Țarul - electrofor

În vara anului 1814 Câștigătorul lui Napoleon, împăratul All-Russian, Alexandru Primul, a vizitat orașul olandez Haarlem. Distinsul invitat a fost invitat la academia locală. Aici, după cum a scris istoriograful, „Mașina electrică mare a atras în primul rând atenția Majestății Sale”. Realizat în 1784. mașina a făcut cu adevărat o impresie mare. Două discuri de sticlă cu diametrul înălțimii unei persoane rotite pe o axă comună prin efortul a patru persoane. S-a furnizat electricitate de fricțiune (triboelectricitate) pentru încărcarea bateriei de cutii Leiden cu două găleți, condensatoare din acea perioadă. Scânteile din ele au atins o lungime mai mare de jumătate de metru, de care împăratul era convins.

Reacția sa la acest miracol tehnologic central-european a fost mai mult decât reținută. Încă din copilărie, Alexandru a cunoscut o mașină și mai mare și a dat mai multe din aceste scântei. A fost făcut. chiar mai devreme în 1777. în patria sa din Sankt Petersburg, era mai simplu, mai sigur și necesita mai puțini slujitori decât olandezii. Împărăteasa Ecaterina a II-a în prezența nepoților ei s-a distrat cu ajutorul acestei mașini prin experimente electrice în Tsarskoye Selo. Apoi, ca o expoziție rară, a fost transferată la Kunstkamera din Sankt Petersburg, apoi, printr-un anumit ordin, a fost scoasă de acolo și urmele ei s-au pierdut.

Lui Alexandru i s-a arătat tehnica zilei de ieri. Principiul de generare a energiei electrice cu frecare nu a fost aplicat de mai bine de 200 de ani, în timp ce ideea care stă la baza mașinii interne este încă folosită în laboratoarele moderne ale școlilor și universităților din lume. Acest principiu - inducția electrostatică - a fost descoperit și descris pentru prima dată în Rusia de academicianul rus, al cărui nume puțini îl cunosc, iar acest lucru este nedrept. Aș dori să amintesc despre asta generației actuale.

De ce ai avut nevoie de o mașină uriașă?

Nu s-au găsit descrieri ale lucrărilor produse la Sankt Petersburg pe o mașină uriașă. Se știe că în acești ani, în Camera de instrumente a Academiei de Științe de pe Insula Vasilievski, generatoarele electrice au fost fabricate de la generatoare „de buzunar” pentru divertisment și autotratare în cercul familiei, la cele seriale pentru laboratoarele fizice ale oamenilor de știință. De ce au făcut o mașină scumpă? Pot răspunde la această întrebare?

La asta a condus lista noastră dorită.

În 1769 în orașul italian Brescia, fulgerul a lovit o biserică, în pivnițele căreia erau depozitate aproximativ 100 de tone de praf de pușcă. Explozia care a urmat loviturii a distrus o parte din oraș și mii de locuitori ai acesteia. Având în vedere acest caz larg cunoscut, guvernul britanic a apelat la oameni de știință din academia sa pentru a recomanda protecția împotriva fulgerului fiabilă pentru depozitele sale de pulbere. Din motive ale Royal Society of London, printre membrii cărora s-a numărat și un inventator american de fulgere B. Franklin, a fost propusă și realizată o instalație de protecție împotriva trăsnetului în depozitele din Perflit, în Anglia.

Și acum, cu ajutorul cunoștințelor moderne, este imposibil de acordat o garanție de 100% a protecției structurilor cu ajutorul fulgerilor (mai corect fulgere). Și ironic în 1772. trăsnetul instalat în conformitate cu toate regulile nu a protejat depozitele de fulgere. Ea „a alunecat” de pe acul de protecție, dar a acționat slab, iar depozitul nu a explodat. Acest caz a făcut mult zgomot, inclusiv în Rusia.

Aici, la Sankt Petersburg, timp de 15 ani, s-a restaurat clopotnița Catedralei Petru și Pavel, care a ars după un fulger în 1756. Când în 1772 Reparația principală a turnului clopotniței, condusă de arhitectul de restaurare A. Dyakov, a fost finalizată, el a apelat la academia locală cu o recomandare de protecție, „pentru ca fulgerul să nu provoace o arzătoare”. 25 ianuarie 1773 Conferința Academiei le-a instruit profesorilor Epinus, Kraft și Euler să-și exprime opiniile cu privire la modul de instalare a acestei protecții.Conform documentelor, se știe că, în februarie, profesorul de fizică VL Kraft a apelat la conducerea academiei cu o solicitare „de a elibera una dintre mașinile electrice din Camera Instrumentelor la biroul de fizică”. Aparent pentru experimente ..

Este clar că Kraft a trebuit să ofere constructorilor date specifice: privind materialele conductoarelor, diametrul lor, materialul și înălțimea terminalului de aer etc. Se știe acum că curenții fulgere ating sute de amperi, iar potențialul de încărcare a norilor este de milioane de volți. Dar atunci nu au existat volți sau amperi, a existat o singură modalitate de a crea un model de proces, de a obține date și de a le extrapola la procesele de furtună. Mai mult, cu cât precizia datelor obținute ar fi mai mare, cu atât o mașină mai electrică ar putea implementa o mai asemănătoare cu o furtună reală. O mașină obișnuită nu era bună: nu putea topi un fir de cupru cu un milimetru grosime. Era necesar să găsim o cale de ieșire.

Academicienii ruși au trimis o solicitare la Londra, dar chiar și acolo știau puțin despre problemele solicitate. Deși ei înșiși au experimentat creând un „nor artificial” cu mai mult de 50 de metri lungime și jumătate de metru lățime. Rezultatele pe care le-au primit au fost contradictorii. Mașina triboelectrică se apropia de final. Pentru a crea potențial ridicat, este imposibil să faceți discuri de sticlă cu un diametru de, de exemplu, cinci metri. Forța centrifugală într-un accident îi va transforma cu siguranță în mii de fragmente periculoase pentru experimentatori. Pentru experimente a fost necesară crearea unei alte surse de electricitate de înaltă tensiune.

Un astfel de caz a apărut în 1776, când a fost inventat un generator electric, care era complet diferit de cele existente, dar care a generat sarcini electrice în parametri chiar mai mari decât o mașină de frecare. Proiectarea a fost simplă, astfel încât fabricarea a fost distribuită de specialiștii săi. (Fig. 1) Experimentele au fost efectuate. Iar la 8 mai 1777. arhitectul Dyakov a informat Academia de Științe despre finalizarea lucrărilor la fulgerul spirei. Și acum spira cu o înălțime de 122,5 metri este protejată în mod fiabil până în prezent. Dar, dacă americanii, britanicii și germanii știu numele eroilor lor în lupta împotriva trăsnetului, atunci în manualele rusești despre istoria științei se poate citi că V.L. experimental, Kraft nu era deloc interesat. ” Și acest lucru este mai mult decât corect.

Fig. 1 electrofor Kraft mare

WMai sus de know-how.

10 iunie 1775 Fizicianul italian A. Volta și-a anunțat invenția despre o nouă sursă de electricitate: „Vă prezint un corp care, electrificat o singură dată, nu își pierde niciodată energia electrică, menținând cu încăpățânare puterea acțiunii sale.” Autorul a numit acest dispozitiv cuvintele „elettroforo perpetuo”, care ar putea fi traduse ca „electricitate care curge pentru totdeauna”. Aparatul era simplu înainte de primitivism. Numele său în terminologia fizică a fost redus la cuvântul „electrofor”, dar succesul aplicării sale a fost copleșitor. Acum, pentru a primi sarcini electrice în cantități mari, nu a fost necesară utilizarea serviciilor mașinilor electrice existente.

Volta nu se considera singur inventatorul dispozitivului. Ca orice mare om de știință, a onorat meritele predecesorilor săi. Iată cuvintele sale: „Epinus și Wilke au anticipat această idee și au descoperit fenomenul, deși nu au construit dispozitivul finalizat”. Ce fel de anticipare este? Și prenumele Epinus se regăsește în acest text pentru a doua oară. Și nu este un accident.

Profesorul Universității din Rostock F. Epinus și studentul său I. Wilke în descoperirea electricității este un fenomen care se numește acum inducție electrică. Sensul descoperirii poate fi explicat după cum urmează: fiecare corp care este plasat într-un câmp electric în sine devine electric. Mai târziu, Epinus va fi invitat în Rusia din 1757. el va deveni membru al Academiei de Științe din Sankt Petersburg. Aici va trăi până la sfârșitul vieții sale, iar aici își va scrie opera principală de viață - „Experiență în teoria electricității și a magnetismului”.A fost publicat la Sankt Petersburg în 1759. și a devenit foarte popular printre fizicieni. Am făcut cunoștință cu această lucrare și cu A. Volta. El a atras o atenție deosebită asupra experienței academicianului din Sankt Petersburg, pe care o vom reproduce mai jos.

Pe două pahare de sticlă A și B, o bară de metal C este instalată pe o lungime de jumătate de metru. La capetele acestei bare, sunt plasate alte două greutăți bloc 1 și 2 (Fig. 2). Dacă aduceți (fără a atinge) bagheta de ceară gratată din partea primei greutăți, vă puteți asigura atunci când îndepărtați greutățile mici pe care sunt încărcate. Primul este pozitiv, al doilea este energia electrică negativă. Mai mult, o astfel de operație fără a freca mai multe bețe de ceară se poate face de câte ori doriți. Ceara de etanșare nu a scăzut. În principiu, o mașină pentru încărcarea corpurilor cu electricitate era gata. În loc de greutăți era posibil să se pună pe o bară orice corp care să fie electrificat și să le electrificeze. De ce nu o mașină perpetuă de mișcare?

Era un prototip al electroforului Volta, al cărui mecanism este foarte simplu de explicat contemporanilor. Ceara de etanșare gratată este încărcată negativ. Creează un câmp electric care acționează asupra electronilor liberi ai unei bare de metal. Având o sarcină negativă, acestea sunt redistribuite în bară, astfel încât se acumulează în greutatea 2 și rămân în deficit în greutate 1. La capetele barei apare o diferență de potențial. Ea poate fi dispusă după bunul plac. Geniul Volta a fost necesar pentru a utiliza acest fenomen în practică și chiar, mai mult, pentru a reduce recuzita slabă în instalarea lui Epinus. Volta nu folosește deloc greutăți. Tocmai în momentul aducerii ceară, pentru o secundă, el atinge cu degetul capătul barei vizavi de ceara. Este clar că excesul de electroni curgea prin corpul fizicianului în „pământ”. Acum, când ceara de etanșare a fost îndepărtată, întreaga bară s-a dovedit încărcată cu electricitate pozitivă. Pe acest principiu, era deja posibil să se creeze o mașină electrică mai convenabilă decât mașinile de frecare. Dar nu numai acesta a fost avantajul noii mașini.

Se dovedește că o mașină cu electrofor este capabilă să obțină nu numai o încărcare, ci și să-și crească potențialul electric de mai multe ori. Și Volta a profitat de această proprietate când a dovedit identitatea electricității, obținut într-o celulă galvanică și electricitate generată de frecare, precum și de încărcarea fulgerului din nor. Toate aceste taxe s-au dovedit a fi exact de aceeași natură. Și a fost dovedit prin electrofor.

Cum a funcționat uriașul electrofor?

O tigaie uriașă, ovală, acoperită cu staniu, cu o suprafață de aproximativ patru metri pătrați (!!!), a fost umplută cu o topire înghețată de rășină și ceară. Ea s-a întins la baza electroforului. Pe el, pe rafturile de peste doi metri înălțime, pe frânghii trecute prin blocuri, a atârnat o altă tigaie cu disc, puțin mai mică. Dimensiunile întregii mașini au fost de 3 x 2,5 x 1,5 metri. (Fig. 1). Iertați defectele grafice ale artistului medieval. Geometria descriptivă care vă permite să înfățișați desene tridimensionale pe un plan va apărea abia în 1799.

Am simplificat în mod specific desenul pentru a înțelege principiul mașinii. (Fig. 3) O pereche de discuri, izolate cu funii de mătase una de cealaltă, sunt un condensator de aer cu capacitate variabilă. Reamintim că capacitatea unui condensator este invers proporțională cu distanța dintre plăci. Cu cât este mai mică distanța, cu atât este mai mare capacitatea și invers. Capacitatea experimentatorului a fost modificată prin creșterea și coborârea panoului suspendat. Pentru a înlătura sarcinile, o bilă de cupru B a fost lipită în partea superioară a tigaiei mobile, pentru partea inferioară A.

Lucrările electroforului au început prin excitarea unei încărcături în „tigaia” inferioară. Acest lucru se poate realiza prin frecarea rășinii cu o pălărie obișnuită de blană. Această procedură a fost efectuată la un moment dat. Apoi, partea în mișcare a electroforului a căzut cât mai jos, dar, nepermițând contactul cu „tigaia” inferioară. Aceasta este ceea ce se întâmplă în ea.

Știm că discul superior este realizat din metal, iar metalele au o structură cristalină. Aceste cristale pot fi considerate ca o rețea de ioni metalici pozitivi, ale căror celule sunt umplute cu electroni. Acești electroni pot fi asemănați cu moleculele de gaz care se mișcă continuu. Pe măsură ce discul superior se apropie de cel inferior, câmpul negativ al rășinii pe electronii încărcați negativ crește din ce în ce mai mult. Acest lucru duce la faptul că electronii care împing afară se difuză în partea superioară a discului și, de asemenea, în bila de cupru lipit C. Ca urmare, partea superioară a „tigaie” în mișcare primește un exces de electroni cu o deficiență în partea inferioară. În consecință, partea superioară a discului mobil și mingea C sunt încărcate negativ, iar cea inferioară este pozitivă.

Dacă mingea de conductor B sau C este acum împământată, atunci excesul de electroni va curge din partea de sus a „tigaie” către sol, ceea ce o face neutră, dar lipsa electronilor în partea de jos va rămâne. În electroforul său, Volta a efectuat această procedură prin atingerea unui deget, iar în cel uriaș, unde încărcarea era mare, curenții care curgeau prin experimentator erau mari și puteau răni electricizatorul. Prin urmare, designerii mașinii au venit cu un electrod special la sol, care funcționa automat. Când a coborât partea superioară a tigaiei, mingea C a fost în contact în cea mai joasă poziție cu mingea împământată D, prin care curgeau electroni în pământ. Cu o ușoară creștere a discului superior, contactul a fost întrerupt și lipsa electronilor s-a răspândit deja pe întregul disc. Și potențialul acestei încărcări a crescut odată cu creșterea înălțimii discului. Această regularitate a fost remarcată pentru prima dată în istoria lumii, în 1759, de academicianul din Sankt Petersburg, F.U.T. Epinus.

De obicei, nu este înțeles complet de către studenți, deși nu este interzis pentru nicio persoană să repete experiența lui Epinus și acest lucru este relativ ușor de făcut. Această regularitate este ușor înregistrată prin simboluri în formulă, care se află în orice manual de inginerie electrică. Neîncrederea studenților în rezultatele acestui experiment este cauzată cel mai probabil de ideea unui condensator de capacitate variabilă ca un fel de mașină perpetuă de mișcare din care crește potențialul de încărcare. Dar creșterea potențialului vine în detrimentul costurilor de energie pentru munca mecanică de răspândire a plăcilor. La urma urmei, plăcile condensatoarelor încărcate cu sarcini opuse sunt atrase unele de altele cu o anumită forță care trebuie depășită.

Desigur, este imposibil să simulați procesul unei descărcări de trăsnet chiar și cu ajutorul unui astfel de gigant electrofor, dar până acum se obțin potențiale mari de încărcare a fizicii cu ajutorul autoturisme van de graaffunde tarifele sunt livrate mecanic bile de conductor gigant.

Nu știm potențialul taxei primite la electroforul țarului, dar un autor necunoscut a scris în surse arhivistice: „Ea (mașina) este gata să lovească pe toți cei care îndrăznesc să-i atingă mingea. Se știe din experiență că acest electrofor poate chiar ucide un taur. Putere grozavă! ”

Creatorii gigantului din Sankt Petersburg.

Numele proiectanților mașinii uriașe ne sunt cunoscute din cuvintele celebrului fizician Johann Bernoulli, care a vizitat Petersburgul în 1778. Este profesor al Academiei de Științe din Sankt Petersburg, Wolfgang Ludwig Kraft (1743-1814) și mecanic al aceleiași Academii, meșterul rus I.P. Kulibin (1735-1818). Într-una dintre cărțile moderne despre electricitate, se poate citi: „În proiectele tehnice ale mașinilor cu inducție, nu este ușor nici măcar un ochi sofisticat să discerne principiile lor fundamentale simple.” Persoana uimitoare a fost Kulibin. În mod independent, a învățat o dată să facă telescoape nu mai rău decât limba engleză, iar el a lustruit personal lentilele. Acesta a fost și cazul electroforului, a cărui esență este de neînțeles chiar și pentru mulți ingineri. Deci onoarea de a construi un electrofor uriaș aparține în totalitate compatrioților noștri.

Etnia germană V.L.Kraft nu poate fi considerată străină.S-a născut și a murit la Sankt Petersburg și în istoria fizicii numele său se găsește în versiunea rusă - Autentificare Yuryevich. Nu a fost vina lui că nu i s-a permis să lucreze în domeniul fizicii. Ecaterina a II-a l-a identificat ca profesor al multor nepoți, printre care se numeau viitorii împărați Alexandru I și Nicolae I.

Ecaterina a II-a și-a rupt și cariera științifică de academicianul din Sankt Petersburg, pionier al inducției electrice F.U.T. Epinus (1724-1802), unul dintre cei mai promițători specialiști în domeniul electricității din acea vreme. El a fost obligat să decripteze corespondența diplomatică interceptată a străinilor din Sankt Petersburg pentru împărăteasa. Dar nu există nici o îndoială că a luat parte la crearea unei mașini uriașe în calitate de consultant. Supraîncărcările în descifrarea dispeceratelor diplomatice au fost atât de mari încât a îmbolnăvit grav cu o boală psihică, iar la sfârșitul vieții nu a putut să se angajeze în știință.

Soarta acestei mașini nu este cunoscută. Din ordinul cuiva, ea a fost scoasă din Kunstkamera. Și s-ar putea să nu fie fără motiv. Le era frică de ea și din acest motiv. S-a constatat că electrofoarele pot funcționa fără a-i acorda o taxă preliminară. Pentru electroforul uriaș, a fost destulă briză ușoară deasupra tigaiei inferioare. apoi pentru a obține potențial ridicat, mortal pe partea de sus.

De ce este scris acest articol?

Toate cele de mai sus ar trebui să arate cititorului că este foarte ușor să obții potențialele electrice chiar și acasă. A găsi posibilitățile aplicării lor practice este creierul Kulibins modern. Posibilitățile de utilizare a electricității statice există probabil chiar și în viața de zi cu zi. Este necesar doar să vă interesați de inventatori. Și iată două exemple în acest sens.

În anii 40 ai secolului trecut, patriarhul fizicienilor sovietici A.F. Ioffe a dezvoltat un generator electrostatic pentru a alimenta o mașină cu raze X. Generatorul era simplu și de încredere. Apoi a venit cu ideea de a transfera întreaga industrie a energiei electrice din țară în electrostatică. Apoi, transformatoarele și redresoarele pentru liniile de transmisie devin inutile. Transmisiile de curent direct sunt cele mai economice, cu atât pierderea în timpul transformării dispare. Dar, din păcate, pentru o mare industrie de energie electrică, un astfel de sistem este imposibil pentru fabricarea practică a generatoarelor. Există însă și consumatori cu putere redusă, mai ales că generatoarele statice nu creează câmpuri magnetice și sunt foarte ușoare în greutate.

Se știe că din 1748. marele american B. Franklin a folosit un motor cu alimentare statică în scopuri practice - a întors o frigarui de curcan peste o tigaie de prăjire. Acum astfel de motoare sunt uitate, deși nu au înfășurări, oțel electric și cupru. Aceasta înseamnă că pot fi foarte fiabile în funcționare. Astfel de motoare sunt foarte promițătoare pentru aplicațiile spațiale. Mai mult, dezvoltarea chimiei polimerice ne promite noi materiale dielectrice.

Deci poți gândi în această direcție.