Цар - електрофор

През лятото на 1814г Победителят на Наполеон общоруски император Александър Първи посети холандския град Харлем. Почетният гост бе поканен в местната академия. Тук, както пише историографът, „Голямата електрическа машина преди всичко привлече вниманието на Негово Величество“. Направен през 1784г. колата наистина направи голямо впечатление. Два стъклени диска с диаметър на височина на човек, завъртени на обща ос от усилията на четирима души. Електрическото триене (трибоелектричеството) се доставяше за зареждане на батерията от два-лейдънски кутии, кондензатори от онова време. Искрите от тях достигаха дължина повече от половин метър, в което императорът беше убеден.

Реакцията му към това централноевропейско чудо на технологиите беше повече от сдържана. От детството си Александър беше познат с още по-голяма машина и това даде повече от тези искри. Направена е. още по-рано през 1777г. в родината му в Санкт Петербург, той беше по-прост, по-сигурен и изискваше по-малко слуги от холандците. Императрица Екатерина II в присъствието на внуците си се забавляваше с помощта на тази машина чрез електрически експерименти в Царско село. Тогава тя, като рядък експонат, е пренесена в петербургската Кунсткамера, след това по някаква заповед е изведена оттам и следите й са изгубени.

На Александър беше показана техниката от предишния ден. Принципът за генериране на електричество чрез триене не се прилага повече от 200 години, докато идеята, която стои в основата на домашната машина, все още се използва в съвременните лаборатории на училища и университети в света. Този принцип - електростатична индукция - е открит и описан за първи път в Русия от руския академик, чието име малко хора знаят, и това е несправедливо. Бих искал да напомня за това на настоящото поколение.

Защо ти трябваше гигантска кола?

Описания на произведения, произведени в Санкт Петербург на гигантска машина, не бяха открити. Известно е, че през същите години в Приборната камара на Академията на науките на остров Василиевски са произведени електрически генератори от "джобни" генератори за забавление и самолечение в семейния кръг, до серийни такива за физически лаборатории на учени. Защо направиха скъпа кола-чудовище? Мога ли да отговоря на този въпрос?

Това доведе до търсения от нас списък.

През 1769г в италианския град Бреша мълния удари църква, в мазетата на която бяха съхранени около 100 тона барут. Експлозията, последвала удара, унищожи част от града и хиляди негови жители. Предвид този широко известен случай, британското правителство се обърна към учените от своята академия, за да препоръча надеждна мълниезащита за своите прахови депа. По причини на Лондонското кралско дружество, сред чиито членове имаше и американски изобретател на гръмоотвод Б. Франклин, беше предложена и проведена инсталация за защита от мълния в складове в Перфлит в Англия.

И сега, с помощта на съвременните знания, не може да се даде 100% гаранция за защита на конструкциите с помощта на мълнии (по-правилно мълниеносни пръти). И по ирония на съдбата през 1772г. монтираният в съответствие с всички правила гръмоотвод не е предпазил складовете от мълнии. Тя „се измъкна“ от защитния щифт, но действаше слабо и складът не избухна. Този случай вдигна много шум, включително и в Русия.

Тук в Санкт Петербург в продължение на 15 години е възстановена камбанарията на катедралата Петър и Павел, реставрирана след удар от мълния през 1756 г. Когато през 1772г Основният ремонт на шпилата на камбанарията, ръководен от реставрационния архитект А. Дяков, беше завършен, той се обърна към местната академия с препоръка за защита, „за да не избухне светкавица“. 25 януари 1773г Конференцията на Академията инструктира професорите Епин, Крафт и Ойлер да изразят мнението си как да инсталират тази защита.Според документите е известно, че през февруари професор по физика В. Л. Крафт се обърна към ръководството на академията с молба „да се освободи една от електрическите машини от приборната камера в кабинета по физика“. Явно за експерименти ..

Ясно е, че Крафт е трябвало да даде конкретни данни на строителите: за материалите на проводниците, техния диаметър, материал и височина на въздушния терминал и т.н. Вече е известно, че токовете на мълния достигат стотици ампери, а потенциалът на заряда на облаците е милиони волта. Но тогава нямаше волта или ампера, имаше само един начин да се създаде модел на процеса, да се получат данни и да се екстраполират, за да гръмотевични процеси. Освен това, точността на получените данни ще бъде по-висока, толкова по-електрическа машина може да реализира по-подобна на истинска гръмотевична буря. Една обикновена машина не беше добра: не можеше да стопи медна жица с дебелина един милиметър. Трябваше да се намери изход.

Руските академици изпратиха молба до Лондон, но дори там малко знаеха за исканите проблеми. Въпреки че самите те експериментираха, създавайки "изкуствен облак" с дължина над 50 метра и ширина половин метър. Получените от тях резултати бяха противоречиви. Трибоелектрическата машина наближаваше своя финал. За да създадете високи потенциали, е невъзможно да направите стъклени дискове с диаметър, например, пет метра. Центробежната сила при авария със сигурност ще ги превърне в хиляди фрагменти, опасни за експериментаторите. За експериментите беше необходимо да се създаде друг източник на електричество с високо напрежение.

Такъв случай се появява през 1776 г., когато е изобретен електрически генератор, който е напълно различен от съществуващите, но който генерира електрически заряди в параметри, дори по-високи от триещата машина. Дизайнът беше прост, така че за производството му се отпускаха специалистите му (Фиг. 1) Експериментите бяха извършени. И на 8 май 1777г. архитектът Дяков информира Академията на науките за приключването на работата по гръмоотвода на шпиона. И сега шпилът с височина 122,5 метра стои надеждно защитен до момента. Но ако американците, британците и германците знаят имената на своите герои в борбата с мълниите, тогава в руските учебници по историята на науката може да се прочете, че В. Л. Крафт „не е показал нищо особено“ или че „физиката като такава, особено експериментален, Крафт изобщо не се интересуваше. " И това е повече от справедливо.

Фиг. 1 Голям електрофор Крафт

WНад ноу-хау.

10 юни 1775г Италианският физик А. Волта обяви изобретението си на нов източник на електричество: „Представям ви тяло, което, електрифицирано само веднъж, никога не губи електроенергията си, упорито запазвайки силата на своето действие.“ Авторът нарече това устройство думите „elettroforo perpetuo“, което би могло да се преведе като „електричество, което тече завинаги“. Устройството беше просто преди примитивизма. Името му във физическата терминология беше сведено до думата „електрофор“, но успехът на приложението му беше огромен. Сега, за да получаваме електрически заряди в големи количества, не беше необходимо да се използват услугите на съществуващи електрически машини.

Волта не се смяташе за единствения изобретател на устройството. Както всеки голям учен, той уважи заслугите на своите предшественици. Ето неговите думи: "Епин и Уилк предвиждаха тази идея и откриха явлението, въпреки че не конструираха готовото устройство." Какво е това очакване? И фамилията Епин се намира в този текст за втори път. И това не е случайно.

Професорът от Университета в Росток Ф. Епин и неговият студент И. Уилк в откриването на електричество е явление, което сега се нарича електрическа индукция. Смисълът на откритието може да се обясни по следния начин: всяко тяло, което е поставено в само електрическо поле, става електрическо. По-късно Епин ще бъде поканен в Русия от 1757 година. той ще стане член на Петербургската академия на науките. Тук той ще живее до края на живота си, а тук ще напише основната си житейска работа - „Опит в теорията на електричеството и магнетизма“.Публикувана е в Санкт Петербург през 1759г. и стана много популярен сред физиците. Запознах се с тази работа и А. Волта. Той обърна особено внимание на опита на Петербургския академик, който ще възпроизведем по-долу.

Върху две стъклени чаши A и B е инсталирана метална щанга C с дължина половин метър. В краищата на тази лента се поставят два други блока с тежести 1 и 2 (фиг. 2). Ако донесете (без да докосвате) настърганата восъчна пръчица от страната на първото тегло, можете да се уверите, когато премахвате малките тежести, че те се зареждат. Първият е положителен, вторият - отрицателно електричество. Освен това подобна операция, без да търкате повече восъчни пръчици, може да се извърши толкова пъти, колкото искате. Уплътняващият восък не намаля. По принцип беше готова машина за зареждане на тела с електричество. Възможно беше вместо тежести да се сложат на щанга всякакви тела, които да бъдат електрифицирани, и да се електрифицират. Защо не вечна машина за движение?

Той беше прототип на електрофора на Волта, механизмът на който е много прост за обяснение пред съвременниците. Настърганият уплътняващ восък се зарежда отрицателно. Той създава електрическо поле, което действа върху свободните електрони на метална пръчка. Имайки отрицателен заряд, те се преразпределят в щангата по такъв начин, че се натрупват в теглото 2 и остават в дефицит в теглото 1. В краищата на щангата възниква потенциална разлика. Тя може да бъде изхвърлена по желание. Геният на Волта беше необходим, за да използва това явление на практика и дори освен това, за да намали оскъдните реквизити при инсталирането на Епин. Волта изобщо не използва тежести. Точно в момента на докарване на восъка за секунда той докосва края с пръста срещу восъка. Ясно е, че излишните електрони са преминали през тялото на физика в „земята“. Сега, когато уплътнителният восък беше отстранен, цялата лента се оказа заредена с положително електричество. На този принцип вече беше възможно да се създаде електрическа машина, по-удобна от триещите машини. Но не само това беше предимството на новата кола.

Оказва се, че електрофорната машина е способна не само да придобие заряд, но и да увеличи многократно своя електрически потенциал. И Волта се възползва от този имот, когато доказа идентичността на електричеството, получени в галванична клетка и електроенергия, генерирана от триене, както и светкавичния заряд на облака. Всички тези обвинения се оказаха с еднакъв характер. И това беше доказано с електрофор.

Как работеше гигантският електрофор?

Един овален, покрит с калай огромен „тиган“ с площ от около четири квадратни метра (!!!) се напълни със замръзнала стопилка от смола и восък. Тя лежеше в основата на електрофора. На него, на стелажи с височина над два метра, на въжета, преминали през блоковете, висеше друг тиган с дискове, малко по-малък. Размерите на цялата машина бяха 3 х 2,5 х 1,5 метра. (Фиг. 1). Простете на графичните недостатъци на средновековния художник. Описателна геометрия, която ви позволява да изобразявате триизмерни рисунки в равнина, ще се появи едва през 1799 година.

Специално опростихме чертежа, за да разберем принципа на машината. (Фиг. 3) Чифт дискови тигани, изолирани с копринени въжета един от друг, представляват въздушен кондензатор с променлив капацитет. Спомнете си, че капацитетът на кондензатора е обратно пропорционален на разстоянието между плочите. Колкото по-малко е разстоянието, толкова по-голям е капацитетът и обратно. Капацитетът на експериментатора беше променен чрез повдигане и спускане на окачената тава. За да премахнете зарядите, медна топка В беше споена към горната част на подвижния тиган, за долната А.

Работата на електрофора започва с възбуждането на заряд в долния „тиган“. Това може да стане чрез разтриване на смолата с обикновена шапка от козина. Тази процедура беше проведена в даден момент. Тогава подвижната част на електрофора падна възможно най-ниско, но, не позволявайки контакт с долния „тиган“. Това се случва в него.

Знаем, че горният диск е направен от метал, а металите имат кристална структура. Тези кристали могат да се разглеждат като решетка на положителни метални йони, клетките на които са изпълнени с електрони. Тези електрони могат да се оприличат на газови молекули, които се движат непрекъснато. Когато горният диск се приближава до долния, отрицателното поле на смолата върху отрицателно заредените електрони се увеличава все повече и повече. Това води до факта, че изтласкването на електроните дифундира в горната част на диска, а също и в споената медна топка С. В резултат горната част на подвижния „тиган“ получава излишък от електрони с дефицит в долната. Съответно горната част на подвижния диск и топката С са отрицателно заредени, а долната - положителна.

Ако топката B или C на проводника вече е заземена, излишъкът от електрони ще потече от върха на „тигана“ към земята, правейки го неутрален, но липсата на електрони в дъното ще остане. В своя електрофор Волта извърши тази процедура с докосването на пръст, а в гигантския, където зарядът беше голям, токовете, протичащи през експериментатора, бяха големи и можеха да наранят електризатора. Затова дизайнерите на машината измислиха специален заземен електрод, който работеше автоматично. Когато спускате горната част на тигана, топката С контактуваше в най-ниското си положение със заземена топка D, през която в земята течаха електрони. С леко покачване на горния диск контактът беше прекъснат и липсата на електрони вече се разпространи към целия диск. И потенциалът на това зареждане се увеличи с увеличаване на височината на диска. Тази закономерност е забелязана за първи път в световната история още през 1759 г. от петербургския академик Ф. Ю. Епин.

Обикновено не се разбира напълно от учениците, въпреки че не е забранено никой да повтаря опита на Епин и това е сравнително лесно да се направи. Тази закономерност лесно се записва чрез символи във формулата, която е във всеки учебник по електротехника. Недоверието на учениците към резултатите от този експеримент най-вероятно е породено от идеята за кондензатор с променлив капацитет като вид вечна машина за движение, от която той увеличава потенциала на заряда. Но увеличаването на потенциала идва за сметка на енергийните разходи за механичната работа на разпространението на плочите. В крайна сметка плочите на кондензатора, заредени с противоположни заряди, се привличат една към друга с определена сила, която трябва да бъде преодоляна.

Разбира се, невъзможно е да се симулира процеса на разряд на мълния дори и с помощта на такъв електрофорен гигант, но до този момент се използват високи потенциали на заряди на физиката, използвайки Ван де Грааф коликъдето зарядите се доставят механично на гигантски диригентни топки.

Не знаем потенциала на заряда, получен при електрофора на царя, но неизвестен автор пише в архивни източници: „Тя (машината) е готова да удари всеки, който се осмели да докосне топката ѝ. От опит се знае, че този електрофор може дори да убие бик. Страшна сила! ”

Създателите на петербургския гигант.

Имената на дизайнерите на гигантската машина са ни известни от думите на известния физик Йохан Бернули, посетил Петербург през 1778г. Този професор на Петербургската академия на науките Волфганг Лудвиг Крафт (1743-1814) и механикът на същата академия, руският майстор И. П. Кулибин (1735-1818). В една от съвременните книги за електричеството може да се чете: „В техническите проекти на индукционните машини не е лесно дори и сложното око да разбере техните прости основни принципи.“ Невероятният човек беше Кулибин. Той веднъж се научи веднъж да прави телескопи не по-лоши от английски и лично полира лещите. Такъв беше случаят и с електрофора, същността на който е неразбираема дори сега за много инженери. Така честта да изгради гигантски електрофор принадлежи изцяло на нашите сънародници.

Етническият германец В. Л. Крафт не може да се счита за чужденец.Той е роден и починал в Санкт Петербург, а в историята на физиката името му се намира в руската версия - Вход Юриевич. Не беше по негова вина, че не му беше позволено да работи в областта на физиката. Катрин II го определи като учител на многото си внуци, сред които бяха бъдещите императори Александър I и Николай I.

Катрин II също прекъсна научната си кариера на петербургския академик, откривателя на електрическата индукция F.U.T. Epinus (1724-1802), един от най-обещаващите специалисти в областта на електричеството от онова време. Той бил длъжен да разшифрова прихваната дипломатическа кореспонденция на чужденци от Санкт Петербург за императрицата. Но няма съмнение, че той е участвал в създаването на гигантска машина като консултант. Претоварванията в дешифрирането на дипломатически експедиции били толкова големи, че той се разболял сериозно от психично заболяване и в края на живота си не можел да се занимава с наука.

Съдбата на тази кола не е известна. По нечия заповед тя беше изведена от Кунсткамера. И може да не е без причина. Страхуваха се от нея и поради тази причина. Установено е, че електрофорите могат да работят, без да му дават предварително зареждане. За гигантския електрофор имаше достатъчно лек бриз над долния тиган. след това да получите високи, смъртоносни потенциали на върха.

Защо е написана тази статия?

Всичко по-горе трябва да покаже на читателя, че е много лесно да се получат електрически потенциали дори и у дома. Да намери възможностите за тяхното практическо приложение е мозъкът на съвременните кулибини. Възможностите за използване на статично електричество вероятно съществуват дори в ежедневието. Необходимо е само да се интересувате от изобретатели. И ето два примера за това.

През 40-те години на миналия век патриархът на съветските физици А. Ф. Йофе разработва електростатичен генератор за захранване на рентгенова машина. Генераторът беше прост и надежден. Тогава той излезе с идеята да прехвърли цялата електроенергетика в страната на електростатика. Тогава увеличаващите се трансформатори и токоизправители за електропроводи стават ненужни. Предаването на постоянен ток е най-икономичното, толкова повече загубата по време на трансформацията изчезва. Но уви, за голяма електроенергийна индустрия такава система е невъзможна за практическото производство на генератори. Но има и консуматори с ниска мощност, особено след като статичните генератори не създават магнитни полета и са много леки по тегло.

Известно е, че още през 1748г. великият американец Б. Франклин използва двигател със статични двигатели за практически цели - обърна пуешко шишче над тиган за печене. Сега такива двигатели са забравени, въпреки че нямат намотки, електрическа стомана и мед. Това означава, че те могат да бъдат много надеждни в експлоатация. Такива двигатели са много обещаващи за космически приложения. Освен това развитието на полимерната химия ни обещава нови диелектрични материали.

Така че можете да мислите в тази посока.