Борис Хасапов
Эта история начинается с очень далекой от электричества темы, чем подтверждается факт, что в науке не бывает тем второстепенных или малоперспективных для изучения. В 1644г. итальянский физик Э.Торичелли изобрел барометр. Прибор представлял собой стеклянную трубку длиной около метра с запаянным концом. Другой конец был опущен в чашечку с ртутью. В трубке ртуть не опускалась полностью, а образовывалась так называемая «торичеллиева пустота», объем которой менялся от погодных условий.
В феврале 1645г. кардинал Джованни де Медичи распорядился установить в Риме несколько таких трубок и держать их под наблюдением. Это удивительно по двум причинам. Торичелли был учеником Г.Галилея, который последние годы был в опале за безбожие. Во-вторых, от иерарха-католика последовала ценная идея и с тех пор начались барометрические наблюдения. В Париже такие наблюдения начались с 1666г.
В один прекрасный день (вернее ночь) 1675г. французский астроном Жан Пикар, в темноте перенося барометр, увидел загадочные огни в «торичеллиевой пустоте». Проверить наблюдение Пикара было легко и поэтому десятки ученых повторяли опыт. Было замечено, что яркость огней зависела от чистоты ртути и наличия остатков воздуха в пустоте. И это все. Никто не мог понять, почему в изолированном пространстве возникает огонь. Это была настоящая головоломка, разгадка которой растянулась на многие годы. ( 1 )
Сэр Исаак и Фрэнсис Гауксби старший
5 декабря 1703г. президентом Английской академии наук (Лондонского Королевского общества) становится великий физик Исаак Ньютон. В этот же день в должность оператора академии вступает Фрэнсис Гауксби. В его обязанности входит подготовка и демонстрация экспериментов, проводимых академиками. Такое совпадение означает, что Ньютон знал кого брать себе в помощники. ( 2 )
Лондонский механик Гауксби, владелец мастерской, к этому времени считался первоклассным конструктором научных приборов и инструментов, в том числе и изобретателем нового типа вакуум насоса.
В те годы Ньютон работал над проблемами оптики. Он и многие другие ученые тогда интересовались феноменом свечения в темноте различных камней, светлячков, гниющей древесины. К этой теме подходило и свечение барометра. Решили проверить гипотезу о том, что свет в пустоте барометра дает электричество, получающееся от трения ртути о стекло. Ф.Гауксби решил смоделировать этот процесс. Он взял пустотелый стеклянный шар и выкачал из него воздух. Железную ось шара поставил на опоры и с помощью ременной трансмиссии привел его во вращение. При натирании шара ладонями внутри его появился свет, причем «настолько яркий, что можно было читать слова из заглавных букв. Одновременно освещалась вся комната. Свет казался странного пурпурного цвета». ( 3 ). Барометрическая загадка была разгадана.
Британская энциклопедия называет Гауксби ученым, намного опередившим свое время, поэтому не сумевшим развить свои идеи. В частности установка с натираемым шаром являла собой первую электрическую машину. Она была забыта и через десятилетия вновь изобретена в Германии. Но получение ученым тлеющего электрического разряда сыграло большую роль в развитии учения об электричестве. Современная газоразрядная лампа и неоновая реклама ведут свое летоисчисление с этого времени.
Как парадокс отметим еще одну историческую персону. Лондонский аптекарь Самуэл Уолл, по некоторым данным дядя Гауксби, еще в 1700г., имея смутное представление и в оптике и электричестве, заявил, что из натертого янтаря он извлек искру, которая заставила его думать, будто её свет и треск представляет подобие молнии и грома. Но его предположения немедленно были забыты. Вспомнили, когда это оказалось истиной. ( 4 )
Повелитель молний
Освещение электричеством не надо было изобретать. Оно было изобретено самой природой и в этом нас убеждают летние грозы. А сходство искры с грозовым разрядом после Уолла отмечал не один ученый. «Признаюсь, что идея бы очень мне понравилась, - - рассуждал один из них, - - если бы была хорошо доказана, а доказательства для этого нужны очевидные» ( 5 ). Но как исследовать процесс, проходящий в облаках и чрезвычайно опасный для жизни экспериментатора? Ведь не было ни самолетов, ни воздушных шаров и даже очень высоких зданий, чтобы добраться до грозовых туч.
Да и реквизит исследовательских приборов в середине XYIIв. был весьма скудным. Электрический заряд определялся обыкновенной пробкой из бутылки, подвешенной на шелковой нити. Поднесенная к заряженному телу, она к нему притягивалась, а зарядившись –отталкивалась. Физики имели под рукой еще один прибор – лейденскую банку. Это был примитивный конденсатор. Вода, налитая в бутылку представляла собой одну из его обкладок с выводом контакта из горлышка. Другой обкладкой была ладонь исследователя. Силу электрического разряда экспериментатор проверял на себе.
Можно ли было браться за опаснейшие опыты с набором таких возможностей? Конечно нет! И оптимизм некоторых ученых вызывал горькую улыбку. Но вот за дело берется гений, и задача упрощается до примитивизма. Решение просто, убедительно и даже элегантно.
Чтобы попасть в облака великий американец Б.Франклин использует детскую игрушку – бумажный змей, запущенный при ветре в грозовые облака на льняной нити. Мокрая она обладает прекрасной электропроводностью. Когда змей достиг грозовых туч, Франклин поднес к нити вывод лейденской банки и зарядил ее. Вот и всё. Она зарядилась и теперь опыты с зарядом облака можно было проводить в своей квартире. А заряд этой банки давал искры такого же цвета, был ломаным, давал специфический запах, то есть производил те же эффекты, что и электричество, полученное от машины трения.
Франклин даже определил, что облака наэлектризованы в основном отрицательным зарядом. Причем тоже просто. Он зарядил одну лейденскую банку зарядом из облака, другую от натертого стеклянного шара. Когда поднес к первой банке пробку на шелковой нити – Пробка притянулась и оттолкнулась. Поднеся же ко второй банке ее же уже заряженную, обнаружил, что она притянулась, продемонстрировав, что грозовой заряд и стеклянное (положительное) электричество имеют разные знаки. ( 6 )
Эти опыты, проведенные в 1751г., были настолько убедительными, что не оставляли тени сомнения. А электрический свет ослепительно яркий можно было бы получать, если бы продлить искру молнии с тысячных долей секунды (как у молнии) до реально требуемого для освещения времени.
Электрическая дуга
В 1799г. А Вольта создает первый гальванический элемент. Химическая энергия элемента позволяла генерировать потребителю электроэнергию значительное время, не то, что лейденская банка. Правда потенциал зарядов был низким. Ученые для получения высоких напряжений начали соединять элементы последовательно в батареи.
Петербургский академик В.В.Петров вскоре собрал батарею с электродвижущей силой порядка 2000вольт. Конечно в сравнении с потенциалом грозового облака это было маловато, зато разряд искусственной молнии мог продолжаться минуты.
В одном из опытов, используя древесные угли в качестве электродов, Петров получил при сближении углей до 5-6 мм очень яркий и продолжительный разряд. Его потом назовут электрической дугой. Ученый записал, что между электродами «является весьма белого цвета свет или пламя, от которого оные угли загораются и от которого темный покой довольно ясно освещен быть может». ( 7 )
Здесь прямо имеется указание использования дуги для освещения человеческого жилья. Дело в том, что архаичное, ныне полузабытое слово ПОКОЙ по В.Далю означает «комнату, горницу, палату; всякое отделение жилья». Сейчас это редкое слово можно услышать в больнице – приемный покой, или в Кремле – царские покои.
Однако это были не больше, чем пожелания, Сложность и стоимость изготовления химического источника тока были таковы, что ни о каком практическом применении такого освещения не могло быть и речи. А первые попытки просто показать его публике ограничивались показом «восхода солнца» в Парижской опере, организацией ночной рыбалки на Сене или иллюминацией Московского кремля на коронационных торжествах.
Трудности в организации электроосвещения были непреодолимыми не только по причине отсутствия надежного источника электричества, его стоимости и сложности в обслуживании, но и громоздкости дела, о чем свидетельствует событие, произошедшее в Париже в 1859г.
Архитектор Ленуар решил в строившемся фешенебельном кафе в центре города применить электрический свет. Эта заманчивая идея, хотя речь о стоимости не шла, не смогла воплотиться в жизнь. По расчету оказалось, что для установки 300 источников света потребовалось бы выстроить громадное здание для батарей, равновеликое самому кафе. ( 8 )
Генералы заинтересовались
С 1745г. электрической искрой научились поджигать спирт и порох. Полвека эта способность демонстрировалась в университетах, балаганах и школах, но практического применения не находила. Виной тому была сложность электризации тел трением для получения искры. Одно дело получать искры в сухом отапливаемом помещении или летом, а на практике? История сохранила такой казус.
Мы уже упоминали С.Уолла, предположившего сходство молнии и искры. Несомненно, что искру он получал, но в присутствии членов Лондонского Королевского общества он не смог повторить свой же опыт, поэтому его не избрали членом этого Общества.
С появлением гальванических элементов положение изменилось. В любое время можно было гарантированно получать искру. Тогда и обратили внимание на нее военные. Русский офицер и дипломат П.Л.Шиллинг в 1812г. произвел первый подводный взрыв порохового заряда, что другим способом сделать почти невозможно.
Для ввода в армейскую практику электроподрыва мин много энергии вложил генерал К.А.Шильдер, который применял работоспособную электроарматуру своей конструкции для взрывов – запалы, контактные устройства, разъединители. Им же сделано наблюдение, что электроподжог можно сделать одним проводом, используя вместо другого электропроводность земли и воды.