Борис Хасапов

Влітку 1814 р переможець Наполеона Імператор Всеросійський Олександр Перший відвідав голландське місто Гаарлем. Високий гість був запрошений в місцеве вчене суспільство. Тут, як записав історіограф, «Велика електрична машина насамперед звернула на себе увагу російського імператора». Зроблена в 1784г. машина дійсно виробляла велике враження. Два скляних диска діаметром в зріст людини оберталися на загальній осі зусиллям чотирьох чоловік. Електрика тертя (трібоелектрічество) надходило для зарядки батареї двухведерних лейденських банок, конденсаторів того часу. Іскри від них досягали довжини більше півметра, у чому дали переконатися імператору.

Реакція його на це середньоєвропейський чудо техніки була більш ніж стриманою. Олександр був з дитинства знайомий з машиною ще більшої і іскри вона давала більше цих. Виготовлена ​​вона була. ще раніше в 1777р. у нього на батьківщині в Петербурзі, була простіше, безпечніше і вимагала обслуги менше, ніж голландська. Імператриця Катерина II в присутності онуків розважала себе за допомогою цієї машини електричними дослідами в Царському Селі. Потім її, як рідкісний експонат, перенесли в Петербурзьку кунсткамеру, потім за чиїмось розпорядженням її звідти вивезли і сліди її загубилися.

Олександру показували техніку позавчорашнього дня. Принцип генерування електрики за допомогою тертя не застосовується понад 200 років, в той час, як ідея, закладена в основу вітчизняної машини досі використовується в сучасних лабораторіях шкіл і університетів світу. Принцип цей - електростатична індукція - відкритий і вперше описаний в Росії, російським же академіком, ім'я якого мало хто знає, а це несправедливо. Про це хочеться нагадати нинішньому поколінню.

Для чого знадобилася машина-гігант?

Описи робіт, вироблених в Петербурзі на гігантській машині не знайдені. Відомо, що в ці ж роки в Інструментально палаті Академії наук на Василівському острові виготовлялися електрогенератори від «кишенькових» для розваги і самолікування в колі сім'ї, до серійних для фізичних лабораторій вчених. Для чого зробили дорогу машину-монстр? Чи можна відповісти на це питання?

Ось до чого призвели наші розшуки.

У 1769 році. в італійському місті Брешія блискавка вдарила в церкву, в підвалах якій зберігалося близько 100 тонн пороху. Вибух, що пішов за ударом, знищив частину міста і тисячі його жителів. З огляду на цей став широковідомим випадок, британський уряд звернулося до вчених своєї академії рекомендувати надійну грозозахист своїх порохових складів. З міркувань Лондонського Королівського товариства, серед членів якого перебував і винахідник громовідводу американець Б. Франклін, була запропонована і здійснена установка грозозахисту на складах в Перфліте в Англії.

І зараз за допомогою сучасних знань не можна давати 100% гарантії захисту споруд за допомогою громовідводів (правильніше блискавковідводів). А за іронією долі в 1772р. встановлений за всіма правилами блискавковідвід не захистив склади від попадання блискавки. Вона «вислизнула» від захисного штиря, але надійшла слабкою і вибуху складів не відбулося. Цей випадок наробив багато шуму, в тому числі і в Росії.

Тут в Петербурзі ось уже 15 років відновлювалася дзвіниця Петропавлівського собору, згоріла після удару блискавки в 1756г. Коли в 1772р. завершився основний ремонт шпиля дзвіниці, який очолював реставрацію архітектор А.Дьяков, звернувся в місцеву академію з проханням рекомендації захисту, «щоб блискавка того шпіцові запаленою не вчинили». 25 січня 1773г. Конференція Академії доручила професорам Епінус, Крафту і Ейлера висловити свою думку про спосіб установки цієї захисту. За документами відомо, що в лютому професор фізики В.Л.Крафт звернувся до керівництва академії з проханням «відпустити йому з Інструментальної палати в фізичний кабінет одну з електричних машин». Мабуть для експериментів ..

Зрозуміло, що Крафту треба було дати будівельникам конкретні дані: на матеріали провідників, їх діаметр, матеріал і висоту блискавкоприймача і т.д. Зараз відомо, що струми блискавок досягають сотень ампер, а потенціал заряду хмар - мільйонів вольт. Але тоді не було ні вольт ні амперів, існував тільки один спосіб створити модель процесу, отримати дані, а по ним екстраполювати їх на грозові процеси. Причому точність отриманих даних була б тим вище, чим більше схожу на справжню грозу змогла б здійснити електрична машина. Звичайна машина була непридатна: вона не могла б розплавити мідний дріт товщиною в один міліметр. Треба було шукати вихід.

Російські академіки звернулися із запитом до Лондона, але і там мало що знали по запитуваною проблем. Хоча вони самі експериментували, створивши «штучне хмара» понад 50 метрів в довжину і півметра завширшки. Результати вони отримували суперечливі. Трибоелектричних машина підходила до свого фіналу. Для створення високих потенціалів неможливо ж робити скляні диски діаметром, наприклад, п'ять метрів. Відцентрова сила при аварії обов'язково перетворить їх в тисячі небезпечних для експериментаторів осколків. Треба було створювати якийсь інший високовольтний джерело електрики для дослідів.

Такий випадок представився в 1776р, коли був винайдений електрогенератор абсолютно відмінний від існуючих, але виробляє електричні заряди по параметрам навіть вище, ніж машини тертя. Конструкція була простою, так що для виготовлення її обійшлися своїми фахівцями. (Рис.1) Досліди були проведені. А 8 травня 1777р. архітектор Дьяков повідомив Конференції АН про закінчення робіт над громовідводом шпиля. І ось шпиль заввишки 122, 5 метра коштує надійно захищений до теперішнього часу. Але, якщо американці, англійці і німці, знають імена своїх героїв боротьби з блискавкою, то в російських підручниках з історії науки можна прочитати, що В.Л.Крафт «нічим особливим себе не проявив», або що «фізикою як такої, тим більше експериментальної, Крафт зовсім не цікавився ». А це більш ніж не справедливо.

Мал. 1 Великий електрофор Крафта

Забуте "know-how".

10 червня 1775г. італійський фізик А.Вольта повідомив про свій винахід нового джерела електрики: «Я представляю Вам тіло, яке будучи лише одного разу наелектризоване ніколи не втрачає своєї електрики, наполегливо зберігаючи силу своєї дії». Автор назвав цей пристрій словами "elettroforo perpetuo", що можна було перевести як «електрику поточний вічно». Прилад був до примітивізму простий. Його назва у фізичній термінології скоротилося до слова «електрофор», але успіх його застосування був приголомшливим. Тепер, щоб отримувати електричні заряди в великих кількостях не обов'язково було користуватися послугами існуючих електричних машин.

Вольта не вважав себе єдиним винахідником пристрою. Як і кожне велике вчений він шанував заслуги попередників. Ось його слова: «Епінус і Вільке передбачили цю ідею і відкрили явище, хоча і не сконструювали закінченого приладу». Про який передбаченні йдеться? Та й прізвище Епінус нам зустрічається в цьому тексті вдруге. І це неспроста.

Професор університету в Ростоку Ф.Епінус і його учень І.Вільке в електриці відкритті явище, яке зараз називається електричної індукцією. Сенс відкриття можна пояснити так: кожне тіло, яке поміщають в електричне поле саме стає електричним. Пізніше Епінуса запросять до Росії і з 1757г. він стане членом Петербурзької академії наук. Тут він проживе до кінця життя і тут же він напише свою головну працю життя - «Досвід теорії електрики і магнетизму». Він був виданий в Петербурзі в 1759р. і став користуватися великою популярністю у фізиків. Ознайомився з цією роботою і А.Вольта. Особливу увагу він звернув на досвід петербурзького академіка, який ми відтворимо нижче.

На двох скляних стаканах А і B встановлюється металевий брусок З довжиною в півметра. На кінцях цього бруска ставляться два інших грузика-брусочки 1 і 2. (Рис.2). Якщо з боку першого грузика піднести (у цілому) натерту сургучною паличку, то можна переконатися знімаючи важки, що вони заряжепни. Перший позитивним, Другий негативним елетрічеством. Причому таку операцію НЕ натираючи більше сургучною палички можна виробляти скільки завгодно раз. У сургучу заряд не зменшувався. В принципі машина для заряджання тел електрикою була готова .. Можна було замість вантажників на брусок ставити будь-які тіла, що підлягають електризації і наелектризовувати їх. Ну чим не вічний двигун?

Це був прообраз електрофора Вольти, механізм роботи якого пояснити сучасникам дуже просто. Натертий сургуч заряджається негативно. Він створює електричне поле, яке впливає на вільні електрони металевого бруска. Вони, маючи негативний заряд, перерозподіляються в бруску таким чином, що накопичуються у грузика 2 і залишаються в дефіциті у грузика 1. У торців бруска виникає різниця потенціалів. Їй можна розпорядитися як завгодно. Це мала бути геній Вольти, щоб використовувати це явище в практиці і навіть, більше того, зменшити убогий реквізит в установці Епінуса. Вольта взагалі не застосовує важків. Просто в момент піднесення сургучу він на секунду торкається своїм пальцем кінця бруска, протилежної сургучу. Зрозуміло, що надлишкові електрони через тіло фізика стікали в «землю». Тепер, коли сургуч забирався, весь брусок опинявся зарядженим позитивним електрикою. На цьому принципі можна було вже створювати електричну машину, більш зручну, ніж машини тертя. Але і не тільки в цьому була перевага нової машини.

Виявляється, що електрофорна машина здатна не тільки здобувати заряд, а й у багато разів підвищувати його електричний потенціал. І цим її властивістю Вольта скористався, коли доводив ідентичність електрики, отриманого в гальванічному елементі і електрикою, отриманим за допомогою тертя, а також грозовим зарядом хмари. Всі ці заряди виявилися абсолютно однаковою природи. І це довів електрофор.

Як же працював гігантський електрофор?

Овальна, покрита оловом величезна «сковорідка» площею близько чотирьох квадратних метрів (!!!) була наповнена застиглим розплавом смоли м воску. Вона лежала в основі електрофора. На ній на стійках висотою понад два метри на канатах, пропущених через блоки, висіла інша сковорідка-диск, площею трохи менше. Габарити всієї машини становили 3 х 2, 5 х 1.5 метрів. (Рис.1). Простим середньовічному художнику графічні недоробки. Нарисна геометрія, що дозволяє зображати тривимірні малюнки на площині з'являться тільки в 1799р.

Ми ж спеціально спростили креслення, щоб розібратися в принципі роботи машини. (Рис.3) Пара сковорідок-дисків, ізольованих шовковими мотузками один від одного, являють собою повітряний конденсатор змінної ємності. Нагадаємо, що ємність конденсатора обернено пропорційна відстані між пластинами. Чим менше відстань, тим більше ємність і навпаки. Змінювалася ємність експериментатором підйомом і спуском підвішеною сковорідки. Для знімання зарядів до верхньої частини рухомого сковорідки припаював мідна куля У, для нижньої А.

Робота електрофора починалася з порушення заряду на нижній «сковорідці». Це можна було зробити, натер смолу звичайної хутряною шапкою. Така процедура проводилася одноразово. Потім рухома частина електрофора опускалася якнайнижче, але, не допускаючи дотику з нижньої «сковорідкою». Ось що в ній відбувається при цьому.

Нам Відомо, що верхній диск виготовлений з металу, а метали мають кристалічну будову.Ці кристали можна розглядати як грати позитивних іонів металу, осередки якої заповнені електронами. Ці електрони можна уподібнити молекулам газу, безперестанку переміщається При наближенні верхнього диска до нижнього все більше і більше зростає вплив негативного поля смоли на негативно заряджені електрони. Це призводить до того, що електрони виштовхуючи дифундують в верхню частину диска і також в припаяний мідний кулю С. В результаті верхня частина рухомий «сковорідки» отримує надлишок електронів при нестачі в нижній. Відповідно верхня частина рухомого диска і куля З заряджаються негативно, а нижня позитивно.

Якщо тепер заземлити куля-кондуктор В або С, то надлишок електронів закінчиться з верхньої частини «сковорідки» в землю, зробивши її нейтральною, але недолік електронів в нижній частині залишиться. У своєму електрофор Вольта цю процедуру виробляв дотиком пальця, а в гігантському, де заряд був великим, струми, що протікають через експериментатора, були великими і могли травмувати електрізатора. Тому конструктори машини придумали спеціальний заземлювач, який працював автоматично. При опусканні верхньої сковорідки куля З контактував в самому нижньому положенні з заземленим кулею D, через який стікали електрони в землю. При незначному підйомі верхнього диска контакт переривався і недолік електронів вже поширювався на весь диск. І потенціал цього заряду збільшувався з підвищенням висоти підйому диска. Цю закономірність вперше в світовій історії зауважив ще в 1759 році петербурзький академік Ф.У.Т.Епінус.

Зазвичай вона не зовсім зрозуміла навчаються, хоча будь-якій людині не забороняється повторити досвід Епінуса і це зробити порівняно легко. Ця закономірність легко записується символами в формулу, яка є в будь-якому підручнику електротехніки. Недовіра учнів до результатів цього досвіду викликано швидше за все поданням конденсатора змінної ємності як якогось вічного двигуна невідомо від чого підвищує потенціал заряду. Але підвищення потенціалу йде за рахунок витрати енергії на механічну роботу по розсовування пластин. Адже пластини конденсатора заряджені різнойменними зарядами притягуються один до одного з якоюсь силою, яку треба долати.

Звичайно, змоделювати процес грозового розряду навіть за допомогою такого електрофора-гіганта неможливо, але до сих пір високі потенціали зарядів фізики отримують за допомогою машин Ван-де-Грааф, де заряди доставляються в гігантські кулі-кондуктори механічним способом.

Потенціал заряду, отриманого на цар-електрофор нам не відомий, але в архівних джерелах невідомий автор записав: «Вона (машина) готова вразити кожного, хто наважиться торкнутися її кулі. З досвіду відомо, що цей електрофор може вбити навіть бика. Жахлива сила! »

Творці петербурзького гіганта.

Імена конструкторів машини-гіганта нам відомі зі слів відомого фізика Йоганн Бернуллі, який відвідав Петербург в 1778р. Це професор Петербурзької академії наук Вольфганг Людвіг Крафт (1743-1814) і механік тієї ж академії російський умілець І. П. Кулібін (1735-1818). В одній із сучасних книг з електрики можна прочитати: «У технічних конструкціях індукційних машин навіть досвідченому оку нелегко розгледіти їх прості принципові засади». Дивовижною людиною був Кулібін. Він самостійно вивчився колись робити телескопи не гірше англійських, причому лінзи він шліфував особисто. Так йшли справи і з електрофором, суть якого незрозуміла і зараз навіть багатьом інженерам. Так що честь конструювання гігантського електрофора належить цілком нашим співвітчизникам.

Етнічного німця В.Л.Крафта іноземцем вважати не можна. Він народився і помер в Петербурзі і в історії фізики його ім'я зустрічається в російській варіанті - Логін Юрійович. Чи не його вина в тому, що працювати в галузі фізики йому не давали. Катерина II зробила його викладачем своїх численних онуків, серед яких були і майбутні імператори Олександр I і Микола I.

Катерина II зламала і наукову кар'єру теж петербурзькому академіку, першовідкривач електричної індукції Ф.У.Т.Епінусу (1724-1802), одного з найперспективніших фахівців в області електрики того часу. Його обязян дешіфровивать перехоплену дипломатичне листування іноземців Петербурга для імператриці. Але безсумнівно, що він брав участь у створенні гігантської машини, як консультант. Перевантаження при розшифровці дипломатичних депеш були настільки великі, що він захворів у важкій формі психічною хворобою і в кінці життя наукою не зміг займатися.

Доля цієї машини невідома. За чиїмось розпорядженням її з Кунсткамери вивезли. І може бути небезпідставно. Її боялися, і ось з якої причини. Було встановлено, що електрофор можуть працювати і без дачі йому попереднього заряду. Для електрофора-гіганта було досить легкого вітерцю над нижньою сковорідкою. щоб потім отримувати високі, смертельно небезпечних потенціали на верхній.

Для чого написана ця стаття?

Та все це повинно показати читачеві, що можна дуже легко отримувати електричні потенціали навіть в домашніх умовах. Знайти можливості їх практичного застосування справу мізків сучасних кулібіних. Можливості застосування статичної електрики напевно існують навіть в побуті. Треба тільки зацікавитися винахідникам. І ось два тому прикладу.

У 40-х роках минулого століття патріарх радянських фізиків А.Ф.Иоффе розробив електростатичний генератор для живлення рентгенівського апарату. Генератор був простий і надійний. Тоді ж у нього виникла ідея перевести всю електроенергетику країни на електростатики. Тоді не потрібні стають підвищувальні трансформатори і випрямлячі для ліній передач. Передачі постійним струмом самі економічні, тим більше зникають втрати при трансформації. Але на жаль, для великої електроенергетики така система неможлива для практичного виготовлення генераторів. Але бувають і малопотужні споживачі, тим більше, що статичні генератори не створюють магнітних полів і дуже легкі по вазі.

Відомо, що ще в 1748р. великий американець Б.Франклин використовував двигун з живленням від статичного джерела для практичних цілей - обертав рожен з індичкою над жаровнею. Тепер такі двигуни забуті, хоча вони не мають обмоток, електротехнічної сталі і міді. А значить, що вони можуть бути дуже надійними в роботі. Такі двигуни дуже перспективні для космічних застосувань. Тим більше, що розвиток хімії полімерів, обіцяє нам нові діелектричні матеріали.

Так що можна мислити в цьому напрямку.