История электротехники - Коллектив авторов

В конце XVIII в. ряд европейских ученых, а также В.В. Петров приходят к заключению о том, что металлы могут быть наэлектризованы посредством трения при условии их тщательной изоляции. Наиболее убедительно это было доказано В.В. Петровым в его труде, изданном в 1804 г. [1.8]. Он показал, что особенно эффективным способом электризации металлов является «стегание» их выделанным мехом некоторых животных; он разработал ряд новых методов электризации различных тел, а также установил влияние влажности окружающего воздуха на интенсивность электризации. Эти выводы В.В. Петрова, а также его указание на неустойчивость явления электризации тел подтверждены современными исследованиями.

Заслуживает внимания утверждение В.В. Петрова о возможности электризации человеческого тела посредством «стегания». Это позволяло врачам (он подчеркивает это в своем труде) применять электролечение без установки электростатической машины, которую не всякий медик мог иметь в своем распоряжении.

Результаты опытов по электризации тканей, осуществленных В.В. Петровым, привели его к созданию электрофора оригинальной конструкции, в котором основание из смолы было заменено тщательно просушенной «мягкой байкой», сложенной в четыре слоя. Ученый провел целую серию новых экспериментов по электризации ртути и других веществ посредством трясения их в стеклянных сосудах.

В.В. Петров специально изучал явления статического электричества в разреженном воздухе и атмосфере различных газов. С этой целью он построил совершенно оригинальную электростатическую машину (рис. 1.8), помещавшуюся под колоколом воздушного насоса. Установленный там же термометр позволял исследовать электрические разряды при разных температурах [1.8].

В частности, В.В. Петров убедительно подтвердил возрастание электрической проводимости воздуха при его нагревании; обнаружил образование оксидов азота при электрических разрядах в воздухе.

В последней четверти XVIII в. начинает все более проявляться новый образ мышления ученых, исследующих электрические и магнитные явления. Сделанные еще в 40–50-х годах М.В. Ломоносовым и Г.В. Рихманом первые шаги от качественных наблюдений к установлению количественных закономерностей вызывают все больший интерес. Возможность перехода к количественным исследованиям обусловливалась как успехами математики, так и совершенствованием измерительных устройств.

Как уже отмечалось, Ф. Эпинус пытался аналитически определить силу взаимодействия электрических зарядов. Вслед за ним английский ученый Генри Кавендиш (1731–1810 гг.) в своей статье (1771 г.) указывал на то, что притяжение двух электрических зарядов обратно пропорционально расстоянию в степени меньше третьей. В 1766 г. англичанин Т. Лейн изобрел новый тип электрометра, представлявшего собой разрядник с градуированием расстояния между электродами. С помощью такого электрометра можно было по расстоянию, при котором происходил пробой, определять напряжение электростатической машины. Известны также попытки физиков найти закон магнитного действия.

Важнейшим шагом в развитии количественных исследований электрических и магнитных явлений было установление закона о силе взаимодействия между наэлектризованными телами и магнитными полюсами. Этими вопросами занимались многие ученые (Ф. Эпинус, Г. Кавендиш и др.), высказавшие предположение о «законе обратных квадратов».

Но наибольших успехов сумел достичь французский военный инженер Шарль Огюстен Кулон (1736–1806 гг.). В течение нескольких лет он проводил эксперименты с помощью прибора, который вначале был предназначен для изучения законов закручивания шелковых и волосяных нитей, а также металлических проволок. В 1785 г. Ш. Кулон установил, что «сила кручения пропорциональна углу закручивания». Он решил использовать этот прибор для измерения «малых электрических и магнитных сил». Прибор позволял измерять «мельчайшие степени силы», и Ш. Кулон назвал его «крутильными весами» (рис. 1.9) [1.1; 1.2; 1.6].

В результате многочисленных экспериментов он установил, что сила взаимодействия наэлектризованных тел пропорциональна «количеству электричества» (этот термин был им впервые введен в науку) заряженных тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. При этом в любой точке поверхности сила направлена перпендикулярно к этой поверхности. Так был открыт Ш. Кулоном знаменитый закон, носящий его имя. Этот закон Ш. Кулон распространил и на взаимодействие магнитных полюсов.

Ш. Кулон аналитически и экспериментально доказал, что электричество распространяется по поверхности проводника, а также равномерно распределяется по поверхности изолированной проводящей сферы. Исследования Ш. Кулона способствовали применению математического анализа в теории электричества и магнетизма, распространению математического понятия потенциала (ранее введенного в механику) на электрическое и магнитное поля.

1.1. Кудрявцев П.С. История физики. М: Учпедгиз, М., 1948; т. 2, 1956.

1.2. Лебедев В. Электричество, магнетизм и электротехника в их историческом развитии. Дофарадеевский период. М. — Л.: Гостехиздат, 1937.

1.3. Кузнецов Б.Г. История энергетической техники. М. — Л.: Гостехиздат, 1937.

1.4. Белькинд Л.Д., Конфедератов И.Я., Шнейберг Я.А. История техники. М.: Госэнергоиздат, 1956.

1.5. История энергетической техники / Л.Д. Белькинд, О.Н. Веселовский, И.Я. Конфедератов, Я.А. Шнейберг. М.: Госэнергоиздат, 1960.

1.6. Веселовский О.Н., Шнейберг Я.А. Очерки по истории электротехники. М.: Изд-во МЭИ, 1993.

1.7. Карцев В.П. Магнит за три тысячелетия. М.: Энергоатомиздат, 1988.

1.8. Петров В.В. Новые электрические опыты. СПб., 1804.

1.9. Болотов А.Т. Краткие и на опытности основанные замечания о электрицизме и о способности электрических махин к помоганию от разных болезней. СПб., 1803.

1.10. Ломоносов М.В. Избранные философские произведения. М.: ГосПолитиздат, 1950.

1.11. Эпинус Ф.У. Опыт теории электричества и магнетизма. СПб., 1759.

1.12. Льоцци М. История физики. М.: Мир, 1970.

1.13. Околотин B.C. Вольта. М.: Молодая гвардия, 1986.

1.14. История энергетической техники СССР. М.: Госэнергоиздат, 1957.

Глава 2.

НАЧАЛЬНЫЙ ЭТАП РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

(1800–1870 гг.)

2.1. ИССЛЕДОВАНИЯ ЛУИДЖИ ГАЛЬВАНИ

В течение многих столетий вплоть до последней четверти XVIII в. ученым были известны только явления статического электричества. Промышленный переворот в XVIII в. дал мощный толчок развитию различных отраслей науки, в том числе науки об электричестве. Как уже отмечалось в гл. 1, в изучении электрических явлений были достигнуты определенные успехи, ими начинают все более интересоваться не только физики, но и естествоиспытатели, в особенности врачи, пытавшиеся (и небезуспешно!) применять электричество для лечебных целей.

Отдельные ученые высказывали предположения, что если «вся природа электрическая», то и в организмах человека и животных по жилам и мускулам должна протекать эта таинственная материя. Одним из подтверждений указанных воззрений были электрические рыбы, известные еще с древних времен. Так возникло представление о новом виде электричества, названном «животным».

И не случайно исследованием мышечных движений лягушек занялся в 1773 г. профессор анатомии Болонского университета Луиджи Гальвани (1737–1798 гг.). Первые электрофизиологические опыты Л. Гальвани над лягушками относятся к 1770 г. Спустя 11 лет он опубликовал результаты своих исследований в знаменитом «Трактате о силах электричества при мышечном движении», получившем широкую известность [1.6; 1.12].

Во время одного из экспериментов, когда препарированная лягушка лежала на столе, на котором находилась электростатическая машина, Л. Гальвани заметил, что если прикоснуться скальпелем (или любым проводником) к бедренному нерву лягушки в момент, когда из кондуктора машины извлекается искра, то мышцы лягушки судорожно сокращаются. Естественно было предположить, что и атмосферное электричество должно действовать аналогично. И, действительно, при возникновении молнии мышцы лягушки сокращались. Желая выяснить, какие явления будут наблюдаться при ясной погоде, Л. Гальвани прикрепил медный крючок к железным перилам балкона. Прижимая другой конец крючка к перилам, он снова наблюдал сокращение мышц. Подозревая, что состояние атмосферы не действует на лягушку, он повторил эксперимент в своей домашней лаборатории: положив препарированную лягушку на металлическую обшивку стола и прижав медный крючок, продетый через спинной мозг лягушки, к столу, он снова увидел сильные сокращения. Однако после замены одного из металлов непроводником сокращений не происходило. Но сокращения были «энергичнее и продолжительнее», если лягушка лежала не на железном листе, а на серебряной пластине.