Владимир Кучин
От Электричества до Телевидения. Популярная история
1803 г. Петров
В 1803 году профессор петербургской Медико-хирургической академии Василий Петров (1761—1834) опубликовал в типографии своей Академии «Известие о Гальвани – Вольтовских опытах». Труд был написан на русском языке вместо повсеместно принятого в те времена использования латыни, и возможно поэтому был никому неизвестен в Европе и России в течение 80 лет (!!!). В 1887 году в Вильно студент вышеупомянутой академии Гершун случайно обнаружил «Известие» Петрова в библиотеке, Гершун вернулся в Петербург и сообщил о находке, после чего о профессоре Петрове была помещена заметка в русском журнале «Электричество». А писать было о чем! Если доверять работе Петрова от 1803 года – он первым открыл явление световой электрической дуги, которое традиционно считается достижением великого химика Хэмфри Дэви [25, 26]. Петров соорудил «Вольтов столб» из 4200 цинковых и медных кружков по полтора дюйма в диаметре и проводил многочисленные химические опыты. В статье VII он описывает, что при сближении двух углей, соединенных проволоками с концами столба, до расстояния 1—3 линий между углями появляется весьма яркий белый свет или пламя, «от которого темный покой весьма ясно освещен быть может». [26]. Итак, если верить книге Петрова, то его опыты 1802—1803 гг. имели место, но, к сожалению, на развитие мировой науки и техники влияния не оказали.
1-й комментарий – сталинские подходы в электротехнике
В сталинскую эпоху, в 1932—39 г. г., и 1948—52 гг. были предприняты две попытки доказать либо полный приоритет, либо большое значение достижений русской и советской науки по отношению к мировой. Не избежал этой «участи» и Василий Петров – его стали упоминать как единственного первооткрывателя электрической дуги.
Сталинские подходы к науке хорошо видны при чтении 26-томной «Технической энциклопедии», издававшейся в СССР 1927—1936 гг.. [29]. Приблизительно до 17-го тома («подводные лодки – производство овощей»), изданного в 1932 году, еще встречается упоминание фамилий «западных» ученых и фирм, но позднее статьи такой информации уже не содержат. Разделам по «электричеству» – «не повезло» они находятся в последнем томе – и читателю не сообщается, к примеру, даже фамилия инженера и фирма, впервые предложившие «электрический трансформатор».
1803 г. Риттер
В 1803 году лектор Йенского университета Иоганн Риттер, который 3-мя годами ранее 1-м получил газообразный кислород при разложении воды (см. выше), после многих экспериментов построил прототип аккумулятора – он сконструировал столб из 40 медных кружков и 40 промежуточных влажных кружков и соединил его концы проволокой с «Вольтовым столбом» из 100 элементов. Когда он разомкнул провода, то у медного столба остался заряд электричества – при этом полюсные концы были противоположны полюсам «Вольтова столба». Этот «вторичный столб» или «зарядный столб» стал предметом большого интереса и дальнейших исследователей. [11, 27].
1804 г. Гумбольдт, Сальва
В 1804 году член Берлинской академии барон и крестник короля Пруссии Фридриха Вильгельма II Александр фон Гумбольдт (1769—1859) после 5-летней научной экспедиции по странам Карибского бассейна и Латинской Америки вернулся в Европу. Для проведения своей экспедиции Гумбольдт в 1799 году заручился личным разрешением короля Испании Карла IV. Научные результаты экспедиции Гумбольдта и его коллеги ботаника Айме Бонплана, которая исследовала природу Венесуэлы, Кубы, Антильских островов, Колумбии, Эквадора, Мексики, были огромны, касались они и магнетизма.
«Собственно к физике земли относятся его исследования над земным магнетизмом. Он первый фактически доказал, что напряженность земного магнетизма изменяется в различных широтах, уменьшаясь от полюсов к экватору. Ему же принадлежит открытие внезапных возмущений магнитной стрелки (магнитные бури) и других частностей. Большое значение для науки имели магнитные обсерватории, устроенные по мысли Г. английским, русским и североамериканским правительствами.» [4].
В 1802 году при повторном пересечении Анд в районе Карамака Гумбольдт и Бонплан обнаружили магнитный экватор – это сухопутное место служило точкой отсчета для всех геомагнитных измерений в течение следующей половины столетия. В 1804 году Гумбольдт опубликовал первый набросок линий равной напряженности поля, Гумбольдт писал
«Я усмотрел в законе снижения магнитных сил от полюса к экватору наиболее важный результат моего американского путешествия». [31].
Монументальный труд Александра фон Гумбольдта и Айме Бонплана «Voyage aux regions équinoxiales du Nouveau Continent, fait en 1799, 1800, 1801, 1802, 1803 et 1804 par Alexander Humboldt et Aimé Bonpland» включал 30 томов, и был издан в Париже в 1807—1833 гг. Частью работа была написана на французском, частью на латинском языке, ее полная стоимость составляла астрономическую сумму в 2553 талера и для читателей по такой цене труд Гумбольдта был недоступен. В 1805—1826 гг. Гумбольдт жил в Париже, но затем в 1827 году по просьбе прусского короля переселился в Берлин, где получил пенсию в 5000 талеров, – его работа состояла в сопровождении короля в поездах по Европе. Грандиозный научный труд ни славы, ни денег Гумбольдту не приносил. В 1830 году Гумбольдт в письме сообщал, что в Берлине есть только 3 экземпляра его труда – один у него как автора, один полный в городской библиотеке и один неполный у короля Пруссии – даже для короля работа была слишком дорога. [28].
Испытав относительную неудачу с первым монументальным изданием, Гумбольдт написал и успел издать в 1845—57 гг. 4 тома своей знаменитой работы «Kosmos: Entwurf einer physischen Weltbeschreibung». В частности в томе 2 Гумбольдт утверждает, что именно Колумб в 1492—96 гг. первым обнаружил в Атлантическом океане линию нулевого магнитного склонения (см. 1492 год), и он же первым сделал гениальную догадку о возможности определения долготы места по магнитному склонению, и даже использовал замеры склонения магнитной стрелки для навигации корабля (в 1496 г.).
В книге «Kosmos..» Гумбольдт пишет, что во время своей экспедиции 1799—1804 гг. у берегов Перу в туман лично провел замеры магнитного наклонения, и, повторяя работы Нормана и Гильберта (см. 1576, 1600 гг.), подтвердил возможность определения таким путем широты места с «достаточной для потребностей мореходства точностью». [30]. В этой же книге Гумбольдт через 45 лет признает, что до него исследования по геомагнетизму и определению магнитного экватора провел физик Роберт Поль де Ламанон (1752—1787) – участник кругосветной экспедиции Лаперуза. 8 октября 1785 года его судно «Буссоль» пересекло магнитный экватор. Работа Ламанона не нашла должного внимания в научных кругах: во-первых он и его 11 спутников были убиты аборигенами в 1787 году на архипелаге Самоа, во-вторых во Франции в 1789 году началась революция и наука уступила место политике. В 1799 году Гумбольдт о работе Ламанона не знал [31].
В 1804 году, 22 февраля, в Академии наук Барселоны испанский врач, метеоролог и инженер Франциско Сальва Кампильо (1751—1828) прочел «Второй трактат о применении гальванизма для целей телеграфии». Доктор Сальва еще в 1796 году получил субсидии от правительства Испании на прокладку 50-километровой телеграфной линии между Мадридом и Аранхуэсом – проект был осуществлен, но это был электростатический телеграф. В 1804 году доктор Франциско Сальва предложил проект многопроводного (не менее 6 проводов) телеграфа с использованием «Вольтова столба» как источника сигнала, а в качестве принимающих элементов предлагались сосуды с водой, которая будет разлагаться под действием электричества и тем самым передавать сообщения. Проект осуществлен не был, но доктор Франциско Сальва стал первопроходцем в создании проекта телеграфа использующего линейную батарею. Именно по этому пути спустя 30 лет пошло развитие телеграфии. [32].
1805 г. Гротгус
В 1805 году молодой литовский геолог (немец по национальности) Теодор Гротгиус (1785—1822) прибыл в Рим из Неаполя, где он принимал участие в экспедиции на Везувий. По прибытии он опубликовал на французском языке небольшое теоретическое исследование по вопросу разложения воды электричеством – первое научное исследование на эту тему, которое объясняло механизм разложения воды поляризацией молекул, при которой атом кислорода в молекуле поворачивался в сторону положительного полюса, а водород в сторону отрицательного. Исследование было напечатано в Париже в журнале «Annalen де Chemie», затем перепечатано в английских и немецких журналах. Постепенно к теории Теодора Гротгуса присоединились многие ведущие химики, в том числе Дэви – в большей степени теория уроженца Литвы Теодора Гротгуса оказалась верной и сохранилась до наших дней. [11].
1807 г. Дэви
В 1807 году, 6 ноября, английский химик Хэмфри Дэви открыл новый элемент – потассий – калий. Открытие он впервые сделал путем разложения едкого кали электричеством. Дэви писал:
«щелочь та в течение нескольких минут поддерживалась в состоянии яркокрасного каления и полной подвижности. Ложечка находилась в соединении с сильно заряженной положительной стороной батареи из 100 пластин в 6 дюймов, соединение же с отрицательной стороной осуществлялось с помощью платиновой проволоки. При этом разложении наблюдался ряд блестящих явлений. Кали оказалось очень хорошим проводником, и до тех пор, пока цепь не была разомкнута, у отрицательной проволоки был виден чрезвычайно интенсивный свет и колонна пламени, которая, по-видимому, находилась в связи с выделением горючего вещества и подымалась над точкой соприкосновения проволоки с кали. Когда порядок соединения был обращен так, что платиновая ложечка была сделана отрицательной, яркое и постоянное свечение возникло у противоположной точки; явлений воспламенения вокруг нее не наблюдалось, но шарики (это металлический калий), напоминающие пузырьки газа, поднимались в кали и вспыхивали при соприкосновении с воздухом. Платина, как и можно было ожидать, была заметно разъедена, и особенно сильно после соединения ее с отрицательным полюсом. Щелочь в этих опытах оставалась сухой, и представлялось вероятным, что горючее вещество происходило вследствие ее разложения.». [24].
В 1807 году англичанин Дэви с помощью электрического разложения открыл металлический натрий, в 1808 году он открывает магний, стронций, барий, кальций – 30-летний Дэви за 2 года стал величайшим химиком и первооткрывателем современности.
1809 г. Земмеринг
В 1809 году, 22 июля, немецкий анатом Самуэль Томас фон Земмеринг (1755—1830) первым завершил изготовление электролитического телеграфа с 35 проводами. [32]. Свой телеграф Земмеринг продемонстрировал на заседании Мюнхенской Академии наук. Индикатором сигнала, передаваемого с помощью «столба Вольта», были пузырьки водорода на отрицательных электродах в общей кювете с водой. Знал ли Земмеринг о работе Сальва (см. 1804 г.) неизвестно, но его телеграф от идеи Сальва не отличался. В настоящее время аппарат Земмеринга хранится в музее в Мюнхене.
Рис 9. Макет телеграфа Земмеринга по [44]
1811 г. Дэви, Пуассон
В 1811 году Хэмфри Дэви стал в своих опытах использовать большую батарею Королевского института из 2000 элементов, в том числе он обнаружил, что между двумя полюсами с угольными электродами возникает электрическая дуга, которая производит свет. В работе 1812 года Дэви писал: «при удалении полюсов на 6—7 дюймов разряды происходили в виде необычайно красивой пурпурной струи света». Открытие Дэви светового действия электрической дуги особого общественного внимания не вызвало, в этом смысле повторилась история русского профессора Петрова (см. 1803 год.). [11].
В 1811 году профессор Парижского университета Симеон Дени Пуассон (1781—1840) впервые применил математическую теорию потенциала к электростатике, он сформулировал «теорему Пуассона». Согласно этой теореме напряженность поля в точке у поверхности проводника пропорциональна плотности зарядов на проводнике. Пуассон дал математический инструмент для расчета распределения электричества на поверхностях различных проводников. В современной теории электростатики важным остается «уравнение Пуассона», которое для точечного заряда имеет удивительно простой вид:
Рис 10. Уравнение Пуассона для точечного заряда.
Великий математик и физик Пуассон, кроме того, известен по своим работам по теории вероятности («распределение Пуассона»), теории упругости («коэффициент Пуассона») и многим-многим работам по механике, астрономии, теории теплоты – изучение его заслуг перед наукой приводит к одной мысли – ПУАССОН!!!
1812 г. Замбони, Шиллинг фон Канштадт
В 1812 году преподаватель физики из лицея в Вероне Джузеппе Замбони (1776—1846) первым предложил оригинальную конструкцию сухой батареи – «столб Замбони». Идея Замбони состояла в использовании в батарее в качестве элементов практически «конфетных бумажек» или поделочной «золотой» (во времена Замбони эта фольга была медной) и «серебряной» (цинковая фольга) бумаги с клеящим слоем, на который Замбони наносил молотый древесный уголь обработанный кислотой либо двуокисью марганца, кроме того Замбони учел впитывание бумагой влаги из воздуха – это делало угольный порошок слегка влажным. Вырезанные фольгированные бумажки были в столбе Замбони сложены попарно («золотая» – «серебряная») и туго стянуты на едином стержне. Столб помещался в стеклянный цилиндр и был достаточно компактным [33].
Столб Замбони позволял сравнительно просто набрать 900 слоев батареи, что давало напряжение выше 1000 вольт, имелись образцы столба Замбони на еще большие напряжения – до 10.000 вольт. В 1814 году Джузеппе Замбони на основе двух своих столбов создал макет-игрушку – «маятник Замбони», где столбы использовались как источники мощного электростатического заряда разной полярности, а между ними колебательные движения совершал маятник в виде латунного кольца. «Маятники Замбони» как пример «вечного» электромотора были популярны в начале 19-го века. Остроумная идея Замбони сделала его «сухую» (а на самом деле всегда немного влажную) батарею практически вечной – батареи в Институте физики в Модене проработали с «маятником Замбони» более 100 лет (!) начиная с 1839 года. [34].
Рис 11. Столб Замбони, по [33]
В 1812 году уроженец Ревеля русский дипломат Павел Шиллинг фон Канштадт (1786—1837) первым применил вольтову батарею для дистанционного подрыва мин. Шиллинг фон Канштадт присутствовал на опытах своего хорошего знакомого Земмеринга в Мюнхене (см. 1809 г.), и способы изоляции проводов навели его на мысль о военном применении электричества от «вольтова столба». До него попытки подрыва зарядов от электростатических машин и лейденских банок предпринимали многие, но военных останавливала ненадежность аппаратуры, идея Шиллинга по этой же причине сразу русскими военными принята не была, до ее реального использования прошло еще 15 лет.
«Первые свои опыты с электрическим воспламенением мин Шиллинг начал в 1812 г. Об этом говорит в своем дневнике мюнхенский профессор Земмеринг. В дневнике 8 апреля 1812 г. записано, что Шиллинг рассказывал Земмерйнгу о своем способе электрического взрыва мин, а 13 мая того же года записано, что „Шиллинг радуется, как ребенок, своему электрическому проводнику“. В том же дневнике профессора Земмеринга, а также и в труде нашего академика Гамеля, посвященном работам Шиллинга, содержится указание, что Шиллинг между 7 и 18 октября (ст. стиль) 1812 г. показывал генералу Вольцогену (одному из известных генералов двенадцатого года) взрыв мин, заложенных в Неве, произведенный гальваническим током. По сведениям, сообщаемым академиком Гамелем, Шиллинг демонстрировал свой метод взрывания мин в Париже, но уже в 1814 или 1815 г. Как это часто бывает, значение нового изобретения для военных целей не было сразу понято специалистами своего времени, но уже к 1828 г. отношение военного ведомства к изобретению Шиллинга коренным образом изменилось. Правда, за этот период Шиллинг много поработал над улучшением своего изобретения и ввел ряд усовершенствований, в частности в устройство батареи (столба), делавших применение ео системы более надежной. Попытки применения электрического воспламенения мин относятся уже ко времени русско-турецкой войны 1828 г.» [25].
Глава 7. 1816 г. – 1829 г.
Телеграф Рональдса, опыт Эрстеда, электродинамика Ампера, закон Ома, трансформатор Генри
1816 г. Рональдс
В 1816 году молодой английский ученый сэр Фрэнсис Рональдс (1788—1873) в своем поместье Кеймскотт Хаус построил телеграф, на котором по электрическому кабелю, заключенному в стеклянные трубки, передал с помощью статического электричества сигнал на расстояние 8 миль. Основная идея Рональдса состояла в том, что на обоих концах линии были в качестве приемников циферблаты с буквами алфавита и цифрами – это был первый электростатический телеграф синхронного действия. [32]. Сэр Фрэнсис Рональдс не патентовал свое изобретение, а предложил британскому правительству, – предложение было отклонено. 11 июля 1816 года Рональдс предложил свой телеграф в британское Адмиралтейство и рекомендовал свою конструкцию как средство передачи телеграфных разведывательных сообщений с большой скоростью и точностью – и получил ответ, что телеграфы любого рода в настоящее время не нужны. Изобретатель не стал более проявлять настойчивости и уехал в Европу, он занимался метеорологией и в 1843 году стал суперинтендантом метеорологической лаборатории, в 1844 году сэр Фрэнсис Рональдс стал членом Королевского общества как изобретатель различных электрических и механических метеорологических инструментов. До создания телеграфа Морзе оставалось 20 лет (см. 1837 год).
1817 г. Лампадиус
В 1817 году профессор Горной академии во Фрайберге, Саксония, (в этой академии в 18-м веке учился Ломоносов) Вильгельм Лампадиус (1772—1842) выпустил первый учебник по электрохимии: «Grundriß der Elektrochemie», Verlag Craz und Gerlach, Freiberg, 1817. Термин «электрохимия» именно в этом учебнике предложен Лампадиусом.
1820 г. Эрстед, Швейгер, Ампер, Араго, Био и Савар
В 1820 году, 21 июля, непременный секретарь Датского королевского общества, профессор университета в Копенгагене Ханс Христиан Эрстед (1777—1851) опубликовал небольшую работу о своих экспериментах по влиянию гальванической цепи на магнитную стрелку. Легенда о фундаментальном открытии Эрстеда приписывает это воле случая – якобы на его лекции кто-то заметил, что при замыкании профессором Эрстедом электрической цепи происходит отклонение магнитной стрелки. В короткой, но очень содержательной работе Эрстеда нет никакого упоминания об этом. Свой мемуар Эрстед по традиции тех времен разослал во все известные физические общества, известным физиками и в редакции научных журналов.
Эрстед пишет в самом начале работы:
«Prima experimenta circa rem, quam illustrare aggredior, in scholis de Electricitate, Galvanismo et Magnetismo proxime-superiori hieme a me habitis instituta sunt. His experimentis monstrari videbatur, acum magneticam ope apparatus galvanici e situ moveri; idque circulo galvanico cluso, non aperto, ut frustra tentaverunt aliquot abhinc annis physici quidam celeberrimi» [35].
Т. е. (авторский сокращенный перевод с латыни):
«Первые эксперименты по этому предмету на занятиях по электричеству, гальванизму, магнетизму я начал показывать зимой. Эти эксперименты демонстрировали, что магнитная стрелка реагировала на гальванический аппарат, при этом гальваническая цепь была закрыта, а не открыта, что ранее пробовали делать многие видные физики».
Главное свое открытие профессор Эрстед видел именно в том, что на магнитную стрелку действует замкнутая гальваническая цепь – «cluso, non aperto».
Кроме того, Ханс Эрстед обнаружил удивительный факт – удаленный провод цепи, перпендикулярный к плоскости магнитного меридиана, на стрелку не действует (!!!)
(«Si filum conjungens perpendiculare ad planum meridiani magnetici, vel supra vel infra acum ponitur, hæc in quiete permanet» [35]),
– это опровергало труды и постулаты всех предшественников Эрстеда, в т. ч. великого Исаака Ньютона – идея о тождественности законов взаимодействия электрических и магнитных «зарядов» рухнула.
В своей работе Ханс Эрстед не избежал и ошибки – он считал, что на стрелку действует только накаливающаяся проводящая проволока, в то время как накаливание было следствием большого тока, а не причиной действия тока на стрелку.
Рис 12. Схема опыта Эрстеда, по [22] /
Неожиданное и прорывное открытие широко не известного датского физика Эрстеда внесло смятение с умы европейских физиков. Некоторые даже пытались оспорить его первенство – назывались имена итальянцев Альдине, Можоне, Романьози, эксперименты которых состояли в намагничивании игл при помощи гальванизма, либо попытке показать влияние магнитного поля Земли на столб Вольта (столб подвешивали горизонтально на шелковых нитях и т. д. [11]), но физики, в первую очередь французские, дружно признали – первенство в открытии электромагнетизма принадлежит профессору Хансу Эрстеду.
После изучения физиками работы Эрстеда открытия в области электричества и магнетизма посыпались в 1820 году как из рога изобилия [11, 12, 16, 27, 36]:
16 сентября 1820 г. профессор университета в Галле Иоганн Швейгер (1779—1857) на съезде естествоиспытателей в Галле впервые показал «мультипликатор» – первый измеритель силы тока, основанный на отклонении магнитной стрелки компаса в поле провода, свитого в виде катушки из нескольких (т. е. «мульти») витков, через который пропускается измеряемый ток. Швейгеру принадлежит термин «гальванометр», его прибор называли «мультипликатор Швейгера», в настоящее время потомок этого прибора обычно называется «амперметр». Швейгер независимо от Земмеринга и Шиллинга применил изоляцию витков навитого провода, первоначально он делал это воском и сургучом, а затем стал применять обвивку шелком – этот способ Швейгера-Земмеринга стал повсеместно распространен.
Профессор Политехнической школы Парижа Андре Ампер (1775—1836) в 1820 году повторил опыты Эрстеда и серьезно их развил:
18 сентября в Парижской академии он сделал первое сообщение о проверке опытов Эрстеда и о своих опытах. Андре Ампер первым применил термин «электрический ток», он дал некоторую теорию взаимодействия магнитной стрелки и тока, сформулировал правило отклонения стрелки (правило пловца);
25 сентября на втором докладе в Парижской академии Ампер сообщил об открытии взаимодействии (притяжении и отталкивании) токов в проводах, т. е. он заложил основы электродинамики (магнит в этих опытах Ампера отсутствовал), и взаимодействии токов в проволоках навитых спиралью и по винтовой линии вокруг стеклянной трубки – тем самым он первым создал прототип индуктивного дросселя;
2 октября он представил в академию резюме двух своих докладов, в котором дал четкое определение понятий «электрическое напряжение» и «электрический ток»;
30 октября он доложил об открытии действия магнитного поля Земли на ток;
4 декабря Ампер опубликовал теоретическую работу о законах взаимодействия элементарных токов.
Коллега Ампера профессор Политехнической школы Доминик Араго (1786—1853) 20 сентября на заседании в «Бюро долгот» доложил о своем открытии и первым продемонстрировал намагничивание и притяжение железных опилок проволокой, по которой протекает ток;
30 октября французские физики Жан-Батист Био (1774—1862) и Феликс Савар (1792—1841) на заседании Парижской академии доложили о проверке работ Эрстеда и своем открытии опытным путем закона о действии гальванического тока на магнит; этот закон известен как «закон Био-Савара-Лапласа».
