Вторая половина XVIII столетия.
Соборный настоятель небольшого городка Каммин в Померании, некто Эвальд Георг фон Клейст, тоже потихоньку занимался электрическими опытами. Он не публиковал своих результатов — зачем вводить во искушение прихожан? — и довольствовался домашними восторгами. Одно огорчало отца настоятеля: электрическая машина, счастливым обладателем которой он являлся, была до чрезвычайности маломощной. Оттого и искры, которые случалось извлекать из ее кондуктора благочестивому экспериментатору, были едва видны при свете дня.
Однажды, в счастливые часы занятий любимыми опытами, Клейст решил зарядить железный гвоздь. Он вставил его для изоляции в бутылочку из-под микстуры (отца настоятеля мучил кашель) и поднес к кондуктору машины. Несколько оборотов стеклянного шара — и гвоздь должен быть заряжен.
Трудно сегодня предположить, для чего понадобилось Клейсту вытаскивать гвоздь из бутылки. Но… понадобилось. Держа склянку в одной руке, почтенный священнослужитель другой взялся за головку гвоздя и получил весьма ощутимый электрический удар. Клейст даже не испугался. Он удивился: откуда? Его хилая машина не способна была давать и десятой доли того электричества, силу которого он почувствовал. Впрочем, что толку в раздумьях? Если результат опыта непонятен, его нужно в точности воспроизвести еще раз… Еще и еще… Оказалось, что немаловажную роль играет не только гвоздь, но и рука, обхватывающая склянку. Раз за разом гвоздь в бутылке исправно, накопив электричество от маленькой машины, щелкает экспериментатора по пальцу электрическими ударами. «Накопление электричества!» Вы чувствуете, это же совсем новое свойство неведомой силы. А что будет, ежели налить в склянку с гвоздем спирт или ртуть? Не получит ли она еще большую способность накапливать электричество?.. Ого! Удары усилились — значит…
Через некоторое время, убедившись в том, что он открыл новый способ накапливать электричество, фон Клейст описал результаты своих опытов в письме и послал его в Данциг тамошнему протодиакону. Однако протодиакон физикой не увлекался. Впрочем, будучи человеком обязательным, он передал сообщение камминского соборного настоятеля бургомистру Даниэлю Гралату, человеку вполне просвещенному. Совсем недавно тот организовал в своем городе общество естествоиспытателей, которое жаждало деятельности. И потому новинка фон Клейста была как нельзя более кстати.
Бургомистр Гралат начал с того, что взял бутыль большего объема и с большим гвоздем. По-видимому, все бургомистры — по должности своей — любят, чтобы дело выглядело крупно и эффектно, — вспомним Герике. Гралат научился заряжать эту систему, используя в качестве обкладки вместо собственной ладони фольгу. Затем ему пришло в голову составить из таких бутылей батарею и тоже зарядить ее. А затем… Бедные члены данцигского общества естествоиспытателей… Бургомистр предложил двадцати человекам взяться за руки и образовать цепь, а затем крайним в цепи коснуться пальцами гвоздя и обкладки бутыли… Эффект был потрясающий!
В истории науки и техники часто бывает, что изобретения малые и большие делаются одновременно разными людьми и совсем в разных местах.
В то же время в университете славного города Лейдена занимал кафедру физики профессор Питер ван Мушенбрёк (1692–1761). Собственно говоря, как ученый господин профессор не представлял собою особой величины. Но в Лейденском университете была прекрасная лаборатория, древние традиции и слава. Лучи этой славы привлекали учеников, ученики давали доход профессору Мушенбрёку. Сам же он умел красно и значительно говорить, надувать щеки и трясти париком, рассказывая о своих опытах. Такое поведение и по сей день может ввести неискушенного человека в заблуждение. А уж двести-то с лишним лет назад находилось немало простаков, называвших герра профессора не иначе как великим Мушенбрёком.
Однажды слепая фортуна подсунула Мушенбрёку ученика — некоего Кунеуса. Это был богатый лейденский горожанин, желавший поразвлечься опытами не иначе как в лаборатории «великого ученого». Там он, познакомившись с электрической машиной, пытался наполнить электричеством… банку с водой. Сама идея, по воззрениям того времени, была вовсе не такой уж нелепой. Из многочисленных опытов было известно, что вода электризуется. Почему же было не попробовать сохранить электричество в воде? И вот Кунеус налил в банку воду, взял ее в руку, опустил в нее металлический стержень, соединенный с кондуктором электрической машины, и стал крутить шар. Некоторое время спустя стержень потребовалось вынуть. И тогда, дотронувшись до него другой рукой, Кунеус испытал «ни с чем не сравнимое потрясение».
Отдадим должное Мушенбрёку. Он был ученым и потому тут же решил проверить на себе открытие гостя. Сильный электрический удар поверг его в такое изумление, что «испытать его еще раз я не согласился бы даже ради французской короны». Именно так писал он позже, вспоминая о «своих» опытах.
И уж конечно, одним из первых узнал о лейденском эксперименте вездесущий аббат Нолле. К тому времени он состоял в переписке буквально со всем ученым миром. Его письма часто заменяли собой научные журналы, которых было в то время слишком мало.
Именно благодаря своей обширной переписке Жан Нолле был не только широко известен, но и пользовался огромным влиянием. Он тут же повторяет и совершенствует усилительную банку, составляет из них батареи и получает все более и более сильные электрические искры.
В Версале, в присутствии короля и придворных, аббат выстраивает сто восемьдесят мушкетеров кольцом. Велит им взяться за руки. Первому дает в руку банку, заряжает ее от машины и предлагает последнему в цепи вытащить металлический стержень… «Было очень курьезно видеть разнообразие жестов и слышать мгновенный вскрик, исторгаемый неожиданностью у большей части получающих удар». Король веселился. Но еще больший интерес вспыхнул в его глазах, когда на столик перед королем, рядом с электрической машиной и батареей лейденских банок, Нолле поставил маленькую металлическую клетку с птичкой. Обернув длинной цепочкой прутья клетки, он намотал другой ее конец на банку. Вторую цепочку, соединенную с металлическим стержнем банки, аббат пропустил через стеклянную трубочку и повесил над жердочкой так, чтобы птичка не могла задевать за нее головой. После этого помощник стал крутить электрическую машину. Придворные затаили дыхание. Наступил момент, когда между цепочкой и метавшимся по клетке воробьем проскочила голубая искра. Раздался треск, и несчастная пичуга свалилась без признаков жизни.
— Браво! — сказал Людовик XV и поднялся с места.
— Браво! — повторили придворные. Толпясь, они поспешили за своим сюзереном прочь от этого ученого служителя бога, продемонстрировавшего им, что электричество может не только развлекать.
Опыты с усилительной банкой, получившей благодаря стараниям того же Нолле название лейденской банки, были настолько эффектны, что их повторяли в салонах и в ярмарочных балаганах. Голубыми искрами, извлеченными из пальца, из носа наэлектризованного человека, поджигали порох и спирт, убивали мышей и цыплят.
В один прекрасный день семьсот благочестивых парижских монахов, взявшись за руки, образовали цепь. И все братья во Христе, как один, высоко подпрыгнули и возопили от страха, когда крайние разрядили на себя невзрачную банку, наполненную таинственной электрической жидкостью…
В Англии опыты с лейденскими банками демонстрировал в Королевском обществе врач Вильям Ватсон. В 1747 году он с помощью нескольких помощников и длинной проволоки соорудил цепь длиной не менее двух миль и «провел» электричество через Темзу. Скоро выяснилось, что характер жидкости, заполняющей банку, не играет никакой роли в ее работе. Ватсон вместо воды или спирта наполнял банку дробью. И результат не менялся. Тогда он вообще заменил содержимое банки еще одной, внутренней металлической обкладкой, соединенной с центральным стержнем. Теперь лейденская банка получила свою окончательную форму.
Правда, его коллега доктор Бевис обложил свинцовыми пластинами просто кусок стекла и получил тот же результат. При этом чем больше были размеры пластин и чем меньше было между ними расстояние, тем большее количество электричества на них накапливалось.
Так в науку об электричестве пришел конденсатор — емкость, заполняемая «электрической материей». Правда, пока что принцип или «механизм» его работы был непонятен, а величина емкости ничтожна.
Однако делать усилительные банки люди научились, научились с ними и обращаться. И наконец буквально все почувствовали необходимость хоть какой-то теории, объясняющей электрические явления…
«Чтобы не было искры»
Некогда совершил я легкомысленный поступок — купил автомобиль. Следующим шагом была сдача экзаменов в ГАИ, чтобы получить удостоверение на право вождения машины. Экзамен делился на две части: теория и практика вождения. Причем в теоретическую часть входили не только правила движения, но и некоторые технические вопросы, связанные с эксплуатацией и мелким ремонтом двигателя, электрохозяйства и ходовой части.
Мне повезло: в билете, который я вытянул, третьим вопросом стояло: «Электрический конденсатор. Устройство. Принцип действия. Роль в системе зажигания». Ну, тут-то я блесну! К тому времени я уже несколько лет преподавал теоретические основы электротехники в Электротехническом институте, вел лабораторные работы и не раз руководил практикой студентов в цехах, где производят конденсаторы. А поскольку два других вопроса в билете не вызывали в моей душе столь же радостного отклика, то и начал я с того, что лучше знал.
Я рассказал экзаменатору о том, что каждый электрический конденсатор представляет собой систему из двух (или нескольких) проводников (обкладок), разделенных диэлектриком, которые обладают взаимной электрической емкостью… Эта емкость значительно больше емкости каждого отдельного проводника (или обкладки) по отношению к другим проводникам и в частности по отношению к земле. При этом я скромно и ненавязчиво показал связь между зарядами из n тел и их потенциалами, вывел формулу емкости плоского конденсатора и изящно перешел к выражению для сферического и цилиндрического конденсаторов. Рассказал, как при подключении к источнику постоянного напряжения на обкладках накапливается электрический заряд, а в диэлектрике создается электрическое поле. При этом я написал выражения для энергии поля, связав его с напряжением и емкостью, и отметил, что она в принципе не велика. Чтобы показать достаточно свободное владение материалом, я сравнил принцип действия электрического конденсатора с действием механической пружины и показал их математическое сходство.
Дальше я рассказал о существующих типах электрических конденсаторов. О том, что они различаются как по роду диэлектрика, так и по устройству, по емкости, по рабочему напряжению.
Я постарался не упустить из виду конденсаторы воздушные и с газообразным диэлектриком, обладающие малым углом потерь; конденсаторы вакуумные и слюдяные, стеклоэмалевые, керамические, бумажные, электролитические и сегнетокерамические…
Экзаменатор молчал, рассматривая мой экзаменационный лист. Я решил, что он ждет от меня чего-то еще, и рассказал о научно-исследовательских работах, направленных на увеличение емкости конденсаторных аккумуляторов.
При слове «аккумулятор» слушатель мой взглянул было на меня с интересом, но потом снова опустил глаза.
Я рассказал о попытках японцев создать конденсатор из активированного угля, обладающего огромной поверхностью на единицу объема, что едва ли не главное для повышения емкости. Я привел удивительные цифры, которые хорошо помнил, показывающие, что японским конструкторам удалось добиться удельной емкости почти в сто миллионов раз больше по сравнению с емкостью обычных конденсаторов. А когда мой экзаменатор не отреагировал и на это, я сообщил, что в современных лабораториях уже есть реальные конструкции конденсаторов, превышающих по емкости во много раз указанные японцами величины…
В общем, я исписал страницы четыре формулами и начертил дюжину графиков, когда экзаменатор хлопнул ладонью по столу и, сказав «хватит!», вызвал следующего.
В комнату вошел паренек с шапкой в руке. Я узнал его: мы познакомились в коридоре, когда он попросил «по-научному» объяснить ему схему зажигания. Он был водителем со стажем, но назначен за какие-то провинности на пересдачу и боялся, что к нему будут придираться.
— Федоров? — строго спросил экзаменатор.
— Так точно! — браво ответил паренек.
Экзаменатор взял у меня из рук билет.
— Зачем нужен конденсатор, Федоров?
— Это чтобы не было искры, товарищ старший лейтенант!
— Молодец! — Он подписал экзаменационный лист и добавил: — Идите, отлично! А вы… учитесь!..
Отныне я стараюсь отвечать на вопросы, не выходя за рамки спрашиваемого.
Между тем история самого конденсатора, начавшись на заре зарождения науки об электричестве, не кончилась и по сей день.
Конденсатор действительно служит для того, чтобы накапливать и сохранять на своих обкладках электрические заряды, а следовательно, и электрическую энергию. Эту энергию, как и всякую другую, можно преобразовать дальше — в механическую, в тепловую, в химическую. Вот только величина ее оказывается очень небольшой. Удельная энергия современного «обычного» конденсатора, широко распространенного в радиотехнике и потому наверняка знакомого читателю, не превышает 10 Дж/кг. Удивительные японские конденсаторы, о которых шла речь, способны накопить больше — 1 КДж/кг. Но чтобы заменить конденсатором бензобак в обыкновенном легковом автомобиле, нужно повысить удельную энергоемкость накопителя электричества еще на два порядка.
Впрочем, конденсатор — накопитель электрических зарядов. Для накопления энергии в технике используются аккумуляторы, преобразующие электрическую энергию в химическую, а потом, по мере надобности, обеспечивающие обратное преобразование. Но об аккумуляторах разговор еще впереди.