ЭЛЕКТРОФОРНАЯ МАШИНА ГОЛЬЦА

История исследования и открытий в области электричества тесно связана с использованием разнообразных конструкций электрических машин - устройств для получения электрических зарядов, называемых также электростатическими машинами. Конструкция электростатических машин основана на принципе получения электрической энергии за счет механической работы, затрачиваемой при приведении в движение (вращение) подвижных частей машины, в первую очередь, на преодоление сил притяжения или отталкивания, действующих в каждый момент между разноименно и одноименно наэлектризованными движущимися частями машины.

Изучение принципов действия электростатических машин, подразделяемых на машины трения и электрофорные машины, способствовало лучшему пониманию природы электричества, поэтому они являлись не только устройствами для получения больших электрических зарядов, но и научно-исследовательскими стендами.

Первая электростатическая машина появилась около 1650 г. Ее сконструировал немецкий ученый, бургомистр Магдебурга Отто фон Герике. Работа этой машины основывалась на явлении электризации тел трением. В дальнейшем было создано большое количество разнообразных конструкций электрических машин трения, но все они имели общий существенный недостаток: работа с такими машинами требовала приложения очень больших физических усилий.

В отличие от машин трения действие электрофорных машин основано на возбуждении электричества благодаря явлению индукции, т.е. без непосредственного соприкосновения вызывающих электризацию частей машины.

Впервые электрофорная машина была создана в 1865 г. немецким физиком-экспериментатором Августом Теплером, отметившим в одной из своих статей в 1867 г., что «электрофорная машина представляет собою, пожалуй, наиболее прямой путь для получения электрических действий за счет механической работы». Одновременно с Теплером и независимо от него электрофорная машина была также изобретена другим немецким физиком Вильгельмом Гольцем (1836-1913). Машина Гольца имела более простую, чем машина Теплера, конструкцию, но в то же время позволяла получать большую разность потенциалов и могла использоваться в качестве источника постоянного электрического тока.

Благодаря своим преимуществам машина Гольца получила наибольшее распространение среди электрофорных машин и изготавливалась не только для научных целей, но и для оснащения физических кабинетов различных учебных заведений.

Машина Гольца, представленная в экспозиции Политехнического музея, относится к старейшим его экспонатам. В экспозиции Педагогического отдела Политехнической выставки 1872 г., от которой ведет свою историю музей, в Отделении военного ведомства был представлен образцовый физический кабинет для военных учебных заведений. Среди его экспонатов была и машина Гольца с принадлежностями. После выставки машина Гольца поступила в Политехнический музей и с тех пор широко использовалась в его экспозиции. Так, в статье директора физического отдела музея А.С. Владимирского «О составе коллекции отдела прикладной физики Политехнического музея» за 1874 г. мы читаем: «Большая электрофорная машина Гольца работы г. Рихтера служит для освещения юбилейного щита из гейслеровых трубок, сделанного замечательным мастером этого дела в Париже Сегюи». Эта же машина Гольца упоминается в кратких указателях коллекций Политехнического музея за различные годы. Например, в указателе коллекций за 1882 г. в разделе, посвященном отделу прикладной физики, говорится: «Среди залы стоит громадная электрическая машина Гольца (работы Рихтера) с принадлежностями; над нею светящаяся надпись из гейслеровых трубок, напоминающая о Политехнической выставке 1872 г.». Машина Гольца использовалась в музее также для учебных целей при проведении Воскресных «объяснений» коллекций Политехнического музея. Кроме того, эта электрическая машина служила и научным целям в изучении природы электричества. Так, например, устройство и принцип действия машины Гольца неоднократно обсуждались на заседаниях Императорского общества любителей естествознания, антропологии и этнографии, проходивших в музее.

Рассмотрим теперь кратко принцип работы машины Гольца, привлекавшей к себе внимание ученых и посетителей музея с первых дней его основания. Основные рабочие части машины объединены в систему из двух стеклянных дисков и металлических вилок (гребенок) для снятия зарядов с дисков. Стеклянные диски имеют разный диаметр: неподвижный диск - 100 см, вращающийся диск - 94 см. Неподвижный диск опирается на эбонитовую пластинку и поддерживается в вертикальном положении при помощи эбонитовых кружков, закрепленных на изолирующих стойках. В неподвижном диске сделаны вырезы, а на его задней поверхности наклеены бумажные неполные секторы, называемые оправами, оканчивающиеся бумажными же язычками, передние края которых имеют заостренную форму. Эти острия проходят через упомянутые вырезы и несколько изогнуты по направлению к задней поверхности другого стеклянного диска, расположенного перед неподвижным диском. Этот передний диск имеет меньший диаметр и вращается на горизонтальной оси, проходящей через центральное отверстие большого диска. Оба диска, оправы и их язычки покрыты слоем гуммилака. Перед вращающимся диском вдоль горизонтального диаметра расположены две латунные гребенки, каждая из которых соединена с соответствующим латунным кондуктором, оканчивающимся спереди шаром, через который проходит латунный стержень с шариком и деревянной рукояткой. Передний диск вращается посредством рукоятки и системы шкивов с ременной передачей. К собственным кондукторам электрофорной машины могут быть подсоединены две лейденские банки, устанавливаемые на специальные медные подставки, позволяющие с помощью проволоки соединить их внешние обкладки. На передней стороне основания машины располагаются два латунных столбика с зажимами для подсоединения проводов. Для того чтобы можно было воспользоваться током машины Гольца, стержни с шариками наклоняют так, чтобы они прикасались к столбикам.

Принцип работы машины удобно рассматривать на ее горизонтальной проекции. Перед началом эксплуатации необходимо наэлектризовать оправы разноименными зарядами (например, р +, а р' -). Эти оправы (полоски) в соответствии с явлением индукции будут действовать на вращающийся диск В, а через него на гребенки О и О', при этом р, обладая положительным зарядом, вызовет через влияние появление отрицательного заряда в части m диска В и притянет тот же заряд из гребенки О, который отложится в части m' диска В. Таким образом, диск В электризуется отрицательно на обеих своих сторонах в m и m', в то время как гребенка О и кондуктор Сг заряжаются положительно. По мере вращения диска m и m' перемещаются к окну F', где поверхность m' усиливает влияние полоски р', притягивая из гребенки С' положительный заряд, заряжая гребенку О' и кондуктор С'г' отрицательно. В свою очередь m, оказывая индуктивное воздействие на полоску р', притягивает положительный заряд, поддерживая ее в отрицательном состоянии. Затем части m и m' снова проходят перед окном F и т.д., повторяя последовательно описанный процесс. Таким образом, электорофорная машина Гольца позволяет одновременно получать заряды обоих знаков.

Сегодняшние посетители Политехнического музея, могут познакомиться с этим удивительным экспонатом, памятником науки и техники, сделанным в России и внесшим свой вклад в изучение, распространение и популяризацию научных знаний об электричестве.

В.М.Витвицкий