К 200-летию открытия явления электрической дуги
Я. Шнейберг, канд. тех. наук
Огромные успехи современной электротехники и электросвязи были бы невозможны без широкого использования электрических и магнитных явлений. После изобретения в 1800 г. итальянским ученым А. Вольта первого источника электрического тока – «вольтова столба» – начались исследования химических, тепловых и световых действий электрического тока.
Среди выдающихся исследований электрических явлений в первой трети 19-го века исключительно важная роль принадлежит работам нашего талантливого соотечественника Василия Владимировича Петрова, открывшего в 1802 г. явление электрической дуги и доказавшего возможность ее практического применения.
В. В. Петров родился в семье скромного приходского священника г. Обояни (ныне Курской области). Закончил Харьковский Коллегиум – известное в то время учебное заведение, где преподавались естественные и гуманитарные науки. После окончания Коллегиума в 1786 г. он был принят «на казенный счет» в Санкт-Петербургскую Учительскую гимназию, позднее преобразованную в Учительский институт.
Через два года, желая приобрести практический опыт в области естественных наук, В. В. Петров добровольно отправился преподавать физику в Горном училище на далеких алтайских Колывано-Воскресенских горных заводах, крупнейших горно-рудных предприятиях не только в России, но и Европы. Здесь он впервые столкнулся с конкретными задачами, выдвигаемыми перед физикой и химией разнообразными производственными процессами. Через два года В. В. Петров возвращается в Санкт-Петербург и продолжает заниматься педагогической и научной деятельностью в области физики и в 1795 г. после блестящей «пробной лекции» утверждается в должности профессора физики и математики Санкт-Петербургской Медико-Хирургической академии, где прослужит почти 40 лет. Работая по 14-16 часов в сутки, он успешно сочетает преподавание в Академии с проведением разнообразных экспериментов в области электричества. Результаты своих исследований ученый подробно описал в своем труде «Известия о гольвани-вольтовских опытах, которые производил профессор физики Василий Петров посредством огромной наипаче батареи, состоящей иногда из 4200 медных и цинковых кружков, и находящейся при Санкт-Петербургской Медико-хирургической академии».
Книга была издана в Санкт-Петербурге в 1803 г. Это было первое сочинение на русском языке о новейших исследованиях в области электричества. Петров подчеркивает, что книга издана «... наипаче для пользы тех читателей, которые ... живут в отдаленных от обеих столиц местах и которые не имели случая приобрести нужные понятия в сих предметах». В ней подробно описаны созданная Петровым уникальная батарея и его важнейшие эксперименты.
Петров первым пришел к выводу о том, что новые проявления электрического тока можно обнаружить, если создать более мощную электрическую батарею по сравнению с теми, которые создавались ранее европейскими физиками.
Количество медно-цинковых элементов в батарее Петрова более чем в 100 раз превышало число элементов в ранее построенных батареях. Ученому пришлось преодолеть немало трудностей, т. к. подобной батареи никто ранее не создавал. Если бы расположить все ее элементы вертикально подобно «вольтовым столбам», то ее высота достигла бы 12 метров. Произведя необходимые расчеты, Петров соорудил большой деревянный ящик длиной 3 метра, в котором разместил в 4 ряда все элементы, тщательно изолировав каждый ряд и стенки ящика слоем лака и промасленной бумаги. Батарея состояла из 2100 медно-цинковых элементов, соединенных последовательно. Никаких электроизмерительных приборов тогда не существовало, и напряжение на зажимах батареи было неизвестно. В апреле 1802 г. батарея была изготовлена, и Петров приступил к проведению разнообразных опытов.
Исследуя творчество Петрова, автор настоящей статьи решил изготовить модель «огромной» батареи, чтобы современными приборами определить ее параметры. В 1951 г. в мастерских Московского энергетического института была изготовлена 20-я часть батареи, состоявшая из 105 медно-цинковых элементов, подобных тем, что были в батарее Петрова. Каждая пара медных и цинковых кружков была разделена прокладкой-суконным кружком, смоченным в растворе нашатыря. Все элементы размещались в гетинаксовой трубке, обеспечивающей надежную изоляцию. Электродвижущая сила батареи измерялась современным компенсационным методом. Было установлено, что напряжение на зажимах батареи Петрова должно было составлять 1650-1700 В – это был первый в мире электрохимический источник тока высокого напряжения. Именно благодаря такому напряжению Петрову удалось сделать свое наиболее выдающееся открытие – получить электрическую дугу. Он писал, что если к зажимам батареи подключить специально изготовленные угольные стержни, то «...является между ними весьма яркого белого цвета свет или пламя..., от которого ... темный покой довольно ясно освещен быть может». Так впервые ученый показал возможность использования электрической дуги для целей освещения. Этим открытием Петров на полвека опередил свое время: первые дуговые электрические лампы стали создаваться только в 40-50-х гг. 19 века. Электрическое освещение стало первым массовым применением электричества, оно вызвало возникновение и бурное развитие электротехнической промышленности способствовало росту городов и развитию торговли, возникновению новых способов связи, в частности и электросвязи. В первой четверти 19 века широкое применение в радиотехнике получили дуговые генераторы незатухающих электромагнитных колебаний. С помощью таких генераторов на радиостанциях во многих странах получались незатухающие колебания на частотах до нескольких сотен килогерц.
В. В. Петров подробно описывает опыты с использованием электрической дуги для плавки металлов и восстановления металлов из их окислов; следовательно, им были заложены основы современной электрометаллургии.
Отдельная глава книги посвящена получению электрической дуги в вакууме, как он выражался, «в безвоздушном месте». Эти опыты он производил в ноябре 1802 г.
Для доказательства возможности получения дуги Петровым нами была собрана установка в светотехнической лаборатории МЭИ в соответствии с описанием, данном в книге ученого. При напряжении в 1500 вольт мы получили устойчивую электрическую дугу как в атмосфере, так и в вакууме. В Европе об открытии Петрова долго было неизвестно, и приоритет в получении электрической дуги необоснованно приписывался английскому ученому Х. Деви, который впервые наблюдал это явление в 1808 г., когда построил батарею из 2000 пар пластин. Подробно Дэви описал свои опыты в 1812 г., но сам он не претендовал на оригинальность своих экспериментов, предполагая, что они ранее были сделаны в России (об этом писал английский журнал «Science progress» в 1936 г. в статье «Забытый электротехник», посвященной трудам В. В. Петрова) Петров произвел ряд оригинальных электрохимических опытов, впервые применил параллельное соединение приемников электрической энергии, установил зависимость силы тока от поперечного сечения проводника, «предвосхитив этим закон Ома» (как писал тот же английский журнал). Он также ввел в электротехническую науку термин «сопротивление».
Но судьба нашего выдающегося соотечественника оказалась весьма трагичной. Хотя он был избран в 1802 г. членом- корреспондентом Петербургской Академии наук, а в 1815 г. – ординарным академиком, он, неустанно отстаивая интересы отечественной науки, открыто выступал против иностранного засилья в Академии наук и постоянно испытывал противодействие со стороны реакционно настроенных чиновников из Министерства просвещения и Академии наук. И когда В. В. Петров в знак протеста не явился в 1825 г. на похороны Александра 1, он был отстранен от руководства Физическим кабинетом Академии, затем уволен из Медико-Хирургической академии; его труды были запрещены к печатанию. После смерти ученого в 1834 г. его имя было предано забвению почти в течение полувека, его могила на одном из петербургских кладбищ была заброшена. Не сохранился и достоверный портрет ученого. И только в 1886 г. студент петербургского университета А. Гершун, впоследствии известный физик, будучи случайно в городской библиотеке города Вильно, нашел на одной из запыленных полок небольшую по формату книгу «Известие... », автором которой был совершенно неизвестный ему физик В. В. Петров. Гершун был потрясен содержанием книги, в особенности открытием электрической дуги. Вскоре о находке студента стало известно петербургским физикам, об исследованиях В. В. Петрова была опубликована статья в журнале «Электричество» и сделаны подробные сообщения на заседаниях научных обществ.
В 1935 г. президиум ВЦИК СССР принял постановление «Об ознаменовании столетия со дня смерти первого русского электротехника академика В. В. Петрова». Как указывал президент Академии наук С. И. Вавилов, "В истории русской физики до половины 19 века В. В. Петров не только хронологически, но и по своему значению непосредственно следует за М. В. Ломоносовым".