Tsar - elektrofor

Sommaren 1814 Napoleons vinnare All-Russian Emperor Alexander den första besökte den nederländska staden Haarlem. Den utmärkta gästen blev inbjuden till den lokala akademin. Här, som historiografen skrev, "Den stora elektriska maskinen väckte först upp hans uppmärksamhet." Tillverkad 1784. bilen gjorde verkligen ett stort intryck. Två glasskivor med en diameter på en persons höjd roterade på en gemensam axel med ansträngning från fyra personer. Friktionselektricitet (triboelektricitet) levererades för att ladda batteriet i två-Leidens burkar, kondensatorer från den tiden. Gnistor från dem nådde en längd på mer än en halv meter, vilket kejsaren var övertygad om.

Hans reaktion på detta Centraleuropeiska mirakel av teknik var mer än begränsad. Från barndomen var Alexander bekant med en ännu större maskin, och det gav fler av dessa gnistor. Det gjordes. ännu tidigare 1777. i hans hemland i St Petersburg var det enklare, säkrare och krävde mindre tjänare än holländarna. Kejsarinnan Catherine II i närvaro av sina barnbarn underhöll sig med hjälp av denna maskin genom elektriska experiment i Tsarskoye Selo. Sedan överfördes hon, som en sällsynt utställning, till St Petersburg Kunstkamera, sedan, av någon ordning, togs hon ut därifrån och hennes spår förlorades.

Alexander visades tekniken förgår. Principen att generera elektricitet genom friktion har inte tillämpats på mer än 200 år, medan idén till den inhemska maskinen fortfarande används i moderna laboratorier i skolor och universitet i världen. Denna princip - elektrostatisk induktion - upptäcktes och beskrevs först i Ryssland av den ryska akademiker, vars namn få människor känner till, och detta är orättvist. Jag vill påminna om detta för den nuvarande generationen.

Varför behövde du en gigantisk bil?

Beskrivningar av verk som producerats i St Petersburg på en jätte-maskin hittades inte. Det är känt att på samma år i Instrument Chamber of Academy of Sciences på Vasilievsky Island tillverkades elektriska generatorer från "pocket" -generatorer för underhållning och självbehandling i familjekretsen, till serieprodukter för fysiska laboratorier av forskare. Varför gjorde de en dyr monsterbil? Kan jag svara på den här frågan?

Detta är vad vår önskade lista ledde till.

1769 i den italienska staden Brescia träffade blixtar en kyrka, i källarna där cirka 100 ton krutt lagrades. Explosionen som följde efter slaget förstörde en del av staden och tusentals invånare. Med tanke på detta allmänt kända fall vände sig den brittiska regeringen till forskare från sin akademi för att rekommendera tillförlitligt blixtskydd för sina pulverlager. På grund av Royal Society of London, bland vars medlemmar det också fanns en amerikansk blixtstångsuppfinnar B. Franklin, föreslogs en blixtskyddsinstallation och genomfördes i lager i Perflit i England.

Och nu, med hjälp av modern kunskap, kan man inte ge 100% garanti för skyddet av strukturer med hjälp av blixtstänger (mer korrekt blixtstänger). Och ironiskt nog 1772. blixtstången installerad i enlighet med alla regler skyddade inte lagren från blixtar. Hon "gled" från skyddsstiftet, men agerade svagt och lagret exploderade inte. Detta fall gjorde mycket buller, även i Ryssland.

Här i St. Petersburg i 15 år har klocktornet i Peter och Paul-katedralen, som återställdes efter en blixtnedslag 1756, återställts. När 1772 Huvudreparationen av klocktornets spir, ledd av restaureringsarkitekten A. Dyakov, var klar, han vände sig till den lokala akademin med en rekommendation om skydd, "så att blixtnedslag inte skulle få en spitz att brinna". 25 januari 1773 Akademikonferensen instruerade professorerna Epinus, Kraft och Euler att uttrycka sina åsikter om hur man installerar detta skydd.Enligt dokument är det känt att i februari professor i fysik VL Kraft vände sig till akademiets ledning med en begäran "att släppa en av de elektriska maskinerna från instrumentkammaren till fysikkontoret". Tydligen för experiment ..

Det är uppenbart att Kraft var tvungen att ge byggare specifika uppgifter: om materialen i ledarna, deras diameter, material och höjd på luftterminalen, etc. Det är nu känt att blixtströmmar når hundratals ampere, och molnens laddningspotential är miljoner volt. Men då fanns det inga volt eller ampère, det fanns bara ett sätt att skapa en processmodell, skaffa data och extrapolera dem till åskväder processer. Dessutom skulle noggrannheten för de erhållna uppgifterna vara desto högre, desto mer elektrisk kan en elektrisk maskin implementera. En vanlig maskin var inte bra: den kunde inte smälta en koppartråd en millimeter tjock. Det var nödvändigt att hitta en väg ut.

Ryska akademiker skickade en begäran till London, men även där visste de lite om de begärda problemen. Även om de själva experimenterade med att skapa ett "konstgjord moln" på mer än 50 meter i längd och en halv meter i bredd. Resultaten de fick var motstridiga. Triboelektrisk maskin närmade sig sin finale. För att skapa höga potentialer är det omöjligt att göra glasskivor med en diameter på till exempel fem meter. Centrifugalkraften i en olycka kommer säkert att förvandla dem till tusentals fragment som är farliga för experter. Det var nödvändigt att skapa någon annan högspänningskälla för el för experiment.

Ett sådant fall uppstod 1776, när en elektrisk generator uppfanns, som var helt annorlunda än de existerande, men som genererade elektriska laddningar i parametrar som ännu var högre än en friktionsmaskin. Konstruktionen var enkel, så för tillverkningen skickades den ut av sina specialister. (Fig. 1) Experimenten utfördes. Och den 8 maj 1777. arkitekten Dyakov informerade vetenskapsakademin om slutförandet av arbetet med spetsens blixtstång. Och nu är spiret med en höjd av 122,5 meter tillförlitligt skyddat hittills. Men om amerikaner, briter och tyskare känner namnet på sina hjältar i kampen mot blixtar, kan man i ryska läroböcker om vetenskapens historia läsa att V.L. experimentellt, Kraft var inte alls intresserad. ” Och detta är mer än rättvist.

Fig. 1 Stor Electrophore Kraft

WOvanför kunskap.

10 juni 1775 den italienska fysikern A. Volta tillkännagav sin uppfinning av en ny elkälla: "Jag presenterar er en kropp som elektrifieras endast en gång, aldrig tappar sin elektricitet, och uppriktigt upprätthåller styrkan i dess handling." Författaren kallade den här enheten orden "elettroforo perpetuo", som kunde översättas som "el som flyter för evigt". Enheten var enkel före primitivismen. Dess namn i fysisk terminologi reducerades till ordet "elektrofor", men framgången med dess tillämpning var överväldigande. För att få elladdningar i stora mängder var det inte nödvändigt att använda befintliga elektriska maskiner.

Volta ansåg sig inte vara den enda uppfinnaren av enheten. Som alla stora forskare hedrade han sina föregångare. Här är hans ord: "Epinus och Wilke förutsåg denna idé och upptäckte fenomenet, även om de inte konstruerade den färdiga enheten." Vilken typ av förväntan är det? Ja, och namnet Epinus finns i den här texten för andra gången. Och detta är ingen olycka.

Professor vid University of Rostock F. Epinus och hans student I. Wilke i elupptäckt är ett fenomen som nu kallas elektrisk induktion. Betydelsen av upptäckten kan förklaras på följande sätt: varje kropp som placeras i ett elektriskt fält blir elektriskt. Senare kommer Epinus att bjudas in till Ryssland från 1757. han kommer att bli medlem av St. Petersburg Academy of Sciences. Här kommer han att leva till slutet av sitt liv, och här kommer han att skriva sitt huvudverk i livet - "Erfarenhet av teorin om elektricitet och magnetism."Det publicerades i St. Petersburg 1759. och blev mycket populär bland fysiker. Jag blev bekant med detta arbete och A. Volta. Han uppmärksammade upplevelsen från St. Petersburg-akademiker, som vi kommer att återge nedan.

På två glasglas A och B installeras en metallstång C i en längd av en halv meter. Vid ändarna av denna stång placeras två andra blockvikter 1 och 2 (fig. 2). Om du tar med (utan att röra) den rivna vaxpinnen från sidan av den första vikten kan du se till genom att ta bort de små vikterna som de laddas. Den första är positiv, den andra är negativ el. Dessutom kan en sådan operation utan att gnugga fler vaxpinnar göras så många gånger du vill. Tätningsvaxet minskade inte. I princip var en maskin för laddningskroppar med elektricitet klar. Det var möjligt istället för vikter att sätta på en stång alla kroppar som skulle elektrifieras och att elektrifiera dem. Varför inte en evighetsmaskin?

Det var en prototyp av Volta's elektrofor, vars mekanism är mycket enkel att förklara för samtida. Riven tätningsvax laddas negativt. Det skapar ett elektriskt fält som verkar på de fria elektronerna i en metallstång. Med en negativ laddning distribueras de i stången på ett sådant sätt att de ackumuleras i vikten 2 och förblir underskott i vikten 1. Vid balkens ändar uppstår en potentiell skillnad. Hon kan kasseras när som helst. Genet av Volta behövdes för att använda detta fenomen i praktiken och till och med för att minska de magra rekvisita i installationen av Epinus. Volta använder inte vikter alls. Precis i ögonblicket när han tar med vaxet, för en sekund, berör han i slutet av baren mittemot vaxet med fingret. Det är tydligt att överskott av elektroner strömmade genom fysikerens kropp in i "jorden". När tätningsvaxet avlägsnades visade det sig att hela stången var laddad med positiv el. Med denna princip var det redan möjligt att skapa en elektrisk maskin mer bekväm än friktionsmaskiner. Men inte bara detta var fördelen med den nya bilen.

Det visar sig att en elektroforemaskin inte bara kan få en laddning utan också öka sin elektriska potential många gånger. Och Volta utnyttjade den här egenskapen när han bevisade elens identitet, erhålls i en galvanisk cell och elektricitet som genereras av friktion, liksom blixtnedslaget i molnet. Alla dessa avgifter visade sig vara exakt samma. Och det bevisades med elektrofor.

Hur fungerade den gigantiska elektroforen?

En oval, tinntäckt enorm "stekpanna" med en yta på cirka fyra kvadratmeter (!!!) fylldes med en frusen smälte av harts och vax. Hon låg vid basen av elektroforen. På den, på rack som är mer än två meter hög, på linor som passerade genom blocken, hängde en annan skivpanna, lite mindre. Måtten på hela maskinen var 3 x 2,5 x 1,5 meter. (Fig. 1). Förlåt de medeltida konstnärens grafiska brister. Beskrivande geometri som gör att du kan avbilda tredimensionella ritningar på ett plan visas först 1799.

Vi förenklade specifikt ritningen för att förstå maskinens princip. (Fig. 3) Ett par skivpannor, isolerade med silkrep från varandra, är en luftkondensor med varierande kapacitet. Kom ihåg att kondensatorns kapacitans är omvänt proportionell mot avståndet mellan plattorna. Ju mindre avstånd, desto större kapacitet och vice versa. Experimentörens kapacitet ändrades genom att höja och sänka den upphängda panelen. För att ta bort laddningar löddes en kopparkula B till den övre delen av den rörliga panelen, för den nedre A.

Elektrofores arbete började med att excitera en laddning i den nedre "pan". Detta kan göras genom att gnugga hartset med en vanlig pälshatt. Denna procedur utfördes åt gången. Sedan föll den rörliga delen av elektroforen så låg som möjligt, men inte tillåter kontakt med den nedre "panelen". Det här är vad som händer i den.

Vi vet att den övre skivan är gjord av metall och metallerna har en kristallin struktur. Dessa kristaller kan betraktas som ett gitter av positiva metalljoner, vars celler är fyllda med elektroner. Dessa elektroner kan liknas med gasmolekyler som rör sig kontinuerligt.Om den övre skivan närmar sig den nedre ökar hartsets negativa fält på negativt laddade elektroner mer och mer. Detta leder till det faktum att elektronerna som skjuter ut diffunderar i den övre delen av skivan och även i den lödade kopparkulan C. Som ett resultat får den övre delen av den rörliga "stekpannan" ett överskott av elektroner med en brist i den nedre. Följaktligen är den övre delen av den rörliga skivan och bollen C negativt laddade, och den nedre är positiv.

Om ledarkulan B eller C nu är jordad, kommer överskottet av elektroner att flyta från toppen av "pan" till marken, vilket gör det neutralt, men bristen på elektroner i botten kommer att förbli. På sin elektrofor utförde Volta denna procedur med ett fingertryck, och i den jätte, där laddningen var stor, var strömmarna som flödade genom experimenteraren stora och kunde skada elektrismen. Därför kom maskinens designare med en speciell jordelektrod som fungerade automatiskt. Vid sänkning av toppen av pannan var bollen C i kontakt i det lägsta läget med den jordade bollen D, genom vilken elektroner strömmade in i marken. Med en liten ökning i den övre disken avbröts kontakten och bristen på elektroner spriddes redan till hela disken. Och potentialen för denna laddning ökade med ökande höjd på disken. Denna regelbundenhet noterades först i världshistorien redan 1759 av St. Petersburg-akademiker F.U.T. Epinus.

Vanligtvis är det inte helt förstått av studenter, även om det inte är förbjudet för någon att upprepa upplevelsen av Epinus och detta är relativt enkelt att göra. Denna regelbundenhet kan lätt registreras av symboler i formeln, som finns i valfri elektrisk teknikbok. Studiens misstro i resultaten av detta experiment orsakas sannolikt av idén om en kondensator med variabel kapacitet som en slags evig rörelsemaskin från vilken den ökar laddningspotentialen. Men ökningen i potential kommer på bekostnad av energikostnader för det mekaniska arbetet med att sprida plattorna. När allt kommer omkring kondensatorplattorna laddade med motsatta laddningar lockas till varandra med en viss kraft som måste övervinnas.

Naturligtvis är det omöjligt att simulera processen för en blixtnedladdning även med hjälp av en sådan elektrofor jätte, men fram till nu erhålls stora potentialer för fysikladdningar med användning av van de graaff bilardär laddningarna levereras till jätte ledarkulor mekaniskt.

Vi vet inte potentialen för den laddning som mottogs vid tsarelektroforen, men en okänd författare skrev i arkivkällor: ”Hon (maskinen) är redo att slå alla som vågar röra hennes boll. Det är känt av erfarenhet att denna elektrofor till och med kan döda en tjur. Hemsk kraft! ”

Skaparna av St. Petersburg-jätten.

Namnen på designarna av den jätte- maskinen är kända för oss från orden av den berömda fysikern Johann Bernoulli, som besökte Petersburg 1778. Detta är professor i St. Petersburg Academy of Sciences Wolfgang Ludwig Kraft (1743-1814) och mekanikern för samma akademi, ryska hantverkare I.P. Kulibin (1735-1818). I en av de moderna böckerna om el kan man läsa: "I tekniska konstruktioner för induktionsmaskiner är det inte lätt för ens ett sofistikerat öga att urskilja deras enkla grundläggande principer." Den fantastiska personen var Kulibin. Han lärde sig självständigt en gång att göra teleskop inte sämre än engelska och personligen polerade han linserna. Detta var också fallet med elektroforen, vars kärna är obegriplig även för många ingenjörer. Så äran att bygga en gigantisk elektrofor tillhör helt och hållet våra landsmän.

Den etniska tyska V.L.Kraft kan inte betraktas som utlänning.Han föddes och dog i St. Petersburg och i fysikens historia finns hans namn i den ryska versionen - Logga in Yuryevich. Det var inte hans fel att han inte fick arbeta inom fysikområdet. Catherine II identifierade honom som lärare för sina många barnbarn, bland vilka var framtida kejsare Alexander I och Nicholas I.

Catherine II bröt också sin vetenskapliga karriär också till St. Petersburg-akademikern, pionjär inom elektrisk induktion F.U.T. Epinus (1724-1802), en av de mest lovande specialisterna på den tidens elfält. Han var tvungen att dekryptera den avlyssnade diplomatiska korrespondensen från utlänningar i St. Petersburg för kejsarinnan. Men det råder ingen tvekan om att han deltog i skapandet av en jättemaskin som konsult. Överbelastningen för att dechiffrera diplomatiska avsändningar var så stor att han blev allvarligt sjuk av en psykisk sjukdom och i slutet av sitt liv inte kunde göra vetenskap.

Ödet för denna bil är okänt. Efter någon beställning togs hon ur Kunstkamera. Och det kanske inte är utan anledning. De var rädda för henne, och av den anledningen. Det konstaterades att elektroforer kan fungera utan att ge honom en preliminär laddning. För den gigantiska elektroforen fanns det tillräckligt med lätt bris ovanför den nedre panelen. sedan för att få höga, dödliga potentialer på toppen.

Varför är den här artikeln skriven?

Allt ovanstående skulle visa läsaren att det är väldigt lätt att få elektriska potentialer även hemma. Att hitta möjligheterna med deras praktiska tillämpning är en fråga om hjärnorna hos moderna Kulibins. Möjligheterna att använda statisk elektricitet finns antagligen även i vardagen. Det är bara nödvändigt att bli intresserad av uppfinnare. Och här är två exempel på detta.

På 40-talet av förra seklet utvecklade patriarken av sovjetiska fysiker A.F. Ioffe en elektrostatisk generator för att driva en röntgenmaskin. Generatorn var enkel och pålitlig. Sedan kom han på idén att överföra hela landets elkraftsindustri till elektrostatik. Då blir upptrappstransformatorer och likriktare för transmissionslinjer onödiga. Likströmsöverföringar är de mest ekonomiska, desto mer förlusten under transformation försvinner. Men tyvärr, för en stor elkraftsindustri är ett sådant system omöjligt för praktisk tillverkning av generatorer. Men det finns också lågeffektkonsumenter, speciellt eftersom statiska generatorer inte skapar magnetfält och har mycket lätt vikt.

Det är känt att redan 1748. den stora amerikanen B. Franklin använde en statisk driven motor för praktiska ändamål - han vände en kalkonspett över en stekpanna. Nu har sådana motorer glömts, även om de inte har lindningar, elektriskt stål och koppar. Detta innebär att de kan vara mycket pålitliga i drift. Sådana motorer är mycket lovande för rymdapplikationer. Dessutom lovar utvecklingen av polymerkemi oss nya dielektriska material.

Så du kan tänka i denna riktning.