Уважаемый пользователь Game2Day!

Мы обнаружили, что вы используете систему удаления рекламы (Adblock, AdGuard или какую-то другую).

Реклама – наш единственный источник дохода и она позволяет нам каждый день готовить актуальные и крутые материалы.

Чтобы наш проект жил и развивался, просим вас отключить блокировку рекламы на нашем сайте. Ну а мы обещаем не делать ее надоедливой.

История электричества от древности до наших дней

Электричество является важнейшей частью нашей повседневной жизни, однако впервые об этом феномене написал еще Фалес Милетский около 585 года до нашей эры. Этот греческий философ обнаружил, что если потереть янтарь о шерсть, первый начнет притягивать сухие травинки, перышки и другие легкие предметы. Через несколько сотен лет греческий ученый Герон Александрийский изобрел эолипил – первый паровой двигатель. Если бы античные мыслители объединили две идеи, они могли бы создать электростатические генераторы. Возможно, это изобретение навсегда бы изменило мир, однако этого не произошло.

В 1663 году немецкий физик Отто фон Герике экспериментировал с шаром из серы. Он натер его руками и создал один из первых электростатических генераторов, который производит электричество трением. Исаак Ньютон и другие ученые усовершенствовали изобретение немца, а в 1746 году британец Уильям Уотсон провел опыт при помощи меча, стеклянных шаров и ружья.

Препятствия на пути экспериментов с электричеством

Одной из ключевых проблем, не позволяющих древним мыслителям свободно экспериментировать с электричеством, являлось то, что большинство людей попросту не понимало, что это такое и как это использовать в повседневной жизни. В 1600 году появилось несколько устройств, упростивших опыты со статическим электричеством. Важнейшим из них был электроскоп, который был изобретен Уильямом Гилбертом в 1600 году: устройство под названием «версориум» представляло собой вращающуюся иглу и определяло наличие и величину электрического тока в теле. С принципом работы электроскопа можно ознакомиться ниже (видео на португальском, но основную идею можно понять и без знания языка).

В 1754 году Джон Кантон создал электроскоп с шариком, сделанным из сердцевины ствола растений (например, бузины): шарик тянулся к источнику электрического заряда и оставался неподвижным, если к нему подносили «нейтральный» предмет. Суть явления состоит в следующем: поскольку материал, из которого сделан шарик, не обладает свойствами проводника, отрицательно заряженные электроны не могут покинуть атомы и начинают притягиваться к источнику электрического заряда. 

Как механизмы совершенствовались

Можно проделать тот же самый эксперимент, но использовать два шарика из сердцевины ствола растений (можно использовать солому). Если касаться одного шара заряженным предметом, в тот момент когда он соприкасается с другим шаром, заряд будет передан обеим сферам. Поскольку шары заряжены одинаково, они будут отталкиваться. Расстояние между ними будет указывать на силу заряда.

Некоторые ученые отметили, что у материала, из которого были изготовлены шарики, была слишком большая масса. В 1787 году Абрахам Беннет создал электроскоп при помощи двух тонких листов золота. Он накрыл два небольших кусочка золотой фольги стеклянным контейнером, чтобы ее не покачивали порывы ветра. На вершине контейнера был расположен контакт, через который передавался заряд. Когда ученый подносил к контакту заряженный предмет в то время, как кусочки фольги соприкасались, они начинали отталкиваться. При этом эффект был значительно более заметным, чем во время эксперимента с шариками из сердцевины бузины. Этот опыт можно найти на канале YouTube Rimstar.org.

Другим полезным изобретением стала лейденская банка. Два физика Эвальд Юрген фон Клейст и Питер ван Мушенбрук независимо друг от друга создали это устройство в 1745 году. По сути, это был обычный электрический конденсатор: стеклянная банка была оклеена снаружи и внутри листовым оловом и закрыта деревянной крышкой (поначалу в качестве внутренней обкладки использовалась обычная вода, а внешней – руки человека). Крышку банки пронзал металлический стержень. Устройство позволяло накапливать и хранить заряды электричества (емкость составляла около одного нанофарада). Бенджамин Франклин, изображенный на 100-долларовой купюре, также экспериментировал с лейденской банкой. Пользователь Джеймс Линкольн поделился роликом, в котором рассказал об основных принципах опыта с этим устройством.

Переход от накопления к генерированию

Выяснив, как измерять электрический заряд и хранить его, ученые вплотную подобрались к тому, как генерировать электричество. В 1783 году голландцы создали машину, которая использовала стеклянные сферы диаметром в два метра. Похожий агрегат использовал Георг Ом в своих опытах.

По сути, в основе первых механизмов, генерирующих электричество (фрикционных машин), лежал принцип, который открыл еще Фалес Милетский: если разместить два диэлектрика рядом друг с другом, они будут генерировать электрический заряд. Однако этот заряд слишком слабый, потому что в местах соприкоснования между двумя предметами слишком много неровностей. Если же потереть предметы друг о друга, они войдут в более плотный контакт и, соответственно, сгенерируют заряд большей величины.

Усовершенствованной версией этого механизма является электрофорный генератор (influence machine), изобретенный Джоном Кантоном в 1753 году и Джоном Карлом Вилке в 1762 году. Ученые впервые заметили явление электрической индукции: заряженный предмет притягивает либо отталкивает электроны. В диэлектрике электроны не могут вырваться за пределы атомных связей, в то время как в проводниках некоторые электроны могут свободно пройти через предмет. Результирующий заряд останется нейтральным, но распределение заряда по предмету изменится.  

Основное отличие электрофорных генераторов от фрикционных машин заключается в следующем: когда предмет отдает свой заряд, он заземляется. Земля содержит бесконечное количество положительных и негативных зарядов, и сли рядом с «нейтральным» объектом расположен положительно заряженный предмет, он станет негативно заряженным, потому что привлечет негативный заряд от земли. Иными словами, заземление предмета меняет в нем заряд на противоположный, по сравнению с зарядом внешнего объекта.

Электрофорные машины

Александр Вольта создал тип конденсатора под названием электрофор, в котором индукция используется для создания дисбаланса заряда. Электрофор состоит из диэлектрической пластины и металлической пластины с изоляционной рукояткой. Нужно потереть диэлектрическую пластину, чтобы зарядить ее, а затем разместить на ней металлическую пластину. Заземление пластины временно приводит к изменению заряда на противоположный. Заряд на диэлектрике не меняется, поэтому можно использовать металлическую пластину для временного переноса заряда.

Электрофор нетрудно сделать самому. Так, энтузиаст Томас Ким рассказал, как собрать электрофор самостоятельно из подручных материалов, а также показал прибор в действии.

Когда он касается пластины, то заземляет ее посредством своего тела. Также несколько раз передавая заряд между пластинами, но увеличивает емкость заряда на диэлектрике.

Георг Кристоф Лихтенберг создал двухметровый электрофор, благодаря которому можно было визуализировать распространение зарядов: если направить электричество на смоляную поверхность электрофора и посыпать ее смоляным порошком, последний образует фигуры в форме звезд (так называемые фигуры Лихтенберга). Эти машины стали предшественниками всех индукционных маiин, которые будут использоваться в будущем.

В электрофорных машинах (influence machines) используются многоступенчатые устройства для усиления заряда. Самым значительным новшеством был переход от линейного движения к вращательному движению в отношении предметов, расположенным вблизи. К середине 1800-х было создано множество электрофорных машин (например, машина Хольтца).

В 1878 году Джеймс Уимхерст задался целью улучшить машину Хольтца и его версия устройства обрела особую популярность после публикации статьи с описанием основных ее принципов. В машине используются вращающиеся стеклянные диски с прикрепленными металлическими пластинами. Когда диски вращаются, в лейденской банке накапливается заряд. Устройство можно сделать своими руками из CD и пустых бутылок.

Генератор Ван де Граафа

Еще одной популярной машиной был генератор Ван де Граафа, который был создан физиком MIT в 1929 году для ускорения заряженных частиц. На вершине устройства находится металлическая сфера, изолирующий ремень идет от основания машины, через трубу и внутрь металлического глобуса. Ремень заряжается в основании, а металлический гребень передает заряд от ремня к металлической сфере. Недавно в журнале Scientific American Amateur Scientist была опубликована статья, в которой описывается процесс создания генератора.

В 1931 году эта и подобные машины могли генерировать напряжение в 1 мегавольт, а если применить газовую изоляцию, то и вовсе в 25 мегавольт. Вскоре генератор Ван де Граафа был заменен более мощным циклотроном, который и позволил создать современные суперколлайдеры. На сайте Rimstar.org размещен ролик, авторы которого объясняют, из чего состоят и как работают генераторы.

Электростатика сегодня

Принципы электростатики легли в основу множества важнейших изобретений: светокопировальных аппаратов, пылеуловителей, пульвелизаторов и аэрографов. Недавно экологические машины, на основе заряженных капель воды и ветра, были запущены в Голландии. Однако в большинстве девайсов электростатическое поле создается благодаря проволочному коронирующему электроду, а не традиционному генератору. Тем не менее, старые генераторы можно нати в любом научном музее: посетители могут наблюдать за тем, как они создают искры и заставляют волосы шевелиться на голове.


Поделиться

Вы не авторизованы

Войдите, чтобы оставить комментарий!


Еще не зарегистрированы? Регистрация здесь.