От первых искр до Уимсхерта: эволюция электростатических генераторов
Начиная с 17 века, человечество активно пыталось получать электрический ток для своих нужд — например, для потехи публики и простых научных экспериментов. Первые машины работали только за счет трения и были примитивными и непрактичными. Но в XIX веке появились более продвинутые устройства — «машины влияния» (или как их еще называют электрофоры), которые преобразуют механическую работу в электростатическую энергию посредством индукции. Они уже были способны генерировать десятки тысячи вольт и не имели такого износа из-за трения.
Важнейшей вехой на этом этапе развития техники стали генераторы Джеймса Уимсхерта. Этот человек всю жизнь проработал судостроительным инспектором и занимался усовершенствованием «машин влияния» только на досуге. Но его устройства были настолько хороши, что поначалу использовались для работы ранних рентген-аппаратов, а спустя 100 с лишним лет стоят в любом школьном кабинете физики.
Ранние машины трения
Еще с глубокой древности люди научились получать электрическую энергию посредством трения (точнее, разделения двух материалов после плотного контакта) — речь идет о так называемом трибоэлектрическом эффекте. Например, известно, что о появлении заряда после натирания стекла тканью знали еще в Древнем Египте и Китае.
Но все-таки первым задокументированным электростатическим генератором стала машина немецкого ученого Отто фон Герике. В 1661 году он принялся исследовать «космические силы», как он назвал их в письме своему другу. «Почему пушинка в воздухе притягивается и отталкивается от только что натертого предмета?» — недоумевал Герике. В 1663 году он создал экспериментальный образец устройства. Оно представляло собой серный шар, который при натирании сухой ладонью или тряпкой издавал треск и даже приводил к появлению видимого разряда.
Гравюра из книги Отто фон Герике «Эксперименты Нова». Конечно, никаких теоретических обоснований на тот момент он не сделал, да и практической пользы почти не было. Но эффект был задокументирован и стал основой для будущих открытий
В 1705 году опытами с электричеством увлекся английский изобретатель Фрэнсис Хоксби — лаборант великого Исаака Ньютона. Он заметил, что если заменить серный шар из опыта Герике на полый стеклянный и создать в нем неглубокий вакуум, можно добиться еще более интересного эффекта. Сам шар раскручивался через ременную передачу и терся о шерсть. После этого, если на шар положить руку, внутри начинали «плясать молнии, подобные огню святого Эльма». Свои исследования Хоксби описал в книге «Физико-механические эксперименты на различных предметах» 1709 года.
Гравюры из труда Хоксби. Его генератор привлек внимание к дальнейшему изучению электричества
В 1730 году немецкий физик Георг Матиас Бозе пошел еще дальше и решил продемонстрировать, что электрический заряд можно накапливать. Для этого он устраивал целые шоу: звал помощника и просил встать его на изолирующее основание. В одной руке помощник держал металлический стержень-проводник, а другой прикасался к вращающемуся стеклянному шару Хоксби. На поверхности проводника накапливался электрический заряд, что наглядно демонстрировалось зрителям: например, к нему прилипала бумага или перья.
Другой трюк, который любил демонстрировать Бозе: помощник был облачен в металлические доспехи под напряжением и стоял на деревянной табуретке
Следующим, кто экспериментировал с устройством Хоксби был немецкий юрист, лютеранский клирик и физик Эвальд Георг фон Клейст. В 1745 году он подвесил на шелковых нитях-изоляторах печную металлическую трубу и соединил один ее конец через цепь с вращающимся стеклянным шаром. Дальше фон Клейст прикрепил к другому концу гвоздь, воткнутый в пробку стеклянной емкости со спиртом. Сам гвоздь острым концом был погружен в жидкость.
Когда шар вращался, заряд через проводник передавался на стеклянную емкость. Фон Клейст так описывал произошедшее дальше: «Когда я отсоединил банку и понес ее в руке, ничего не случилось — только было небольшое свечение в темноте. Стоило же мне коснуться гвоздя, как я получил сильнейший удар, отбросивший меня в другой угол комнаты».
Примерно так выглядел опыт фон Клейста
Рассказ фон Клейста коллегам в Лейденском университете привел к открытию первого электрического конденсатора — лейденской банки. Само изобретение принадлежит голландскому физику Питеру Ван Мушенбруку, который усовершенствовал идею, используя стеклянную емкость, покрытую фольгой изнутри и снаружи для накопления электрического заряда. Лейденская банка стала важным шагом в развитии электротехники.
В 1746 году британский ученый Уильям Уотсон усовершенствовал электростатический генератор: в его машине большой маховик приводил во вращение сразу несколько стеклянных шаров. Каждый терся о кожаную подушку и передавал заряд через систему металлических проводников. Кстати, Уотсон одним из первых заметил, что свойства электричества чем-то схожи с магнетизмом и светом.
Генератор Уильяма Уотсона
Дальше электростатические генераторы продолжали совершенствоваться. Например, в 1758 году Эндрю Гордон предложил заменить стеклянный шар на цилиндр.
В 1768 году Джесси Рамсден построил пластинчатый генератор, использующий стеклянный диск, который при вращении терся о четыре бархатные подушки и передавал заряд на две латунные трубки с зубцами-токосъемами
Пластинчатый генератор Джесси Рамсдена
В 1783 году идею Рамсдена использовал голландский ученый Мартин ван Марум, только в значительно большем масштабе. Он сконструировал для своих экспериментов большую электростатическую машину со стеклянными дисками диаметром аж 1,65 метра каждый. Машина могла вырабатывать напряжение любой полярности.
Сейчас огромная машина ван Марума находится в музее Тейлера, Нидерланды
Продвинутые «машины влияния» (электрофоры)
В 1775 году Алессандро Вольта (тот самый, который позже разработает электрохимическую батарею) изобрел электрофор — первое устройство, работавшее на базе индукции.
Суть заключалась в следующем: есть два металлических диска, верхний (с изолирующей ручкой) и нижний, покрытый смолой-диэлектриком. Сначала смола натирается мехом, создавая отрицательный заряд. Затем на слой диэлектрика кладется верхний диск — электростатическое поле нижнего диска перераспределяет заряды на верхнем диске, как в конденсаторе.
Общий принцип работы электрофора — для заземления использовался специальный выступ на верхнем диске
После этого достаточно кратковременно заземлить часть верхнего диска и снять его с диэлектрика — на диске останется только положительный заряд. Повторять процедуру можно сколько угодно раз. По сути, открытие Вольта стало переходом от ранних машин трения к более продвинутым «машинам влияния», о которых мы упоминали выше.
В 1787 году преподобный Авраам Беннет предложил оригинальную конструкцию на основе индукции: за счет вращения ручки три пластины попеременно приближались и удалялись от центрального заряженного диэлектрика. Это приводило к удвоению изначального напряжения. Более подробно принцип работы «удвоителя Беннета» описан здесь.
Хитроумная схема, в которой пластины получали заряд «бесконтактно» и за счет взаимного перемещения напряжение удваивалось
После этого появлялись еще более оригинальные «машины влияния»: например, конструкция Уильяма Николсона (1788) и Френсиса Рональдса (1816).
Еще из интересного: в 1831 году итальянский физик Джузеппе Белли придумал симметричный удвоитель заряда. Два заряженных диска, закрепленных на диэлектрическом стержне, за счет вращения ручки одновременно проходили в пространстве между двумя изогнутыми пластинами.
Во второй половине XIX, несмотря на появление необычных машин трения вроде машины Армстронга (где электричество образовывалось за счет трения выходящего из трубки пара), «машины влияния» получали все большее распространение.
Самыми знаковыми устройствами стали генераторы Августа Теплера и Вильгельма Гольца, созданные практически одновременно в 1865–1867 годах. Они уже позволяли получать напряжение десятки тысяч вольт.
Главные части машины Гольца-Теплера — два стеклянных диска, установленных вертикально. Один из них подвижный и приводится во вращении через ременную передачу. Другой же диск — неподвижный, поддерживается эбонитовыми пластинами на изолирующих стойках.
Важная деталь — в неподвижном диске вырезаны два окна друг напротив друга. Сбоку от них на задней части диска наклеены бумажные оправы с язычками, покрытыми смолистым диэлектрическим веществом. Язычки чуть загнуты и торчат через окна по направлению к вращающемуся диску. Перед началом работы бумажным оправам передают некоторый начальный заряд — например, с помощью касания эбонитовой наэлектризованной палочки.
Машина Гольца-Теплера
Напротив бумажных оправ с язычками располагаются латунные гребенки, которые через проводящие стержни соединены с латунными шариками. Расстояние между можно регулировать эбонитовыми ручками, тем самым меняя зазор. Другой вариант — соединить выводы с лейденскими банками для накопления заряда.
Дальше нужно начать вращение сплошного диска B. Положительный заряд в окне F неподвижного диска А будет индуцировать отрицательный заряд на левой части вращающегося диска B. В свою очередь, на гребенке О и шарике r через стержень C индуцируется положительный заряд.
Одновременно в окне F' будет происходить то же самое, но с другим знаком — на шарике r' появится положительный заряд. А благодаря вращению диска процесс будет непрерывным, с нарастающим напряжением. Если правильно настроить расстояние между r и r', можно даже наблюдать разряд.
Но у системы были серьезные конструктивные недостатки. Прежде всего — неравномерность генерации и частая смена полярности. Были попытки доработать схему (например, добавив под углом 45 градусов дополнительный «нейтрализующий стержень» с гребенками), но в целом надежность конструкции оставалась не самой лучшей.
Исправить конструкцию вызвался Джеймс Уимсхёрт — простой чиновник, который занимался изобретательством как хобби.
Доработка Джеймса Уимсхерта
Немного о самом Уимсхерте. Он родился в 1832 году в Лондоне. Его отец Генри Уимсхерт был известным судостроителем. Джеймс получил классическое образование и до 1853 года работал скромным помощником на металлургическом заводе.
Однако в какой-то момент Джейм Уимсхерт решил стать государственным служащим. В 1865 году он оканчивает юридические курсы и поступает на работу в Ливерпуле — заниматься страхованием морских грузоперевозок. В 1874 году он присоединяется к Министерству Торговли Великобритании в качестве «главного судостроительного инспектора» и трудится на этом поприще вплоть до 1890 года и своего выхода на пенсию.
История умалчивает, в какой момент Уимсхерт увлекся изобретательством. Но точно известно, что начинал он не с электрофорной машины. Первым его изобретением стал сигнализатор устойчивости корабля. И только в 1878 году он занялся работой над «машиной влияния» Гольца-Теплера в небольшой домашней лаборатории в Клэпхеме на юго-западе Лондона
В 1884 году его первый прототип был готов, и он уже намного больше напоминал привычную нам электрофорную машину, которую можно встретить в кабинетах физики. Вот что конструктивно изменил Уимсхерт:
Вместо одного подвижного и одного неподвижного дисков он сделал два подвижных, вращающихся навстречу друг другу с одинаковыми угловыми скоростями. Это позволяет значительно увеличить выходное напряжение.
Расположил множество металлических пластин равномерно по окружностям обоих дисков, чтобы заряд был распределен по площади.
Добавил четыре щетки-коллектора, соединенные попарно под углом 90 градусов. Для того, чтобы исключить переполюсовку и снизить пульсации напряжения.
В начальный момент времени одна из пластин всегда имеет какой-то заряд — положительный или отрицательный. Принудительного возбуждения, как в машине Гольца, не требуется.
Когда диски вращаются, пластины с отрицательным и положительными зарядами взаимодействуют, напряжение увеличивается. Проходя мимо гребенок слева и справа, они отдают одновременно разноименные заряды в лейденские банки.
Но самая важная часть — это попеременная зарядка через щетки-коллекторы. Например, положительный заряд внешнего диска перемещается против часовой стрелки. Как только он оказывается напротив щетки n1, то за счет индукции порождает на пластине внутреннего диска отрицательный заряд. На другом конце щетки n2, соответственно, появляется также положительный заряд.
То же самое происходит на концах щетки n3 и n4 наружного диска, только наоборот. По сути, вращающиеся пластины через щетки-коллекторы сами себя все время подзаряжают. Более подробно видео работы электрофорной машины Уимсхерта можно посмотреть по ссылке.
Первые версии были небольшими — размер машины составлял 560×670х305 мм и спокойно располагался на столе, при этом выдавая напряжение вплоть до 50 000 В. Но позже, уже находясь на пенсии, Джеймс Уимсхерт создал более 90 машин, самая большая из которых имела диаметр колес 2,1 метра.
Судьба машин Уимсхерта
Конструкция была весьма простой и надежной, поэтому большая часть произведенных устройств использовалась в домах зажиточных жителей Великобритании. Мощные искровые разряды, проскакивающие между двумя шариками в темноте, приводили в неописуемый восторг гостей и особенно — детей.
Но было у машины Уимсхерта и другое, более важное применение. В 1895 году Вильгельм Конрад Рентген впервые наблюдал новое излучение, которое позже назвали рентгеновским. Для работы первых аппаратов использовались так называемые трубки Крукса с холодным катодом.
Для генерации излучения в них требовалось очень высокое постоянное напряжение от 5 до 100 кВ. Более примитивные машины Гольца-Теплера подходили для такой задачи хуже, чем доработанная версия Уимсхерта (хотя и они также использовались).
Первый рентгеновский снимок в истории. Для питания использовался именно генератор Уимсхерта
Примечательно, что сам Джеймс Уимсхерт никогда не пытался получить патент на свои устройства или открыть фирму по производству своих генераторов. Хотя он и продал все созданные в домашней мастерской устройства, в целом его работа оставалась бескорыстным хобби.
В 1886 году Уимсхерт опубликовал книгу «Статическое электричество и машины влияния: как ее создать и использовать». В апреле 1888 года он прочитал знаковую лекцию о «машинах влияния» в Королевском институте, а в 1898 году Уимсхерт был избран членом Королевского общества и Института инженеров-электриков.
Изобретатель умер в 1903 году, в возрасте 70 лет, и в некрологе журнала Nature написали:
«Все научные исследования мистера Уимсхерста проводились из чистой любви к работе, и он упорно отказывался получить какую-либо денежную выгоду»
Вплоть до появления трубок Кулиджа с горячим катодом в 1913 году, машины Уимсхерта, как и Гольца-Теплера, продолжали использоваться в рентген-аппаратах. Сейчас же машины Уимсхерта можно встретить только в музеях или школьных кабинетах физики, для наглядной демонстрации электрических опытов.
В статье мы рассказали далеко не про все электростатические генераторы. Например, не упоминали про машины Роберта Восса, Pidgeon, поздние генераторы Ван-де-Граафа и про многие другие. Полный обзор мы сделаем в одной из будущих публикаций. В комментариях пишите, стоит ли продолжать эту тему и какие генераторы вас интересуют.
А у вас в школе показывали опыты с электрофорной машиной?
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.
