Каким простым кажется нам сегодня — взять цинковую и медную пластинки, погрузить их в соленую воду и соединить проволокой. И тут же, без всяких наших усилий, по проволоке потечет электрический ток, а вокруг проволоки образуется невидимое магнитное поле. Электрический ток нагреет проволоку — совершит работу. Магнитное поле нашей проволоки с током, взаимодействуя с другим — таким же, оттолкнет или притянет другую проволоку с другим током, приведет ее в движение и тоже совершит работу. Просто! В самом деле ведь очень просто! Но чтобы научиться обнаруживать магнитное поле, ощущение которого не дано человеку, чтобы выяснить взаимодействие электрических зарядов, научиться получать электрический ток и понять его взаимосвязь с магнитным полем, человечество должно было пройти длинный путь.
Рождение электротехники начинается с изготовления первых гальванических элементов — химических источников электрического тока. Связывают его с именем Алессандро Вольты. Однако рассказывают, что, раскапывая египетские древности, археологи обратили внимание на странные сосуды из обожженной глины с изъеденными металлическими пластинами в них. Что это?.. Многое в окаменевших остатках ушедших, канувших в Лету цивилизаций до сих пор не понято людьми. Нелегко восстановить образ минувшего, тем более что часто он оказывается вовсе не таким уж примитивным, как думалось. «А уж не банки ли это химических элементов?» — пришла кому-то в голову «сумасшедшая» мысль. Впрочем, так ли она безумна? Ведь получение постоянного электрического тока химическим путем действительно очень просто. Соленой воды на Земле хоть отбавляй, как и необходимых металлов — цинка и меди. Вместо меди можно было применять серебро и золото… Но оставим эти догадки фантастам…
Первые элементы имели один общий недостаток. Они давали ток лишь первые несколько минут, затем «требовали отдыха». Почему это происходило, никто сначала не понимал. Но с такими «быстроутомляющимися» элементами нечего было и думать затевать какую-то промышленность. И потому усилия исследователей сконцентрировались на проблеме «утомляемости».
Оказалось, что цинк, соединяясь с кислотой, вытесняет из нее водород. Пузырьки газа оседают на металлических пластинках и затрудняют прохождение тока. Физики назвали это явление поляризацией элементов и объявили ему войну.
Примерно в начале 30-х годов прошлого столетия англичане Кемп и Стерджен (изобретатель электромагнита, о котором речь еще впереди) выяснили, что цинковая пластинка, покрытая амальгамой — раствором цинка в ртути, — действует не хуже чистого цинка, но при этом не растворяется в кислоте, когда элемент не работает, то есть когда он не дает тока. Это стало существенным достижением. Следом за ними французский физик, основатель ученой династии Беккерель высказал мысль, что хорошо бы попробовать опускать пластинки в разные сосуды так, чтобы выделяющийся водород тут же химически соединялся с кислородом, образуя воду. Идея понравилась. Но как ее реализовать? Изобретатели всех стран принялись за опыты. И надо прямо сказать, что если в XVIII веке едва ли не каждый образованный человек строил электрические машины, чтобы добывать таинственную силу электричества трением, то теперь всякий исследователь считал своим долгом подарить миру и человечеству новый химический элемент.
На первом этапе наибольший успех выпал на долю профессора химии Лондонского королевского колледжа Даниэля. В стеклянную банку с медным купоросом он поместил согнутый в цилиндр металлический лист. Внутрь вставил глиняный сосуд с пористыми стенками, заполненный разбавленной серной кислотой. В кислоту был помещен цинк. Водород проходил через поры глиняного сосуда, вытеснял медь из купороса. Несколько синих кристалликов, брошенных на дно банки, пополняли убыль меди…
Поляризация была побеждена! Однако у элемента Даниэля нашлись другие недостатки. Так, он имел пониженную электродвижущую силу. Часть электрической энергии тратилась внутри самого элемента на разложение медного купороса.
Соотечественник Даниэля Вильям Грове решил заменить медный купорос азотной кислотой. А чтобы она не разъедала медный электрод, заменил медь платиной… Все получилось в соответствии с ожиданиями: электродвижущая сила возросла. К сожалению, возросла и стоимость такого источника тока: платина — металл дорогой. Правда, Грове и его последователи делали электроды из тончайших листков, согнутых для прочности буквой S. Несмотря на высокую стоимость, элементы Грове нашли довольно широкое распространение в лабораториях многих стран.
Может показаться странным, что никто не додумался заменить платину углем. Принципиальная возможность такой замены была уже известна. Но тут мы не учитываем уровня технологии времени. Никто тогда не умел делать плотных углей. А обычный древесный уголь был слишком пористым. Прошло несколько лет, прежде чем немецкий химик Роберт Бунзен описал способ изготовления угольных стержней из прессованного молотого графита, который выделялся при сгорании светильного газа на раскаленных стенках реторт. Стержни стали прекрасным заменителем платины.
Элемент Бунзена приняли «на ура» не только лаборатории физики, но и первые электротехнические предприятия по гальванопластике, речь о которых впереди. И это несмотря на то, что при работе элемент выделял немало удушливых паров азотной кислоты. Правда, Иоганн Поггендорф заменил азотную кислоту хромовой, не выделявшей вредных испарений. Но производство хромовой кислоты было довольно дорогим делом.
Изобретатели старались вовсю. На страницах научных журналов одно за другим появлялись описания все новых и новых элементов. Ими занимались специалисты, ими занимались любители, ими занимались… В качестве курьеза можно упомянуть, что последний французский император Наполеон Третий, прежде чем навсегда подарить свою корону Республике, «осчастливил» мир тоже конструкцией двух элементов, обладавших некоторой оригинальностью.
Впрочем, во второй половине XIX столетия химические источники тока стали изготавливать в специальных мастерских. Главный их потребитель — телеграф — требовал простоты устройства, дешевизны, устойчивости и надежности в работе. За все это телеграфисты соглашались на самые «слабые» токи.
Можно рассказать еще о многих более или менее удачных попытках изобретательства. Наибольший успех выпал на долю парижского химика Жоржа Лекланше. Он наполнил глиняную банку смесью перекиси марганца с кусочками угля из газовых реторт и поместил туда же прямоугольную угольную призму, которая должна была служить положительным электродом. Эта система заливалась сверху варом или смолой и вставлялась в стеклянную четырехугольную банку, заполненную раствором нашатыря, с цинковым электродом. При этом хлор из нашатыря (хлористого аммония), соединяясь с цинком, давал хлористый цинк. Аммоний распадался на растворяющийся аммиак и водород. Вот тут-то и была ахиллесова пята этого превосходного элемента. Перекись марганца окисляла водород медленно и небольшими порциями. А выделение этого газа зависело от силы тока, который отбирается от элемента. Больше ток — больше выделяется и водорода. Водород же поляризует элемент, и последний быстро «устает». Правда, после некоторого «отдыха» он исправно работает снова. Однако лучше всего им было пользоваться при «малых токах» в телеграфии или в системе сигнализации, где между моментами работы существуют значительные перерывы.
Большое неудобство при использовании элементов Лекланше создавали стеклянные банки с жидкостью. Особенно сетовали на этот недостаток компании пассажирских перевозок. Океанские корабли снабжались сложной и разветвленной системой сигнализации, стараясь не уступать в этом отношении большим отелям. Но корабли подвергались качке… Сначала, чтобы не расплескать жидкость из элементов, их банки наполняли опилками, заливая сверху тем же варом. Но под такой «крышкой» образовывались газы, и элементы стали взрываться… Не скоро научились люди изготавливать «сухие элементы», ставшие в наше время такими обычными. Да, бесчисленные батарейки, работающие сегодня в самых разных электрических и электронных устройствах, не что иное, как многократно усовершенствованный и упрощенный «элемент Лекланше». Впрочем, наряду с ним работают и другие системы — миниатюрные и не очень, они обслуживают цепи, в которых используются «слабые токи».
Великим достижением прошлого века, связанным с исследованием работы тех же элементов, явилось открытие возможности последовательного и параллельного их соединения, когда в первом случае удавалось получить от них суммарное напряжение, а во втором — суммарный ток…
Сегодня эти «чудеса» изучают ребята в седьмом классе в курсе физики, и они, как правило, никого не удивляют.
Вторичные элементы
Давайте еще раз ненадолго вернемся к 1800 году, ко времени, когда Алессандро Вольта построил свою первую батарею. Год спустя исследователи заметили, что если два одинаковых металла погрузить в подкисленную воду и соединить их с вольтовым столбом, то через некоторое время эта система заряжается и становится на короткое время источником тока. При этом положительным оказывается тот ее электрод, который был соединен с положительным полюсом вольтова столба.
Это открытие привлекло внимание. А необходимость бороться с поляризацией — бичом первых гальванических элементов — добавила исследователям усердия.
Грове в 1839 году изобретает «газовый элемент», который получил название «вторичного элемента», поскольку давал ток лишь после зарядки его от какого-нибудь постороннего источника. Однако из-за неудобства пользования «газовый элемент» Грове распространения не получил.
Примерно в 1859–1860 годах в лаборатории Александра Беккереля — второго представителя славной династии французских физиков — работал в качестве ассистента некто по имени Гастон Плантэ. Молодой человек решил заняться совершенствованием вторичных элементов, чтобы сделать их надежными источниками тока для телеграфии. Сначала он заменил платиновые электроды «газового элемента» Грове свинцовыми. А после многочисленных опытов и поисков вообще перешел к двум одинаковым свинцовым листам. Он их проложил суконкой и навил этот «сэндвич» на деревянную палочку, чтобы он влезал в круглую стеклянную банку с электролитом. Затем подключил обе пластины к батарее. Через некоторое время «вторичный элемент» зарядился и сам оказался способен давать достаточно ощутимый ток постоянной силы. При этом, если его не разряжали сразу, заряд электричества сохранялся в нем длительное время.
Собственно, это и было рождением аккумулятора — накопителя электрической энергии. Первые аккумуляторы Гастона Плантэ имели очень незначительную электрическую емкость — они запасали совсем немного электричества. Но изобретатель заметил, что если заряженный первоначально прибор разрядить, затем пропустить через него ток в обратном направлении и повторить этот процесс не один раз, то емкость аккумулятора увеличится. При этом возрастал слой окисла на электродах. Этот процесс получил название формовки пластин и занимал сначала ни много ни мало около трех месяцев…
Как и у всех гальванических элементов, ток аккумулятора тем сильнее, чем больше поверхность соприкосновения электрода с раствором электролита. Эту истину хорошо усвоил Камилл Фор. Он был самоучкой — без специального образования, — с юных лет безраздельно увлеченным техникой. Вынужденный зарабатывать деньги на жизнь. Фор сменил множество специальностей. Был рабочим, чертежником, техником, химиком на английском пороховом заводе, работал и у Плантэ. Разносторонние практические знания сослужили ему добрую службу. После Парижской выставки 1878 года в голову Камилла Фора запала идея нового способа формовки пластин. Он попробовал заранее покрывать их свинцовым суриком. При зарядке сурик на одной из пластин превращался в перекись, а на другой соответственно раскалялся. При этом слой окисла приобретал очень пористое строение, а значит, площадь его поверхности значительно увеличивалась. Процесс формовки протекал значительно быстрее. Аккумуляторы Фора при том же весе запасали значительно больше электрической энергии, чем аккумуляторы Плантэ. Другими словами, их энергоемкость была больше. Это обстоятельство особенно привлекало к ним симпатии электротехников. Но главная причина их возросшей популярности заключалась в другом…
В конце столетия во многих странах на улицах и в домах появилось электрическое освещение. Лампы накаливания питались энергией пока еще маломощных машин постоянного тока. Ранним утром и поздним вечером, когда энергии требовалось больше, на помощь машинам приходили аккумуляторы. Это было значительно дешевле, чем устанавливать дополнительные генераторы. Тем более что в спокойные дневные и ночные часы аккумуляторы могли заряжаться, поглощая излишки вырабатываемой машинами энергии.
Дальнейшее совершенствование свинцово-кислотных аккумуляторов шло по пути улучшения их конструкции и изменения технологии изготовления пластин.
Совсем недавно появилось сообщение, что на Западе разработан гигантский свинцово-кислотный аккумулятор весом 2250 тонн. Он займет площадь около 0,2 гектара и будет предназначен для подключения к электросети в часы пиковой нагрузки. Зарядка его будет производиться в ночное время, когда потребление энергии падает. Применение такого супераккумулятора позволит выровнять работу тепловых электростанций, особенно страдающих от неравномерности нагрузки, и даст значительную экономию нефтяного топлива. Проектная мощность аккумулятора — порядка 45 мегаватт.
Вообще же, несмотря на широкое распространение, свинцовый аккумулятор — довольно капризное детище электротехники. Он требует чистого электролита, без каких-либо посторонних примесей. Аккуратные мотоциклисты и автолюбители это хорошо знают и потому доливают «банки» всегда дистиллированной водой. Аккумулятор не терпит перегрузок. Если ток разряда чересчур сильный, пластины его разрушаются. Не любит он и перегрева, переохлаждения, глубокого разряда, перезаряда… Корпуса свинцово-кислотных аккумуляторов, изготовленные из стекла или пластмассы, хрупки… Все эти недостатки еще на заре развития аккумуляторов заставляли изобретателей искать замену свинцу. Попыток было много. Большинство безуспешных. Удача выпала на долю Эдисона. После многих опытов американский изобретатель построил железо-никелевый щелочной аккумулятор. В наши дни он используется не менее широко, чем его старший брат.
В нем отрицательный электрод выполнен из пористого железа или кадмия с большой рабочей поверхностью. Положительный электрод — никелевый, окруженный окисью трехвалентного никеля. В качестве электролита используется 21-процентный раствор едкого кали или едкого натра. Корпус чаще всего изготавливается из стали.
Правда, ЭДС щелочного аккумулятора ниже, чем у свинцового (всего 1,4–1,3 В на банку). Коэффициент полезного действия тоже поменьше (всего около 50 %). Да и стоит щелочной аккумулятор дороже. Но… Он хорошо переносит перегрузки. Нечувствителен к избыточному заряду и сильному разряду. Прочен. Легко переносит перегрев и не нуждается в ремонте. А поскольку из щелочных аккумуляторов не выделяются газы, их можно делать герметически закрытыми. Согласитесь, что преимущества весьма впечатляющие. Немудрено, что в наши дни именно эти приборы, с кнопку величиной, широко применяются в фотоаппаратах и транзисторах.
Электричество в «консервах»
В последнее время внимание научно-исследовательских коллективов во всех промышленно развитых странах направлено на разработку новых типов аккумуляторов и супераккумуляторов. Главная задача — повысить энергоемкость: увеличить количество запасаемой энергии на единицу веса аккумулятора.
Сейчас уже известны и широко используются серебряно-цинковые аккумуляторы. В них отрицательный электрод, как и полагается, сделан из цинка, а положительный из окиси или перекиси серебра. А электролитом служит едкое кали. Их энергоемкость раз в шесть больше, чем у свинцовых. Кроме того, они могут работать при достаточно низких (до — 60 °C) температурах, давать сильные токи и не боятся долгое время находиться в разряженном состоянии. Но серебро дорого. И потому серебряно-цинковые аккумуляторы применяются лишь в исключительных случаях.
Проблема создания энергоемких аккумуляторов приобретает особое значение в связи с бурным развитием транспорта. Автомобили пожирают запасы дорогостоящего горючего и загрязняют атмосферу. Между тем еще в 1898 году француз Ж. Шасслу-Лоба достиг на электромобиле скорости 63 км/ч. А через год гонщик К. Иенатци установил мировой рекорд скорости на суше в 105,9 км/ч на машине, снабженной аккумуляторной батареей массой около двух тонн.
Первый пригодный для эксплуатации русский электромобиль был построен инженером И. В. Романовым в 1902 году в Петербурге. А в Чикаго в начале века количество электромобилей примерно вдвое превосходило количество машин с бензиновыми двигателями. В чем же дело? Почему до сих пор автомобилестроители не перешли на экологически безвредную электроэнергию?
Увы, главная проблема как раз и заключается в накопителях, во «вторичных элементах», как называли когда-то аккумуляторы. Ведь современный свинцово-кислотный аккумулятор весом 5,5 килограмма, который стоит на автомобиле, способен накопить и удержать в себе столько энергии, сколько ее заключено… в рюмке бензина!
40 литров бензина — емкость бака обычной легковой машины — эквивалентны по заключенной в них энергии 4,5 тоннам аккумуляторных батарей. А время заряда-заправки? 40 литров бензина вы зальете за пять, ну, за десять минут. Перезарядка же аккумуляторов длится часами.
Современные электромобили не вписываются в общий темп существующего дорожного движения. Они медленно разгоняются и трудно берут подъемы. Дальность пробега между перезарядками 50–60 километров. А максимальная скорость не больше 80 км/ч. Пока электромобили не конкурентоспособны. Что же делается для того, чтобы вывести их на должный технический уровень?
Те из вас, кто следит за новинками техники, наверняка уже не раз слышали или читали о серно-натриевых или серно-литиевых супераккумуляторах, которые разрабатывались некоторыми фирмами. Натрий — металл, обладающий высокими энергетическими свойствами. В рабочем состоянии и натрий и сера нуждаются в подогреве, чтобы перейти в расплавленное состояние. Их разделяет сосуд из пористой керамики, изготовленной на основе алюминия. Главное свойство сосуда — его способность пропускать только ионы натрия. Для ионов серы и для атомов обоих химических элементов керамическая мембрана — непреодолимый барьер. Таким образом она играет роль как бы твердого электролита. Но хотя натрий и сера плавятся при температуре 97-119 °C, для успешного протекания электрохимической реакции нужен подогрев до 300 °C, не меньше. Правда, серно-натриевый аккумулятор требует постороннего источника тепла только для начала работы. Потом необходимая температура поддерживается за счет тепла, выделяющегося в ходе химической реакции.
Удельная емкость такого супераккумулятора раз в десять, а то и в двенадцать превосходит ту же характеристику свинцово-кислотного. Сернонатриевый элемент дешев. Применяемые в нем материалы не дефицитны. Во время работы из него не выделяются газы, значит, его можно герметизировать. А если добавить к этому еще и простоту заряда, то может показаться, что решение проблемы у нас в кармане. Но попробуем перечислить и недостатки. Сера и натрий огнеопасны. А перед работой аккумулятор необходимо подогревать. Едкие вещества легко разъедают — коррозируют — герметическую оболочку. А ведь натрий так жадно соединяется с водой, что реакция подобна взрыву. Да и расплавленная сера при контакте с воздухом образует ядовитый сернистый газ. Так что, несмотря на герметичность, такой аккумулятор требует большой осторожности при эксплуатации.
Очень похож на только что описанный элемент и хлорно-литиевый аккумулятор, удельная энергоемкость которого еще выше. Но у него серьезным недостатком является ядовитость хлора. А ну как прорвется он где-нибудь! Конечно, бензин тоже не такое уж безобидное вещество, особенно если поблизости есть открытый огонь. Но к свойствам бензина все привыкли. А вот к характеру натрия и лития, хлора и серы относимся пока настороженно.
Специалисты считают, что пока супераккумуляторы еще не могут найти реального применения в обычной технике. Но они разрабатываются, постоянно совершенствуются и считаются весьма перспективными.
В научных журналах нередко появляются сообщения о создании опытных образцов и разработок очень любопытных аккумуляторных батарей. Вот, например, одна из них — литиево-никельгалоидная. В ней работает уже знакомый нам металл литий и неядовитое неорганическое фтористое соединение никеля. Отсутствие газовыделения позволяет и этот аккумулятор сделать полностью герметичным. Он не требует подогрева. Энергоемкость его — на уровне супераккумуляторов, а процесс зарядки длится всего несколько минут. Прекрасно, не правда ли? Но пока этот элемент еще не вышел из стен научно-исследовательских лабораторий. И конкретно говорить о его возможностях рановато.
Разрабатываются воздушно-цинковые аккумуляторы, использующие кислород атмосферы, окисляющий цинковый анод. В них запас энергии будет определяться вообще количеством цинка, способного вступить в реакцию. Пока их еще трудно хранить и у них чересчур малый срок службы. Идея использовать воздух в качестве одной из составляющих системы накопителя энергии, конечно, очень заманчива. Но реализовать ее нелегко.
Интересным и перспективным направлением работ является разработка топливных элементов. Правда, некоторые исследователи считают, что эти системы, занимающие промежуточное положение между гальваническими элементами и аккумуляторами, относятся скорее к электрическим машинам. Они их так и называют: электрохимические генераторы — ЭХГ. В топливных элементах свободная энергия электрохимической реакции переходит непосредственно в электрическую энергию. Вот, например, схема водороднокислородного топливного элемента: газ водород поступает из баллона-термоса, где хранится в сжиженном состоянии, к отрицательному электроду-катализатору. Здесь он ионизуется. Точно так же к положительному электроду поступает кислород. Ионы водорода проходят через ионообменную мембрану, соединяются с ионами кислорода. Образовавшаяся в результате реакции вода — единственный «выхлоп» такого элемента-генератора. Заманчивая перспектива, не так ли?
В качестве топлива может применяться не только сжиженный водород, но и другие вещества. Немало научно-исследовательских лабораторий сегодня работают над тем, чтобы довести водородно-кислородный топливный элемент до промышленного состояния. И есть мнение, что в ближайшее десятилетие нас ожидает здесь настоящая техническая революция.
Белое пятно на карте науки
Недавно в завязавшемся разговоре с приятелями физиками услышал я любопытное суждение: «Самым энергоемким аккумулятором относительно единицы массы была бы шаровая молния…»
Что же это такое? «Шаровая молния — редко встречающаяся форма молнии, представляющая собой светящееся шарообразное или грушевидное тело диаметром 10–20 сантиметров и больше, образующееся обычно вслед за ударом линейной молнии. Существует от 1 секунды до нескольких минут». (Советский энциклопедический словарь. Москва, 1980, с. 1517.)
Не знаю, как вам покажется, но для меня информации в этой статье «не густо». Может быть, попробовать прочитать в том же словаре статью «Молния»? Откроем страницу номер 832… «Молния, гигантский электрический искровой разряд между облаками или между облаками и земной поверхностью, длиной несколько километров, диаметром десятки сантиметров и длительностью десятые доли секунды. Молния сопровождается громом».
Не очень много в этих определениях общего. Да это и понятно. С тех пор как люди перестали видеть в явлениях природы «гнев божий», о шаровой молнии написано множество заметок, статей, книг, и все равно никто из ученых не знает, что это такое.
Вот характеристика этого удивительного явления, составленная по огромному количеству наблюдений:
1. Внутренняя емкость — от 0,1 до 4 кВт·ч.;
2. Время существования — от нескольких секунд до 4 минут;
3. Масса — от 0,5 до 50 г.;
4. Плотность — от 0,0013 до 0,015 г/см3.
Смотрите, какая точность! И все равно никто не знает, что такое шаровая молния. Просто досада какая-то!
Одним из первых ученых, вполне грамотно описавших шаровую молнию, был Доменик Франсуа Араго. Правда, и он больше спрашивал, чем объяснял: «Как и где образуются эти скопления весомой материи, сильно пропитанные веществом молний? Какова их природа?.. По этому поводу в науке существует пробел, который необходимо заполнить».
Эти слова он писал в середине прошлого века, выпуская интереснейшую книгу «Гром и молния». В 1885 году она была переведена и издана у нас в Петербурге.
Араго был уверен, что шаровая молния — это шар с гремучими газами — соединением азота с кислородом, — насквозь пропитанный «веществом молнии». Такой шар, по мнению ученого, возникал в грозовых облаках, заряжался наподобие конденсатора электричеством разных знаков и падал на землю. Изолятором в таком конденсаторе мог служить сухой, уплотненный электрическими силами слой воздуха между заряженными оболочками.
В случае «пробоя» изоляции искра поджигала гремучие газы — и шар взрывался. Если же «пробоя» не происходило, электрическая энергия могла тихо «стечь» с шара — и он так же тихо исчезал.
К сожалению, в гипотезе Араго слова не говорилось о «магниевой материи», игравшей не последнюю роль в жизни шаровой молнии.
Потом было еще много предположений о природе этого загадочного явления. Одни авторы считали, что шаровая молния несет в себе весь запас имеющейся энергии. Другие, напротив, предполагали, что источник ее находится вне шаровой молнии. Может возникнуть вопрос: если положение дел настолько неопределенно, то как могли составить ту конкретную характеристику, которую я привел? Ведь там даны и масса, и плотность, будто шаровую молнию взвесили и пощупали, есть даже энергоемкость… Как ее определили?
В 1936 году в редакцию английской газеты «Дейли мейл» пришло письмо одного читателя из графства Херфордшир. Вот что он писал:
«Сэр! Во время грозы я видел большой раскаленный шар, спустившийся с неба. Он ударил в наш дом, перерезал телефонные провода, зажег оконную раму и затем исчез в кадке с водой, стоявшей под окном.
Вода кипела затем в течение нескольких минут, но когда она достаточно остыла, чтобы можно было поискать шар, я ничего не смог обнаружить в бочке.
У. Моррис. Дарстоун, Херфорд».
Королевский астроном, которого попросили прокомментировать это письмо, сообщил: «По-видимому, то, что видел ваш корреспондент, представляет собой очень редкое явление, известное под названием… шаровой молнии…»
Это сообщение вызвало интерес среди ученых, и они подсчитали примерную энергию, затраченную на кипячение воды в кадушке. Получилось от одного до трех киловатт-часов. Это в свою очередь позволило оценить удельную энергоемкость шаровой молнии как минимум в 100 кВт·ч.
Интересно, что аналогичный «опыт» наблюдал у нас в Закарпатье близ города Перечина С. С. Мах. «В августе 1962 года, — пишет он в письме, — около 11–12 часов вечера в корыто с водой для скота упала шаровая молния размером с теннисный мяч; она светилась цветами радуги в течение около 10 секунд. Вода из корыта почти полностью выкипела, на дне лежали сварившиеся лягушки. Размер корыта 0,3×2,5 м. Глубина слоя воды — 15 см. В двух других корытах также были обнаружены сварившиеся лягушки».
В этом случае описываемая шаровая молния должна была иметь значительно большую удельную энергоемкость. Ведь масса выкипевшей воды — почти 100 килограмм.
Из чего же должна состоять шаровая молния, чтобы произвести такое действие? Это наверняка не «горючее вещество», потому что тогда оно должно обладать фантастической эффективностью.
Напомню, что даже такое «идеальное горючее», как газ ацетилен, имеет энергоемкость во много-много раз меньше. Ученые выдвигали множество гипотез о природе шаровой молнии. И каждую из них время и новые факты низводили с пьедестала.
Интересны представления о шаровой молнии, развитые советским физиком Я. И. Френкелем в 1940 году.
«Яков Ильич Френкель был человеком, которого просто оскорбляло существование непонятных физических явлений… — пишут И. Имянитов и Д. Тихий в книге „За гранью законов науки“, посвященной шаровой молнии. — Широко эрудированный физик, он обладал удивительной способностью сопоставлять весьма отдаленные области знания и в то же время легко отвлекаться от досадных мелочей, часто заслоняющих основные черты явления».
Он считал шаровую молнию вихрем из смеси твердых частиц дыма и пыли с химически активными газообразными продуктами, которые образуются в результате удара обычной молнии. Такой вихрь из раскаленных частиц ярко светится. А циркуляция ионов в нем приводит к возникновению сильного магнитного поля, которое стягивает весь клубок в шар и способствует сохранению его формы.
И действительно, многочисленные наблюдатели отмечают «любовь» шаровых молний к печным трубам и дымоходам. Есть даже свидетельства появления огненных шаров зимой, во время метелей и снегопадов. Не значит ли это, что для существования шаровой молнии необходимы твердые частицы дыма и сажи, пыли и снежинок?..
После взрыва — разряда шаровой молнии в воздухе остается дымок с острым запахом.
По расчетам Я. И. Френкеля, энергоемкость шаровой молнии как максимум — 0,03 кВт·ч.
Нет, похоже, что теория, основывающаяся на энергии горения газов, для объяснения природы шаровой молнии не годится. Придется вернуться к гипотезе чисто электрической природы этого явления. И такое предположение рассматривалось учеными. В 1960 году появилась статья Е. Хилла, в которой он сравнивал шаровую молнию с миниатюрным грозовым облаком, электрические заряды в котором разделены ударом обычной линейной молнии. В небольшом объеме собираются сгустки электрических зарядов различных знаков. Представим себе, шаровую молнию, состоящую, как матрешка, из вложенных друг в друга разноименно заряженных слоев. У нас получится сферический многослойный конденсатор, энергоемкость которого оказывается очень незначительной, в тысячу раз меньше рассчитанной Френкелем.
Между тем по причиненным разрушениям взрыв шаровой молнии приравнивается к взрыву «от сотен граммов до 20 кг тринитротолуола (тола)». Это весьма солидный заряд взрывчатки. Понятно, что такие свойства шаровой молнии не могли не привлечь к ней внимания тех, кто занят разработкой нового оружия. И в декабре 1960 года в американском журнале «Радио. Электроника» появилась сенсационная статья:
«Шаровая молния против ракет.
Шаровая молния, т. е. сгустки плазмы — вещества, находящегося в сильно наэлектризованном состоянии, в котором электронные оболочки атомов сильно разрушаются, может быть использована, по мнению американских физиков, для борьбы против ракет…»
Дальше шло популярное объяснение оригинальной гипотезы выдающегося советского физика П. Л. Капицы, выдвинутой им в 1955 году. Он писал: «Если в природе не существует источников энергии, еще нам не известных, то на основании закона сохранения энергии приходится принять, что во время свечения шаровой молнии непрерывно подводится энергия, и мы вынуждены искать этот источник энергии вне объема шаровой молнии».
Однако, поскольку здесь дело касается плазменного состояния вещества, будет, наверное, правильнее досказать историю искусственной шаровой молнии в третьей части книги, после того как читатель познакомится с плазмой поближе. Так я и поступлю. А те, кому не терпится, могут заглянуть сами в третью часть. Поскольку нашу книгу совсем не обязательно читать последовательно, страницу за страницей…