Генератор электрических искр – генератор новых идей
Хасапов Борис
Трудно переоценить значение индукционной катушки – первого электротехнического прибора, нашедшего широкое применение в практической деятельности человека. Однако история создания и усовершенствования этого устройства таит в себе немало загадок и драматических коллизий. Почему прибор называется «катушкой Румкорфа»?
И только ли Румкорф причастен к ее созданию? Какую роль сыграл этот прибор в истории науки?
В чем уникальность катушки – этого изобретения долгожителя? Ведь в неизменном виде она просуществовала полторы сотни лет.
Ответы на эти и многие другие вопросы читатель найдет в предлагаемом очерке.
Премия, посеявшая раздоры
15 июня 1802 г. во Франции, в то время одной из самых передовых в научном отношении стран, учреждается государственная премия в виде золотой медали и солидной денежной суммы «тому, кто своими открытиями, подобно Вольте и Франклину, продвинет вперед науку об электричестве и магнетизме». Отдавший это распоряжение первый консул, будущий император Наполеон I, заканчивает свое указание пророческими словами: «Моя цель состоит в поощрении, в привлечении внимания физиков к этому отделу физики, представляющему, как мне чувствуется, путь к великим открытиям» [1].
Первым этой награды был удостоен в 1806 г. Гемфри Дэви, талантливейший ученый, основоположник электрохимии, действительно много сделавший для развития науки об электричестве. Нелишним будет напомнить, что французская премия была вручена англичанину именно в тот момент, когда эти страны находились в состоянии войны. «Один из величайших гениев, когда-либо бывших», как называет Наполеона I академик А.Н. Крылов, в апогее своей славы мог себе это позволить. Никаких возмущений со стороны общественности не последовало. Это действительно был поступок, достойный подражания. Однако в дальнейшем Наполеон, уже будучи императором, заботился не столько о благе науки и народа, сколько об укреплении своего деспотизма и становлении династии. И о премии просто забыли.
Через годы потрясений и смуты во Франции, реставраций и революций пришедший к власти путем государственного переворота Наполеон III решил эту премию возродить. Исключительно для поддержания авторитета власти. Ученых и науку во Франции любили. Император артистически разыгрывал роль мецената и покровителя науки и искусств. Он и сам не гнушался пописывать статейки и брошюрки по экономике.
Итак, в конце 1864 г. согласно рекомендации комитета из 13 членов во главе с известным химиком Ж.Б. Дюма император Франции постановил наградить премией имени Вольты парижского изготовителя приборов Генриха Румкорфа «за изобретение индукционной катушки». Премия была исключительно щедрой – 50 000 франков. Отметим, что изготовленный прибор заслуживал большего. Однако ряд обстоятельств омрачал приятное событие.
Индукционная катушка – первый электротехнический прибор, нашедший широкое применение в практической деятельности челя-нибудь патентованная кофеварка. К созданию катушки причастны даже не десятки, а сотни ученых и изобретателей, воплотивших в устройстве собственные идеи и достижения науки своего времени. В почти неизменном виде эта катушка просуществовала полторы сотни лет.
Но вот во Франции с середины ХIХ века любая катушка индуктивности стала называться катушкой (или спиралью) Румкорфа, что все-таки несправедливо [2].
Личность «возродившего премию» имени Вольты не пользовалась авторитетом среди ученых. В числе заслуг «покровителя наук» было закрытие Версальского агрономического института – «самого замечательного земледельческого заведения, когда-либо существовавшего».
Ведущий ученый этого института Ж.Б. Буссенго, считавшийся в агрономии «тем же, кем Лавуазье был в химии», лишился должности. На его место был поставлен недалекий специалист и неряшливый экспериментатор Жорж Вилль. (В Париже ходили упорные слухи, что новоиспеченный профессор приходился императору сыном.) Угодья агрономического института были превращены императором в высококлассный охотничий парк [3].
Правы те, кто утверждают, что история, если и повторяется, то уже в виде фарса. Слишком много авторитетнейших ученых доказывали, что ничего принципиально нового в конструкцию катушки нынешний лауреат не внес. К вопросу о приоритете подключился Конгресс США.
Патриотизм конгрессменов, считающих все самое лучшее американским, известен с давних пор. Эти парламентарии сочли «изобретателем катушки» Чарльза Пейджа, американца по происхождению, чтобы «оградить от посягательств достижения нашей нации на путях науки». Впрочем, нашлись в США и люди, утверждавшие, что Пейдж «не изобретатель ни катушки Румкорфа, ни любой другой электрической катушки».
Политическая возня закончилась вопреки всем правилам выдачей задним числом по специальному постановлению Конгресса США «экстраординарного патента» Ч. Пейджу. Что было также несправедливо.
Кто он, лауреат премии Вольты?
Если исходить из общепринятых критериев, таких как публикации, то можно ответить, что Румкорф не был ученым. Он не имел печатных трудов, и это усложняет его жизнеописание. Но ведь за что-то ему премию выдали? Попытаемся ответить на этот вопрос.
Генрих Даниэль Румкорф (15.01.1803–20.12.1877) родился в Ганновере (Германия). Но в поисках лучшей доли, как это часто делали его соотечественники в ту пору, Румкорф выезжает во Францию, где и проживет до конца своих дней.
С 1825 г. он сотрудник парижской оптической мастерской, имеющей специализированный магазин и принадлежащей дипломированному инженеру-оптику Венсену Шевалье. Мастерская изготавливала по заказам и для продажи микроскопы, телескопы, подзорные трубы, а также камеры-обскуры, входившие тогда в моду.
Камера-обскура (от латинского – «темное помещение»), известная еще со времен Леонардо да Винчи, представляла собой затененный ящик, в передней части которого давали уменьшенное изображение. Не обладающие художественным талантом люди могли рисовать с помощью ее, как правило, пейзажные рисунки. Пользовались этим устройством топографы при съемках местности и ученые, когда требовалось в точности в любом масштабе перенести какой-нибудь рисунок на бумагу.
Во времена Румкорфа мастерская была на хорошем счету у потребителей. Именно к Шевалье обратился один из будущих изобретателей фотографии Н. Ньепс с просьбой создать нужную ему конструкцию камеры. Здесь же судьба сводит Н. Ньепса и Луи Дагера – парижского художника и декоратора парижских театров и они договариваются о совместной работе.
Даггер был богатым человеком, он владел так называемой диорамой, пользующейся большим успехом у парижан. Диорама представляла собой солидный выставочный зал картин, выполненных в специальной технике. Благодаря эффектам освещения зритель получал впечатление пространственности изображения. К тому же Дагер, имевший изобретательскую жилку, внедрил нововведение, позволяющее изменять изображения на картинах на глазах у зрителей скрытыми от них средствами. Это обстоятельство вызывало восхищение публики и горячие споры художников и богемы Парижа.
Владелец диорамы заразился идеями Ньепса, стремясь техническими средствами зафиксировать изображение, получаемое в камере-обскуре, т.е. по нынешней терминологии получить фотографическое изображение.
Да, но причем здесь электричество? Ведь Дагер в диораме пользовался масляными светильниками, а до изобретения электрического освещения было еще много времени. Чтобы уточнить положение вещей, приведем цитату из книги по истории фотографии. «Дагер какое-то время вынашивал утопическую идею, согласно которой светочувствительность веществ в наблюдаемых Ньепсом реакциях вызывает вовсе не свет, а ... электричество. Настаивая на своей версии, Дагер уверял Ньепса, что это не какая-то там выдумка, а результат его, Дагера, опытов. Затем, развивая свою идею дальше, он вводит в обиход термин «электрическая жидкость», с которой он якобы проводит опыты. Вот один из них, описанный в письме к Ньепсу от 29 февраля 1832 г.: «Я проводил несколько опытов с электрической жидкостью, но погода в это время была неблагоприятна, и вещества не имели той чувствительности, которой отличаются употребляемые мной сейчас. Я убедился, что ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЖИДКОСТЬ ДЕЙСТВУЕТ СОВЕРШЕННО ТАК ЖЕ, КАК И СВЕТ».
Не правда ли, все это очень напоминает средневековый трактат по алхимии? Вряд ли автор понимал, о чем пишет.
Понятно, что с «электрической жидкостью» у Дагера ничего не получилось, да и не могло получиться» [4] (курсив наш. – БХ).
Простим автору незнание того факта, что термин «электрическая жидкость» в физике существовал ко времени описываемых событий уже около столетия. Но мы категорически не согласны с тем, что «электрическая жидкость» у Дагера никак себя не проявляла. Мы даже утверждаем, что на светочувствительный материал «электрическая жидкость действует совер утверждаем, что опыты с электричеством будущего изобретателя фотографии были весьма продуктивными, правда в несколько другом научном направлении. И этому есть веские научные доказательства.
В 1851 г. после появления фотографии французский чертежник, художник и график Эмиль Пино, о котором не удалось найти никаких биографических сведений, кроме адреса в Париже на 1839 г., получил изображение электрического разряда на пластинах дагеровского аппарата. А другой француз – инженер Эжен Дюкрете (1844–1915) показал в 1884 г., что люхтенберговы фигуры легко образуются при приложении напряжения к светочувствительной эмульсии фотопластинки [5]. Это явление затем широко использовалось в электротехнике ХХ века для исследований волн перенапряжений в линиях электропередач.
Так что Дагер в своих письмах ничего не придумывал, а отмечал (даже открыл!) не понятые им определенные физические проявления электрического разряда. Правда, нам не известно, каким способом он получал эти разряды. Свои опыты Н. Ньепс и Л. Дагер держали в глубокой тайне, переписка тщательно зашифровывалась. Это могли быть разряды электрических машин или лейденских банок либо даже сравнительно недавно открытых гальванических элементов. А может быть, и всего комплекса источников электричества. Об этом свидетельствует применение биметаллических пластинок в растворителях вместо пластинок из одного металла, наличие заземлений (???) при фотографии и т. д. [6].
Для опытов Дагеру на помощь должен был прийти не оптик, а электрик. Эта роль, по всей видимости, и выпала на долю Г.Д. Румкорфа, иначе трудно объяснить, как сотрудник оптической мастерской, выйдя на самостоятельную работу, начинает принимать заказы на изготовление электрических приборов. Скорее всего, он, выполняя изобретательские фантазии Дагера, поднаторел в этом деле.
Индукционная катушка № 1
В Королевском институте Лондона установлен памятник М. Фарадею. Великий ученый увековечен в полный рост, он держит в левой руке предмет, напоминающий большой бублик. Этот тор и есть то знаменитое устройство, с помощью которого была открыта электромагнитная индукция – венец творческой деятельности Фарадея.
И все-таки тор не был первым устройством, использованным для этой цели ученым. Первое устройство представляло собой деревянный чурбак, на который были намотаны две не соединенные между собой проволочные катушки. Когда одну из них подсоединяли к гальваническому элементу, гальванометр, подключенный в цепь второй катушки, давал отклонение стрелки. Фарадей назвал ток во второй катушке индукционным, т. е. наведенным током. В дальнейших опытах исследователь обнаружил, что если использовать вместо дерева железный стержень, то эффект многократно возрастает. Фарадей делает для опытов другое устройство, где обе катушки наматываются на откованное кольцо из мягкого железа.
При опытах обнаруживается следующая закономерность. Отклонение стрелки гальванометра происходит толика и в момент выключения. Все остальное время, даже если по первой катушке продолжает идти электрический ток, стрелка остается неподвижной. Была еще одна странность. При включении стрелка гальванометра отклонялась в одну сторону, при выключении – в противоположную. Экспериментатор смог получать при таких манипуляциях даже искры, когда вместо гальванометра очень близко подводил друг к другу выводы второй катушки.
Ученый предположил, что наведение электрического тока во второй катушке происходит только в момент изменения магнитного состояния железного стержня. Как это проверить?
На прямой железный стержень Фарадей наматывает только одну катушку, в цепь которой включает гальванометр, и быстро этим стержнем замыкает полюса подковообразного магнита. Происходит то же самое. При приближении стержня к магниту стрелка отклоняется, при удалении тоже, но опять в другую сторону. Предположение подтверждается. Кстати, эта установка является моделью первого электромагнитного генератора [7].
Тор Фарадея был первым устройством, позволяющим преобразовывать постоянный электрический ток химического источника в переменный ток другого напряжения, т. е. первым электромагнитным индуктором. Правда, прерывание электрического тока приходилось делать вручную, но все остальные части устройства были налицо – магнитопровод, первичная и вторичная обмотки.
Магнитопровод состоял из мягкого железа диаметром 22 мм; согнутый в кольцо, он имел наружный диаметр 150 мм. Обмотки выполнялись медным проводом сечением 1,25 м2. Число витков катушек никто тогда не думал считать, но длина проволоки первичной составляла 7 м, вторичной – 18 м.
Описываемые события происходили в 1831 г., но уже в следующем году оказалось, что можно построить индуктор с такими же свойствами на несколько иных принципах. Любопытна история ознакомления первооткрывателя электромагнитной индукции с этими принципами.
Изучая термоэлектрические явления Зеебека, Фарадей никак не мог получить от термопары обыкновенной электрической искры. На одном из таких опытов присутствовал прибывший в Европу американский ученый Дж. Генри.
Экспериментатору он объяснил, что может вызвать искру. Не откажем себе в удовольствии процитировать А.М. Уилсона, американского физика и писателя, бывшего ассистента Э. Ферми, – настолько красочен этот рассказ: «Американец стал наматывать на палец проволоку плотной спиралью. Затем он просто присоединил эту спираль, надетую на небольшой железный стержень, к одному из проводов термопары. На этот раз при разъединении концов проволоки можно было совершенно отчетливо видеть искру. Фарадей восхищенно зааплодировал и воскликнул:
– Ура эксперименту янки! Но что же вы такое сделали?
И Джозефу Генри пришлось объяснять самоиндукцию ученому, который был известен на весь мир как человек, открывший индукцию» [8].
Действительно, все оказалось не таким уж и сложным. Обмотка, навитая на железный сердечник, нржня резко падала, что и наводило в этой же катушке значительный электрический потенциал, в сотни раз превышавший напряжение питания. Этот электрический импульс и пробивал воздушный промежуток между выводами. Возникала искра.
Как ни странно, но именно открытие Генри сразу же нашло практическое применение. Еще в 1815 г. Г. Дэви изобрел безопасную рудничную осветительную лампу. Широко известно, что открытый огонь под землей часто вызывает взрывы присутствующего там метана. Чтобы этого не случалось, Дэви оградил огонь светильника металлической сеткой. Этого оказалось достаточно для решения вопроса. Но зажигать такой светильник все равно надо было на поверхности.
С изобретением индукционной катушки устройство для зажигания такой лампы можно было легко поместить также под защитной сеткой и в нужный момент зажечь (рис. 1). Кнопку для зажигания можно вывести из-под сетки. Интересно отметить, что в настоящее время, когда существуют взрывобезопасные шахтерские электрические светильники, лампа Дэви продолжает нести свою охранную службу. Правда, в несколько иной роли. Электрический фонарь в канализационном колодце будет гореть, даже если колодец напрочь наполнен углекислым газом, что тоже смертельно опасно. А вот керосиновая лампа Дэви потухнет и этим даст сигнал о прекращении работ.
Сегодня мы завершаем публикацию очерка об истории создания и усовершенствования индукционной катушки, о ее практическом применении, а также о судьбах ученых, внесших свой вклад в становление и развитие электротехники.
Первые усовершенствования
Сотни ученых и энтузиастов электричества по обе стороны Атлантики повторяют опыты Фарадея. Каждому из них приходится самостоятельно изготавливать магнитопроводы и катушки. Ведь никаких специалистов по электротехнике нет, как не существует и самой электротехники. Катушки делаются из подручных материалов.
Трудно найти металлическое кольцо, да и на такое, как у Фарадея, не совсем удобно навивать провод. Поэтому сейчас сложно точно сказать, кто первым начал навивать витки катушек на прямой железный сердечник. Говорят, что это был английский пастор Галлан, одновременно предложивший наматывать первичную обмотку толстым проводом, а вторичную – тонким (как в воду глядел!), хотя трудно сказать, чем он при этом руководствовался.
Но, оказывается, и такую конструкцию можно улучшить. Немецкий профессор Буххофнер делает свою катушку, наматывая обмотки на пакет простых обрезков железной проволоки. Эта катушка работает даже лучше, чем с массивным сердечником. Выясняется, что так и надо делать, ибо в цельном магнитопроводе при изменении магнитного потока тоже наводятся токи, которые, ухудшая работу катушки, только нагревают стержень. Этим явлениям вскоре посвятит свои исследования Ж. Фуко и научно обоснует причину этого (токи Фуко). В дальнейшем магнитопроводы будут делать составными (шихтоваными) [9]. Короче говоря, улучшение параметров индукционной катушки идет методом проб и ошибок.
Американский физик Чарльз Пейдж предложил конструкцию катушки, в которой используется одна обмотка, но с питанием, подводимым только к части витков, где, по современной технологии, используется принцип автотрансформации (рис. 1).
Катушки индуктивности начинают использовать в лечебной практике врачи-физиотерапевты. Ведь переменный ток действует на организм человека при прочих равных условиях гораздо эффективней. Самым первым в этом списке следует назвать Антуана Массона (1806–1868), профессора из Парижа. Он пытается механизировать процесс замыкания и размыкания цепи питания первичной обмотки. Ведь никак
Его прерыватель цепи представляет собой металлическую шестеренку, зубья которой при вращении шестерни периодически контактируют со специальным токопроводящим лепестком. Вращать шестеренку приходится вручную. Несмотря на примитивизм такой конструкции, Массон подмечает очень важную закономерность. Чем с большей скоростью вращать прерыватель, тем длиннее искру можно получить. Следовательно, пациент получает большее электрическое воздействие.
Но очень уж утомительно крутить прерыватель. Неужели нельзя как-то исключидурах? Оказывается можно, и сделать это сравнительно легко. 25 февраля 1837 г. на докладе Франкфуртскому физическому обществу некий Иоганн Филипп Вагнер (1799–1879), бухгалтер по торговле железом, представил конструкцию электромагнитного молоточка. Поскольку это устройство, известное как самопрерыватель Вагнера, сыграло громаднейшую роль в развитии электротехники, уделим ему особое внимание (рис. 2).
Подковообразный электромагнит при прохождении по нему электрического тока притягивает якорь. Якорь токопроводен, имеет специально устроенное контактное устройство, которое размыкается, когда якорь притягивается. Пружина возвращает якорь в исходное состояние, потому что обесточивается электромагнит, питаемый через контактное устройство, и цикл повторяется. Частота повторений циклов зависит от жесткости пружины и, в первую очередь, от контактного промежутка, который регулируется. Схема такого самопрерывателя до сих пор применяется в электрических звонках.
У конструкторов катушки возникла идея использовать этот принцип, применяя первичную обмотку, которая, конечно, образовывала магнитное поле и вполне могла притянуть небольшой якорек с контактом. Эта гениальная идея быстро была воплощена в жизнь. Такая катушка индуктивности завоевала признание и у врачей, и у исследователей не только электричества, но и иных областей физики. Но…
Катушка прекрасно работала только считанные минуты. Сложилась парадоксальная ситуация, когда устройство, предназначенное для генерирования искр, само выходило из строя из-за искр в прерывателе. Явление самоиндукции в первичной обмотке (вспомним опыт Генри) губило контакты прерывателя. Зачастую они полностью сгорали, хотя только из каких металлов их не пытались делать. Тупиковая ситуация. Это был именно тот случай, когда электрикам могла помочь только наука.
На помощь пришли физики. Известно, что самоиндукция объясняется инерционностью движущихся электрических зарядов в проводнике. Как и любое движущее тело, их мгновенно остановить нельзя. Поэтому при разрыве цепи происходит пробой воздушного промежутка.
Представим себе такой случай. Стальной шарик, падая с метровой высоты в фарфоровую чашку, разбивает ее. Если же эту чашку заполнить сахарным песком, то шарик завязнет в сахаре и чашка останется целой. Вот если бы так можно было сделать на пути инерционного электрического тока!
Эту задачу решает французский физик Арман Физо (1918–1896). Решение настолько просто и изящно, что лишний раз демонстрирует – сложные вещи можно решать простыми способами. Физо помещает параллельно контактам прерывания обыкновенный конденсатор. В момент замыкания контактов прерывателя он этими же контактами замкнут накоротко и, следовательно, разряжен. В момент размыкания контакта цепь не размыкается, просто в нее включается новый элемент – конденсатор. Весь инерционный поток электрических зарядов продолжает двигаться, но теперь эти заряды настроены на зарядку конденсатора.
Когда напряжение конденсатора достигает напряжения источника – ток прекращается. Искра не возникает. Все это происходило за какие-то доли секунды. Стоит только удивляться таланту физика, придумавшего это, когда не было осциллографов (рис. 1, поз. 2).
Казалось бы, все вопросы решены. Увеличивай число витков вторичной обмотки и получай любое высокое напряжение. Но не тут-то было. Наступает момент, когда это напряжение пробивает не только воздух (искры), но и изоляцию между витками вторичной обмотки. Нужно было придумать способ борьбы с этим явлением. И он был найден! Вторичную обмотку начали изготавливать секционно. Каждую секцию отделяли от других специальными изоляционными щечками (щетками?) (рис. 3).
Нами приводится окончательный вид катушки индуктивности со ртутным прерывателем, конденсатором, секционными обмотками и переключателем питания конструкции Румкорфа. Вот это действительно его изобретение.
А для чего нужен переключатель? Дело в том, что в зависимости от индуктивности первичной обмотки токи, намагничивающие сердечник, и токи самоиндукции ее, могут быть разными по величине (амплитуде). Иногда это свойство необходимо в лабораторной практике.
Каким бы мелким ни казалось на первый взгляд изобретение Румкорфа, значение его даже в настоящее время огромно. Именно таким способом осуществляется коммутация машин постоянного тока через коллекторно-щеточный аппарат. Мы приводим рисунок с изображением переключателя Румкорфа (рис. 4). Заметим, что переключатель на индукторе другой конструкции.
А кому эти искры нужны?
С начала ХIХ века развивающаяся фабричная система хозяйствования требовала создания совершенно нового типа двигателей. Паровая машина была слишком сложна и неповоротлива. Котлы и топки с ручным отоплением делали их неприемлемыми для малых мощностей. Идея создания двигателя внутреннего сгорания наталкивалась на проблемы зажигания газовых смесей в цилиндрах. Первый такой двигатель изобретателя Барнета имел специальное запальное устройство с горевшими все время двумя факелами и золотниковое распределение этих огней. Такая машина не могла быть экономичной.
Способность электричества давать искры внутри закрытых объемов известна со времен Пристли (эвдиометр). Создание индукционного генератора искр как нельзя лучше подходило к решению проблемы. И первый практически пригодный двигатель внутреннего сгорания был оборудован электрическим зажиганием. Это был газовый двигатель Ленуара. Идея применения индукционной катушки оказалась настолько плодотворной, что как минимум на 150 лет вперед решила вопросы зажигания карбюраторных двигателей [10].
В искрах нуждалась и наука. Получаемые из лейденских банок искры хоть и были кратковременными, но дали возможность синтезировать некоторые вещества, например окислы азота. При возможности длительной генерации искр можно было бы ставить вопрос об искпороха. При изучении искр некоторые ученые обратили внимание на тот факт, что цвет искры при разряде банки зависит от разрядов электродов, между которыми эта искра проскакивала. Вот если бы продолжительность искр увеличить…
Что ж, голландец Ван дер Виллиген впервые для изучения цвета искр применяет индукционную катушку. Теперь с помощью трехгранной призмы, какой пользовался Ньютон, можно свет искры разложить на составляющие, как и свет от Солнца. Оказывается, что спектр свечения различных веществ присущ только одному из известных элементов. По спектру искр между электродами, если их смазать растворами неизвестных химических соединений, можно узнать, какие химические элементы туда входят [11]. Так возникла спектроскопия.
Исследователи газов тоже не обойдены. Еще со времен Гауксби известно, что в безвоздушном стеклянном шаре при его натирании возникает загадочное свечение, имеющее электрические корни. В относительный вакуум такого шара ввели электроды и подсоединили к катушке. Оказалось, что шар тоже светится. Светятся и стеклянные трубки с торричелиевой пустотой.
Отчего не опробовать это в оптической мастерской? Ведь там варят оптическое стекло и занимаются опытами с электричеством. Тем более что торричелиеву пустоту в трубках можно создать просто с помощью ртути. Такими опытами начинает заниматься Румкорф. Это известно по его единственному научному достижению. Он обнаруживает, что газ, светящийся в трубке, не сплошной, а разделен на слои, перпендикулярные трубке. Впрочем, Румкорф не знает, что до него это уже описал У. Грове [12].
Вполне возможно, что к исследованиям по светящимся газам Румкорфа подтолкнул Дагерр, занимающийся вопросами светящихся картин и диорамами. Тем более что различные газы в условиях высокого разрежения дают разный цвет свечения. И цвет этот весьма красив, что нам сейчас хорошо известно по газосветной рекламе.
Вскоре в Бонне стеклодув Генрих Гейсслер (1814–1879), имеющий свои мастерские и хороший вакуумный насос, начинает массовое изготовление светящихся трубок разных форм и размеров, большей частью для демонстрационных целей. Они так и назывались гейсслеровыми трубками. (Некоторые экземпляры демонстрируются в Политехническом музее Москвы.) Для научных целей изготавливались специальные трубки с узким каналом, имитировавшим световую щель спектографа.
Развитие спектроскопии газов позволило сделать сенсационные открытия в науке. Так впервые на Солнце был обнаружен неизвестный газ, названный гелием (от «гелиос» – Солнце). Только спустя годы этот газ был найден на Земле.
Потребность в катушках индуктивности да и в других электрических приборах была большой. Никакой промышленной основы для изготовления таких специфических устройств не существовало. Появляются специализированные мастерские во главе с владельцами-самоучками, которые занимаются этими проблемами. Сейчас подобные мастерские под названием опытных лабораторий существуют при ю организовывал в 1845 г. И.Г. Гальске (1814–18901), а в Париже на рю-де-Шамполон – ушедший из мастерской Шевалье Генрих Даниель Румкорф в 1840 г. Его называют обаятельным человеком. И в этом нет ничего удивительного. Он прекрасно знаком с декоратором парижских театров Опера Амбигю, а через него и с артистами, художниками. Короче, с богемой Парижа ХIХ века. А об обитателях Монмарта того времени почти все всем известно.
Непринужденная атмосфера царит и в мастерской Румкорфа. Именно сюда переходит работать Т. Грамм, будущий изобретатель перспективного электродвигателя, поскольку в мастерской была творческая атмосфера и возможность заниматься своими изобретениями [13].
Попытки создания искусственных молний
Фотография способствовала появлению среди энтузиастов электричества человека с непонятной для этой науки профессией. Профессией археолога. Поводом послужило случайное обстоятельство.
В 1849 г. некий Гро, французский посол в Афинах и один из первых фотолюбителей, сфотографировал фрагменты Акрополя. Возвратившись в Париж, он через лупу начал рассматривать фотоснимки. К своему удивлению, на одном из попавших в кадр снимка камне он обнаружил изображение льва, раздирающего когтями змею. Любопытно, что изображение было незаметно для невооруженного глаза и только благодаря фотографии и удачному косому освещению камня удалось обнаружить неизвестное произведение древнегреческого искусства.
В фотографии возникает вопрос об искусственном освещении объектов. И применение косого освещения было не самым важным. Дело в том, что первые светочувствительные пластинки обладали низкой чувствительностью, и при портретных снимках приходилось сидеть, не двигаясь и не моргая долгие минуты.
За решение этой проблемы берется французский граф Теодор дю-Монсель (1821–1884), археолог по образованию, академик. Он пробует поджигать различные химические смеси, чтобы добиться хорошей освещенности. В качестве источника получения искры он использует индукционную катушку. В результате появляется книга «Уровни систем, зажигаемых на расстоянии и воспламеняемых электрическим током» (1853). В конце концов, такая смесь находится. Это металлический магний и бертолетова соль. Но граф-археолог увлекается своими электрическими исследованиями и решает создать в лабораторных условиях некое подобие грозового разряда. Он предположил, что эксперименты с высоковольтной искрой воспроизводят условия, аналогичные тем, что характерны для грозового облака и даже шаровой молнии. Но для проведения опытов нужна очень длинная искра. За решение этой проблемы берется Румкорф. Он поставляет в лабораторию все оборудование, необходимое Монселю [16].
Если первые конструкции его катушки давали искру длиной около 2 см, то к 1860 г. в новейших вариантах устройство обеспечивало искру полуметровой длины. Это означает, что между кондукторами индуктора достигалось напряжение порядка 250 тыс. вольт! Принципество изоляции, изменялись прерыватели… Иногда достигалась искра длиной один метр, но это было уже после смерти Румкорфа.
Дю-Монсель до конца своей жизни продолжал заниматься электричеством и написал ряд книг, составляющих своеобразную энциклопедию электрических знаний, в том числе «Приложения электричества» [13].
Правительство Наполеона III волновал, скорее всего, не вопрос искусственной молнии. В 1853 г. разразилась Крымская война, которая закончилась жестоким поражением России после сдачи Севастополя. Однако при его обороне в минном подземном сражении Россия была технически более оснащенной. В те времена Англия, Франция, Сардиния и Турция, воевавшие против России, применяли огневой способ поджога взрывчатки. Россия благодаря Б.С. Якоби – гальванический, с использованием катушки Румкорфа. В результате этого число отказов при взрыве российских мин составляло всего лишь 1%, а у противников 22% [14].
Интересно отметить, что, имея гальванические элементы и катушки Румкорфа, российские воины пытались применять электрическое освещение посредством трубок гейсслера при подземных работах. Там освещение необходимо небольшое, а при отсутствии вентиляции применение шахтерской лампы уменьшало и без того скудное содержание кислорода в сапах и галереях.
Не только катушки
Мастерские Румкорфа выпускали не только катушки и индукторы. Спросом пользовались гальванометры, изготовленные Румкорфом. О высоком качестве этих устройств свидетельствует Фарадей: «Мой гальванометр был изготовлен Румкорфом и был очень чувствителен… В том, что имеется контакт в цепях, можно было в любой момент убедиться посредством слабой термопары, которая нагревается пальцами» (1815 г.) [15].
Кстати, используя эту чувствительность, К.А. Тимирязев упросил уже пожилого Румкорфа изготовить термоэлектрический прибор для измерения температуры листьев растений. Известны также электромагниты, выпускавшиеся парижской мастерской, коммутационная аппаратура, термоэлектрические батареи и т.д.
Размеры статьи не позволяют подробно остановиться на открытиях, сделанных с использованием индукторов Румфорфа – этих надежнейших и конструктивно оформленных лабораторных устройств. Но нельзя не упомянуть о трех из них, непосредственно повлиявших на развитие человечества. Это впервые примененные в электрическом освещении катушки в роли трансформаторов. Мы приводим рисунок из патента П.Н. Яблочкова 1877 г. (рис. 5). Приятно осознавать, что русский изобретатель первым применил на практике устройство, позволяющее передавать электроэнергию за тысячи километров от места генерации.
На рис. 6 изображен вибратор Г. Герца с катушкой Румкорфа, от которого были получены радиоволны в 1886 г. Это, по сути, самый первый радиопередатчик.
Индуктор Румкорфа в опытах с вакуумными трубками позволил Рентгену открыть в 1895 г. новый вид лучей, для которых непрозрачные тела стали прозрачными (рис. 7).
Автор считает, что присвоение во Франции катушке индуктивности наименования катушки Румкорфа «все-таки несправедливо», так как к ее созданию причастны многие, предложившие элементы ее усовершенствования. Подчеркнем: весьма полезные, но отдельные элементы.
Не секрет, что предметом изобретения признается способ, устройство или совокупность известных технических устройств, дающая новый технический эффект. Именно Румкорф, применив технические устройства, создал в 1852 г. катушку рациональной конструкции, нашедшую широчайшее практическое применение во всем мире. Не только во Франции, но и в России, других странах эта катушка-долгожитель носит до сих пор имя Румкорфа, что, на наш взгляд, вполне справедливо.
Однако в истории с катушкой сложнее другая коллизия – коллизия приоритета. Дело в том, что в 1838 г., т.е. ранее Румкорфа, американский изобретатель-электрик, работавший в патентном ведомстве, Чарльз Пейдж в одной из своих статей описал индукционную катушку. Но в те годы научный центр находился в Европе, научно-техническая информация не распространялась так стремительно, как в наше время, и на статью Пейджа не обратили внимания. Тем более что вскоре по конструкции Румкорфа катушка изготовлялась во многих странах.
Узнав о полученной Румкорфом баснословной награде, Пейдж вознегодовал и решил добиваться особого законодательного акта, разрешающего ему получение патента на свой индукционный прибор. Он понимал, что наиболее эффективную поддержку сможет получить, поставив вопрос о чести нации и выступив против «пренебрежения американскими достижениями, ставшего слишком обычным для европейских ученых». Пейдж заявил, что у него «украли почести, принадлежавшие по праву ему» и что произошедшее с ним носит такой характер, который «ни разу не случался ни с одним американским изобретателем».
Для усиления своей позиции Пейдж в 1867 г. выпустил книгу «История индукции: американская заявка на индукционную катушку и ее электростатические применения», в которой утверждал, что «Румкорф не был автором какого-либо изобретения, открытия или усовершенствования, связанного с индукционной катушкой, носящей его имя». Расплатившись и перейдя на личности, Пейдж заявил, что Румкорф просто был неспособен изготовить что-либо мало-мальски похожее по значимости на катушки Пейджа.
Патриотически настроенные конгрессмены поддержали жалобу Пейджа и добились принятия закона, позволившего Пейджу в виде исключения задним числом оформить патент. И это несмотря на наличие патентного закона 1836 г., запрещавшего работникам патентного ведомства иметь «какие-либо права или интерес прямой или косвенный в любом патенте».
Патент Пейджу был выдан, но славы ему не принес. Вскоре Пейдж скончался, а после его смерти в США разразился скандал. Ведь выданный патент лишал права многочисленных производителей индукционной кату) без разрешения семьи Пейджа, ставшей обладателем патента.
В американских журналах появились многочисленные публикации, в которых Пейджа объявляли мошенником, сознательно обманувшим правительство, и выдвигались требования ликвидации данного патента.
Вот такая драматическая ситуация сложилась вокруг изобретения индукционной катушки.