0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Как накопить электроны

Как накопить электроны?

Как накопить электроны?

Да, тепловые накопители если и не завели меня в дебри, то уж точно направили по ложному пути. Чуть было даже не забрел в гости к «демону Максвелла», а уйти от него, говорят, гораздо труднее, чем познакомиться с ним. Но с этим уже все. Торжественно пообещав себе больше не отвлекаться на яркие пустышки, я принялся за изучение других накопителей из моего списка. Теперь очередь дошла до устройств, накапливающих электрическую энергию. И в начале перечня у меня значился конденсатор.

Я уже говорил, что электрическая машина преобразует механическую энергию в энергию электрического заряда, а он накапливается в конденсаторе – лейденской банке. Это один из самых первых типов конденсаторов, получивший свое название от голландского города Лейдена, в котором в середине XVIII века был создан.

Лейденскую банку можно увидеть в любом школьном физическом кабинете. Она представляет собой обыкновенный тонкостенный стеклянный цилиндр, оклеенный изнутри и снаружи фольгой. Внутренняя обкладка соединена с металлическим стержнем, оканчивающимся шариком. Если при зарядке лейденской банки мы подключим шарик к отрицательному полюсу электрической машины, на внутреннюю обкладку добавится некоторое количество избыточных электронов; тогда с наружной обкладки, подключенной к положительному полюсу машины, или к «земле», соответствующее количество электронов будет удалено. Таким образом на обкладках конденсатора окажутся равные по величине, но противоположные по знаку заряды, – прибор заряжен.

Разряжать лейденскую банку можно только с помощью специального разрядника, изолированного от рукоятки, за которую его держат. Попытки разрядить лейденскую банку руками нередко заканчивались гибелью экспериментаторов. Правда, это было давно, когда люди еще не знали об опасности такого опыта.

Но если лейденская банка столь опасна, значит, в ней заключено много энергии! Не та ли это «капсула», что я ищу?

Поскольку лейденской банки под рукой не оказалось, я взял первый попавшийся конденсатор, из тех, которые остались после ремонта телевизора, и сунул его выводы в штепсель. Пробежала искра. Я отнял прибор от штепселя, но тут вдруг припомнил чьи-то слова: «Переменным током конденсатор не зарядишь». Разочарованный, я прикоснулся пальцами к выводам конденсатора, дабы убедиться в справедливости этих слов, и… По искрам, которые посыпались у меня из глаз, я понял, что мой конденсатор не хуже лейденской банки. Стал вспоминать, кто же это меня обманул, однако так и не вспомнил. Решил все же не испытывать больше судьбу и сначала почитать что-нибудь о конденсаторах, а уж потом заниматься экспериментами.

Раньше, в XVII—XVIII веках, электричество представляли себе как некую невесомую «электрическую жидкость», которая может «вливаться» в проводник. Отсюда по величине заряда – количеству этой «электрической жидкости» – стали определять емкость конденсатора как какой-нибудь фляги или бутыли. Ученые давно заметили, что чем обширнее площадь обкладок и чем меньше зазор между ними, тем больше емкость конденсатора. Однако делать зазор слишком малым нельзя – при высоком напряжении, приложенном к конденсатору, может наступить «пробой» зазора искрой. В лучшем случае конденсатор потеряет заряд, а в худшем – разрушится, причем, что не исключено, со взрывом. Сантиметровый слой воздуха, например, пробивается при напряжении 30 000 В. Понижать же напряжение невыгодно. Ведь в конечном счете нас интересует не просто емкость конденсатора, а его энергоемкость, равная произведению заряда на напряжение. Поэтому уменьшение зазора между обкладками – это не путь к повышению энергоемкости. Выход один – увеличивать площадь обкладок.

И еще одно очень интересное свойство конденсатора открылось ученым. Если помещать между его обкладками различные непроводящие материалы – диэлектрики, емкость конденсатора может резко меняться. Эту способность диэлектриков изменять емкость конденсатора назвали диэлектрической проницаемостью. Было установлено: чем больше величина диэлектрической проницаемости, тем больше при прочих равных условиях емкость конденсатора.

Диэлектрическая проницаемость равна в вакууме единице. Очень близка к этому значению диэлектрическая проницаемость воздуха, поэтому воздушные конденсаторы имеют очень малую емкость. Если идти в сторону увеличения диэлектрической проницаемости, то ее значение для парафина – 2, для фарфора и стекла – до 7, а для воды – 81. То есть водный конденсатор обладает в 81 раз большей емкостью, чем воздушный.

Однако при подсчете плотности энергии обычных конденсаторов, например электролитических, которые широко распространены в радиотехнике, выяснилось, что она очень низкая, не выше, чем у обычных стальных пружин. Даже у конденсаторов-гигантов плотность энергии не выше, хотя общее количество энергии может быть достаточно велико.

За единицу емкости конденсаторов принята фарада (Ф). Это очень крупная единица, такую емкость мог бы иметь, например шар, диаметр которого равен 18 млн км, то есть в 1500 раз больше нашей Земли! Разумеется, емкость большинства существующих конденсаторов значительно меньше, поэтому ее измеряют в миллионных долях фарады – микрофарадах (мкФ), или в единицах, еще в миллион раз меньших, – пикофарадах (пФ).

Геометрическое представление единицы электроемкости – фарады

Если взвесить самый заурядный электролитический конденсатор емкостью 10 мкФ при напряжении 300 В, то масса его составит несколько десятков граммов. А энергии в этом конденсаторе будет менее 0,5 Дж. Стало быть, плотность энергии достигнет около 10 Дж/кг. Хорошие конденсаторы могут накопить энергии раз в 10 больше, но и это очень немного.

Чтобы резко повысить емкость конденсаторов, приходится прибегать ко всяким ухищрениям. И надо сказать, в последнее время ученые здесь преуспели. В Японии, например, впервые был изготовлен конденсатор из активированного угля!

Известно, что активированный уголь, приготовленный путем кипячения древесного угля в воде, имеет огромную поверхность на единицу объема. Такую поверхность образуют поры, из которых водой были вымыты соли. Благодаря этому активированный уголь отлично поглощает запахи, яды, различные газы. Им заполняют противогазы, его принимают при отравлениях, используют во многих других случаях. Именно поверхность активированного угля и заинтересовала японских ученых. Уголь пропитывают раствором солей щелочных металлов – натрия, калия, лития в органическом растворителе, и происходит чудо – емкость 1 см 3 такого конденсатора возрастает до десяти и более фарад! Иначе говоря, до емкости размещенного в пустоте шара, чей диаметр в 15 тыс. раз больше, чем диаметр Земли, больше, чем расстояние от Земли до Солнца! Но в отношении энергии это мало что дает – конденсатор из активированного угля выдерживает лишь очень низкое напряжение. Плотность энергии такого конденсатора составляет примерно 1 кДж/кг, что гораздо выше, чем у обычных конденсаторов, но все-таки крайне мала.

Венгерские ученые пошли по другому пути. Они создали особые пластмассы, обладающие необычайно высокой диэлектрической проницаемостью и пробойным напряжением. Кроме того, они выяснили, что самая высокая в природе диэлектрическая проницаемость – 130 тыс. единиц! – у дезоксирибонуклеиновой кислоты, той самой ДНК, которая несет генетическую информацию. Если обычный конденсатор емкостью 10 мкФ заполнить в качестве электролита ДНК, то при напряжении 300 В плотность его энергии составит 20 кДж/кг, что превышает тот же показатель для резиновых аккумуляторов.

Тут мне пришло в голову: что, если объединить открытия японских и венгерских ученых, то есть пропитать активированный уголь дезоксирибонуклеиновой кислотой. Удельная энергия конденсатора, судя по всему, вырастет еще раз в 100. Тогда масса «энергетической капсулы», необходимой автомобилю для прохождения 100 км, была бы не более 1-2 кг!

Да, заманчиво, конечно, все это осуществить, но где достать столько ДНК? Как пропитать ДНК-активированный уголь? Насколько дорог будет такой конденсатор, если его все же удастся получить? Какова будет сила взрыва, если произойдет случайный пробой?

Мне было трудно ответить на поставленные вопросы, кроме последнего. Дело в том, что однажды я чуть не стал заикой от оглушительного взрыва телевизионного конденсатора, энергия которого была в десятки тысяч раз меньше…

И еще одно обстоятельство меня огорчало. «Перестраховщики» ученые, зная почти все про конденсаторы, определили теоретический предел плотности их энергии, который оказался в тысячи раз ниже по сравнению с вычисленным мной. Кто-то из нас очень ошибался в своих расчетах, и я, кажется, догадывался, кто… По крайней мере на ближайшее будущее с помощью так называемых «ультраконденсаторов» в США планируют накапливать энергию в количестве всего около 30 кДж/кг.

Между тем современные, так называемые «молекулярные» конденсаторы, несмотря на небольшую плотность энергии, в десятки раз уступающую плотности современных электроаккумуляторов, успешно применяются для запуска двигателей внутреннего сгорания и даже для перемещения транспортных средств на небольшие расстояния. Например, для некоторых типов инвалидных колясок.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Вторая версия

Гораздо более правдоподобной выглядит вторая версия, согласно которой все тот же ученый проводил эксперименты целенаправленно и случайности тут не было.

Так вот Мушенбрук, зная о непроводимости стекла (диэлектрик), во время эксперимента держался рукой за внешнюю стенку банки, а после того как машина перестала работать прикоснулся второй рукой до электрода, все время находившегося в воде.

Таким образом, была замкнута цепь, а весь накопленный заряд прошел через экспериментатора.

В 1746 году в очередном письме своему другу и коллеге Реомюру он так опишет свои ощущения от эксперимента:

«Этот новый и безусловно страшный опыт повторять никому не советую. И даже ради короны Франции на повторный опыт не пойду».

Так как серия опытов проводилась в городе Лейден, впоследствии изобретенный таким образом прибор стал именоваться Лейденская банка. Это название дал Жан-Антуан Нолле, который занимался активной продажей изделия богатеям того времени, которые увлекались электричеством.

Читать еще:  Как просто и дёшево остеклить крыльцо

Как это часто бывает, независимо друг от друга ученые проводят аналогичные эксперименты.

Целительный удар током

Джин из банки

В середине XVIII века профессор Мусхенбрук из голландского города Лейдена ставил эксперименты по накоплению электрического заряда. К тому времени уже было известно, что вещества делятся на те, что проводят электричество, и те, которые не обладают этой способностью. Стекло относится к последним, и потому голландец для одного из своих опытов выбрал стеклянную банку. Он наполнил её водой и опустил в неё медный провод, подключённый к кондуктору электростатической машины. Спустя некоторое время Мусхенбрук, решив, что в банке уже достаточно электричества, взял сосуд в правую руку, а левой стал доставать провод. Далее, как потом писал сам экспериментатор, последовало «ужасное сотрясение», ему показалось, что «пришёл конец». Повторять свой опыт Мусхенбрук никому не советовал.

После этого во всех смыслах потрясающего эксперимента стало очевидно, что электричество оказывает огромное воздействие на физическое состояние человека. Невзирая на совет Мусхенбрука воздержаться от повторений, изучением свойств лейденской банки – так она стала называться после эксперимента голландского учёного – занялись многие не только физики, но и медики. Довольно зрелищный опыт был поставлен, в частности, аббатом и физиком Нолле при дворе короля Франции Людовика XV. Экспериментатор выстроил замкнутую цепочку из 180 взявшихся за руки гвардейцев. Первый из них держал банку, последний – прикасался к электродам заряженной от электрической машины лейденской банки. Все гвардейцы одновременно начинали дёргаться, кривляться и вскрикивать, чем немало веселили версальскую публику. Далее Нолле пропускал тот же заряд через воробья, затем через мышь. Смерть животных наглядно демонстрировала убийственную силу электричества. Опыт французского аббата был не только развлечением, он позволил сделать вывод о невероятно высокой скорости передачи заряда (ведь все гвардейцы реагировали на заряд в один момент), продемонстрировал зависимость силы воздействия заряда от размера тела, а кроме того, дал физике термин «электрическая цепь» (по аналогии с цепочкой подопытных солдат). Конструкция лейденской банки заметно изменилась с момента её создания: вода в сосуде была заменена металлическими пластинами, стекло обкладывалось оловянной фольгой. После того как во второй половине XVIII века промежуток между обкладками стали заполнять не стеклом, а воздухом, лейденская банка превратилась в первый простейший конденсатор.

Простой и зрелищный эксперимент Нолле имел популяризаторский эффект: опыты с лейденской банкой стали проводиться и в аристократических салонах, и на ярмарках для простолюдинов. Этому не препятствовало даже то, что многие подобные опыты доказывали смертельную опасность электричества. Наряду с печальными явлениями наблюдались и другие: в европейских газетах писали о чудесных исцелениях с помощью лейденской банки от паралича, мигреней и даже простуд. Так «побочным эффектом» салонных экспериментов стало зарождение электромедицины.

Чудо-махина

Модное европейское поветрие докатилось до России с небольшим опозданием, но сразу приняло серьёзную форму, позволившую говорить о зарождении новой отрасли врачевания – электромедицины. Этим мы обязаны русскому энциклопедисту, просветителю, передовому человеку своего времени Андрею Тимофеевичу Болотову. Он известен прежде всего как основатель отечественной агрономии, писатель, философ, фармацевт, первый русский физиотерапевт, а также благодаря опытам с влиянием электричества на человека.

Родившийся в 1738 году в небогатой дворянской семье, Болотов в 19 лет поступил на военную службу. Как раз в это время Европу сотрясала Семилетняя война, и юноша с петербургским полком оказался в Пруссии, однако, к счастью для него, вскоре был определён на довольно спокойную караульную службу в Кёнигсберг. Свободное время, в отличие от многих других офицеров, Болотов тратил на посещение местных учебных заведений. В одном из них он впервые увидел в действии лейденскую банку. Устройство произвело на него большое впечатление, так же как и воздействие электричества на физическое состояние человека. В 1762 году, после выхода в отставку, молодой человек отправился в родовое имение Дворяниново в Тульской области и погрузился в изучение наук. В числе прочего он сконструировал электрическую машину и лейденскую банку собственной модификации и начал изучать свойства электрического заряда. Параллельно Болотов самостоятельно освоил медицину, ставя себе целью обеспечить врачебную помощь тем, кто нуждался в ней более всего – простому люду.

Кстати

Идеи гуманизма казались Андрею Болотову важнее сословной принадлежности. «Что пользы от того, что… нет ни одного уездного города, в котором бы не было лекаря и которых не содержали бы мы на своём коште и жалованье, когда и ныне множество больных помирает так же, как и прежде, без всякого призора и подавания им помощи», – писал он.

На стыке этих двух интересов – к электричеству и к медицине – Болотов начал создавать новую науку, одновременно продвигая и теорию, и практику. Теоретическая часть была сформулирована им в нескольких трудах, выходивших на протяжении 1790-х годов («История моего електризования и врачевания разных болезней оным», «Краткий электрический лечебник» и др.). Итоговая работа по электромедицине была выпущена Болотовым в 1803 году и называлась «Краткие и на опытности основанные замечания о электрицизме и о способности электрических машин к помоганию от разных болезней». В этой книге учёный подробно описывал устройство своих электрических инструментов, принцип их действия, давал подробные инструкции по применению электричества в разных врачебных случаях.

В своём уезде Болотов создаёт первую стационарную электролечебницу. Какие же болезни он предлагал лечить? Да практически все: простуды, ревматизмы, заболевания сердца, органов пищеварения, параличи, контрактуры, нервно-психические расстройства… Описывая результаты своей врачебной деятельности с использованием электрических зарядов, учёный говорит об излечении в течение двух с половиной лет более 1500 человек «не только от разных лёгких. болезней, но много раз от самых тяжких, долговременных, запущенных, а несколько раз даже самых редких, необыкновенных и таких болезней, которые всем другим употребляемым до того лекарствам и даже врачеванию искусных медиков противоборствовали».

Болотов максимально упростил конструкцию электростатической машины и лейденской банки. Это, по мнению учёного, позволяло производить чудодейственные электроприборы повсеместно, в самых примитивных мастерских, и оказывать помощь как богатым, так и бедным. В одной из описанных Болотовым машин заряд шёл через металлическую гребёнку на кондуктор, в роли которого выступал простой железный прут, и попадал в лейденскую банку, сооружённую из пивного стакана и уплощённого свинца, «в каком привозят чай из Китая». От лейденской банки электрический заряд направлялся к пациенту по проволоке с гусиным пером на конце. Этот инструмент применялся для лечения, например, кашля и отитов.

Уникальные разработки Болотова хоть и вызвали интерес со стороны учёных и врачей, однако не получили широкого распространения, на которое тот рассчитывал. К началу XIX века ажиотаж вокруг новой панацеи стал спадать: общественность ждала от электромедицины чуда, а его, что закономерно, не произошло – она помогала далеко не всегда и только в пределах возможного.

Кстати

Андрей Болотов не ограничился миссией первопроходца в русской электромедицине – ещё глубже он был погружён в изыскания, связанные с развитием сельского хозяйства, лесоводства, с экономическими и социальными вопросами, метеорологией, педагогикой и философией. Помимо этого, он проделал колоссальную историко-писательскую работу, представив в мемуарных записках «Жизнь и приключения Андрея Болотова» всю свою эпоху, общество и быт.

Путь к современной медицине

В то время, когда Болотов создавал свою электролечебницу и писал труды об электрицизме, представления о природе электричества были весьма ограниченны. Главный принцип, которым руководствовались тогда в Европе и России при применении электричества в лечении различных заболеваний, заключался в том, что при слабости нужно ткани возбуждать, а при излишнем напряжении – укрощать. В первом случае следовало пропускать положительный заряд, во втором – отрицательный. Очевидно, что в подавляющем числе случаев лечение оказывалось неэффективным.

Итальянский врач Луиджи Гальвани опубликовал «Трактат о силах электричества при мышечном движении» в 1791 году. Описанный в нём классический опыт с препарированной лягушкой, чьи мышцы сокращались при пропускании электрического заряда, и дальнейшие эксперименты Гальвани заложили научные основы электрофизиологии и, в частности, электростимуляции.

Если основные идеи Болотова относительно электромедицины сформировались в «догальванический» период, то уже в деятельности другого русского учёного, Василия Петрова, данные о гальванизме были полностью учтены. Он создал первый в мире источник тока высокого напряжения (батарея Петрова) и в числе прочих экспериментов провёл исследования его влияния на живые организмы. Петровым было открыто наркотическое действие тока. По прошествии лет электронаркоз прочно вошёл в медицинскую практику.

Значительный вклад в развитие электромедицины в России внёс Иван Сеченов. Он впервые после возвращения из заграничной поездки и ознакомления с ведущими европейскими практиками начал преподавать электрофизиологию как специальную дисциплину. Среди разных способов воздействия на человеческий организм (механических, химических, термических и т. д.) электрические он ставил на первое место: они наносили тканям наименьший вред и легко регулировались по силе и продолжительности.

Сейчас медицина знает множество способов применения электрического тока, не говоря уже об электромагнитах, чьё вхождение во врачебную практику началось почти сразу после открытий Фарадея. В основном электричество применяется в диагностике, так как известно, что биотоки больных и здоровых тканей различаются. Почти каждому известны электроэнцефалография и электрокардиография или чуть менее популярные электрогастрография и электромиография. Электростимуляция эффективно применяется для лечения эпилепсии и болезни Паркинсона, а электрокардиостимулятор является неотъемлемой частью реанимационного оборудования и спас уже множество жизней.

При подготовке материала использованы следующие работы (источники): Хасапов Б., Шнейберг Я. «Электрическая махина» – чудо-лекарь!», Давиденко В. «Краткий очерк развития электростимуляции», Кистенева О., Кистенев В. «Русский учёный-энциклопедист XVIII в. А. Т. Болотов об электромедицине» (журнал «Вестник науки и образования»).

Полярные и неполярные конденсаторы

Очень важным является разделение конденсаторов на полярные и неполярные.

Приборы на основе оксидов: электролитические алюминиевые и танталовые обычно являются полярными, а значит если перепутать их полярность — они выйдут из строя. Причём этот выход из строя будет сопровождаться бурной электрохимической реакций вплоть до взрыва конденсатора.

Читать еще:  Плетение браслетов из резинок и бисера по схемам на станках для начинающих

На полярных конденсаторах всегда имеется маркировка. Как правило на электролитических конденсаторах на корпусе контрастной полосой отмечается отрицательный вывод (катод), у танталовых (в желтых прямоугольных корпусах) полоской помечается положительный вывод (анод). Если есть сомнения в маркировке, то лучше найти документацию на этот конденсатор и убедиться.

Неполярные же конденсаторы можно включать в цепь какой угодно стороной. К примеру, многослойные керамические конденсаторы — неполярные.

Из истории

Двигатель прогресса

Большинство великих изобретателей увлекались историей естествознания. Тесла заинтересовался электричеством, когда увидел искры с шерсти обыкновенного кота. В давние времена далеко не каждый имел образование. Георг Ом имел несчастье родиться в бедной семье, облагодетельствованный отцом, читал книги по математики, получил наставника. Задача, которая в 20-е годы XIX многим показалась непосильной, решена с получением закона Ома для участка цепи.

После Второй мировой страны добились невероятного развития. Россия, к сожалению, в число не входит. Несомненный успех найден, где ранее ученые умы закладывали фундамент. Достаточно посмотреть ВВП сверхдержав:

  1. Первое место взяло США. Дикая земля с завидным постоянством служила пристанищем ученых. Промышленники постоянно думали, как заработать. Эдисон известен, побежден Николой Тесла, обманутым воротилой чуть раньше. Большая часть бытовой техники запатентована, придумана США. Миксеры, блендеры, кофеварки. Карол Поллак на конденсатор взял патент США.
  2. КНР занимает почетное второе место. Аналитики предрекают сверхдержаве большое будущее. Другим – не нравится Китай, постоянно копирующий чужую технику. Иосиф Сталин занимался выпуском автомобилей СССР, избегая оплачивать копейки по патентам иностранных фирм. По производству конденсаторов Китай наверняка догнал тройку лидеров.
  3. Третье место занимает Япония, ставка сделана на политику Большого рывка. До Второй мировой войны феодальная держава, последующие сорок пять лет Страна восходящего солнца последовательно занималась инновациями в наукоемкие отрасли. Изобретения пришли с островов, в силу недостаточности межнационального общения лишены должной мировой известности.
  4. Четвертое, пятое, шестое места занимают Германия, Великобритания, Франция. Непрерывно ссорящиеся в прошлом державы переняли манеру ученых кругов, постоянно обменивающихся опытом, идеями. Предпринимались продолжительные поездки (вспомнив Дэви и Фарадея). Начало электролитических конденсаторов заложено Германией, первенство оспаривается Нидерландами (18 место).

Вывод напрашивается: научное достояние важнее сиюминутной выгоды. Достаточно придумать новый конденсатор, придумать способы использования, взять патент, немедленно начнете зарабатывать. Господь благословил Америку, утверждают жители США неофициальным гимном. Стоял позади, выступал щитом, как обещано Ветхим Заветом. Изобретатели волей провидения приносили прибыль.

Лейденская банка

Отбрасывая слухи, первым изобретателем лейденской банки, считается Эвальд фон Клейст. Явление накопления заряда обнаружили на примере бутылки из-под вина. Фон Клейст опустил в ртуть провод электростатического генератора, придерживая конденсатор. После разрыва с источником оказалось: торчащий кончик бьется током. Гораздо сильнее электростатической машины. Эффект оценивался нервной системой естествоиспытателя.

Сделан правильный вывод: заряд удаётся запасать электроемкостью, механизм остался тайной. Предполагалось, что дело в стекле (Бенджамин Франклин). Накапливает заряд. Реально провод с ртутью служили одной обкладкой образованного конденсатора. Отсутствовали инструменты оценить электроемкость прибора. На момент середины XVIII века существовал электроскоп, говорилось: заряд присутствует, доводилось делать предположение о знаке (фон Герике обнаружил: наэлектризованный шарик, притянутый человеческим носом, после соприкосновения начинает отталкиваться).

Оказалось, алкоголь проводит электрический ток. Вставив в пробку железный гвоздь, запечатав, фон Клейст наслаждался ударами запасенного тока от электроемкости конденсатора. Постепенно конструкция стала больше напоминать нынешнюю. В колбу термометра опускался провод со свинцовым шаром на конце. Емкость заполнялась водой. Отсутствовала важная деталь – вторая обкладка. Электричество могло храниться несколько часов, вызывать на демонстрациях легкие всполохи, окружающих впечатляло.

Об электрическом токе не было известно ровным счетом ничего, могло помочь проверить наличие заряда щадящими методами. Фон Клейст касался контакта пальцем, когда уставал терпеть, брал рукой кусочек золотой пластинки. Описываемые события заканчиваются октябрем 1745 года, месяцем спустя фон Клейст докладывает о своих достижениях двум другим ученым:

  1. В Берлин доктору Либеркуну.
  2. В Галле доктору Крюгеру.

Доказывая окружающим состоятельность работ, фон Клейст заставлял «целоваться» с конденсатором, утверждая: редкий мазохист захочет продолжения вечеринки. От излишнего усердия терщика колбы иногда разбивались. Войска конденсаторов несли потери, Бенджамин Франклин ввел термин батарея. Настолько сильным оказался шок заряда, запасенного электростатическим генератором! Фон Клейст временами втихомолку удивлялся, если конденсатор рукой не придерживать, разряд отсутствует: отсутствовало понятие электрической цепи. Предметы отказывались электризоваться контактом, фон Клейст решил: человеческое тело определенно относится к работе конденсатора.

Мушенбрук

Следует напомнить: закон об охоте за ведьмами недавно отменен, Бенджамин Франклин мог спокойно охотиться за молниями воздушным змеем, эстафету немецкого ученого перенял некто Питер ван Мушенбрук. Исторические источники говорят: муж науки изобрел лейденскую банку (конденсатор) совершенно независимо от фон Клейста. Видимо, мысль заполняла эфир, человек просто подхватил, как иные подхватывают простуду. Результат был более впечатляющим, нежели выздоровление.

В Лейденском Университете поныне опыты фон Клейста замалчивают. Лавры отданы Мушенбруку, дата открытия конденсатора с задокументированной демонстрации января 1746 года переносится на таинственный день 1745. Передавая честь изобретения, Мушенбрук таинственно молчал, уподобляясь рыбе…

Ученый Питер ван Мушенбрук

В начале 1746 года уведомлен Рене Антуан Реомюр. Нельзя сказать, чтобы деятель науки занимал видный пост, но 40 лет освещал присутствием круги, мог оценить значимость изобретения конденсатора. Главное, Реомюр знал лично священника, члена Академии наук (Франции) Жана-Антуана Нолле, большого энтузиаста, весельчака. Предполагают, последний хотел измерить на монахах, руководствуясь лейденской банкой скорость движения электрического тока. Задуманное провалилось: 700 человек заорали одновременно. Мгновенно уверовали в науку, существование электроемкости конденсатора. 180 королевских мушкетеров не смогли ответить железной стойкостью, подвергнувшись экзекуции – уверовал Людовик XV. Кадры решают все – в отличие от фон Клейста, ван Мушенбрука Нолле нашел немедленное признание, конденсатор обрел известность.

Однако! Ван Мушенбруку повезло больше предшественника. Многие утверждают: первый удар током получил студент на январской демонстрации, сама постановка вопроса намекает: ученый знал последствия разряда электроемкости конденсатора, хитро улыбаясь, наблюдал учащихся. Иные источники говорят: открытие было сделано ранее. В лаборатории Мушенбрук пытался получить искры, заручившись помощью дула ружья: видимо, быстро понял, как обращаться со стеклянным шаром статического электрогенератора, чтобы остаться в живых. Получилось волей случая, на столе покоилась банка, заполненная водой, к стволу зачем-то привязан медный провод, опускаемый внутрь сосуда.

Искра почему-то отсутствовала. Мушенбрук, задумавшись, одной рукой опер стол, коснувшись банки, другой взялся за ствол, закоротив цепь разряда электроемкости конденсатора. Мгновенно понял истинное предназначение – недаром говорят: незаряженное ружье раз в жизни стреляет. Нужно было стать фокусником или факиром! Шутка ли, сотворить с обычным охотничьим ружьем. Отдача вышла весьма сильная, ощущение – будто попала молния. Ученый пришел к открытию. Сумел обнаружить: цепь легко замыкалась через металлическую столешницу. Объяснить явление не смог.

Читайте также

4.2. Дрейфовая трубка: электроны в ней не дрейфуют, да они и не нужны для производственных целей

4.2. Дрейфовая трубка: электроны в ней не дрейфуют, да они и не нужны для производственных целей Теперь можно было сосредоточиться и на своей работе. Основой газовых смесей в счетчиках нейтронов был уже упоминавшийся гелий-3 — редкий и дорогой изотоп. Чтобы измерить

4.3. Нейтроны, подводные лодки и внезапно появившиеся электроны

4.3. Нейтроны, подводные лодки и внезапно появившиеся электроны Рутинность измерений была прервана очередной кампанией. Одна из организаций Средмаша создавала комплекс аппаратуры обнаружения подводных лодок на небольших глубинах (вероятно — в режиме предстартовой

Беседа третья ЭЛЕКТРОНЫ В ВАКУУМЕ

Беседа третья ЭЛЕКТРОНЫ В ВАКУУМЕ Выявив недостатки механических систем телевидения, приятели переходят к изучению электронных методов. Для этого они начинают изучать основное устройство всякого, телевизионного прибора — электронно-лучевую трубку, применяемую как в

Целительный удар током

Джин из банки

В середине XVIII века профессор Мусхенбрук из голландского города Лейдена ставил эксперименты по накоплению электрического заряда. К тому времени уже было известно, что вещества делятся на те, что проводят электричество, и те, которые не обладают этой способностью. Стекло относится к последним, и потому голландец для одного из своих опытов выбрал стеклянную банку. Он наполнил её водой и опустил в неё медный провод, подключённый к кондуктору электростатической машины. Спустя некоторое время Мусхенбрук, решив, что в банке уже достаточно электричества, взял сосуд в правую руку, а левой стал доставать провод. Далее, как потом писал сам экспериментатор, последовало «ужасное сотрясение», ему показалось, что «пришёл конец». Повторять свой опыт Мусхенбрук никому не советовал.

После этого во всех смыслах потрясающего эксперимента стало очевидно, что электричество оказывает огромное воздействие на физическое состояние человека. Невзирая на совет Мусхенбрука воздержаться от повторений, изучением свойств лейденской банки – так она стала называться после эксперимента голландского учёного – занялись многие не только физики, но и медики. Довольно зрелищный опыт был поставлен, в частности, аббатом и физиком Нолле при дворе короля Франции Людовика XV. Экспериментатор выстроил замкнутую цепочку из 180 взявшихся за руки гвардейцев. Первый из них держал банку, последний – прикасался к электродам заряженной от электрической машины лейденской банки. Все гвардейцы одновременно начинали дёргаться, кривляться и вскрикивать, чем немало веселили версальскую публику. Далее Нолле пропускал тот же заряд через воробья, затем через мышь. Смерть животных наглядно демонстрировала убийственную силу электричества. Опыт французского аббата был не только развлечением, он позволил сделать вывод о невероятно высокой скорости передачи заряда (ведь все гвардейцы реагировали на заряд в один момент), продемонстрировал зависимость силы воздействия заряда от размера тела, а кроме того, дал физике термин «электрическая цепь» (по аналогии с цепочкой подопытных солдат). Конструкция лейденской банки заметно изменилась с момента её создания: вода в сосуде была заменена металлическими пластинами, стекло обкладывалось оловянной фольгой. После того как во второй половине XVIII века промежуток между обкладками стали заполнять не стеклом, а воздухом, лейденская банка превратилась в первый простейший конденсатор.

Простой и зрелищный эксперимент Нолле имел популяризаторский эффект: опыты с лейденской банкой стали проводиться и в аристократических салонах, и на ярмарках для простолюдинов. Этому не препятствовало даже то, что многие подобные опыты доказывали смертельную опасность электричества. Наряду с печальными явлениями наблюдались и другие: в европейских газетах писали о чудесных исцелениях с помощью лейденской банки от паралича, мигреней и даже простуд. Так «побочным эффектом» салонных экспериментов стало зарождение электромедицины.

Читать еще:  Как сделать PowerBank с солнечными панелями

Чудо-махина

Модное европейское поветрие докатилось до России с небольшим опозданием, но сразу приняло серьёзную форму, позволившую говорить о зарождении новой отрасли врачевания – электромедицины. Этим мы обязаны русскому энциклопедисту, просветителю, передовому человеку своего времени Андрею Тимофеевичу Болотову. Он известен прежде всего как основатель отечественной агрономии, писатель, философ, фармацевт, первый русский физиотерапевт, а также благодаря опытам с влиянием электричества на человека.

Родившийся в 1738 году в небогатой дворянской семье, Болотов в 19 лет поступил на военную службу. Как раз в это время Европу сотрясала Семилетняя война, и юноша с петербургским полком оказался в Пруссии, однако, к счастью для него, вскоре был определён на довольно спокойную караульную службу в Кёнигсберг. Свободное время, в отличие от многих других офицеров, Болотов тратил на посещение местных учебных заведений. В одном из них он впервые увидел в действии лейденскую банку. Устройство произвело на него большое впечатление, так же как и воздействие электричества на физическое состояние человека. В 1762 году, после выхода в отставку, молодой человек отправился в родовое имение Дворяниново в Тульской области и погрузился в изучение наук. В числе прочего он сконструировал электрическую машину и лейденскую банку собственной модификации и начал изучать свойства электрического заряда. Параллельно Болотов самостоятельно освоил медицину, ставя себе целью обеспечить врачебную помощь тем, кто нуждался в ней более всего – простому люду.

Кстати

Идеи гуманизма казались Андрею Болотову важнее сословной принадлежности. «Что пользы от того, что… нет ни одного уездного города, в котором бы не было лекаря и которых не содержали бы мы на своём коште и жалованье, когда и ныне множество больных помирает так же, как и прежде, без всякого призора и подавания им помощи», – писал он.

На стыке этих двух интересов – к электричеству и к медицине – Болотов начал создавать новую науку, одновременно продвигая и теорию, и практику. Теоретическая часть была сформулирована им в нескольких трудах, выходивших на протяжении 1790-х годов («История моего електризования и врачевания разных болезней оным», «Краткий электрический лечебник» и др.). Итоговая работа по электромедицине была выпущена Болотовым в 1803 году и называлась «Краткие и на опытности основанные замечания о электрицизме и о способности электрических машин к помоганию от разных болезней». В этой книге учёный подробно описывал устройство своих электрических инструментов, принцип их действия, давал подробные инструкции по применению электричества в разных врачебных случаях.

В своём уезде Болотов создаёт первую стационарную электролечебницу. Какие же болезни он предлагал лечить? Да практически все: простуды, ревматизмы, заболевания сердца, органов пищеварения, параличи, контрактуры, нервно-психические расстройства… Описывая результаты своей врачебной деятельности с использованием электрических зарядов, учёный говорит об излечении в течение двух с половиной лет более 1500 человек «не только от разных лёгких. болезней, но много раз от самых тяжких, долговременных, запущенных, а несколько раз даже самых редких, необыкновенных и таких болезней, которые всем другим употребляемым до того лекарствам и даже врачеванию искусных медиков противоборствовали».

Болотов максимально упростил конструкцию электростатической машины и лейденской банки. Это, по мнению учёного, позволяло производить чудодейственные электроприборы повсеместно, в самых примитивных мастерских, и оказывать помощь как богатым, так и бедным. В одной из описанных Болотовым машин заряд шёл через металлическую гребёнку на кондуктор, в роли которого выступал простой железный прут, и попадал в лейденскую банку, сооружённую из пивного стакана и уплощённого свинца, «в каком привозят чай из Китая». От лейденской банки электрический заряд направлялся к пациенту по проволоке с гусиным пером на конце. Этот инструмент применялся для лечения, например, кашля и отитов.

Уникальные разработки Болотова хоть и вызвали интерес со стороны учёных и врачей, однако не получили широкого распространения, на которое тот рассчитывал. К началу XIX века ажиотаж вокруг новой панацеи стал спадать: общественность ждала от электромедицины чуда, а его, что закономерно, не произошло – она помогала далеко не всегда и только в пределах возможного.

Кстати

Андрей Болотов не ограничился миссией первопроходца в русской электромедицине – ещё глубже он был погружён в изыскания, связанные с развитием сельского хозяйства, лесоводства, с экономическими и социальными вопросами, метеорологией, педагогикой и философией. Помимо этого, он проделал колоссальную историко-писательскую работу, представив в мемуарных записках «Жизнь и приключения Андрея Болотова» всю свою эпоху, общество и быт.

Путь к современной медицине

В то время, когда Болотов создавал свою электролечебницу и писал труды об электрицизме, представления о природе электричества были весьма ограниченны. Главный принцип, которым руководствовались тогда в Европе и России при применении электричества в лечении различных заболеваний, заключался в том, что при слабости нужно ткани возбуждать, а при излишнем напряжении – укрощать. В первом случае следовало пропускать положительный заряд, во втором – отрицательный. Очевидно, что в подавляющем числе случаев лечение оказывалось неэффективным.

Итальянский врач Луиджи Гальвани опубликовал «Трактат о силах электричества при мышечном движении» в 1791 году. Описанный в нём классический опыт с препарированной лягушкой, чьи мышцы сокращались при пропускании электрического заряда, и дальнейшие эксперименты Гальвани заложили научные основы электрофизиологии и, в частности, электростимуляции.

Если основные идеи Болотова относительно электромедицины сформировались в «догальванический» период, то уже в деятельности другого русского учёного, Василия Петрова, данные о гальванизме были полностью учтены. Он создал первый в мире источник тока высокого напряжения (батарея Петрова) и в числе прочих экспериментов провёл исследования его влияния на живые организмы. Петровым было открыто наркотическое действие тока. По прошествии лет электронаркоз прочно вошёл в медицинскую практику.

Значительный вклад в развитие электромедицины в России внёс Иван Сеченов. Он впервые после возвращения из заграничной поездки и ознакомления с ведущими европейскими практиками начал преподавать электрофизиологию как специальную дисциплину. Среди разных способов воздействия на человеческий организм (механических, химических, термических и т. д.) электрические он ставил на первое место: они наносили тканям наименьший вред и легко регулировались по силе и продолжительности.

Сейчас медицина знает множество способов применения электрического тока, не говоря уже об электромагнитах, чьё вхождение во врачебную практику началось почти сразу после открытий Фарадея. В основном электричество применяется в диагностике, так как известно, что биотоки больных и здоровых тканей различаются. Почти каждому известны электроэнцефалография и электрокардиография или чуть менее популярные электрогастрография и электромиография. Электростимуляция эффективно применяется для лечения эпилепсии и болезни Паркинсона, а электрокардиостимулятор является неотъемлемой частью реанимационного оборудования и спас уже множество жизней.

При подготовке материала использованы следующие работы (источники): Хасапов Б., Шнейберг Я. «Электрическая махина» – чудо-лекарь!», Давиденко В. «Краткий очерк развития электростимуляции», Кистенева О., Кистенев В. «Русский учёный-энциклопедист XVIII в. А. Т. Болотов об электромедицине» (журнал «Вестник науки и образования»).

Вторая версия

Гораздо более правдоподобной выглядит вторая версия, согласно которой все тот же ученый проводил эксперименты целенаправленно и случайности тут не было.

Так вот Мушенбрук, зная о непроводимости стекла (диэлектрик), во время эксперимента держался рукой за внешнюю стенку банки, а после того как машина перестала работать прикоснулся второй рукой до электрода, все время находившегося в воде.

Таким образом, была замкнута цепь, а весь накопленный заряд прошел через экспериментатора.

В 1746 году в очередном письме своему другу и коллеге Реомюру он так опишет свои ощущения от эксперимента:

«Этот новый и безусловно страшный опыт повторять никому не советую. И даже ради короны Франции на повторный опыт не пойду».

Так как серия опытов проводилась в городе Лейден, впоследствии изобретенный таким образом прибор стал именоваться Лейденская банка. Это название дал Жан-Антуан Нолле, который занимался активной продажей изделия богатеям того времени, которые увлекались электричеством.

Как это часто бывает, независимо друг от друга ученые проводят аналогичные эксперименты.

Плавное выключение светодиода при помощи конденсатора

Проведем небольшой опыт. Для этого соберем на макетной плате цепь с кнопкой, конденсатором и светодиодом. В качестве источника питания используем контакты питания Ардуино Уно.

Принципиальная схема

Внешний вид макета

Подключим Ардуино к питанию. Затем, нажмем кнопку и светодиод практически мгновенно загорится. Отпустим кнопку — светодиод медленно начнет гаснуть. Почему так происходит?

Сразу после подключения нашей схемы к источнику питания, в ней начинают происходит интересные процессы.

Как уже говорилось ранее, пока конденсатор пустой, ток через него максимален. Следовательно, конденсатор начинает стремительно набирать заряд. При этом светодиоду, который подключен параллельно, ничего не достается 🙁 Напряжение на нем близко к нулю.

С течением времени конденсатор насыщается, благодаря чему ток начинает постепенно переходить в параллельную цепь — через светодиод. Напряжение на светодиоде начинает расти. Наступает момент, когда напряжение на светодиоде принимает критическое значение (для красного светодиода около 1,8 В), при котором он стремительно отбирает остатки тока у конденсатора и вспыхивает!

Когда мы отпускаем кнопку, ситуация становится гораздо проще. Конденсатор становится источником питания для светодиода с резистором. Светодиод начинает медленно высасывать заряд из конденсатора, пока тот не разрядится. Тут мы и наблюдаем медленно угасание.

Меняя сопротивление R1, мы можем влиять на скорость вспыхивания светодиода. Однако, следует учитывать, что увеличивая R1 мы будем снижать ток в цепи, тем самым уменьшая максимальный заряд конденсатора и яркость светодиода.

Увеличивая C1, мы получим более длительное время работы светодиода после выключения источника. Это как поставить более ёмкую батарейку.

Наконец, меняя R2 можно регулировать яркость светодиода, и соответственно, время его работы. Ведь чем меньше тока мы забираем из конденсатора, тем на большее время его хватит.

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:

Adblock
detector