Перші досліди з передачі електричної енергії на відстань
Олександр Семенов
Досвід,
в якому електрика передавалося по провіднику, був виконаний ще в XVII
століття, задовго до появи гальванічних елементів (1799 р.). Його автор - Отто
фон Геріке (1602-1686 рр..), відомий перш за все своїми дослідами з
магдебурзьке півкулями. Хоча Геріке мало займався електрикою, його ім'я
міцно увійшло в історію цієї науки. Потирай руками сірчаний кулю на осі
(вважається першим електрізаціонной установкою - "машиною Геріке")
служив винахіднику для модельної демонстрації "світових сил"
(virtutes mundanae). Насправді ж Геріке спостерігав електричне
тяжіння і відштовхування, тобто електростатичну індукцію, ефект вістря,
електропровідність лляної нитки, якою куля передавав свою здатність
притягати легкі тіла та ін У досвіді з ниткою тяжіння спостерігалося в межах
більше 2-3 см від нижнього кінця нитки довжиною півметра.
Ісаак
Ньютон (1643-1727 рр.). У статті, почуте Королівському суспільству у 1675 р.,
запропонував замінити сірчаний куля скляним (електризація скла була відома ще
Гільберт (1544-1603 рр..)). В результаті у Ньютона і Франсіса Хоксбі (пом. 1713
р.) з'явилися забезпечені ручним приводом електрізаціонние машини на основі
обертового скляного кулі, потирає руками.
В
початку XVIII ст. Хоксбі використовував як джерела "електричної
сили "скляну трубку, потирає безпосередньо рукою, папером, тканиною
або шкіркою. Завдяки такій трубці електричні досліди отримали широке
поширення, але при цьому самі електрізаціонние машини надовго вийшли з
вжитку, що, на думку деяких істориків, загальмувало розвиток науки.
Електричні
досліди Геріке в більшому масштабі продовжив англійський учений Стівен Грей
(пом. 1736 р.). Завдяки роботам Грея, проведеним за участю Гренвілл Уїлера
(1701-1770 рр..), Досліди з передачі електричної енергії на відстань вийшли за межі
приміщення.
Джерелами
"електричної сили" у Грея служили скляні трубки або палички
довжиною 104 см і діаметром 3 см. На кінцях трубка була товще, ніж в середній
частини. Внутрішній діаметр трубки становив близько 2,5 см. Суцільна скляна
паличка Грея мала 28 см в довжину і 2,2 см в діаметрі і теж забезпечувала
досить сильну електризацію.
Грей
виявив ряд тіл, яким трубка може повідомляти "електричну
силу ". Це - дерев'яні стрижні і дріт (залізна і латунна), їх Грей
вставляв у трубку (через пробку); прядив'яна мотузка, яку він прив'язував до
трубці або заштовхували в неї, та ін У дослідах з передачі електрики Грей
надягав на кінець дерев'яних стрижнів або підвішував під кінець мотузки або
дроту куля зі слонової кістки, пробки або свинцю з наскрізним отвором.
Максимальна довжина кімнатній електропередачі по мотузці або дроті,
звисали з трубки, не перевищувала метра, а максимальна довжина горизонтальної
кімнатній електропередачі по стикованих дерев'яним провідникам (в обох
випадках - з кулею на кінці) становила понад 5,5 м, включаючи довжину трубки.
Повідомлення
тілам "електричної сили" Грей перевіряв за допомогою пушинки, яка
могла притягатися до тіла, відштовхуватися від нього, парити в повітрі, знову
притягатися і т. д., за допомогою пробної нитки, які притягувалися до
заряджених тіл, а прітянувшісь, відштовхувалася від них, або за допомогою латунного
листка, що звичайно лежав на дощечці і міг притягатися тілами,
знаходилися над ним на висоті до декількох дюймів. Для виявлення малого
заряду Грей користувався довгим шматком тонкої нитки, підвішеною до кінця палиці.
Бажаючи
передати електрику на більшу відстань, 19 травня 1729 Грей провів такий
досвід. Стоячи на балконі, він тримав у руках скляну трубку зі звисаючої
мотузкою довжиною 8 м з кулею зі слонової кістки на кінці. Внизу знаходився
асистент Грея, що визначав наявність заряду за допомогою латунного листа (на
дощечці). Грей не сумнівався в тому, що зміг би передати електрику таким
способом навіть з купола собору Св. Павла в Лондоні.
31
Травень 1729 Грей, стоячи на балконі, передав електрику вгору по жердині довжиною
5,5 м, вставленого в трубку, і далі від верхнього кінця жердини вниз по
прикріпленою до нього мотузку довжиною 10 м. Загальна довжина передачі, як вважав
Грей, склала 15,5 м (хоча цей розрахунок не коректним через явища електростатичного
індукції, яку Грей відкрив пізніше).
Всі
ці досліди являють собою лише модифікацію досвіду Геріке з лляної ниткою.
У
Грея ще не було чіткого уявлення про провідниках і ізоляторах. Він описує
в однакових виразах передачу електрики свинцевому шару і шару з
слонової кістки.
Грей
вирішив передати електрику по горизонталі, щоб з'ясувати, як далеко це
можна робити. Він підвісив мотузку на цвяхи, убитих у дерев'яну балку,
далекий кінець мотузки з м'ячем звисав, як звичайно, над латунним листком. Досвід не
вийшов: латунний листок лежав нерухомо. Грей зробив правильний висновок про
те, що електрика пішов у балку.
Подолати
утруднення вдалося завдяки блискучій ідеї Уїлера, разом з яким Грей
експериментував влітку 1729 Уілер запропонував підтримувати "лінію
електропередачі "шовковим шнуром, а не підвішувати її на цвяхи. Перший
ж досвід, проведений 2 липня 1729 близько 10 години ранку (як скрупульозно
відзначив Грей у своїх записах), перевершив всі очікування. Горизонтальна частина бечевочной
лінії проходила від скляної палички, до якої вона була прив'язана, до
шовкового шнурка. До кінця лінії був підвішений куля зі слонової кістки. Звисаюча
частина лінії становила близько 2,7 м, а загальна довжина дорівнювала 24,5 м. При
потирання палички латунний листок притягався до кулі і тримався на ньому
деякий час.
Замінивши
шовковий шнурок металевою дротом, Грей знову отримав негативну
результат. Грей зрозумів, що ефект ізоляції лінії обумовлений не тонкістю
шнурка, а властивостями шовку. Провівши згодом спеціальні досліди, Грей
переконався, що з усіх шовкових шнурків найкращими ізоляційні властивості
володіють шнурки блакитного кольору.
В
успішно проведених в 1729 дослідах довжина лінії (мотузки) доходила до 233 м, а
в 1730 р. - до 270 м. Лінії трималися на 15 відрізках шовкових шнурків,
натягнутих в горизонтальній площині між дерев'яними стійками. Так з'явилися
попередники основних елементів лінії електропередачі - провідників,
ізоляторів та опор. Стало ясно, що електрику можна передавати на великі
відстані, "хоч на край світу", як стверджував Іоганн Генріх Вінклер
(1703-1770 рр..) В 1744 р., говорячи про передачу електрики по провіднику,
обмотаного шовком або підвішеному на шовку. Цікаво, що Вінклер
підкреслює, що передача може чинити опір.
5
Серпень 1729 Грей показав, що електрику можна передавати, не торкаючись
лінії передачі трубкою, а тільки тримаючи трубку поблизу лінії, тобто (по пізнішій
термінології) за допомогою електростатичного індукції. Грей виконав аналогічний
досвід і з дерев'яним стрижнем, підвішеною до стелі на шовкових шнурках або
ліску з кінського волосся. Приблизно через десять років за таким принципом стали
влаштовувати кондуктори електрізаціонних машин.
Роботи
Грея спонукали до досліджень з електрики французького вченого
Шарля-Франсуа де Сістерне Дюфе (1698-1739 рр..), Як він сам про це пише. У
1733 він відтворив досліди Грея і Уїлера по горизонтальній передачі
електрики за допомогою мотузки. Дюфе виявив, що досвід вдається краще, якщо намочити
мотузку. Розвиваючи дослідження Грея, він прийшов до висновку, що ізоляційні
властивості шовку обумовлені не кольором шовку, а барвниками. Дюфе передавав
електрики по мотузці довжиною понад 400 м, підвішеній на шовкових підв'язках,
прив'язаних до дерев. Дюфе показав, що лінію передачі можна ізолювати з
допомогою не тільки шовкових шнурків або кінського волосся, але і скляних трубок,
в тому числі покритих сургучем.
Після
досліджень Грея і Дюфе всі тіла стали ділити на провідники і непроводнікі, за
термінології, введеної англійським вченим французького походження Жаном
Теофілем Дезагюлье (1683-1744 рр..). Раніше англійський учений Вільям Гільберт
(1544-1603 рр.). Розділив всі тіла на електрики і неелектрікі, залежно від
їх здатності електризувала при терті. Дюфе сформулював зв'язок між цими
класифікаціями: "Тіла, найменш електричні самі по собі (тобто
найменш схильні до електризації), найбільше підходять для передачі електричної
сили на відстань ".
В
Англії дослідження Грея продовжив Дезагюлье. 2 лютого 1738 він
демонстрував Королівському товариству передачу електрики за дроті
(спочатку залізниці, потім латунної) завдовжки близько 5 м.
Грей,
а слідом за ним Дюфе і Дезагюлье ставили питання про дальність, але не про швидкість
розповсюдження електрики. Питання про швидкість виник тільки після появи
лейденської банки. Її винахід було підготовлено вищевикладеними
дослідженнями і відродженням електрізаціонних машин (замість скляної
трубки), які з початку 1740-х років стали забезпечуватися кондуктором.
лейденська
банку була винайдена в 1745 р. незалежно голландським професором Пітером ван
Мюсхенбруком (1692-1761 рр..) І німецьким прелатом Евальд Георгом фон Клейста.
Діелектриком в цьому конденсаторі служило скло судини, а обкладками - вода в
посудині і пальці, експериментатора, яка тримала судину. Висновком внутрішньої
обкладки служив металевий провідник, пропущений в судину і занурений у
воду. У 1746 р. з'явилися різні модифікації лейденської банки з фольгових
обкладками, з внутрішньою обкладкою з металевих тирси або дробу і т. д.
Лейденська банку дозволяла накопичувати і зберігати порівняно великі заряди,
порядку мікрокулона.
Паризький
лікар Луї-Гильом Лемонье (1717-1800 рр.). переносив заряджену лейденську пляшку
в руці за кілька кварталів до себе додому, при цьому вона довго зберігала
заряд в будинку Лемонье.
Винахід
лейденської банки ознаменувалося її розрядом через тіло експериментатора. Незабаром
почали проводити досліди з розрядом лейденської банки через ланцюжок людей, що взялися
за руки. Англійський фізик, хімік і історик науки Джозеф Прістлі (1733-1804 рр.).
стверджує, що такий досвід перших поставив англійський лікар Вільям Ватсон
(1715-1787 рр..), Але пріоритет встановити важко. 20 квітня 1746 бургомістр
Данцига Даніель Гралат (1708-1767 рр.). Демонстрував місцевій громаді
натуралістів електричний удар одночасно 20 чоловік, які взялися за
руки. Іноді сусідні люди з'єднувалися через металеві стрижні. У Версалі
під Парижем у присутності короля абат Нолле демонстрував електричний удар
одночасно 240 осіб, які взялися за руки. Про своїх дослідах Нолле доповів
Паризької академії наук навесні 1746
Восени
1746 в Паризької академії наук зробив повідомлення лікар Лемонье. Він
експериментував з тонкостінних лейденський посудиною. Лемонье заряджав його,
торкаючись висновком внутрішньої обкладки безпосередньо до електрізуемому тертям
скляному кулі. При швидкому обертанні кулі лейденський посудину менш ніж за
півхвилини заряджався настільки, що з дротового виведення з шипінням виходив
пучок іскор. Лемонье також розряджали лейденський посудину через ланцюжок з великого
кількості людей, причому електричний удар люди відчували тоді, коли стояли на
ізолюючим килимку (зі смоли і воску в рівних долях) або на підлозі. Люди
утворювали ланцюжок, тримаючись за руки або з'єднуючись один з одним через
металеві ланцюги довжиною по 6-8 м. Одні ланцюга стосувалися землі, інші були
занурені у відро з водою, а деякі обмотані навколо великих шматків заліза.
У всіх цих дослідах люди відчували електричний удар. Виключивши людей з
досвіду, Лемонье розрядив лейденський посудину через дріт довжиною близько 4 км і своє
тіло, при цьому частина проводу лежала на галявині, покритої росою.
В
роботі Лемонье ми вперше зустрічаємо двохпровідні лінію (що зображена в
"Мемуарах" Паризької академії за 1746 р.). У правій руці Лемонье
тримав заряджений лейденський судину. Висновком внутрішньої обкладки Лемонье міг
торкатися дроту довжиною в 1800 м. У лівій руці тримав Лемонье провід такий же
довжини, прокладений паралельно першим. Інші кінці обох проводів тримав у
руках асистент. Мета експерименту полягала у визначенні швидкості
розповсюдження електрики. Лемонье торкався висновком внутрішньої обкладки до
першого проводу, при цьому обидва експериментатора випробовували електричний удар. Асистент
повинен був визначити проміжок часу між моментом освіти іскри при
замиканні ланцюга і моментом відчуття удару електричним струмом. Лемонье і його
асистент мінялися місцями. В результаті був зроблений висновок, що електрика
поширюється зі швидкістю, по крайней мере в 30 разів перевищує швидкість
звуку. Лемонье висловив припущення про мінливості швидкості розповсюдження
електрики.
обриваючи
дроти в деяких місцях, Лемонье переконувався, що електрика
поширюється дійсно по проводах, а не по землі: при обриві
електричний удар не відчувався.
Робота
Лемонье спонукала Ватсона та інших зробити в більших масштабах
спільні дослідження з метою визначення швидкості розповсюдження
електрики. 14 липня 1747 англійські вчені проклали металевий дріт
по мосту через Темзу з одного берега на інший. На "приймальному кінці"
один з експериментаторів, стоячи на кам'яному узвозі, тримав в одній руці цей
дріт, а в іншій - металевий стрижень, занурений у річку. На "передавальному
Наприкінці "другого експериментатор, також стоячи на кам'яному узвозі, тримав у
руці той же дріт, а в іншій - заряджену лейденську пляшку, обгорнуту
свинцевою фольгою і наповнену металевими тирсою. Третій
експериментатор, що стояв поруч, однією рукою занурював у воду металевий
стержень, а інший - стосувався виведення внутрішньої обкладки лейденської пляшки, при
цьому всі три експериментатора випробовували електричний удар. Зарядка лейденської
пляшки проводилася від електрізаціонной машини в сусідньому будинку. Там, де
проводився досвід, відстань між берегами, становила 370 м. "Довжина цієї
ланцюги, за якою поширювалася електрику, - пише Ватсон, - була не
менше 750 м, з яких більше половини складав потік річки ". Ватсон
відзначав, що метали найкращим чином проводять електрику, а й вода - теж
відмінний провідник.
14
Серпень 1747 дослідники провели досвід, подібний тільки що описаного, але
як зворотного проводу використовувалася земля. Довжина металевого дроту
дорівнювала 32 км. Учасники експерименту тримали провід, стоячи на ізолюючих
килимках з воску.
В
1747 і 1748 рр.. дослідники успішно експериментували з двопровідної
повітряною лінією, загальна довжина проводів якої склала 3,7 км. Провід
підвішувалися на сухих (Ватсон підкреслює це!) дерев'яних стійках. На
підставі проведених дослідів було зроблено висновок, що електрика
поширюється миттєво.
Досліди
англійських дослідників викликали жваву дискусію серед фахівців з
електрики того часу. Влітку 1748 оригінальні досліди з передачі
електрики проводив Бенджамін Франклін (1706-1790 рр..). На протилежних
берегах річки Скулкілл біля самої води було встромлений по металевому прутки
довжиною близько 1 м. На верхівці одного прутка був прикріплений шматок дроту з
кулькою на кінці, що звисають над спиртом, налите в ложку. "Тонка
дріт, прикрученим одним кінцем до ручки ложки зі спиртом, - пише
Франклін, - було перекинуто через річку і підтримувалася над водою поромним
канатом. Іншим кінцем цієї дроту була ній нема міцно прив'язаного обкладка банки, при зарядці
якої іскра з гака (виведення внутрішньої обкладки) проскакувала до верхівки
прутка, встромлений на цьому березі річки. Одночасно пруток на іншому березі
давав іскру в ложку зі спиртом, який при цьому загоряється, на потіху
філадельфійців, які спостерігали за досвідом. Другим проводом лінії передачі служила
вода річки ".
Перенесемося
тепер з берегів Скулкілла на береги Неви.
В
1753 М. В. Ломоносов повідомляв І. І. Шувалову, що Г. В. Ріхман виконував
лейденський досвід "із сильним ударом"; досвід, писав Ломоносов,
"можна переносити з місця на місце, відокремлюючи від машини в знатне відстань
близько цілої версти ". Хоча опис і креслення досвіду втрачені, можна
зробити висновок, що петербурзький академік спорудив лінію передачі від електрізаціонной
машини "у знатне відстань". Що представляла собою ріхмановская
лінія передачі - не відомо. Є відомості, що Ріхман влаштовував досить
довгі електричні лінії. Так, він підвісив на шовкових шнурах залізний ланцюг
довжиною 40 м, яка соедіняла між собою гострий залізний прут,
заряджатимуться атмосферним електрикою навіть в ясну погоду, і електричний
покажчик (електрометрії). Довжина ланцюга, за даними Ріхман, не впливала на показання
електрометрії. У досвіді, про який повідомляє Ломоносов, Ріхман, мабуть,
заряджати та лейденську банку "з сильним ударом" у різних
точках лінії.
Вищевикладені
досліди стимулювали ідею електричного телеграфу, але дивно, що її не
висловив жоден з вищезгаданих дослідників.
Перше
достовірно відоме пропозицію використовувати електрику (статичне) для
передачі повідомлень міститься в листі якогось "С. М." з міста
Ренфрю від 1 лютого 1753, надруковане в Шотландському журналі за 17 лютого.
На цей лист посилаються в багатьох роботах з історії телеграфії. "С.
М. "пропонував провести між двома пунктами паралельні дроти з
використанням ізоляторів зі скла (або іншого відповідного матеріалу) на
опорах, встановлених через певні проміжки. Проводів повинно бути
стільки, скільки букв у алфавіті. Передача кожної букви повинна здійснюватися
шляхом приведення в зіткнення кондуктора електрізаціонной машини і
відповідного дроти. На приймальному пункті, згідно з пропозицією, слід було
підвісити кулі, до яких повинні були притягуватися листки з паперу і т. п. з
нанесеними на них буквами "С. М.".
Таким
чином, відкриття електропровідності показало принципову можливість
передачі електрики на відстань, при цьому в дослідах були з успіхом
застосовані різні провідники: лляна нитка (Геріке, XVII ст.), прядив'яна
мотузка, непросушенное дерево, металевий дріт (Грей, 1729 р.), вологий
кетгут (Дезагюлье, 1738 р.).
Надійна
передача електроенергії на відстань стала можливою завдяки тому, що були
знайдені не тільки провідники, але й ізолятори: шовк (Уілер в досвіді, поставленому
Греєм, 1729 р.), кінський волос (Грей, 1729 р.), скло та сургуч (Дюфе, 1733
р.), сухий кетгут (Дезагюлье, 1738 р.), сухе дерево (Ватсон та ін, 1747 р.). З
першої половини XVIII ст. відомі ізолюючі підставки з смоли і воску.
В
першій половині XVIII ст. були проведені успішні досліди передачі електрики
по лініях різних конфігурацій завдяки:
розподілу
заряду від наелектризованій скляної трубки або палички з однопровідна лінії
і індукуванні заряду на протилежному кінці лінії, при цьому довжина лінії
сягала кількох сотень метрів (Грей, Дюфе, Дезагюлье 1729-1738 рр..);
розряду
лейденської банки через одне-і двохпровідні лінію, при цьому дальність передачі
складала декілька кілометрів (Лемонье, а також Ватсон та ін, 1746-1748 рр..).
В якості зворотного проводу використовувалася дріт, земля і вода.
З
дослідів з розрядом лейденської банки через довгі лінії був зроблений висновок, що
електрику поширюється практично миттєво. Дослідами з передачі
електрики на відстань стимулювалися ідеї електричного телеграфу,
висувалися приблизно з середини XVIII століття і реалізовані в 30-х роках XIX
століття.
Список літератури
Для
підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.computer-museum.ru/
