Генератор электрических искр – генератор новых идей
Хасапов Борис
Трудно переоценить значение индукционной катушки – первого электротехнического прибора, нашедшего широкое применение в практической деятельности человека. Однако история создания и усовершенствования этого устройства таит в себе немало загадок и драматических коллизий. Почему прибор называется «катушкой Румкорфа»?
И только ли Румкорф причастен к ее созданию? Какую роль сыграл этот прибор в истории науки?
В чем уникальность катушки – этого изобретения долгожителя? Ведь в неизменном виде она просуществовала полторы сотни лет.
Ответы на эти и многие другие вопросы читатель найдет в предлагаемом очерке.
Премия, посеявшая раздоры
15 июня 1802 г. во Франции, в то время одной из самых передовых в научном отношении стран, учреждается государственная премия в виде золотой медали и солидной денежной суммы «тому, кто своими открытиями, подобно Вольте и Франклину, продвинет вперед науку об электричестве и магнетизме». Отдавший это распоряжение первый консул, будущий император Наполеон I, заканчивает свое указание пророческими словами: «Моя цель состоит в поощрении, в привлечении внимания физиков к этому отделу физики, представляющему, как мне чувствуется, путь к великим открытиям» [1].
Первым этой награды был удостоен в 1806 г. Гемфри Дэви, талантливейший ученый, основоположник электрохимии, действительно много сделавший для развития науки об электричестве. Нелишним будет напомнить, что французская премия была вручена англичанину именно в тот момент, когда эти страны находились в состоянии войны. «Один из величайших гениев, когда-либо бывших», как называет Наполеона I академик А.Н. Крылов, в апогее своей славы мог себе это позволить. Никаких возмущений со стороны общественности не последовало. Это действительно был поступок, достойный подражания. Однако в дальнейшем Наполеон, уже будучи императором, заботился не столько о благе науки и народа, сколько об укреплении своего деспотизма и становлении династии. И о премии просто забыли.
Через годы потрясений и смуты во Франции, реставраций и революций пришедший к власти путем государственного переворота Наполеон III решил эту премию возродить. Исключительно для поддержания авторитета власти. Ученых и науку во Франции любили. Император артистически разыгрывал роль мецената и покровителя науки и искусств. Он и сам не гнушался пописывать статейки и брошюрки по экономике.
Итак, в конце 1864 г. согласно рекомендации комитета из 13 членов во главе с известным химиком Ж.Б. Дюма император Франции постановил наградить премией имени Вольты парижского изготовителя приборов Генриха Румкорфа «за изобретение индукционной катушки». Премия была исключительно щедрой – 50 000 франков. Отметим, что изготовленный прибор заслуживал большего. Однако ряд обстоятельств омрачал приятное событие.
Индукционная катушка – первый электротехнический прибор, нашедший широкое применение в практической деятельности челя-нибудь патентованная кофеварка. К созданию катушки причастны даже не десятки, а сотни ученых и изобретателей, воплотивших в устройстве собственные идеи и достижения науки своего времени. В почти неизменном виде эта катушка просуществовала полторы сотни лет.
Но вот во Франции с середины ХIХ века любая катушка индуктивности стала называться катушкой (или спиралью) Румкорфа, что все-таки несправедливо [2].
Личность «возродившего премию» имени Вольты не пользовалась авторитетом среди ученых. В числе заслуг «покровителя наук» было закрытие Версальского агрономического института – «самого замечательного земледельческого заведения, когда-либо существовавшего».
Ведущий ученый этого института Ж.Б. Буссенго, считавшийся в агрономии «тем же, кем Лавуазье был в химии», лишился должности. На его место был поставлен недалекий специалист и неряшливый экспериментатор Жорж Вилль. (В Париже ходили упорные слухи, что новоиспеченный профессор приходился императору сыном.) Угодья агрономического института были превращены императором в высококлассный охотничий парк [3].
Правы те, кто утверждают, что история, если и повторяется, то уже в виде фарса. Слишком много авторитетнейших ученых доказывали, что ничего принципиально нового в конструкцию катушки нынешний лауреат не внес. К вопросу о приоритете подключился Конгресс США.
Патриотизм конгрессменов, считающих все самое лучшее американским, известен с давних пор. Эти парламентарии сочли «изобретателем катушки» Чарльза Пейджа, американца по происхождению, чтобы «оградить от посягательств достижения нашей нации на путях науки». Впрочем, нашлись в США и люди, утверждавшие, что Пейдж «не изобретатель ни катушки Румкорфа, ни любой другой электрической катушки».
Политическая возня закончилась вопреки всем правилам выдачей задним числом по специальному постановлению Конгресса США «экстраординарного патента» Ч. Пейджу. Что было также несправедливо.
Кто он, лауреат премии Вольты?
Если исходить из общепринятых критериев, таких как публикации, то можно ответить, что Румкорф не был ученым. Он не имел печатных трудов, и это усложняет его жизнеописание. Но ведь за что-то ему премию выдали? Попытаемся ответить на этот вопрос.
Генрих Даниэль Румкорф (15.01.1803–20.12.1877) родился в Ганновере (Германия). Но в поисках лучшей доли, как это часто делали его соотечественники в ту пору, Румкорф выезжает во Францию, где и проживет до конца своих дней.
С 1825 г. он сотрудник парижской оптической мастерской, имеющей специализированный магазин и принадлежащей дипломированному инженеру-оптику Венсену Шевалье. Мастерская изготавливала по заказам и для продажи микроскопы, телескопы, подзорные трубы, а также камеры-обскуры, входившие тогда в моду.
Камера-обскура (от латинского – «темное помещение»), известная еще со времен Леонардо да Винчи, представляла собой затененный ящик, в передней части которого давали уменьшенное изображение. Не обладающие художественным талантом люди могли рисовать с помощью ее, как правило, пейзажные рисунки. Пользовались этим устройством топографы при съемках местности и ученые, когда требовалось в точности в любом масштабе перенести какой-нибудь рисунок на бумагу.
Во времена Румкорфа мастерская была на хорошем счету у потребителей. Именно к Шевалье обратился один из будущих изобретателей фотографии Н. Ньепс с просьбой создать нужную ему конструкцию камеры. Здесь же судьба сводит Н. Ньепса и Луи Дагера – парижского художника и декоратора парижских театров и они договариваются о совместной работе.
Даггер был богатым человеком, он владел так называемой диорамой, пользующейся большим успехом у парижан. Диорама представляла собой солидный выставочный зал картин, выполненных в специальной технике. Благодаря эффектам освещения зритель получал впечатление пространственности изображения. К тому же Дагер, имевший изобретательскую жилку, внедрил нововведение, позволяющее изменять изображения на картинах на глазах у зрителей скрытыми от них средствами. Это обстоятельство вызывало восхищение публики и горячие споры художников и богемы Парижа.
Владелец диорамы заразился идеями Ньепса, стремясь техническими средствами зафиксировать изображение, получаемое в камере-обскуре, т.е. по нынешней терминологии получить фотографическое изображение.
Да, но причем здесь электричество? Ведь Дагер в диораме пользовался масляными светильниками, а до изобретения электрического освещения было еще много времени. Чтобы уточнить положение вещей, приведем цитату из книги по истории фотографии. «Дагер какое-то время вынашивал утопическую идею, согласно которой светочувствительность веществ в наблюдаемых Ньепсом реакциях вызывает вовсе не свет, а ... электричество. Настаивая на своей версии, Дагер уверял Ньепса, что это не какая-то там выдумка, а результат его, Дагера, опытов. Затем, развивая свою идею дальше, он вводит в обиход термин «электрическая жидкость», с которой он якобы проводит опыты. Вот один из них, описанный в письме к Ньепсу от 29 февраля 1832 г.: «Я проводил несколько опытов с электрической жидкостью, но погода в это время была неблагоприятна, и вещества не имели той чувствительности, которой отличаются употребляемые мной сейчас. Я убедился, что ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЖИДКОСТЬ ДЕЙСТВУЕТ СОВЕРШЕННО ТАК ЖЕ, КАК И СВЕТ».
Не правда ли, все это очень напоминает средневековый трактат по алхимии? Вряд ли автор понимал, о чем пишет.
Понятно, что с «электрической жидкостью» у Дагера ничего не получилось, да и не могло получиться» [4] (курсив наш. – БХ).
Простим автору незнание того факта, что термин «электрическая жидкость» в физике существовал ко времени описываемых событий уже около столетия. Но мы категорически не согласны с тем, что «электрическая жидкость» у Дагера никак себя не проявляла. Мы даже утверждаем, что на светочувствительный материал «электрическая жидкость действует совер утверждаем, что опыты с электричеством будущего изобретателя фотографии были весьма продуктивными, правда в несколько другом научном направлении. И этому есть веские научные доказательства.
В 1851 г. после появления фотографии французский чертежник, художник и график Эмиль Пино, о котором не удалось найти никаких биографических сведений, кроме адреса в Париже на 1839 г., получил изображение электрического разряда на пластинах дагеровского аппарата. А другой француз – инженер Эжен Дюкрете (1844–1915) показал в 1884 г., что люхтенберговы фигуры легко образуются при приложении напряжения к светочувствительной эмульсии фотопластинки [5]. Это явление затем широко использовалось в электротехнике ХХ века для исследований волн перенапряжений в линиях электропередач.
Так что Дагер в своих письмах ничего не придумывал, а отмечал (даже открыл!) не понятые им определенные физические проявления электрического разряда. Правда, нам не известно, каким способом он получал эти разряды. Свои опыты Н. Ньепс и Л. Дагер держали в глубокой тайне, переписка тщательно зашифровывалась. Это могли быть разряды электрических машин или лейденских банок либо даже сравнительно недавно открытых гальванических элементов. А может быть, и всего комплекса источников электричества. Об этом свидетельствует применение биметаллических пластинок в растворителях вместо пластинок из одного металла, наличие заземлений (???) при фотографии и т. д. [6].
Для опытов Дагеру на помощь должен был прийти не оптик, а электрик. Эта роль, по всей видимости, и выпала на долю Г.Д. Румкорфа, иначе трудно объяснить, как сотрудник оптической мастерской, выйдя на самостоятельную работу, начинает принимать заказы на изготовление электрических приборов. Скорее всего, он, выполняя изобретательские фантазии Дагера, поднаторел в этом деле.
Индукционная катушка № 1
В Королевском институте Лондона установлен памятник М. Фарадею. Великий ученый увековечен в полный рост, он держит в левой руке предмет, напоминающий большой бублик. Этот тор и есть то знаменитое устройство, с помощью которого была открыта электромагнитная индукция – венец творческой деятельности Фарадея.
И все-таки тор не был первым устройством, использованным для этой цели ученым. Первое устройство представляло собой деревянный чурбак, на который были намотаны две не соединенные между собой проволочные катушки. Когда одну из них подсоединяли к гальваническому элементу, гальванометр, подключенный в цепь второй катушки, давал отклонение стрелки. Фарадей назвал ток во второй катушке индукционным, т. е. наведенным током. В дальнейших опытах исследователь обнаружил, что если использовать вместо дерева железный стержень, то эффект многократно возрастает. Фарадей делает для опытов другое устройство, где обе катушки наматываются на откованное кольцо из мягкого железа.
При опытах обнаруживается следующая закономерность. Отклонение стрелки гальванометра происходит толика и в момент выключения. Все остальное время, даже если по первой катушке продолжает идти электрический ток, стрелка остается неподвижной. Была еще одна странность. При включении стрелка гальванометра отклонялась в одну сторону, при выключении – в противоположную. Экспериментатор смог получать при таких манипуляциях даже искры, когда вместо гальванометра очень близко подводил друг к другу выводы второй катушки.
Ученый предположил, что наведение электрического тока во второй катушке происходит только в момент изменения магнитного состояния железного стержня. Как это проверить?
На прямой железный стержень Фарадей наматывает только одну катушку, в цепь которой включает гальванометр, и быстро этим стержнем замыкает полюса подковообразного магнита. Происходит то же самое. При приближении стержня к магниту стрелка отклоняется, при удалении тоже, но опять в другую сторону. Предположение подтверждается. Кстати, эта установка является моделью первого электромагнитного генератора [7].
Тор Фарадея был первым устройством, позволяющим преобразовывать постоянный электрический ток химического источника в переменный ток другого напряжения, т. е. первым электромагнитным индуктором. Правда, прерывание электрического тока приходилось делать вручную, но все остальные части устройства были налицо – магнитопровод, первичная и вторичная обмотки.
Магнитопровод состоял из мягкого железа диаметром 22 мм; согнутый в кольцо, он имел наружный диаметр 150 мм. Обмотки выполнялись медным проводом сечением 1,25 м2. Число витков катушек никто тогда не думал считать, но длина проволоки первичной составляла 7 м, вторичной – 18 м.
Описываемые события происходили в 1831 г., но уже в следующем году оказалось, что можно построить индуктор с такими же свойствами на несколько иных принципах. Любопытна история ознакомления первооткрывателя электромагнитной индукции с этими принципами.
Изучая термоэлектрические явления Зеебека, Фарадей никак не мог получить от термопары обыкновенной электрической искры. На одном из таких опытов присутствовал прибывший в Европу американский ученый Дж. Генри.
Экспериментатору он объяснил, что может вызвать искру. Не откажем себе в удовольствии процитировать А.М. Уилсона, американского физика и писателя, бывшего ассистента Э. Ферми, – настолько красочен этот рассказ: «Американец стал наматывать на палец проволоку плотной спиралью. Затем он просто присоединил эту спираль, надетую на небольшой железный стержень, к одному из проводов термопары. На этот раз при разъединении концов проволоки можно было совершенно отчетливо видеть искру. Фарадей восхищенно зааплодировал и воскликнул:
– Ура эксперименту янки! Но что же вы такое сделали?
И Джозефу Генри пришлось объяснять самоиндукцию ученому, который был известен на весь мир как человек, открывший индукцию» [8].
Действительно, все оказалось не таким уж и сложным. Обмотка, навитая на железный сердечник, нржня резко падала, что и наводило в этой же катушке значительный электрический потенциал, в сотни раз превышавший напряжение питания. Этот электрический импульс и пробивал воздушный промежуток между выводами. Возникала искра.
Как ни странно, но именно открытие Генри сразу же нашло практическое применение. Еще в 1815 г. Г. Дэви изобрел безопасную рудничную осветительную лампу. Широко известно, что открытый огонь под землей часто вызывает взрывы присутствующего там метана. Чтобы этого не случалось, Дэви оградил огонь светильника металлической сеткой. Этого оказалось достаточно для решения вопроса. Но зажигать такой светильник все равно надо было на поверхности.
С изобретением индукционной катушки устройство для зажигания такой лампы можно было легко поместить также под защитной сеткой и в нужный момент зажечь (рис. 1). Кнопку для зажигания можно вывести из-под сетки. Интересно отметить, что в настоящее время, когда существуют взрывобезопасные шахтерские электрические светильники, лампа Дэви продолжает нести свою охранную службу. Правда, в несколько иной роли. Электрический фонарь в канализационном колодце будет гореть, даже если колодец напрочь наполнен углекислым газом, что тоже смертельно опасно. А вот керосиновая лампа Дэви потухнет и этим даст сигнал о прекращении работ.
Сегодня мы завершаем публикацию очерка об истории создания и усовершенствования индукционной катушки, о ее практическом применении, а также о судьбах ученых, внесших свой вклад в становление и развитие электротехники.
Первые усовершенствования
Сотни ученых и энтузиастов электричества по обе стороны Атлантики повторяют опыты Фарадея. Каждому из них приходится самостоятельно изготавливать магнитопроводы и катушки. Ведь никаких специалистов по электротехнике нет, как не существует и самой электротехники. Катушки делаются из подручных материалов.
Трудно найти металлическое кольцо, да и на такое, как у Фарадея, не совсем удобно навивать провод. Поэтому сейчас сложно точно сказать, кто первым начал навивать витки катушек на прямой железный сердечник. Говорят, что это был английский пастор Галлан, одновременно предложивший наматывать первичную обмотку толстым проводом, а вторичную – тонким (как в воду глядел!), хотя трудно сказать, чем он при этом руководствовался.
Но, оказывается, и такую конструкцию можно улучшить. Немецкий профессор Буххофнер делает свою катушку, наматывая обмотки на пакет простых обрезков железной проволоки. Эта катушка работает даже лучше, чем с массивным сердечником. Выясняется, что так и надо делать, ибо в цельном магнитопроводе при изменении магнитного потока тоже наводятся токи, которые, ухудшая работу катушки, только нагревают стержень. Этим явлениям вскоре посвятит свои исследования Ж. Фуко и научно обоснует причину этого (токи Фуко). В дальнейшем магнитопроводы будут делать составными (шихтоваными) [9]. Короче говоря, улучшение параметров индукционной катушки идет методом проб и ошибок.
Американский физик Чарльз Пейдж предложил конструкцию катушки, в которой используется одна обмотка, но с питанием, подводимым только к части витков, где, по современной технологии, используется принцип автотрансформации (рис. 1).
Катушки индуктивности начинают использовать в лечебной практике врачи-физиотерапевты. Ведь переменный ток действует на организм человека при прочих равных условиях гораздо эффективней. Самым первым в этом списке следует назвать Антуана Массона (1806–1868), профессора из Парижа. Он пытается механизировать процесс замыкания и размыкания цепи питания первичной обмотки. Ведь никаких выключателей еще не существует. В лучшем случае, это чашечки со ртутью и опущенными в них проводниками.
Его прерыватель цепи представляет собой металлическую шестеренку, зубья которой
29-04-2015, 05:05