Реферат: Царь – электрофор

Борис Хасапов

Летом 1814 г. победитель Наполеона Император Всероссийский Александр Первый посетил голландский город Гаарлем. Высокий гость был приглашен в местное ученое общество. Здесь, как записал историограф, «Большая электрическая машина прежде всего обратила на себя внимание Его Величества». Сделанная в 1784г. машина действительно производила большое впечатление. Два стеклянных диска диаметром в рост человека вращались на общей оси усилием четырех человек. Электричество трения (трибоэлектричество) поступало для зарядки батареи двухведерных лейденских банок, конденсаторов того времени. Искры от них достигали длины более полуметра, в чем дали убедиться императору.

Реакция его на это среднеевропейское чудо техники была более чем сдержанной. Александр был с детства знаком с машиной еще более крупной и искры она давала больше этих. Изготовлена она была. еще раньше в 1777г. у него на родине в Петербурге, была проще, безопаснее и требовала обслуги меньше, чем голландская. Императрица Екатерина II в присутствии внуков развлекала себя с помощью этой машины электрическими опытами в Царском Селе. Затем её, как редкий экспонат, перенесли в Петербургскую кунсткамеру, затем по чьему-то распоряжению ее оттуда вывезли и следы её затерялись.

Александру показывали технику позавчерашнего дня. Принцип генерирования электричества с помощью трения не применяется более 200 лет, в то время, как идея, заложенная в основу отечественной машины до сих пор используется в современных лабораториях школ и университетов мира. Принцип этот - электростатическая индукция – открыт и впервые описан в России, российским же академиком, имя которого мало кто знает, а это несправедливо. Об этом хочется напомнить нынешнему поколению.

Для чего понадобилась машина-гигант?

Описания работ, произведенных в Петербурге на гигантской машине не найдены. Известно, что в эти же годы в Инструментально палате Академии наук на Васильевском острове изготавливались электрогенераторы от «карманных» для развлечения и самолечения в кругу семьи, до серийных для физических лабораторий ученых. Для чего сделали дорогостоящую машину-монстр? Можно ли ответить на этот вопрос?

Вот к чему привели наши розыски.

В 1769г. в итальянском городе Брешия молния ударила в церковь, в подвалах которой хранилось около 100 тонн пороха. Взрыв, последовавший за ударом, уничтожил часть города и тысячи его жителей. Учитывая этот ставший широкоизвестным случай, британское правительство обратилось к ученым своей академии рекомендовать надежную грозозащиту своих пороховых складов. По соображениям Лондонского Королевского общества, среди членов которого находился и изобретатель громоотвода американец Б.Франклин, была предложена и осуществлена установка грозозащиты на складах в Перфлите в Англии.

И сейчас с помощью современных знаний нельзя давать 100% гарантии защиты сооружений с помощью громоотводов (правильнее молниеотводов). А по иронии судьбы в 1772г. установленный по всем правилам молниеотвод не защитил склады от попадания молнии. Она «ускользнула» от защитного штыря, но поступила слабой и взрыва складов не произошло. Этот случай наделал много шума, в том числе и в России.

Здесь в Петербурге вот уже 15 лет восстанавливалась колокольня Петропавловского собора, сгоревшая после удара молнии в 1756г. Когда в 1772г. завершился основной ремонт шпиля колокольни, возглавлявший реставрацию архитектор А.Дьяков, обратился в местную академию с просьбой рекомендации защиты, «чтобы молния тому шпицу запаления не учинила». 25 января 1773г. Конференция Академии поручила профессорам Эпинусу, Крафту и Эйлеру выразить свое мнение о способе установки этой защиты. По документам известно, что в феврале профессор физики В.Л.Крафт обратился к руководству академии с просьбой «отпустить ему из Инструментальной палаты в физический кабинет одну из электрических машин». Видимо для экспериментов..

Понятно, что Крафту надо было дать строителям конкретные данные: на материалы проводников, их диаметр, материал и высоту молниеприемника и т.д. Сейчас известно, что токи молний достигают сотен ампер, а потенциал заряда туч – миллионов вольт. Но тогда не было ни вольт ни амперов, существовал только один способ создать модель процесса, получить данные, а по ним экстраполировать их на грозовые процессы. Причем точность полученных данных была бы тем выше, чем более похожую на настоящую грозу смогла бы осуществить электрическая машина. Обыкновенна машина не годилась: она не могла бы расплавить медную проволоку толщиной в один миллиметр. Надо было находить выход.

Российские академики обратились с запросом в Лондон, но и там мало что знали по запрашиваемым проблемам. Хотя они сами экспериментировали, создав «искусственное облако» более 50 метров в длину и полуметра в ширину. Результаты они получали противоречивые. Трибоэлектрическая машина подходила к своему финалу. Для создания высоких потенциалов невозможно же делать стеклянные диски диаметром, например, пять метров. Центробежная сила при аварии обязательно превратит их в тысячи опасных для экспериментаторов осколков. Надо было создавать какой-то другой высоковольтный источник электричества для опытов.

Такой случай представился в 1776г, когда был изобретен электрогенератор совершенно отличный от существующих, но вырабатывающий электрические заряды по параметрам даже выше, чем машины трения. Конструкция была простой, так что для изготовления ее обошлись своими специалистами.(Рис.1) Опыты были произведены. А 8 мая 1777г. архитектор Дьяков сообщил Конференции АН об окончании работ над громоотводом шпиля. И вот шпиль высотой 122, 5 метра стоит надежно защищенный до настоящего времени. Но, если американцы, англичане и немцы, знают имена своих героев борьбы с молнией, то в российских учебниках по истории науки можно прочесть, что В.Л.Крафт «ничем особенным себя не проявил», или что «физикой как таковой, тем более экспериментальной, Крафт совершенно не интересовался». А это более чем не справедливо.

Рис. 1 Большой электрофор Крафта

Забытое “know-how”.

10 июня 1775г. итальянский физик А.Вольта сообщил о своем изобретении нового источника электричества: «Я представляю Вам тело, которое будучи лишь однажды наэлектризовано никогда не теряет своего электричества, упорно сохраняя силу своего действия». Автор назвал это устройство словами “elettroforo perpetuo”, что можно было перевести как «электричество текущее вечно». Прибор был до примитивизма прост. Его название в физической терминологии сократилось до слова «электрофор», но успех его применения был ошеломительным. Теперь, чтобы получать электрические заряды в больших количествах не обязательно было пользоваться услугами существующих электрических машин.

Вольта не считал себя единственным изобретателем устройства. Как и каждый большой ученый он чтил заслуги предшественников. Вот его слова: «Эпинус и Вильке предвосхитили эту идею и открыли явление, хотя и не сконструировали законченного прибора». О каком предвосхищении идет речь? Да и фамилия Эпинус нам встречается в этом тексте второй раз. И это неспроста.

Профессор университета в Ростоке Ф.Эпинус и его ученик И.Вильке в электричестве открытии явление, которое сейчас называется электрической индукцией. Смысл открытия можно объяснить так: каждое тело, которое помещают в электрическое поле само становится электрическим. Позже Эпинуса пригласят в Россию и с 1757г. он станет членом Петербургской академии наук. Здесь он проживет до конца жизни и здесь же он напишет свой главный труд жизни – «Опыт теории электричества и магнетизма». Он был издан в Петербурге в 1759г. и стал пользоваться большой популярностью у физиков. Ознакомился с этой работой и А.Вольта. Особенное внимание он обратил на опыт петербургского академика, который мы воспроизведем ниже.

На двух стеклянных стаканах А и B устанавливается металлический брусок С длиной в полметра. На концах этого бруска ставятся два других грузика-брусочка 1 и 2. (Рис.2). Если со стороны первого грузика поднести (не касаясь) натертую сургучную палочку, то можно убедиться снимая грузики, что они заряжепны. Первый положительным, Второй отрицательным элетричеством. Причем такую операцию не натирая больше сургучной палочки можно производить сколько угодно раз. У сургуча заряд не уменьшался. В принципе машина для заряжания тел электричеством была готова.. Можно было вместо грузиков на брусок ставить любые тела, подлежащие электризации и наэлектризовывать их. Ну чем не вечный двигатель?

Это был прообраз электрофора Вольты, механизм работы которого объяснить современникам очень просто. Натертый сургуч заряжается отрицательно. Он создает электрическое поле, которое воздействует на свободные электроны металлического бруска. Они, имея отрицательный заряд, перераспределяются в бруске таким образом, что накапливаются у грузика 2 и остаются в дефиците у грузика 1. У торцов бруска возникает разность потенциалов. Ей можно распорядиться как угодно. Нужен был гений Вольты, чтобы использовать это явление в практике и даже, более того, уменьшить скудный реквизит в установке Эпинуса. Вольта вообще не применяет грузиков. Просто в момент поднесения сургуча он на секунду прикасается своим пальцем конца бруска, противоположного сургучу. Понятно, что избыточные электроны через тело физика стекали в «землю». Теперь, когда сургуч убирался, весь брусок оказывался заряженным положительным электричеством. На этом принципе можно было уже создавать электрическую машину, более удобную, чем машины трения. Но и не только в этом было преимущество новой машины.

Оказывается, что электрофорная машина способна не только приобретать заряд, но и во много раз повышать его электрический потенциал. И этим ее свойством Вольта воспользовался, когда доказывал идентичность электричества, полученного в гальваническом элементе и электричеством, полученным с помощью трения, а также грозовым зарядом облака. Все эти заряды оказались абсолютно одинаковой природы. И это доказал электрофор.

Как же работал гигантский электрофор?

Овальная, покрытая оловом громадная «сковородка» площадью около четырех квадратных метров (!!!) была наполнена застывшим расплавом смолы м воска. Она лежала в основании электрофора. На ней на стойках высотой более двух метров на канатах, пропущенных через блоки, висела другая сковородка-диск, площадью чуть поменьше. Габариты всей машины составляли 3 х 2, 5 х 1.5 метров. (Рис.1). Простим средневековому художнику графические недоработки. Начертательная геометрия, позволяющая изображать трехмерные рисунки на плоскости появятся только в 1799г.

Мы же специально упростили чертеж, чтобы разобраться в принципе работы машины. (Рис.3) Пара сковородок-дисков, изолированных шелковыми веревками друг от друга, являют собой воздушный конденсатор переменной емкости. Напомним, что емкость конденсатора обратно пропорциональна расстоянию между пластинами. Чем меньше расстояние, тем больше емкость и наоборот. Изменялась емкость экспериментатором подъемом и спуском подвешенной сковородки. Для съема зарядов к верхней части подвижной сковородки припаивался медный шар В, для нижней А.

Работа электрофора начиналась с возбуждения заряда на нижней «сковородке». Это можно было сделать, натерев смолу обыкновенной меховой шапкой. Такая процедура производилась единовременно. Затем подвижная часть электрофора опускалась как можно ниже, но, не допуская соприкосновения с нижней «сковородкой». Вот что в ней происходит при этом.

Нам звестно, что верхний диск изготовлен из металла, а металлы имеют кристаллическое строение. Эти кристаллы можно рассматривать как решетку положительных ионов металла, ячейки которой заполнены электронами. Эти электроны можно уподобить молекулам газа, беспрестанно перемещающимся При приближении верхнего диска к нижнему всё больше и больше возрастает воздействие отрицательного поля смолы на отрицательно заряженные электроны. Это приводит к тому, что электроны выталкиваясь диффундируют в верхнюю часть диска и также в припаянный медный шар С. В результате верхняя часть подвижной «сковородки» получает избыток электронов при недостатке в нижней. Соответственно верхняя часть подвижного диска и шар С заряжаются отрицательно, а нижняя положительно.

Если теперь заземлить шар-кондуктор В или С, то избыток электронов истечет из верхней части «сковородки» в землю, сделав ее нейтральной, но недостаток электронов в нижней части останется. В своем электрофоре Вольта эту процедуру производил прикосновением пальца, а в гигантском, где заряд был большим, токи, протекающие через экспериментатора, были большими и могли травмировать электризатора. Поэтому конструкторы машины придумали специальный заземлитель, который работал автоматически. При опускании верхней сковородки шар С контактировал в самом нижнем положении с заземленным шаром D, через который стекали электроны в землю. При незначительном подъеме верхнего диска контакт прерывался и недостаток электронов уже распространялся на весь диск. И потенциал этого заряда увеличивался с повышением высоты подъема диска. Эту закономерность впервые в мировой истории заметил еще в 1759 году петербургский академик Ф.У.Т.Эпинус.

Обычно она не совсем понятна обучающимся, хотя любому человеку не возбраняется повторить опыт Эпинуса и это сделать сравнительно легко. Эта закономерность легко записывается символами в формулу, которая есть в любом учебнике электротехники. Недоверие учащихся к результатам этого опыта вызвано скорее всего представлением конденсатора переменной емкости как некоего вечного двигателя неизвестно от чего повышающего потенциал заряда. Но повышение потенциала идет за счет затраты энергии на механическую работу по раздвиганию пластин. Ведь пластины конденсатора заряженные разноименными зарядами притягиваются друг к другу с некоей силой, которую надо преодолевать.

Конечно, смоделировать процесс грозового разряда даже с помощью такого электрофора-гиганта невозможно, но до сих пор высокие потенциалы зарядов физики получают с помощью машин Ван-де-Граафа, где заряды доставляются в гигантские шары-кондукторы механическим способом.

Потенциал заряда, полученного на царь-электрофоре нам не известен, но в архивных источниках неизвестный автор записал: «Она (машина) готова поразить каждого, кто осмелится коснуться ее шара. Из опыта известно, что сей электрофор может убить даже быка. Ужасная сила!»

Создатели петербургского гиганта.

Имена конструкторов машины-гиганта нам известны со слов известного физика Иоганна Бернулли, посетившего Петербург в 1778г. Это профессор Петербургской академии наук Вольфганг Людвиг Крафт (1743-1814) и механик той же академии русский умелец И.П.Кулибин (1735-1818). В одной из современных книг по электричеству можно прочесть: «В технических конструкциях индукционных машин даже искушенному глазу нелегко разглядеть их простые принципиальные основы». Удивительным человеком был Кулибин. Он самостоятельно выучился когда-то делать телескопы не хуже английских, причем линзы он шлифовал лично. Так обстояли дела и с электрофором, суть которого непонятна и сейчас даже многим инженерам. Так что честь конструирования гигантского электрофора принадлежит целиком нашим соотечественникам.

Этнического немца В.Л.Крафта иностранцем считать нельзя. Он родился и умер в Петербурге и в истории физики его имя встречается в русском варианте – Логин Юрьевич. Не его вина в том, что работать в области физики ему не давали. Екатерина II определила его преподавателем своих многочисленных внуков, среди которых были и будущие императоры Александр I и Николай I.

Екатерина II сломала и научную карьеру тоже петербургскому академику, первооткрывателю электрической индукции Ф.У.Т.Эпинусу (1724-1802), одному из самых перспективных специалистов в области электричества того времени. Его обязяли дешифровывать перехваченную дипломатическую переписку иностранцев Петербурга для императрицы. Но несомненно, что он принимал участие в создании гигантской машины, как консультант. Перегрузки при расшифровке дипломатических депеш были столь велики, что он заболел в тяжелой форме психической болезнью и в конце жизни наукой не смог заниматься.

Судьба этой машины неизвестна. По чьему-то распоряжению ее из Кунсткамеры вывезли. И может быть небезосновательно. Её боялись, и вот по какой причине. Было установлено, что электрофоры могут работать и без дачи ему предварительного заряда. Для электрофора-гиганта было достаточно легкого ветерка над нижней сковородкой. чтобы потом получать высокие, смертельноопасные потенциалы на верхней.

Для чего написана эта статья?

Все вышеперечисленное должно показать читателю, что можно очень легко получать электрические потенциалы даже в домашних условиях. Найти возможности их практического применения дело мозгов современных Кулибиных. Возможности применения статического электричества наверняка существуют даже в быту. Надо только заинтересоваться изобретателям. И вот два тому примера.

В 40-х годах прошлого века патриарх советских физиков А.Ф.Иоффе разработал электростатический генератор для питания рентгеновского аппарата. Генератор был прост и надежен. Тогда же у него возникла идея перевести всю электроэнергетику страны на электростатику. Тогда не нужны становятся повышающие трансформаторы и выпрямители для линий передач. Передачи постоянным током самые экономичные, тем более исчезают потери при трансформации. Но увы, для большой электроэнергетики такая система невозможна для практического изготовления генераторов. Но бывают и маломощные потребители, тем более, что статические генераторы не создают магнитных полей и очень легкие по весу.

Известно, что еще в 1748г. великий американец Б.Франклин использовал двигатель с питанием от статического источника для практических целей – вращал вертел с индейкой над жаровней. Теперь такие двигатели забыты, хотя они не имеют обмоток, электротехнической стали и меди. А значит, что они могут быть весьма надежными в работе. Такие двигатели весьма перспективны для космических применений. Тем более, что развитие химии полимеров, обещает нам новые диэлектрические материалы.

Так что можно мыслить в этом направлении.