Tsar - électrophore

À l'été 1814 Le vainqueur de Napoléon, l'empereur russe Alexandre le Premier, a visité la ville néerlandaise de Haarlem. L'invité de marque a été invité à l'académie locale. Ici, comme l'écrit l'historiographe, "La grande machine électrique a tout d'abord attiré l'attention de Sa Majesté." Fabriqué en 1784. la voiture a vraiment fait forte impression. Deux disques de verre d'un diamètre de la hauteur d'une personne tournés sur un axe commun par l'effort de quatre personnes. De l'électricité à friction (triboélectricité) a été fournie pour charger la batterie de canettes Leiden à deux seaux, condensateurs de l'époque. Des étincelles ont atteint une longueur de plus d'un demi-mètre, ce dont l'empereur était convaincu.

Sa réaction à ce miracle technologique d'Europe centrale a été plus que modérée. Dès l'enfance, Alexander connaissait une machine encore plus grande, et elle a donné plus de ces étincelles. C'était fait. encore plus tôt en 1777. dans sa patrie à Saint-Pétersbourg, c'était plus simple, plus sûr et nécessitait moins de domestiques que les Hollandais. L'impératrice Catherine II en présence de ses petits-enfants s'est amusée à l'aide de cette machine par des expériences électriques à Tsarskoïe Selo. Puis, comme pièce rare, elle a été transférée au Kunstkamera de Saint-Pétersbourg, puis, par un ordre quelconque, elle a été emmenée de là et ses traces ont été perdues.

Alexandre a montré la technique d'avant-hier. Le principe de la production d'électricité par friction n'a pas été appliqué depuis plus de 200 ans, tandis que l'idée sous-jacente à la machine domestique est toujours utilisée dans les laboratoires modernes des écoles et universités du monde. Ce principe - l'induction électrostatique - a été découvert et décrit pour la première fois en Russie par l'académicien russe, dont peu de gens connaissent le nom, et c'est injuste. Je voudrais rappeler cela à la génération actuelle.

Pourquoi aviez-vous besoin d'une voiture géante?

Aucune description des œuvres produites à Saint-Pétersbourg sur une machine géante n'a été trouvée. On sait que dans les mêmes années, dans la chambre des instruments de l'Académie des sciences de l'île Vasilievsky, des générateurs électriques ont été fabriqués à partir de générateurs "de poche" pour le divertissement et l'auto-traitement dans le cercle familial, jusqu'à des générateurs en série pour des laboratoires physiques de scientifiques. Pourquoi ont-ils fabriqué une voiture monstre chère? Puis-je répondre à cette question?

C'est à cela que nous a mené notre liste de personnes recherchées.

En 1769 dans la ville italienne de Brescia, la foudre a frappé une église, dans les caves dont environ 100 tonnes de poudre à canon étaient stockées. L'explosion qui a suivi le coup a détruit une partie de la ville et des milliers de ses habitants. Compte tenu de ce cas largement connu, le gouvernement britannique s'est tourné vers les scientifiques de son académie pour recommander une protection fiable contre la foudre pour ses dépôts de poudre. Pour des raisons de la Royal Society de Londres, dont les membres étaient également un inventeur américain de paratonnerre B. Franklin, une installation de protection contre la foudre a été proposée et réalisée dans des entrepôts à Perflit en Angleterre.

Et maintenant, avec l'aide des connaissances modernes, on ne peut pas donner une garantie à 100% de la protection des structures à l'aide de paratonnerres (plus exactement paratonnerres). Et ironiquement en 1772. le paratonnerre installé conformément à toutes les règles n'a pas protégé les entrepôts de la foudre. Elle a «glissé» de la goupille de protection, mais a agi faible et l'entrepôt n'a pas explosé. Cette affaire a fait beaucoup de bruit, y compris en Russie.

Ici à Saint-Pétersbourg depuis 15 ans, le clocher de la cathédrale Pierre et Paul a été restauré, qui a brûlé après un coup de foudre en 1756. Quand en 1772 La réparation principale de la flèche du clocher, dirigée par l'architecte de restauration A. Dyakov, a été achevée, il s'est tourné vers l'académie locale avec une recommandation de protection, «afin que la foudre ne fasse pas brûler un spitz». 25 janvier 1773 La Conférence de l'Académie a chargé les professeurs Epinus, Kraft et Euler d'exprimer leur point de vue sur la manière d'installer cette protection.Selon les documents, on sait qu'en février, le professeur de physique VL Kraft s'est tourné vers la direction de l'académie pour demander "de libérer l'une des machines électriques de la chambre des instruments dans la salle de physique". Apparemment pour des expériences ..

Il est clair que Kraft a dû fournir aux constructeurs des données spécifiques: sur les matériaux des conducteurs, leur diamètre, le matériau et la hauteur de l'aérogare, etc. On sait maintenant que les courants de foudre atteignent des centaines d'ampères, et le potentiel de charge des nuages ​​est de millions de volts. Mais alors il n'y avait pas de volts ou d'ampères, il n'y avait qu'une seule façon de créer un modèle de processus, d'obtenir des données et de les extrapoler aux processus orageux. De plus, la précision des données obtenues serait d'autant plus élevée que plus une machine électrique pourrait implémenter un plus semblable à un véritable orage. Une machine ordinaire n'était pas bonne: elle ne pouvait pas faire fondre un fil de cuivre d'un millimètre d'épaisseur. Il fallait trouver une issue.

Des universitaires russes ont envoyé une demande à Londres, mais même là, ils ne savaient pas grand-chose des problèmes demandés. Bien qu'ils aient eux-mêmes expérimenté en créant un «nuage artificiel» de plus de 50 mètres de long et d'un demi-mètre de large. Les résultats qu'ils ont reçus étaient contradictoires. La machine triboélectrique approchait de sa fin. Pour créer des potentiels élevés, il est impossible de fabriquer des disques en verre d'un diamètre de cinq mètres par exemple. La force centrifuge d'un accident les transformera sûrement en milliers de fragments dangereux pour les expérimentateurs. Il était nécessaire de créer une autre source d'électricité à haute tension pour les expériences.

Un tel cas est apparu en 1776, quand un générateur électrique a été inventé, qui était complètement différent des moteurs existants, mais qui générait des charges électriques dans des paramètres encore plus élevés qu'une machine à friction. La conception était simple, donc pour la fabrication, elle a été distribuée par ses spécialistes (Fig. 1) Les expériences ont été réalisées. Et le 8 mai 1777. l'architecte Dyakov a informé l'Académie des sciences de l'achèvement des travaux sur le paratonnerre de la flèche. Et maintenant, la flèche d'une hauteur de 122,5 mètres est protégée de manière fiable à ce jour. Mais, si les Américains, les Britanniques et les Allemands connaissent les noms de leurs héros dans la lutte contre la foudre, alors dans les manuels russes sur l'histoire des sciences, on peut lire que VL Kraft "n'a rien montré de spécial", ou que "la physique en tant que telle, en particulier expérimental, Kraft n'était pas du tout intéressé. Et c'est plus que juste.

Fig. 1 grand électrophore Kraft

3Au-dessus du savoir-faire.

10 juin 1775 Le physicien italien A. Volta a annoncé son invention d'une nouvelle source d'électricité: «Je vous présente un corps qui, n'étant électrifié qu'une seule fois, ne perd jamais son électricité, conservant obstinément la force de son action.» L'auteur a appelé cet appareil les mots «elettroforo perpetuo», qui pourrait être traduit par «l'électricité qui coule pour toujours». Le dispositif était simple avant le primitivisme. Son nom dans la terminologie physique a été réduit au mot "électrophore", mais le succès de son application a été écrasant. Or, pour recevoir des charges électriques en grande quantité, il n'était pas nécessaire de recourir aux services des machines électriques existantes.

Volta ne se considérait pas comme le seul inventeur de l'appareil. Comme tout grand scientifique, il a honoré les mérites de ses prédécesseurs. Voici ses mots: "Epinus et Wilke ont anticipé cette idée et ont découvert le phénomène, bien qu'ils n'aient pas construit l'appareil fini." De quel genre d'anticipation s'agit-il? Et le nom de famille Epinus se retrouve dans ce texte pour la deuxième fois. Et ce n'est pas un hasard.

Professeur de l'Université de Rostock F. Epinus et son étudiant I. Wilke dans la découverte de l'électricité est un phénomène qui est maintenant appelé induction électrique. Le sens de la découverte peut être expliqué comme suit: tout corps placé dans un champ électrique devient lui-même électrique. Plus tard, Epinus sera invité en Russie à partir de 1757. il deviendra membre de l'Académie des sciences de Saint-Pétersbourg. Ici, il vivra jusqu'à la fin de sa vie, et ici il écrira son œuvre principale - "Expérience de la théorie de l'électricité et du magnétisme".Il a été publié à Saint-Pétersbourg en 1759. et est devenu très populaire parmi les physiciens. J'ai fait connaissance avec ce travail et A. Volta. Il a attiré particulièrement l'attention sur l'expérience de l'académicien de Saint-Pétersbourg, que nous reproduirons ci-dessous.

Sur deux verres en verre A et B, une barre métallique C est installée sur une longueur d'un demi-mètre. Aux extrémités de cette barre, deux autres poids de bloc 1 et 2 sont placés (Fig. 2). Si vous apportez (sans toucher) le bâton de cire râpé du côté du premier poids, vous pouvez vous assurer lors du retrait des petits poids qu'ils sont chargés. Le premier est positif, le second est l'électricité négative. De plus, une telle opération sans frotter plus de bâtons de cire peut être effectuée autant de fois que vous le souhaitez. La cire à cacheter n'a pas diminué. En principe, une machine pour charger les corps en électricité était prête. Il était possible, au lieu de poids, de mettre sur une barre les corps à électrifier et de les électrifier. Pourquoi pas une machine à mouvement perpétuel?

C'était un prototype de l'électrophore de Volta, dont le mécanisme est très simple à expliquer aux contemporains. La cire à cacheter râpée est chargée négativement. Il crée un champ électrique qui agit sur les électrons libres d'une barre métallique. Ayant une charge négative, ils sont redistribués dans la barre de telle manière qu'ils s'accumulent dans le poids 2 et restent en déficit dans le poids 1. Aux extrémités de la barre, une différence de potentiel apparaît. Elle peut être éliminée à volonté. Le génie de Volta était nécessaire pour utiliser ce phénomène dans la pratique et même, par ailleurs, pour réduire les maigres accessoires dans l'installation d'Epinus. Volta n'utilise aucun poids. Juste au moment d'apporter la cire, pendant une seconde, il touche le bout de la barre opposée à la cire avec son doigt. Il est clair que les électrons en excès ont traversé le corps du physicien dans la «terre». Maintenant, lorsque la cire à cacheter a été retirée, toute la barre s'est avérée chargée d'électricité positive. Sur ce principe, il était déjà possible de créer une machine électrique plus pratique que les machines à friction. Mais ce n'était pas seulement l'avantage de la nouvelle voiture.

Il s'avère qu'une machine électrophore est capable non seulement d'acquérir une charge, mais également d'augmenter son potentiel électrique plusieurs fois. Et Volta a profité de cette propriété quand il a prouvé l'identité de l'électricité, obtenu dans une cellule galvanique et l'électricité générée par le frottement, ainsi que la charge de foudre du nuage. Toutes ces accusations se sont avérées être exactement de la même nature. Et cela a été prouvé par l'électrophore.

Comment fonctionne l'électrophore géant?

Une énorme "poêle à frire" ovale et recouverte d'étain d'une superficie d'environ quatre mètres carrés (!!!) était remplie d'une masse de résine et de cire gelée. Elle gisait à la base de l'électrophore. Sur celle-ci, sur des grilles de plus de deux mètres de haut, sur des cordes traversant les blocs, une autre poêle à disque pendait, un peu plus petite. Les dimensions de l'ensemble de la machine étaient de 3 x 2,5 x 1,5 mètres. (Fig.1). Pardonnez les défauts graphiques de l'artiste médiéval. La géométrie descriptive qui vous permet de représenter des dessins en trois dimensions sur un plan n'apparaîtra qu'en 1799.

Nous avons spécifiquement simplifié le dessin pour comprendre le principe de la machine. (Fig. 3) Une paire de plateaux à disques, isolés les uns des autres par des cordes en soie, sont un condenseur à air de capacité variable. Rappelons que la capacité d'un condensateur est inversement proportionnelle à la distance entre les plaques. Plus la distance est petite, plus la capacité est grande et vice versa. La capacité de l'expérimentateur a été modifiée en soulevant et en abaissant le bac suspendu. Pour éliminer les charges, une boule de cuivre B a été soudée à la partie supérieure du plateau mobile, pour le A. inférieur.

Le travail de l'électrophore a commencé par l'excitation d'une charge dans le "pan" inférieur. Cela pourrait être fait en frottant la résine avec un chapeau de fourrure ordinaire. Cette procédure a été effectuée à la fois. Ensuite, la partie mobile de l'électrophore est tombée aussi bas que possible, mais ne permettant pas le contact avec le "pan" inférieur. C'est ce qui s'y passe.

Nous savons que le disque supérieur est en métal et que les métaux ont une structure cristalline. Ces cristaux peuvent être considérés comme un réseau d'ions métalliques positifs, dont les cellules sont remplies d'électrons. Ces électrons peuvent être assimilés à des molécules de gaz se déplaçant de façon continue. À mesure que le disque supérieur se rapproche du disque inférieur, le champ négatif de la résine sur les électrons chargés négativement augmente de plus en plus. Cela conduit au fait que les électrons qui poussent diffusent dans la partie supérieure du disque et également dans la boule de cuivre soudée C. En conséquence, la partie supérieure de la "poêle à frire" mobile reçoit un excès d'électrons avec une déficience dans la partie inférieure. En conséquence, la partie supérieure du disque mobile et la bille C sont chargées négativement et la partie inférieure est positive.

Si la boule conductrice B ou C est maintenant mise à la terre, l'excès d'électrons s'écoulera du haut de la "casserole" vers le sol, la rendant neutre, mais le manque d'électrons dans le fond restera. Dans son électrophore, Volta a effectué cette procédure avec le toucher d'un doigt, et dans le géant, où la charge était importante, les courants traversant l'expérimentateur étaient importants et pouvaient blesser l'électrificateur. Par conséquent, les concepteurs de la machine ont mis au point une électrode de masse spéciale, qui fonctionnait automatiquement. En abaissant le haut de la casserole, la balle C était en contact dans sa position la plus basse avec une balle D mise à la terre, à travers laquelle les électrons se sont déversés dans le sol. Avec une légère remontée du disque supérieur, le contact a été interrompu et le manque d'électrons s'est déjà propagé à l'ensemble du disque. Et le potentiel de cette charge augmentait avec l'augmentation de la hauteur du disque. Cette régularité a été remarquée pour la première fois dans l'histoire du monde en 1759 par l'académicien de Saint-Pétersbourg F.U.T. Epinus.

Habituellement, il n'est pas entièrement compris par les étudiants, bien qu'il ne soit interdit à personne de répéter l'expérience d'Epinus et cela est relativement facile à faire. Cette régularité est facilement enregistrée par des symboles dans la formule, qui est dans n'importe quel manuel de génie électrique. La méfiance des étudiants envers les résultats de cette expérience est probablement due à l'idée d'un condensateur à capacité variable comme une sorte de machine à mouvement perpétuel à partir de laquelle il augmente le potentiel de charge. Mais l'augmentation du potentiel se fait au détriment des coûts énergétiques du travail mécanique d'épandage des plaques. Après tout, les plaques de condensateur chargées de charges opposées sont attirées les unes vers les autres avec une certaine force qui doit être surmontée.

Bien sûr, il est impossible de simuler le processus d'une décharge de foudre même avec l'aide d'un tel géant électrophore, mais jusqu'à présent, des potentiels de charges physiques élevés sont obtenus en utilisant van de graaff voituresoù les charges sont livrées mécaniquement aux boules conductrices géantes.

Nous ne connaissons pas le potentiel de l'accusation reçue contre l'électrophore du tsar, mais un auteur inconnu a écrit dans des sources archivistiques: «Elle (la machine) est prête à frapper tous ceux qui osent toucher sa balle. L'expérience montre que cet électrophore peut même tuer un taureau. Un pouvoir affreux! ”

Les créateurs du géant de Saint-Pétersbourg.

Les noms des concepteurs de la machine géante nous sont connus par les mots du célèbre physicien Johann Bernoulli, qui a visité Pétersbourg en 1778. Ce professeur de l'Académie des sciences de Saint-Pétersbourg Wolfgang Ludwig Kraft (1743-1814) et le mécanicien de la même académie, l'artisan russe I.P. Kulibin (1735-1818). Dans l'un des livres modernes sur l'électricité, on peut lire: «Dans les conceptions techniques des machines à induction, il n'est pas facile, même pour un œil sophistiqué, de discerner leurs principes fondamentaux simples.» La personne incroyable était Kulibin. Il a appris de façon indépendante une fois à fabriquer des télescopes pas pire que l'anglais, et il a personnellement poli les lentilles. Ce fut également le cas de l'électrophore, dont l'essence est encore incompréhensible pour de nombreux ingénieurs. L'honneur de construire un électrophore géant appartient donc entièrement à nos compatriotes.

L'ethnie allemande V.L.Kraft ne peut pas être considérée comme un étranger.Il est né et mort à Saint-Pétersbourg et dans l'histoire de la physique, son nom se trouve dans la version russe - Login Yuryevich. Ce n'est pas de sa faute s'il n'a pas été autorisé à travailler dans le domaine de la physique. Catherine II l'a identifié comme l'enseignant de ses nombreux petits-enfants, parmi lesquels les futurs empereurs Alexandre Ier et Nicolas I.

Catherine II a également interrompu sa carrière scientifique auprès de l'académicien de Saint-Pétersbourg, découvreur de l'induction électrique F.U.T. Epinus (1724-1802), l'un des spécialistes les plus prometteurs dans le domaine de l'électricité de l'époque. Il a été obligé de déchiffrer la correspondance diplomatique interceptée des étrangers de Saint-Pétersbourg pour l'impératrice. Mais il ne fait aucun doute qu'il a participé à la création d'une machine géante en tant que consultant. Les surcharges dans le déchiffrement des dépêches diplomatiques étaient si grandes qu'il est tombé gravement malade d'une maladie mentale et, à la fin de sa vie, n'a pas pu faire de la science.

Le sort de cette voiture est inconnu. Par ordre de quelqu'un, elle a été emmenée du Kunstkamera. Et ce n'est peut-être pas sans raison. Ils avaient peur d'elle, et pour cette raison. Il a été constaté que les électrophores peuvent fonctionner sans lui donner une charge préliminaire. Pour l'électrophore géant, il y avait assez de brise légère au-dessus du plateau inférieur. puis pour obtenir des potentiels élevés et mortels au sommet.

Pourquoi cet article est-il écrit?

Tout ce qui précède devrait montrer au lecteur qu'il est très facile d'obtenir des potentiels électriques même à la maison. Trouver les possibilités de leur application pratique est une question de cerveau des Kulibins modernes. Les possibilités d'utilisation de l'électricité statique existent probablement même dans la vie quotidienne. Il suffit de s'intéresser aux inventeurs. Et voici deux exemples de cela.

Dans les années 40 du siècle dernier, le patriarche des physiciens soviétiques A.F. Ioffe a développé un générateur électrostatique pour alimenter une machine à rayons X. Le générateur était simple et fiable. Puis il a eu l'idée de transférer toute l'industrie électrique du pays à l'électrostatique. Ensuite, les transformateurs élévateurs et les redresseurs pour les lignes de transmission deviennent inutiles. Les transmissions en courant continu sont les plus économiques, plus la perte lors de la transformation disparaît. Mais hélas, pour une grande industrie électrique, un tel système est impossible pour la fabrication pratique de générateurs. Mais il y a aussi des consommateurs de faible puissance, d'autant plus que les générateurs statiques ne créent pas de champs magnétiques et sont très légers.

On le sait en 1748. le grand américain B. Franklin a utilisé un moteur à propulsion statique à des fins pratiques - il a tourné une brochette de dinde sur une rôtissoire. Maintenant, ces moteurs sont oubliés, bien qu'ils n'aient pas de bobinages, d'acier électrique et de cuivre. Cela signifie qu'ils peuvent être très fiables en fonctionnement. Ces moteurs sont très prometteurs pour les applications spatiales. De plus, le développement de la chimie des polymères nous promet de nouveaux matériaux diélectriques.

Vous pouvez donc penser dans cette direction.