Введение
Английский физик Стивен Грей (декабрь 1666 – 7 февраля 1736) был английским красителем и астрономом, первым проведшим систематические эксперименты с электрической проводимостью. До его работ 1729 года основное внимание уделялось простому получению статических зарядов и исследованию статических явлений (электрических разрядов, плазменного свечения и т.п.). Грей показал, что электричество может проводиться через металлы и проявляется на поверхности изоляторов.
Stephen Gray (December 1666 – 7 February 1736) was an English dyer and astronomer who was the first to systematically experiment with electrical conduction. Until his work in 1729 the emphasis had been on the simple generation of static charges and investigations of the static phenomena (electric shocks, plasma glows, etc.). Gray showed that electricity can be conducted through metals and that it appeared on the surfaces of insulators.
Ранние годы
Грей родился в Кентербери, графство Кент, и после начального образования был отдан в ученики к отцу (а затем к старшему брату) для обучения ремеслу окрашивания ткани. Его интересы лежали в области естественных наук, и особенно в астрономии; он самостоятельно осваивал эти развивающиеся дисциплины, главным образом благодаря состоятельным друзьям в округе, которые предоставляли ему доступ к своим библиотекам и научным приборам. В то время наука была преимущественно увлечением богатых людей. Он самостоятельно изготавливал линзы и сконструировал телескоп, с помощью которого сделал ряд небольших открытий (в основном в области солнечных пятен), заслужив репутацию точного наблюдателя. Некоторые из его докладов были опубликованы Королевским обществом по рекомендации друга Генри Ханта, который работал в секретариате Общества.
Введение в Флэмстид
Некоторые работы Грея привлекли внимание Джона Флэмстида, родственника друзей Грея из Кента и первого английского королевского астронома, который строил новую Королевскую Гринвичскую обсерваторию. Флэмстид пытался создать подробную и точную звездную карту небес, надеясь, что это в конечном итоге решит проблему определения долготы для океанских мореплавателей. Грей помогал ему со многими наблюдениями и расчетами (возможно, без оплаты). Грей некоторое время работал над второй английской обсерваторией, строившейся в Кембридже, но она была плохо организована другом и соратником Ньютона, Роджером Коутсом; проект в итоге провалился, и у Грея не осталось иного выбора, кроме как вернуться к своей работе по крашению тканей в Кентербери. Страдая от нездоровья, вскоре он оказался в Лондоне, помогая Джону Теофилу Дезагулье, ученику Исаака Ньютона и иногда одному из демонстраторов Королевского общества. Дезагулье выступал в роли научного консультанта, читая лекции по стране и в Европе о новых научных открытиях; он также содержал пансион для приезжих джентльменов, интересующихся наукой. Грей не получал от Дезагулье зарплату, но ему предоставлялось жилье в обмен на его умение обсуждать научные темы с постояльцами. Пансион Дезагулье был снесен для строительства Вестминстерского моста, и Грея постигла нищета. В 1720 году, благодаря усилиям Джона Флэмстида и сэра Ганса Слоана (впоследствии президента Королевского общества), ему удалось получить пенсионную должность в Чартерхаусе – доме для обедневших джентльменов, служивших своей стране, который также был связан со школой для мальчиков. В это время он вновь начал экспериментировать со статическим электричеством, используя стеклянную трубку в качестве трения-генератора.
Открытия в области проводимости
Однажды ночью, в своих комнатах в Чартерхаусе, он заметил, что пробка на конце трубки (необходимая для защиты от влаги и пыли) создавала притягательную силу на мелкие кусочки бумаги и шелухи, когда трубку натирали. Обычно пробка не несла бы электрического заряда, но климатические условия и различия в материалах привели к тому, что пробка накапливала заряд. Когда он удлинил пробку, вставив небольшую палочку из ели, заряд проявился на конце палочки, а затем на шарике из слоновой кости (с отверстием), который он прикрепил к концу. Он попробовал более длинные палочки и, наконец, добавил отрезок толстой конопляной нити, привязанной к шарику из слоновой кости. В процессе он обнаружил, что "электрическая сила" – это не просто "статическое" явление (как укол булавкой), а скорее субстанция, подобная жидкости, способная передаваться на расстояние. Шарик из слоновой кости на конце продолжал притягивать легкие предметы так же, как и электризованная стеклянная трубка. В течение следующих нескольких дней он увеличил длину своей нити (у него был лишь короткий кусок проволоки, и он не понимал значения металла как проводника) и обнаружил, что она могла протянуться с его балкона вниз во двор. Он обнаружил, что электричество проходит по изгибам нити и, по-видимому, не подвержено влиянию гравитации. Ему также удалось передавать заряд металлическим предметам (покер, щипцы, чайник и т.п.), которые в те времена обычно считались "неэлектрическими", поскольку не могли генерировать или удерживать статический заряд. Он также обнаружил, что шелк не проводит эту "силу", в то время как более толстая конопляная нить и проволока – проводят. Затем, между 30 июня и 2 июля 1729 года, находясь в Кенте, он расширил эту первую электрическую сеть и сделал множество новых открытий. Во время визита к преподобному Гранвиллу Уилеру, богатому другу, члену Королевского общества и родственнику Флэмстида, они вдвоем провели эксперименты по передаче электричества через конопляные нити, натянутые вдоль большой галереи в поместье Уилера, Оттерден-Плейс в Кенте. В ходе этих экспериментов Грей и Уилер обнаружили важность изоляции своей нити-проводника от контакта с землей (стенами дома) с помощью шелка для подвески. Они заметили, что если для поддержки нити использовать проволоку, вся "электрическая сила" рассеивается. Сначала они полагали, что разница связана с различной толщиной шелка, нити и проволоки, но позже поняли, что сам шелк гораздо хуже проводит электричество, чем проволока, поэтому они использовали только шелк для поддержки (и, следовательно, изоляции) конопляной нити, служившей основным проводником. На следующий день они спустили нить с башни дома в сад, а затем протянули ее через луг на расстояние 800 футов, используя парные садовые колья с короткими отрезками шелка, чтобы нить не касалась земли. Уилер сообщил об этом многим своим друзьям из Королевского общества, а Грей подробно описал эксперименты в письме к Дезагулье. Эти эксперименты привели к пониманию роли проводников и изоляторов (термины, введенные Дезагулье). Два французских ученых, аббат Нолле и К.Ф. дю Фэ, посетили Грея и Уилера в 1732 году, увидели эксперимент и вернулись во Францию, где дю Фэ сформулировал первую всеобъемлющую теорию электричества, известную как теория "двух жидкостей". Эта теория была поддержана Нолле и принята большинством европейских экспериментаторов на некоторое время; позже она была усовершенствована, а затем заменена идеями английских экспериментаторов Джона Бевиса и Уильяма Уотсона, которые переписывались с группой Бенджамина Франклина в Филадельфии. Они совместно разработали теорию об одной жидкости и двух состояниях: по сути, об избытке или недостатке одной жидкости, которую Уотсон позже назвал положительной и отрицательной. Эти идеи лучше соответствовали фактам, чем концепция двух жидкостей, особенно после изобретения Лейденской банки, и эта теория одной жидкости в конечном итоге возобладала. Теперь мы знаем, что обе теории были почти одинаково неверны.
Электростатическая индукция
Жан Антуан Ноле воспроизводит эксперимент Стефана Грея «Электрический мальчик», в котором мальчик, подвешенный на изолирующих шелковых веревках, получает электрический заряд. Вокруг собралась группа людей. Женщину подбадривают наклониться вперед и коснуться носа мальчика, чтобы ощутить электрический разряд. Этот эксперимент широко известен в Европе как знаменитая демонстрация «Летающего мальчика»: мальчика подвешивали на шелковых шнурах, а затем Грей подносил натертую им трубу (статический электрический генератор) к ногам мальчика, не касаясь их. Грей показал, что лицо и руки мальчика по-прежнему притягивали пух, бумагу и другие легкие материалы. Грей отметил, что потрескивание «электрической силы» напоминало молнию (как и другие экспериментаторы), предвосхищая великие открытия Бенджамина Франклина, сделанные спустя полвека.
Премия Копли
Когда Слоан возглавил Королевское общество после смерти Ньютона, Грей запоздало получил признание, в котором ему ранее было отказано. Грей был слишком беден, чтобы оплачивать членские взносы, поэтому не состоял в Королевском обществе, и многие его эксперименты были подхвачены и вошли в демонстрационный набор Десагюлье. Существует также рассказ о том, что сторонники Ньютона в Королевском обществе отказали ему в признании из-за его связей с Флэмстидом (который постоянно конфликтовал с Исааком Ньютоном), однако это представляется крайне маловероятным: Ньютон умер в марте 1727 года, почти за два года до того, как Грей начал свои эксперименты по электропроводности, а Ханс Слоан, руководивший Королевским обществом после смерти Ньютона, был другом и финансовым спонсором Грея. На самом деле, в то время электричество не считалось особенно важной областью, и журнал Общества не публиковался несколько лет из-за финансовых трудностей. Слоан активно поддерживал Грея, который в 1731 году получил первую Коплеевскую медаль Королевского общества за работы по электропроводности и изоляции, а в 1732 году – вторую, за эксперименты по индукции. В 1732 году Королевское общество также приняло его в почетные члены; он умер в нищете спустя несколько лет, в 1736 году.
После его смерти
Нет памятника Грэю и мало признания его достижений в области научных открытий. Считается, что он похоронен в общей могиле на старом лондонском кладбище, в участке, предназначенном для небогатых пенсионеров из Чартерхауса. В 2017 году Школа естественных наук Кентского университета в Кентербери учредила серию лекций имени Стивена Грэя в его память.