Czar - eletróforo

No verão de 1814 O vencedor de Napoleão, imperador russo Alexander the First, visitou a cidade holandesa de Haarlem. O convidado ilustre foi convidado para a academia local. Aqui, como escreveu o historiador, "a grande máquina elétrica atraiu a atenção de Sua Majestade". Feito em 1784. o carro realmente causou uma grande impressão. Dois discos de vidro com um diâmetro da altura de uma pessoa giraram em um eixo comum pelo esforço de quatro pessoas. A eletricidade de atrito (triboeletricidade) foi fornecida para carregar a bateria de latas de Leiden de dois baldes, capacitores da época. Faíscas deles atingiram um comprimento de mais de meio metro, do qual o imperador estava convencido.

Sua reação a esse milagre da tecnologia na Europa Central foi mais do que contida. Desde a infância, Alexander estava familiarizado com uma máquina ainda maior, e isso dava mais faíscas. Foi feito. ainda mais cedo em 1777. em sua terra natal em São Petersburgo, era mais simples, mais seguro e exigia menos empregados do que os holandeses. A imperatriz Catarina II, na presença de seus netos, entreteve-se com a ajuda desta máquina através de experimentos elétricos em Tsarskoye Selo. Então, como uma exposição rara, ela foi transferida para o Kunstkamera de São Petersburgo; depois, por alguma ordem, ela foi retirada de lá e seus vestígios foram perdidos.

Alexander foi mostrado a técnica de anteontem. O princípio de gerar eletricidade por atrito não é aplicado há mais de 200 anos, enquanto a idéia subjacente à máquina doméstica ainda é usada em modernos laboratórios de escolas e universidades do mundo. Esse princípio - indução eletrostática - foi descoberto e descrito pela primeira vez na Rússia pelo acadêmico russo, cujo nome poucas pessoas sabem, e isso é injusto. Gostaria de lembrar sobre isso para a geração atual.

Por que você precisava de um carro gigante?

Não foram encontradas descrições de obras produzidas em São Petersburgo em uma máquina gigante. Sabe-se que, nos mesmos anos, na Câmara de Instrumentos da Academia de Ciências da Ilha Vasilievsky, os geradores elétricos eram fabricados a partir de geradores de "bolso" para entretenimento e autotratamento no círculo familiar, até seriados para laboratórios físicos de cientistas. Por que eles fizeram um carro monstro caro? Posso responder a esta pergunta?

É a isso que nossa lista de procurados levou.

Em 1769 na cidade italiana de Brescia, um raio atingiu uma igreja, nas adegas onde estavam armazenadas cerca de 100 toneladas de pólvora. A explosão que se seguiu ao golpe destruiu parte da cidade e milhares de seus habitantes. Dado esse caso amplamente conhecido, o governo britânico recorreu a cientistas de sua academia para recomendar proteção confiável contra raios para seus depósitos de pó. Por razões da Royal Society de Londres, entre cujos membros estava o inventor de pára-raios American B. Franklin, foi proposta e realizada uma instalação de proteção contra raios em armazéns em Perflit, na Inglaterra.

E agora, com a ajuda do conhecimento moderno, é impossível dar uma garantia de 100% da proteção das estruturas usando pára-raios (mais corretamente os para-raios). E ironicamente em 1772. o pára-raios instalado de acordo com todas as regras não protegia os armazéns dos raios. Ela "escorregou" do pino de proteção, mas agiu fraca e o armazém não explodiu. Este caso fez muito barulho, inclusive na Rússia.

Aqui em São Petersburgo, há 15 anos, a torre sineira da Catedral de Pedro e Paulo, restaurada após um relâmpago em 1756, foi restaurada. Quando em 1772 O reparo principal da torre da torre sineira, liderada pelo arquiteto de restauração A. Dyakov, foi concluída, ele se candidatou à academia local com uma recomendação de proteção, “para que um raio não causasse queimadura”. 25 de janeiro de 1773 A Conferência da Academia instruiu os professores Epinus, Kraft e Euler a expressarem suas opiniões sobre como instalar essa proteção.De acordo com os documentos, sabe-se que em fevereiro o professor de física VL Kraft se dirigiu à liderança da academia com o pedido de “liberar uma das máquinas elétricas da Câmara de Instrumentos para a sala de física”. Aparentemente para experimentos ..

É claro que a Kraft precisou fornecer aos construtores dados específicos: sobre os materiais dos condutores, seu diâmetro, material e altura do terminal aéreo, etc. Sabe-se agora que as correntes de raios atingem centenas de amperes e o potencial de carga das nuvens é de milhões de volts. Mas então não havia volts ou amperes, havia apenas uma maneira de criar um modelo de processo, obter dados e extrapolá-los para processos de tempestade. Além disso, a precisão dos dados obtidos seria quanto maior, mais elétrica uma máquina poderia implementar, mais semelhante a uma tempestade real. Uma máquina comum não era boa: não podia derreter um fio de cobre com um milímetro de espessura. Era necessário encontrar uma saída.

Os acadêmicos russos enviaram uma solicitação a Londres, mas mesmo lá sabiam pouco sobre os problemas solicitados. Embora eles mesmos tenham experimentado criando uma “nuvem artificial” de mais de 50 metros de comprimento e meio metro de largura. Os resultados que receberam foram contraditórios. A máquina triboelétrica estava chegando ao final. Para criar altos potenciais, é impossível fabricar discos de vidro com um diâmetro de, por exemplo, cinco metros. A força centrífuga de um acidente certamente os transformará em milhares de fragmentos perigosos para os experimentadores. Era necessário criar alguma outra fonte de eletricidade de alta tensão para experimentos.

Tal caso surgiu em 1776, quando foi inventado um gerador elétrico, completamente diferente dos existentes, mas que gerava cargas elétricas em parâmetros ainda mais altos que uma máquina de fricção. O design era simples, portanto, para a fabricação, foi dispensado por seus especialistas. (Fig. 1) Os experimentos foram realizados. E em 8 de maio de 1777. o arquiteto Dyakov informou a Academia de Ciências sobre a conclusão dos trabalhos no pára-raios da torre. E agora a torre com uma altura de 122,5 metros permanece protegida até o momento. Mas, se americanos, britânicos e alemães souberem os nomes de seus heróis na luta contra os raios, então nos livros russos sobre a história da ciência, pode-se ler que VL Kraft "não mostrou nada de especial", ou que "a física como tal, especialmente experimental, a Kraft não estava interessada. ” E isso é mais do que justo.

Fig. 1 grande Kraft de eletróforo

3Acima do know-how.

10 de junho de 1775 o físico italiano A. Volta anunciou sua invenção de uma nova fonte de eletricidade: “Apresento a você um corpo que, sendo eletrificado apenas uma vez, nunca perde sua eletricidade, mantendo teimosamente a força de sua ação”. O autor chamou esse dispositivo de palavras "elettroforo perpetuo", que pode ser traduzido como "eletricidade fluindo para sempre". O dispositivo era simples antes do primitivismo. Seu nome na terminologia física foi reduzido à palavra "eletróforo", mas o sucesso de sua aplicação foi esmagador. Agora, para receber cargas elétricas em grandes quantidades, não era necessário usar os serviços das máquinas elétricas existentes.

Volta não se considerava o único inventor do dispositivo. Como todo grande cientista, ele honrou os méritos de seus antecessores. Aqui estão suas palavras: "Epinus e Wilke anteciparam essa idéia e descobriram o fenômeno, embora não construíssem o dispositivo acabado". Que tipo de antecipação é essa? E o sobrenome Epinus é encontrado neste texto pela segunda vez. E isso não é acidente.

O professor da Universidade de Rostock F. Epinus e seu aluno I. Wilke em descoberta de eletricidade são um fenômeno que agora é chamado de indução elétrica. O significado da descoberta pode ser explicado da seguinte forma: todo corpo que é colocado em um campo elétrico se torna elétrico. Mais tarde, Epinus será convidado para a Rússia a partir de 1757. ele se tornará membro da Academia de Ciências de São Petersburgo. Aqui ele viverá até o fim de sua vida, e aqui ele escreverá sua principal obra da vida - "Experiência na teoria da eletricidade e do magnetismo".Foi publicado em São Petersburgo em 1759. e tornou-se muito popular entre os físicos. Eu me familiarizei com este trabalho e com A. Volta. Ele chamou atenção especial para a experiência do acadêmico de São Petersburgo, que reproduziremos abaixo.

Nos dois copos de vidro A e B, uma barra de metal C é instalada no comprimento de meio metro. Nas extremidades desta barra, dois outros pesos de bloco 1 e 2 são colocados (Fig. 2). Se você trouxer (sem tocar) o bastão de cera ralado na lateral do primeiro peso, certifique-se de remover os pequenos pesos carregados. O primeiro é positivo, o segundo é a eletricidade negativa. Além disso, essa operação sem esfregar mais palitos de cera pode ser feita quantas vezes você desejar. O lacre não diminuiu. Em princípio, uma máquina para carregar corpos com eletricidade estava pronta. Em vez de pesos, era possível colocar em uma barra qualquer corpo a ser eletrificado e eletrificado. Por que não uma máquina de movimento perpétuo?

Era um protótipo do eletróforo de Volta, cujo mecanismo é muito simples de explicar aos contemporâneos. O lacre ralado é carregado negativamente. Ele cria um campo elétrico que atua nos elétrons livres de uma barra de metal. Tendo uma carga negativa, eles são redistribuídos na barra de forma que se acumulem no peso 2 e permaneçam em déficit no peso 1. Nas extremidades da barra, surge uma diferença de potencial. Ela pode ser descartada à vontade. O gênio de Volta foi necessário para usar esse fenômeno na prática e, além disso, reduzir os escassos objetos na instalação do Epinus. Volta não usa pesos. No momento de trazer a cera, por um segundo, ele toca o final da barra oposta à cera com o dedo. É claro que o excesso de elétrons fluiu através do corpo do físico para a "terra". Agora, quando o lacre foi removido, toda a barra estava carregada com eletricidade positiva. Nesse princípio, já era possível criar uma máquina elétrica mais conveniente do que as máquinas de fricção. Mas não era só essa a vantagem do novo carro.

Acontece que uma máquina de eletróforo é capaz não apenas de adquirir uma carga, mas também de aumentar seu potencial elétrico muitas vezes. E Volta se aproveitou dessa propriedade quando comprovou a identidade da eletricidade, obtido em uma célula galvânica e eletricidade gerada pelo atrito, bem como a carga de raios da nuvem. Todas essas acusações se mostraram exatamente da mesma natureza. E foi provado por eletróforo.

Como o eletróforo gigante funcionou?

Uma enorme "frigideira" oval, coberta de estanho, com uma área de cerca de quatro metros quadrados (!!!), foi preenchida com um derretimento congelado de resina e cera. Ela estava deitada na base do eletróforo. Nele, em prateleiras com mais de dois metros de altura, em cordas atravessadas pelos blocos, pendia outra frigideira, um pouco menor. As dimensões de toda a máquina eram de 3 x 2,5 x 1,5 metros. (Fig. 1). Perdoe as falhas gráficas do artista medieval. A geometria descritiva que permite representar desenhos tridimensionais em um plano aparecerá apenas em 1799.

Simplificamos especificamente o desenho para entender o princípio da máquina. (Fig. 3) Um par de panelas de disco, isoladas com cordas de seda, é um condensador de ar de capacidade variável. Lembre-se de que a capacitância de um capacitor é inversamente proporcional à distância entre as placas. Quanto menor a distância, maior a capacidade e vice-versa. A capacidade do experimentador foi alterada aumentando e abaixando a panela suspensa. Para remover as cargas, uma bola de cobre B foi soldada na parte superior da panela móvel, na parte inferior A.

O trabalho do eletróforo começou com a excitação de uma carga na "panela" inferior. Isso pode ser feito esfregando a resina com um chapéu de pele comum. Este procedimento foi realizado de cada vez. Então a parte móvel do eletróforo caiu o mais baixo possível, mas não permitindo o contato com a "panela" inferior. É isso que acontece nele.

Sabemos que o disco superior é feito de metal e os metais têm uma estrutura cristalina. Esses cristais podem ser considerados como uma estrutura de íons metálicos positivos, cujas células são preenchidas com elétrons. Esses elétrons podem ser comparados a moléculas de gás que se movem continuamente.Quando o disco superior se aproxima do inferior, o campo negativo da resina nos elétrons carregados negativamente aumenta cada vez mais. Isso leva ao fato de os elétrons empurrarem-se difusos para a parte superior do disco e também para a bola de cobre C. soldada. Como resultado, a parte superior da "frigideira" móvel recebe um excesso de elétrons com uma deficiência na inferior. Por conseguinte, a parte superior do disco móvel e a esfera C são carregadas negativamente e a parte inferior é positiva.

Se a bola condutora B ou C agora estiver aterrada, o excesso de elétrons fluirá do topo da “panela” para o chão, tornando-o neutro, mas a falta de elétrons no fundo permanecerá. Em seu eletróforo, Volta executou esse procedimento com o toque de um dedo, e no gigante, onde a carga era grande, as correntes que fluíam pelo experimentador eram grandes e poderiam ferir o eletrificador. Portanto, os projetistas da máquina criaram um eletrodo de aterramento especial, que funcionava automaticamente. Ao abaixar o topo da panela, a bola C estava em contato em sua posição mais baixa com uma bola aterrada D, através da qual os elétrons fluíam para o chão. Com um ligeiro aumento no disco superior, o contato foi interrompido e a falta de elétrons já se espalhou por todo o disco. E o potencial dessa carga aumentou com o aumento da altura do disco. Essa regularidade foi notada pela primeira vez na história do mundo em 1759 pelo acadêmico de São Petersburgo F.U.T. Epinus.

Geralmente, os alunos não entendem completamente, embora não seja proibido a ninguém repetir a experiência de Epinus, e isso é relativamente fácil de fazer. Essa regularidade é facilmente registrada por símbolos na fórmula, que está em qualquer livro de engenharia elétrica. A desconfiança dos alunos nos resultados desse experimento é provavelmente causada pela idéia de um capacitor de capacitância variável como uma espécie de máquina de movimento perpétuo, o que aumenta o potencial de carga. Mas o aumento do potencial ocorre às custas dos custos de energia para o trabalho mecânico de espalhar as placas. Afinal, as placas do capacitor carregadas com cargas opostas são atraídas umas pelas outras com uma certa força que deve ser superada.

Obviamente, é impossível simular o processo de uma descarga elétrica, mesmo com a ajuda de um gigante de eletróforo, mas até agora, altos potenciais de cargas da física são obtidos usando carros van de graaffonde as cargas são entregues a esferas condutoras gigantes mecanicamente.

Não sabemos o potencial da carga recebida no eletróforo czar, mas um autor desconhecido escreveu em fontes de arquivo: “Ela (a máquina) está pronta para bater em todos que ousam tocar sua bola. Sabe-se por experiência própria que esse eletróforo pode até matar um touro. Poder terrível!

Os criadores do gigante de São Petersburgo.

Os nomes dos projetistas da máquina gigante são conhecidos pelas palavras do famoso físico Johann Bernoulli, que visitou Petersburgo em 1778. Este professor da Academia de Ciências de São Petersburgo Wolfgang Ludwig Kraft (1743-1814) e o mecânico da mesma academia, o artesão russo I.P. Kulibin (1735-1818). Em um dos livros modernos sobre eletricidade, pode-se ler: "Nos projetos técnicos das máquinas de indução, não é fácil para um olho sofisticado discernir seus simples princípios fundamentais". A pessoa incrível era Kulibin. Ele aprendeu independentemente uma vez a fabricar telescópios não piores que o inglês e pessoalmente poliu as lentes. Esse também foi o caso do eletróforo, cuja essência é incompreensível até agora para muitos engenheiros. Portanto, a honra de construir um eletróforo gigante pertence inteiramente aos nossos compatriotas.

O alemão V.L. Kraft étnico não pode ser considerado estrangeiro.Ele nasceu e morreu em São Petersburgo e, na história da física, seu nome é encontrado na versão russa - Login Yuryevich. Não foi culpa dele que ele não tivesse permissão para trabalhar no campo da física. Catarina II identificou-o como professor de seus muitos netos, entre os quais futuros imperadores Alexandre I e Nicolau I.

Catarina II também rompeu sua carreira científica com o acadêmico de São Petersburgo, o descobridor da indução elétrica F.U.T. Epinus (1724-1802), um dos especialistas mais promissores no campo da eletricidade da época. Ele foi obrigado a decifrar a correspondência diplomática interceptada de estrangeiros de São Petersburgo para a imperatriz. Mas não há dúvida de que ele participou da criação de uma máquina gigante como consultor. As sobrecargas na decifração de despachos diplomáticos foram tão grandes que ele ficou gravemente doente com uma doença mental e, no final de sua vida, não conseguiu fazer ciência.

O destino deste carro é desconhecido. Por ordem de alguém, ela foi retirada da Kunstkamera. E pode não ser sem razão. Eles tinham medo dela, e por esse motivo. Verificou-se que os eletróforos podem funcionar sem dar a ele uma carga preliminar. Para o eletróforo gigante, havia brisa leve o suficiente acima da panela inferior. então, para obter altos potenciais mortais no topo.

Por que este artigo foi escrito?

Todos os itens acima devem mostrar ao leitor que é muito fácil obter potenciais elétricos, mesmo em casa. Encontrar as possibilidades de sua aplicação prática é uma questão de inteligência dos Kulibins modernos. As possibilidades de usar eletricidade estática provavelmente existem mesmo na vida cotidiana. Só é necessário se interessar por inventores. E aqui estão dois exemplos disso.

Nos anos 40 do século passado, o patriarca dos físicos soviéticos A.F. Ioffe desenvolveu um gerador eletrostático para alimentar uma máquina de raios-X. O gerador era simples e confiável. Então, ele teve a ideia de transferir toda a indústria de energia elétrica do país para a eletrostática. Em seguida, transformadores e retificadores intensivos para linhas de transmissão se tornam desnecessários. As transmissões de corrente direta são as mais econômicas, mais as perdas durante a transformação desaparecem. Mas, infelizmente, para uma grande indústria de energia elétrica, esse sistema é impossível para a fabricação prática de geradores. Mas também existem consumidores de baixa energia, principalmente porque os geradores estáticos não criam campos magnéticos e são muito leves.

Sabe-se que em 1748. o grande americano B. Franklin usou um motor de estática para fins práticos - ele virou um espeto de peru sobre uma assadeira. Agora, esses motores são esquecidos, embora não tenham enrolamentos, aço elétrico e cobre. Isso significa que eles podem ser muito confiáveis ​​em operação. Esses mecanismos são muito promissores para aplicações espaciais. Além disso, o desenvolvimento da química dos polímeros nos promete novos materiais dielétricos.

Então você pode pensar nessa direção.