Tsaari - elektrofori

Kesällä 1814 Napoleonin voittaja All-Venäjän keisari Aleksanteri Ensimmäinen vieraili Hollannin kaupungissa Haarlemissa. Arvostettu vieras kutsuttiin paikalliseen akatemiaan. Kuten historiograafi kirjoitti, "suuri sähkökone herätti ensinnäkin Hänen Majesteettinsa huomion". Valmistettu vuonna 1784. auto teki todella suuren vaikutuksen. Kaksi lasikorkkia, joiden halkaisija on ihmisen korkeus, pyöritetään yhdellä akselilla neljän ihmisen vaivalla. Kitka sähkö (triboelektrisyys) toimitettiin varaamaan akku kahden ämpäri Leiden tölkit, kondensaattorit tuolloin. Heistä tulevat kipinät saavuttivat yli puolen metrin pituuden, mihin keisari oli vakuuttunut.

Hänen reaktionsa tähän Keski-Euroopan tekniikan ihmeeseen oli enemmän kuin hillitty. Lapsuudesta lähtien Alexander oli tuttu vielä suuremmalle koneelle, ja se antoi enemmän näistä kipinöistä. Se tehtiin. jopa aikaisemmin vuonna 1777. kotimaassaan Pietarissa se oli yksinkertaisempi, turvallisempi ja vaati vähemmän palvelijoita kuin hollantilaiset. Keisarinna Katariina II lastenlastensa läsnä ollessa viihdytti itseään tämän koneen avulla sähkökokeilla Tsarskoje Selossa. Sitten hänet siirrettiin harvinaisena näyttelykohteena Pietarin Kunstkameraan, minkä jälkeen hänet käsiteltiin jollain määräyksellä sieltä ja jäljet ​​hävisivät.

Aleksanterille näytettiin toissapäivän tekniikka. Periaatetta sähkön tuottamiseksi kitkan avulla ei ole sovellettu yli 200 vuotta, kun taas kotimaisen koneen taustalla olevaa ajatusta käytetään edelleen maailman koulujen ja yliopistojen nykyaikaisissa laboratorioissa. Tämän periaatteen - sähköstaattisen induktion - löysi ja kuvasi ensin Venäjällä akateemikko, jonka nimeä harvat tuntevat, ja tämä on epäreilua. Haluan muistuttaa tästä nykyiselle sukupolvelle.

Miksi tarvitsit jättiläisautoa?

Pietarissa jättiläiskoneella valmistettujen teosten kuvauksia ei löytynyt. Tiedetään, että samoina vuosina Vasilievskin saarella sijaitsevan tiedeakatemian instrumenttihuoneessa valmistettiin sähkögeneraattoreita "tasku" -generaattoreista viihteen ja itsehoitoon perhepiirissä, sarjasarjoihin generaattoreille tutkijoiden fyysisille laboratorioille. Miksi he tekivät kalliin hirviöauton? Voinko vastata tähän kysymykseen?

Juuri haluttu listamme johti.

Vuonna 1769 Italian Brescian kaupungissa salama iski kirkkoon, jonka kellareissa varastoitiin noin 100 tonnia ruutia. Iskua seurannut räjähdys tuhosi osan kaupunkia ja tuhansia sen asukkaita. Tämän laajalti tunnetun tapauksen vuoksi Britannian hallitus kääntyi akatemiansa tutkijoiden puoleen suositellakseen luotettavaa salamasuojausta jauhevarastoilleen. Lontoon kuninkaallisen yhdistyksen, jonka jäsenten joukossa oli salamannopeiden keksijä amerikkalainen B. Franklin, syistä ehdotettiin ja toteutettiin ukkossuojausasennus Perflitissä sijaitsevissa varastoissa Englannissa.

Ja nyt, nykyaikaisen tiedon avulla, ei voida antaa 100-prosenttista takuuta rakenteiden suojaamisesta salaman sauvojen (oikeammin salamannopeiden) avulla. Ja ironista kyllä ​​vuonna 1772. Kaikkien sääntöjen mukaisesti asennettu salamatanko ei suojannut varastoja salamannopealta. Hän “liukastui” suojatapilta, mutta toiminut heikosti eikä varasto räjähtää. Tämä tapaus aiheutti paljon melua, myös Venäjällä.

Täällä Pietarissa 15 vuoden ajan on kunnostettu Pietarin ja Paavalin katedraalin kellotorni, joka palai vuonna 1756 tapahtuneen ukkosen jälkeen. Kun vuonna 1772 Palautusarkkitehdin A. Dyakovin johtaman kellotornitornin pääkorjaus oli saatu päätökseen. Hän kääntyi paikallisen akatemian puoleen suojaussuosituksella, "jotta salama ei aiheuta piikin palamista". 25. tammikuuta 1773 Akatemiakonferenssi antoi professoreille Epinukselle, Kraftille ja Eulerille lausunnon näkemyksistä tämän suojauksen asentamisesta.Asiakirjojen mukaan tiedetään, että helmikuussa fysiikan professori VL Kraft kääntyi akatemian johtoon pyytämällä ”vapauttamaan yksi sähkökoneista instrumenttihuoneesta fysiikan toimistoon”. Ilmeisesti kokeisiin ..

On selvää, että Kraft joutui antamaan rakentajille erityistietoja: johtimien materiaaleista, niiden halkaisijasta, ilmaterminaalin materiaalista ja korkeudesta jne. Nyt tiedetään, että salamavirrat saavuttavat satoja ampeereita, ja pilvien varauspotentiaali on miljoonia volteja. Mutta silloin ei ollut volttia tai ampeeria, oli vain yksi tapa luoda prosessimalli, hankkia tietoja ja ekstrapoloida ne ukonilman prosesseihin. Lisäksi saatujen tietojen tarkkuus olisi sitä korkeampi, mitä sähköisempi kone voisi toteuttaa samankaltaisen kuin todellinen ukonilma. Tavallinen kone ei ollut hyvä: se ei pystynyt sulattamaan millimetrin paksuista kuparilankaa. Oli välttämätöntä löytää tie ulos.

Venäläiset tutkijat lähettivät pyynnön Lontooseen, mutta jopa siellä he tiesivät vain vähän pyydetyistä ongelmista. Vaikka he itsekin kokeilivat luomalla "keinotekoinen pilvi", jonka pituus oli yli 50 metriä ja puoli metriä leveä. Heidän saamansa tulokset olivat ristiriitaisia. Triboelektrinen kone oli lähestymässä loppuaan. Suurien potentiaalien luomiseksi on mahdotonta valmistaa lasilevyjä, joiden halkaisija on esimerkiksi viisi metriä. Onnettomuuden keskipakoisvoima muuttaa varmasti tuhansiksi fragmenteiksi, jotka ovat vaarallisia kokeilijoille. Kokeisiin oli tarpeen luoda jokin muu korkeajännitelähde.

Tällainen tapaus ilmestyi vuonna 1776, kun keksittiin sähkögeneraattori, joka oli täysin erilainen kuin nykyiset, mutta joka tuotti sähkövarauksia jopa kitkakonetta korkeammissa parametreissa. Suunnittelu oli yksinkertainen, joten sen valmistajat antoivat sen valmistukseen (kuva 1). Kokeet suoritettiin. Ja 8. toukokuuta 1777. arkkitehti Dyakov kertoi tiedeakatemialle torniin kuuluvan salaman tangon valmisteluista. Ja nyt 122,5 metriä korkea torni on nyt luotettavasti suojattu. Mutta jos amerikkalaiset, britit ja saksalaiset tietävät sankariensa nimet salaman torjunnassa, Venäjän tiedehistorian oppikirjoissa voidaan lukea, että VL Kraft "ei osoittanut mitään erityistä" tai että "fysiikka sellaisenaan, etenkin kokeellinen, Kraft ei ollut ollenkaan kiinnostunut. ” Ja tämä on enemmän kuin reilua.

Kuva 1 iso elektrofoorikäsittelylaite

WEdellä osaamista.

10. kesäkuuta 1775 italialainen fyysikko A. Volta ilmoitti keksinnöstään uudesta sähkölähteestä: "Esitän teille kehon, joka vain kerran sähköistettynä ei koskaan menetä sähköä, säilyttäen itsepintaisesti toimintansa voimakkuuden." Kirjoittaja kutsui tätä laitetta sanoiksi ”elettroforo perpetuo”, joka voidaan kääntää ”ikuisesti virtaavaa sähköä”. Laite oli yksinkertainen ennen primitivismia. Sen nimi fyysisessä terminologiassa pelkistettiin sanaan "elektrofori", mutta sen soveltamisen menestys oli ylivoimainen. Nyt voidakseen vastaanottaa suuria määriä sähkölatauksia ei ollut tarpeen käyttää olemassa olevien sähkökoneiden palveluita.

Volta ei pitänyt itseään laitteen ainoana keksijänä. Kuten kaikki suuret tiedemiehet, hän kunnioitti edeltäjiensä ansioita. Tässä ovat hänen sanansa: "Epinus ja Wilke ennakoivat tätä ajatusta ja löysivät ilmiön, vaikka eivät rakenneet lopullista laitetta." Millainen ennakointi se on? Ja sukunimi Epinus löytyy tekstistä toisen kerran. Ja tämä ei ole sattumaa.

Rostockin yliopiston professori F. Epinus ja hänen opiskelijansa I. Wilke sähkön löytämisessä on ilmiö, jota nykyään kutsutaan sähköisiksi induktioiksi. Löytön tarkoitus voidaan selittää seuraavasti: jokaisesta kehosta, joka sijoitetaan itse sähkökenttään, tulee sähkö. Myöhemmin Epinus kutsutaan Venäjälle vuodesta 1757. hänestä tulee Pietarin tiedeakatemian jäsen. Täällä hän elää elämänsä loppuun saakka, ja kirjoittaa täällä pääelämänsä - "Kokemuksen sähkön ja magneettisuuden teoriasta".Se julkaistiin Pietarissa vuonna 1759. ja siitä tuli erittäin suosittu fyysikkojen keskuudessa. Tutustuin tähän teokseen ja A. Voltaan. Hän kiinnitti erityistä huomiota Pietarin akateemikon kokemukseen, jota jäljempänä kerrotaan.

Kahteen lasilasiin A ja B asennetaan puoli metriä pitkä metallitanko C. Tämän palkin päihin asetetaan kaksi muuta lohkopainoa 1 ja 2 (kuva 2). Jos tuodaan (koskettamatta) raastettua vahakappaletta ensimmäisen painon puolelta, voit olla varma poistaessasi pieniä painoja. Ensimmäinen on positiivinen, toinen on negatiivinen sähkö. Lisäksi tällainen toimenpide hankamatta lisää vahapuikoja voidaan tehdä niin monta kertaa kuin haluat. Tiivistysvaha ei vähentynyt. Periaatteessa kone kehon varaamiseksi sähköllä oli valmis. Painojen sijasta oli mahdollista laittaa sauvaan kaikki sähköistettävät kappaleet ja sähköistää ne. Miksei ikuinen liikekone?

Se oli Voltan elektroforin prototyyppi, jonka mekanismi on erittäin helppo selittää aikalaisille. Raastettu tiivistysvaha latautuu negatiivisesti. Se luo sähkökentän, joka vaikuttaa metallitankojen vapaisiin elektroneihin. Negatiivisella varauksella ne jakautuvat tankoon uudelleen siten, että ne kertyvät painoon 2 ja pysyvät alipainossa painossa 1. Tankojen päissä syntyy potentiaalinen ero. Hänet voidaan hävittää haluttaessa. Voltan neroa tarvittiin käyttämään tätä ilmiötä käytännössä ja jopa vähentämään Epinuksen asennuksen niukkoja rekvisiitta. Volta ei käytä lainkaan painoja. Juuri vahan tuomisessa hetkeksi hän koskettaa sormella vahan vastaisen palkin päätä. On selvää, että ylimääräisiä elektroneja virtaa fyysikon kehon läpi "maahan". Nyt kun tiivistevaha poistettiin, koko palkki osoittautui olevan varautunut positiivisella sähköllä. Tällä periaatteella oli jo mahdollista luoda sähkökone, joka on kätevämpi kuin kitkakoneet. Mutta ei vain tämä ollut uuden auton etu.

Osoittautuu, että elektroforin kone pystyy paitsi vain hankkimaan varauksen, myös lisäämään sen sähköpotentiaalia moninkertaisesti. Ja Volta käytti tätä ominaisuutta hyväkseen todistaessaan sähkön identiteetin, saatu galvaanisessa kennossa kitkan tuottama sähkö ja pilven salamavaraus. Kaikki nämä maksut osoittautuivat täsmälleen samanlaisiksi. Ja se osoitettiin elektroforin avulla.

Kuinka jättiläinen elektrofori toimi?

Soikea, tinapäällysteinen valtava "paistinpannu", jonka ala oli noin neljä neliömetriä (!!!), täytettiin jäädytetyllä hartsin ja vahan sulateella. Hän makasi elektroforin pohjassa. Sillä yli kahden metrin korkeilla telineillä, köysien läpi kuljettuilla köysillä ripustettiin toinen, hieman pienempi kiekkopaistinpannu. Koko koneen mitat olivat 3 x 2,5 x 1,5 metriä. (Kuva 1). Anteeksi keskiaikaisen taiteilijan graafiset puutteet. Kuvaileva geometria, jonka avulla voit kuvata kolmiulotteisia piirroksia tasossa, ilmestyy vasta vuonna 1799.

Yksinkertaistimme piirrosta koneen periaatteen ymmärtämiseksi. (Kuva 3) Pari kiekkoa, jotka on eristetty toisistaan ​​silkkiköydellä, ovat muuttuvan kapasiteetin ilmajäähdytin. Muista, että kondensaattorin kapasitanssi on käänteisesti verrannollinen levyjen väliseen etäisyyteen. Mitä pienempi etäisyys, sitä suurempi kapasiteetti ja päinvastoin. Kokeilijan kapasiteettia muutettiin nostamalla ja laskemalla ripustettua astiaa. Latausten poistamiseksi kuparipallo B juotettiin liikkuvan astian yläosaan, alempaan A.

Elektroforin työ alkoi varauksen virittämisestä alempaan "astiaan". Tämä voitaisiin tehdä hankaamalla hartsi tavallisella turkista. Tämä menettely suoritettiin kerrallaan. Sitten elektroforin liikkuva osa putosi niin matalalta kuin mahdollista, mutta estämättä kosketusta alempaan "astiaan". Näin tapahtuu siinä.

Tiedämme, että ylempi kiekko on valmistettu metallista ja metalleilla on kiteinen rakenne. Näitä kiteitä voidaan pitää positiivisten metalli-ionien hilana, jonka solut ovat täynnä elektroneja. Nämä elektronit voidaan verrata jatkuvasti liikkuviin kaasumolekyyleihin. Kun ylempi kiekko lähestyy alempaa, hartsin negatiivinen kenttä negatiivisesti varautuneissa elektronissa kasvaa yhä enemmän. Tämä johtaa siihen tosiseikkaan, että ulos työntyvät elektronit diffundoituvat levyn yläosaan ja myös juotettuun kuparipalloon C. Seurauksena on, että liikkuvan “paistinpannu” yläosa vastaan ​​ylimääräisiä elektroneja, joilla on puutteet alemmassa. Vastaavasti siirrettävän levyn yläosa ja pallo C ovat negatiivisesti varautuneita, ja alempi on positiivinen.

Jos johdinpallo B tai C on nyt maadoitettu, niin ylimäärä elektroneja virtaa “pannun” yläosasta maahan, jolloin se on neutraali, mutta elektronien puute pohjassa pysyy. Elektroforissaan Volta suoritti tämän toimenpiteen sormen kosketuksella, ja jättiläisessä, jossa varaus oli suuri, kokeilijan läpi virtaavat virrat olivat suuria ja voivat vahingoittaa sähköistäjää. Siksi koneen suunnittelijat keksivät erityisen maadoituselektrodin, joka toimi automaattisesti. Laskettaessa astian yläosaa, pallo C oli kosketuksissa alimmassa asennossaan maadoitetun pallon D kanssa, jonka läpi elektronit virtaavat maahan. Ylälevyn hiukan noustessa kosketus keskeytettiin ja elektronien puute levisi jo koko levylle. Ja tämän latauksen potentiaali lisääntyi levyn korkeuden kasvaessa. Tämän säännöllisyyden havaitsi maailmanhistoriassa ensimmäisen kerran vuonna 1759 Pietarin akateemikko F.U.T. Epinus.

Yleensä opiskelijat eivät ymmärrä sitä täysin, vaikka ketään ei ole kielletty toistamasta Epinuksen kokemusta, ja tämä on suhteellisen helppo tehdä. Tämä säännöllisyys tallennetaan helposti symboleilla kaavaan, joka on missä tahansa sähkötekniikan oppikirjassa. Opiskelijoiden epäluottamus tämän kokeen tuloksiin johtuu todennäköisimmin ideasta muuttuvan kapasitanssin kondensaattorista eräänlaisena jatkuvana liikekoneena, josta se lisää varauspotentiaalia. Mutta potentiaalin lisääntyminen tapahtuu levyjen levityksen mekaanisen työn energiakustannusten kustannuksella. Loppujen lopuksi vastakkaisilla varauksilla varautuneet kondensaattorilevyt houkutellaan toisiinsa tietyllä voimalla, joka on voitettava.

Tietenkin on mahdotonta simuloida salamanpurkausprosessia edes sellaisen elektrofori jättiläisen avulla, mutta toistaiseksi fysiikan varauspotentiaalit saavutetaan korkealla van de graaff -autotmissä varaukset toimitetaan jättiläisille johdinpalloille mekaanisesti.

Emme tiedä tsaari-elektroforin vastaanottaman varauksen potentiaalia, mutta tuntematon kirjoittaja kirjoitti arkistotietolähteisiin: ”Hän (kone) on valmis lyömään kaikkia, jotka uskaltavat koskea palloonsa. Kokemuksesta tiedetään, että tämä elektrofori voi tappaa jopa härän. Pelottava voima! ”

Pietarin jättiläisen luojat.

Jättiläkoneen suunnittelijoiden nimet tunnetaan meille kuuluisan fyysikon Johann Bernoullin sanoista, joka vieraili Pietarissa vuonna 1778. Tämä on Pietarin tiedeakatemian professori Wolfgang Ludwig Kraft (1743-1814) ja saman akatemian mekaanikko, venäläinen käsityöläinen I. P. Kulibin (1735-1818). Yhdessä nykyaikaisesta sähköä koskevasta kirjasta voidaan lukea: "Induktiokonetta koskevissa teknisissä suunnitelmissa ei ole helppoa edeskin hienostuneelle silmälle havaita niiden yksinkertaisia ​​perusperiaatteita." Upea ihminen oli Kulibin. Hän oppi itsenäisesti kerran tekemään kaukoputkia pahempaa kuin englanti, ja hän kiillotti linssit henkilökohtaisesti. Näin oli myös elektroforin tapauksessa, jonka ydin on ymmärrettämätön jo nyt monille insinöörille. Joten kunnia rakentaa jättiläinen elektrofori kuuluu täysin maanmieheillemme.

Etniset saksalaisia ​​V.L.Kraftia ei voida pitää ulkomaalaisina.Hän syntyi ja kuoli Pietarissa. Fysiikan historiassa hänen nimensä löytyy venäjänkielisestä versiosta - Login Yuryevich. Hänen syynsä ei ollut, että hän ei saanut työskennellä fysiikan alalla. Katariina II tunnisti hänet monien lastenlastensa opettajaksi, joiden joukossa olivat tulevat keisarit Aleksanteri I ja Nikola I.

Katariina II rikkoi myös tieteellisen uransa Pietarin akateemikolle, sähkön induktion löytäjälle F. U.T. Epinukselle (1724-1802), yhdelle tuolloin lupaavimmista asiantuntijoista sähkön alalla. Hänen oli pakko purkaa Pietarin ulkomaalaisten sieppaama diplomaatti kirjeenvaihto keisarinnaa varten. Mutta ei ole epäilystäkään siitä, että hän osallistui jättiläiskoneen luomiseen konsulttina. Ylirasitukset diplomaattisten lähetysten purkamisessa olivat niin suuret, että hän sairastui vakavasti mielisairauteen eikä elämänsä lopussa voinut tehdä tiedettä.

Tämän auton kohtalo ei ole tiedossa. Jonkun tilauksesta hänet vietiin ulos Kunstkamerasta. Ja se ei välttämättä ole ilman syytä. He pelkäsivät häntä ja tästä syystä. Todettiin, että elektroforit voivat toimia antamatta hänelle ennakkomaksua. Jättiläiselle elektroforille alemman astian yläpuolella oli tarpeeksi kevyttä tuulta. sitten saada korkeat, tappavat potentiaalit päälle.

Miksi tämä artikkeli kirjoitetaan?

Kaikkien yllä olevien tulee näyttää lukijalle, että sähköpotentiaalien saaminen on erittäin helppoa jopa kotona. Niiden löytäminen käytännössä on nykyaikaisten Kulibinien aivojen asia. Staattisen sähkön käyttömahdollisuudet ovat todennäköisesti jopa arjessa. On vain kiinnostuttava keksijöistä. Ja tässä on kaksi esimerkkiä tästä.

Neuvostoliiton fyysikkojen patriarkka A. F. Ioffe kehitti viime vuosisadan 40-luvulla sähköstaattisen generaattorin röntgenlaitteen virrankäyttöön. Generaattori oli yksinkertainen ja luotettava. Sitten hän keksi idean siirtää koko maan sähköteollisuus sähköstatiikkaan. Tällöin voimansiirtolinjojen tehostajamuuntajista ja tasasuuntaajista tulee tarpeettomia. Suorat virransiirrot ovat taloudellisimpia, sitä enemmän häviö muutoksen aikana häviää. Mutta valitettavasti suurelle sähköteollisuudelle tällainen järjestelmä on mahdoton generaattoreiden käytännöllisessä valmistuksessa. Mutta on myös vähän virrankuluttajia, etenkin koska staattiset generaattorit eivät luo magneettikenttiä ja ovat erittäin kevyitä.

Tiedetään, että jo vuonna 1748. suuri amerikkalainen B. Franklin käytti staattista moottoria käytännöllisiin tarkoituksiin - hän käänsi kalkkunan vartaan paahtimen päälle. Nyt tällaiset moottorit unohdetaan, vaikka niissä ei ole käämiä, sähköterästä ja kuparia. Tämä tarkoittaa, että ne voivat olla erittäin luotettavia toiminnassa. Tällaiset moottorit ovat erittäin lupaavia avaruussovelluksissa. Lisäksi polymeerikemian kehitys lupaa meille uusia dielektrisiä materiaaleja.

Joten voit ajatella tähän suuntaan.