Культурная эволюция Homo sapiens. История изобретений: от освоения огня до открытия электричества - Рашид Шафигулин

экспериментально доказал, что «два соприкасающихся металла взаимно электризуются». Он проводит уникальные эксперименты, позволившие установить закон контактных напряжений. Измерив контактную разность потенциалов, физик составил известный «ряд Вольта», где металлы располагались в следующей последовательности: цинк, свинец, железо, медь, платина, золото, серебро, ртуть. Каждый из них при соприкосновении с любым из последующих, получает положительный, а последующий — отрицательный заряд, например: железо (+) /медь (-), цинк (+) /серебро (-). Однако Вольта не сознавал, а может быть и не мог видеть, что электрический ток возникает в результате химических процессов между металлами и жидкостью. Но практически он пришел к созданию первого электрохимического генератора, действие которого основывалось на превращении химической энергии в электрическую. Однако даже описывая свою «чашечную» батарею, где химическая реакция между кислотой и металлами происходила более очевидно, он упорно объяснял это контактом двух разнородных металлов с помощью «проводящей дуги». Тем не менее батарея, получившая название вольтова столба, стала первым источником электрического тока и в таком качестве прослужила человечеству в течение последующих почти 50 лет, пока не был построен экономичный электромашинный генератор [12]. Научные заслуги Алессандро Вольта были столь значительны, что в знак признания их единицу измерения электронапряжения современники назвали «вольт».

Лишь в 1800 году британский химик Гемфри Дэви (1778–1829) доказал, что электричество в батарее Вольта возникает в результате химического действия, и если кислоту в ней заменить чистой водой, она не будет работать. Позже он, уже будучи признанным ученым Королевского общества, установит зависимость электрического сопротивления проводника от его длины и сечения и зависимость электропроводности от температуры. Шведский химик Якоб Берцелиус (1779–1848) вслед за Гемфри Дэви развивает электрохимическую теорию, в 1803 году появилась его работа по электролизу. Ученый опубликовал ряд важных работ о своих электрохимических исследованиях, что положило начало электрохимическим открытиям. Английский химик Уильям Крюйкшенк, усовершенствовав батарею Алессандро Вольта, создал в 1802 г. очень мощный гальванический элемент. Спаянные вместе пластины из меди и цинка были помещены в прямоугольный деревянный ящик, который затем заполнялся электролитом — морской водой или разбавленной кислотой. Полученный от батареи ток позволял жечь железные провода, нагревать уголь до раскаленного состояния и испарять золото и серебро. Эффект батареи был гораздо более мощным, чем у старых электрических машин и лейденских банок.

Одну из лучших батарей своего времени собрал известный английский медик и химик Уильям Хайд Волластон (1766–1828). Автором одной из самых больших батарей стал в 1802 году российский физик и электротехник Василий Владимирович Петров (1761–1834). Его «огромная батарея» из 4200 медных и цинковых пластин по полтора дюйма (3.8 см) размером располагалась в узких деревянных ящиках. Они стояли в четыре ряда, каждый длиной около 3 м, соединенные последовательно медными скобками. Теоретически такая батарея может давать напряжение до 2500 В, но реальный результат был ниже — около 1700 В. [13].

В 1812 году преподаватель физики в Вероне Джузеппе Замбони (1776–1846) первым предложил оригинальную конструкцию сухой батареи — так называемый «столб Замбони». В отличие от вольтова столба влажный картон в ней заменялся сухой бумагой, а в качестве элементов выступала фольга меди и цинка.

Сравнительно просто набирались 900 слоев батареи, что давало напряжение свыше 1000 вольт. В 1812 году уроженец Ревеля русский дипломат Павел Шиллинг фон Канштадт (1786–1837) применил столб Вольта для дистанционного подрыва мин. Такого рода попытки предпринимались и ранее, но военных останавливала ненадежность аппаратуры.

Неожиданное и прорывное открытие датского физика Хан Кристиана Эрстеда (1777–1851) открыло новую страницу в области электричества и магнетизма, после чего изобретения посыпались как из рога изобилия. В 1812 году Эрстед одним из первых высказал мнение, что магнитные поля связаны с электричеством, что если воздействовать на электрический ток, позволяет создать магнитное «поле», Восемь лет спустя он экспериментально доказал, что на магнитную стрелку действует замкнутая гальваническая цепь. Воздействие электрического тока на магнит становится установленным фактом.

В сентябре 1820 г. французский физик Д. Ф. Араго (1786–1853) обнаружил, что медный провод, по которому проходит электрический ток, притягивает железные опилки. При выключении тока опилки «отставали». При замене медной проволоки железной она намагничивалась, а кусочек стали вообще становился постоянным магнитом. По совету Ампера Араго заменил прямолинейную проволоку на спираль, и намагничивание иголки, помещенной внутри спирали, заметно усилилось. Так возник «соленоид». Опыты Араго продемонстрировали электрическую природу магнетизма, а также возможность намагничивания стали электрическим током. [14]

Французский физик и математик Андре Ампер (1775–1836) в том же 1820 году повторил опыты Эрстеда, но не остановился на этом, а пошел значительно дальше. Доказав взаимодействие токов в проволоках, навитых спиралью вокруг стеклянной трубки, другими словами, создав прототип индуктивного дросселя, он тем самым положил начало науке электродинамике. 18 сентября 1820 г. он докладывает в Академии наук о своих открытиях. Ампер показал также, что железная проволока, согнутая в кольцо, аналогична «тонкому листку» постоянного магнита — и кольцо и «листок» имеют одноименные полюса. До него об этом просто никто не задумывался.

Эрстед сформулировал важное правило отклонения магнитной стрелки в зависимости от направления тока в проводнике — «правило пловца». Кроме того, Ампер дал четкое определение понятиям «электрическое напряжение» и «электрический ток». [15]

Первым, кто претворил в жизнь идеи Ампера, был английский физик Майкл Фарадей (1791–1867), обладавший незаурядными способностями экспериментатора. 3 сентября 1821 года в ходе опытов он обнаружил, что проводник, по которому протекает электрический ток, вращается вокруг магнитного поля, а намагниченная игла, в свою очередь, вращается вокруг провода с током. Для первого эксперимента он использовал металлическую чашку с ртутью, в центр которой был помещен вертикальный стержневой магнит. При подаче тока ртуть начинала вращаться. Фарадею первому удалось создать взаимное электромагнитное вращение. Прибор Фарадея заставлял задуматься о возможности создания электродвигателя, и смелые планы довольно скоро осуществились. Первый электромашинный генератор, знаменитый «диск Фарадея», был создан в 1831 г. [16].

В 1825 году английский изобретатель Уильям Стёрджен (1783–1850) продемонстрировал первый электромагнит. Он представлял собой согнутый в подкову лакированный железный стержень, покрытый слоем неизолированной медной проволоки. Через проволоку пропускался ток от химического источника. Немецкий физик Георг Симон Ом (1787–1854) путем экспериментов установил формулу своего впоследствии знаменитого и простого «закона Ома» V = IR, который связывал электроскопическую силу V, ток I, и сопротивление (у Ома проводимость) R.

В 1832 году француз Ипполит Пикси (1808–1835) сконструировал генератор переменного тока, основанный на принципе электромагнитной индукции Фарадея. Машина состояла из вращающегося магнита и двух катушек U-образной формы, торцы которых были противоположны по полюсам.

В 1829 году американский физик Джозеф Генри (1797–1878) в ходе экспериментов обнаружил явления индукции и создал первые прототипы трансформаторов. Но