ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ И ЕЕ ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

Наибольший интерес из всех работ В.В. Петрова представляет открытие им в 1802 г. явления электрической дуги между двумя угольными электродами, соединенными с полюсами созданного им источника высокого напряжения. Создание источника высокого напряжения явилось необходимым условием для получения устойчивой электрической дуги при небольших токах. Указывая на возможность широкого практического применения электрической дуги, В.В. Петров писал, что пламенем дуги «темный покой довольно ясно освещен быть может», что в пламени дуги различные «металлы иногда мгновенно расплавляются, сгорают…», что «посредством огня» дуги он превращал оксиды различных металлов в «металлический вид». Следовательно, опыты В.В. Петрова давали прямое указание на возможность применения электричества для целей освещения, плавки металлов и восстановления металлов из их оксидов.

Широкая практическая реализация этих прогрессивных идей В.В. Петрова началась лишь спустя 75–80 лет. Но ни изобретатель первой широко распространенной дуговой электрической лампы («электрические свечи») П.Н. Яблочков, ни изобретатели электросварки и электроплавки металлов Н.Н. Бернардос и Н.Г. Сла‑вянов ничего не знали о трудах В.В. Петрова, имя и труды которого, как уже упоминалось, в течение полувека после его смерти умышленно замалчивались реакционным руководством Министерства просвещения и Академии наук России. А открытие электрической дуги приписывалось X. Дэви, и она была известна под названием «вольтовой дуги», хотя А. Вольта к ее открытию не имел никакого отношения.

До В.В. Петрова никто так ясно и четко не указывал на возможность практического применения электричества. Поэтому В.В. Петров является одним из основоположников электротехники.

До В.В. Петрова физики не могли наблюдать явления дуги, так как они использовали небольшие гальванические батареи, состоявшие большей частью из 100–200 элементов; ЭДС таких батарей были недостаточны для получения устойчивой дуги при огромных внутренних сопротивлениях батарей того времени. Известному английскому ученому Хэмфри Дэви (1778–1829 гг.) удалось получить электрическую дугу только в 1808 г., когда им была построена большая гальваническая батарея, состоявшая из 2000 элементов. Подробное описание явления электрической дуги X. Дэви дал в 1812 г., при этом он сам ни в какой степени не претендовал на первенство в открытии этого явления.

В.В. Петровым было положено начало всестороннему исследованию явлений электрического разряда в вакууме. Он установил зависимость этих явлений от материала, формы и полярности электродов, расстояния между ними и степени вакуума. Позднее эти выводы получили подтверждение и развитие в трудах других ученых, в частности М. Фарадея.

Пропуская электрический ток через разные жидкости и тела, В.В. Петров внимательно исследовал влияние материала и формы электродов на протекающие процессы; он применял самые разнообразные электроды: железные, серебряные, медные, оловянные, золотые, древесно‑угольные, графитовые, марганцевые и др. В.В. Петровым была правильно определена степень электропроводности некоторых веществ (древесного угля, льда, серы, фосфора, растительных масел) и выявлены их физико‑химические свойства.

В.В. Петров впервые применил параллельное соединение электродов для демонстрации явления электролиза в нескольких трубках с водой, происходящего одновременно при пропускании электрического тока через жидкости (рис. 2.6).

Работа В.В. Петрова с источником тока высокого напряжения не могла не привести его к выводу о важном значении изоляции проводов; им было предложено изготовлять электрические проводники, покрытые сургучом или воском. Разработанный В.В. Петровым принцип изоляции проволочных проводников, заключающийся в покрытии их поверхности изолирующим слоем, нашел дальнейшее развитие в производстве кабельных изделий. В.В. Петров пришел к правильному выводу о высоких электроизоляционных свойствах жирных (растительных) масел.

В.В. Петров явился одним из первых физиков, высказавших правильный взгляд на общность и различие в проявлениях статического и гальванического электричества. Он сделал попытку выяснить сущность электрических явлений, установить причины образования электричества, однако при состоянии науки того времени такую задачу решить было невозможно. Заслуживает внимания мысль В.В. Петрова о том, что электрические явления обусловлены определенными физико‑химическими процессами.

В своем труде [2.1] В.В. Петров пытается решить вопрос о скорости и направлении электрического тока.

Отдельная глава его книги посвящена действию тока «на тела живых, особливо животных», и даются рекомендации для врачей. Использование гальванических батарей дает новый толчок развитию электромедицины.

Труды В.В. Петрова были хорошо известны его современникам и изучались русскими физиками первой трети XIX в. Широкое распространение трудов В.В. Петрова в России оказало большое влияние на развитие науки об электричестве, на расширение его практического применения.

^{Рис. 2.6. Схема опыта с параллельным соединением электродов}

^{1 – стеклянные трубки с водой; 2 – металлические проволоки; 3 – батарея}

Первые электрохимические опыты, произведенные вскоре после изобретения вольтова столба, вызвали значительный интерес к этим вопросам. Специальному исследованию электрохимических явлений были посвящены труды X. Дэви, имевшие важное значение для практики. X. Дэви доказал своими опытами несостоятельность мнений, господствовавших в то время среди ученых, что при электролизе соды на одном полюсе получается кислота, а на другом основание. Он показал, что кислоты и основания, получаемые при электролизе, являются продуктами последующих вторичных реакций. Повторив опыты разложения воды в разных условиях (стеклянные, агатовые и золотые сосуды; в воздухе и в атмосфере водорода), X. Дэви доказал, что пресная вода разлагается при электролизе только на кислород и водород, причем объем водорода, образовавшегося при этом, вдвое больше объема кислорода. Он установил, что химически чистая вода не поддается электролизу и что электрический ток только разлагает соединения, но не создает никаких новых соединений. X. Дэви одним из первых высказал правильные взгляды на то, что электрический ток, полученный от вольтова столба, возникает в результате химических процессов между металлами и электролитом [1.6].

^{Рис. 2.7. Схема опыта Страхова. При опускании рук в чаши цепь замыкается и человек ощущает прохождение тока}

В 1807 г. X. Дэви впервые получил электролитическим путем щелочные элементы – калий и натрий, ранее неизвестные в чистом виде; в 1808 г. им были также получены магний, бор, барий, стронций и кальций. Эти открытия наглядно иллюстрировали практическую ценность электролиза и еще больше усилили интерес ученых к химическим действиям тока.

В 1802–1807 гг. ряду ученых, в том числе профессору Московского университета Петру Ивановичу Страхову (1756–1827 гг.), удалось установить опытным путем, что земля и вода являются проводниками тока (рис. 2.7). Этим открытием была показана возможность применения земли и воды в качестве обратного (второго) провода при осуществлении установок и устройств для передачи электрического тока от генератора к приемникам [1.6].

В 1807 г. профессор Московского университета Федор Федорович Рейс (1778–1852 гг.) обнаружил явление, получившее впоследствии название электроосмоса. В выводах из своих опытов Ф.Ф. Рейс указывает, что под действием электричества жидкость может переноситься сквозь пористые тела. Явление электроосмоса в современной технике получило практическое применение, в частности при осушке намывных плотин (электродренаж).

Широкое применение вольтовых столбов и других источников электрического тока не могло не усилить интереса к вопросу о том, в результате каких действий в них появляется электрический ток. Все яснее становилось, что химические реакции в гальванических элементах являются первичными, а возникновение тока есть их следствие, т.е. явление вторичное. Контактная теория А. Вольта становилась малоубедительной, и ей все энергичнее стали противопоставлять химическую теорию гальванизма, согласно которой возникновение электричества определяется химическими процессами. Эта теория впервые наиболее четко была разработана петербургским академиком Георгом Парротом (1767–1852 гг.), считавшим, что явления в вольтовом столбе и других гальванических элементах происходят исключительно за счет окисления металлов, т.е. за счет изменения одного из веществ элемента. М. Фарадей также выступал против контактной теории электричества, указывая, что нет такого случая, даже при ударах электрического угря и ската, когда электричество получалось бы без затраты какого‑либо другого вида энергии.

Многочисленные опыты по электролизу различных жидкостей вскоре привели к необходимости объяснения механизма электролиза, вызвали потребность в теоретических обоснованиях происходящих явлений. Теории электролиза были предложены рядом ученых, но наиболее приближающейся к современным воззрениям на процессы электролиза явилась теория электролиза литовского профессора Теодора Гротгуса (1785–1822 гг.), которая была, по существу, первой ионной теорией электролитических явлений. Т. Гротгус в 1805 г. опубликовал «Мемуар о разложении при помощи гальванического электричества воды, а также растворенных в ней тел» [1.2; 1.6].

Теория Т. Гротгуса была передовой для своего времени, она продержалась в науке более 70 лет, уступив место теории электролитической диссоциации. Известные законы электролиза были сформулированы М. Фарадеем в 1833–1834 гг. Им же были предложены термины электрод, анод, катод.