Car - elektrofor

Latem 1814 r Zwycięzca Napoleona, Wszechrosyjski Cesarz Aleksander Pierwszy odwiedził holenderskie miasto Haarlem. Wybitny gość został zaproszony do lokalnej akademii. Tutaj, jak napisał historyk: „Wielka maszyna elektryczna przede wszystkim zwróciła uwagę Jego Królewskiej Mości”. Wyprodukowano w 1784 r. samochód naprawdę zrobił duże wrażenie. Dwa szklane dyski o średnicy wzrostu osoby obracały się na wspólnej osi wysiłkiem czterech osób. Dostarczono energię tarcia (triboelektryczność) w celu naładowania akumulatora dwóch puszek Leiden, kondensatorów tego czasu. Iskry z nich osiągnęły długość ponad pół metra, o czym przekonał cesarz.

Jego reakcja na ten cud techniki w Europie Środkowej była bardziej niż powściągliwa. Od dzieciństwa Alexander znał jeszcze większą maszynę i dawał więcej tych iskier. Zostało zrobione. jeszcze wcześniej w 1777 r. w jego ojczyźnie w Petersburgu było to prostsze, bezpieczniejsze i wymagało mniej sług niż Holendrzy. Cesarzowa Katarzyna II w obecności wnuków bawiła się przy pomocy tej maszyny eksperymentami elektrycznymi w Carskim Siole. Następnie, jako rzadki eksponat, została przeniesiona do petersburskiej Kunstkamera, a następnie, na zamówienie, została stamtąd zabrana, a jej ślady zaginęły.

Aleksanderowi pokazano technikę przedwczoraj. Zasada wytwarzania energii elektrycznej przez tarcie nie jest stosowana od ponad 200 lat, podczas gdy idea leżąca u podstaw domowej maszyny jest nadal stosowana w nowoczesnych laboratoriach szkół i uniwersytetów na świecie. Ta zasada - indukcja elektrostatyczna - została odkryta i po raz pierwszy opisana w Rosji przez rosyjskiego akademika, którego nazwiska niewiele osób zna, i jest to niesprawiedliwe. Chciałbym przypomnieć o tym obecnemu pokoleniu.

Dlaczego potrzebowałeś gigantycznego samochodu?

Nie znaleziono opisów prac wyprodukowanych w Petersburgu na gigantycznej maszynie. Wiadomo, że w tych samych latach w komorze przyrządów Akademii Nauk na Wyspie Wasiliewskiej wytwarzano generatory elektryczne od „kieszonkowych” generatorów rozrywki i samoleczenia w kręgu rodzinnym do seryjnych dla fizycznych laboratoriów naukowców. Dlaczego zrobili drogi samochód-potwór? Czy mogę odpowiedzieć na to pytanie?

Do tego doprowadziła nasza lista poszukiwanych.

W 1769 r we włoskim mieście Brescia piorun uderzył w kościół, w którego piwnicach przechowywano około 100 ton prochu. Wybuch, który nastąpił po uderzeniu, zniszczył część miasta i tysiące jego mieszkańców. Biorąc pod uwagę ten powszechnie znany przypadek, rząd brytyjski zwrócił się do naukowców ze swojej akademii o zalecenie niezawodnej ochrony odgromowej dla swoich składów proszków. Z powodów Royal Society of London, wśród których członków był wynalazca piorunochronu Amerykanin B. Franklin, zaproponowano i przeprowadzono instalację ochrony odgromowej w magazynach w Perflit w Anglii.

A teraz, przy pomocy nowoczesnej wiedzy, nie można dać 100% gwarancji ochrony konstrukcji za pomocą piorunochronów (bardziej poprawnie piorunochronów). I jak na ironię w 1772 roku. piorunochron zainstalowany zgodnie z wszystkimi zasadami nie chronił magazynów przed piorunem. „Wyślizgnęła się” z kołka ochronnego, ale zachowywała się słabo, a magazyn nie wybuchł. Ta sprawa wywołała duży hałas, w tym w Rosji.

Tutaj w Petersburgu przez 15 lat odrestaurowano dzwonnicę katedry Piotra i Pawła, odrestaurowaną po uderzeniu pioruna w 1756 roku. Kiedy w 1772 roku Główna naprawa iglicy dzwonnicy, prowadzona przez architekta konserwatorskiego A. Dyakova, została zakończona, zwrócił się do lokalnej akademii z zaleceniem ochrony, „aby błyskawica nie spowodowała spalenia szpica”. 25 stycznia 1773 r Konferencja Akademii poinstruowała profesorów Epinusa, Krafta i Eulera, aby wyrazili swoje poglądy na temat instalacji tej ochrony.Według dokumentów wiadomo, że w lutym profesor fizyki VL Kraft zwrócił się do kierownictwa akademii z prośbą „o uwolnienie jednej z maszyn elektrycznych z komory instrumentów do sali fizyki”. Najwyraźniej do eksperymentów ..

Oczywiste jest, że Kraft musiał przekazać konstruktorom konkretne dane: dotyczące materiałów przewodników, ich średnicy, materiału i wysokości terminalu lotniczego itp. Obecnie wiadomo, że prądy piorunowe osiągają setki amperów, a potencjał ładunku chmur wynosi miliony woltów. Ale potem nie było woltów ani amperów, był tylko jeden sposób na stworzenie modelu procesu, uzyskanie danych i ekstrapolację ich na procesy burzy. Co więcej, dokładność uzyskanych danych byłaby wyższa, im bardziej elektryczna maszyna mogłaby zaimplementować bardziej podobną do prawdziwej burzy. Zwykła maszyna nie była dobra: nie mogła stopić drutu miedzianego o grubości jednego milimetra. Trzeba było znaleźć wyjście.

Rosyjscy naukowcy wysłali prośbę do Londynu, ale nawet tam niewiele wiedzieli o żądanych problemach. Chociaż sami eksperymentowali, tworząc „sztuczną chmurę” o długości ponad 50 metrów i szerokości pół metra. Uzyskane wyniki były sprzeczne. Maszyna tryboelektryczna zbliżała się do finału. Aby stworzyć wysoki potencjał, nie można wykonać szklanych dysków o średnicy, na przykład, pięciu metrów. Siła odśrodkowa w wypadku z pewnością zamieni je w tysiące fragmentów niebezpiecznych dla eksperymentatorów. Konieczne było stworzenie innego źródła wysokiego napięcia dla eksperymentów.

Taki przypadek pojawił się w 1776 r., Kiedy wynaleziono generator elektryczny, który był całkowicie odmienny od istniejących, ale generował ładunki elektryczne o parametrach nawet wyższych niż maszyna cierna. Projekt był prosty, więc do jego produkcji wydali specjaliści (ryc. 1). Przeprowadzono eksperymenty. I 8 maja 1777 r. architekt Dyakov poinformował Akademię Nauk o zakończeniu prac nad odgromnikiem iglicy. A teraz iglica o wysokości 122,5 metra jest do tej pory niezawodnie chroniona. Ale jeśli Amerykanie, Brytyjczycy i Niemcy znają nazwiska swoich bohaterów w walce z piorunami, to w rosyjskich podręcznikach dotyczących historii nauki można przeczytać, że VL Kraft „nie pokazał niczego specjalnego”, ani że „fizyka jako taka, szczególnie eksperymentalne, Kraft wcale nie był zainteresowany. ” I to jest więcej niż uczciwe.

Ryc. 1 duży elektrofor Kraft

3)Powyżej know-how.

10 czerwca 1775 r Włoski fizyk A. Volta ogłosił swój wynalazek nowego źródła elektryczności: „Przedstawiam wam ciało, które będąc zelektryfikowanym tylko raz, nigdy nie traci elektryczności, uparcie zachowując siłę swojego działania”. Autor nazwał to urządzenie słowami „elettroforo perpetuo”, co można przetłumaczyć jako „elektryczność płynąca wiecznie”. Urządzenie było proste przed prymitywizmem. Jego nazwa w terminologii fizycznej została zredukowana do słowa „elektrofor”, ale sukces jego zastosowania był przytłaczający. Teraz, aby otrzymywać ładunki elektryczne w dużych ilościach, nie było konieczne korzystanie z usług istniejących maszyn elektrycznych.

Volta nie uważał się za jedynego wynalazcę tego urządzenia. Jak każdy wielki naukowiec, honorował zasługi swoich poprzedników. Oto jego słowa: „Epinus i Wilke przewidzieli ten pomysł i odkryli zjawisko, chociaż nie zbudowali gotowego urządzenia”. Co to za oczekiwanie? A nazwisko Epinus znajduje się w tym tekście po raz drugi. I to nie jest przypadek.

Profesor Uniwersytetu w Rostocku F. Epinus i jego student I. Wilke w odkrywaniu elektryczności to zjawisko zwane teraz indukcją elektryczną. Znaczenie odkrycia można wyjaśnić w następujący sposób: każde ciało umieszczone w samym polu elektrycznym staje się elektryczne. Później Epinus zostanie zaproszony do Rosji od 1757 r. zostanie członkiem Akademii Nauk w Petersburgu. Tutaj będzie żył do końca życia, a tutaj napisze swoje główne dzieło życia - „Doświadczenie w teorii elektryczności i magnetyzmu”.Został opublikowany w Petersburgu w 1759 roku. i stał się bardzo popularny wśród fizyków. Zapoznałem się z tą pracą i A. Voltą. Zwrócił szczególną uwagę na doświadczenie akademika petersburskiego, które poniżej przedstawimy.

Na dwóch szklanych szklankach A i B metalowy pręt C jest zainstalowany na długości pół metra. Na końcach tego pręta umieszczane są dwa inne odważniki blokowe 1 i 2 (ryc. 2). Jeśli przyniesiesz (bez dotykania) tarty sztyft woskowy od strony pierwszego ciężarka, możesz być pewien, że podczas usuwania małych obciążników zostanie on naładowany. Pierwszy jest dodatni, drugi to ujemny prąd. Co więcej, taka operacja bez wcierania więcej patyczków woskowych może być wykonana tyle razy, ile chcesz. Wosk uszczelniający nie zmniejszył się. Zasadniczo maszyna do ładowania ciał elektrycznością była gotowa. Zamiast ciężarków można było nałożyć na pręt dowolne ciała do zelektryfikowania i zelektryfikować je. Dlaczego nie perpetuum mobile?

Był to prototyp elektroforu Volty, którego mechanizm jest bardzo prosty do wyjaśnienia współczesnym. Tarty wosk uszczelniający jest ładowany ujemnie. Tworzy pole elektryczne, które działa na wolne elektrony metalowego pręta. Mając ładunek ujemny, są one redystrybuowane w kostce w taki sposób, że gromadzą się w wadze 2 i pozostają w deficycie w wadze 1. Na końcach kostki powstaje różnica potencjałów. Można ją usunąć do woli. Geniusz Volty był potrzebny do wykorzystania tego zjawiska w praktyce, a nawet do zmniejszenia skromnych rekwizytów w instalacji Epinusa. Volta w ogóle nie używa obciążników. W chwili przyniesienia wosku przez sekundę dotyka palcem końca paska naprzeciwko wosku. Oczywiste jest, że nadmiar elektronów przepływał przez ciało fizyka do „ziemi”. Teraz, kiedy usunięto wosk uszczelniający, okazało się, że cały pręt jest naładowany dodatnią elektrycznością. Na tej zasadzie możliwe było już stworzenie maszyny elektrycznej wygodniejszej niż maszyny cierne. Ale nie tylko była to zaleta nowego samochodu.

Okazuje się, że maszyna elektroforowa jest w stanie nie tylko uzyskać ładunek, ale także wielokrotnie zwiększać swój potencjał elektryczny. A Volta skorzystał z tej własności, gdy udowodnił tożsamość elektryczności, uzyskany w ogniwie galwanicznym oraz elektryczność wytwarzana przez tarcie, a także ładunek błyskawicy z chmury. Wszystkie te ładunki okazały się mieć dokładnie ten sam charakter. I zostało to udowodnione przez elektrofor.

Jak działał gigantyczny elektrofor?

Owalna, pokryta cyną ogromna „patelnia” o powierzchni około czterech metrów kwadratowych (!!!) została wypełniona zamrożonym stopem żywicy i wosku. Leżała u podstawy elektroforu. Na nim, na stojakach o wysokości większej niż dwa metry, na linach przechodzących przez bloki, zawieszona była kolejna patelnia dyskowa, nieco mniejsza. Wymiary całej maszyny wynosiły 3 x 2,5 x 1,5 metra. (Ryc. 1). Wybacz średniowieczne wady graficzne artysty. Geometria opisowa, która pozwala przedstawić trójwymiarowe rysunki na płaszczyźnie, pojawi się dopiero w 1799 roku.

W szczególności uprościliśmy rysunek, aby zrozumieć zasadę maszyny. (Ryc. 3) Para patelni dyskowych, izolowanych od siebie jedwabnymi linami, to skraplacz powietrza o zmiennej pojemności. Przypomnijmy, że pojemność kondensatora jest odwrotnie proporcjonalna do odległości między płytkami. Im mniejsza odległość, tym większa pojemność i odwrotnie. Wydajność eksperymentatora została zmieniona poprzez podniesienie i opuszczenie zawieszonej szalki. Aby usunąć ładunki, miedzianą kulkę B przylutowano do górnej części ruchomej szalki, dla dolnej A.

Praca elektroforu rozpoczęła się od wzbudzenia ładunku w dolnej „misce”. Można to zrobić, pocierając żywicę zwykłym futrzanym kapeluszem. Ta procedura była przeprowadzana na raz. Następnie ruchoma część elektroforu spadła tak nisko, jak to możliwe, ale nie pozwalając na kontakt z dolną „pan”. Tak właśnie się dzieje.

Wiemy, że górny dysk wykonany jest z metalu, a metale mają strukturę krystaliczną. Kryształy te można uznać za sieć dodatnich jonów metali, których komórki są wypełnione elektronami. Elektrony te można przyrównać do cząsteczek gazu poruszających się w sposób ciągły. Gdy górny dysk zbliża się do dolnego, pole ujemne żywicy na ujemnie naładowanych elektronach rośnie coraz bardziej. Prowadzi to do tego, że wypychające elektrony rozpraszają się w górnej części dysku, a także w lutowanej miedzianej kuli C. W rezultacie górna część ruchomej „patelni” odbiera nadmiar elektronów z niedoborem w dolnej. Odpowiednio, górna część ruchomego dysku i kula C są naładowane ujemnie, a dolna jest dodatnia.

Jeśli kula przewodząca B lub C jest teraz uziemiona, wówczas nadmiar elektronów przepłynie z góry „szalki” do ziemi, czyniąc ją neutralną, ale brak elektronów na dole pozostanie. W swoim elektroforze Volta wykonał tę procedurę za dotknięciem palca, aw gigantycznym, gdzie ładunek był duży, prądy przepływające przez eksperymentator były duże i mogły uszkodzić elektryzator. Dlatego projektanci maszyny opracowali specjalną elektrodę uziemiającą, która działała automatycznie. Podczas opuszczania górnej części miski kulka C stykała się w najniższym położeniu z uziemioną kulką D, przez którą elektrony wpływały do ​​ziemi. Z niewielkim wzrostem w górnym dysku kontakt został przerwany, a brak elektronów rozprzestrzenił się już na cały dysk. A potencjał tego ładunku wzrastał wraz ze wzrostem wysokości dysku. Ta prawidłowość została po raz pierwszy zauważona w historii świata w 1759 r. Przez akademika petersburskiego F.U.T. Epinusa.

Zwykle studenci nie rozumieją tego całkowicie, chociaż nikomu nie wolno powtarzać doświadczenia Epinusa, a jest to stosunkowo łatwe. Tę prawidłowość można łatwo zapisać za pomocą symboli we wzorze, który znajduje się w dowolnym podręczniku elektrotechniki. Nieufność uczniów do wyników tego eksperymentu jest najprawdopodobniej spowodowana ideą kondensatora o zmiennej pojemności jako rodzaju perpetuum mobile, która zwiększa potencjał ładunku. Ale wzrost potencjału odbywa się kosztem kosztów energii do mechanicznej pracy rozkładania płyt. W końcu płyty kondensatora naładowane przeciwnymi ładunkami przyciągają się do siebie z pewną siłą, którą należy pokonać.

Oczywiście nie można zasymulować procesu wyładowania piorunowego nawet za pomocą takiego giganta elektroforowego, ale do tej pory wysoki potencjał ładunków fizycznych uzyskuje się za pomocą samochody van de graaffgdzie ładunki są dostarczane mechanicznie do gigantycznych kulek przewodzących.

Nie znamy potencjału ładunku otrzymanego w elektroforze carskim, ale nieznany autor napisał w źródłach archiwalnych: „Ona (maszyna) jest gotowa uderzyć każdego, kto ośmieli się dotknąć jej piłki. Z doświadczenia wiadomo, że ten elektrofor może nawet zabić byka. Okropna moc! ”

Twórcy petersburskiego giganta.

Nazwiska projektantów gigantycznej maszyny są nam znane ze słów słynnego fizyka Johanna Bernoulli, który odwiedził Petersburg w 1778 roku. Jest to profesor petersburskiej Akademii Nauk Wolfgang Ludwig Kraft (1743–1814) i mechanik tej samej Akademii, rosyjski rzemieślnik I.P. Kulibin (1735–1818). W jednej ze współczesnych książek na temat elektryczności można przeczytać: „W projektach technicznych maszyn indukcyjnych nawet wyrafinowanemu oku nie jest łatwo dostrzec ich proste podstawowe zasady”. Niesamowitą osobą był Kulibin. Niezależnie raz nauczył się, jak robić teleskopy nie gorsze od angielskiego, i osobiście dopracował soczewki. Tak było również w przypadku elektroforu, którego istota jest dla wielu inżynierów niezrozumiała. Tak więc zaszczyt zbudowania gigantycznego elektroforu należy w całości do naszych rodaków.

Pochodzący z Niemiec V.L. Kraft nie może być uważany za obcokrajowca.Urodził się i zmarł w Petersburgu, aw historii fizyki jego imię znajduje się w rosyjskiej wersji - Login Yuryevich. To nie jego wina, że ​​nie pozwolono mu pracować w dziedzinie fizyki. Katarzyna II zidentyfikowała go jako nauczyciela swoich wnuków, wśród których byli przyszli cesarze Aleksander I i Mikołaj I.

Katarzyna II również zerwała swoją karierę naukową z petersburskim akademikiem, pionierem indukcji elektrycznej F.U.T. Epinusa (1724-1802), jednym z najbardziej obiecujących specjalistów w dziedzinie elektryczności tamtych czasów. Był zobowiązany do odszyfrowania przechwyconej korespondencji dyplomatycznej cudzoziemców z Petersburga dla cesarzowej. Ale nie ma wątpliwości, że brał udział w tworzeniu gigantycznej maszyny jako konsultant. Przeciążenie w rozszyfrowywaniu wysyłek dyplomatycznych było tak duże, że poważnie zachorował na chorobę psychiczną i pod koniec życia nie mógł robić nauki.

Los tego samochodu nie jest znany. Z czyjegoś rozkazu została zabrana z Kunstkamera. I może nie bez powodu. Bali się jej i z tego powodu. Stwierdzono, że elektrofory mogą działać bez wstępnego ładowania. W przypadku gigantycznego elektroforu nad dolną miską było dość lekkiej bryzy. aby zdobyć wysokie, śmiertelne potencjały na szczycie.

Dlaczego napisano ten artykuł?

Wszystkie powyższe powinny pokazać czytelnikowi, że bardzo łatwo jest uzyskać potencjały elektryczne nawet w domu. Znalezienie możliwości ich praktycznego zastosowania jest kwestią mózgów współczesnych Kulibinów. Możliwości wykorzystania elektryczności statycznej prawdopodobnie istnieją nawet w życiu codziennym. Konieczne jest jedynie zainteresowanie wynalazcami. A oto dwa przykłady tego.

W latach 40. ubiegłego wieku patriarcha radzieckich fizyków A.F. Ioffe opracował generator elektrostatyczny do zasilania aparatu rentgenowskiego. Generator był prosty i niezawodny. Potem wpadł na pomysł przeniesienia całej elektroenergetyki kraju na elektrostatykę. Wówczas transformatory podwyższające napięcie i prostowniki linii przesyłowych stają się niepotrzebne. Transmisje prądu stałego są najbardziej ekonomiczne, tym bardziej zanika strata podczas transformacji. Niestety, dla dużej branży elektroenergetycznej taki system jest niemożliwy do praktycznej produkcji generatorów. Istnieją jednak również odbiorniki o niskiej mocy, zwłaszcza że generatory statyczne nie wytwarzają pól magnetycznych i są bardzo lekkie.

Wiadomo, że już w 1748 roku. wielki Amerykanin B. Franklin do celów praktycznych używał silnika o napędzie statycznym - obrócił szpikulec z indyka nad brytfanną. Teraz takie silniki są zapomniane, chociaż nie mają uzwojenia, stali elektrycznej i miedzi. Oznacza to, że mogą być bardzo niezawodne w działaniu. Takie silniki są bardzo obiecujące do zastosowań kosmicznych. Ponadto rozwój chemii polimerów obiecuje nam nowe materiały dielektryczne.

Możesz więc myśleć w tym kierunku.