История исследований и открытий в области электричества тесно связана с использованием различных конструкций электрических машин — устройств для генерации электрических зарядов, также известных как электростатические машины. В основе конструкции электростатических машин лежит принцип выработки электроэнергии за счет механической работы, необходимой для приведения в движение (вращения) подвижных частей машины, в первую очередь для преодоления сил притяжения или отталкивания, возникающих в любой момент времени между противоположно и однонаправленно наэлектризованными подвижными частями машины.
Изучение принципов работы электростатических машин, подразделяющихся на машины трения и электрофорные машины, способствовало лучшему пониманию природы электричества, поэтому они были не только устройствами для создания больших электрических зарядов, но и объектами исследования.
Первая электростатическая машина появилась около 1650 года. Он был разработан немецким ученым Отто фон Герике, бургомистром Магдебурга. Работа этой машины была основана на явлении электризации тел за счет трения. Впоследствии было разработано множество различных конструкций электрических машин трения, но все они имели один существенный недостаток: работа с такими машинами требовала очень больших физических усилий.
История появления и развития программирования и ЭВМ
В отличие от машин трения, работа электрических машин основана на выработке электроэнергии путем индукции, т.е. без непосредственного контакта между электризующимися частями машины.
Впервые гальванопластика была разработана в 1865 году немецким физиком и экспериментатором Августом Тёплером, который в одной из своих статей 1867 года отметил, что "гальванопластика, вероятно, является самым прямым способом получения электрического действия с помощью механической работы". Одновременно с Теплером и независимо от него электрофорную машину изобрел другой немецкий физик Вильгельм Хольц (1836-1913). Машина Гольца была проще, чем машина Теплера, но она также имела гораздо более высокую разность потенциалов и могла использоваться в качестве источника постоянного электрического тока.
Благодаря своим преимуществам, машина Гольца стала самой популярной среди электрических машин и производилась не только для научных целей, но и для оснащения физических лабораторий в различных учебных заведениях.
Краткая история электромобилей
Машина Гольца, одна из старейших таких машин, выставленная в Политехническом музее. В отделе образования Политехнической выставки 1872 года, с которой началась история музея, была выставлена модель класса для занятий физикой в военных учебных заведениях. Среди его экспонатов была машина Хольца с аксессуарами. После выставки машина Хольца перешла в собственность Политехнического музея и с тех пор широко используется в его экспозиции. Так, в статье директора физического отделения музея А.С. Владимирского "О составе коллекции отделения прикладной физики Политехнического музея" за 1874 год читаем: "Большой гальванопластический станок Гольца, сделанный господином Рихтером, используется для подсветки юбилейного щита трубки Гейслера, изготовленного Сеги, выдающимся мастером этого ремесла в Париже". Одна и та же машина Гольца упоминается в кратких указателях к коллекциям Политехнического музея за разные годы. Например, в каталоге коллекции 1882 года, в разделе "Прикладная физика", мы читаем: "В центре комнаты стоит огромная электрическая машина Хольца (работы Рихтера) с принадлежностями; над ней светящаяся надпись на трубе Гейслера, напоминающая о Политехнической выставке 1872 года". Машина Хольца также использовалась в музее в учебных целях во время воскресных "объяснений" коллекций Политехнического музея. Кроме того, эта электрическая машина также служила научным целям в исследовании природы электричества. Например, устройство и работа машины Хольца неоднократно обсуждались на заседаниях Императорского общества естествознания, антропологии и этнографии, проходивших в музее.
Давайте теперь кратко рассмотрим принцип работы машины Хольца, которая привлекает внимание ученых и посетителей с момента основания музея. Основные рабочие части машины состоят из двух стеклянных дисков и металлических вилок (гребенок) для снятия грузов с дисков. Стеклянные диски имеют разные диаметры: неподвижный диск имеет диаметр 100 см, а вращающийся — 94 см. Неподвижный диск лежит на эбонитовой пластине и поддерживается вертикально эбонитовыми кругами, прикрепленными к изолирующим ножкам. Неподвижный диск гофрирован, на его задней поверхности наклеены бумажные неполные сектора, называемые штифтами, заканчивающиеся бумажными язычками, передние края которых заострены. Эти язычки проходят через вышеупомянутые выемки и слегка изогнуты в сторону задней поверхности другого стеклянного диска, расположенного перед неподвижным диском. Этот передний диск имеет меньший диаметр и вращается на горизонтальной оси, проходящей через центральное отверстие большого диска. Оба диска, штифты и их язычки покрыты слоем гуммилака. Перед вращающимся диском по горизонтальному диаметру расположены две латунные гребенки, каждая из которых соединена с соответствующим латунным проводником, заканчивающимся шариком в передней части, через который проходит латунный стержень с шариком и деревянной ручкой. Передний диск вращается с помощью системы кривошипов и шкивов с ременной передачей. Собственные провода гальванопластики могут быть подключены к двум воронкообразным банкам, установленным на специальных медных основаниях, что позволяет соединить их внешние крышки проводами. На передней стороне основания машины находятся две латунные стойки с клеммами для подключения проводов. Чтобы использовать ток машины Гольца, стержни с шариками наклоняют так, чтобы они касались стоек.
Удобно рассматривать принцип работы машины на ее горизонтальной проекции. Перед началом работы необходимо наэлектризовать штыри противоположными зарядами (например, p + и p' -). Эти рамки (стержни), согласно явлению индукции, будут действовать на вращающийся диск B и, через него, на гребенки O и O', при этом p, имея положительный заряд, вызовет своим действием появление отрицательного заряда в части m диска B и притянет такой же заряд с гребенки O, который осядет в части m' диска B. Таким образом, диск B становится отрицательно заряженным с обеих своих сторон в точках m и m', а гребень O и проводник Cg становятся положительно заряженными. При вращении диска m и m' движутся к окну F', где поверхность m' усиливает влияние полосы p', притягивая положительный заряд с гребенки C', отрицательно заряжая гребенку O' и проводник C'g. В свою очередь, m, оказывая индуктивное воздействие на полоску p', притягивает положительный заряд, сохраняя его отрицательно заряженным. Затем части m и m' снова проходят перед окном F и так далее, поочередно повторяя описанный процесс. Таким образом, электрофоретическая машина Гольца позволяет получить заряды обоих знаков одновременно.
Сегодня посетители Политехнического музея могут познакомиться с этим удивительным экспонатом — памятником науки и техники, сделанным в России и способствующим изучению, распространению и популяризации научных знаний об электричестве.
