Расцвет естествознания на конец XIX века. Электричество

Создание экономичного генератора электрического тока оживило усилия изобретателей, искавших области применения электрического тока помимо телеграфа. Уже первые исследователи гальванизма  заметили, что проволока, по которой  идёт электрический ток, нагревается, накаливается и может даже раскалиться  до яркого свечения и расплавиться. Кроме того, в 1802 году В. В. Петров указал на возможность освещения тёмных покоев с помощью электрической  дуги. Он же исследовал электроразрядное свечение в разряженном пространстве под колпаком. Те же явления позже были изучены Дави и Фарадеем… Освещение! Сейчас трудно представить себе, что всего полтораста лет тому назад оно являло собой проблему общественной жизни. С начала XIX века в дома горожан проникает газовое освещение, пришедшее на смену свечам и лампам с жидким горючим. Сначала газовый свет казался великолепным. О лучшем, нечего было и мечтать. Однако триумф газа был недолгим. Уже к середине века газовое освещение перестало удовлетворять людей из-за своих многочисленных недостатков. Оно было тусклым, небезопасным в пожарном отношении, вредным для здоровья.

На фабриках и на заводах, где трудовой день был 14-16 часов, отсутствие яркого света сказывалось на росте  производительности и тормозило  технический прогресс. Все это  способствовало усилению работы изобретателей  над новыми видами электрического освещения: над дуговыми лампами, лампами накаливания  и газоразрядными лампами.

Раньше других появились  в разработке дуговые лампы, хотя первое время их прогресс сдерживался  отсутствием надёжных источников тока, не было и хороших углей. Древесные  угли, которыми пользовались Дэви Петров, быстро сгорали и были не прочны. Выход нашёл Роберт Бунзен – известный  химик, изобретатель цинко-угольного элемента. Он предложил использовать твёрдый нагар, остающийся на раскалённых стенках газовых реторт. Из отбитых кусков этого нагара удавалось выпилить небольшие твёрдые стержни, которые хорошо проводили ток и сгорали значительно медленнее. Позже этот нагар стали молоть и из порошка формовали стержни требуемого размера и необходимой однородности.

Вторая трудность, её называли проблемой регулятора, заключалась  в том, что угли сгорали – и  расстояние между ними увеличивалось. Дуга становилась неспокойной, свет из белого становился голубым, начинал  мигать и гас. Нужно было придумать  механизм, поддерживающий между концами  угля одинаковое расстояние.

Изобретатели предложили много устройств. Большинство из них имело тот недостаток, что  невозможно было включить несколько  ламп в одну цепь. Поэтому каждый источник первое время работал на один светильник.

Но вот в 1856 году в Москве изобретатель А. И. Шпаковский создал осветительную установку с одиннадцатью дуговыми лампами, снабженными оригинальными регуляторами. Правда, и они не решали проблему дробления света.

Первым разрешил её изобретатель В. Н. Чиколев, применивший в 1869 году в дуговой лампе дифференциальный регулятор. Этот принцип используется до сих пор в больших прожекторных установках.

Примерно к тому же времени  относятся удачные опыты по применению ламп накаливания и даже первых газосветных  трубок. Но самую важную и решающую роль в переходе от опытов по электричеству  к электрическому освещению сыграли  работы русского электротехника П. П. Яблочкова… В 1875 Яблочков вместе с изобретателем. Глуховым организовал в Петербурге мастерскую физических приборов. Компаньоны с увлечением конструировали электротехнические новинки, ставили опыты, обсуждали  грандиозные проекты… К сожалению, оба оказались плохими предпринимателями, и финансовые дела их предприятия шли из рук вон плохо.

Однажды, получив заказ  на изготовление установки для электролиза  поваренной соли, Яблочков занялся  поиском наивыгоднейшего положения электродов в растворе. Случилось так, что он коснулся концом одного электрода конца другого. Вспыхнула дуга. Они не переставали гореть, пока не сгорели. Павел Николаевич, мысли которого были заняты обдумыванием устройства дуговой лампы, сразу же понял, что перед ним простое и безусловное решение проблемы… Финансовый крах оторвал его от занятий. В октябре того же года Яблочков уезжает в Париж, где поступает на работу в электротехнические мастерские. Здесь он доводит своё изобретение до конца и получает за него патент. Два параллельно поставленных угольных стержня с прокладкой из каолина присоединялись к клеммам гальванической батарейки или машине постоянного тока. Наверху стояла угольная перемычка – запал, который быстро сгорал при включении. Немало пришлось поэкспериментировать Павлу Николаевичу. Угли сгорали не равномерно. Положительный электрод уменьшался быстрее, приходилось его делать толще… Простота конструкции и безотказность в работе электрической свечи Яблочкова привели к тому, что успех изобретения превзошёл самые смелые ожидания. Технические журналы и мировая пресса пророчили наступление новой эпохи… В 1876 году русский изобретатель представил свою удивительную свечу на Лондонской выставке. И там она стала гвоздём программы. А год спустя предприимчивый француз Денейруз добился учреждения акционерного общества “Общество изучения электрического освещения по методам Яблочкова” . Благодаря стараниям этого француза, лампы Яблочкова появились в самых посещаемых местах Парижа, на улице – Авеню де ль’Опера и на площади Оперы, а также в магазине “Лувр” тусклое газовое и жидкостное освещение заменили матовые шары, которые светились белым, мягким светом.

Это было так прекрасно, что  из Парижа русский свет шагнул не только в другие города, но пересёк границы. Ещё большую популярность он получил  после удачного эксперимента Яблочкова, в котором он попробовал применять  не постоянный, а переменный ток (теперь угли сгорали равномерно) .

ЛАМПА НАКАЛИВАНИЯ 

Единственное изобретение, которое можно противопоставить дуговой лампе Яблочкова носит  название дуговой лампы. Её демонстрация произошла тёмным осенним вечером 1873 года, толпы петербуржцев спешили  на Пески (ныне – район Советских  улиц) . “Там их ожидало чудесное зрелище. В двух уличных фонарях керосиновые лампы были заменены какими-то стеклянными пузырями, от которых шли провода в толстой резиновой оболочке к световой машине. Рядом суетились люди. Прилично одетый господин в длинном расстёгнутом пальто что-то прикручивал, соединял. Провода лежали прямо на панели и путались под ногами. Но вот застучала машина, зачихала, завертела якорь генератора, и пузырьки на столбах вспыхнули ярким светом. Люди вынимали припасённые газеты, сравнивали, на каком расстоянии от старого керосинового фонаря и нового можно было различить буквы. Разница была впечатляющей. Люди подходили и поздравляли господина в пальто” Господин Лодыгин, это великолепно! Господин Лодыгин, это изумительно!” .

Лампа накаливания была не первым его проектом, ещё в 1870 году он пытается предложить Франции своё детище электролёт. Но, к сожалению, его проект, на который тогдашнее правительство Франции ассигнует 50 тысяч франков, был свёрнут по причине революции. А патент на применение электричества в воздушной навигации получили братья Гастон и Альфред Тиссандье – воздухоплаватели.

От него осталась незначительная деталь. Для освещения своего летательного аппарата Лодыгин предлагал лампочку накаливания. Вернувшись в Россию, он получает привилегию на неё и, имея уже некоторый опыт, патентует  изобретение в ряде европейских  государств.

В 70 годы того же века с лампочкой  Лодыгина случилась одна любопытная история… В то время на одной из Северо-Американских верфей строили корабли для России, и когда настало время их принимать, туда поехал лейтенант русского флота А. Н. Хотинский. Он взял с собой несколько ламп накаливания Лодыгина. Может, чтобы освещать помещения корабля. А почему бы и нет? Изобретение уже тогда было запатентовано во Франции, России, Бельгии, Австрии и Великобритании… Случилось так, что он показал русские лампы изобретателю по имени Томас Эдисон, которому новинка чрезвычайно понравилась. Американец принялся за усовершенствование русского изобретения.

Сейчас трудно установить насколько описанное обстоятельство повлияло на изобретение Эдисона. Но именно он первым предложил выкачивать из ламп накаливания воздух. Но Лодыгин тоже не остановился на достигнутом и ставит всё новые и новые опыты, в результате которых он предложил использовать вместо угля вольфрам и другие металлы, тогда как у Эдисона роль спирали исполняло бамбуковое волокно.

Белое пятно в электричестве

В конце прошлого века учёные (Стюарт, 1878 год) пришли к выводу, что  в и атмосфере Земли на высоте примерно шестидесяти километров начинается ионизированная область – ионосфера, проводящий слой атмосферы, который  как скорлупой охватывает планету. Это позволяет грубо и приближенно  рассматривать земную поверхность  и ионосферный слой как обкладки конденсатора с разностью потенциалов  около трёхсот тысяч вольт. В  районе ясной погоды этот природный  конденсатор постоянно разряжается, поскольку ионы под действием  сил электрического поля уходят к  Земле. А вот в районах грозовой деятельности картина иная. Считается, что в один момент времени гроза  охватывает примерно 1% земной поверхности. В этих районах мощные токи текут  снизу вверх, компенсируя разряд в ясных районах.

Таким образом, грозовые облака – это не что иное, как природные  электрические генераторы, поддерживающие в равновесии всю систему сложного электрического хозяйства во всем земном масштабе.

Казалось бы, люди, занявшиеся изучением электрических сил, в  первую очередь должны были бы обратить внимание на атмосферное электричество. Ведь оно, как ни какое другое, ближе  и всегда под руками. Однако на деле было не так. Долгое время исследователи  и не предполагали, что крошечная  искорка и молния явления одной  природы и лишь разные по своему масштабу. Вернее сказать, подозрения, конечно, были. Порою, они даже высказывались  в слух. Но это были лишь подозрения. Глубокое заблуждение древних философов, убеждённых в том, что мир Земля не имеет ничего общего с миром Неба, были стойкими и держались долго. Лишь в XVIII веке наступило время объединить наблюдаемые явления и уверенно заявить о том, что небесное и земное электричество – явления одной природы. И только XX столетие объяснило механизм образования грозы. Правда, пока объяснило тоже не до конца…

Применение электричества  в медицине и биологии

С течением времени областей применения электричества становится всё больше. Становится популярным применение электричества и в  химии, начало которому положил Фарадей.

Перемещение вещества –  движение зарядоносителей – нашло одно из первых своих применений в медицине для ввода соответствующих лекарственных соединений в тело человека. Суть метода состоит в следующем: нужными лекарственными соединениями пропитывается марля или любая другая ткань, которая служит прокладкой между электродами и телом человека; она располагается на участке тела подлежащему лечению. Электроды подключаются к источнику постоянного тока. Метод подобного ввода лекарственных соединений впервые применён во второй половине XIX века, широко распространён и сейчас. Он носит название электрофореза или ионофореза.

Последовало ещё одно, имеющее  огромную важность для практической медицины открытие в области электортехники. 22 Августа 1879 года английский ученый Крукс сообщил о своих исследованиях катодных лучей, о которых в то время стало известно следующее:

1. При пропускании тока высокого напряжения через трубку с очень сильно разряженным газом из катода вырывается поток частичек, несущихся с огромной скоростью.

2. Эти частички движутся строго прямолинейно.

3. Эта лучистая энергия может производить механическое действие. Например, вращать маленькую вертушку, поставленную на её пути.

4. Лучистая энергия отклоняется магнитом.

5. В местах, на которое падает лучистая материя, развивается тепло. Если катоду придать форму вогнутого зеркала, то в фокусе этого зеркала могут быть расплавлены даже такие тугоплавкие материалы, как, например, сплав иридия и платины.

6. Катодные лучи – поток материальных телец меньше атома, а именно частиц отрицательного электричества.

Таковы первые шаги в преддверии нового крупнейшего открытия, сделанного Вильгельмом Конрадом Рентгеном.

Рентген обнаружил принципиально  иной источник освещения, названный  Х-лучами. Позже эти лучи получили название рентгеновских. Сообщение Рентгена вызвало сенсацию. Во всех странах мира множество лабораторий начали воспроизводить установку Рентгена, повторять и развивать его исследования. Особый интерес вызвало это открытие у врачей. Физические лаборатории, где создавалась аппаратура, используемая Рентгеном для получения Х-лучей, атаковались врачами и их пациентами, подозревавшими, что в них находятся когда-то проглоченные иголки, пуговицы и т.д. История медицины до этого не знала столь быстрой реализации открытий в области электричества, как это случилось с новым диагностическим средством – рентгеновскими лучами.

Заинтересовались рентгеновскими лучами и в России. Еще не было официальных научных публикаций, отзывов на них, точных данных об аппаратуре, лишь появилось краткое сообщение  о докладе Рентгена, а под Петербургом, в Кронштадте, изобретатель радио  Александр Степанович Попов уже  приступает к созданию первого отечественного рентгеновского аппарата. Об этом факте  мало известно. О роли А. С. Попова в разработке первых отечественных рентгеновских аппаратов, их внедрении, пожалуй, впервые стало известно из книги Ф. Вейткова.

Новые достижения электротехники соответственно расширили возможности  исследования “живого” электричества. Маттеучи, применив созданный к тому времени гальванометр, доказал, что при жизнедеятельности мышц возникает электрический потенциал. Разрезав мышцу поперёк волокон, он соединил её с одним из полюсов гальванометра, а продольную поверхность мышцы соединил с другим полюсом и получил потенциал в пределах 10-80 мВ. Значение потенциала обусловлено видом мышц. По утверждению Маттеучи, биоток течёт от продольной поверхности к поперечному разрезу, и поперечный разрез является электроотрицательным. Этот любопытный факт был подтверждён опытами над различными животными – черепахами, кроликами и птицами, проводимыми рядом исследователей, из которых следует выделить немецких физиологов Дюбуа-Реймона, Германа и нашего соотечественника В. Ю. Чаговца. Пельтье в 1834 году опубликовал работу, в которой излагались результаты исследования взаимодействия биопотенциалов с протекающим по живой ткани постоянным током. Оказалось, что полярность биопотенциалов при этом меняется. Изменяется и амплитуда.