Покоритель плазмы

Прогуливаясь вечером по освещенной улице, не многие задумываются о том, за счет чего происходит освещение дороги. Если мы наблюдаем сварочные работы, то спешим отвернуться, чтобы не повредить глаза, но вряд ли кто-то задается вопросом, за счет чего происходит плавка металла.

Стабилизаторы напряжения, газоразрядные лампы, плазменная сварка, плазменная резка, плазменные печи — эти технологии стали для нас уже привычными. Многообещающими выглядят разработки в области плазменного токосъема и магнитогидродинамический генерации, которая также использует плазму. Но когда же человек впервые смог получить плазму? С чего всё началось?

29 мая 1802 года выдающийся русский ученый и естествоиспытатель Василий Владимирович Петров (19 июля 1761 — 3 августа 1834) открыл явление электрической дуги, которое было описано в его книге «Известие о гальвани-вольтовских опытах, которые производил профессор физики Василий Петров посредством огромной наипаче батареи, состоявшей иногда из 4200 медных и цинковых кружков, и находящейся при Санкт-Петербургской Медико-хирургической Академии». Исследование Петрова считается первым научным трудом на русском языке, посвященном исследованию свойств электрической дуги.

Василию Петрову также принадлежат другие замечательные открытия и исследования. В частности, он обнаружил зависимость силы тока от площади поперечного сечения проводника, изучал физико-химические явления, эффект холодного свечения тел, метеорологию, гидротехнику и люминесценцию.

До конца XIX века считалось, что дугу открыл британский ученый Гемфри Дэви (17 декабря 1778 — 29 мая 1829), который проделал похожие опыты лишь в 1808—1809 годах. Имя русского ученого было предано забвению на полвека, однако в 90-х годах XIX века русская научная мысль перехватила пальму первенства у британцев в вопросе открытия электрической дуги.

Явление

Из курса физики средней школы всем нам должно быть известно, что вещества, в зависимости от различных факторов, находятся в четырех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном и состоянии плазмы.

Плазма (греч. — вылепленное, оформленное) — это агрегатное состояние вещества, которое представляет собой ионизированный газ, состоящий из электронов и ионов. Электрическая дуга — это электрический разряд в газе, в том числе в воздухе, состоящий из ионизированного газа, что обеспечивает её высокую проводимость. Например, если взять кусок льда и начать его нагревать, то при нуле по Цельсию лед превратится в воду. Прибавим еще 100 градусов — получим пар. А если прибавить еще несколько тысяч градусов, то получим плазму.

В 1802 году Василию Петрову удалось получить плазму при комнатной температуре за счет высокого электрического напряжения, что сейчас может сделать, не догадываясь о том, любой курящий человек, нажав на кнопку пьезоэлектрической зажигалки. Дело в том, что при высоком напряжении в воздушном пространстве между двумя электродами, к одному из которых подводится напряжение, возникает ионизация воздуха и высвобождение электронов. За счет этого и возникает дуга при низких температурах. Соответственно её появление зависит от нескольких факторов: напряжения, формы электродов, их расположения относительно друг друга (вертикального или горизонтального), температуры, давления и важности воздуха.

«Огромная наипаче батарея»

Сегодня мы каждый день можем наблюдать искусственные электрические разряды, не обращая на них никакого внимания. Но что значит получить такой разряд 216 лет назад? В первую очередь необходимо иметь источник высокого напряжения. Василию Петрову в 1802 году удалось создать источник с напряжением на выходе до 1700 В!

При изготовлении источника напряжения русский ученый взял за основу изобретение Алессандро Вольта, который создал в 1800 году первый гальванический элемент, или электрическую батарею. Итальянский физик использовал явление возникновения электрического тока при взаимодействии двух различных металлов в электролите. «Вольтов столб» состоял из нескольких десятков медных и цинковых пластин, между которыми располагалось сукно, пропитанное кислотой. Так удалось получить напряжение, чувствительное для тела человека.

Василий Петров пошел дальше — он создал батарею, состоящую из 4200 медных и цинковых кружков, что позволило получить высокое напряжение на выходе такой батареи. Эта была самая мощная батарея, созданная на тот момент в мире. Она располагалась горизонтально, металлические кружки располагались в деревянных ящиках, длина которых достигала 12 метров. С «огромной батареей» ученый проделал много замечательных опытов, пропустив электрический ток через различные объекты. В результате было открыто много неизвестных на тот момент явлений, в том числе электрическая дуга.

Открытие

Вот как описывает один из своих опытов Василий Петров:

«Если на стеклянную пластинку или на скамеечку со стеклянными ножками будут положены два или три древесных угля. И если металлическими изолированными направителями, сообщёнными с обоими полюсами огромной батареи, приближать оные один к другому на расстояние от одной до трёх линий, то является между ним весьма яркий белого цвета свет или пламя, от которого оные угли скорее или медлительнее загораются и от которого тёмный покой довольно ясно освещен быть может».

Следует отметить, что в своих опытах Петров руководствовался своеобразными представлениями об электричестве. Это сегодня мы знаем, что электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц, а в 1802 году создатель электрометаллургии смотрел на электричество, как на протекание «гальвани-вольтовской жидкости», а явления, сопровождающие электрический ток, приписывал действию «кислотного вещества». То есть «гальвани-вольтовская жидкость» (электрический ток) рассматривалась как одно из веществ наряду с металлами и другими телами. Петров видел, что цинковые и медные кружки в «огромной батарее» окисляются, поэтому считал, что эта «жидкость» содержит кислород.

Открытием электрической дуги русский ученый не ограничился. Он стал исследовать действие электрического разряда на различные тела, в том числе на металлы. Так, в книге «Известие о гальвани-вольтовских опытах» можно найти указание на возможность применения электрической дуги в металлургии:

«Напоследок, посредством огня, сопровождающего течение гальвани-вольтовской жидкости, при употреблении огромной батареи пытался я превращать красный свинцовый и ртутный, также и сероватый оловянный оксид в металлический вид; следствия тех же опытов были такие, что упомянутые оксиды, смешанные с порошком древесных углей, салом и выжатыми маслами, при сгорании сих горючих тел иногда с пламенем принимали настоящий металлический вид».

Кроме этого, Петров систематически исследовал свойства электрической дуги при различных давлениях. Из описания опытов можно сделать вывод, что ему удалось получить различные формы газового разряда, от тлеющего разряда при низких давлениях до искрового разряда при больших.

Забвение

Несмотря на выдающиеся открытия и исследования в области электротехники, после смерти Василий Петров был несправедливо забыт. Не сохранилось ни портрета ученого, ни письменного описания его внешности. В краеведческом музее города Обоянь, где родился Петров, находится портрет неизвестного ученого.

«Второе рождение» Петрова произошло в 1887 году, кода будущий физик и основатель русской оптической промышленности Александр Львович Гершун (29 октября 1868 — 8 июня 1915), а на тот момент студент Петербургского университета, работая в библиотеке города Вильно, случайно нашел книгу «Известие о гальвано-вольтовских опытах». Только после этого события внимание петербургских научных кругов было обращено на труды Василия Петрова. Были также обнаружены еще две книги русского ученого: «Собрание физико-химических новых опытов и наблюдений Василия Петрова, профессора физики при Академии Санкт-Петербургской Медико-Хирургической и Свободных художеств», изданной в 1801 году, и «Новые электрические опыты» 1804 года.

После открытия трудов ученого русский физик и профессор физики в Военно-медицинской академии Николай Григорьевич Егоров (19 сентября 1849 — 22 июля 1919), приложивший усилия для восстановлении имени Петрова, написал статью в энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона. Всё, что можно узнать об ученом, запечатлено в его трудах и академических протоколах.

Василий Владимирович Петров родился 8 июля 1761 года в семье приходского священника в городе Обоянь Белгородской губернии (сегодня Курская область). Окончил в 1785 году Харьковский коллегиум, а после Санкт-Петербургскую учительскую семинарию. В 1788 году был назначен учителем математики и физики в Колыванско-Воскресенское горное училище Барнаула, а в 1791 году переведен в Инженерное училище при Измайловском полку.

Путь выдающегося ученого Василий Петров начал в 1793 году в Санкт-Петербургском медико-хирургическом училище при военно-сухопутном госпитале учителем физики и математики. В 1795 году училище было преобразовано в медико-хирургическую академию, и Петров получил звание экстраординарного профессора.

С этого момента физик-самоучка смог как следует приняться за свои опыты, которые он явно продумывал заранее, до своего назначения. Об этом говорят многочленные рапорты о необходимости приобретения приборов и аппаратов в физический кабинет. После открытия Вольта Петрову удается «выбить» средства на строительство подобного прибора в физическом кабинете.

В 1803 году Василий Петров был избран корреспондентом Академии наук, а через четыре года, в 1807 году, по предложению академика Логина Юрьевича Крафта (25 августа 1743 — 20 ноября 1814) избран её членом. Нужно сказать, что Крафт в своих статьях об электрической дуге не упоминает даже имени Василия Петрова, что значительно способствовало забвению русского физика.

В феврале 1833 году 72-летний Василий Петров «сверх всякого чаяния» был уволен из академии с пенсией 5 тыс. рублей в год, а через год 22 июля 1843 года скончался в Санкт-Петербурге. На долгих 53 года было забыто имя ученого, но его надежды, выраженные в книге «Известие о гальвани-вольтовских опытах», сбылись:

«Я надеюсь, что просвещенные и беспристрастные физики, по крайне мере, некогда согласятся отдать трудам моим ту справедливость, которую важность сих последних опытов заслужили».

«Огромная батарея», использованная Василием Петровы, имела мощность обычной электрической лампочки — 100 Вт, а сила электрического тока составляла всего 0,05−0,2 А. Сегодня в промышленности используются источники электрической энергии в несколько миллиардов ватт (Саяно-Шушенская ГЭС имеет мощность 6,4 ГВт), а сила тока в электродуговых печах может достигать 125 кА. Все современные достижения в области обработки металлов и электрометаллургии опираются на труды выдающегося русского физика Василия Владимировича Петрова.