Предполагаемый портрет В.В.Петрова.

История электрической дуги.

Начало

ДВЕ ЖИЗНИ АКАДЕМИКА ВАСИЛИЯ ПЕТРОВА

В нынешнем году исполняется 200 лет со дня создания
В.В. Петровым уникального для своего времени источника электрического тока – «огромной наипаче батареи», первого в мире источника постоянного тока высокого напряжения.
Петрову удалось не только повторить уже известные эксперименты, но и осуществить многие, «о которых дотоле не имел никакого известия». Одним из выдающихся успехов ученого стало открытие в 1802 г. явления электрической дуги и доказательство возможности ее практического применения для целей освещения, плавки, сварки металлов и восстановления их из руд. Василию Владимировичу принадлежит заслуга в исследовании закономерностей в электрических цепях, в открытии многих явлений, сыгравших огромную роль в развитии науки об электричестве.
В.В. Петров не только талантливый ученый и экспериментатор, но и замечательный педагог: почти 40 лет он был профессором физики в Петербургской Медико-хирургической академии, воспитал немало способных ученых, особое значение придавал пропаганде научных знаний с «целью просвещения русского народа». Под его руководством был создан один из крупнейших в Европе физических кабинетов.

Из Обояни – в Петербург
Выходец из семьи скромного приходского священника в Обояни
(ныне город в Курской области)
В.В. Петров, проявив незаурядные упорство и стремление к овладению знаниями, успешно закончил Харьковский коллегиум, где с увлечением изучал физико-химические науки и несколько иностранных языков. Не имея достаточных средств для продолжения обучения, он поступил «на
казенный счет» в Петербургскую учительскую гимназию (позже – Петербургский учительский институт). Еще студентом В.В. Петров склонялся к тому, что подлинные знания и опыт можно получить на практике. Проучившись три года, Петров добровольно уезжает на далекий Алтай преподавать физику и математику в училище при крупнейших в России Колывано-Воскресенских горных заводах. Здесь он впервые сталкивается с конкретными задачами, выдвигаемыми перед физикой и химией разнообразными технологическими производственными процессами, знакомится с известными специалистами горнорудного дела, помогает способной молодежи овладевать знаниями.
Вернувшись через 3 года в Петербург, Петров уже ясно представлял, как организовать преподавание физики и математики, чтобы оно содействовало поиску ответов на конкретные запросы производства. Такой подход заметно повысил авторитет Василия Владимировича как педагога и ученого-экспериментатора. В 1795 г. после блестящей «пробной» лекции Петров утверждается в должности профессора физики и математики Медико-хирургической академии. Работая по 14–16 часов в сутки, он успешно сочетает преподавание в академии с проведением разнообразных экспериментов в области электричества. Результаты своих исследований ученый подробно описал в фундаментальном труде «Известие о гальвани-вольтовских опытах, которые производил профессор физики Василий Петров, посредством огромной наипаче батареи, состоявшей иногда из 4200 медных и цинковых кружков...». Книга была издана в Санкт-Петербурге в 1803 г. (рис. 1).
Этот труд стал первым сочинением на русском языке, автор которого подробно проанализировал все известные и вновь открытые электрические явления. В.В. Петров подчеркивал, что он подготовил книгу «...наипаче для пользы тех читателей, которые... живут в отдаленных от обеих столиц местах и которые не имели случая приобрести нужного понятия о сих предметах».
В восьми главах (статьях) сочинения В.В. Петров подробно излагает устройство батареи, описывает свои эксперименты, сопровождая их необходимыми для читателя практическими советами. Книга вызвала огромный интерес и буквально исчезла с прилавков магазинов.

Создание «огромной
наипаче батареи»
В первых двух главах труда автор подробно рассказывает о созданной им батарее. Внимательно ознакомившись с опытами Вольты и некоторых других европейских физиков, В.В. Петров пришел к выводу, что новые явления можно обнаружить, если создать более мощный источник электрического тока. Ученый решается изготовить невиданный по размерам вольтов столб, состоящий более чем из 4 тыс. медных и цинковых пластин, что в 100 с лишним раз превосходило существовавшие ранее столбы. Такого огромного источника не создавал еще никто, и Петрову пришлось самостоятельно преодолевать немало трудностей.
Во-первых, как расположить такое количество пластин? Если в виде столбика, вертикально, то высота батареи достигла бы 12 метров – ее нельзя установить в лаборатории. Кроме того, под тяжестью верхних слоев пластин жидкость из прокладок, расположенных ниже, была бы быстро выжата, и действие батареи могло прекратиться. Ученый производит соответствующие расчеты и решается разместить элементы горизонтально в четыре ряда в большом деревянном, специально изготовленном ящике длиной около 3 метров. Дно и стенки ящика тщательно изолировались толстым слоем лака и промасленной бумагой (рис. 2а).
В апреле 1802 г. «огромная наипаче батарея», как назвал ее ученый, была готова. Она состояла из 4200 медных и цинковых кружков диаметром
35 мм и толщиной около 2,5 мм.
Между каждой парой металлических пластин прокладывались картонные или суконные кружочки, смоченные
раствором нашатыря. Выражаясь современным языком, эта батарея
состояла из 2100 медно-цинковых элементов, соединенных последовательно.
Естественно возникал вопрос: какое напряжение было на зажимах
батареи? Ответа на него не мог дать никто. Ведь в те годы никаких электроизмерительных приборов не существовало, и даже подробное описание батареи, данное в книге Петрова, не позволяло хотя бы приблизительно представить величину напряжения источника. А это было чрезвычайно важно знать, так как ученый открыл явление электрической дуги, в чем и хотелось убедиться.

Воспроизведение опыта
Петрова
Исследуя творчество В.В. Петрова, автор настоящей статьи в 1951 г. решил обратиться к испытанному методу – эксперименту, создав модель батареи, детали которой, к счастью, были подробно описаны в книге. В производственно-экспериментальной мастерской Московского энергетического института была изготовлена 1/20 часть батареи, состоявшая из 105 медных и цинковых кружков точно таких же размеров, а в качестве прокладок использовались суконные кружки, пропитанные раствором нашатыря. Так как элементы батареи Петрова соединялись последовательно, достаточно было точно измерить напряжение одной ее части, а затем рассчитать все параметры. Металлические и суконные кружки укладывались в порядке, указанном Петровым, в гетинаксовой трубке (верхняя часть трубки срезана) (рис. 2б). К крайним медному и цинковому кружкам припаивались проводники, соединявшиеся с наружными клеммами батареи.
Электродвижущая сила батареи измерялась одним из наиболее точных методов – компенсационным. В результате многочисленных измерений было установлено, что электродвижущая сила «огромной наипаче» батареи должна была составлять 1650 – 1700 В. Максимальный ток, который могла давать батарея, колебался в пределах 0,1 – 0,15 А. Становилось понятным, как Петрову удалось получить электрическую дугу при сравнительно небольших токах. Решающую роль сыграло невиданное по тем временам высокое напряжение. И чтобы доказать это, в 1952 г. в лаборатории светотехники имени
В.В. Петрова Московского энергетического института в присутствии нескольких известных ученых-светотехников был проведен еще один эксперимент.
Прежде всего нужно было получить постоянный ток высокого напряжения, близкого к напряжению батареи Петрова. Для этого лучше всего подходили сухие анодные аккумуляторные батареи со сравнительно большим внутренним сопротивлением (что было характерно для гальванических батарей начала XIX века). Соединяя последовательно группу таких батарей, мы получили напряжение 1500 В; такое напряжение, несомненно, имела «огромная» батарея. Роль «балластного» сопротивления в опытах Петрова выполняло внутреннее сопротивление батареи, которое было достаточно большим.
В качестве электродов мы по совету специалистов использовали простые гомогенные осветительные угли диаметром 5 мм, которые по своим свойствам наиболее приближались к специально обработанным древесным углям, изготовленным Петровым и способным «к произведению светоносных явлений». Два угля
укреплялись в специальных вертикальных зажимах, позволявших
регулировать расстояние между электродами. В цепь включались вольтметр, амперметр и реостат. Ток регулировался в пределах 0,075–0,15 А. Раздвигая концы углей до расстояния 2–5 мм (как и в опыте Петрова), мы получали устойчивую электрическую дугу, пламя которой ярко освещало «темный покой» прожекторного отдела лаборатории светотехники.
Можно было только удивляться, как Петров, не имея никаких сведений о теории электрической дуги, сумел благодаря тщательно проведенным опытам и наблюдениям не только получить электрическую дугу, но и убедительно доказать ее основные свойства: давать яркий, «подобный солнечному» свет, плавить металлы и восстанавливать их из руд. Этому посвящена отдельная глава его книги.
Отмечая внешние отличительные признаки дуги, Петров характеризует ее как своеобразное «пламя», тогда как раньше, наблюдая некоторые «светоносные» явления, он говорил об искрах, «светоносных шариках», сверкающих «звездочках». Вот как описывал физик новое явление. «Если на стеклянную плитку или скамеечку со стеклянными ножками будут положены два... древесных угля, способных для произведения светоносных явлений (имеются в виду специально обработанные стерженьки из древесного угля, хорошо проводящие ток. – Я.Ш.), и если потом металлическими изолированными направителями, сообщенными с обоими полюсами огромной (выделено Петровым) батареи, приближать оные один к другому на расстояние от одной до трех линий2, то является между ними весьма яркий белого цвета свет или пламя, от которого оные угли сильнее или медлительнее загораются и от которого темный покой довольно ясно освещен быть может».
Это зрелище было необыкновенным и не описывалось ранее в сочинениях по физике, что и понятно: распространенные за рубежом гальванические батареи, состоявшие даже из 100–200 пар пластин, не могли обеспечить устойчивой дуги. Не случайно известный английский ученый Х. Дэви, которому долгое время необоснованно приписывался приоритет в открытии дуги, впервые наблюдал явление электрической дуги только в 1808 г., когда построил батарею из 2 тыс. пар пластин. Характерно, что сам Дэви никогда не считал себя первооткрывателем электрической дуги. К моменту выхода в свет в 1812 г. сочинения Дэви «Элементы химической философии», в котором описывалось это явление, он уже знал, что значительно раньше дуга была открыта в России. Дело в том, что в 1804 г. Петербургская академия наук объявила международный конкурс на тему «О природе света». При этом указывалось на желательность исследования такого явления, как «гальванический огонь... ослепительный блеск коего в случае больших вольтовых столбов подобен солнечному свету» (курсив наш. – Я.Ш.).
Заслуживает внимания следующий факт. Английский журнал Science progress в 1936 г. (№ 122) в статье «Забытый электротехник», посвященной трудам В.В. Петрова, отмечал, что Дэви, сообщая о своих опытах с дугой, «... не претендовал на оригинальность этих опытов, допуская, что это было сделано иностранным физиком». Работая с высоким напряжением, В.В. Петров подчеркивал необходимость тщательной изоляции всех элементов батареи, проводников и устройств, используемых во время экспериментов.
Любопытно, что в 1807 г. В.В. Петров предложил издать для русских гимназий учебник по физике, названный «Начальные основания физики». Часть этого издания составил перевод сочинения известного иностранного физика, отредактированный Петровым. Но все разделы об электричестве были написаны автором учебника заново, и, конечно, Петров описал открытое им явление электрической дуги. Потому русские гимназисты узнали об этом удивительном явлении раньше многих европейских физиков, не читавших книг на русском языке.
Долгое время точная дата первых публичных опытов Петрова с огромной батареей была неизвестна. Но в 1950 г. автор этих строк обнаружил в Петербургском журнале «Северный вестник» (1804 г., ч. III) статью о работах Петрова в 1802 г., в которой первые опыты датировались 17 мая 1802 г. «... посредством огромной батареи, – писал журнал, – сей неутомимый отечественный наш физик делал в присутствии Медицинской коллегии и многих знаменитых особ первые публичные опыты сего же года мая 17 дня... Более ничего нельзя сказать здесь о трудах сего почтенного мужа, как только то, что он беспрестанно возвышает физику своими открытиями».

Исследование газового
разряда в вакууме
Отдельная глава в книге Петрова посвящена исследованию «светоносных» явлений в «безвоздушном месте», то есть в вакууме. Схема его
экспериментальной установки, сделанная нами на основе подробного описания в книге, изображена на рис. 3. Из-под стеклянного «колокола», установленного на медном круге воздушного насоса, откачивался воздух, а под колоколом укреплялись различной формы электроды, соединенные с «огромной» батареей.
В.В. Петров был первым отечественным ученым, подробно исследовавшим газовый разряд в разреженном воздухе. На рисунке изображен один из опытов, при котором ученый наблюдал тлеющий разряд: на медном основании устанавливался «серебряный дном кверху стакан», а вверху на подвижном стержне укреплялась «обыкновенная» толстая игла. Передвигая стержень, можно было менять расстояние между электродами. Когда давление под колоколом уменьшалось до 7–10 мм рт. ст., а расстояние между дном стакана и концом иглы сокращалось до 2,5 мм, в пространстве между электродами возникало «светоносное» пламя..., а иголка по всей длине «делалась раскаленной». Последовательно, шаг за шагом, ученый исследовал влияние различных факторов на интенсивность свечения: степень вакуума, форма, материал и полярность электродов, а также расстояния между ними и «силы» батареи.
Прошло более 30 лет, прежде чем явления газового разряда исследовал М. Фарадей, имевший в отличие от Петрова в своем распоряжении электроизмерительные приборы и более совершенное оборудование. Целый ряд важнейших закономерностей, установленных Фарадеем, был ранее четко сформулирован Петровым.
К сожалению, исследования Петровым газового разряда оказались (как и многие другие) забытыми.
Как писал известный ученый в
области газового разряда профессор Н.А. Капцов, «если бы эти исследования не были впоследствии забыты, они могли бы дать много руководящих указаний для физиков, занимавшихся исследованиями газового разряда в более поздние времена».
Чтобы доказать возможность получения Петровым разных видов разрядов, мы по сведениям, представленным в книге, воспроизвели установку ученого и наблюдали описанные им разряды. При воспроизведении опытов Петрова с использованием современной аппаратуры удалось установить также, что он мог наблюдать не только тлеющий разряд с характерным катодным свечением, но и искровый и дуговой разряды.
Петров придавал большое значение исследованиям газового разряда. «Я надеюсь, – писал он в своей книге, – что просвещенные и беспристрастные физики, по крайней мере некогда (выделено В.В. Петровым. – Я.Ш.), согласятся отдать трудам моим ту справедливость, которую важность сих последних опытов заслуживает».
Не имея возможности описывать многие оригинальные исследования В.В. Петрова, отметим еще лишь несколько, на наш взгляд, наиболее важных.

Продолжение следует.

Автор: Шнейберг Ян
Журнал Connect

Сайт управляется системой uCoz