Caras - elektroforas

1814 m. Vasarą Napoleono visos Rusijos imperatorius Aleksandras Pirmasis aplankė Olandijos miestą Harlemą. Pasižymėjęs svečias buvo pakviestas į vietos akademiją. Kaip rašė istoriografas, „didelis elektrinis aparatas pirmiausia patraukė Jo Didenybės dėmesį“. Pagaminta 1784 m. automobilis padarė tikrai didelį įspūdį. Du stikliniai diskai, kurių skersmuo yra žmogus, pasukami ant bendros ašies keturių žmonių pastangomis. Trinties elektra (triboelektrika) buvo tiekiama dviejų „Leiden“ skardinių, to meto kondensatorių, akumuliatoriui įkrauti. Iš jų kibirkštys siekė daugiau nei pusę metro ilgio, kuo imperatorius buvo įsitikinęs.

Jo reakcija į šį Vidurio Europos technologijos stebuklą buvo daugiau nei santūri. Nuo vaikystės Aleksandras buvo pažįstamas su dar didesne mašina, ir tai suteikė daugiau šių kibirkščių. Tai buvo padaryta. dar anksčiau, 1777 m. jo tėvynėje Sankt Peterburge jis buvo paprastesnis, saugesnis ir reikalavo mažiau tarnų nei olandai. Imperatorė Jekaterina II su savo anūkais šios mašinos pagalba linksmino save elektriniais eksperimentais Tsarskoje Selo. Tada ji, kaip retas eksponatas, buvo perkelta į Sankt Peterburgo „Kunstkamera“, tada kažkokiu įsakymu ji buvo išvežta iš ten ir pėdsakai buvo prarasti.

Aleksandrui buvo parodyta vakarykštė technika. Elektros energijos gamybos iš trinties principas nebuvo taikomas daugiau nei 200 metų, o buitinės mašinos idėja vis dar naudojama šiuolaikinėse pasaulio mokyklų ir universitetų laboratorijose. Šį principą - elektrostatinę indukciją - atrado ir pirmą kartą aprašė Rusijoje Rusijos akademikas, kurio vardą žino nedaugelis, ir tai yra nesąžininga. Apie tai norėčiau priminti dabartinei kartai.

Kodėl jums reikėjo milžiniško automobilio?

Sankt Peterburge ant milžiniškos mašinos pagamintų darbų aprašymų nerasta. Yra žinoma, kad tais pačiais metais Vasilievskio saloje Mokslų akademijos instrumentų salėje buvo gaminami elektros generatoriai nuo „kišeninių“ generatorių, skirtų pramogoms ir savęs gydymui šeimos rate, iki serijinių, skirtų mokslininkų fizinėms laboratorijoms. Kodėl jie pagamino brangų monstrų automobilį? Ar galiu atsakyti į šį klausimą?

Tai paskatino mūsų ieškomų asmenų sąrašas.

1769 metais Italijos Brešijos mieste žaibas trenkė į bažnyčią, kurios rūsiuose buvo laikoma apie 100 tonų parako. Sprogimas, įvykęs po smūgio, sunaikino dalį miesto ir tūkstančius jo gyventojų. Atsižvelgdama į šį plačiai žinomą atvejį, Didžiosios Britanijos vyriausybė kreipėsi į savo akademijos mokslininkus, kad šie rekomenduotų patikimą miltelių saugyklų apsaugą nuo žaibo. Dėl Londono karališkosios draugijos, kurios narių tarpe buvo ir amerikiečių žaibolaidžių išradėjo B. Franklino, buvo pasiūlyta apsaugos nuo žaibo instaliacija, vykdoma sandėliuose Anglijos „Perflit“.

Ir dabar, pasitelkiant šiuolaikines žinias, negalima suteikti šimtaprocentinės konstrukcijų apsaugos garantija naudojant žaibolaidžius (teisingiau - žaibolaidžius). Ironiška 1772 m. pagal visas taisykles įrengtas žaibolaidis neapsaugojo sandėlių nuo žaibo. Ji „paslydo“ nuo apsauginio kaiščio, tačiau elgėsi silpnai, o sandėlis nesprogo. Ši byla sukėlė daug triukšmo, taip pat ir Rusijoje.

Čia, Sankt Peterburge, 15 metų buvo atstatyta Petro ir Povilo katedros varpinė, atstatyta po 1756 m. Žaibo smūgio. Kai 1772 m Pabaigus pagrindinį varpinės bokšto bokšto remontą, kuriam vadovavo restauravimo architektas A. Dyakovas, jis kreipėsi į vietos akademiją su apsaugos rekomendacija, „kad žaibas nesukeltų špico nudegimo“. 1773 m. Sausio 25 d Akademijos konferencija nurodė profesoriams Epinusui, Kraftui ir Euleriui išsakyti savo požiūrį, kaip įdiegti šią apsaugą.Remiantis dokumentais, yra žinoma, kad vasarį fizikos profesorius VL Kraftas kreipėsi į akademijos vadovybę prašydamas „paleisti vieną iš elektrinių mašinų iš Instrumentų rūmų į fizikos kabinetą“. Matyt eksperimentams ..

Akivaizdu, kad „Kraft“ turėjo pateikti statybininkams konkrečius duomenis: apie laidininkų medžiagas, jų skersmenį, oro terminalo medžiagą ir aukštį ir kt. Dabar žinoma, kad žaibo srovės siekia šimtus amperų, ​​o debesų įkrovimo potencialas yra milijonai voltų. Bet tada nebuvo voltų ar amperų, ​​buvo tik vienas būdas sukurti proceso modelį, gauti duomenis ir juos ekstrapoliuoti perkūnijos procesams. Be to, gautų duomenų tikslumas bus didesnis, kuo elektringesnė mašina galėtų įgyvendinti panašesnį į tikrą perkūniją. Įprasta mašina nebuvo gera: ji negalėjo išlydyti vario vielos, kurios storis buvo milimetras. Reikėjo rasti išeitį.

Rusijos akademikai nusiuntė prašymą į Londoną, tačiau net ten jie mažai žinojo apie prašomas problemas. Nors jie patys eksperimentavo sukūrę daugiau kaip 50 metrų ilgio ir pusės metro pločio „dirbtinį debesį“. Jų gauti rezultatai buvo prieštaringi. Triboelektrinė mašina artėjo prie savo finalo. Norint sukurti didelį potencialą, neįmanoma pagaminti stiklinių diskų, kurių skersmuo, pavyzdžiui, yra penki metrai. Išcentrinė jėga avarijoje tikrai pavers juos tūkstančiais fragmentų, pavojingų eksperimentatoriams. Eksperimentams reikėjo sukurti kokį nors kitą aukštos įtampos elektros energijos šaltinį.

Toks atvejis pasirodė 1776 m., Kai buvo išrastas elektros generatorius, kuris visiškai skyrėsi nuo esamų, tačiau kuris generuodavo elektrinius krūvius parametruose, dar aukštesniuose nei trinties mašina. Projektavimas buvo paprastas, todėl gamybai jį išleido specialistai (1 pav.) Buvo atlikti eksperimentai. Ir 1777 m. Gegužės 8 d. architektas Dyakovas informavo Mokslų akademiją apie pabaigą įrengti bokšto žaibolaidį. Dabar 122,5 metrų aukščio bokštas yra patikimai apsaugotas iki šiol. Bet, jei amerikiečiai, britai ir vokiečiai žino savo didvyrių vardus kovojant su žaibais, tai rusų mokslo istorijos vadovėliuose galima perskaityti, kad V.L. eksperimentinis, Kraftas visiškai nesidomėjo. “ Ir tai yra daugiau nei teisinga.

Fig. 1 didelis elektroforo kraftas

3Aukščiau žinių.

1775 m. Birželio 10 d italų fizikas A. Volta paskelbė apie savo naujojo elektros energijos šaltinio išradimą: „Aš jums pristatau kūną, kuris, tik kartą elektrifikuotas, niekada nepraranda savo elektros, atkakliai išlaikydamas savo veikimo stiprumą“. Autorius šį prietaisą pavadino žodžiais „elettroforo perpetuo“, kuris galėtų būti išverstas kaip „amžinai tekanti elektra“. Prietaisas buvo paprastas prieš primityvizmą. Jo pavadinimas fizinėje terminijoje buvo sumažintas iki žodžio „elektroforas“, tačiau jo taikymo sėkmė buvo didžiulė. Dabar, norint gauti didelius elektros krūvius, nereikėjo naudotis esamų elektrinių mašinų paslaugomis.

Volta nelaikė savęs vienintele prietaiso išradėja. Kaip ir kiekvienas puikus mokslininkas, jis pagerbė savo pirmtakų nuopelnus. Štai jo žodžiai: "Epinusas ir Wilke'as numatė šią idėją ir atrado reiškinį, nors jie ir nesukūrė gatavo prietaiso". Koks tai laukimas? O pavardė Epinus šiame tekste randama antrą kartą. Ir tai nėra atsitiktinumas.

Rostoko universiteto profesorius F. Epinusas ir jo studentas I. Wilke'as elektros energijos atradime yra reiškinys, kuris dabar vadinamas elektrine indukcija. Atradimo prasmė gali būti paaiškinta taip: kiekvienas kūnas, kuris patenka į elektrinį lauką, pats tampa elektrinis. Vėliau Epinus bus pakviestas į Rusiją nuo 1757 m. jis taps Peterburgo mokslų akademijos nariu. Čia jis gyvens iki gyvenimo pabaigos, o čia parašys pagrindinį savo gyvenimo darbą - „Elektros ir magnetizmo teorijos patirtis“.Jis buvo išleistas Sankt Peterburge 1759 m. ir tapo labai populiarus tarp fizikų. Susipažinau su šiuo darbu ir A. Volta. Jis atkreipė ypatingą dėmesį į Sankt Peterburgo akademiko patirtį, kurią mes pakartosime žemiau.

Ant dviejų stiklinių A ir B stiklinių yra metalinis strypas C, kurio ilgis yra pusė metro. Šios juostos galuose dedami dar du blokų svoriai 1 ir 2 (2 pav.). Jei atsinešite (neliesdami) tarkuoto vaško lazdelės iš pirmojo svorio šono, galite įsitikinti, pašalindami mažus svarmenis, kuriais jie įkrauti. Pirmasis yra teigiamas, antrasis - neigiamas elektra. Be to, tokią operaciją nenusiprausus daugiau vaško lazdelių galima atlikti tiek kartų, kiek jums patinka. Sandarinimo vaškas nesumažėjo. Iš esmės buvo paruoštas aparatas kūnams įkrauti elektra. Vietoj svarstyklių buvo galima ant strypo uždėti bet kokius elektrifikuotus kūnus ir juos elektrifikuoti. Kodėl gi ne nuolatinio judesio mašina?

Tai buvo Voltos elektroforo prototipas, kurio mechanizmas yra labai paprastas amžininkams paaiškinti. Tarkuotas sandarinimo vaškas įkraunamas neigiamai. Tai sukuria elektrinį lauką, kuris veikia laisvuosius metalo strypo elektronus. Turėdami neigiamą krūvį, jie yra perskirstomi strype taip, kad kaupiasi 2 svoryje ir lieka 1 svorio deficite. Galimas skirtumas atsiranda juostos galuose. Ji gali būti sunaikinta savo noru. „Volta“ genijus buvo reikalingas, norint praktiškai panaudoti šį reiškinį ir, juo labiau, sumažinti silpnus „Epinus“ įrengimo rekvizitus. „Volta“ svorių visai nenaudoja. Tiesiog vaško atnešimo akimirką jis sekundę paliečia juostos, esančios priešais vašką, galą. Akivaizdu, kad perteklinis elektronų srautas per fiziko kūną pateko į „žemę“. Dabar, kai buvo pašalintas sandarinimo vaškas, paaiškėjo, kad visa juosta buvo įkrauta teigiama elektra. Šiuo principu jau buvo įmanoma sukurti patogesnę elektrinę mašiną nei trinties mašinas. Bet ne tik tai buvo naujojo automobilio pranašumas.

Pasirodo, elektroforo aparatas gali ne tik įgyti krūvį, bet ir kelis kartus padidinti jo elektrinį potencialą. Ir Volta pasinaudojo šiuo turtu, kai įrodė elektros energiją, gautas galvaninėje kameroje ir elektra, sukuriama trinties, taip pat debesies žaibolaidis. Visi šie kaltinimai pasirodė esą lygiai tokie patys. Ir tai įrodė elektroforas.

Kaip giganto elektroforas veikė?

Maždaug keturių kvadratinių metrų ploto (!!!) ovali, alavu padengta „keptuvė“ buvo užpildyta šaldytu dervos ir vaško lydalu. Ji gulėjo prie elektroforo pagrindo. Ant jo, ant daugiau nei dviejų metrų aukščio stelažų, per virves, pravestas per blokus, pakabinta dar viena diskų keptuvė, šiek tiek mažesnė. Visos mašinos matmenys buvo 3 x 2,5 x 1,5 metro. (1 pav.). Atleisk viduramžių menininko grafikos trūkumus. Aprašomoji geometrija, leidžianti pavaizduoti trimačius brėžinius plokštumoje, pasirodys tik 1799 m.

Mes specialiai supaprastinome piešinį, kad suprastume mašinos principą. (3 pav.) Diskinių keptuvių, izoliuotų viena nuo kitos šilko virvėmis, pora yra kintamos talpos oro kondensatorius. Prisiminkite, kad kondensatoriaus talpa yra atvirkščiai proporcinga atstumui tarp plokščių. Kuo mažesnis atstumas, tuo didesnė talpa ir atvirkščiai. Eksperimentuotojo talpa buvo pakeista pakeliant ir nuleidžiant pakabinamą lėkštę. Norėdami pašalinti užtaisus, variklinis rutulys B buvo užlydytas į viršutinę judančios plokštelės dalį, apatinę A.

Elektroforo darbas prasidėjo įkrovos sužadinimu apatinėje „keptuvėje“. Tai gali būti padaryta, trinant dervą įprasta kailio kepure. Ši procedūra buvo atliekama vienu metu. Tuomet judančioji elektroforo dalis krito kuo žemiau, tačiau, neleisdama kontaktuoti su apatine „plokštele“. Būtent taip ir nutinka.

Mes žinome, kad viršutinis diskas yra pagamintas iš metalo, o metalai turi kristalinę struktūrą. Šie kristalai gali būti laikomi teigiamų metalų jonų grotelėmis, kurių ląstelės užpildytos elektronais. Šiuos elektronus galima prilyginti dujų molekulėms, judančioms nuolat. Viršutiniam diskui artėjant prie apatinio, neigiamai įkrautų elektronų dervos neigiamas laukas vis didėja. Tai lemia, kad išstumiantys elektronai pasklinda į viršutinę disko dalį, taip pat ir į lydytą vario rutulį C. Dėl to judančioji keptuvės viršutinė dalis gauna elektronų perteklių, kurio apatinėje trūksta. Atitinkamai, viršutinė kilnojamojo disko dalis ir rutulys C yra neigiamai įkrauti, o apatinė - teigiama.

Jei laidininko rutulys B arba C yra įžemintas, tada elektronų perteklius tekės iš „keptuvės“ viršaus į žemę, padarydamas jį neutralų, tačiau elektronų trūkumas apačioje išliks. Savo elektrofore Volta atliko šią procedūrą piršto paspaudimu, o milžiniškame, kur didelis krūvis, per eksperimentatorių tekančios srovės buvo didelės ir galėjo sužeisti elektrizatorių. Todėl mašinos dizaineriai sugalvojo specialų įžeminimo elektrodą, kuris veikė automatiškai. Nuleisdamas keptuvės viršų, rutulys C žemiausioje padėtyje turėjo kontaktą su įžemintu rutuliu D, per kurį elektronai tekėjo į žemę. Šiek tiek pakilus viršutiniam diskui, kontaktas buvo nutrauktas ir elektronų trūkumas jau pasklido po visą diską. Ir šio įkrovimo galimybė padidėjo didėjant disko aukščiui. Šį dėsningumą pirmą kartą pasaulio istorijoje pastebėjo 1759 m. Sankt Peterburgo akademikas F.U.T. Epinus.

Paprastai studentai to nevisiškai supranta, nors nė vienam asmeniui nėra draudžiama kartoti Epinus patirtį ir tai padaryti gana lengva. Šis dėsningumas lengvai užrašomas simboliais formulėje, kuri yra bet kuriame elektrotechnikos vadovėlyje. Studentų nepasitikėjimą šio eksperimento rezultatais greičiausiai sukelia mintis apie kintamos talpos kondensatorių, kaip apie nuolatinio judesio mašiną, iš kurios jis padidina įkrovimo potencialą. Bet potencialo padidėjimas atsiranda dėl energijos sąnaudų mechaniniam plokščių paskirstymo darbui. Galų gale kondensatorių plokštės, įkrautos priešingais krūviais, pritraukiamos viena prie kitos tam tikra jėga, kurią reikia įveikti.

Žinoma, neįmanoma imituoti žaibo iškrovos proceso net ir naudojant tokį elektroforų gigantą, tačiau iki šiol didelis fizikos krūvių potencialas gaunamas naudojant van de graaff automobiliaikur krūviai mechaniškai tiekiami į milžiniškus laidininkų rutulius.

Mes nežinome apie caro elektroforoje gauto krūvio galimybes, tačiau nežinomas autorius archyviniuose šaltiniuose rašė: „Ji (mašina) yra pasirengusi smogti visiems, kas drįsta paliesti savo rutulį. Iš patirties žinoma, kad šis elektroforas netgi gali nužudyti jautį. Baisi galia! “

Sankt Peterburgo milžino kūrėjai.

Milžiniško aparato dizainerių vardai mums žinomi iš garsaus fiziko Johanno Bernoulli, kuris 1778 m. Lankėsi Peterburge, žodžių. Tai yra Sankt Peterburgo mokslų akademijos profesorius Wolfgangas Ludwigas Kraftas (1743–1814) ir tos pačios akademijos mechanikas, rusų amatininkas I. P. Kulibinas (1735–1818). Vienoje iš šiuolaikinių knygų apie elektrą galima perskaityti: „Esant indukcinių mašinų techniniam dizainui, net ir patyrusiai akiai nėra lengva įžvelgti paprastus jų pagrindinius principus“. Nuostabus žmogus buvo Kulibinas. Kartą jis išmoko, kaip padaryti teleskopus ne blogiau nei angliškai, ir pats asmeniškai šlifavo objektyvus. Taip buvo ir su elektroforu, kurio esmė nesuprantama ir dabar daugeliui inžinierių. Taigi garbė pastatyti milžinišką elektroforą visiškai priklauso mūsų tautiečiams.

Etninis vokietis V.L.Kraftas negali būti laikomas užsieniečiu.Jis gimė ir mirė Sankt Peterburge, o fizikos istorijoje jo vardas randamas rusų kalba - Login Jurjevičius. Tai nebuvo jo kaltė, kad jam nebuvo leista dirbti fizikos srityje. Jekaterina II jį apibūdino kaip savo daugelio anūkų, tarp kurių buvo būsimieji imperatoriai Aleksandras I ir Nikolajus I, mokytoją.

Jekaterina II taip pat nutraukė savo mokslinę karjerą - Sankt Peterburgo akademikui, elektros indukcijos pradininkui F.U.T. Epinusui (1724–1802), vienam perspektyviausių to meto elektros specialistų. Jis buvo įpareigotas iššifruoti užgrobtą Sankt Peterburgo užsieniečių diplomatinę korespondenciją imperatorienei. Tačiau neabejojama, kad jis sukūrė milžinišką mašiną kaip konsultantas. Perkrovos iššifravus diplomatinius siuntimus buvo tokios didžiulės, kad jis sunkiai susirgo psichine liga ir gyvenimo pabaigoje negalėjo užsiimti mokslu.

Šio automobilio likimas nežinomas. Kažkieno įsakymu ji buvo išvesta iš „Kunstkamera“. Ir tai gali būti ne be priežasties. Jie bijojo jos ir dėl šios priežasties. Buvo nustatyta, kad elektroforai gali veikti nesuteikdami jam išankstinio mokesčio. Milžiniškam elektroforui virš apatinės keptuvės buvo pakankamas vėjas. tada gauti aukštą, mirtiną potencialą viršuje.

Kodėl rašomas šis straipsnis?

Visa tai, kas išdėstyta pirmiau, turėtų parodyti skaitytojui, kad labai lengva gauti elektrinį potencialą net namuose. Šiuolaikinių Kulibinų smegenys turi išsiaiškinti, kaip praktiškai jas pritaikyti. Statinės elektros naudojimo galimybės tikriausiai egzistuoja net ir kasdieniame gyvenime. Tik reikia domėtis išradėjais. Štai du pavyzdžiai.

Praėjusio amžiaus keturiasdešimtaisiais metais sovietų fizikų patriarchas A. F. Ioffe sukūrė elektrostatinį generatorių, skirtą rentgeno aparatui maitinti. Generatorius buvo paprastas ir patikimas. Tuomet jis sugalvojo perkelti visos šalies elektros energijos pramonę į elektrostatinę. Tada nereikalingi pavieniai perdavimo linijų transformatoriai ir lygintuvai. Tiesioginės srovės perdavimas yra ekonomiškiausias, tuo daugiau nuostolių transformacijos metu išnyksta. Deja, didelėje elektros energijos pramonėje tokia sistema neįmanoma praktiškai gaminti generatorių. Tačiau yra ir mažai energijos vartojančių vartotojų, juo labiau kad statiniai generatoriai nesukuria magnetinių laukų ir yra labai lengvi.

Yra žinoma, kad dar 1748 m. didysis amerikietis B. Franklinas praktiniais tikslais naudojo statiniu varikliu varomą variklį - pasuko kalakuto iešmą virš skrudinimo keptuvės. Dabar tokie varikliai pamiršti, nors jie neturi apvijų, elektrinio plieno ir vario. Tai reiškia, kad jie gali būti labai patikimi veikdami. Tokie varikliai yra labai perspektyvūs pritaikymams kosmose. Be to, polimerų chemijos plėtra žada mums naujų dielektrinių medžiagų.

Taigi galite galvoti šia linkme.