Электрическая батарея
Устройство, применявшееся на заре электротехники для получения электричества, изобрел в 1800 году итальянский учёный Алессандро Вольта (1745–1827). Он сконструировал «элемент Вольта» – первый гальванический элемент.
Желая понять природу электричества и в прямом смысле слова «почувствовать его вкус», Алессандро Вольта экспериментировал с монетами, изготовленными из разных металлов. Положив одну из них на язык, а другую под, и соединив их проволокой, Вольта отмечал присутствие характерного кисловатого привкуса. Так острота вкусовых рецепторов человека привела к открытию гальванического электричества, явления, которое еще в середине XVIII века описывал итальянский врач, анатом и физик Луиджи Гальвани, проводя опыты по препарированию лягушек. Вольта изучал труды этого итальянского анатома, который ранее обнаружил сокращение мышц лягушки при соприкосновении их с различными металлами. Гальвани назвал это явление «животное электричество». Вольта предположил, что электричество вырабатывает не ткань лягушки, а контакт различных металлов в определенной среде.
Вольта провел такой эксперимент. Он использовал четырех человек. Первый держал в руке мокрую цинковую пластину, второй рукой он касался языка второго человека, второй человек касался другой рукой глаза третьего человека, третий человек держал в руке разрезанную лягушку, четвертый держал лягушку в одной руке и серебряную пластину в другой. Первый и четвертый человек касались разными пластинами. В момент контакта пластин второй человек ощущал кислый вкус на языке, третий видел яркий свет в глазу, а тело лягушки начинало сокращаться.
Алессандро Вольта назвал это явление «контактным электричеством». Вольта пришел к выводу, что для появления электричества необходима и жидкость, которая воздействует на металлы. Вольта разделил проводники на два класса. К первому он отнес металлы, ко второму – жидкие проводники. Если составить замкнутую цепь из разнородных металлов, то тока не будет. Если же «проводник второго класса находится в середине и соприкасается с двумя проводниками первого класса из двух различных металлов, то вследствие этого возникает электрический ток того или иного направления». Таким образом получилась замкнутая электрическая цепь.
Вольта изготовил один из первых гальванических элементов, состоящий из металлических пластин и жидкости. Вольта использовал несколько цинковых и медных пластин цилиндрической формы и суконные круги, пропитанные кислотным раствором. Чередуя металлические пластины и суконные круги, он получил вертикальный гальванический элемент. На концах этой конструкции возникал электрический ток. Вольта развивал и модернизировал свое изобретение. После изобретения «Вольтова столба» в распоряжении ученых оказался источник, способный непрерывно поддерживать движение электрических зарядов в проводнике. Такое движение назвали постоянным электрическим током.
В 1794 году получил высшую награду Лондонского королевского общества – медаль Копли. Эта старейшая и наиболее престижная награда Лондонского королевского общества до настоящего времени присуждается ежегодно за выдающиеся достижения в научных исследованиях, тематика которых чередуется в нечётные и чётные годы соответственно между областями физических и биологических наук. При этом награждаются не только физики и биологи, но и химики, геологи, математики, медики и другие. Лауреату вручаются медаль и денежная премия в 25 000 фунтов стерлингов. Среди удостоившихся медали Копли – Альберт Эйнштейн и Чарльз Дарвин. Научная деятельность Вольты завоевала высокую оценку Наполеона, пригласившего его в Институт Франции представить своё изобретение. В 1801 году он получил от Наполеона титул графа и сенатора. А однажды Наполеон, увидев в библиотеке академии лавровый венок с надписью «Великому Вольтеру», стер последние буквы таким образом, что получилось: «Великому Вольте». Он считается одним из основоположников учения об электричестве. «Вольтов столб» (сам Вольта называл его «электрический орган») оказал огромное влияние не только на развитие науки об электричестве, но и на всю историю человеческой цивилизации. «Вольтов столб» возвестил о наступлении новой эпохи – эпохи электричества.
Эти эксперименты стали основой работы над количественными законами электрохимии для Майкла Фарадея. Он описал принцип действия аккумулятора, и на основе работ учёного были созданы первые коммерческие электрические элементы. В течение длительного периода времени аккумуляторы будоражили умы исключительно ограниченного круга – ученых, физиков, химиков и врачей. Ситуация кардинально изменилась с появлением в 1827 году динамо-машины – первого электрического генератора постоянного тока. Эволюция генераторов, в свою очередь, подталкивала развитие аккумуляторов и батарей. Узкопрофильные опыты Вольта наконец начали получать промышленное применение. Развитие индустрии аккумуляторных батарей движется стремительно. Одним из главных двигателей прогресса всей индустрии аккумуляторов стали попытки построения электротранспорта в начале позапрошлого столетия. Электромобиль создан значительно раньше двигателя внутреннего сгорания. Внушительные по размеру тяжеловесные свинцово-кислотные батареи продолжают обеспечивать работу троллейбусов, трамваев, электропогрузчиков и тягачей. Проходят научные разработки аккумуляторов, способных за 8 минут подарить владельцу автомобиля 1000 километров пробега. Эта страница истории пишется в настоящее время. Но долгожданный технологический прорыв близок, как никогда. На сегодняшний день существует более 30 разновидностей аккумуляторов.
Электрическая лампочка
Еще в 1803 году русский ученый Василий Петров наблюдал явление вольтовой дуги. В 1810 году то же открытие сделал английский физик Деви. Они оба писали, что вольтова дуга может использоваться для освещения, но надо было найти более подходящий материал для электродов, поскольку стержни из древесного угля сгорали за несколько минут. Англичанин Деларю создал в 1809 году первую лампочку накаливания с платиновой нитью. Первую дуговую лампу с ручным регулированием длины дуги сконструировал в 1844 году французский физик Фуко. Древесный уголь он заменил палочками из твердого кокса. В 1848 году он впервые применил дуговую лампу для освещения одной из парижских площадей. В 1847 году в селе Стеньшино Тамбовской губернии родился Александр Николаевич Лодыгин. По семейной традиции он должен был стать военным, но уже в 23 года вышел в отставку и, вернувшись в Петербург, вольнослушателем стал посещать в Технологическом институте занятия по физике, химии, механике. В 1871–1874 годах проводил опыты и демонстрации электрического освещения лампами накаливания в Адмиралтействе, Галерной гавани, на Одесской улице.
Лодыгин и Яблочков знали друг о друге, но один жил в Петербурге, а второй в Москве, так что встречались они на промышленных выставках.
Первоначально Лодыгин пытался использовать в качестве нити накала для электрической лампы железную проволоку. Потерпев неудачу, перешёл к экспериментам с угольным стержнем, помещённым в стеклянный баллон.
В 1872 году Лодыгин подал заявку на изобретение лампы накаливания и в 1874 году получил патент на своё изобретение и Ломоносовскую премию от Петербургской академии наук. Лодыгин запатентовал своё изобретение во многих странах: Австро-Венгрии, Испании, Португалии, Италии, Бельгии, Франции, Великобритании, Швеции, Саксонии и даже в Индии и Австралии. Он основал компанию «Русское товарищество электрического освещения Лодыгин и К°».
Лодыгин был близок к народникам, поэтому, когда в 1884 году начались массовые аресты революционеров, он уехал за границу. Работал во Франции и США, создавая новые лампы накаливания, изобретал электропечи, электромобили, строил заводы и метрополитен. Он получил патенты на лампы с нитями из тугоплавких металлов, в 1906 году продал их «Дженерал электрик компани».
Еще в 1884 году организовал в Париже производство ламп накаливания и прислал в Санкт-Петербург партию ламп для 3-й электротехнической выставки. В 1893 году обратился к нити накала из тугоплавких металлов, применявшейся им в Париже для мощных ламп 100–400 свечей. В 1894 году в Париже организовал ламповую фирму «Лодыгин и де Лиль». В 1900 году участвовал во Всемирной выставке в Париже. В 1906 году в США построил и пустил в ход завод по электрохимическому получению вольфрама, хрома, титана. Павел Николаевич Яблочков родился в 1847 году в деревне Яблочково (Жадовка) Сердобского уезда Саратовской губернии в семье обедневшего мелкопоместного дворянина. Он по настоянию родителей стал военным, но служба его не привлекала, хоть он и служил инженером. Он довольно рано вышел в отставку, переехал в Москву и стал членом кружка электриков-изобретателей и любителей электротехники при Московском политехническом музее. Здесь он узнал об опытах А. Н. Лодыгина по освещению улиц и помещений электрическими лампами накаливания, после чего решил заняться усовершенствованием существовавших тогда дуговых ламп.
Весной 1874 года из Москвы в Крым должен был следовать правительственный поезд. Администрация Московско-Курской дороги в целях безопасности движения задумала осветить этому поезду железнодорожный путь ночью и обратилась к Яблочкову как инженеру, интересующемуся электрическим освещением. Впервые в истории железнодорожного транспорта на паровозе установили прожектор с дуговой лампой – регулятором Фуко. Этот регулятор был довольно сложен в обращении, так что Яблочкову пришлось, стоя на передней площадке паровоза, менять угли и постоянно подкручивать регулятор; а когда меняли паровоз, Павел Николаевич перетаскивал свой прожектор и провода с одного локомотива на другой.
Яблочков понял, что прибор нуждается в доработке. Совместно с опытным электротехником Н. Г. Глуховым он занимался в мастерской усовершенствованием аккумуляторов и динамо-машины, проводил опыты по освещению большой площади огромным прожектором. Яблочкову удалось создать электромагнит оригинальной конструкции. Одновременно они занимались электролизом растворов поваренной соли, и однажды, в 1875 году, параллельно расположенные угли, погружённые в электролитическую ванну, случайно коснулись друг друга. Тотчас между ними вспыхнула электрическая дуга, на короткий миг осветившая ярким светом стены лаборатории. Это был прообраз будущей «свечи Яблочкова». Вскоре в силу сложившихся обстоятельств Яблочков оказался в Париже и начал работать в фирме академика Л. Бреге. К началу весны 1876 года Яблочков завершил разработку конструкции электрической свечи и 23 марта получил на неё французский патент. Свеча Яблочкова оказалась проще, удобнее и дешевле в эксплуатации, чем угольная лампа А. Н. Лодыгина, не имела ни механизмов, ни пружин.