Текст книги "История электротехники"

Автор книги: авторов Коллектив

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 78 страниц) [доступный отрывок для чтения: 28 страниц]

1.2. НАЧАЛО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА И МАГНЕТИЗМА

В XVI–XVII вв. в Европе все большее распространение получает экспериментальный метод научных исследований, одним из основоположников которого по праву называют Леонардо да Винчи (1452–1519 гг.). Изобретения и открытия этого «титана эпохи Возрождения» поражают своей глубиной и разносторонностью. Он был не только искуснейшим всадником, фехтовальщиком, поэтом, музыкантом, но и конструктором разнообразных машин и приборов, гениальным художником, математиком, астрономом, геологом, ботаником, анатомом, военным инженером, мыслителем-материалистом.

Его записные книжки, эскизы различных машин и механизмов насчитывают более 7 тыс. листов. Очень важно отметить, что он сумел сделать поразительный рывок в будущие века и оставил чертежи и эскизы не только летательных аппаратов и цилиндра паровой машины с поршнем, но и предсказал волновую природу света и магнетизма, что было подтверждено учеными спустя лишь около 400 лет. В одной из его записных книжек можно найти знаменательные слова: «Не слушай учения тех мыслителей, доводы которых не подтверждены опытом».

Экспериментальный метод исследований нанес заметный удар по мистицизму и разного рода вымыслам и предрассудкам.

Значительный перелом в представлениях об электрических и магнитных явлениях наступил в самом начале XVII в., когда вышел в свет фундаментальный научный труд видного английского ученого (врача английской королевы Елизаветы) Вильяма Гильберта (1554–1603 гг.) «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле» (1600 г.). Будучи последователем экспериментального метода в естествознании, В. Гильберт провел более 600 искусных опытов, открывших, как он писал, тайны «скрытых причин различных явлений» [1.2; 1.6].

В отличие от многих своих предшественников В. Гильберт считал, что магнитная стрелка движется под влиянием магнетизма Земли, которая является большим магнитом. Свои выводы он основывал на оригинальном эксперименте, впервые им осуществленном. Он изготовил из магнитного железняка небольшой шар – «маленькую Землю – тереллу» и доказал, что магнитная стрелка принимает по отношению к поверхности этой «тереллы» такие же положения, какие она принимает в поле земного магнетизма. Он установил возможность намагничивания железа посредством земного магнетизма.

Исследуя магнетизм, В. Гильберт занялся также и изучением электрических явлений. Он доказал, что электрическими свойствами обладает не только янтарь, но и многие другие тела: алмаз, сера, смола, горный хрусталь – электризующиеся при их натирании. Эти тела он назвал «электрическими» в соответствии с греческим названием янтаря (электрон). Но В. Гильберт безуспешно пытался наэлектризовать металлы, не изолируя их, и поэтому пришел к ошибочному выводу о невозможности электризации металлов трением. Это заключение В. Гильберта было убедительно опровергнуто спустя два столетия выдающимся русским электротехником академиком Василием Владимировичем Петровым [1.8].

В. Гильберт правильно установил, что «степень электрической силы» бывает различна, и влага снижает электризацию тел при натирании.

Сравнивая магнитные и электрические явления, В. Гильберт утверждал, что они имеют разную природу: например, «электрическая сила» происходит только от трения, тогда как магнитная постоянно воздействует на железо; магнит поднимает тела значительной тяжести, электричество – только легкие тела. Этот ошибочный вывод В. Гильберта продержался в науке более 200 лет.

Представления о том, что электрические явления обусловлены присутствием особой «электрической жидкости», аналогичной «теп-лотвору» и «светотвору», были характерны для науки того периода, когда механические взгляды на многие явления природы были господствующими.

Фундаментальный труд В. Гильберта выдержал в течение XVII в. нескольких изданий, он был настольной книгой многих естествоиспытателей в разных странах Европы и сыграл огромную роль в развитии учения об электричестве и магнетизме. Великий Г. Галилей писал о сочинениях В. Гильберта: «Я воздаю величайшую похвалу и завидую этому автору».

1.3. ОТКРЫТИЕ НОВЫХ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Одним из первых, кто, познакомившись с книгой В. Гильберта, решил получить более сильные проявления электрических сил, был известный изобретатель воздушного насоса и опыта с полушариями магдебургский бургомистр Отто фон Герике (1602–1686 гг.). В 1650 г. он изготовил шар из серы размером с детскую голову, насадил его на железную ось, укрепленную на деревянном штативе (рис. 1.2). При помощи ручки шар мог вращаться и натирался ладонями рук или куском сукна, прижимаемого к шару рукой. Это была первая простейшая электростатическая машина. О. Герике удалось заметить слабое свечение электризуемого шара в темноте и, что особенно важно, впервые обнаружить, что пушинки, притягиваемые шаром, через некоторое время отталкиваются от него – это явление ни О. Герике, ни многие его современники долго не могли объяснить. Немецкий ученый Г.В. Лейбниц (1646–1716 гг.), пользуясь машиной О. Герике, наблюдал электрическую искру – это первое упоминание об этом загадочном явлении.

^{Рис. 1.2. Электростатическая машина Герике} 

В течение первой половины XVII в. электростатическая машина претерпела ряд усовершенствований: серный шар был заменен стеклянным (так как стекло более интенсивно электризовалось), а позднее вместо шаров или цилиндров (которые труднее было изготовить, и при нагревании они нередко взрывались) стали применять стеклянные диски. Для натирания использовались кожаные подушечки, прижимаемые к стеклу пружинками; позднее для усиления электризации подушечки стали покрывать амальгамой.

Важным новым элементом конструкции машины стал кондуктор (1744 г.) – металлическая трубка, подвешенная на шелковых нитях, а позднее устанавливаемая на изолированных опорах. Кондуктор служил резервуаром для Сбора электрических зарядов, образованных при трении. После изобретения лейденской банки ее также устанавливали рядом с машиной. В 60-х годах XVIII в. электростатическая машина приобрела основные современные черты.

Заметные успехи в изучении электрических и магнитных явлений привели к открытию ранее неизвестных фактов: обнаружению двух родов электричества и установлению законов их взаимодействия; установлению «быстроты передачи электричества»; созданию новых электрических приборов, позволявших получать и накапливать электричество в больших количествах; изучению явлений атмосферного электричества; разработке первых теорий электрических явлений.

Значительным шагом в изучении свойств электрических зарядов были исследования члена английского Королевского общества Стефана Грея (1670–1736 гг.) и члена Парижской академии наук Шарля Франсуа Дюфе (1698–1736 гг.).

В результате многочисленных экспериментов С. Грею удалось установить, что электрическая способность стеклянной трубки притягивать легкие тела может быть передана другим телам, и он показал (1729 г.), что тела в зависимости от их отношения к электричеству можно разделить на две группы: проводники (например, металлическая нить, проволока) и непроводники (например, шелковая нить).

Продолжая опыты С. Грея, Ш.Ф. Дюфе (в 1733 г.) обнаружил два рода электрических зарядов – «стеклянные» и «смоляные» и их особенность отталкивать одноименные и притягивать противоположные заряды. Дюфе также создал прототип электроскопа в виде двух подвешенных и расходящихся при их электризации нитей.

После того как было установлено разделение тел на проводники и непроводники, а опыты с электростатическими машинами получили широчайшее распространение, совершенно естественной была попытка «накопить» электрические заряды в каком-то стеклянном сосуде, который мог их сохранить:

Среди многих физиков, занявшихся подобными экспериментами, наибольшую известность получил голландский профессор из г. Лейдена Питер Мюсхенбрук (Мушенбрук) (1692–1761 гг.).

^{Рис. 1.3. Опыт Мюсхенбрука (со старинной гравюры)} 

Зная, что стекло не проводит электричества, он (в 1745 г.) взял в правую руку стеклянную банку (колбу), наполненную водой (которая являлась проводником), опустил в нее медную проволоку, висевшую на кондукторе электростатической машины, и попросил своего помощника вращать шар машины. При этом он правильно предположил, что заряды, поступавшие с кондуктора, будут накапливаться в стеклянной банке (рис. 1.3). После того как, по его мнению, в банке накопилось достаточное количество зарядов, он решил левой рукой отсоединить медную проволоку. При этом он ощутил сильный удар, ему показалось, что «пришел конец». Он писал, что этот «новый страшный опыт советую самим никак не повторять» и что ради короны Франции он не согласится подвергнуться «столь ужасному сотрясению».

Так была изобретена лейденская банка (по названию г. Лейдена), а вскоре и первый простейший конденсатор – одно из распространеннейших электротехнических устройств. Опыт П. Мюсхенбрука произвел подлинную сенсацию не только среди физиков, но и среди многих любителей, интересовавшихся электрическими опытами. Уже в 1746–1747 гг. были разработаны первые теории лейденской банки.

^{Рис. 1.4. Электростатическая машина Болотова} 

Одним из важнейших последствий изобретения лейденской банки явилось установление влияния электрических разрядов на организм человека, что привело к зарождению электромедицины – это было первое сравнительно широкое практическое применение электричества, сыгравшее большую роль в углублении изучения электрических явлений. Одним из пионеров в области электромедицины был известный русский ученый-энциклопедист Андрей Тимофеевич Болотов (1738–1833 гг.). В его сочинении [1.9] подробно описаны многочисленные опыты по лечению «разных болезней» с помощью созданной им оригинальной и простой электрической машины с лейденской банкой (рис. 1.4) и разнообразных инструментов. Им также были изобретены компактные складные и дорожные машины с диаметром стеклянного шара 20 см. В созданной им первой в России стационарной электролечебнице была оказана помощь тысячам больных. А.Т. Болотовым был написан «Краткий электрический лечебник» (1793 г.) и «История моего электризования и врачевания разных болезней оным» в трех томах (1792 г.).

Опыт П. Мюсхенбрука был повторен в присутствии короля французским аббатом Нолле (1700–1770 гг.); он образовал цепь из 180 гвардейцев, взявшихся за руки, причем первый держал банку в руке, а последний прикасался к проволоке, извлекая искру. Удар почувствовался всеми в один момент. От этой цепи солдат и произошел термин «электрическая цепь».

Постепенно конструкция лейденской банки совершенствовалась: воду заменили дробью, а затем наружная поверхность покрывалась тонкими свинцовыми пластинами, а позднее внутреннюю и наружную поверхности стали покрывать оловянной фольгой, и банка приобрела современный вид.

При проведении исследований с банкой было установлено (в 1746 г. англичанином Б. Вильсоном), что количество электричества, собираемое в банке, пропорционально толщине обкладок и обратно пропорционально толщине изоляционного слоя. В 70-х годах XVIII в. металлические пластины стали разделять не стеклом, а воздушным промежутком. Так появился простейший конденсатор.

Электростатические машины и лейденские банки использовались медиками в разных странах Европы. Как уже отмечалось, значительный вклад в электромедицину был сделан В.В. Петровым, который использовал для этих целей не только электростатические машины, но как это будет показано в следующей главе, и электрохимические источники, в частности созданную им «огромную наипаче» гальваническую батарею [1.6; 1.8; 2.1].

Успехи в области исследования электростатических явлений и их практического применения, достигнутые к концу XVIII столетия, подготовили почву для открытия новых, ранее не известных явлений, создания источников постоянного электрического тока и изучения его свойств. Все это привело к становлению и последующему бурному развитию электротехники.

1.4. ИЗУЧЕНИЕ АТМОСФЕРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Важным и вполне закономерным шагом на пути изучения электрических явлений был переход от качественных наблюдений к установлению количественных связей и закономерностей, к разработке основ теории электричества. Наиболее значительный вклад в решение этих проблем был сделан петербургскими академиками М.В. Ломоносовым, Г.В. Рихманом и американским ученым Б.Франклином [1.1; 1.6; 1.10; 1.14].

Выдающийся ученый-энциклопедист XVIII в. Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765 гг.) явился основоположником изучения электрических явлений в России, автором первой теории электричества. При поддержке М.В. Ломоносова его коллега академик Георг Вильгельм Рихман (1711–1753 гг.) разработал в 1745 г. оригинальную конструкцию первого электроизмерительного прибора непосредственной оценки – «электрического указателя» (рис. 1.5), который принципиально отличался от уже известного электроскопа тем, что был снабжен деревянным квадрантом со шкалой, разделенной на градусы. Именно это усовершенствование, по словам Г.В. Рихмана, позволило измерять «большую или меньшую степень электричества». Для экспериментов Г.В. Рихману была предоставлена «при дворе особливая камера», которая, по-видимому, была первой отечественной электрической лабораторией. Электрический указатель М.В. Ломоносов и Г.В. Рихман использовали при создании «громовой машины» – первой стационарной установки для наблюдения за интенсивностью электрических разрядов в атмосфере (в середине XVIII в. это явление было еще совершенно неизученным).

«Громовая машина» (рис. 1.6) в принципе отличалась от «электрического змея» Б. Франклина (см. далее) и приспособлений других исследователей, так как позволяла непрерывно наблюдать за изменением электричества, содержащегося в атмосфере при любой погоде.

С помощью «громовой машины» М.В. Ломоносов и Г.В. Рихман установили, что электричество содержится в атмосфере и при отсутствии грозы, они убедительно доказали электрическую природу молнии. Описывая их эксперименты, газета «Санкт-Петербургские ведомости» (1752, № 58) сообщала: «Итак, совершенно доказано, что электрическая материя одинакова с громовою материею, и те раскаиваться будут, которые … доказывать хотят, что обе материи различны».

^{Рис. 1.5. Электрический указатель Рихмана}

^{1 – деревянный квадрант с делениями; 2 – металлическая линейка; 3 – металлический шест; 4 – льняная нить}

^{Рис. 1.6. Схема «громовой машины»}

^{1 – электрический указатель; 2 – соединительная проволока; 3 – металлический шест на крыше дома} 

Летом 1753 г. М.В. Ломоносов и Г.В. Рихман провели уникальный эксперимент и с помощью «громовой машины» доказали, что, как писала та же газета (1753, № 45),«… сие наблюдение почитается за чрезвычайное. Из сего наблюдения явствует, что … электрическая сила без действительного грому быть может. Ежели второе правда, то не гром и молния причина электрической силы в воздухе, но сама электрическая сила грому и молнии причина». Ученые при огромном стечении народа устроили пальбу из целой батареи пушек, гром «сотрясал небо», но «электрический указатель» ничего не показывал («искусством произведенный гром электрической силы не показывает»).

Выводы М.В. Ломоносова послужили одной из основ впервые разработанной им теории атмосферного электричества. На публичном собрании Академии наук в сентябре 1753 г. Г.В. Рихман, – писал М.В. Ломоносов, – «будет предлагать опыты …, а я – теорию и пользу от оной происходящую…».

Как известно, 25 июня 1753 г. во время грозы Г.В. Рихман, приблизившись к «электрическому указателю», был убит ударом в лоб «бледно-синеватым огненным шаром».

Трагическая смерть ученого послужила поводом для нападок на ученых, стремившихся проникнуть в тайны природы, со стороны духовенства и реакционных дворянских кругов. Опыты М.В. Ломоносова и Г.В. Рихмана называли кощунственными и требовали их прекратить, подчеркивая, что смерть Г.В. Рихмана – это «наказание господне за вторжение в область божью».

Но огромный научный авторитет М.В. Ломоносова и поддержка прогрессивных отечественных ученых позволили ему доказать недопустимость нанесения ущерба «славе и престижу» России, и в ноябре 1753 г. он выступил со своим знаменитым докладом «Слово о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих», в котором (отметим, произнесенным на русском языке) впервые была изложена разработанная им строго научная материалистическая теория атмосферного электричества. По утверждению современных специалистов эта теория в своей принципиальной основе вполне соответствует современному представлению об этих явлениях. Кстати, М.В. Ломоносов подчеркивал, что он в своей теории «Франклину ничем не обязан», все у него «собственное и новое» [1.10].

По утверждению М.В. Ломоносова атмосферное электричество возникает в результате трения пылинок и других взвешенных частичек воздуха с капельками воды, происходящего при вертикальных перемещениях воздушных потоков. Он указывал, что существуют вертикальные восходящие и нисходящие потоки воздуха, которые «не токмо гремящей на воздухе электрической силы, но и многих других явлений в атмосфере и вне оной суть источник и начало».

Процесс электризации М.В. Ломоносов объяснял так: поток теплого воздуха, устремляющийся вверх (восходящий поток), увлекает за собой различные «жирные и горючие пары» и другие примеси, находящиеся в воздухе. Частицы этих паров М.В. Ломоносов называл «шаричками». Эти «шарички», по его мнению, имеют свойства, близкие к свойствам твердого тела, и не могут поэтому смешиваться с частичками воды (каплями дождя), встречающимися на их пути. В результате трения между «шаричками» и капельками воды возникают электрические заряды как на тех, так и на других. М.В. Ломоносов писал: «… жирные шарички горючих паров, которые ради разной природы с водяными слиться не могут и ради безмерной малости к свойствам твердого тела подходят, скорым встречным движением сражаются, трутся, электрическую силу рождают, которая, распространяясь по облаку, весь оный занимает».

В разработке этой теории М.В. Ломоносов ближе, чем кто-либо из его предшественников, подошел к современным теориям грозы.

М.В. Ломоносова не удовлетворяли многочисленные теории статического электричества, разработанные зарубежными исследователями, так как в большинстве из них, как он подчеркивал, «некоторые к составлению электрической теории самые нужнейшие вещи не довольно наблюдены были», и он явился инициатором объявления Академией наук конкурса на тему: «Сыскать подлинную электрической силы причину и составить точную ее теорию».

Свои воззрения на явления электричества М.В. Ломоносов сформулировал в 1756 г. в неопубликованном и сохранившемся лишь в виде тезисов труде «Теория электричества, разработанная математически путем». В отличие от большинства своих современников М.В. Ломоносов полностью отрицает существование особой электрической материи и рассматривает электричество как форму движения эфира. В его труде нет ни слова о различных субстанциях, с помощью которых многие ученые того времени пытались объяснить электрические явления. «Электрическая сила есть действие, вызванное легким трением… оно состоит в силах отталкивательных и притягательных, а также в произведении света и огня», пишет М.В. Ломоносов в своем труде.

«Эфирная» теория электричества, разработанная М.В. Ломоносовым, была передовой для своего времени; она являлась новым шагом к материалистическому взгляду на явления природы. Следует отметить, что эта теория получила дальнейшее развитие в трудах Леонарда Эйлера, а, позднее, в XIX в., ее придерживались Майкл Фарадей и другие крупнейшие ученые. М. Фарадей, например, считал электричество движением некоей заполняющей все пространство, пронизывающей все тела упругой среды.

Северные сияния, по мнению М.В. Ломоносова, также имеют электрическую природу; он рассматривал их как свечение, вызываемое электрическими зарядами в верхних слоях атмосферы.

М.В. Ломоносовым были проделаны интересные опыты со свечением разреженного воздуха в стеклянном наэлектризованном шаре. Это свечение он сравнивал с северным сиянием: «Возбужденная электрическая сила в шаре, из которого воздух вытянут, внезапные лучи испускает». Опыты М.В. Ломоносова по воспроизведению северных сияний на моделях были повторены только спустя 175 лет. Наблюдавшееся М.В. Ломоносовым свечение было по существу явлением электрического разряда в разреженном воздухе.

^{Рис. 1.7. Прибор Ломоносова}

^{1 – металлический стержень с трезубцем; 2 – проволочная пружина, припаянная к металлическому кружку} 

В поисках более безопасных методов измерения «электрической громовой силы» М.В. Ломоносов разработал своеобразный автоматический регистратор максимального значения грозового разряда (рис. 1.7); после удара молнии по прибору «сему увидеть можно коль велика была самая большая громовая сила». Основываясь на многочисленных опытах, М.В. Ломоносов пришел к выводу о целесообразности широкого применения громоотводов. Он писал: «Такие стрелы на местах, от обращения человеческого по мере удаленных, ставить за небесполезное дело почитаю, дабы ударяющая молния больше на них, нежели на головах человеческих и на храминах, силы свои изнуряла».

В отличие от Б. Франклина М.В. Ломоносов правильно указал на решающую роль заземления в устройстве громоотвода.

Весьма оригинальные представления о сущности электрических явлений были высказаны в уже упоминавшемся фундаментальном труде А.Т. Болотова [1.9]. Он, в частности, писал:

«… но в том сумневаться не можно, что она («электрическая материя». – Авт.) по примеру других состоит из частичек и что частичкам сим надобно быть чрезвычайной и непостижимой для нас мализны, причем эти частички способны к движению, которое происходит с непостижимой скоростью». Затем А.Т. Болотов задает вопрос: «А какой они – эти частички – фигуры, то есть формы», и отвечает, что по их действию и способности к быстрому передвижению «… догадываться только можем, что надлежит им быть только круглыми». Примечательно, что в этом произведении мы не находим стандартных упоминаний об электрической жидкости – ведь с этого начинали изложение сути электрических явлений почти все физики того времени. Отметим, кстати, что А.Т. Болотов подчеркивает, что одна и та же электрическая материя есть повсюду – ив атмосфере, и в недрах земли, и во всех телах, но не везде она находится в равных количествах и поэтому по-разному себя проявляет.

Большой вклад в изучение электрических явлений, в особенности атмосферного электричества, был сделан известным американским ученым и общественным деятелем Бенджамином Франклином (1706–1790 гг.) [1.1; 1.2; 1.6]. Им были произведены (1747–1752 гг.) многочисленные опыты по улавливанию и изучению атмосферного электричества, усовершенствован молниеотвод, разработана так называемая «унитарная» теория электричества (1747 г.). Б. Франклин высказал правильные предположения о материальном характере электричества, считая, что оно представляет собой элемент, состоящий из чрезвычайно тонких частиц. Ему удалось подойти к представлению об «электризации через влияние», т.е. к явлению электростатической индукции. Он впервые (1749 г.) экспериментально доказал электрическую природу молнии и ее тождество с уже известными свойствами «электрической жидкости». Знаменитый опыт Б. Франклина с воздушным (электрическим) змеем убедительно показал возможность «извлечения» электричества из облаков, которым он заряжал лейденскую банку подобно тому, как это осуществлялось посредством электростатической машины. Предполагается, что им впервые были введены такие термины, как «батарея», «заряд», «разряд»; он первым соорудил батарею из лейденских банок.

Среди ученых рассматриваемого периода, занимавшихся изучением электрических явлений, следует отметить чешского естествоиспытателя Прокопа Дивиша (1698–1765 гг.). Он соорудил большую электростатическую машину, предложил несколько типов молниеотводов, изучал влияние электрических разрядов на рост посевов различных культур.