Занимательная электротехника. Опыты и простые устройства своими руками
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.
Некоторое практическое значение, хотя неизмеримо меньшее трех предыдущих способов, имеет четвертый – нагреванием места спая разнородных металлов, развивающих при этом термоток. Никаких технических применений не имеют: пироэлектричество (т. е. электризация кристаллов нагреванием), пьезоэлектричество (электризация их же сдавливанием), фотоэлектричество (возникающее при разности освещения некоторых металлов и их соединений) и т. д.
О естественных источниках электричества, электрических рыбах, упомяну особо.
Легенда об открытии электричества
За 2500 лет до нашего времени люди, как и сейчас, ценили некоторые минералы за их прозрачность, красивый цвет и блеск. К таким ценным камням относили тогда, и совершенно неправильно, янтарь. В силу традиций о янтаре говорится и в современных учебниках минералогии, хотя давно уже стало известно, что янтарь – смола хвойных деревьев, росших на земле за миллионы лет до появления на ней человека.
Древние греки очень любили украшения и мелкие поделки из янтаря, названного ими за его цвет и блеск электроном (солнечным камнем).
Отсюда произошло – правда, много позже – и самое слово «электричество».
Способность же янтаря электризоваться была открыта дочерью знаменитого философа древности Фалеса Милетского. Вот как о том рассказывает легенда: «Дочь Фалеса пряла шерсть янтарным веретеном – изделием финикийских мастеров. Как-то, уронив его в воду, девушка стала обтирать его краем своего шерстяного хитона и заметила, что к нему пристало несколько шерстинок. Думая, что они прилипли к веретену потому, что оно все еще влажно, она принялась вытирать его еще сильнее. И что же? Шерстинок налипало тем больше, чем сильнее натиралось веретено. Девушка обратилась за разъяснением причины этого явления к отцу. Фалес понял, что причина в веществе, из которого сделано веретено, и в первый же раз, как к пристани Милета подошел корабль финикийских купцов, он накупил различных янтарных изделий и убедился, что все они, будучи натерты шерстяной материей, притягивают легкие предметы, подобно тому как магнит притягивает железо».
Ученые нашего времени знают много других веществ, при трении которых можно обнаружить присутствие электрического заряда. Вернее, мы не знаем вещества, которое не обладало бы этой способностью хотя бы в самой слабой степени.
Начало этому знакомству со свойствами электричества положил д-р Джильберт 250 лет тому назад, а самое слово «электричество» было тогда же (в 1675 году) предложено физиком Байлем.
Подумайте, два с четвертью тысячелетия человечество довольствовалось скромными наблюдениями древних греков над электризацией янтаря, ни шагу не сделав дальше в этом направлении! Да и после опытов Джильберта более полутораста лет люди смотрели на электричество как на какую-то занимательную, но бесполезную в практическом отношении силу природы.
Зато как широко оно им пользуется теперь!
I. Первые опыты по электричеству
Как получить и обнаружить электрический заряд
Воткните вертикально деревянную палочку толщиной с карандаш, с расщепом вверху, в центр пробки от банки с горчицей. В расщеп защемите горизонтальную спичку, а на конце последней повесьте на шелковинке шарик из бузинной сердцевины.
Очень хорошо (но не обязательно) пробку и стойку для такого маятника проварить в парафине. Авансом сделаем это замечание для всех вообще деревянных частей приборов, которые будут описаны далее.
Шарик вырезается из бузинной сердцевины перочинным ножом и скатывается между ладонями. Если в тех местах, где вы живете, бузина не растет, замените ее мягкой пробкой. Сделанный шарик проколите иглой, в ушко которой продернута шелковая нить, пропустите последнюю сквозь шарик, после чего снимите иглу с нитки, завяжите нить на одном конце узелком и опустите до самого него шарик, а другой конец нити обвяжите вокруг спички на подставке.
Четверти часа достаточно с избытком для сооружения этого нехитрого прибора.
Я рекомендую заменить в нем тривиальные шарики небольшой хорошенькой бабочкой из вашей коллекции насекомых. Если вы ее не собираете, наверное, среди ваших знакомых найдется энтомолог-любитель, который снабдит вас засушенным и расправленным экземпляром одного из украшений наших полей – золотым или голубым аргусом. Наколотая на булавку за стеклом коллекции, эта прелестная бабочка далеко не так красива, как порхающая над цветами. Можете оживить ее! Снимите осторожно мотылька с булавки и в оставшееся отверстие проденьте шелковую нить, завязав ее снизу узелком. Подвесьте бабочку вместо шарика на описанную выше подставку (рис. 1) – и получите оригинальный электрический маятник.
Как заставить мотылька летать, а шарик, если вы все же предпочли обычный вид маятника, качаться, не касаясь их руками, не дуя на них, вообще не действуя на маятник непосредственно?
Будь шарик железный, его можно было бы отклонить магнитом, но ни пробковый, ни бузинный шарик, ни трупик мотылька магнитом не притягиваются.
Зато их притянет любое наэлектризованное твердое тело. Возьмите целлулоидное кольцо от салфетки или другую какую-нибудь безделушку из того же материала. Сам по себе целлулоид[4] не притянет маятника, в этом легко убедиться, но потрите его с силой о сукно, он наэлектризуется и при приближении к маятнику заставит бабочку порхать, а шарик откачнуться к нему навстречу.
Рис. 1
Целлулоид можно заменить эбонитом (твердым вулканизированным каучуком), янтарем, канифолью, сургучом и т. п. смолистыми веществами – результат будет тот же.
Возьмите теперь отрезок толстостенной стеклянной трубки или стеклянную палочку, а если их нет, то просто аптекарский пузырек, хорошо просушите, обмыв предварительно спиртом или бензином, и насухо вытрите.
Натрите стекло газетной бумагой (еще лучше – шелковой материей), стекло тоже наэлектризуется и притянет шарик маятника.
Однако электрический заряд в этом случае отличается от заряда смолистых веществ. Убеждаемся в этом так: зарядим шарик (для таких опытов, носящих «научный» характер, он удобнее мотылька) маятника, прикасаясь к нему смоляной (сургучной, янтарной и т. п.) палочкой; к такому заряженному «смоляным» электричеством шарику вторично поднесем наэлектризованную смоляную же палочку. На этот раз она не только не притянет шарика, но, наоборот, оттолкнет его от себя. Если же приблизить к нему наэлектризованное стекло, он стремительно качнется к нему навстречу.
Есть, значит, какая-то разница между «смоляным» и «стеклянным» электричеством. Первое условились называть отрицательным, а второе – положительным.
Взяв два электрических маятника и заряжая их то одноименными (оба положительными или оба отрицательными) зарядами, то разноименными (один положительным, другой отрицательным), заметим, что при первом условии шарики, сближенные друг с другом, запротестуют против такого сближения и откачнутся один от другого, во втором – двинутся навстречу.
Как ни просты эти опыты, нельзя назвать их незанимательными: ведь они открывают нам целую новую область явлений. Область, о которой и не подозревали древние философы и которая даже в наше время далеко не изучена.
Наэлектризованный подсвечник
А что, если попробовать наэлектризовать металл? Возьмем, например, медный подсвечник и станем ударять его каким-нибудь мехом (удобен для этого лисий хвост, а за его отсутствием хотя бы заячья лапка).
Никаких результатов! Шарик маятника не шелохнется.
Не спешите делать вывод, что металлы не могут быть наэлектризованы. Возьмитесь не за самый подсвечник, а за вставленную в него свечу и поднимите за нее подсвечник вверх. Вот теперь бейте по нему мехом, а затем приблизьте его к шарику маятника.
Отлично притягивает!
Отчего же такая разница?
Троньте наэлектризованный подсвечник в каком угодно месте пальцем и снова поднесите его к шарику.
Опять не притягивает! Электрический заряд в одно мгновение ушел со всей поверхности металла через вашу руку в землю. Металлы – хорошие проводники электричества, и, чтобы наэлектризовать их, необходимо их тщательно изолировать (отделить) от земли плохими проводниками.
Для опытов электризации металлов устройте так называемый кондуктор (проводник), насадив на стеклянную, покрытую шеллаком палочку, вставленную в деревянную или пробочную проваренную в парафине подставку, полый металлический шарик (рис. 2).
Рис. 2
Такими шариками украшают металлические кровати; их можно купить и отдельно, красная цена им – пятиалтынный. Если не подыщете подходящего металлического, то можете взять деревянный шарик (от бильбокэ и т. п.) и оклеить его станиолем.
Притяжение тяжелых тел
Во всех учебниках физики говорится, что наэлектризованные тела притягивают легкие предметы: пушинки, кусочки бумаги, бузинный шарик электрического маятника и т. п. А ведь это неверно! Самого незначительного заряда достаточно, чтобы притянуть и не очень легкое тело; надо только дать этому телу возможность двигаться, не преодолевая силы тяжести.
Можно ли это сделать?
Можно, и очень просто.
Если попробуете притянуть натертой о сукно сургучной палочкой положенную на стол медную пуговицу, ее слабое притяжение не преодолеет силы, с которой земля притягивает пуговицу, и трения пуговицы о стол. Ничего не получится и в том случае, если вы пуговицей замените бузинный шарик электрического маятника. Ведь, отводя его чечевицу в сторону, вы тем самым поднимаете ее вверх, т. е. опять-таки действуете против силы тяготения.
Рис. 3
Однако можно заставить и тяжелую пуговицу двинуться навстречу наэлектризованному куску янтаря, стеклянной палочке и т. п., только надо, чтобы это движение происходило в горизонтальной плоскости, чтобы, двигаясь, она не приподнималась вверх.
Обстругайте перочинным ножом деревянную палочку сантиметров 10–15 длиной и на концы ее насадите ушками две одинаковые медные пуговицы. Уравновесьте это сооружение на острие столового ножа (рис. 3).
Теперь поднесите к любой из пуговиц наэлектризованный сургуч или другое тело – и увидите, что тяжелая пуговица легко повернется к нему навстречу.
Электрическое яйцо
Можно сделать очень оригинальный электрический маятник из пустой яичной скорлупы. Проколите сырое яйцо иглой по концам, высосите или выдуйте через соломинку содержимое. Пустую скорлупу окрасьте в красный, синий или другой яркий цвет анилиновой краской, растворенной в спирту или в горячей воде. Укрепите скорлупу воском на конце деревянной палочки горизонтального электрического маятника вместо одной из пуговиц, она не хуже последней станет притягиваться наэлектризованными телами, если заряд их достаточно велик.
Окраска яйца имеет психологическое значение. При взгляде на такое яйцо каждый подумает, что оно тяжелое, сваренное вкрутую: кто же станет красить пустую скорлупу?
Таким образом, легкая скорлупа будет производить впечатление тяжелого предмета, отклонение которого наэлектризованным телом вызовет у непосвященного зрителя немалое изумление.
Электрочеловек
Вырежьте из картона фигуру человека и приколите кнопкой к ее плечу подвижную, вырезанную из тонкой папиросной бумаги руку. Расширьте слегка прокол, чтобы рука могла свободно вращаться. Привесьте человека к тонкой нитке и поднесите его к наэлектризованному телу или заряженному кондуктору. Он вытянет руку, указывая ею на присутствие электрического заряда (рис. 4).
Рис. 4
Этот своеобразный электрический маятник в глазах очень юной аудитории куда убедительнее, чем обыкновенный с шариком.
Примитивный электроскоп
Прибор, обнаруживающий электрический заряд и показывающий его знак и отчасти напряжение, называется электроскопом. Не пугайтесь ученого названия! Устройство этого прибора совсем не так сложно, как какого-нибудь микроскопа, телескопа и т. п. приборов. Соорудить его не труднее, чем электрический маятник.
Небольшой аптекарский пузырек вымойте спиртом и просушите, а еще лучше покройте шеллаком. Подберите к нему плотно входящую пробку, проколите ее снизу иглой для шитья мешков. В ушко иглы пропустите узенькую длинную ленточку сусального золота (каким золотят грецкие орехи на рождественскую елку) или серебра, скрутив ее посередине так, чтобы оба конца, каждый длиной 1–2,5 см, повисли параллельно друг другу.
Если сусального золота или серебра нет под рукой, замените их папиросной бумагой или очень тонким станиолем (таким, в какой обертывают высокосортные шоколадные конфеты), елочной канителью (не в виде нитей, а в виде узенькой ленты) или, наконец, полосками так называемой «золотой» или «серебряной» бумаги (также служащей для украшения елки). Пробку прокалывайте как раз по оси, чтобы верхний конец иглы выступал наружу в центре пробки. Закупорьте пробкой пузырек и залейте ее сургучом или смолой.
Очень важно для чувствительности прибора, чтобы воздух внутри пузырька был совершенно сух. На острие иглы насадите маленький металлический шарик, например пульку от монтекристо, дрофовую картечь и т. п.
Электроскоп готов (рис. 5).
Прикоснитесь к шарику каким-нибудь заряженным телом – листочки электроскопа разойдутся; прикоснитесь вторично – они раздвинутся еще больше. Значит, чем сильнее заряд, тем на больший угол расходятся листочки электроскопа.
Рис. 5
Троньте шарик пальцем – листочки опадут. Зарядите снова электроскоп зарядом, знак которого вам известен, например от стеклянной палочки, натертой шелком, т. е. положительным. Коснитесь теперь шарика каким-нибудь другим наэлектризованным веществом. Если листочки электроскопа разойдутся еще больше – следовательно, оно было наэлектризовано также положительно, если опадут – отрицательно.
Электризация без прикосновения
Зарядите ваш электроскоп от стеклянной палочки, натертой шелком или бумагой. Оба его листочка, получив положительный заряд, оттолкнутся друг от друга. Натрите сукном каучуковую (янтарную и т. п., вообще – заряжающуюся отрицательно) палочку и приближайте ее медленно к шарику электроскопа.