Хотя ток электричества по проводам на первый взгляд кажется исключительно современным явлением — во всяком случае, никак не старше Первой мировой войны — на самом деле до идеи передачи электричества на расстояние люди додумались достаточно давно. Например, Отто фон Герике (годы жизни 1602-й — 1686-й) в XVII веке провел опыт, доказывающий возможность передачи электричества по проводнику. Это произошло гораздо раньше появления гальванических элементов (1799-й год). Фон Герике известен в первую очередь благодаря своим опытами с магдебурскими полушариями. Сам фон Герике довольно незначительную часть своего времени посвятил науке об электричестве, однако его имя связано с ней довольно прочно. «Машина Герике», серный шар на оси, который требовалось тереть руками, считается первой электризационной установкой. Она служила изобретателю для модельной демонстрации «мировых сил» (virtutes mundanae). На самом деле фон Герике наблюдал электрическое притяжение, электростатическую индукцию, электрические разряды, электрическую проводимость льняной нити, которой серный шар передавал способность притягивать легкие тела. Во время опыта с нитью, длина которой составляла 50 см, притяжение наблюдалось на расстоянии 2-3 см от конца нити. Изобретатель не проводил свои опыты в темноте, что дало бы потрясающий эффект.
В 1675-м году Исаак Ньютон (годы жизни 1643-й — 1727-й) в своей статье, представленной Королевскому обществу, внес предложение о замене серного шара стеклянным, к тому времени электризация стекла была известна. Это привело к тому, что у Ньютона и Франсиса Хоксби (ум. в 1713-м г.) появились электризационные машины, снабженные ручным приводом. Основой служил вращающийся стеклянный шар, который приходилось тереть руками.
В начале XVIII в. Хоксби применил стеклянную трубку в качестве источника «электрической силы», которую потирали рукой, тканью, бумагой или шкуркой. За счет этой трубки, электрические опыты стали распространенным явлением, однако при этом надолго были забыты электризационные машины, что впоследствии затормозило развитие науки, по мнению историков.
В более крупных масштабах опыты с электричеством фон Герике предложил Стивен Грей, английский ученый (ум. в 1736-м г.). Свои работы по передаче электричества на расстояние Грей проводил в тесном сотрудничестве с Грэнвиллом Уилером (1701-й — 1770-й гг.). Они проводили эксперименты не только в помещении, но и за пределами его.
Генерирующей «электрической силой» у Грея были стеклянные палочки или трубки длиной 104 см и диаметром 3 см. Концы трубок были толще, чем средняя их часть. Внутри диаметр трубки соответствовал одному дюйму. Стеклянная палочка Грея была сплошной и имела в длину 28 см и 2,2 см в диаметре и также обеспечивала хорошую электризацию.
Проведя ряд экспериментов, Стивен Грей выделил несколько предметов, которым трубка могла передавать «электрическую силу». Например, деревянные стержни и проволока (латунная и железная), которые изобретатель вставлял в трубку (через пробку). Также стоит отметить пеньковую бечевку, которую он либо опускал в трубку, либо привязывал к ней и др. В своих опытах по передаче электричества, английский ученый подвешивал к концу проволоки или бечевки, надевал на конец деревянных стержней шар из слоновой кости, свинца или пробки со сквозным отверстием. Электропередаче в помещении с помощью проволоки или бечевки, которые свисали с трубки, не превышала одного метра, зато максимальная длина горизонтальной электропередачи в комнате, с помощью состыкованных деревянных проводников, составляла более 5,5 м, в том числе и длина трубки. В обоих случаях на конце был шар.
Проверку «электрической силы», которая воздействует на тела, Грей проводил при помощи пушинки. Она могла притягиваться или отталкиваться от тела, парить в воздухе и опять притягиваться и т. п. Применялась также пробная нить, которая могла притягиваться к заряженным телам, а затем, притянувшись, отталкиваться от них. При помощи латунного листка, который ложили на дощечку и он мог также притягиваться телами, которые находились над ним на высоте нескольких сантиметров. Чтобы обнаружить малый заряд, Грей применял длинный кусок тонкой нити, который подвешивал к концу палки.
19 мая 1729 г. Стивен Грей решил продемонстрировать передачу электричества на большее расстояние. Для этого был проведен следующий эксперимент – он стал на балконе и держал в руках стеклянную трубку, с которой свисала веревка длиной 8 м, на ее конце был прикреплен шар из слоновой кости. Определял наличие заряда при помощи латунного листа ( он был закреплен на деревянную дощечку) его ассистент, который находился внизу. Английский ученый не сомневался в том, что таким способом он может передать электричество даже с купола собора Св. Павла в Лондоне.
В последний день мая 1729 года, Грей, находясь на балконе, смог передать электричество вверх по шесту длиной 5,5 м, который был вставлен в трубку, а затем от верхнего его конца вниз по закрепленной к нему веревке длиной 10 м. Таким образом, общая длина передачи, по подсчетам самого ученого, составила 15,5 м (однако это не корректно из-за электростатической индукции, открытую позже им самим).
Данные опыты представляли собой лишь модифицированные эксперименты Герике с льняной нитью.
Грей, на тот момент, еще не имел четкого понятия о проводниках и изоляторах. В своих записях он в одинаковых выражениях описывает передачу электричества как шару из слоновой кости, так и свинцовому шару.
Грей не оставлял попытки узнать дальность передачи электричества по горизонтали. Для этого эксперимента он подвесил веревку на гвоздях, которые вбил в деревянную балку, другой конец веревки с шаром, традиционно, свисал над латунным листком. Но ничего не получилось — листок латуни был не подвижен. Проанализировав ситуацию, ученый пришел к выводу, что электричество как- то «ушло» в балку.
Эта трудность была преодолена за счет идеи Уилера, производивший опыты совместно с Греем летом 1729 года. Он предложил подвесить «электрическую линию» на шелковый шнурок, а не на гвозди. Опыт был назначен на 2 июля 1729 года на 10 часов пополудни. Все прошло прекрасно, даже лучше ожидаемого. Идея состояла в том, чтобы горизонтальную часть бечевочной линии привязать к стеклянной полочке, а затем от нее к шелковому шнурку. На конце линии подвесили шар из слоновой кости. Общая длина составила 24,5 м, свисающая часть линии — 2,7 м. Во время трения палочки, листок из латуни притягивался к шару и удерживался на нем какое-то время.
Когда Грей заменил шелковый шнурок металлической проволокой, то снова получился отрицательный результат. Изобретатель понял, что эффект изоляции линии был связан не с тонкостью шнурка, а свойствами шелка. Грей снова и снова проводил опыты и убедился, что из всех шелковых шнурков лучшими изоляционными свойствами обладали шнурки голубого цвета.
В 1729 г. длина линии во время проведения опытов доходила до 233 м, а в 1730 г. уже до 270 м. Линии из веревок держались на 15 частях шелковых шнурков, которые натягивались в горизонтальной плоскости среди деревянных стоек. Тем самым появились предшественники элементов линий электропередач — проводники, изоляторы и опоры. После таких экспериментов, многим стало ясно, что электричество можно передавать на очень большие расстояния, «даже на край света», по утверждению Иоганна Генриха Винклера (1703-1770 гг.) в 1744 г., когда он говорил о передаче электричества по проводнику, который обмотан шелком или подвешен на шелке. Интерес вызывает тот факт, что Винклер подчеркивал, что передача может оказывать сопротивление.
В начале августа 1729 г. Стивен Грей показал, что электричество можно передавать по линии с помощью электростатической индукции, т.е. не касаясь ее трубкой, а только держа трубку возле нее. Он проделал этот же опыт и с деревянным стержнем, который подвесил к потолку на леске из конского волоса или шелковых шнурках. Через десять лет этот принцип стал в основе производимых кондукторов электризационных машин.
Работы Грея дали толчок к исследованиям электричества французского ученого Шарля-Франсуа де Систерне Дюфе (1698-1739 гг.), о чем он сам напишет впоследствии. В 1733 г. производя опыты Грея и Уилера по горизонтальной передаче электричества при помощи бечевки, Дюфе заметил, что эксперимент удается лучше, когда ее намочить. Дальнейшее развитие исследований Грея привело его к мысли, что основой изоляционных свойств шелка является не его цвет, а краситель. Дюфе проводил передачу электричества по веревке длиной более 400 м, которую подвешивал на шелковых подвязках, прикрепленных к деревьям. Ученый продемонстрировал, что линию передачи можно изолировать не только с помощью конского волоса или шелковых шнурков, но и стеклянных трубок, к тому же покрытых сургучом.
После экспериментов Грея и Дюфе, тела стали делить на проводники и непроводники, основываясь на терминологию, которую ввел английский ученый французского происхождения Жаном Теофилем Дезагюлье (1683-1744 гг.). Еще раньше англичанин Вильям Гильберт (1544-1603 гг.) ввел понятие электрики и не электрики, в зависимости от способности тела электризоваться при трении. После Дюфе смог сформулировать связь между ними: «Тела, которые наименее склонные к электризации, лучше всего предназначены для передачи электричества на расстояние».
Эксперименты Грея продолжил Дезагюлье. В 1738 г. он показал Королевскому обществу передачу электричества сначала по железной, а затем по латунной проволоке длиной около 5 м.
Перед Стивеном Греем, Шарлем-Франсуа Дюфе и Дезагюлье все время возникал вопрос только о дальности распространения электричества, но не о его скорости. Данная тема о скорости возникла только после создания лейденской банки. Это изобретение было подготовлено предыдущими экспериментами и вторым рождением электризационных машин, которые стали применяться вместо стеклянной трубки, снабжающиеся с начала 1740-х годов кондуктором.
В 1745 г. независимо друг от друга голландский профессор Питер ван Мюсхенбрук (1692-1761 гг.) и немецкий прелат Эвальд Георг фон Клейст открыли миру лейденскую банку. Стекло сосуда служило в этом конденсаторе диэлектриком, а обкладками — ладонь экспериментатора, которой они держал сосуд, и вода в нем. Металлический проводник, который пропускали в сосуд и погружали в воду, был выводом внутренней обмотки. С 1746 г. появляются различные модификации лейденской банки, например, с фольговыми обкладками, с внутренней обкладкой из дроби или металлических опилок и т. д. Лейденская банка давала возможность накапливать и хранить довольно большие заряды, примерно порядка микрокулона.
Так врач Луи-Гильом Лемонье (1717-1800 гг.) нес заряженную лейденскую бутылку в руке к себе домой через несколько кварталов, при этом она еще довольно долго сохраняла заряд в его доме.
Лейденская банка названа в честь города Лейден, где она была впервые открыта. Это произошло во время эксперимента с использованием машины Герника в желании «зарядить электричеством воду». Жидкость была налита в стеклянный сосуд, а зарядка осуществлялась с помощью цепочки, подсоединенной к машине и опущенной в воду через горлышко. Когда, по мнению экспериментаторов, а это был Кюнеус, богатый человек, ученик ван Мюсхенбрука, и он попытался вытащить ее из воды, то получил мощнейший заряд электрического тока, от которого чуть было, не умер. В дальнейшем, стали проводить эксперименты с разрядом лейденской банки через людей, которые становились цепочкой, взявшись за руки. Сейчас трудно достоверно установить первого, кто решил это провести. Химик, физик и историк науки из Англии Джозеф Пристли (1733-1804 гг.) утверждал, что данный опыт первым продемонстрировал английский врач Вильям Ватсон (1715-1787 гг.). Бургомистр Данцига Даниэль Гралат (1708-1767 гг.) 20.04.1746 года показывал городскому обществу естествоиспытателей электрический удар одновременно для 20 человек, которые держались за руки. Иногда люди соединялись между собой через металлические стержни. Аббат Нолле в Версале под Парижем демонстрировал в присутствии короля электрический удар одновременно 240 человек, соединенных за руки. Итоги своих экспериментов он доложил Парижской академии наук весной 1746 г.
Осенью того же года врач Лемонье сделал свое сообщение в Парижской академии наук о своих опытах с тонкостенным лейденским сосудом. Он заряжал его, касаясь выводом внутренней обкладки к электризуемому трением стеклянному шару. Во время быстрого вращения шара, лейденский сосуд меньше чем за полминуты заряжался так, что из проволочного вывода выходил с шипением пучок искр. Лемонье также проводил эксперименты по разряду лейденского сосуда через цепочку из большого числа людей. Он заметил, что электрический удар люди испытывали только тогда, когда находились на полу или на изолирующем коврике (из воска и смолы в равных долях). Испытуемые держались за руки или соединялись друг с другом посредством металлических цепей длиной по 6-8 м. Одни из этих цепей касались земли, другие опускали в ведро с водой или обматывали вокруг больших железных кусков. Все люди при проведении этих экспериментов испытывали электрический удар. Когда Лемонье исключил их из опыта, то он разрядил лейденскую банку через свое тело и провод длиной около 4 км, причем часть провода лежала на покрытой росой лужайке.
В исследованиях Лемонье впервые встречается двухпроводная линия (она изображена в «Мемуарах» Парижской академии за 1746 г.). Он держал заряженный лейденский сосуд, при этом Лемонье мог касаться провода длиной в 1800 м выводом внутренней обкладки. В его левой руке находился провод такой же длины, а также он был проложен параллельно первому. Концы обоих проводов с другой стороны держал в руках ассистент. Опыт в своей основе имел цель определения скорости распространения электричества. Лемонье выводом внутренней обкладки прикасался к первому проводу, в результате чего оба испытывали электрический удар. В обязанности ассистента входило определение промежутка времени между замыканием цепи с образованием искры и моментом получения электрического удара. Они несколько раз менялись местами, после чего пришли к выводу, что скорость распространения электричества должна в тридцать раз превышать скорость звука. Он также высказал предположение о непостоянстве этой скорости.
В виде эксперимента, Лемонье обрывал провода в некоторых местах. После чего он убеждался, что электричество распространяется не по земле, а все-таки по проводам.
Эксперименты Лемонье побудила Ватсона, а также других исследователей предпринять совместные усилия уже в более крупных масштабах для определения скорости распространения электричества. В середине июля 1747 года был проложен металлический провод с одного берега на другой по мосту через Темзу. С одной стороны, «приемной», стоял на каменном спуске один из экспериментаторов и держал одной рукой этот провод, а в другой у него был металлический стержень, погруженный в реку. С другой, «передающей» стороны, находился второй экспериментатор, который также стоял на каменном спуске и держал в руке этот же провод, а другой — заряженный лейденский сосуд, который был наполнен металлическими опилками и обернут свинцовой фольгой. Третий экспериментатор, который стоял рядом, одной рукой касался вывода внутренней обкладки лейденской банки, а другой окунал в воду металлический стержень. В результате все три исследователя испытывали электрический удар. Зарядку лейденского сосуда производили от электризационной машины в рядом стоящем доме. Опыт проводился там, где расстояние между берегами, составило 370 м. Ватсон впоследствии напишет о том, что длина цепи, по которой распространялось электричество, была не меньше чем 750 м, из которых более половины был речной поток. Он отметил, что металлы лучше всего проводят электричество, однако и вода — также является хорошим проводником.
В середине августа 1747 года был проведен подобный опыт, однако в качестве обратного провода решили использовать землю. Металлический провод был растянут на 32 км. Экспериментаторы стояли на изолирующих ковриках из воска и держали провод.
В этом и следующем годах исследователи проводили успешно эксперименты с двухпроводной воздушной линией, длина проводов которой составляла 3,7 км. Для поддержки проводов применялись только сухие!!! деревянные стойки. В результате проведенных исследований был сделан вывод о том, что распространение электричества происходит мгновенно.
Опыты английских ученых не оставили равнодушными специалистов в области электричества, проходили оживленные дискуссии довольно обширные для того времени. В 1748 г., летом, свои оригинальные опыты по передаче электричества на расстояние проводил Бенджамин Франклин (1706-1790 гг.). У самой воды на противоположных берегах р. Скулкилл воткнули по металлическому пруту длиной приблизительно 1 м. Прикрепили кусок проволоки с шариком сверху на конце одного прутка. Он свисал над спиртом, налитым в ложку. Как напишет потом Франклин: «Тонкая проволока, которая была прикручена одним концом к ручке ложки со спиртом, была переброшена на другой берег реки с помощью паромного каната, который и держал ее. Другой конец — был обвязан вокруг обкладки банки, во время зарядки которой искра из крюка проскакивала к верхушке прутка, который воткнут был на этом берегу реки. Практически мгновенно пруток на другом берегу также давал искру в ложку со спиртом. Он сразу воспламенялся, чем забавлял филадельфийцев, которые решили понаблюдать за опытом. Река служила вторым проводом линии передачи».
В России в это время также интересовались новым «сильным ударом», о чем видно в сообщении в 1753 году М. В. Ломоносова И. И. Шувалову о том, что Г. В. Рихман выполнил лейденский опыт «с сильным ударом». Сам Ломоносов так описал эксперимент, «можно переносить с места на место, отделяя от машины в знатное расстояние около целой версты». Со временем описание и чертеж опыта безвозвратно потеряны, но можно сделать вывод, что академик смог соорудить линию передачи от электризационной машины «в знатное расстояние». Как выглядела рихмановская линия передачи – доподлинно не известно. Есть обрывочные сведения о том, что Рихман устраивал длинные электрические линии. Утверждается, что он подвесил железную цепь на шелковых шнурах длиной 40 м, соединив между собой остроконечный железный прут, который заряжался атмосферным электричеством даже в ясную погоду, и электрометр, на показания которого не влияла, как пишет Рихман, длина цепи. Скорее всего, в описываемом Ломоносовым опыте, Рихман заряжал и разряжал лейденскую банку в различных точках линии, при этом и возникал «сильный удар».
Все эти опыты давали толчок идее электрического телеграфа, но удивительно то, что о ней не говорил ни один из исследователей.
Достоверно известно, что первое предложение об использовании электричества (статического) для передачи сообщений, было найдено в письме некоего «С. М.» из г. Ренфрю, датированное 1 февраля 1753 г., и напечатанное в Шотландском журнале 17 февраля. Это письмо фигурирует во многих работах по истории телеграфии. Загадочный «С. М.» предлагал между двумя пунктами провести параллельные провода на опорах, которые следует установить через равные промежутки, применив в качестве изоляторов стекло (или другой подходящий материал). Количество проводов должно соответствовать буквам в алфавите. Принцип передачи был прост — каждой букве соответствовал провод, а передача должна была осуществляться соприкосновением кондуктора электризационной машины и требуемого провода. Приемный пункт оснащался шарами, которые подвешивались и к ним должны были притягиваться листки из бумаги с написанными на них буквами.
Тем самым, открытие электропроводности дало принципиальную возможность передавать электричество на расстояние, при этом в экспериментах с успехом были применены различные проводники: в XVII веке — льняная нить (Герике), в XVIII веке — пеньковая бечевка, металлическая проволока, непросушенное дерево (Грэй, 1729 г.), влажный кетгут (Дезагюлье, 1738 г.).
За счет открытия не только проводников, но и изоляторов стала возможным более надежная передача электричества на большие расстояния: это и шелк (Уилер в эксперименте, который поставил Грей, 1729 год), и конский волос (Грей, 1729 год), и стекло и сургуч (Дюфе, 1733 год), и сухой кетгут (Дезагюлье, 1738 год), и сухое дерево (Ватсон и др., 1747 год). С начала XVIII века стали известны изолирующие подставки из воска и смолы.
Первая половина XVIII в. ознаменовалась проведением успешных опытов передачи электричества по линиям различных конфигураций за счет:
распределения заряда от наэлектризованной стеклянной палочки или трубки по однопроводной линии и создания заряда на противоположном конце линии, при длине линии в несколько сотен метров (Грэй, Дюфе, Дезагюлье 1729-1738 гг.);
разряда лейденской банки через одно- и двухпроводную линию, дальность передачи при этом составляла несколько километров (Лемонье, Ватсон 1746-1748 года). Обратным проводом служила проволока, вода и земля.
Из ряда экспериментов с разрядом лейденской банки посредством длинных линий был сделан вывод о том, что распространение электричества происходит практически мгновенно. Данными исследованиями по передаче электричества на расстояние давался толчок идеям электрического телеграфа, которые выдвигались примерно с середины 18 века и реализованные в 30-х годах 19-го века.
Метки: интересные факты, электричество
