Василий Владимирович Петров — первый русский электротехник
Петров Василий Владимирович (1761-1834) – известный физик-экспериментатор и электротехник, ставший членом Петербургской академии наук. Организовал серию исследований, которые положили начало серьезному изучению явления люминесценции. Осуществил глубокий теоретический анализ известных ему научных открытый в сфере электричества, смог открыть и описать электрическую дугу – эффект свечения между двумя электродами. Первым указал на наличие зависимости силы электротока от площади поперечного сечения проводника.
Детство и юношеские годы
Василий Владимирович родился 8 (19) июля 1761 года в городе Обояни недалеко от Курска. Его отец был священником, поэтому неудивительно, что кроме домашнего обучения он получал образование в церковно-приходской школе. Затем мальчика отправили в Харьков для продолжения учебы в тогда единственном на Украине образовательном учреждении (Харьковский коллегиум), где велось преподавание наук на высшем уровне. Однако закончить его он не смог, так как перевелся в столицу в учительскую семинарию. Здесь в сфере глубоких интересов Петрова оказались физика и математика.
В 1788 году он переезжает в Барнаул, где получает место учителя физики и математики в местном Колыванско-Вознесенском училище. Однако опыт работы здесь был недолгим и Василия переводят на преподавательскую работу в Инженерное училище при Измайловском полку. В 1793 году в жизни Петрова происходят новые изменения – его приглашают в медико-хирургическое училище Петербурга читать физику и математику. Через 2 года Петров получает профессорское звание и собственный хорошо оборудованный кабинет для проведения физических экспериментов.
Гальваническая батарея
Василий Владимирович всерьез интересовался работами итальянского физика Аллесандро Вольта. В 1802 году ему удалось найти необходимую сумму для начала изготовления огромной гальванической батареи. Экспериментатор не хотел идти по пути иностранных коллег, работавших с классическим вольтовым столбом, а решил исследовать явления, порождаемые чрезвычайно мощным устройством. Результаты работы были подробно изложены в труде «Известия о гальвани-вольтовских опытах», увидевшем свет в 1803 году.
Конструкция Петрова серьезно отличалась от устройства Вольты. При создании его столба было использовано 4200 цинковых и медных круглых пластин диаметром 3,5 см. Если их расположить друг на друге получился бы 12-метровый столб, а электролит выжимался бы (под весом тяжести) из бумажных дисков, расположенных в нижней части. Это существенно понизило бы эффективность батареи.
Поэтому устройство было расположено горизонтально в специальном ящике. Круглые пластины стояли на ребре и уложены в четыре последовательных ряда. С внутренней стороны ящик был пропитан изолирующим сургучным лаком. В результате получилась долговечная, удобная, а главное мощная конструкция.
Гальваническая батарея конструкции Петрова. Ящик был сделан из красного дерева и длина его составляла около трех метров
Согласно современным оценкам батарея создавала напряжение около 1500 — 1700 Вольт. Автор доказал, что ее действие связано с химическими процессами, протекающими между металлами и электролитом.
Исследования в области электролиза
Пользуясь этим источником тока, Василий Владимирович провел ряд важных исследований, результатом которых стали важные открытия. Например, ему удалось доказать, что разные вещества ведут себя неодинаково при электролизе. Для разложения растительного масла потребовалась огромная батарея из 4200 пар, а для воды хватало и двух пар пластинок. На протекание этого физико-химического процесса влияет температура. Батарея, исчерпавшая свой запас на холоде, вполне может ожить, будучи занесенной в теплое помещение, утверждал Петров.
Проводя исследования, связанные с разложением жидкостей с помощью электричества, Василий Владимирович одним из первых выяснил, что металл подвержен тем же процессам, что и жидкости. Изменение ее окраски связано с особенностями материала, из которого выполнен электрод. Петров стал пионером в выделении металлов из солей и растворов с помощью электротока.
Опыты с электричеством
Василий Владимирович изучал электрические явления, которые наблюдались в разреженном пространстве с неэлектризованными объектами. Для проведения исследований было сконструировано особое устройство, которое представляло собой видоизмененную электрофорную машину с воздушным насосом.
Ученый смог опровергнуть господствовавшую тогда догму о невозможности наэлектризовать металл с помощью трения. Сделал он это довольно просто – хорошо заизолировал металлический стержень и наэлектризовал его. В итоге стало ясно, что заряды на изолированном материале удерживались столь же сильно, как на непроводниках. Также Петров глубоко изучал эффект электризации «стеганием» тела человека выделанным мехом и пытался понять насколько данный способ подходит для лечебных целей. По итогам серии исследований он издал свой труд «Новые электрические опыты».
Исследование люминесценции
Ученый уделял огромное внимание изучению проблем свечения тел, детально исследуя явление фотолюминесценции и хемилюминесценции. При этом он четко разделял эти два понятия. В первом случае речь шла о свечении, возникающем посредством подводимой энергии света, а во втором за счет химических трансформаций в теле.
Петров стал первым применять с целью изоляции проводов сургуч, а для многожильной проводки использовал специальное изоляционное покрытие. Оно состояло из шелковой нити или медной проволоки, покрытой небольшим восковым слоем. Ученый одним из первых на планете применил параллельное соединение проводников, что позволило добиться более сильного действия. Именно Петрову принадлежит самое раннее описание электрической дуги, которая появляется во время сближения двух угольков, имеющих соединение с источником тока. Вот так он описывал этот опыт:
«Если на стеклянную плитку или на скамеечку со стеклянными ножками будут положены два или три древесных угля, способные для произведения светоносных явлений, и если потом металлическими изолированными направлятелями (directores), сообщенными с обоими полюсами огромной батареи, приближать оные один к другому на расстояние от одной до трех линий, то является между ними весьма яркий белого цвета свет или пламя, от которого оные угли скорее или медлительнее загораются, и от которого темный покой довольно ясно освещен быть может».
Электрическая дуга между угольными электродами
По мнению ученого, появление свечения в воздухе между углями продиктовано тем, что этот материал плохо проводит электричество. Электроны, текущие по угольному проводнику, встречают огромное сопротивление со стороны мелких частиц вещества, что сильно затормаживает их движение. Энергия электронов переходит к проводнику, при этом его температура повышается. Больше всего нагреваются соединенные концы углей (свыше тысячи градусов), так как здесь электроток встречает наибольшее сопротивление. В результате возникает яркое свечение. Воздух между углями также сильно нагревается и в таком состоянии начинает проводить электричество, поэтому, даже если угольки немного отдалить друг от друга ток не прекратится.
Это открытие не вызвало большого энтузиазма в научных кругах, а многие европейские коллеги могли и вовсе не знать о нем из-за отсутствия перевода. Несмотря на отсутствие признания, Петров остался верен себе и глубоко изучил свойства дуги, обнаружив возможность ее использования для освещения, а образующуюся высокую температуру для сварки различных металлов.
Вольтова (электрическая) дуга впервые вспыхнула в России!
К подобным выводам несколько позже пришел английский физик Гемфри Дэви, который доложит результаты своих наблюдений Лондонскому королевскому обществу, чем вызовет огромный восторг у собравшейся публики. Спустя более чем полвека, идею Петрова применит в своей разработке Павел Яблочков, создав свою знаменитую «электрическую свечу». В 1881 году русский инженер Николай Николаевич Бенардос изобрел электросварку.
Работы в области химии
Одна из основных целей, которую преследовал Петров в этой сфере – проверить опытным путем результаты научных выводов кислородного учения Лавуазье и подвергнуть глубокому анализу все случаи отступления от него. Таким образом, Василий Владимирович выступил как последовательный борец против теории флогистона, утверждавшей наличие некой «огненной материи», из которой якобы состояли все горючие вещества. Ложность этой концепции была доказана позднее учеными-химиками. Своими трудами русский ученый способствовал появлению прогрессивных идей, связанных с сущностью химических процессов, в частности, окисления.
Среди прочего Петров изучал причины разрывания камней от намоченных водой деревянных клиньев и деформацию трубок из металла, наполненных водой, от бобовых или гороховых зерен. В сфере интересов ученого был обычный снег, физические свойства которого также подверглись исследованию. Он впервые сформулировал и описал сублимацию снега и льда.
В последние годы жизни Петров вынужден был бороться с тяжелой болезнью. Катаракта обеих глаз лишила его на некоторое время зрения, но после проведенной операции он вновь стал видеть и вернулся к работе. Однако вскоре он был уволен с должности и через полтора года скончался.
Василий Владимирович Петров — великий русский ученый-самоучка
Петров был настоящим ученым-самоучкой, который не заканчивал университетов и не имел возможности пройти научную школу. Он не выезжал за рубеж и не мог лично пообщаться с европейскими коллегами. Василий Владимирович ушел из жизни 22 июля (3 августа) 1834 года в Санкт-Петербурге в возрасте 73 лет. Со временем его могила затерялась и лишь благодаря усилиям профессора Н. Н. Георгиевского была найдена на Смоленском кладбище Санкт-Петербурга.
Интересные факты
- Петров проводил свои исследования в те времена, когда приборов было очень мало, что делало очень сложным отслеживание результатов работы. В этом случае Василий Владимирович опирался на собственные ощущения, вызываемые электротоком в его пальцах. Чтобы повысить чувствительность конечностей он удалял с их кончиков верхнее наслоение кожи. Это позволяло обнаруживать даже незначительные заряды тока.
- До наших дней не дошло ни одного прижизненного портрета Василия Владимировича. Во многом это связано с гонениями, которые санкционировал в отношении ученого руководивший просвещением граф Уваров. После его смерти Петрова ограничения коснулись его дочерей, которые были лишены пенсионных выплат.
- Наряду с научными открытиями, Петров запомнился новаторским подходом к преподаванию физики. Он нередко сопровождал свои лекции многочисленными опытами, настояв на включение в образовательный процесс специального практикума. Его кабинет физики превратился в передовую для своего времени учебно-исследовательскую лабораторию.
- Существует версия, по которой Василий Владимирович проигнорировал похороны Александра I, за что позднее подвергся опале.
- Одним из самых ценных приобретений физического кабинета Петрова стало редкое собрание приборов, которым некогда владел столичный меценат Д. Бутурлин. Оно хранилось во дворце хозяина в Лефортове и при его жизни служило для развлечения гостей, изумлявшихся от вида эффектных опытов.
- После смерти имя Петрова было быстро предано забвению. В самом конце XIX века студент Петербургского университета А. Гершун нашел его книгу «Известие о гальвани-вольтовских опытах», которая получила высокую оценку в это время. Стало ясно, что этот электротехник совершил свои открытия раньше тех, кому они были приписаны. Однако все это никак не повлияло на развитие мировой науки, так как его опыты и эксперименты были многократно продублированы другими исследователями.
Обложка книги «Известие о гальвани-вольтовских опытах, которые производил профессор физики Василий Петров» (1936 год). Сборник был выпушен к столетию со дня смерти академика В.В. Петрова
Видео
Документальный фильма «Курская жемчужина». Физик-экспериментатор Василий Петров. Телерадиокомпания «Сейм».
Электрическая дуга
Электрическая дуга (вольтова дуга, дуговой разряд) — физическое явление, один из видов электрического разряда в газе.
Электрическая дуга первые была описана в 1802 г. русским ученым В. Петровым.
Она является частным случаем 4 й формы состояния вещества — плазмы — и состоит из ионизированного, электрически квазинейтрального газа.
Присутствие свободных электрических зарядов обеспечивает проводимость электрической дуги.
Электрическая дуга между 2 м я электродами в воздухе при атмосферном давлении образуется следующим образом.
При увеличении напряжения между двумя электродами до определенного уровня в воздухе между электродами возникает электрический пробой.
Напряжение электрического пробоя зависит от расстояния между электродами и пр.
Зачастую для инициирования пробоя при имеющемся напряжении электроды приближают друг к другу.
Во время пробоя между электродами обычно возникает искровой разряд, импульсно замыкая электрическую цепь.
Электроны в искровых разрядах ионизируют молекулы в воздушном промежутке между электродами.
При достаточной мощности источника напряжения в воздушном промежутке образуется достаточное количество плазмы для того, чтобы напряжение пробоя (или сопротивление воздушного промежутка) в этом месте значительно упало.
При этом искровые разряды превращаются в дуговой разряд — плазменный шнур между электродами, являющийся плазменным тоннелем.
Эта дуга является по сути проводником, и замыкает электрическую цепь между электродами, средний ток увеличивается еще больше нагревая дугу до 5000–50000 K.
При этом считается, что поджиг дуги завершен.
Взаимодействие электродов с плазмой дуги приводит к их нагреву, частичному расплавлению, испарению, окислению и другим видам коррозии.
После поджига дуга может быть устойчива при разведении электрических контактов до некоторого расстояния.
При эксплуатации высоковольтных электроустановок, в которых неизбежно появление электрической дуги, борьба с электрической дугой осуществляется при помощи электромагнитных катушек, совмещенных с дугогасительными камерами.
Среди других способов известны использование вакуумных и масляных выключателей, а также методы отвода тока на временную нагрузку, самостоятельно разрывающую электрическую цепь.
Электрическая дуга используется при электросварке металлов, для выплавки стали (дуговая сталеплавильная печь) и в освещении (в дуговых лампах).
Плазму окрыли 200 лет назад
17 января 1808 года британец сэр Гемфри Дэви изобрел электрическую дугу
Электрическую дугу, или дуговой разряд, в действительности открыли двое ученых независимо друг от друга: российский физик Василий Петров в 1802 году и позднее, в 1808 году, Дэви. Несмотря на то что результаты поставленных Петровым опытов были изложены в научном труде (опубликован в том же 1802 году), в западной историко-научной традиции первооткрывателем зачастую считается Дэви, действительно не знавший о конгениальном российском физике и его экспериментах. Впрочем, на счету Дэви и так было немало научных открытий, среди которых первый наркоз — закись азота. Кроме того, Дэви известен как наставник Майкла Фарадея — небезызвестного английского физика, первого исследователя электромагнетизма, создателя трансформатора и чертежа первого электрического двигателя.
Фото: Jeff Kubina / Wikimedia
Оба исследователя наблюдали это физическое явление между двумя горизонтально и близко друг к другу расположенными электродами. Когда напряжение достигает необходимой величины, между электродами происходит электрический пробой газа в виде искрового заряда — электрическая цепь замыкается посредством ионизации молекул воздуха и передачи через них заряда. Восходящие за счет конвекции потоки воздуха придают разряду форму дуги, изгибая и колебля ее в пространстве. В эффекте электрической дуги проявляется четвертое агрегатное состояние вещества — плазма.
Долгое время сама электрическая дуга никак не могла принести человечеству хоть какую-то практическую пользу. Спустя несколько лет Дэви изобрел дающую свет дуговую лампу, но даже ее многие десятилетия не знали, как применить на практике. В середине XIX века предпринимались попытки использовать дуговые лампы для освещения, но тогда это было вовсе не целесообразно, так как было проблематично поддерживать неизменное расстояние между электродами и стабильность подачи электроэнергии. Однако эти сложности вскоре научились преодолевать, и дуговые лампы стали широко применяться в уличном освещении.
К 1880 году угольные дуговые лампы могли служить более 100 часов и имели большую светоотдачу, чем более ранние их экземпляры (за счет добавления в угольные стержни различных металлов, дававших еще к тому же и различные цвета). В XX веке эффект электрической дуги использовали для создания плазмы, а также в электросварке. Самый очевидный встречающийся в природе пример электрической дуги — молния.
Петров Василий Владимирович
Петров Василий Владимирович (8 [19] июля 1761 – 22 июля [3 августа] 1834), физик-экспериментатор, электротехник. Академик ИАН.
Родился в г. Обоянь Белгородской провинции Белгородской губернии (ныне в Курской области). Учился в Харьковском коллегиуме, затем в Санкт-Петербургской учительской семинарии. В 1788–1791 гг. преподавал в Колывано-Воскресенском горном училище (Барнаул) математику, физику, русский и латинский языки. В 1793–1833 гг. работал в Медико-хирургической академии в Петербурге. Экстраординарный профессор (1795), ординарный профессор (1801). В. В. Петров – один из первых русских исследователей в области электротехники. Создал крупнейшую по тому времени гальваническую батарею (1802), так называемый вольтов столб, из 2100 медно-цинковых элементов, с помощью которой 23 ноября 1802 г. открыл явление электрической дуги; указал на возможности её практического применения (освещение, электроплавление, электросварка металлов и восстановление металлов из их окислов). Книга, в которой Петров впервые в мире -описал открытую им электрическую дугу, вышла в Петербурге в 1803 г.
В. В. Петров установил зависимость силы постоянного тока от площади поперечного сечения проводника; широко применял параллельное соединение электрических цепей. Проводил исследования химического действия тока и измерял электропроводность различных веществ. Предложил покрывать изоляцией электрические проводники. Изучал явление электрического разряда в вакууме, исследовал явление люминесценции. Создал оригинальные электрические приборы для изучения электрических явлений в различных газовых средах. Исследования Петрова положили начало работам по практическому применению электричества.
Академик Императорской АН (1809; член-корреспондент с 1802). Центральная площадь города Обояни, родины В. В. Петрова, носит его имя.
Иллюстрация: Неизвестный автор. В. В. Петров в лаборатории. Из открытых источников.