартинике, где руководил строительством флота. После возвращения во Францию служил в военно-инженерном корпусе, уделяя со временем все больше внимания научным исследованиям.

Работы в области механики, электричества и магнетизма. Первая научная работа, начатая еще на Мартинике, "О приложении правил максимумов и минимумов к некоторым проблемам статики, относящимся к архитектуре" определила прогресс строительной механики 18-19 веков. Сформулировал в 1781 законы трения скольжения и качения. Исследовал и сконструировал в 1784 крутильные весы, с помощью которых в 1785 установил основной закон электростатики, а в 1788 распространил его на взаимодействия магнитных полюсов. Выдвинул гипотезу магнетизма, по которой магнитные жидкости не свободны, а связаны с отдельными молекулами, поляризующимися в процессе намагничивания. Сконструировал магнетометр (1785).

Его именем названа единица заряда - кулон.

Кулон сконструировал крутильные весы высокой чувствительности, установив предварительно, что сила закручивания нити зависит от вещества нити, пропорциональна углу закручивания и четвертой степени диаметра нити и обратно пропорциональна ее длине. С помощью этих весов Кулон экспериментально установил, что силы притяжения и отталкивания зарядов обратно пропорциональны квадратам расстояний. Кулоном же была постулирована пропорциональность силы взаимодействия произведению электрических зарядов, т.е. за 4 года интенсивной работы с 1785 по 1789 г. им был заложен фундамент современной электростатики. Поскольку электростатические силы так же зависят от расстояния, как и ньтоновские, то здесь можно использовать все свойства ньютоновских сил, найденные в теоретической механике.

Следует отметить, что используя также крутильные весы, Кавендиш в 1798 г. доказал справедливость закона тяготения для обычных (не небесных) тел.

Кавендиш Генри (10.10.1731-24.02.1810) – английский физик и химик, член Лондонского королевского общества (1760). Родился в Ницце в семье лорда. В 1749-53 учился в Кембриджском университете. Большую часть жизни провел в одиночестве, полностью отдаваясь научной работе в собственной лаборатории.

Публиковал только те статьи, в которых был полностью уверен, из-за чего многие работы по электричеству оставались неизвестными. Изданные в 1879 Дж. Максвеллом эти работы показали, что еще в 1771 он пришел к выводу об обратной пропорциональности силы электростатического взаимодействия квадрату расстояния. Ввел понятие электроемкости, открыл влияние среды на емкость конденсатора и определил диэлектрическую проницаемость ряда веществ. В 1798 измерил гравитационную силу притяжения двух небольших сфер, определил гравитационную постоянную, массу и среднюю плотность Земли. Получил в 1766 водород и определил его свойства, установил состав воды и показал, что ее можно получить искусственным путем, определил содержание кислорода в воздухе (1781).

С первых же случаев поражения электрическим разрядом возникли предположения о "животном электричестве", регуляторе жизни животных. В 1773 г. появился мемуар Джона Уолша об электрическом скате, а у физиологов возникла гипотеза о "животной эссенции", которая подобно электрическому флюиду ответственна за перенос нервных сигналов.

Профессор анатомии Болонского университета Луиджи Гальвани (1737-1798) провел электро-физиологические опыты и пришел к выводу об одинаковом эффекте сокращения мышц лягушки от физиологического и электрического воздействия. Результаты поразили Вольта, особое внимание которого привлекла одна особенность гальванического опыта: передача сигнала для сокращения мышцы проводниками однородными или составленными из разных металлов осуществлялась по-разному.

Вольта вначале провел опыт с обнаружением кисловатого вкуса на языке, если к кончику его прикладывать один конец, а к середине - другой конец дуги, составленной из разных металлов. Затем он приступил к чисто физическим исследованиям контактного электричества и получил закон контактных напряжений, расположив металлы в "ряд напряжений". В итоге Вольта изобрел новый прибор, который сначала назвал "искусственным электрическим органом", а потом "электродвижущим аппаратом". Французы позже стали называть его "гальваническим или вольтовым столбом".

Изобретение гальванических элементов (гораздо более удобных электриче­ских источников, чем электростатические машины) существенно расширило круг исследований по электричеству. Прежде всего, была показана идентичность электрического и гальванического "флюидов", разница между которыми сначала проявлялась в ряде физиологических и химических процессов (электрический удар, химическое дейст­вие тока и т.п.).

Уже после первых исследований в области электричества и магне­тизма возникали предположения о связи между ними. Поиски этой связи интенси­фицировались после открытия законов Кулона. Решающий эксперимент в этой об­ласти в 1820 г. поставил Эрстед, кото­рый обнаружил отклонение магнитной стрелки проводником с током.

Эрстед Ханс Кристиан (14.08.1777–09.03.1851) – датский физик, непременный секретарь Датского королевского общества (с 1815), почетный член Петербургской (1830) и других академий наук. Родился в Рудкёбинге в семье аптекаря. Окончил Копенгагенский университет: диплом фармацевта (1797), степень доктора (1799). С 1806 – профессор этого университета, с 1829 одновременно директор Копенгагенской политехнической школы.

Работы в области электричества, акустики, молекулярной физики. Для научного творчества Эрстеда характерен поиск взаимосвязи между различными явлениями природы. Обнаружение им действия электрического тока на магнитную стрелку привело к возникновению новой области физики – электромагнетизма. В 1822-23 независимо от Ж.Фурье переоткрыл термоэлектрический эффект и построил первый термоэлемент. Экспериментально изучал сжимаемость и упругость жидкостей и газов, изобрел пьезометр.

Был блестящим лектором и популяризатором, организовал в 1824 Общество по распространению естествознания, создал первую в Дании физическую лабораторию.

Его именем названа единица напряженности магнитного поля - эрстед.

Следует отме­тить один важный факт в опыте Эрстеда: обнаруженный эффект не вписывался в ньюто­новскую концепцию взаимодействия, где все силы были центральными. В том же 1820 году французские физики Био и Фе­ликс Савар (1791-1836) экспериментально исследовали зависимость величины магнитного поля от расстояния от проводника с током до точки наблюдения. Однако такой зависимости в общем виде им получить не удалось. Эта задача была решена Лапласом и полученный им общий закон носит название закона Био-Савара-Лапласа.

Одновременно Ампер открыл взаимодействие токов, которое он назвал электродинамическим.

Ампер Андре Мари (22.01.1775–10.06.1836) – французский физик, математик и химик, член Парижской (1814), Петербургской (1830) и других академий наук. Родился в Лионе в семье коммерсанта. Получил домашнее образование. В 1801 стал преподавать физику и химию в центральной школе г. Бурга. В 1805-24 работал в Политехнической школе в Париже (с 1809 – профессор), с 1824 – профессор Коллеж де Франс.

Физические работы посвящены электромагнетизму. Установил закон взаимодействия элек<