Car - elektrofore

U ljeto 1814. godine Napoleonov pobjednik sve ruski car Aleksandar Prvi posjetio je nizozemski grad Haarlem. Ugledni gost pozvan je u lokalnu akademiju. Ovdje je, kako je historiograf napisao, "Veliki električni stroj prije svega privukao pažnju Njegovog Veličanstva." Napravljeno 1784. godine. automobil je zaista ostavio veliki dojam. Dva staklena diska promjera visine osobe rotiraju se na zajedničkoj osi uz trud četiri osobe. Električna energija trenja (triboelektričnost) isporučena je za punjenje baterija Leiden-ovih kanti s dvije žlice, kondenzatora toga vremena. Iskre su iz njih dosezale duljinu veću od pola metra, u što je car bio uvjeren.

Njegova reakcija na ovo srednjoeuropsko čudo tehnologije bila je više nego suzdržana. Aleksandar je od djetinjstva bio poznat s još većim strojem i to je davalo više tih iskre. Napravljeno je. još ranije 1777. u svojoj domovini u Sankt Peterburgu bilo je jednostavnije, sigurnije i zahtijevalo je manje slugu nego Nizozemci. Carica Katarina II u nazočnosti svojih unuka zabavljala se uz pomoć ovog stroja električnim eksperimentima u Carskom selu. Potom je ona, kao rijedak eksponat, prebačena u St. Petersburg Kunstkamera, a zatim je nekim nalogom izvedena van i tragovi su joj se izgubili.

Aleksandru je prikazana tehnika jučerašnjeg dana. Načelo proizvodnje električne energije trenjem nije se primjenjivalo više od 200 godina, dok se ideja koja stoji na osnovi domaćeg stroja još uvijek koristi u modernim laboratorijima škola i sveučilišta u svijetu. Ovaj je princip - elektrostatička indukcija - u Rusiji otkrio i prvi opisao ruski akademik, čije ime malo ljudi zna, a to je nepravedno. Na ovo bih želio podsjetiti sadašnju generaciju.

Zašto vam je trebao džinovski automobil?

Opisi djela proizvedenih u Sankt Peterburgu na divovskom stroju nisu pronađeni. Poznato je da su iste godine u instrumentnoj komori Akademije znanosti na otoku Vasilievsky električni generatori izrađivani od "džepnih" generatora za zabavu i samoliječenje u obiteljskom krugu, do serijskih za fizičke laboratorije znanstvenika. Zašto su napravili skupi automobil čudovišta? Mogu li odgovoriti na ovo pitanje?

To je ono do čega je došla naša lista želja.

1769. god u talijanskom gradu Brescia munja je pogodila crkvu, u podrumima kojih je bilo pohranjeno oko 100 tona baruta. Eksplozija koja je uslijedila nakon udara uništila je dio grada i tisuće njegovih stanovnika. S obzirom na ovaj nadaleko poznat slučaj, britanska se vlada obratila znanstvenicima sa svoje akademije da preporuče pouzdanu zaštitu od munje za svoja skladišta praha. Iz Londonskog kraljevskog društva, među članovima čiji je bio i američki izumitelj gromobrana B. Franklin, predložena je instalacija za zaštitu od groma u skladištima u Perflitu u Engleskoj.

A sada, uz pomoć modernog znanja, nemoguće je dati 100% jamstvo zaštite građevina uz pomoć gromobrana (ispravnije gromobrana). I ironično 1772. godine. gromobrani postavljeni u skladu sa svim pravilima nisu štitili skladišta od munje. "Skliznula je" sa zaštitne osovine, ali djelovala je slabo i skladište nije eksplodiralo. Ovaj je slučaj napravio veliku buku, uključujući i u Rusiji.

Ovdje u Sankt Peterburgu već 15 godina obnovljen je zvonik katedrale Petra i Pavla, koji je izgorio nakon udara groma 1756. godine. Kad je 1772. god Završen je glavni popravak šatora zvonika, koji je vodio restauratorski arhitekt A. Dyakov, prijavio se lokalnoj akademiji s preporukom za zaštitu, „kako munje ne bi prouzrokovale da spitz gori“. 25. siječnja 1773 Konferencija Akademije naložila je profesorima Epinusu, Kraftu i Euleru da izraze svoje mišljenje o tome kako ugraditi ovu zaštitu.Prema dokumentima, poznato je da se profesor fizike VL Kraft u veljači obratio vodstvu akademije sa zahtjevom "da pusti jedan električni stroj iz instrumentne komore u sobu za fiziku". Očito za eksperimente ..

Jasno je da je Kraft morao graditeljima dati specifične podatke: o materijalima vodiča, njihovom promjeru, materijalu i visini zračnog terminala itd. Sada je poznato da struje munje dosežu stotine ampera, a potencijal naboja oblaka je milijun volti. Ali tada nije bilo volta ili ampera, postojao je samo jedan način da se stvori model procesa, dobiju podaci i ekstrapoliraju ih u grmljavinske procese. Štoviše, točnost dobivenih podataka bila bi veća što je električniji stroj mogao primijeniti sličniju stvarnoj grmljavini. Običan stroj nije bio dobar: nije mogao rastopiti bakrenu žicu debljinu jedan milimetar. Trebalo je pronaći izlaz.

Ruski akademici poslali su zahtjev u London, ali i tamo su malo znali o traženim problemima. Iako su sami eksperimentirali, stvorili su "umjetni oblak" duljine više od 50 metara i širine od pola metra. Rezultati koje su dobili bili su oprečni. Triboelektrični stroj približavao se svom finalu. Za stvaranje visokih potencijala nemoguće je napraviti staklene diskove promjera, na primjer, pet metara. Centrifugalna sila u nesreći će ih sigurno pretvoriti u tisuće fragmenata opasnih za eksperimentare. Za eksperimente je bilo potrebno stvoriti neki drugi visokonaponski izvor električne energije.

Takav slučaj pojavio se 1776. godine, kada je izumljen električni generator, koji se potpuno razlikovao od postojećih, ali koji je stvarao električne naboje u parametrima čak i višim od stroja za trenje. Dizajn je bio jednostavan, pa su ga za proizvodnju oslobodili stručnjaci. (Sl. 1) Eksperimenti su izvedeni. I 8. svibnja 1777. god. arhitekt Dyakov obavijestio je Akademiju znanosti o završetku radova na gromobranu špijuna. A sada spirala s visinom od 122,5 metara do danas stoji pouzdano zaštićena. Ali, ako Amerikanci, Britanci i Nijemci znaju imena svojih junaka u borbi protiv munje, onda se u ruskim udžbenicima o povijesti znanosti može iščitati da VL Kraft „nije pokazao ništa posebno“, ili da „fizika kao takva, posebno eksperimentalni, Kraft uopće nije bio zainteresiran. " I to je više nego fer.

Sl. 1 Veliki elektrofor Kraft

WIznad know-how-a.

10. lipnja 1775 talijanski fizičar A. Volta najavio je svoj izum novog izvora električne energije: "Predstavljam vam tijelo koje, elektrificirano samo jednom, nikada ne gubi električnu energiju, tvrdoglavo održavajući snagu svog djelovanja." Autor je ovaj uređaj nazvao riječima "elettroforo perpetuo", što bi se moglo prevesti kao "zauvijek struja struje". Uređaj je prije primitivizma bio jednostavan. Njegovo ime u fizičkoj terminologiji svedeno je na riječ "elektrofore", ali uspjeh njegove primjene bio je neodoljiv. Sada, za primanje električnih naboja u velikim količinama, nije bilo potrebno koristiti usluge postojećih električnih strojeva.

Volta se nije smatrao jedinim izumiteljem uređaja. Kao i svaki veliki znanstvenik, i on je odavao počast zaslugama svojih prethodnika. Evo njegovih riječi: "Epinus i Wilke su predviđali tu ideju i otkrili fenomen, iako nisu izgradili gotov uređaj." Kakvo je to iščekivanje? A prezime Epinus nalazimo u ovom tekstu po drugi put. I to nije slučajno.

Profesor Sveučilišta u Rostocku F. Epinus i njegov student I. Wilke u otkrivanju električne energije fenomen je koji se danas naziva električna indukcija. Značenje otkrića može se objasniti na sljedeći način: svako tijelo koje je smješteno u samo električno polje postaje električno. Kasnije će Epinus biti pozvan u Rusiju od 1757. godine. postat će član Sankt Peterburške akademije znanosti. Ovdje će živjeti do kraja svog života, a ovdje će napisati svoje glavno životno djelo - „Iskustvo u teoriji električne energije i magnetizma“.Objavljeno je u Sankt Peterburgu 1759. godine. i postao vrlo popularan među fizičarima. Upoznao sam se s tim djelom i A. Volta. Posebno je skrenuo pozornost na iskustvo akademika iz Sankt Peterburga koje ćemo reproducirati u nastavku.

Na dvije staklene čaše A i B ugrađena je metalna šipka C u dužini od pola metra. Na krajevima ove šipke postavljena su još dva bloka utega 1 i 2 (Sl. 2). Ako donesete (bez dodirivanja) naribani štapić od voska sa prve strane utega, možete se uvjeriti pri uklanjanju malih utega koji se naplaćuju. Prvo je pozitivno, drugo je negativna struja. Štoviše, takva se operacija bez trljanja više voštanih štapića može obaviti onoliko puta koliko želite. Vosak za brtvljenje se nije smanjio. U principu, stroj za punjenje tijela strujom bio je spreman. Bilo je moguće umjesto težine staviti na šipku bilo koja tijela koja će se naelektrizirati i elektrificirati. Zašto ne i vječni stroj za kretanje?

Bio je to prototip Volta-ovog elektrofora, čiji je mehanizam suvremenicima vrlo jednostavno objasniti. Narezani vosak za brtvljenje naplaćuje se negativno. Stvara električno polje koje djeluje na slobodne elektrone metalne šipke. Imajući negativan naboj, oni se redistribuiraju u šipci na takav način da se nakupljaju u masi 2 i ostaju u deficitu u težini 1. Na krajevima šipke pojavljuje se potencijalna razlika. Može se zbrinuti po volji. Genija Volta bio je potreban da bi se ovaj fenomen iskoristio u praksi, a čak i da bi se smanjio slab rekvizit u postavljanju Epina. Volta uopće ne koristi utege. Upravo u trenutku donošenja voska, na trenutak, on prstom dodiruje kraj šipke nasuprot voska. Jasno je da su višak elektrona kroz fizikarovo tijelo strujili u „zemlju“. Sada, kad je uklonjen vosak za brtvljenje, ispostavilo se da je cijela traka nabijena pozitivnom strujom. Na ovom principu već je bilo moguće stvoriti električni stroj prikladniji od tornih strojeva. Ali ne samo to je bila prednost novog automobila.

Ispada da je stroj za elektrofore sposoban ne samo da napuni, već i poveća svoj električni potencijal više puta. Volta je iskoristio ovo imanje kada je dokazao identitet struje, dobivene u galvanskoj ćeliji i električne energije nastale trenjem, kao i naelektrisanje oblaka u oblaku. Pokazalo se da su sve te optužbe potpuno iste naravi. A to je dokazao elektroforom.

Kako je funkcionirao divovski elektrofor?

Oguljena, kositrena prekrivena ogromna "tava" površine oko četiri četvorna metra (!!!) bila je ispunjena smrznutom rastopinom smole i voska. Ležala je u podnožju elektrofore. Na njemu, na stalcima visokim više od dva metra, na konopcima koji su prolazili kroz blokove, visila je druga ploča za prženje diska, malo manja. Dimenzije cijelog stroja bile su 3 x 2,5 x 1,5 metara. (Sl. 1). Oprostite grafičkim nedostacima srednjovjekovnog umjetnika. Opisna geometrija koja vam omogućuje da prikažete trodimenzionalne crteže na ravnini pojavit će se tek 1799. godine.

Konkretno smo pojednostavili crtež da bismo razumjeli princip stroja. (Sl. 3) Par posuda s diskovima, izolirane svilenim užadima, međusobno su kondenzator zraka promjenljivog kapaciteta. Podsjetimo da je kapacitet kondenzatora obrnuto proporcionalan udaljenosti između ploča. Što je udaljenost manja, to je veći kapacitet i obrnuto. Kapacitet eksperimentatora promijenjen je podizanjem i spuštanjem suspendirane posude. Da biste uklonili naboje, za gornji dio pokretne posude lemljena je bakrena kugla B za donji A.

Rad elektrofora počeo je uzbuđenjem naboja u donjem "tavu". To bi se moglo postići trljanjem smole običnim krznenim šeširom. Taj je postupak proveden u isto vrijeme. Tada je pokretni dio elektrofore pao što je moguće niže, ali, ne dopuštajući kontakt s donjim "tavom". To se događa u njemu.

Znamo da je gornji disk izrađen od metala, a metali imaju kristalnu strukturu. Ti se kristali mogu smatrati rešetkom pozitivnih iona metala, čije su stanice ispunjene elektronima. Ti se elektroni mogu uspoređivati ​​s molekulama plina koji se neprekidno kreću. Kako se gornji disk približava donjem, negativno polje smole na negativno nabijenim elektronima raste sve više i više. To dovodi do činjenice da elektroni koji izbacuju difundiraju u gornji dio diska, a također i u lemljenu bakrenu kuglu C. Kao rezultat, gornji dio pomične „tave“ prima višak elektrona s nedostatkom u donjem. Prema tome gornji dio pomičnog diska i kugla C negativno su nabijeni, a donji pozitivni.

Ako je kugla vodiča B ili C sada uzemljena, višak elektrona će teći s vrha "tave" na zemlju, čineći je neutralnim, ali nedostatak elektrona u dnu ostaje. Volta je u svom elektroforu izvodio taj postupak dodirom prsta, a u džinovskom, gdje je naboj bio velik, struje koje su prolazile kroz eksperimentator bile su velike i mogle su ozlijediti elektrifikator. Stoga su dizajneri stroja smislili posebnu uzemljenu elektrodu, koja je radila automatski. Pri spuštanju vrha posude, kugla C bila je u kontaktu u svom najnižem položaju s uzemljenom kuglom D, kroz koju su elektroni ulivali u zemlju. Laganim porastom gornjeg diska, kontakt je prekinut i nedostatak elektrona već se proširio na cijeli disk. I potencijal ovog naboja povećavao se s povećanjem visine diska. Tu je pravilnost prvi put primijetio u svjetskoj povijesti 1759. godine peterburški akademik F.U.T. Epinus.

Studenti to obično ne razumiju u potpunosti, mada ni jednoj osobi nije zabranjeno ponavljati Epinusovo iskustvo, a to je relativno jednostavno. Ta se regularnost lako bilježi simbolima u formuli koja se nalazi u bilo kojem udžbeniku elektrotehnike. Nepovjerenje studenata u rezultate ovog eksperimenta najvjerojatnije je uzrokovano idejom kondenzatora promjenjive kapacitivnosti kao svojevrsnog stalnog stroja za kretanje s kojeg povećava potencijal naboja. Ali porast potencijala dolazi na štetu troškova energije za mehanički rad na posipavanju ploča. Uostalom, ploče kondenzatora nabijene suprotnim nabojima privlače se jedna s drugom s određenom silom koju je potrebno savladati.

Naravno, nemoguće je simulirati proces pražnjenja munje čak i uz pomoć takvog elektroforovog diva, ali do sada se pomoću potencijala fizičkih naboja dobivaju visoki potencijali automobili van de graaffgdje se naboji mehanički isporučuju divovskim provodničkim kuglicama.

Ne znamo potencijal naboja primljenog na carskom elektroforu, ali nepoznati autor napisao je u arhivskim izvorima: „Ona (stroj) spremna je pogoditi sve koji se usude dodirnuti njezinu loptu. Iz iskustva je poznato da ovaj elektrofor može čak i ubiti bika. Strašna moć! "

Tvorci diva u Sankt Peterburgu.

Imena dizajnera divovskog stroja poznata su nam iz riječi slavnog fizičara Johanna Bernoullija koji je 1778. posjetio Peterburg. Ovaj profesor Akademije nauka u Sankt Peterburgu Wolfgang Ludwig Kraft (1743-1814) i mehaničar iste akademije, ruski zanatlija I. P. Kulibin (1735-1818). U jednoj od modernih knjiga o električnoj energiji može se pročitati: „U tehničkom dizajnu indukcijskih strojeva čak ni sofisticirano oko ne može razaznati njihove jednostavne temeljne principe.“ Nevjerojatna osoba bio je Kulibin. Jednom je samostalno naučio da izrađuje teleskope ne lošije od engleskog, a osobno je polirao leće. To je bio slučaj i s elektroforom, čija je suština i sada većini inženjera nerazumljiva. Dakle, čast graditi divovsku elektroforu u potpunosti pripada našim sunarodnjacima.

Nijemac V.L.Kraft ne može se smatrati strancem.Rođen je i umro u Sankt Peterburgu, a u povijesti fizike njegovo se ime nalazi u ruskoj verziji - Login Yuryevich. Nije njegova krivica što mu nije bilo dopušteno da radi na polju fizike. Katarina II identificirala ga je učiteljem svojih mnogih unuka, među kojima su bili i budući carevi Aleksandar I i Nikola I.

Katarina II također je prekinula svoju znanstvenu karijeru Санкт-Peterburgu akademiku, otkrivaču električne indukcije F.U.T.-u Epinusu (1724-1802), jednom od najperspektivnijih stručnjaka na polju električne energije toga doba. Bio je dužan dešifrirati presretnutu diplomatsku prepisku stranaca Sankt Peterburga za caricu. No nema sumnje da je kao savjetnik sudjelovao u stvaranju divovskog stroja. Preopterećenja u dešifriranju diplomatskih otpreme bila su toliko velika da se ozbiljno razbolio od mentalne bolesti i na kraju svog života nije mogao baviti znanošću.

Sudbina ovog automobila nije poznata. Po nečijem nalogu, nju su izveli iz Kunstkamere. A možda i nije bez razloga. Bojali su se nje i zbog toga. Utvrđeno je da elektrofore mogu raditi bez prethodnog naboja. Za divovsku elektroforu bio je dovoljan lagani povjetarac iznad donje tave. zatim da dobijem visoke, smrtonosne potencijale na vrhu.

Zašto je napisan ovaj članak?

Sve gore trebalo bi pokazati čitatelju da je vrlo lako dobiti električne potencijale čak i kod kuće. Pronaći mogućnosti njihove praktične primjene pitanje je mozga modernih Kulibina. Mogućnosti korištenja statičkog elektriciteta vjerojatno postoje čak i u svakodnevnom životu. Potrebno je samo zainteresirati se za izumitelje. I evo dva primjera toga.

U 40-im godinama prošlog stoljeća patrijarh sovjetskih fizičara A. F. Ioffe razvio je elektrostatički generator za napajanje rendgenskog aparata. Generator je bio jednostavan i pouzdan. Tada je došao na ideju da svu elektroenergetsku industriju u zemlji prenese na elektrostatiku. Tada pojačani transformatori i ispravljači za dalekovode postaju nepotrebni. Prijenosi s izravnim strujama su najekonomičniji, što više gubitka tijekom transformacije nestaje. Ali nažalost, za veliku elektroenergetsku industriju takav sustav je nemoguć za praktičnu proizvodnju generatora. Ali postoje i potrošači male snage, pogotovo jer statički generatori ne stvaraju magnetska polja i jako su lagani u težini.

Poznato je da je 1748. god. sjajni Amerikanac B. Franklin koristio je statički motor u praktične svrhe - okrenuo je pureći skewer preko tave za pečenje. Sada su takvi motori zaboravljeni, iako nemaju namotaje, električni čelik i bakar. To znači da mogu biti vrlo pouzdani u radu. Takvi motori su vrlo obećavajući za svemirske primjene. Nadalje, razvoj polimerne kemije obećava nam nove dielektrične materijale.

Tako da možete razmišljati u ovom smjeru.