История науки и техники – это постоянное появление новых открытий и изобретений, развитие технологий. Отличным примером этого являются электростатические машины.
Электростатическая машина (электростатический генератор) — это устройство, которое генерирует высокое напряжение путем постепенного накопления заряда током низкой энергии, который затем можно сохранить для последующего использования. Эти устройства преобразуют механическое воздействие в электрический заряд и генерируют так называемое статическое электричество.
Люди с древних времен знали, что при трении определенных материалов и последующем прикосновении к чему-либо возникает искра. Изучение того, что называется электростатикой, заложило основу для понимания электричества и магнетизма.
Начиная с 1600-х годов естествоиспытатели, ученые и производители инструментов создали множество оригинальных устройств для создания электростатических зарядов.
Эта модель электростатического генератора Бенджамина Франклина в масштабе 1/2 была изготовлена в 1897 году в мастерской Смитсоновского института
1663 — Отто фон Герике
Первенство в изобретении прообраза электростатического генератора исторически закрепилось за немецким физиком, инженером и философом Отто фон Герике. Это он в 1663 году создал экспериментальный образец электростатического устройства в виде серного шара. Закрепленный на рукоятке шар следовало натирать сухой ладонью.
Однажды в ходе своих изысканий Герике заметил, как летающая в воздухе пушинка коснувшись только что натертого шара, оттолкнулась от него и была притянута другим предметом. Позже ученый обнаружил свечение шара в темноте при его натирании, при этом было слышно, как трещат мелкие разряды.
1706 — Фрэнсис Хоксби
Спустя 43 года, работу Отто фон Герике по совершенствованию его «электрического шара» продолжил английский физик Фрэнсис Хоксби.
Будучи известным экспериментатором и конструктором разного рода научных инструментов, именно Хоксби в 1706 году усовершенствовал серный шар Герике, заменив его на полую стеклянную сферу, которую можно было достаточно быстро вращать через ременную передачу, при этом так же натирать сухой рукой или куском шерсти.
На потеху публике Хоксби вращал сферу в темноте, подносил к ней руку так, что все присутствующие могли наблюдать синеватое электрическое свечение в том месте, где рука Хоксби касалась сферы.
1730 — Георг Матис Бозе
Немецкий экспериментатор Георг Матиас Бозе продолжил эксперименты с вращающимся шаром Хоксби, в 1730 году дополнив его схему собирающим электричество проводником.
В одной из разновидностей эксперимента проводник держал в руке человек, стоявший на изолирующей подставке в виде смоляной глыбы. Проводник мог быть также просто подвешен в воздухе на изолирующих шелковых нитях.
Суть заключалась в том, что на поверхности проводника накапливался электрический заряд. Для наглядности, качестве проводника могли выступать, например, металлические доспехи.
Своих зрителей Бозе любил развлечь разными интересными трюками, вроде поджигания спирта искрой от пальца руки после того, как его тело успевало накопить достаточно электричества от вращающегося шара.
1745 — Эвальд фон Клейст
1745 год считается годом изобретения лейденской банки, названной так в честь голландского ученого Питера фон Мушенбрука. Это он, работая в те годы в Лейденском университете, досконально исследовал новое изобретение, о котором изначально группе немецких ученых сообщил шокированный физик Эвальд Георг фон Клейст.
Клейст получил сильный удар током во время попытки наполнить электричеством бутылку с водой через проводник по схеме Бозе. По мысли экспериментатора, электричество должно было течь в бутылку, подобно тому, как течет вода.
Клейст держал в руке стеклянную бутылку с водой, в которую он погрузил проводник, соединенный другой стороной с электрической машиной Хоксби. Через некоторое время он невзначай коснулся проводника свободной рукой и получил электрический удар такой силы, что больше не решался повторять ничего подобного.
1746 — Уильям Уотсон
В 1746 году английский исследователь электричества Уильям Уотсон изготовил большое колесо, которое одновременно передавало вращение нескольким стеклянным шарам.
В качестве проводников применялись шпага и ствол. По предложению немецкого профессора физики Иоганна Винклера рука экспериментатора в эксперименте была заменена на кожаную подушку.
Голландский исследователь Ян Ингенхайз предложил использовать листовое стекло. Далее, с развитием представления о работе лейденской банки, станут развиваться более совершенные электростатические машины, способные накапливать еще больше заряда.
1768 — Джесси Рамсден
Отметим, что в это же время шотландский физик Эндрю Городон заменил шар Хоксби на цилиндр. Британский ученый Бенджамин Уилсон предложил использовать для сбора электричества ряд металлических наконечников.
В 1762 году английский физик Джон Кантон предложил, для повышения эффективности генераторов, разбрызгивать по поверхности резины амальгаму олова. А в 1768 году британский механик и изобретатель Джесси Рамсден сконструировал совершенно новой формы - пластинчатый - электростатический генератор, где вращающийся стеклянный диск электризовался путем натирания его бархатом.
Электростатический генератор Рамсдена, около 1770 г. Джесси Рамсден – главный производитель научных инструментов 18-го века, производивший всевозможные инструменты для астрономии, навигации и геодезии.
1755 — Бенджамин Франклин
Кстати, уже в 1755 году Бенджамин Франклин изложил принцип работы электрофора, описав эксперимент с наэлектризованной стеклянной трубкой и расходящимися от ее индуктивного действия нитями, висящими на проводнике.
1775 — Алессандро Вольта
В 1775 году итальянский физик Алессандро Вольта усовершенствовал электрофор Франклина. Вольта использовал проводящий диск (первый) с прикрепленной к нему диэлектрической рукояткой, промежуточный - смоляной - диск и второй проводящий диск.
Чтобы провести эксперимент, следовало осуществить следующие манипуляции: положить смоляной диск на второй проводящий диск, заземлить второй проводящий диск, натереть смоляной диск шерстью, не поднимая его; затем положить первый проводящий диск на смоляной.
Заземлить первый диск. Между первым диском и заземлением в момент подключения заземления проскакивает искра. Отсоединить заземление от первого диска. Поднять первый диск и опять заземлить его — снова проскакивает искра. Так начался переход от машин трения — к машинам влияния.
1787 — Авраам Беннет
В 1787 году изобретатель электроскопа с золотыми лепестками, английский физик Авраам Беннет, предложил способ накопления заряда в электроскопе при помощи повторяющихся операций с электрофором.
В 1788 году Уильям Никольсон усовершенствовал схему Беннета, предложив вращающийся удвоитель — первую электростатическую машину влияния. Его изобретение было описано как «инструмент без трения или связи с землей, который производит два состояния электричества, поворачивая лебедку».
В качестве модификации схемы Беннета, Фрэнсис Рональдс в 1816 году автоматизировал процесс накопления заряда. Он приспособил маятник, приводимый в действие паровым двигателем либо часовым механизмом, в качестве одной из пластин.
1831 — Джузеппе Белли
В 1831 году Джузеппе Белли придумал первый простой симметричный удвоитель заряда, состоящий из двух изогнутых пластин, между которыми, вращаясь, проходила пара других пластин, закрепленных на диэлектрическом стержне.
Позже, в 1860 году, Лорд Кельвин запатентовал подобную конструкцию. Кроме того, Кельвин изобрел аппарат для электризации чернил и, в 1867 году, «капельницу Кельвина».
1864 — 1880 — Вильгельм Хольц
С 1864 по 1880 годы немецкий физик и изобретатель Вильгельм Хольц (Гольц) создал большое количество разнообразных электростатических машин влияния. Один из вариантов включал в себя стеклянный диск, могущий вращаться через ременную передачу, при этом взаимодействовать с пластинами, установленными на неподвижном диске, расположенном параллельно подвижному.
Модель электростатической машины Хольца
В 1865 году немецкий физик Август Тёплер разработал машину, у которой на дисках было больше рабочих секторов. В машине Тёплера использовалось и влияние и трение, а для накопления большего количества заряда — лейденские банки. Машинам Хольца и Тёплера для функционирования требовалось перед запуском сообщить начальный заряд.
1883 — Джеймс Вимшурст
Наиболее популярная сегодня механическая электростатическая машина была явлена научному сообществу в 1883 году британским изобретателем Джеймсом Вимшурстом. Она представляла собой улучшенную версию машины Хольца. Изобретатель работал над своим детищем с 1878 года.
Машине Вимшурста не требовалось искусственно создаваемой начальной электризации, как машине Хольца, здесь было достаточно небольшого случайного заряда.
Два соосных диэлектрических диска с многочисленными радиальными проводящими сегментами, вращаются в противоположные стороны, при этом взаимодействуют не только электроды с сегментами, но и сегменты дисков между собой через специальные дополнительные электроды.
Собирающие гребенки отправляют заряд в лейденские банки. Сброс заряда в разряд происходит через настраиваемый воздушный промежуток.
Машина Вимшурста по сей день используется в качестве демонстрационного учебного пособия в школах по всему миру.
Андрей Повный
Смотрите также: