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Zar - electróforo
En el verano de 1814 El ganador de Napoleón, el Emperador de toda Rusia, Alejandro Primero, visitó la ciudad holandesa de Haarlem. El distinguido invitado fue invitado a la academia local. Aquí, como escribió el historiógrafo, "La gran máquina eléctrica atrajo ante todo la atención de Su Majestad". Hecho en 1784. El auto realmente causó una gran impresión. Dos discos de vidrio con un diámetro de la altura de una persona giraron en un eje común por el esfuerzo de cuatro personas. Se suministró electricidad por fricción (triboelectricidad) para cargar la batería de dos latas de Leiden, condensadores de esa época. Las chispas de ellos alcanzaron una longitud de más de medio metro, de lo que el emperador estaba convencido.
Su reacción a este milagro tecnológico de Europa Central fue más que moderada. Desde la infancia, Alexander estaba familiarizado con una máquina aún más grande, y le dio más chispas. Fue hecho. incluso antes en 1777. en su tierra natal en San Petersburgo, era más simple, más seguro y requería menos sirvientes que los holandeses. La emperatriz Catalina II en presencia de sus nietos se entretuvo con la ayuda de esta máquina mediante experimentos eléctricos en Tsarskoye Selo. Luego, ella, como una rara exhibición, fue transferida a la Kunstkamera de San Petersburgo, luego, por alguna orden, fue sacada de allí y sus rastros se perdieron.
A Alexander se le mostró la técnica de anteayer. El principio de generar electricidad a través de la fricción no se ha aplicado durante más de 200 años, mientras que la idea subyacente a la máquina doméstica todavía se usa en los laboratorios modernos de las escuelas y universidades del mundo. Este principio, la inducción electrostática, fue descubierto y descrito por primera vez en Rusia por el académico ruso, cuyo nombre pocas personas conocen, y esto es injusto. Me gustaría recordar esto a la generación actual.
¿Por qué necesitabas un auto gigante?
No se encontraron descripciones de obras producidas en San Petersburgo en una máquina gigante. Se sabe que en los mismos años en la Cámara de Instrumentos de la Academia de Ciencias en la isla Vasilievsky, los generadores eléctricos fueron fabricados a partir de generadores "de bolsillo" para entretenimiento y autotratamiento en el círculo familiar, a generadores en serie para laboratorios físicos de científicos. ¿Por qué hicieron un costoso auto monstruo? ¿Puedo responder esta pregunta?
Esto es a lo que condujo nuestra lista de buscados.
En 1769 En la ciudad italiana de Brescia, un rayo golpeó una iglesia, en las bodegas de las cuales se almacenaron alrededor de 100 toneladas de pólvora. La explosión que siguió al golpe destruyó parte de la ciudad y miles de sus habitantes. Dado este caso ampliamente conocido, el gobierno británico recurrió a científicos de su academia para recomendar una protección confiable contra rayos para sus depósitos de polvo. Por razones de la Royal Society of London, entre cuyos miembros se encontraba el inventor del pararrayos American B. Franklin, se propuso y llevó a cabo una instalación de protección contra rayos en los almacenes de Perflit en Inglaterra.
Y ahora, con la ayuda del conocimiento moderno, no se puede dar una garantía del 100% de la protección de las estructuras con la ayuda de pararrayos (más correctamente pararrayos). E irónicamente en 1772. El pararrayos instalado de acuerdo con todas las reglas no protegía los almacenes de los rayos. Ella "resbaló" del pasador protector, pero actuó débil y el almacén no explotó. Este caso hizo mucho ruido, incluso en Rusia.
Aquí en San Petersburgo durante 15 años, el campanario de la Catedral de Pedro y Pablo, restaurado después de un rayo en 1756, ha sido restaurado. Cuando en 1772 La reparación principal de la torre del campanario, dirigida por el arquitecto de restauración A. Dyakov, se completó, se dirigió a la academia local con una recomendación de protección, "para que el rayo no causara que un spitz se quemara". 25 de enero de 1773 La Conferencia de la Academia instruyó a los profesores Epinus, Kraft y Euler para expresar sus puntos de vista sobre cómo instalar esta protección.Según los documentos, se sabe que en febrero el profesor de física VL Kraft recurrió al liderazgo de la academia con una solicitud "para liberar una de las máquinas eléctricas de la Cámara de Instrumentos a la oficina de física. Aparentemente para experimentos ...
Está claro que Kraft tuvo que dar a los constructores datos específicos: sobre los materiales de los conductores, su diámetro, material y altura de la terminal aérea, etc. Ahora se sabe que las corrientes de rayos alcanzan cientos de amperios, y el potencial de carga de las nubes es de millones de voltios. Pero luego no había voltios ni amperios, solo había una forma de crear un modelo de proceso, obtener datos y extrapolarlos a procesos de tormentas eléctricas. Además, la precisión de los datos obtenidos sería mayor, cuanto más eléctrica podría implementar una máquina, más similar a una tormenta real. Una máquina ordinaria no era buena: no podía derretir un alambre de cobre de un milímetro de espesor. Era necesario encontrar una salida.
Los académicos rusos enviaron una solicitud a Londres, pero incluso allí sabían poco sobre los problemas solicitados. Aunque ellos mismos experimentaron creando una "nube artificial" de más de 50 metros de largo y medio metro de ancho. Los resultados que recibieron fueron contradictorios. La máquina triboeléctrica se acercaba a su final. Para crear altos potenciales, es imposible hacer discos de vidrio con un diámetro de, por ejemplo, cinco metros. La fuerza centrífuga en un accidente seguramente los convertirá en miles de fragmentos peligrosos para los experimentadores. Era necesario crear alguna otra fuente de electricidad de alto voltaje para los experimentos.
Tal caso apareció en 1776, cuando se inventó un generador eléctrico, que era completamente diferente de los existentes, pero que generaba cargas eléctricas en parámetros incluso más altos que una máquina de fricción. El diseño era simple, por lo que para la fabricación fue dispensado por sus especialistas (Fig. 1). Se realizaron los experimentos. Y el 8 de mayo de 1777. El arquitecto Dyakov informó a la Academia de Ciencias sobre la finalización del trabajo en el pararrayos de la aguja. Y ahora la aguja con una altura de 122.5 metros se encuentra protegida de manera confiable hasta la fecha. Pero, si los estadounidenses, británicos y alemanes conocen los nombres de sus héroes en la lucha contra los rayos, entonces en los libros de texto rusos sobre la historia de la ciencia se puede leer que VL Kraft "no mostró nada especial", o que "la física como tal, especialmente experimental, Kraft no estaba en absoluto interesado ". Y esto es más que justo.
3Por encima de los conocimientos.
10 de junio de 1775 el físico italiano A. Volta anunció su invención de una nueva fuente de electricidad: "Te presento un cuerpo que, al estar electrificado solo una vez, nunca pierde su electricidad, manteniendo tercamente la fuerza de su acción". El autor llamó a este dispositivo las palabras "elettroforo perpetuo", que podrían traducirse como "electricidad que fluye para siempre". El dispositivo era simple antes del primitivismo. Su nombre en terminología física se redujo a la palabra "electróforo", pero el éxito de su aplicación fue abrumador. Ahora, para recibir cargas eléctricas en grandes cantidades, no era necesario utilizar los servicios de las máquinas eléctricas existentes.
Volta no se consideraba el único inventor del dispositivo. Como todo gran científico, honró los méritos de sus predecesores. Aquí están sus palabras: "Epinus y Wilke anticiparon esta idea y descubrieron el fenómeno, aunque no construyeron el dispositivo terminado". ¿Qué tipo de anticipación es? Y el apellido Epinus se encuentra en este texto por segunda vez. Y esto no es accidental.
Profesor de la Universidad de Rostock F. Epinus y su alumno I. Wilke en el descubrimiento de electricidad es un fenómeno que ahora se llama inducción eléctrica. El significado del descubrimiento se puede explicar de la siguiente manera: cada cuerpo que se coloca en un campo eléctrico se vuelve eléctrico. Más tarde, Epinus será invitado a Rusia desde 1757. se convertirá en miembro de la Academia de Ciencias de San Petersburgo. Aquí vivirá hasta el final de su vida, y aquí escribirá su obra principal: "Experiencia en la teoría de la electricidad y el magnetismo".Fue publicado en San Petersburgo en 1759. y se hizo muy popular entre los físicos. Conocí este trabajo y A. Volta. Llamó especialmente la atención sobre la experiencia del académico de San Petersburgo, que reproduciremos a continuación.
En dos vasos de vidrio A y B, se instala una barra de metal C en una longitud de medio metro. En los extremos de esta barra, se colocan otros dos pesos de bloque 1 y 2 (Fig. 2). Si lleva (sin tocar) la barra de cera rallada del lado del primer peso, puede asegurarse de que cuando retire los pesos pequeños estén cargados. El primero es positivo, el segundo es la electricidad negativa. Además, tal operación sin frotar más barras de cera se puede hacer tantas veces como desee. La cera de sellado no disminuyó. En principio, una máquina para cargar cuerpos con electricidad estaba lista. Era posible, en lugar de pesas, poner en una barra cualquier cuerpo para electrificarlo y electrificarlo. ¿Por qué no una máquina de movimiento perpetuo?
Era un prototipo del electróforo de Volta, cuyo mecanismo es muy sencillo de explicar a los contemporáneos. La cera de sellado rallada se carga negativamente. Crea un campo eléctrico que actúa sobre los electrones libres de una barra de metal. Al tener una carga negativa, se redistribuyen en la barra de tal manera que se acumulan en el peso 2 y permanecen en déficit en el peso 1. La diferencia de potencial surge en los extremos de la barra. Ella puede ser eliminada a voluntad. Se necesitaba el genio de Volta para usar este fenómeno en la práctica e incluso, además, para reducir los escasos accesorios en la instalación de Epinus. Volta no usa pesas en absoluto. Justo en el momento de traer la cera, por un segundo, toca el extremo de la barra opuesta a la cera con el dedo. Está claro que el exceso de electrones fluyó a través del cuerpo del físico hacia la "tierra". Ahora, cuando se eliminó la cera de sellado, toda la barra resultó estar cargada con electricidad positiva. Sobre este principio, ya era posible crear una máquina eléctrica más conveniente que las máquinas de fricción. Pero no solo esta era la ventaja del nuevo auto.
Resulta que una máquina de electróforos es capaz no solo de adquirir una carga, sino también de aumentar su potencial eléctrico muchas veces. Y Volta aprovechó esta propiedad cuando demostró la identidad de la electricidad, obtenido en una celda galvánica y electricidad generada por fricción, así como la carga de rayos de la nube. Todos estos cargos resultaron ser exactamente de la misma naturaleza. Y fue probado por electróforo.
¿Cómo funcionaba el electróforo gigante?
Una enorme "sartén" ovalada, cubierta de estaño, con un área de aproximadamente cuatro metros cuadrados (!!!) se llenó con una masa fundida congelada de resina y cera. Ella yacía en la base del electróforo. En él, en bastidores de más de dos metros de altura, en cuerdas que atraviesan los bloques, colgaba otra sartén, un poco más pequeña. Las dimensiones de toda la máquina eran 3 x 2.5 x 1.5 metros. (Fig. 1). Perdona los defectos gráficos del artista medieval. La geometría descriptiva que le permite representar dibujos tridimensionales en un plano aparecerá solo en 1799.
Simplificamos específicamente el dibujo para comprender el principio de la máquina. (Fig. 3) Un par de sartenes de disco, aislados con cuerdas de seda entre sí, son un condensador de aire de capacidad variable. Recuerde que la capacitancia de un capacitor es inversamente proporcional a la distancia entre las placas. Cuanto menor es la distancia, mayor es la capacidad y viceversa. La capacidad del experimentador cambió al subir y bajar la bandeja suspendida. Para eliminar cargas, se solda una bola de cobre B a la parte superior de la bandeja móvil, para la parte inferior A.
El trabajo del electróforo comenzó con la excitación de una carga en la "bandeja" inferior. Esto se puede hacer frotando la resina con un sombrero de piel común. Este procedimiento se realizó a la vez. Luego, la parte móvil del electróforo cayó lo más bajo posible, pero no permitió el contacto con la "bandeja" inferior. Esto es lo que sucede en él.
Sabemos que el disco superior está hecho de metal, y los metales tienen una estructura cristalina. Estos cristales pueden considerarse como una red de iones metálicos positivos, cuyas células están llenas de electrones. Estos electrones pueden compararse con las moléculas de gas que se mueven continuamente. A medida que el disco superior se acerca al inferior, el campo negativo de la resina en los electrones cargados negativamente aumenta cada vez más. Esto lleva al hecho de que los electrones que se expulsan se difunden hacia la parte superior del disco y también hacia la bola de cobre soldada C. Como resultado, la parte superior de la "sartén" móvil recibe un exceso de electrones con una deficiencia en la inferior. En consecuencia, la parte superior del disco móvil y la bola C están cargadas negativamente, y la inferior es positiva.
Si la bola conductora B o C ahora está conectada a tierra, entonces el exceso de electrones fluirá desde la parte superior de la "bandeja" al suelo, haciéndolo neutral, pero la falta de electrones en el fondo permanecerá. En su electróforo, Volta realizó este procedimiento con el toque de un dedo, y en el gigante, donde la carga era grande, las corrientes que fluían a través del experimentador eran grandes y podían dañar el electrificador. Por lo tanto, los diseñadores de la máquina idearon un electrodo de tierra especial, que funcionaba automáticamente. Al bajar la parte superior de la bandeja, la bola C estaba en contacto en su posición más baja con una bola con conexión a tierra D, a través de la cual los electrones fluían hacia el suelo. Con un ligero aumento en el disco superior, el contacto se interrumpió y la falta de electrones ya se extendió a todo el disco. Y el potencial de esta carga aumentó con el aumento de la altura del disco. Esta regularidad se notó por primera vez en la historia mundial en 1759 por el académico de San Petersburgo F.U.T. Epinus.
Por lo general, los estudiantes no lo entienden completamente, aunque no está prohibido que ninguna persona repita la experiencia de Epinus y esto es relativamente fácil de hacer. Esta regularidad se registra fácilmente mediante símbolos en la fórmula, que se encuentra en cualquier libro de texto de ingeniería eléctrica. La desconfianza de los estudiantes en los resultados de este experimento probablemente se deba a la idea de un capacitor de capacitancia variable como un tipo de máquina de movimiento perpetuo desde el cual aumenta el potencial de carga. Pero el aumento en el potencial se produce a expensas de los costos de energía para el trabajo mecánico de extender las placas. Después de todo, las placas del condensador cargadas con cargas opuestas se atraen entre sí con una cierta fuerza que debe superarse.
Por supuesto, es imposible simular el proceso de una descarga de rayos incluso con la ayuda de un gigante de electróforos de este tipo, pero hasta ahora, se obtienen altos potenciales de cargas de la física utilizando autos van de graaffdonde las cargas se entregan a bolas de conductor gigantes mecánicamente.
No sabemos el potencial de la carga recibida en el electróforo del zar, pero un autor desconocido escribió en fuentes de archivo: "Ella (la máquina) está lista para golpear a todos los que se atreven a tocar su bola. Se sabe por experiencia que este electróforo incluso puede matar a un toro. ¡Horrible poder!
Los creadores del gigante de San Petersburgo.
Los nombres de los diseñadores de la máquina gigante son conocidos por las palabras del famoso físico Johann Bernoulli, quien visitó Petersburgo en 1778. Este profesor de la Academia de Ciencias de San Petersburgo Wolfgang Ludwig Kraft (1743-1814) y el mecánico de la misma academia, el artesano ruso I.P. Kulibin (1735-1818). En uno de los libros modernos sobre electricidad, se puede leer: "En los diseños técnicos de las máquinas de inducción, no es fácil ni siquiera para un ojo sofisticado discernir sus principios fundamentales simples". La persona asombrosa era Kulibin. Aprendió independientemente una vez a hacer telescopios no peor que el inglés, y personalmente pulió las lentes. Este también fue el caso con el electróforo, cuya esencia es incomprensible incluso para muchos ingenieros. Entonces, el honor de construir un electróforo gigante pertenece completamente a nuestros compatriotas.
El étnico alemán V.L.Kraft no puede ser considerado extranjero.Nació y murió en San Petersburgo y en la historia de la física su nombre se encuentra en la versión rusa: Login Yuryevich. No fue su culpa que no se le permitiera trabajar en el campo de la física. Catalina II lo identificó como maestro de sus muchos nietos, entre los cuales se encontraban los futuros emperadores Alejandro I y Nicolás I.
Catalina II también rompió su carrera científica con el académico de San Petersburgo, el descubridor de la inducción eléctrica F.U.T. Epinus (1724-1802), uno de los especialistas más prometedores en el campo de la electricidad de la época. Se vio obligado a descifrar la correspondencia diplomática interceptada de los extranjeros de San Petersburgo para la emperatriz. Pero no hay duda de que participó en la creación de una máquina gigante como consultor. Las sobrecargas en descifrar despachos diplomáticos fueron tan grandes que se enfermó gravemente con una enfermedad mental y al final de su vida no pudo hacer ciencia.
El destino de este auto es desconocido. Por orden de alguien, fue sacada de la Kunstkamera. Y puede que no sea sin razón. Le tenían miedo, y por eso. Se descubrió que los electróforos pueden funcionar sin darle una carga preliminar. Para el electróforo gigante, había suficiente brisa ligera sobre la bandeja inferior. luego para obtener potenciales altos y mortales en la cima.
¿Por qué se escribe este artículo?
Todo lo anterior debe mostrar al lector que es muy fácil obtener potenciales eléctricos incluso en casa. Encontrar las posibilidades de su aplicación práctica es cuestión de los cerebros de los Kulibins modernos. Las posibilidades de usar electricidad estática probablemente existan incluso en la vida cotidiana. Solo es necesario interesarse por los inventores. Y aquí hay dos ejemplos de esto.
En los años 40 del siglo pasado, el patriarca de los físicos soviéticos A.F.Ioffe desarrolló un generador electrostático para alimentar una máquina de rayos X. El generador era simple y confiable. Luego se le ocurrió la idea de transferir toda la industria de energía eléctrica del país a la electrostática. Entonces los transformadores elevadores y rectificadores para líneas de transmisión se vuelven innecesarios. Las transmisiones de corriente continua son las más económicas, cuanto más desaparece la pérdida durante la transformación. Pero, por desgracia, para una gran industria de energía eléctrica, tal sistema es imposible para la fabricación práctica de generadores. Pero también hay consumidores de baja potencia, especialmente porque los generadores estáticos no crean campos magnéticos y son muy livianos.
Se sabe que en 1748. el gran estadounidense B. Franklin usó un motor de energía estática para fines prácticos: giró una brocheta de pavo sobre una asadera. Ahora tales motores están olvidados, aunque no tienen devanados, acero eléctrico y cobre. Esto significa que pueden ser muy confiables en la operación. Tales motores son muy prometedores para aplicaciones espaciales. Además, el desarrollo de la química de polímeros nos promete nuevos materiales dieléctricos.
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