Текст книги "История выдающихся открытий и изобретений"
Автор книги: Ян Шнейберг
сообщить о нарушении
Текущая страница: 3 (всего у книги 8 страниц)
Рис. 3.7. Титульный лист книги Петрова «Известие…»
Среди многочисленных экспериментов ученого по изучению химических, тепловых и световых действий электрического тока особенный интерес представляет открытие им явлений электрической дуги и электрического разряда в вакууме. В VII главе книги «Известие…» В.В. Петров описывает наблюдавшееся им явление электрической дуги. Если на стеклянную плитку положить два древесных угля, «способных для произведения светоносных явлений… и если потом оные приближать один к другому на расстояние от одной до трех линий (1 линия – 2,5 мм), то является между ними весьма яркий белого цвета свет или пламя, от которого оные угли… загораются и от которого темный покой довольно ясно освещен быть может».
В отличие от многих физиков (да и самого Петрова), указывавших при наблюдении во время опытов с батареей на «искры различной величины и яркости», здесь ученый употребляет качественно новое определение – термин «пламя» яркого белого цвета. И впервые четко указывает на возможность использования электрического света для практических целей – освещения большого пространства («темного покоя»). Своим открытием Петров почти на полстолетия опередил свое время – электрические дуговые лампы стали применяться только в 50-х годах XIX в.
Но Петров также убедился в способности пламени дуги расплавлять различные металлы и восстанавливать металлы из их оксидов, чем положил начало электрометаллургии. Книга Петрова, написанная на русском языке, не была известна европейским ученым. Поэтому не случайно открытие электрической дуги в течение 80 лет приписывалось английскому ученому X. Дэви, наблюдавшему это явление в 1808 г., когда он изготовил батарею из 2000 пластин. Но сам Дэви не приписывал себе первенство в этом открытии, так как в 1812 г. он узнал, что в России Академия наук в 1804 г. объявила конкурс на тему «О природе света» и указывала на желательность объяснения «гальванического огня», получаемого от «больших вольтовых столбов», ослепительный блеск коего подобен солнечному свету».
Василий Владимирович Петров не имел измерительных приборов, чтобы определить параметры своей батареи (заметим, кстати, что Петров «превращал» себя в вольтметр и срезал кожу с пальцев рук, чтобы улавливать «уколы» напряжения незащищенными нитями нервов), поэтому было очень важно убедиться в том, что он мог получить электрическую дугу. С этой целью автор в 1951 г. с помощью специалистов производственно-экспериментальных мастерских МЭИ изготовил 1/20 часть «огромной батареи», состоявшей из 105 пар медных и цинковых кружков диаметром 38 мм и толщиной 2,5 мм, и между каждой парой кружков укладывались суконные кружки, смоченные в растворе нашатыря (рис. 3.8) в соответствии с описанием в книге Петрова «Известия…». При использовании современных методов измерений было установлено, что напряжение на зажимах «огромной наипаче» батареи составляло 1650-1700 В – это был невиданный по тому времени источник тока высокого напряжения, что позволило ученому получить электрическую дугу.
Затем был воспроизведен опыт Петрова с использованием сухих анодных батарей со сравнительно высоким внутренним сопротивлением (что было характерно для гальванических батарей начала XIX в.) и простых галогенных углей, укрепленных в специальных держателях. При напряжении 1500 В и расстоянии между концами углей 2-5 мм наблюдалась устойчивая электрическая дуга, пламя которой освещало «темный покой» прожекторного отдела лаборатории светотехники МЭИ.
Рис. 3.8. Общий вид модели батареи Петрова
Василий Владимирович Петров был первым отечественным ученым, открывшим и исследовавшим «светоносные явления» в «безвоздушном месте» – т.е. газовый разряд в вакууме. Его экспериментальная установка также была воспроизведена автором этих строк по описанию Петровым «стеклянного колокола» и «воздушного насоса». Изменяя давление внутри колокола и расстояние между электродами, укрепленными внутри его, ученый наблюдал различные виды газового разряда.
Лишь спустя 30 лет изучением газового разряда в вакууме занимался Фарадей. Важно отметить, что известный современный ученый в этой области физики проф. Н.А. Капцов писал, что если бы опыты Петрова «не были забыты», они могли быть использованы физиками, «исследовавшими газовый разряд в более поздние времена».
Василий Владимирович Петров при всей своей скромности отметил важность своих исследований газового разряда в вакууме: «Я надеюсь, – писал он, – что просвещенные и беспристрастные физики, по крайней мере некогда» согласятся отдать трудам моим ту справедливость, которую важность сих последних опытов заслуживает».
Василий Владимирович Петров был одним из предшественников Ома, открывшего закон электрической цепи в 1827 г. В своем труде «Известие…» наш «природный россиянин» (как он себя называл) установил количественную зависимость силы тока от площади поперечного сечения проводника: он утверждал, что при использовании более толстой проволоки происходит… «более сильное действие… и весьма скорое течение галь– вани-вольтовской жидкости». Петров впервые на русском языке ввел термин «сопротивление», он впервые осуществил параллельное соединение электродов при электролизе различных жидкостей и о силе электрического тока судил по интенсивности электролиза. Как писал английский журнал «Science Progress» (1936), этими своими исследованиями Петров «предвосхитил закон Ома».
Василий Владимирович Петров впервые разработал способы изоляции проводников сургучом и воском. Он доказал возможность электризации металлов трением при условии их изоляции от земли, опровергнув утверждения многих европейских физиков, в том числе и Гильберта. Он по праву может быть назван основателем отечественной школы электрофизиков.
К сожалению, судьба Петрова оказалась трагичной. Правдивый и непокорный, он неустанно боролся за просвещение своего народа и против засилия иностранцев в Академии наук и Министерстве просвещения. Это вызвало резко отрицательное отношение к нему президента Академии наук графа Уварова. Петрову не выделяются средства для реконструкции физического кабинета, отказывают в ремонте его квартиры, и он не может даже дома проводить эксперименты. В знак протеста ученый демонстративно не является на похороны Александра I в 1825 г.
После этого Уваров бесцеремонно отстраняет Петрова от заведования физическим кабинетом и запрещает печатать его труды. Вскоре заслуженный профессор увольняется из Медико-хирургической академии, где прослужил около 40 лет. Состояние здоровья полубольного оскорбленного ученого резко ухудшается, и 3 августа 1834 г. Василий Владимирович скончался. По указанию Уварова его имя не должно было появляться в научных трудах и учебниках физики. Трудно поверить, но почти два поколения русских физиков ничего не знали о нем. Многие рукописи его бесследно исчезли, не сохранился достоверный портрет ученого, затерялась его могила на Смоленском кладбище.
Кстати, о личности Уварова говорит еще один факт: когда он увидел в газете в феврале 1837 г. портрет А.С. Пушкина в траурной рамке после его гибели на дуэли, Уваров выразил свое возмущение, указав, что Пушкин не тот чиновник, который должен быть удостоен такой чести.
Прошло более полувека. В 1886 г. студент Петербургского университета А. Гершун, впоследствии известный ученый, будучи на каникулах в г. Вильно, разбирая старые книги в публичной библиотеке, обнаруживает небольшую книжечку неизвестного ему ученого «Известие…». С невообразимым удивлением он узнает из этой книги об оригинальных экспериментах В.В. Петрова и об открытии им в начале века явления электрической дуги.
По возвращении в Петербург Гершун показал книгу Петрова заведующему кафедрой физики Военно-медицинской академии профессору Н.Г. Егорову. Так началась «вторая жизнь» нашего выдающегося соотечественника.
Уже в 1887 г. читатели журнала «Электричество» узнают о книге Василия Владимировича и его экспериментах. Н.Г. Егоров в своих докладах и выступлениях в Военно-медицинской академии (1889 г.), на торжественном заседании Русского физико-химического общества (1893 г.), в речи «Столетие электрического тока», произнесенной на открытии Первого Всероссийского электротехнического съезда в 1899 г., в известном энциклопедическом словаре Брокгауза и Ефрона (1898 г.) и многих других выступлениях рассказал об открытиях В.В. Петрова, представляющих собой «драгоценный вклад» в отечественную и мировую науку.
В 1892 г. в протоколе конференции Военно-медицинской академии подчеркивалась важность «извлечения из архивной пыли имени нашего славного товарища начала этого века академика Петрова, наблюдавшего впервые в 1802 г. вольтову дугу», и все это «…должно напомнить миру о том, что русский ученый, и при том академик нашей Академии, «должен считаться первым изобретателем электрического света».
В 1915 г. Н.Г. Егоров отыскал могилу В.В. Петрова и на ней был сооружен памятник. А в 1934 г. в нашей стране торжественно отмечалось 100-летие со дня смерти основоположника отечественной электротехники. В 1935 г. Президиум ЦИК СССР принял постановление «Об ознаменовании столетия со дня смерти первого русского электротехника академика В.В. Петрова, открывшего в 1802 г. за несколько лет до Дэви явление вольтовой дуги…».
В 1949 г. в Ленинграде на доме № 2 по 7-й линии Васильевского острова, где жил В.В. Петров, при участии президента Академии наук СССР С.Н. Вавилова была установлена мемориальная доска. Начали издаваться книги о жизни и деятельности ученого. Так Василий Владимирович Петров занял достойное место среди «титанов» мировой электротехники.
ГЛАВА 4 Что такое молния и гром. «Электрический указатель» Рихмана и «громовая машина» Ломоносова и Рихмана. Вклад Франклина в изучение атмосферного электричества
«Электрический указатель» Рихмана
Летом 1753 г. ведущие газеты России и Западной Европы опубликовали сенсационное сообщение: в Петербурге в своей домашней лаборатории трагически погиб от удара молнии известный физик – академик Г.В. Рихман (1711-1753).
Многие столетия молнии и гром, причину которых долго не знали, разрушали храмы и колокольни, убивали людей и животных, вызывая страх и ужас. Но смерть ученого, изучавшего эти загадочные явления, естественно, вызвала широкий общественный резонанс.
Современному читателю трудно поверить, что до середины XVIII в. среди физиков существовали диаметрально противоположные представления о природе атмосферного электричества. Гром вызывает молнию или, наоборот, молния вызывает гром? Какова природа грозы? На эти вопросы искали ответы ученые-естествоиспытатели разных стран.
В сочинениях многих физиков середины XVIII в., изучавших электрические явления, высказывались идеи о том, что молния – это гигантский разряд электричества в атмосфере, в тысячи раз превосходящий по силе электрические искры, наблюдавшиеся во время лабораторных опытов.
Важнейшим шагом на пути изучения электрических явлений в атмосфере был переход от качественных наблюдений к установлению количественных закономерностей и разработке основ теории электричества. Наиболее значительный вклад в решение этих проблем был сделан петербургскими академиками М.В. Ломоносовым и Г.В. Рихманом и американским ученым Б. Франклином.
Михаил Васильевич Ломоносов (1711-1765) явился в России основоположником изучения электрических явлений, автором первой теории атмосферного электричества. При его поддержке академик Г.В. Рихман первым «попытался подвергнуть измерению порождаемое в атмосфере электричество». Уроженец г. Пярну (Эстония) Рихман обучался в германских университетах в Галле и Иене, а с 1735 г. в университете Петербургской академии наук; с 1741 г. – он профессор академии. Исследованиями атмосферного электричества Рихман занялся в январе 1745 г. и вскоре разработал оригинальную установку с «электрическим указателем».
Рис. 4.1. «Электрический указатель» Рихмана:
1 – деревянный квадрант с делениями; 2 – металлическая линейка; 3 – металлический лист, 4 – льняная нить
Георг Вильгельм Рихман был первым ученым, создавшим измерительный прибор для определения интенсивности электрических зарядов в атмосфере, названным им «электрическим указателем» (1745). На деревянной подставке (рис. 4.1) вертикально укреплялась «металлическая линейка», соединенная с металлическим шестом. К линейке подвешивалась льняная нить длиною «в 2 ? лондонских дюйма», против нее укреплялся «деревянный квадрант» с делениями «на градусы». При поступлении зарядов на «линейку» нить отклонялась, и по отклонению наэлектризованной нити можно было судить о величине «электрической силы». «Указатель» Рихмана был первым в мире электроизмерительным прибором непосредственной оценки, прообразом современных электрометров. Совершенствуя свой прибор, Рихман сделал его переносным, соединив с лейденской банкой. Спустя несколько лет Рихман создал еще одну конструкцию прибора «с колокольчиком», который звоном фиксировал «присутствие громовой материи». Сохранился рисунок этого оригинального устройства, сделанный Рихманом. Рихман неизменно пользовался поддержкой и помощью М.В. Ломоносова, их связывала многолетняя дружба. Ломоносов успешно разрабатывал теорию атмосферного электричества, которую позднее изложил на заседании Академии наук.
Ломоносов и Рихман совместно соорудили первую в мире оригинальную стационарную установку для наблюдения и изучения атмосферного электричества, назвав ее «громовой машиной» (рис. 4.2).
Рис. 4.2. Схема «Громовой машины»:
1 – электрический указатель; 2 – соединительная проволока; 3 – металлический шест на крыше дома
Важнейшей частью этой машины был электрический указатель Рихмана. На крыше дома устанавливался «молниеприем– ник» 3 – металлический стержень, соединенный проволокой 2 с электроуказателем 1. Нижний конец стрежня был опущен в стеклянный стакан, наполненный медными опилками, что обеспечивало изоляцию установки от земли. «Громовая машина» в принципе отличалась от «электрического змея» Б. Франклина и приборов других исследователей, так как позволяла наблюдать за изменениями количества электричества в атмосфере при любой погоде и при отсутствии грозы.
Летом 1753 г. Ломоносов и Рихман, используя «громовую машину», при огромном стечении народа на валу Петропавловской крепости успешно провели совершенно оригинальный эксперимент, чтобы доказать электрическую природу молнии и опровергнуть существовавшие ошибочные представления об атмосферном электричестве.
Газета «Санкт-Петербургские ведомости» (1753 г., № 45) подробно описала эти события, назвав результаты опытов «чрезвычайными». На валу была установлена «целая батарея пушек», гром выстрелов «сотрясал небо», однако «электрический указатель» ничего не показывал. Кроме того, когда «на горизонте тучи посредственной величины и темности, из которых надолгом примечании не видно было блеску, ниже грому слышно»; но «соединенный с выставленным на воздухе в высоте около шести саженей железным прутом указатель электрической силы показывал, что воздух оную в себе имеет, ибо нитка с висячего с нею железа чувствительно удалялась и за перстом гонялась». Далее газета писала: «Из сего наблюдения явствует, что электрическая сила без действительного грома быть не может. Если второе правда, то не гром и молния электрической силы в воздухе, но сама электрическая сила грому и молнии причина. Сие подтверждается тем, что электрическую силу искусством без грому произвести можно; напротив того, произведенный искусством гром электрической силы не показывает».
Годом ранее та же газета (1752 г., № 50), описывая эксперименты Ломоносова и Рихмана, утверждавших, что молния – это электрические разряды в атмосфере, сообщила: «Итак, совершенно доказано, что электрическая материя одинакова с громовою материею, и те раскаиваться будут, которые… доказывать хотят, что обе материи различны».
Выводы М.В. Ломоносова послужили одной из основ разработанной им теории атмосферного электричества. В сентябре 1753 г. на публичном собрании Академии наук «Рихман, – писал Ломоносов, – будет предлагать опыты… а я – теорию и пользу от оной происходящую».
Но Г. В. Рихману не суждено было дожить до этого события всего двух месяцев. Смерть ученого послужила поводом для нападок со стороны духовенства и реакционных кругов на ученых, стремившихся проникнуть в тайны природы; их опыты они называли «кощунственными» и требовали их прекратить. Они утверждали, что смерть Рихмана – это «наказание Господне за вторжение в область божью».
Первым в защиту Рихмана выступил М.В. Ломоносов. В письме «первому Куратору» Московского университета графу И.И. Шувалову он писал: «Умер господин Рихман прекрасною смертию, исполняя по своей профессии должность. Память о нем никогда не умолкнет… Между тем, чтобы… сей случай не был истолкован противу приращения наук, всепокорнейше прошу миловать науки».
Огромный научный авторитет Ломоносова и поддержка наиболее прогрессивных отечественных ученых позволила ему публично доказать недопустимость нанесения «ущерба престижу и славе» России. И в ноябре 1753 г. он выступил в Академии наук со своим знаменитым докладом «Слово о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих». В его докладе, произнесенном на русском языке (в отличие от многих академических докладов, излагавшихся либо на латинском, либо на одном из европейских языков), была изложена разработанная им строго научная теория атмосферного электричества, которая, по утверждению современных специалистов, в своей принципиальной основе соответствует представлению об этих явлениях и в наши дни.
Рис. 4.3. Автоматический прибор Ломоносова:
1 – металлический стержень с трезубцем; 2 – проволочная пружина, припаянная к металлическому кружку
Заметим, кстати, что Ломоносов подчеркивал, что в своей теории он «Франклину ничем не обязан», все у него «собственное и новое». В разработке этой теории Ломоносов ближе, чем кто-либо из его предшественников, подошел к современным теориям грозы. Небезынтересно отметить, что в целях более безопасных методов измерения «электрической громовой силы» Ломоносов разработал своеобразный автоматический регистратор максимальной величины грозового разряда (рис. 4.3). После удара молнии по прибору «сему увидеть можно коль велика была самая большая «громовая сила». Находящийся в трубке металлический стержень припаян внизу к «металлическому кружку». При ударе «электрическая сила… погонит кружок» из трубки вниз и увлечет за собой металлический стержень с трезубцем, преодолевая сопротивление «проволочной пружины», а «зубцы не допустят» возвращения стержня в исходное положение.
Хотелось бы отметить еще одно удивительное по своей, можно сказать, мудрости и человеколюбию предложение нашего выдающегося соотечественника. В первое время после изобретения Франклином громоотвода его обычно устанавливали состоятельные граждане больших городов на крышах высоких зданий. Но молния часто поражала людей, животных и разрушала «храмины» в малонаселенных сельских местностях или в поле.
Ломоносов, опираясь на многие известные факты, писал о громоотводах: «Такие стрелы на местах, от человеческого обращения отдаленных, ставить за небесполезное дело почитаю, дабы ударяющая молния больше на них, нежели на головах человеческих и на храминах силы свои изнуряла».
К сожалению, Рихману не суждено было продолжить свои пионерские исследования, он трагически погиб, когда ему едва исполнилось 42 года. В день своей гибели он пригласил в свою домашнюю лабораторию «академического гравера» И. Соколова для зарисовки опытов с атмосферным электричеством. И когда он приблизился к электрическому указателю «на расстоянии одного фута, прямо в его лоб ударил бледно-синеватый огненный шар». Возможно, это была шаровая молния. Попытки врача вернуть ученого к жизни оказались безуспешными.
Георг Вильгельм Рихман пожертвовал собой во имя науки, «научая других своим примером».
Вклад Бенджамина Франклина в изучение атмосферного электричества
Бенджамин Франклин (1706-1790) – сын бедного бостонского мыловара, был пятнадцатым ребенком в семье. Но именно ему было суждено принести заслуженную славу всей династии Франклинов. Он рано начал трудовую жизнь, старался много читать и успешно занимался самообразованием. После долгих лет лишений он стал одним из образованнейших людей и крупным общественным деятелем, генерал-почтмейстером американских колоний, основателем Пенсильванского университета, активным борцом за независимость и создателем государства Соединенных Штатов Америки.
С большим увлечением он занялся изучением электрических явлений и сделал большой вклад в американскую и мировую науку.
В своем труде «Опыты и наблюдения над электричеством» (1747) он излагает разработанную им «унитарную» теорию электричества и опыты, доказавшие электрическую природу молнии.
В 1752 г. в Филадельфии он впервые произвел знаменитый опыт с воздушным змеем, которого он запускал при приближении грозовых туч. К крестовине змея он прикрепил заостренную проволоку, а к концу бечевки привязал ключ и шелковую ленту, которую держал рукой. «Как только, – писал Франклин, – грозовая туча окажется над змеем, заостренная проволока станет извлекать из нее электрический огонь, и змей вместе с бечевкой наэлектризуется. А когда дождь смочит змей вместе с бечевкой, сделав их тем самым способными свободно проводить электрический огонь, Вы увидите, как он обильно стекает с ключа при приближении Вашего пальца». Затем от ключа он зарядил лейденскую банку и произвел ряд опытов, убедительно доказавших полнейшее сходство электричества и молнии.
Французский священник Далибар, живший близ Парижа, прочитав книгу Франклина, в которой высказывалась мысль, что молния – есть электрический разряд, решил проверить на практике это утверждение. И в мае 1752 г., еще не зная об опыте Франклина со змеем, он продемонстрировал в своем саду толпе прихожан, как во время грозы, держа железный шест за бутылку, укрепленную на его конце, «получил из шеста несколько длинных голубых искр». А когда один из разрядов попал ему в руку, то он ощутил впечатление «удара кнутом».
Сообщая о своих опытах в Парижскую академию наук, Далибар писал: «Материя грома неоспоримо та же, что и электричество. Идея, высказанная Франклином, перестает быть загадкой и сделалась достоверным фактом».
Еще в 1747 г. Франклин впервые указывает свойство металлических остриев собирать электричество, а в 1749 г. он сооружает первый громоотвод. Внедрение громоотводов в быт больших городов пробивало себе дорогу с большим трудом главным образом из-за религиозных опасений. Сохранилось свидетельство о том, как в 1783 г. один из французов установил на своем доме громоотвод, чем вызвал волнение жителей города. Между властями и домовладельцем состоялся судебный процесс, который получил большую огласку и положил начало карьере блестящего адвоката, ставшего известным всей Франции. Имя адвоката было Робеспьер.
Постепенно громоотводы стали широко применяться. Первый в Европе громоотвод был водружен в 1760 г. на Эдистон– ском маяке. Несколько типов молниеотводов были созданы известным чешским естествоиспытателем П. Дивишем (1698– 1765). Ранее мы уже упоминали об оригинальных молниеотводах, предлагавшихся М.В. Ломоносовым. Первый громоотвод в России был установлен в 1772 г. на колокольне Петропавловского собора.
