Мы склонны думать об электричестве как о части современного мира. Однако Фалес Миетский записал информацию о статическом электричестве около 585 г. до н.э. Этот греческий философ обнаружил, что если натереть янтарь мехом, янтарь будет притягивать легкие предметы, такие как перья. Интересно, что несколько сотен лет спустя появился эолипил - грубая паровая машина, иногда называемая машиной Героя. Если бы древние объединили эти две идеи, они могли бы изобрести тему этого поста: электростатические генераторы. Насколько нам известно, они этого не сделали.
Это было в 1663 году, когда Отто фон Герике экспериментировал с шаром из серы, натертым вручную. Это привело к тому, что Исаак Ньютон предложил стеклянные шары и множество других улучшений от других участников, от шерстяной прокладки до коллекторного электрода. К 1746 году у Уильяма Уотсона была машина, состоящая из нескольких стеклянных шаров, меча и ствола пистолета.
Блокпосты
Часть проблемы с экспериментами с электричеством в древние времена заключалась в том, что люди на самом деле не понимали, что это такое и для чего его можно использовать. Около 1600 г. появилось несколько устройств, облегчавших работу над электростатическими проектами. Главным из них был электроскоп. Версориум Уильяма Гилберта был первым из них. Она была похожа на ненамагниченную стрелку компаса и вращалась, указывая на электрические заряды. Между прочим, вы можете легко создать свою собственную версию, и похоже, что она должна хорошо поддаваться 3D-печати. Gibson больше походил на стрелку компаса, чем на пропеллер, но, видимо, подойдет и то, и другое. Мы видели много видов запасных указателей, в том числе соломинки в видео ниже (помогает, если вы говорите по-португальски, но вы, вероятно, все равно уловите идею).
За исключением использования в качестве демонстрации в классе, версориум больше не используется. Однако вы все еще видите некоторые другие типы электроскопов - название класса инструментов, обнаруживающих электрический заряд. Джон Кантон представил электроскоп с пробковым шариком в 1754 году. Это не более чем пластиковый шарик на нити, свисающий со стойки. Как вы могли догадаться, в оригинале использовалась сердцевина. Это материал, который получают изнутри растений, и да, он используется для изготовления настоящего пробкового шлема. Он также является изолятором, что является ключевым свойством.
Каким бы ни был материал, идея проста. Заряженный объект будет притягивать пробковый шарик к себе, а нейтральный - нет. Механизм этого интересен. Электроны в сердцевине не могут легко покинуть свои атомы - если бы они могли, материал был бы проводящим. Но они могут перемещаться внутри связанного с ними атома. Заряженный объект будет притягивать или отталкивать электроны, которые, разумеется, заряжены отрицательно. Это поместит притянутую частицу (либо электроны, либо ядро, положительное из-за протонов) ближе к заряженному объекту, чем противоположные частицы. Это означает, что сила притяжения будет немного больше, чем сила отталкивания. Разница в силе ничтожна, но ее достаточно для наблюдения.
Становится лучше
Есть небольшое усовершенствование, которое вы можете сделать, это использовать два пробковых шарика. Если вы коснетесь одного шара заряженным предметом, когда он касается другого шара, вы передадите заряд обоим шарам. Поскольку шары заряжены одинаково, они будут отталкиваться друг от друга. Величина разделения может указывать на то, насколько силен заряд. В другом варианте этого дизайна вместо сердцевины использовались кусочки соломы, но идея была той же.
Другим полезным изобретением, сделанным Эвальдом Георгом фон Клейстом и Питером ван Мусшенбруком по отдельности, была лейденская банка, появившаяся примерно в 1745 году. Это всего лишь простой конденсатор. Часть банки - это то, на что это похоже; стеклянная банка. Банка имеет фольгу внутри и снаружи, образуя пластины конденсатора. Стекло, конечно, является диэлектриком. Внутренняя фольга имеет некий механизм соединения через крышку банки. Вскоре люди поняли, что могут использовать плоскую стеклянную пластину или даже отказаться от стекла, хотя стекло улучшает работу конденсатора, поскольку оно является лучшим диэлектриком, чем воздух.
На самом деле, в ранних кувшинах в качестве внутренней тарелки использовалась вода, а в качестве внешней тарелки - рука человека. Очевидно, это оставляло желать лучшего. Типичная лейденская банка емкостью 1 пинта имеет емкость около одной нанофарад. Бенджамин Франклин, известный своими 100-долларовыми банкнотами, провел несколько ранних экспериментов с лейденскими банками. У Джеймса Линкольна есть хорошее видео ниже, в котором показана такая же банка, с которой экспериментировал Франклин, которую вы можете разобрать.
Еще одно место, где вы можете услышать о Лейдене, помимо красивого города в Нидерландах, находится в романе Жюля Верна «20 000 лье под водой». Лейденский шар появляется в этой книге как вымышленная пуля, содержащая электрический заряд. Что-то вроде электрошокера или пьезера 19-го века.
Поколение
Оборудованный способом измерения заряда и его хранения, дальнейшая работа над генерацией была неизбежна. К 1783 году у голландцев была машина, в которой использовались стеклянные диски диаметром почти два метра. Даже у Георга Ома, чье имя должно быть знакомо, была такая же большая машина для экспериментов.
Все ранние машины были по существу улучшенными версиями натирания меха на янтарном стержне. Это так называемые фрикционные машины. На самом деле заряд не возникает из-за трения как такового. Если вы поместите два непроводящих предмета вместе, вы создадите заряд там, где они соприкасаются. Проблема в том, что повседневные предметы, которые кажутся плоскими, на самом деле не такие уж плоские. Таким образом, простое их соприкосновение оставляет множество маленьких зазоров и снижает количество создаваемого заряда. Однако трение приводит к более прямому контакту материала.
Лучший подход - это так называемая машина влияния. В этих машинах используется электростатическая индукция, принцип, открытый в 1753 году Джоном Кантоном и снова в 1762 году Йоханом Карлом Вильке. Эта индукция использует тот же механизм, что и в электроскопе. Близлежащий заряженный объект заставляет электроны либо притягиваться к заряду, либо отталкиваться от него. В изоляторе электроны могут лишь немного проникать внутрь своих атомов, но в проводнике часть электронов может свободно перемещаться сквозь объект. Суммарный заряд останется нейтральным, но изменится распределение заряда по объекту.
Разница с индукционной зарядкой заключается в том, что как только объект, который мы хотим зарядить, перераспределил свой заряд, он заземляется. Земля для этой цели имеет практически бесконечное количество положительных и отрицательных зарядов. Ближайший внешний заряд будет притягивать противоположный заряд от земли, в результате чего этот заряд останется в объекте, который мы хотим зарядить. Поэтому, если поблизости находится положительный заряд, отрицательный заряд потечет в объект, оставив его заряженным отрицательно. Другой способ думать об этом состоит в том, что заземление объекта снимает заряды, которые отталкиваются от внешнего заряженного объекта.
Вокруг и вокруг
Вольта построил тип конденсатора, который использовал индукцию для создания дисбаланса заряда, называемого электрофорусом. Электрофорус имел диэлектрическую пластину и металлическую пластину с изолирующей ручкой. Вы должны были потереть диэлектрическую пластину, чтобы зарядить ее, а затем положить на нее металлическую пластину. Временное заземление пластины приведет к изменению ее заряда на противоположный. Заряд диэлектрика не меняется, поэтому вы можете использовать металлическую пластину для переноса заряда, а затем вернуться и взять еще. По крайней мере, пока заряд естественным образом не стравится. Конечно, новый заряд исходит из земли, так что вы не нарушаете никаких законов сохранения.
Это не сложно сделать. Ниже вы можете посмотреть видео Томаса Кима, в котором используются формы для пирогов и другие предметы домашнего обихода. Обратите внимание, когда он касается пластины, он использует свое тело, чтобы заземлить ее. Кроме того, вы можете видеть, как он умножает заряд, многократно перенося заряд между двумя пластинами.
Георг Кристоф Лихтенберг сделал шестифутовый электрофорус со шкивами, которые могли производить пятнадцатидюймовую искру, и это привело к фигурам Лихтенберга. Эти машины были предшественниками всех машин индукции или влияния, которые позже стали доминировать в электростатическом производстве.
Машины влияния используют многоступенчатые электрофорные устройства для усиления заряда. Самым большим нововведением стал переход от линейного движения, позволяющего сблизить объекты, к вращательному движению, которое было легче механизировать.
К середине 1800-х годов существовало головокружительное множество вращающихся машин воздействия, таких как машина Хольца и машина Шведоффа. Было также несколько смешанных машин, которые использовали трение и влияние, такие как машина Кундта. Вы можете найти очень большой список машин, которые построил Антониу Карлос М. де Кейрозиф. Он также ссылается на другие подобные машины, но количество построенных им лично очень впечатляет.
В 1878 году Джеймс Вимшерст решил усовершенствовать машину Хольца, и его конструкция стала очень популярной после публикации в 1883 году. Судя по всему, Хольц и Масей построили похожие машины, но не получили всенародного голосования. Эта машина является обычным приспособлением в кинолабораториях и представляет собой вращающиеся в противоположных направлениях стеклянные диски с прикрепленными к ним металлическими пластинами. Когда диски вращаются, наведенный заряд накапливается и собирается, как правило, в лейденскую банку. Вы можете найти множество чертежей и даже купить набор, если хотите украсить свою лабораторию собственными планами. Мы также видели, как они питают лазеры, так что даже сейчас есть некоторые практические применения. Если вы хотите сэкономить, возьмите несколько компакт-дисков и выпейте бутылки, и вы в деле (см. Ниже).
Ван де Грааф
Существуют буквально десятки и десятки различных типов электростатических машин, которые были построены в этот период времени. Однако, если вы увидите его сегодня, есть большая вероятность, что это будет либо машина Вимшерста, либо генератор Ван де Граафа.
Генератор этого типа имеет металлический шар в верхней части и изолирующий ремень, идущий от основания машины через трубу внутрь металлического шара. Ремень заряжается в основании, а металлический гребень передает заряд с ремня на глобус.
Физик из Массачусетского технологического института по имени Роберт Дж. Ван де Грааф разработал эту установку в 1929 году для использования в качестве ускорителя частиц. Была также известная колонка Scientific American Amateur Scientist, в которой описывалось, как сделать такой ускоритель частиц. Глобус генератора Ван де Граафа вступил в контакт с похожим на вид устройством, у которого не было ремня, а вместо этого был источник электронов (нить накала) в вакууме. Положительный заряд на земном шаре ускорит электроны по направлению к земному шару, и все, что находится в трубке между основанием и земным шаром, будет бомбардироваться быстрыми электронами.
К 1931 году эти машины могли производить миллион вольт, а с использованием изолирующего газа было возможно 25 мегавольт. Тем не менее, циклотрон в конечном итоге заменил Ван де Граафа в качестве предпочтительной машины для ускорения частиц и привел к созданию таких вещей, как современные суперколлайдеры.
На Rimstar.org есть хорошее видео, показывающее один из этих генераторов и содержащее много информации о том, как они работают, которые вы можете увидеть ниже.
Электростатика сегодня
Тип электростатического генератора, который использует заряженные капли воды и ветер, нашел некоторое применение в Нидерландах. Электростатика используется в фотокопировальных машинах, порошковых покрытиях, краскораспылителях, пылеуловителях и многом другом. Однако в наши дни электростатическое поле, скорее всего, исходит от электронного устройства, такого как коронирующий провод, а не от традиционного генератора.
Тем не менее, вы все еще видите эти старые генераторы в музеях науки, поднимающие волосы и создающие большие искры. Эти машины возвращают нас в прошлое, и их понимание может помочь вам лучше понять истинную физическую природу электричества.