Анатолий Томилин - Мир электричества
Он необыкновенно гордился «своей» машиной, даже не подозревая, что она уже некогда была изобретена и Герике, и Гауксби, но потом просто забыта. Так бывало, бывает и ныне. Просто для изобретения еще не пришло время. Но с той поры пролетело немало лет. Теперь изобретением и усовершенствованием уже готовых электрических машин стали заниматься многие любители физики, и каждый спешил поделиться своими достижениями. Построил электрическую машину и аббат Нолле, демонстрируя ее действие в парижских салонах.
Профессор физики в Виттенберге Георг Бозе заметил, что если отводить электричество от стеклянного шара свинцовой трубкой, то действие его усиливается. Сначала такую трубку – «собиратель электричества», или кондуктор, – держал в руках ассистент, который стоял на изолированной подставке. Потом «съемник электричества» стали подвешивать возле машины на шелковых шнурках. Наконец трубку-кондуктор укрепили на станке самой машины.
Искры получались крупнее, эффектнее, значит, и электричества такие машины давали больше, чем натираемые стеклянные трубки. Оригинальные опыты с электричеством захватывали все больше людей. Экспериментаторы даже бросали свои первоначальные занятия ради загадочной новинки. Большинство этих увлеченных людей, конечно, так и остались дилетантами на всю жизнь, но некоторые все же добивались каких-то успехов….
Например, респектабельный профессор греческого и латинского языков в Лейпцигском университете Иоганн Генрих Винклер, совершенствуясь в опытах, укрепил четыре стеклянных шара на одной оси для усиления действия своей электрической машины. Два ассистента натирали их ладонями.
Потом кто-то предложил заменить шары стеклянными цилиндрами, а руки людей – кожаными подушками, набитыми волосом. Это были дельные предложения.
Электрическая машина с кожаными подушками, укрепленными на штативе
Винклеру удавалось получать электрические искры порядочной длины. В один прекрасный день он пригласил на свой сеанс довольно много почтенных людей. У всех на глазах экспериментатор сам улегся на шелковые петли. Ассистенты стали его электризовать. Публика затаила дыхание. Неожиданно из пальца профессора Винклера выскочила такая искра, что она зажгла спирт, заранее налитый в блюдце. Успех был потрясающим! Очень довольный латинист выбрался из петель и вполне заслуженно насладился рукоплесканиями. Забросив греческий и латынь, Иоганн Генрих Винклер принял предложение занять кафедру физики в том же университете. А его фокус с возгоранием спирта был не раз повторен и обошел многие города Европы. Англичанин Генри Майлс зажег по способу Винклера фосфор и горючие пары, а его соотечественник Уильям Уотсон заставил вспыхнуть порох.
Стремление познакомиться с новыми электрическими явлениями охватило буквально всех людей. Те, кому не удавалось побывать в физических лабораториях, удовлетворяли свое любопытство в ярмарочных балаганах, где за небольшую плату электризовали всех желающих. «Даже в среде ученых трезвость взгляда уступила место некоторого рода опьянению, – писал Ф. Розенбергер в «Истории физики», изданной в XIX веке, – и как сто лет тому назад все объяснялось воздушным давлением, так теперь электричество приводилось в связь со всевозможными проблемами и считалось причиной самых разнообразных явлений».
Увлечение наукой в XVIII веке вытеснило привычные развлечения даже из дворцов. Придворные кавалеры и дамы вместо пасторалей собирали гербарии, и среди богатых людей гораздо больше ценились экзотические растения в оранжереях и коллекции редких бабочек, чем столовое серебро, даже если оно было создано Бенвенуто Челлини. И если раньше научную истину искали в древних манускриптах, то теперь в Европе возник настоящий экспериментальный бум. В любительских кружках, в домашних лабораториях, придворных салонах и на публичных лекциях демонстрировались эффектные опыты, часто на грани фокусов. И конечно, одно из первых мест занимали опыты с электричеством.
Электризацией пробовали ускорять прорастание семян и появление цыплят из насиженных яиц. В Голландии электризовали бутоны тюльпанов, чтобы те быстрее распускались. Лондонское королевское общество провело целый ряд специальных экспериментов, чтобы проверить влияние электризации на самые разные объекты. Правда, обнадеживающих результатов получено не было.
Иначе говоря, явления, причины которых были неясны, отдавались во власть новой силе. Такое внимание благотворно подействовало и на развитие науки. За какие-нибудь тридцать последних лет XVIII столетия люди узнали об электричестве больше, чем за всю прошлую историю. Появились первые теории электричества, и новая область знания «созрела для математики».
Вот только таинственной электрической субстанции с помощью трения первые машины давали мало! В умах исследователей неизбежно должна была возникнуть мысль: а нельзя ли изыскать способы накопления электрических зарядов? И этот вопрос послужил ступенькой для следующего шага в познании электрической силы.
Тайна электризации
Прежде всего напомню, что слово «трибо» в переводе с греческого означает «растирание». Поэтому электрические заряды, которые возникают на поверхности разнородных тел при трении их друг о друга, называются трибоэлектричеством. Понять это явление физики смогли тогда, когда открыли уже значительную часть явлений, связанных с движением и взаимодействием электрических зарядов, и определили самый маленький электрический заряд, отрицательно заряженную элементарную частицу – электрон.
Ученые выяснили, что при трении электризуются оба вещества, их заряды оказываются одинаковыми по значению, но противоположными по знаку. Еще Фарадей для классификации расположил диэлектрики, то есть вещества, не проводящие электрический ток, в ряд, получивший его имя (трибоэлектрический ряд Фарадея): (+) мех, фланель, слоновая кость, перья, горный хрусталь, флинтглас, бумажная ткань, шелк, дерево, металлы, сера (-).
При этом русский физик Николай Александрович Гезехус обнаружил, что диэлектрики в трибоэлектрическом ряду располагаются по мере убывания их твердости: (+) алмаз, топаз, горный хрусталь, гладкое стекло, слюда, кальцит, сера и воск (-). Эту классификацию назвали рядом Гезехуса. Отметим, что электризация вещества тем больше, чем значительнее поверхность натирающего тела. Электризуется пыль, которая скользит по поверхности тела, электризуется снег во время пурги и порошок, просеиваемый через сито. Электризуются жидкие диэлектрики. Особенно при разбрызгивании или при ударе струи о твердую или жидкую поверхность.
Все эти явления очень опасны на производстве и на транспорте. На заводах и на прядильных фабриках металлические части обязательно заземляют, применяют ионизацию воздуха и другие меры. На транспорте при перевозке и перекачке нефти, бензина может произойти нежелательное наложение статических зарядов. Особенно опасна трибоэлектризация в авиации. В полете на фюзеляже, на крыльях и на хвостовом оперении, а также во время заправки топливом в воздухе или на земле трение частиц вызывает появление электрического заряда. Причем разность потенциалов между самолетом и окружающей средой может достигнуть полутора мегавольт! Это вызывает на острых и выступающих частях конструкции коронный разряд, который создает помехи работе радиосистем и пожароопасную ситуацию в топливных баках. Например, если не заземлить прилетевший самолет сразу после полета на аэродроме, он может оказаться весьма опасным для любого, кто коснется его корпуса.
В чем же все-таки причина трибоэлектричества твердых тел? В основе этого явления лежит контактная разность потенциалов, то есть разность потенциалов между двумя различными металлами, металлом и полупроводником или между двумя полупроводниками, которая возникает при их соприкосновении. При этом часть электронов из поверхностного слоя тела с меньшей работой выхода переходит в тело с большей работой выхода. И в зоне контакта образуется двойной электрический слой.
Контактная разность потенциалов сегодня широко используется в полупроводниковых приборах, в термопарах и других устройствах.
Глава 4. Опасное родство
Двойное рождение
Соборный настоятель небольшого городка Каммин в Померании Эвальд Георг фон Клейст занимался электрическими опытами потихоньку. Он не публиковал своих результатов – зачем вводить во искушение прихожан – и довольствовался домашними восторгами. Одно огорчало отца-настоятеля: электрическая машина, счастливым обладателем которой он являлся, была до чрезвычайности слабой. Оттого и искры, которые случалось извлекать из ее кондуктора благочестивому экспериментатору, были едва видны при свете дня.
Однажды, в счастливые часы занятий любимыми опытами, Клейст решил зарядить свою микстуру, чтобы усилить ее действие (отца-настоятеля мучил кашель). Он вставил в бутылочку железный гвоздь и поднес его к кондуктору машины. Несколько оборотов стеклянного шара – и жидкость должна была зарядиться… Осталось вынуть гвоздь из бутылки. Держа склянку в одной руке, почтенный священнослужитель другой взялся за головку гвоздя и… получил весьма ощутимый электрический удар. Клейст даже не испугался. Он только удивился – откуда? Его слабая машина не способна была давать и десятой доли того электричества, силу которого он почувствовал. Впрочем, что толку в раздумьях? Если результат опыта непонятен, его нужно в точности воспроизвести еще, потом еще и еще… И каждый раз бутылка с жидкостью и гвоздем, накопив электричество от маленькой машины, исправно щелкала экспериментатора по пальцу электрическими ударами.
