Трактат об электричестве и магнетизме

В этом приборе энергия электризации образуется за счёт энергии падающих капель.

212. Построено несколько других электрических машин, в которых используется принцип электрической индукции. Наиболее замечательной из них является машина Гольтца (Holtz), в которой носитель представляет собой стеклянную пластину, покрытую шеллачным лаком, а индукторами являются куски картона. Для того чтобы между частями прибора не проскакивали искры, имеются две стеклянные пластины, по одной с каждой стороны от вращающейся пластины носителя. Эта машина оказалась очень эффективной и мало подверженной влиянию атмосферных условий. Принцип действия является тем же самым, что и у вращающегося удвоителя и других приборов, основанных на той же самой идее, но, поскольку носитель представляет собой пластину изолятора, а индукторами служат несовершенные проводники, полное объяснение её действия оказывается более трудным делом, чем в том случае, когда носители являются хорошими проводниками известной формы и они заряжаются или разряжаются в определённых точках.

213. В уже описанных электрических машинах возникают искры каждый раз, как носитель и индуктор приходят в контакт, находясь при различных потенциалах.

Но мы показали, что каждый раз при этом происходит потеря энергии, и поэтому полная работа, затраченная на вращение машины, не переходит в полезную электризацию, но часть теряется на тепло и на шум от электрической искры.

Поэтому я считал желательным показать, как можно построить такую электрическую машину, которая не имела бы таких потерь производительности. Я не предлагаю пригодную форму машины, а рассматриваю пример такого метода, с помощью которого можно применить устройство, которое в тепловых машинах называют регенератором, и тем предотвратить потерю работы.

Рис. 18

Пусть на рис. 18 буквы A, B, C и A', B', A' обозначают пустотелые закреплённые проводники, расположенные таким образом, что носитель движется последовательно внутри каждого из них. Из этих проводников пусть A, A' и B, B' почти полностью окружают носитель, когда тот находится в середине своего прохождения, а проводники C и C' окружают носитель не столь полно.

Предположим, что A, B, C соединены с лейденской банкой большой ёмкости, имеющей потенциал V, а A', B', A' соединены с другой банкой, имеющей потенциал -V.

Пусть P - один из носителей, движущийся по кругу от A к C и т. д. и приходящий на своём пути в соприкосновение с определёнными пружинами, из которых a и a' соединены соответственно с A и A', а c и c' соединены с Землёй.

Предположим, что, когда носитель P находится в середине A, коэффициент индукции между P и A равен -A. Ёмкость носителя P в этом положении оказывается больше, чем A, потому что он не полностью окружён приёмником A. Пусть ёмкость P равна A+a.

Тогда, если потенциал P равен U, а потенциал A равен V заряд на P будет равен (A+a)U-AV.

Пусть теперь P, находясь в середине приёмника A, касается пружины a. Тогда потенциал P равен V такой же, как и потенциал A, поэтому заряд P равен aV.

Если теперь носитель P покидает пружину a, он уносит с собой заряд aV. Когда носитель P покидает A, его потенциал уменьшается, и потенциал ещё больше уменьшается, когда P попадает под воздействие проводника C', который электризован отрицательно.

Если в то время, когда носитель P входит в C', его коэффициент индукции по отношению к C' равен -C', а его ёмкость равна C'+c' тогда, если потенциал P равен U, заряд на P равен (C'+c')U+C'V'=aV. Если C'V'=aV то в этой точке потенциал P обращается в нуль.

Пусть P в этой точке приходит в контакт с пружиной e', которая соединена с Землёй. Поскольку потенциал P равен потенциалу пружины, при замыкании контакта искра не возникает.

Этот проводник C', с помощью которого носитель P имеет возможность соединяться с Землёй без искры, соответствует устройству, которое в тепловых машинах называется регенератором. Поэтому мы будем называть его Регенератором.

Пусть теперь P движется дальше, находясь ещё в контакте с заземляющей пружиной e', пока он не входит в середину индуктора B, потенциал которого равен V. Если -B есть коэффициент индукции между P и B для этой точки, то, поскольку U=0, заряд на P будет равен -BV.

Когда носитель P отходит от заземлённой пружины, он уносит с собой этот заряд. По мере того как он движется из положительного индуктора B по направлению к отрицательному приёмнику A' его потенциал становится отрицательным и возрастает по величине. В середине A', если бы он сохранил свой заряд, его потенциал был бы равен (-A'V'+BU)/(A'+a), и если BV больше, чем a'V', численное значение потенциала будет больше, чем значение V'. Таким образом, перед тем, как P дойдёт до середины A', существует некоторая точка, в которой его потенциал равен -V'. Пусть в этой точке носитель вступает в контакт с отрицательной приёмной пружиной a'. Искры не возникает, поскольку оба тела находятся при одном и том же потенциале. Пусть P движется дальше до середины A', всё ещё находясь в контакте с пружиной и поэтому имея тот же самый потенциал, что и A'. Во время этого движения P передаёт A' отрицательный заряд. В середине A' носитель P отходит от пружины и уносит заряд -a'V' по направлению к положительному регенератору C, где его потенциал уменьшается до нуля, и он вступает в контакт с заземлённой пружиной e. Затем он скользит вдоль заземлённой пружины и переходит в отрицательный индуктор B', причём за время этого движения он приобретает положительный заряд B'V' который, наконец, передаёт в положительный приёмник A, и после этого цикл операций повторяется.

За время этого цикла положительный приёмник потерял заряд aV и получил заряд B'V'. Таким образом, полный прирост положительного электричества равен B'V'-aV.

Таким же путём находим, что полный прирост отрицательного электричества равен BV-a'V'.

Если сделать индукторы так, что они будут настолько близки к поверхности носителя, насколько это совместимо с изоляцией, значения B и B' можно сделать большими. В то же время можно так сделать приёмники, что они будут почти полностью окружать находящийся внутри них носитель. Тем самым значения a и a' могут быть сделаны очень малыми, и тогда заряды обоих лейденских банок будут возрастать при каждом обороте.

Условия, которым должны удовлетворять регенераторы, записываются в виде C'V'=aV и CV=a'V'.

Так как значения a и a' малы, регенераторы не должны быть ни велики, ни очень близки к носителям.

Об электрометрах и электроскопах

214. Электрометр - это прибор, с помощью которого могут быть измерены электрические заряды или электрические потенциалы. Приборы, с помощью которых можно обнаружить наличие электрических зарядов или разностей потенциалов, но которые не могут дать численную меру этих величин, называются Электроскопами.

Электроскоп, если он достаточно чувствителен, может быть использован в электрических измерениях при условии, что мы можем привести измерения к случаю нулевой электризации. Например, если у нас есть два заряженных тела A и B, мы можем использовать метод, описанный в главе I, для того чтобы определить, которое из тел имеет больший заряд. Внесём тело A на изолирующей опоре внутрь изолированного замкнутого сосуда C. Соединим C с землёй и снова изолируем. Тогда на C не будет никакой внешней электризации. Теперь удалим A, внутрь C введём B и затем проверим электризацию C с помощью электроскопа. Если заряд B равен заряду A, электризации не будет, но если он больше или меньше, то электризация будет соответственно того же знака, что у B, или противоположного.

Методы такого рода, в которых предметом наблюдения является отсутствие некоторого явления, называются нулевыми методами. Для этих методов нужен прибор, способный определить наличие данного явления.

В другом классе приборов для регистрации явлений приборы работают так, что дают всегда одно и то же показание для одного и того же значения измеряемой величины, но отсчёты на шкале прибора не пропорциональны значениям измеряемой величины, и связь между этими отсчётами и соответствующими значениями не известна, известно только, что одно является непрерывной функцией другого. К этому классу принадлежат некоторые электрометры, действие которых основано на взаимном отталкивании частей прибора, обладающих сходной электризацией. Такие приборы используются для регистрации явлений, а не для их измерения. Вместо истинных значений измеряемой величины получается ряд чисел, которые впоследствии могут быть использованы для определения этих величин, после того как шкала прибора должным образом исследована и протабулирована.