Расцвет естествознания на конец XIX века. Электричество

Расцвет естествознания на конец XIX века. Электричество

Вступление

Современная жизнь немыслима без радио и телевидения, телефонов и телеграфа, всевозможных осветительных и нагревательных приборов, машин и устройств, в основе которых лежит возможность использования электрического тока.

Открытие электрического тока и всех последующих открытий, связанных с ним, можно отнести к концу XIX- началу XX веков. В это время по всей Европе и в том числе России прокатилась волна открытий, связанных с электричеством. Пошла цепная реакция, когда одно открытие открывало дорогу для последующих открытий на многие десятилетия вперёд.

Начинается внедрение электричества во все отрасли производства, появляются электрические двигатели, телефон, телеграф, радио, электронагревательные приборы, начинается изучение электромагнитных волн и влияние их на различные материалы, внедрение электричества в медицину.

Удивительный XIX век, заложивший основы научно-технической революции, так изменившей мир, начался с гальванического элемента - первой батарейки, химического источника тока (вольтова столба) . Этим чрезвычайно важным изобретением итальянский учёный А. Вольта встретил новый 1800 год. Вольтов столб позволил вести систематическое изучение электрических токов и находить им практическое применение.

В XIX веке электротехника выделилась из физики в самостоятельную науку.

Над закладкой её фундамента трудилась целая плеяда ученых и изобретателей. Датчанин Х. Эрстед, француз А. Ампер, немцы Г. Ом и Г. Герц, англичане М. Фарадей и Д. Максвел, американцы Д. Генри и Т. Эдисон – эти имена мы встречаем в учебниках физики (в честь некоторых из них названы единицы электрических величин) .

XIX век щедро одарил  человечество изобретениями и  открытиями в области технических  средств коммуникации. В 1832 году член-корреспондент Петербургской Академии наук Павел Львович Шиллинг в присутствии императора продемонстрировал работу изобретённого им электромагнитного телеграфа, чем положил начало проводной связи. В 1876 году Александр Белл изобрёл телефон. В 1859 году братья Луи и Огюст Люмьеры дали первый киносеанс в Париже, а Александр Степанович Попов в Петербурге публично демонстрировал передачу и приём электрических сигналов по радио.

Не зря XIX век назвали веком электричества. В 1867 году Зеноб Грамм (Бельгия) построил надёжный и удобный в эксплуатации электромашинный генератор, позволяющий получать дешевую электроэнергию, и химические источники отошли на второй план. А в 1878 году на улицах Парижа вспыхнул ослепительный “русский свет” – дуговые лампы конструкции Павла Николаевича Яблочкова. Закачались стрелки на приборах первых электростанций.

Возможности электричества поражали: передача энергии и разнообразных электрических сигналов на большие расстояния, превращение электрической энергии в механическую, тепловую, световую… 

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ

Рождение электротехники начинается с изготовления первых гальванических элементов –химических источников электрического тока. Связывают его с именем Александра Вольты. Однако рассказывают, что, раскапывая египетские древности, археологи обратили внимание на странные сосуды из обожённой глины с изъеденными металлическими пластинами в них. Что это?.. Многое в окаменевших остатках ушедших, канувших в Лету цивилизаций, до сих опор не понятно людям. Нелегко восстановить образ минувшего, тем более что часто он оказывается не таким уж примитивным, как думается. “А уж не банки ли это химических элементов?” – пришла кому-то в голову сумасшедшая мысль. Впрочем, так ли она безумна? Ведь получение постоянного электрического тока химическим путём действительно очень просто. Солёной воды на Земле хоть отбавляй, как и необходимых металлов – цинка и меди. Вместо меди лучше применять серебро и золото… Первые элементы имели один общий недостаток. Они давали ток лишь первые несколько минут, затем требовали отдыха. Почему это происходило, ни кто не понимал. Но с такими быстро утомляющимися элементами нечего было, и думать затевать какую-то промышленность. И поэтому все усилия исследователей сконцентрировались на проблеме утомляемости.

Оказалось, что цинк, соединяясь с кислотой, вытесняет из нее водород. Пузырьки газа оседают на металлических пластинках и затрудняют прохождение тока. Физики назвали это явление поляризацией и объявили ему войну.

Примерно в начале 30-х годов прошлого столетия англичане Кемп и Стерджен выяснили, что цинковая пластина, покрытая амальгамой – действует слабее чем пластина из чистого цинка, но при этом не растворяется в кислоте, когда элемент не работает, то есть когда он не даёт тока. Это стало существенным достижением. Следом за ним французский учёный, основатель учёной династии Беккерель высказал мысль, что хорошо бы попробовать опускать пластины в разные сосуды так, чтобы выделяющийся водород тут же химически соединялся с кислородом, образуя воду. Идея понравилась, но как её реализовать? Изобретатели всех стран принялись за опыты.

На первом этапе наибольший успех выпал на долю профессора химии Лондонского королевского колледжа Даниеля. В стеклянную банку с медным купоросом он поместил согнутый в цилиндр металлический лист. Внутрь вставил глиняный сосуд с пористыми стенками, заполненный разбавленной серной кислотой. В кислоту был помещён цинк. Водород проходил через поры глиняного сосуда, вытеснял медь из купороса. Несколько синих кристалликов, брошенных на дно банки, пополняли убыль меди… Поляризация была побеждена! Однако у элемента Даниеля нашлись другие недостатки. Так, он имел электродвижущую силу. Часть электрической энергии тратилось внутри самого элемента на разложение медного купороса.

Соотечественник Даниеля Вильям Грове решил заменить медный купорос азотной кислотой. А чтобы она не разъела медный электрод, заменил медь платиной. Всё получилось в соответствии с ожиданиями: электродвижущая сила возросла. К сожалению, возросла и стоимость такого источника тока: платина дорогой металл. Правда, Грове и его последователи делали электроды из тончайших листков, согнутых для прочности буквой S. Не смотря на высокую стоимость, элементы Грове нашли широкое применение в лабораториях многих стран мира.

Может показаться странным, что никто не додумался заменить платину древесным углём. Принципиальная возможность такой замены была уже известна. Но надо учитывать тот уровень техники, ни кто не умел делать плотных углей. А обычный древесный уголь был слишком пористым. Прошло несколько лет, прежде чем немецкий химик Роберт Бунзен описал способ получения угольных стержней из прессованного молотого графита, который выделяли при сгорании светильного газа на раскалённых стенках реторт. Стержни стали прекрасным заменителем платины.

Элемент Бунзена приняли “на ура” не только лаборатории физики, но и первые электротехнические предприятия по гальванопластике. И это, не смотря на то, что элемент при работе выделял немало удушливых паров азотной кислоты. Правда, Иоаган Поггендорф заменил азотную кислоту на хромовую, но это себя не оправдывало т.к. производство хромовой кислоты очень сложный и дорогостоящий проект. Изобретатели старались вовсю. На страницах журналов появлялись всё новые и новые конструкции химических элементов. Их изобретали все: любители, научные мужи… Впрочем, во второй половине XIX столетия источники тока стали изготовлять в специальных мастерских. Мастерские эти работали в основном на телеграф. Основными требованиями, которого были: простота устройства, его дешевизна, устойчивость и надёжность в работе. За всё это телеграфисты соглашались на самые слабые токи.

Можно рассказать ещё о многих более или менее удачных попытках изобретательства. Наибольший успех выпал на долю парижского химика Жоржа Лекланше. Он наполнил глиняную банку смесью перекиси марганца с кусочками угля из газовых реторт и поместил туда же прямоугольную угольную призму, которая должна была служить положительным электродом. Эта система заливалась сверху варом или смолой и вставлялась в стеклянную четырёх угольную банку, заполненную раствором нашатыря, с цинковым электродом. При этом хлор из нашатыря, соединяясь с цинком, давал хлористый цинк. Аммоний распадался на растворяющийся аммиак и водород. Вот тут-то и была ахиллесова пята этого превосходного элемента. Перекись марганца окисляла водород медленно и небольшими порциями. А выделение этого газа зависело от силы тока, который отбирается с элемента. Больше ток больше выделяется водорода. Водород же поляризует элемент, и последний быстро устаёт. Правда после некоторого отдыха он исправно работает снова. Однако лучше всего его было использовать при малых силах тока в телеграфии или в системе сигнализации, где между моментами работы существуют довольно большие промежутки.

Большое неудобство при использовании элементов Лекланше создавали стеклянные банки с жидкостью. Особенно это мешало компаниям пассажирских перевозок, которые строили корабли с системой сигнализации не чем не уступавшей многим лучшим отелям. Но в море корабли подвергались качке… И чтобы не расплескать жидкость из банок, их стали заполнять опилками, а потом заливать варом. Под такой крышкой в результате работы батареи начинали скапливаться газы, которые в последствии разрывали банку. Не скоро люди научились делать сухие элементы, которые стали в наше время такими обычными. Но любой из них является много раз усовершенствованным и упрощенным элементом Лекланше.

Великим достижением прошлого века, связанного с исследованием работы тех же элементов, явилось открытие возможности параллельного и последовательного их соединения, когда в первом случае удавалось получить от них суммарное напряжение, а во втором – суммарный ток…  

ВТОРИЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ (АККУМУЛЯТОРЫ)

Грове в 1932 году изобретает газовый элемент, который получает название вторичного элемента, поскольку давал ток лишь после его зарядки от какого-нибудь постороннего источника. Однако из-за неудобства пользования газовый элемент Грове распространения не получил.

Примерно в 1859-1860 годах в лаборатории Александра Беккереля- второго представителя славной династии французских физиков – работал в качестве ассистента некто по имени Гастон Плантэ. Молодой человек решил заняться совершенствованием вторичных элементов, чтобы сделать их надёжными источниками тока для телеграфии, Сначала он заменил платиновые электроды газового элемента Грове свинцовыми. А после многочисленных опытов и поисков вообще перешел к двум одинаковым свинцовым листам. Он их проложил суконкой и намотал всё это на деревянную палочку, чтобы вошло в круглую стеклянную банку с электролитом. Затем подключил обе пластины к батарее. Через некоторое время вторичный элемент зарядился, и сам оказался способен давать ощутимый ток постоянной силы. При этом если его не разряжали сразу, заряд электричества сохранялся в нем длительное время.

Собственно, это и было рождением аккумулятора – накопителя электрической энергии. Первые аккумуляторы Гастона Плантэ имели очень незначительную электрическую ёмкость – они запасали совсем немного электричества. Но изобретатель заметил, что если заряженный первоначально прибор разрядить, а затем пропустить через него ток в обратном направлении и повторить этот процесс не один раз, то емкость аккумулятора увеличится. При этом возрастал слой окисла на электродах. Этот процесс получил название формовки пластин и занимал сначала около трёх месяцев.

Как и у всех гальванических элементов, ток аккумулятора тем больше, чем больше площадь его электродов. Эту истину хорошо усвоил Камилл Фор. Он был самоучкой – без специального образования – с юных лет безраздельно увлекался техникой. Вынужденный зарабатывать деньги на жизнь. Фор сменил множество специальностей. Был чертёжником, техником, рабочим, химиком на английском пороховом заводе, работал у Планте. Разносторонние практические знания сослужили ему добрую службу. После Парижской выставки 1878 года в голову Камилла Фора запала идея нового способа формовки пластин. Он попробовал заранее покрывать их свинцовым суриком. При зарядке сурик на одной из пластин превращался в перекись, а на другой соответственно раскалялся. При этом слой окисла приобретал пористое строение, а значит, и увеличивалась площадь взаимодействия с кислотой. Процесс формовки протекал значительно быстрее. Аккумуляторы Фора при том же весе запасали значительно больше электрической энергии, чем аккумуляторы Плантэ. Другими словами, их энергоёмкость была больше. Это обстоятельство особенно привлекало к ним симпатии электротехников. Но главная причина их возросшей популярности заключалась в другом… В конце столетия во многих странах на улицах и в домах появилось электрическое освещение. Лампы накаливания питались энергией пока еще маломощных машин постоянного тока. Ранним утром и поздним вечером, когда энергии требовалось значительно больше, на помощь машинам приходили аккумуляторы. Это было значительно дешевле, чем устанавливать дополнительные генераторы. Тем более что в спокойные дневные и ночные часы аккумуляторы могли заряжаться, поглощая излишки энергии вырабатываемой машинами.

Дальнейшее совершенствование свинцово-кислотных аккумуляторов шло по пути улучшения их конструкции и изменения технологии получения пластин.

Существует еще один вид аккумуляторов – железоникелевый щелочной, который разработал Эдисон. В нем отрицательный электрод выполнен из пористого железа или кадмия с большой рабочей поверхностью. Положительный электрод – никелевый, окружен окисью трёхвалентного никеля. В качестве электролита используют 21% раствор едкого натра. Корпус чаще всего изготавливается из стали. Коэффициент полезного действия у щелочного аккумулятора меньше, чем у свинцового. Но зато щелочной аккумулятор лучше переносит перегрузки, не чувствителен к избыточному заряду и сильному разряду, прочен, легко переносит перегрев и не нуждается в ремонте. А поскольку из щелочных аккумуляторов не выделяются газы их можно делать герметичными.  

РУССКИЙ СВЕТ

Создание экономичного генератора электрического тока оживило усилия изобретателей, искавших области применения электрического тока помимо телеграфа. Уже первые исследователи гальванизма заметили, что проволока, по которой идёт электрический ток, нагревается, накаливается и может даже раскалиться до яркого свечения и расплавиться. Кроме того, в 1802 году В. В. Петров указал на возможность освещения тёмных покоев с помощью электрической дуги. Он же исследовал электроразрядное свечение в разряженном пространстве под колпаком. Те же явления позже были изучены Дави и Фарадеем… Освещение! Сейчас трудно представить себе, что всего полтораста лет тому назад оно являло собой проблему общественной жизни. С начала XIX века в дома горожан проникает газовое освещение, пришедшее на смену свечам и лампам с жидким горючим. Сначала газовый свет казался великолепным. О лучшем, нечего было и мечтать. Однако триумф газа был недолгим. Уже к середине века газовое освещение перестало удовлетворять людей из-за своих многочисленных недостатков. Оно было тусклым, небезопасным в пожарном отношении, вредным для здоровья.

На фабриках и на заводах, где трудовой день был 14-16 часов, отсутствие яркого света сказывалось на росте производительности и тормозило технический прогресс. Все это способствовало усилению работы изобретателей над новыми видами электрического освещения: над дуговыми лампами, лампами накаливания и газоразрядными лампами.

Раньше других появились в разработке дуговые лампы, хотя первое время их прогресс сдерживался отсутствием надёжных источников тока, не было и хороших углей. Древесные угли, которыми пользовались Дэви Петров, быстро сгорали и были не прочны. Выход нашёл Роберт Бунзен – известный химик, изобретатель цинко-угольного элемента. Он предложил использовать твёрдый нагар, остающийся на раскалённых стенках газовых реторт. Из отбитых кусков этого нагара удавалось выпилить небольшие твёрдые стержни, которые хорошо проводили ток и сгорали значительно медленнее. Позже этот нагар стали молоть и из порошка формовали стержни требуемого размера и необходимой однородности.