Владимир Рюмин: Занимательная электротехника

Серия «Советские учебники. Классика научпопа»

В оформлении обложки использована иллюстрация: yusuf_demirci / Shutterstock / FOTODOM

Используется по лицензии от Shutterstock / FOTODOM

© Оформление. ООО «Издательство «Эксмо», 2025

Предисловие

Телеграф, телефон, радиосообщение, электрическое освещение и отопление, электроавтомобили, трамваи, электровозы, передача работы на сотни верст при помощи электрического тока, электроплавка металлов и прочие приложения электричества в технике и промышленности – вот что составляет предмет изучения прикладной отрасли знания, называемой электротехникой.

Вещи все как будто серьезные и не предназначенные для забавы. Каким же образом электротехника может быть занимательной? Интересной – да! Полезной – да! Но занимательной?

А вот увидите, что и из этой науки можно извлечь немало занимательного и без всякой скуки ознакомиться с кое-какими ее данными.

Знакомство же это людям XX века нужно.

Все шире и шире распространяется приложение электричества во всех отраслях человеческого труда, все властнее и властнее вторгается оно в обыденную жизнь – как же не знать основ этого приложения?

Мы, современники начала электрической эры человечества, еще далеко не отчетливо сознали всю важность совершающегося на наших глазах процесса электрификации всех областей жизни – от заводской деятельности до театральной сцены, от взрыва на расстоянии гигантских броненосцев до укачивания ребенка в колыбели.

И многие ли знают, хотя бы в общих чертах, на чем основан этот процесс, из каких «детских» игрушек ученых прошлых столетий он возник и развился?

Все ли мы оцениваем как должно те неисчислимые блага, которые принесло нам использование техниками результатов наблюдений ученых над свойствами электричества, хотя бы в виде телеграфа, телефона, электрического освещения и трамвая?

Мы уже успели свыкнуться с тем, что для освещения комнаты достаточно щелкнуть выключателем, что трамвай в несколько минут успевает домчать нас туда, куда пешком мы бы шли более часа, что мы, не выходя из дома, беседуем с нужным нам человеком, живущим на другом конце города, и ежедневно узнаем, что случилось вчера во всем мире. Все это совсем не кажется нам чем-то чудесным.

Вот разве еще радиопередача поддерживает интерес общества к электротехнике, еще не перестали мы удивляться возможности в любой глухой деревушке, на тысячи верст удаленной от культурных центров, слушать концерты мировых знаменитостей или лекции прославленных ученых.

Привыкнем скоро и к этому чуду электротехники, как привыкли к десяткам других.

Люди – дети, их занимает только новинка, а то, что стало обычным, перестает привлекать их внимание и возбуждать желание познакомиться с поближе.

В этой книжке я постараюсь пробудить у читателя такой интерес и показать, что не все привычное является нам понятным и не все повседневное лишено занимательности.

Надеюсь, что после того, как ее прочтете, у вас явится желание поближе познакомиться с законами, по которым действует электричество^[1], и с методами и приемами, с помощью которых это действие использовано техниками.

Если так, то и отлично!

Говорят: «Корни учения горьки, а плоды его сладки». Попробую убедить вас, что это правило имеет исключения, что можно без всяких формул и сухих правил начать знакомство с некоторыми проявлениями электричества и приспособлениями для использования нами этих явлений.

Попутно, может быть, вы сверх того узнаете кое-что из того, о чем трактуют учебники физики и электротехники. Такое знание, приобретенное между делом, без напряжения соображения и памяти, вам во всяком случае не повредит, даже облегчит будущее систематическое изучение этих наук.

Электротехник не найдет в моей книге ничего для себя нового, ведь она и предназначается не для него, а для тех, кто в будущем, быть может, захочет сам стать электротехником.

На новизну описываемых в ней опытов и приборов я также не претендую, да вряд ли такая претензия и возможна.

Мне принадлежит не идея тех или иных занимательных опытов или развлечений, о которых я говорю, и приборов, которые я описываю, а в большинстве случаев лишь некоторые изменения в постановке первых и конструкции вторых.

По мере возможности я старался опыты сделать более эффектными, а приборы наиболее примитивными. Насколько это мне удалось, о том судить читателю!

За прекрасно выполненные иллюстрации к книге пользуюсь случаем принести благодарность художнику Ю. Д. Скалдину.

Вместо введения

Незанимательное начало занимательной книжки

Незанимательное начало – это еще не значит горькие корни учения. Это просто необходимое вступление, да и то необходимое только для тех, кто совершенно незнаком даже с элементарными понятиями об электричестве. Тот, у кого они есть, может перевернуть эту пару страниц, не читая.

Человека работоспособного, не любящего сидеть долго сложа руки, называют человеком энергичным. Он почти всегда в движении: возьмется за одну работу, управится с ней, принимается за другую. Любо глядеть на такого. Наверное, он полезнее своим ближним, чем какой-нибудь лентяй-лежебока. Но конечно, нельзя работать без передышки, нельзя круглые сутки быть в движении. И самый энергичный человек временами спит или просто отдыхает. И все-таки, хотя он в такие моменты ничем своей энергии не проявляет, в скрытом состоянии она у него остается. Проснулся, отдохнул – и опять может приняться за дело.

В физике (наука об окружающем нас вещественном мире) всякую работоспособность вещества тоже называют энергией. Если это энергия действующая, могущая производить работу – например, энергия расширяющегося пара, движущего поршень, энергия падающего потока, вращающего мельничное колесо, и т. п., – то мы говорим об энергии движения (кинетической). Тот же пар в герметически (вплотную) запертом котле, та же вода, задержанная плотиной, содержат определенный запас энергии в скрытом (потенциальном) состоянии.

Чем паровой котел вместительней, тем большее количество пара он содержит, тем бóльшую работу пар, выпускаемый из котла в машину, может произвести, тем более, стало быть, его энергия. Но работоспособность пара зависит не только от его количества, а и от температуры и, как следствие этой температуры, от его упругости, напряженности. И в небольшом паровике находящийся под большим давлением пар может иметь такой же и даже больший запас энергии, как пар малого напряжения в большом котле.

Опять же возьмем воду. И сто ведер, падающих с высоты одного метра, и одно ведро, выливающееся с высоты ста метров, проявят одну и ту же работоспособность.

Значит, работа всякой энергии измеряется единицами сложными, представляющими произведение из единиц количества энергии на единицы ее напряженности (потенциала).

Электричество тоже работоспособно, это тоже вид энергии, и, как всякая энергия, может: 1) находиться в состоянии покоя (статический заряд) или действия (разряд, ток); 2) производить работу, пропорциональную своему количеству и напряжению.

А все-таки что же такое электричество?

Существует старый анекдот, как профессор спросил у студента: «Что такое электричество?» Растерявшийся юноша отвечал: «Я знал, только сейчас забыл». – «Постарайтесь вспомнить. Это крайне для меня важно, так как я и сам не знаю, что оно такое».

А другой ученый будто бы говорил: «Объясните мне, что такое электричество, а я объясню вам все остальное».

После долгих исканий и самых фантастических предположений о сущности электричества мы, кажется, наконец узнали, что оно такое. Узнали, чтобы убедиться в невозможности определить это понятие.

Попробуйте-ка ответить на вопросы: что такое время? что такое пространство?

Скажете: пространство – это то, в чем расположены все вещи, а время – это то, в чем происходят все события. Конечно, так. Ну а если бы никаких вещей не существовало и никаких событий не происходило, разве это мешало бы существованию и пространства как такового, и времени самого по себе?

Нечто в этом роде происходит в наши дни и с определением понятия об электричестве. Раньше считали, что электричество – нечто отдельное от материи (вещества), определяли его более или менее неудачно на разные лады. В данный же момент наука пришла к удивительному выводу, что электричество и вещество – это одно и то же (определение Камферта) или, пожалуй, что наэлектризованность – такое же первичное свойство материи, как способность занимать часть пространства и существовать во времени.

Все окружающие нас тела построены из молекул, строение которых определяет физические свойства вещества; молекулы же представляют собой комбинации атомов, носителей химических особенностей, а сами атомы слагаются из электронов, которым неотделимо присущ электрический заряд.

Атом – подобие солнечной системы с положительно заряженным ядром в центре и отрицательно заряженными электронами, вращающимися на определенных расстояниях вокруг положительного ядра. Пока атом содержит равные количества зарядов, он нейтрален, в нем не проявляется электрический заряд. Уменьшение числа электронов вызывает положительный заряд атомов, увеличение – отрицательный. Очень неудачно было названо электрическое состояние стекла, натертого шелком, – положительным зарядом, а янтаря, натертого о сукно, – отрицательным. Как раз наоборот: по современным понятиям тело, заряженное отрицательно, содержит избыток свободных электронов, а заряженное положительно не имеет надлежащего их количества.

Итак, электричество – это первичное свойство вещества и может быть само первичное вещество.

Удовольствуемся этим «объяснением», если только оно что-либо объясняет.

Для нас, желающих познакомиться с техническими применениями электричества, вполне достаточно рассматривать его как вид энергии, не вдаваясь в философию и метафизику и не стремясь сыскать «начало всех начал».

При случае мы, впрочем, еще вернемся к сказанному, а теперь перейдем к самому важному для каждого экспериментатора^[2] вопросу: «А как же добыть это электричество, чтобы произвести с ним какие-нибудь опыты и дать ему те или иные интересные практические приложения?»

Источники электричества

Способов получения электричества имеется несколько. Наиболее общедоступный – превращение механической работы в электрическую потенциальную энергию; другими, более простыми словами – получение электричества трением разнородных тел друг о друга. В кинетическом состоянии, в виде длительного тока, электричество получается при некоторых химических реакциях^[3].

Каждый начинающий экспериментатор сможет воспользоваться и этим способом. Оба они будут мной далее описаны. Ими, однако, не исчерпываются источники получения электрической энергии, и оба они имеют присущие им недостатки.

В приспособлениях для получения статического заряда удается получить лишь ничтожные количества электричества, хотя, правда, весьма высокого напряжения; в приборах, дающих гальванический ток, количество развиваемого в единицу времени электричества в миллионы раз больше, чем в электростатических машинах, но зато напряженность его в тысячи и десятки тысяч раз меньше.

Наилучшие источники тока, дающие большие количества электричества высокого напряжения, следовательно, совмещающие в себе достоинства приборов первого и второго рода, – это механические генераторы тока, производящие ток с помощью вращения проводников его в магнитном поле, т. е. вблизи полюсов магнита.

Такой ток служит для электрического освещения наших квартир, и им (с соблюдением величайшей осторожности ввиду его опасности для жизни) экспериментатор, приобретший уже некоторую опытность в обращении с электрическими приспособлениями, также сможет воспользоваться при своих работах.