Занимательная электротехника. Опыты и простые устройства своими руками

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.

Смотрите: палочка еще далека от шарика, а листочки электроскопа уже опали. Отчего?

Оттого, что разноименные заряды притягивают друг друга и весь положительный заряд электроскопа, бывший на шарике, стержне (игле) и листочках, сосредоточился на одном шарике.

Это понятно.

А понятно ли, что при дальнейшем приближении эбонитовой палочки листочки снова расходятся?

Чтобы разобраться в вопросе, отчего это произошло, вернемся к опыту с летающей бабочкой или бузинным шариком, притягиваемым наэлектризованным телом. Отчего они – и вообще всякое ненаэлектризованное (нейтральное) тело – притягиваются наэлектризованным?

Раньше объясняли это так: на поверхности всякого предмета имеются равные количества положительного и отрицательного электричества. Если, например, к нейтральному шарику подносится сургучная, отрицательно заряженная палочка (рис. 6), то положительное электричество шарика стягивается на ближайшую к палочке сторону, а отрицательное, отталкиваемое зарядом палочки, скапливается на противоположной его стороне. Положительный заряд шарика ближе к палочке, чем отрицательный, так что притяжение преодолевает отталкивание – шарик движется навстречу палочке.

Рис. 6

Коснемся пальцем той стороны шарика, на которой собрался отрицательный заряд. Он через наше тело уйдет в землю. Если после этого удалить от шарика палочку, то шарик окажется заряженным положительно. Это легко проверить: он станет отталкиваться стеклом, натертым шелком.

Таким образом, без прикосновения к шарику наэлектризованным телом он заряжается от одного приближения к нему последнего.

В физике это называется индуктивным (наведенным) зарядом. В электротехнике индуктивный заряд играет большую роль и зачастую является весьма нежелательным.

Пример? А вот телефонные провода могут зарядиться индуктивно от проходящего вблизи трамвайного провода и тем обратить телефонный аппарат в преопасный для желающего им воспользоваться источник разряда высокого напряжения. Небезопасны в этом отношении домашние приемники радиопередачи, особенно не вполне тщательно устроенные.

Мы изложили прежнюю теорию этих явлений. По современным воззрениям явления, происходящие при приближении наэлектризованного тела к нейтральному, объясняются тем, что свободные электроны отрицательно заряженной палочки отталкивают электроны шарика, вызывая этим их недостаток на ближайшей к палочке стороне и избыток на противоположной. Касаясь пальцем шарика, даем возможность электронам шарика спастись от наступающих на них электронов палочки через наше тело в землю. После удаления палочки от шарика на последнем окажется недостаток отрицательно заряженных электронов, а такое состояние тела определяется, по старой терминологии, как положительный заряд.

Ну как вновь не посетовать на такое неудачное название разноименных зарядов?

Вернемся к забытому было нами электроскопу.

Приближая к нему отрицательно заряженное тело (т. е. тело с избытком электронов), мы разлагаем его нейтральный заряд, сталкивая отрицательно заряженные электроны с шарика на иглу, с иглы на листочки – значит, заряжая их отрицательно путем индукции и заставляя их расходиться. Если довести приближение палочки до соприкосновения с шариком электроскопа, избыток электронов с палочки перейдет на металлические части электроскопа, и они все зарядятся отрицательно.

Скучновато? Что делать… Следует в этом разобраться, чтобы понять действие электрофора и лейденской банки.

Хуже проделывать опыты, не отдавая себе отчета, что же именно мы наблюдаем. Пытливому уму свойственно добиваться ответа не только на вопрос, как происходит то или иное явление, но и почему оно происходит. Жаль только, что ответы на последний вопрос не всегда просты и общедоступны, а тем более не бесспорны.

Электроскоп для детей

Для аудитории, состоящей из очень юных зрителей, весьма пригоден электроскоп в виде человечка, вырезанного из толстого станиоля или тонкого картона, оклеенного с обеих сторон станиолем. В последнем случае удобней раньше оклеить картон, а потом вырезать из него ножницами фигурку человечка.

Рис. 7

Подвешивается он на шелковой нитке, как и описанная выше подобная игрушка, заменяющая электрический маятник, но «руки» вставляют в прорез, сделанный у плеча, вырезывая их из тех же материалов, как листочки настоящего электроскопа (рис. 7).

Касаясь человечком до заряженного кондуктора, замечаем, что он раскидывает руки в стороны; трогая его пальцем за нос, заставляем их снова опуститься по швам.

Как раздобыть побольше электричества

Количества электричества, получаемые при трении стеклянных и смоляных палочек, слишком ничтожны, чтобы опыты с ними были эффектны.

Нам необходимо обзавестись электростатической машиной или каким-нибудь другим аппаратом для получения больших количеств электричества. Тогда изучение главных проявлений этого вида энергии (а это изучение каждому электротехнику необходимо) станет действительно занимательным.

Опишу несколько различных источников электрического заряда, а вы выберете себе те из них, устройство которых окажется вам доступным.

Электричество из бутылки

Это не значит, конечно, что стоит откупорить бутылку – и из нее потечет электричество. Бутылка нужна нам не как сосуд, а ради материала, из которого она сделана, т. е. ради стекла.

История изобретения электрической машины началась довольно курьезно. Первоначально это был вылитый из серы шар, сквозь который продевалась деревянная ось с рукояткой для вращения шара, укрепленная в вертикальных стойках.

Электризация производилась трением вращающегося шара о сухие ладони экспериментатора. Заметьте, что отливали такой шар, вливая расплавленную серу в пустотелый шар из стекла, разбивая его после того, как сера отвердеет. Понадобилось 90 лет для того, чтобы додуматься прямо пользоваться стеклянным шаром, не заливая его серой. Такая стеклянная машина была впервые построена одним немецким студентом в начале XVIII века. Такую и мы без особого труда сможем себе устроить. Самое трудное в этом деле – сооружение стойки. Она имеет вид небольшого деревянного столика длиной (приблизительно) 32 см, шириной 42 см и высотой 24 см, смотря по размерам бутылки, которую вы наметили превратить в электрическую машину. Берите бутылку из-под шампанского, клюквенного кваса, боржома и т. п., т. е. большую и прочную, но лучше не из зеленого, а чисто-белого стекла (не имеющего розоватого или голубоватого оттенка).

На расстоянии, равном ширине столика-стойки от верхней его доски, должна быть укреплена между вертикальными стенками стойки вторая горизонтальная доска (рис. 8). Вертикальные стенки врезываются в толстую доску, служащую основанием всего аппарата.

Рис. 8

Дерево должно быть сухое. По окончании работы желательно все деревянные части машины покрыть лаком. Если вы не владеете простейшими приемами столярного ремесла, не пытайтесь возиться с самостоятельным устройством стойки, у вас и без нее будет к чему приложить руки при сооружении машины, а ее вам дешевле и лучше сделает любой столяр. Попросите его только прорезать в вертикальных стенках щели а, оканчивающиеся полуцилиндрическими углублениями, как раз посередине между верхней и нижней горизонтальными связями стойки, а верхнюю доску сделать съемной, на винтах, а не закреплять ее наглухо.

Получив от столяра такую стойку или соорудив ее лично, введите в пространство между горизонтальными досками бутылку дном вверх, поставив временно стойку набок так, чтобы доска А стала горизонтально. Доску С предварительно отвинтите. Через щель а налейте на вогнутое дно бутылки сплав из двух частей канифоли с одной частью воска или разболтанный в воде гипс и, пока то или другое не отвердело, вставьте через отверстие а круглый деревянный стержень d (рис. 9), уперев его в центр бутылочного дна. Когда масса, влитая в дно, затвердеет, переверните стойку доской b вверх. В этом случае дело будет проще, другой конец оси можно прямо плотно вставить в горло бутылки, залив зазор теми же веществами, как и в первом случае, и дав им отвердеть. Ось и нижние части прорезов а следует смазать салом или вазелином, чтобы вращение машины происходило с наименьшим трением. Еще надежнее насадить бутылку на ось из одного куска круглой палки, для чего надо пробить в дне бутылки отверстие и расширить его напильником. Если это вам удастся, то для скрепления деревянной оси с бутылкой залейте всю внутренность последней жидким гипсом. Тогда и перевертывать стойку то вверх, то вниз не понадобится, а прямо опустите бутылку, чтобы ось, на которую она насажена, прошла через прорезы а и легла в их полуцилиндрических углублениях.

Можно, впрочем, обойтись и без оси, это будет и прочнее, чем с осью из двух отдельных кусков, и проще, чем с осью, проходящей сквозь дно бутылки. Если строить машину без оси, то на доске А с внутренней стороны надо сделать углубление, в которое входило бы дно бутылки или сквозное круглое отверстие такого же диаметра, забитое с наружной стороны доски А планкой, чтобы бутылка не могла выскочить. Горло же бутылки в этом случае опускается в соответственно расширенный прорез в стенке В, после чего в него плотно вставляется горизонтальная часть рукоятки, служащей для вращения бутылки. Устройство рукоятки понятно из рисунка 9.

Рис. 9

Как на верхнюю (на нее снизу), так и на нижнюю горизонтальные доски прибейте мелкими гвоздями кожаные подушки, т. е. прямоугольные куски мягкой сапожной кожи размером (приблизительно) 20×10 см. Подушки набейте конским волосом и снаружи натрите амальгамой Кинмейера (две части ртути, в которой растворено по одной части цинка и олова). Амальгама ядовита, т. е. ядовита ртуть, входящая в ее состав, – не забывайте это и обращайтесь с ней осторожнее.

При вращении поверхность бутылки должна плотно прижиматься к подушкам. Время от времени бутылку надо вынимать из машины и протирать ее поверхность спиртом, а подушки заново амальгамировать.

Чтобы собрать электрический заряд с поверхности бутылки, на верхней доске установите кондуктор. Это будет небольшой деревянный или картонный валик, еще лучше – валик, оканчивающийся с обеих сторон полушариями, оклеенный листовым оловом, станиолем, в какой заворачивают шоколад в плитках. Укрепить его можно на двух стеклянных, вертикально поставленных палочках или трубочках, врезанных в доску сверху и входящих в углубления, проделанные в валике снизу.

Через валик кондуктора, обернув вокруг него кольцом, перекидывают две медные неизолированные проволоки, изогнутые, как показано на рис. 8.

На этих проволоках укрепите с каждой стороны бутылки металлические гребенки. Продаются эти принадлежности туалета в галантерейных лавках. Если не найдете таких гребенок в продаже, то замените их полосками жести, стороны которых, обращенные к бутылке, вырежьте треугольными фестонами. Острия гребенок или концы фестонов должны почти прилегать к поверхности бутылки, не касаясь, однако, последней. К проволокам гребенки припаиваются тинолем, он удобен тем, что паять им можно без паяльника – прямо на свече. Жестяные же полоски можно укрепить, согнув их задние концы в трубочку, в которую нужно плотно вдвинуть концы проволок, надетых на кондуктор.

Удачно устроенная бутылочная машина должна давать в сухую погоду при приближении к кондуктору пальца искру длиной до 1 см.

Если вам не по плечу устройство даже такой простой машины или вы находите это дело слишком хлопотливым, можете получить искровой разряд при помощи «машины» совершенно примитивного устройства, сделанной из лампового стекла.

Электричество из лампового стекла

Возьмите цилиндрическое ламповое стекло, насухо вытрите его спиртом и просушите около печки. Наклейте на него снаружи две полоски станиоля, одну вокруг него кольцом (рис. 10), другую вдоль, сблизив их до расстояния в 2–3 мм.

Рис. 10

Обверните ламповую щетку куском шелковой ткани, в крайнем случае сухой газетной бумагой, и начинайте как бы чистить ею стекло. При трении о шелк или бумагу стекло зарядится положительно. Держать стекло надо, не касаясь станиолевых наклеек. Экспериментируя в темной комнате, можете наблюдать, что в моменты вынимания щетки из стекла между станиолевыми полосками появляются электрические искорки.

Соединяя горизонтальную оклейку с кондуктором, зарядите последний положительным зарядом от этой идеальной по простоте устройства машины трения.

Игрушечная электрическая машинка

Способность белого целлулоида успешно конкурировать с янтарем в притягивании ненаэлектризованных тел позволяет обратить салфеточное кольцо из такого целлулоида в электрическую машинку[5].Устройство ее сложнее предыдущей, но значительно проще бутылочной. В кольцо А туго вставляется отрезок круглой палки В, просверленный в центре и надетый на ось С из толстой проволоки, изогнутой, как показано на рисунке (рис. 11), так, что один конец ее образует рукоятку машинки.

Ось проходит через отверстия в вертикальных стойках d и d1, врезанных в дощечку Е, служащую основанием машины. Дощечка квадратная, размером 5×5 см. К ее ребру привинчивается или прибивается маленькими гвоздиками вертикальная палочка F с поперечиной вверху, обшитой замшей или сукном с подложенной под них ватой, так, чтобы получилась подушечка, о которую трется кольцо А при вращении.

Рис. 11

Подушка со стороны, противоположной кольцу, и часть стойки F оклеиваются станиолем. Станиолевая обклейка будет играть роль кондуктора, заряжающегося при вращении машинки отрицательно. Чтобы собрать положительный заряд с поверхности кольца, ставят с другой его стороны против стойки F палочку сургуча D. Размягчив ее нижний конец на свечке, приклеивают (припечатывают) его к основной дощечке, затем, разогрев на той же свечке отрезок проволоки или гвоздь Н, втыкают его вертикально в сургучную подставку сверху, а на проволоке укрепляют металлический шарик К (дрофовая дробь) – кондуктор. Свернув из медной (неизолированной) проволоки прямоугольник L, прикрепляют его к стержню Н так, чтобы одна сторона прямоугольника, играющая роль гребенки, отстояла на полмиллиметра от поверхности целлулоидного кольца.

Такая машинка при удаче может давать из кондуктора К, при приближении к нему пальца, искорку в 1–2 мм длиной. Несколько бóльшая искорка получается, если взять отрезок медной звонковой проволоки и, обвив его одним концом около стержня Н, другой конец приблизить к станиолевой оклейке стойки F.

Конечно, это все же электрическая игрушка, а не серьезный источник электрических зарядов, могущих служить для опытов.

Граммофонное электричество

Граммофонная пластинка электризуется трением иглы во время исполнения пьесы. Это можно обнаружить, касаясь ее края шариком электроскопа. Она или ее осколки могут заменить янтарь или сургуч в наших предыдущих опытах. Ее же можно использовать для устройства так называемого электрофора и даже электростатической машины. Пока поговорим о первом, а о второй речь будет впереди.

Прежде смоляные электрофоны готовили отливкой диска из смеси смолистых веществ. Если хотите, конечно, можно и сейчас это сделать.

Крышка от круглой кондитерской коробки, а то и простая глубокая тарелка послужат вам готовой формой. На дно той или другой положите вырезанный из станиоля круг а, диаметр которого сантиметра на 2–3 меньше диаметра дна формы (рис. 12).

Рис. 12

В чистой кастрюле распустите на плите 50 г воска, прилейте к нему, тщательно перемешивая стеклянной палочкой, столько же терпентина и растворяйте теперь в горячей смеси небольшими порциями и при постоянном размешивании 250 г шеллака, не добавляя следующей порции, пока не растворится всыпанная ранее. После растворения последней порции оставьте кастрюлю на 1–2 минуты в покое, сняв ее с плиты. Затем, расположив форму строго горизонтально, смажьте ее салом, не касаясь им станиолевого круга, и вылейте смоляную массу осторожно в форму так, чтобы слой ее был около 1 см. Часов через 6 масса вполне затвердеет, и смоляной диск можно будет вынуть из тарелки или оторвать от него и отмыть остатки бумажной формы холодной водой. Оловянный круг при этом останется вклеенным в смоляной диск.

Он будет нижней стороной электрофора, соединяя его с землей.

Но гораздо проще взять испорченную граммофонную пластинку и наклеить на одну из ее сторон станиолевый круг указанных выше размеров.

Затем закажите вырезать из листового цинка круг, диаметр которого равен диаметру станиолевой наклейки смоляного круга или немного превышает его. В центре цинкового круга попросите припаять латунную трубочку высотой около 1 см (отрезок ружейной гильзы) и в ней укрепите сургучом стеклянную, крытую шеллаком палочку или толстостенную трубку, а то и просто деревянный парафинированный стержень – это будет ручка электрофора.

Если никак нельзя будет достать листового цинка, можете заменить его толстым картоном, оклеенным с обеих сторон и по борту листовым оловом. Однако это менее надежно.

Заряжается электрофор ударами по смоляному кругу мехом (удобен для этой цели лисий хвост, а если его нет, то и кошачья шкурка – и то и другое можно достать у любого скорняка).

Это будет так называемый основной заряд. Опуская на заряженный диск цинковый (вообще металлический) круг, получаем на верхней стороне последнего свободный отрицательный заряд, так как положительное электричество круга свяжется отрицательным зарядом смоляного диска. Другое объяснение или, вернее, объяснение другими словами: находящиеся в избытке на поверхности диска отрицательные электроны оттолкнут электроны металлического круга, согнав их на верхнюю его часть. Этот свободный заряд отводят в землю, касаясь верхнего круга рукой (рис. 13).

Рис. 13

При этом может появиться искра, и вы почувствуете как бы укол. Поднимая круг за изолирующую ручку, вызывают заряжение его оставшимся положительным зарядом, распространяющимся по всей поверхности круга. Теперь круг является источником положительного электричества, которым от него может быть заряжен описанный выше металлический кондуктор. Напоминаю, что с точки зрения электронной гипотезы положительный заряд – это недостача свободных электронов, так что, когда мы, касаясь положительно заряженного круга электроскопа, видим искру, то, хотя и говорим по привычке, что мы извлекли из него положительный заряд, но в действительности мы из земли через себя направляем на него мгновенный ток электронов. В этом случае, разряжая тело, мы пополняем недостаток его в электронах[6].Разряженный, т. е. вновь ставший нейтральным, цинковый круг опустите вторично на поверхность смоляного диска, оставшегося заряженным отрицательно. Снова коснитесь пальцем его верхней поверхности и снова поднимите вверх за ручку. Он опять окажется заряженным положительно. Такое заряжение и разряжение электроскопа можно повторять много раз, а смоляной круг все-таки не истощит своего отрицательного заряда.

Стеклянный электрофор

Вырезать круг из стекла – задача не каждому по силам, но стекольщик сумеет. Только потом придется все равно самому сгладить острые края напильником. Делать это надо в большом сосуде с водой (в тазу), погрузив в воду и обрабатываемое стекло, и напильник. Кстати сказать, под водой стекло можно резать ножницами, и опытные любители именно так и вырезают стеклянные круги.

А впрочем, нет особой надобности придавать электрофору непременно форму круга. Делают это потому же, почему кондукторам дают форму шара, чтобы электричество не «стекало» с острых ребер и углов. На последних плотность электричества (количество электронов на единицу поверхности) так велика, что она частью уходит в воздух – и такие кондукторы теряют свой заряд.

Но ведь мы и не гонимся за сохранением последнего возможно дольше, для нас достаточно, если мы успеем его использовать для своих опытов, а сделать стеклянный электрофор, имеющий прямоугольную форму, много легче, чем круглый.

Можно, например, соорудить его из испорченной фотографической пластинки или старого негатива, смыв с них горячей водой желатинный слой.

И в этом случае, как при устройстве бутылочной машины, возможно выбрать стекло, обладающее высокой степенью электронепроводимости – изоляции.

Выбирая пластинку, смотрите на свет через ребро: в толстом слое заметен оттенок стекла – он должен быть не голубоватым или розоватым, а, как я уже говорил, чисто-белым, т. е. бесцветным или слегка зеленоватым.

Под стеклянный круг или пластинку подложите кружок или прямоугольник, вырезанный из толстого картона, так, чтобы края его выступали из-под стекла сантиметра на 2. Второй картонный же кружок или пластинку вырежьте на столько же меньшими стеклянной части электрофора. Если последняя взята четырехугольной, то края второй картонной пластинки несколько округлите. Оклейте ее станиолем и приклейте к ней сургучом картонную же трубочку или деревянную палочку, которые послужат ручкой.

Нагрев стекло у печки, положите его на картон и натрите амальгамированной кожей (замшевой перчаткой, вывернутой наизнанку), шелковой или суконной тряпкой. Последнюю-то, во всяком случае, не трудно достать, если не найдется ни шелка, ни кожи.

Опустите на наэлектризованное стекло верхний картон и коснитесь его пальцем. Подняв за рукоятку, можете извлечь искру – правда, не больше чем в несколько миллиметров. Как и со смоляным электрофором, извлечение искры можно проделать несколько раз, каждый раз предварительно касаясь верхним кружком или пластинкой стекла и отводя положительное электричество в землю.

Бумажный электрофор

Если, по вашему мнению, возиться с изготовлением столь слабо действующего стеклянного электрофора не стоит, сделайте его из бумаги. Работы на несколько минут, а длина искры не меньше, чем у предыдущего.

Растопите на противне (на котором пекут пироги) парафин и, когда он расплавится, погрузите в него кусок картона размером немногим больше листа писчей бумаги. Дав ему хорошо пропитаться парафином, выньте и, когда парафин отвердеет, наклейте на картон с одной стороны лист станиоля так, чтобы один из его краев совпадал с краем картона, а три других отступали сантиметра на 2 от краев картонного листа.