Глава 11. Первый электротехник

Все наблюдения и открытия, которыми чаял Петров принести пользу людям, остались неизвестными и практически бесполезными – можно ли представить себе большую трагедию для человека-творца? Лишь с опозданием чуть не в 100 лет Петров получил свою долю мировой славы. Но мне кажется, что вряд ли он был бы удовлетворен этим. Скорее всего, ему горько было бы осознавать, что его открытие прошло незамеченным, когда оно было нужным. Приоритет Петрова стал очевидным только тогда, и слава его и гордость наша возникли тогда только, когда электрические лампочки были уже обычным оборудованием, дешевым и надежным, ничем не примечательным и привычным.

В. Карцев. Приключения великих уравнений

Новая наука электрофизика родилась вместе с XIX веком, самое начало которого ознаменовалось опытами итальянского ученого Алессандро Вольта (1745–1827), продемонстрировавшего прибор для получения непрерывного потока электрических зарядов – вольтов столб. Этот дальний предок современных электрических батареек и аккумуляторов состоял из последовательности перемежающихся цинковых и серебряных пластин, разделенных суконными или бумажными прокладками, смачиваемыми уксусом или раствором нашатыря. Непрерывный электрический ток в вольтовом столбе является результатом химического взаимодействия двух различных металлов в кислой или щелочной среде.

Вольтов столб стал прообразом главных источников лабораторного электричества в XIX веке – разнообразных гальванических элементов. Так в распоряжении первых электротехников, инженеров и ученых наконец-то оказался источник непрерывного движения электрозарядов, тут же получивший название «постоянный электрический ток». Надежность, неприхотливость и простота вольтового столба, который можно было, обладая некоторой сноровкой, в течение получаса изготовить из столбика монет и кусочков камзольной ткани, смоченной уксусом, открыли простор для экспериментальных исследований физиков, химиков, биологов, медиков и всех иных энтузиастов-естествоиспытателей.

К физике тогда вообще относились весьма подозрительно. Считалось, что «физические науки… обращены на то, чтобы опровергнуть повествование о сотворении мира, о потопе и о других достоверных событиях, о которых священные книги сохранили для нас память». Но вот в рапортах начинают изредка проступать мажорные нотки. Из анатомического кабинета удается добыть несколько первых приборов, затем – о радость! – удается получить деньги на заказ приборов и даже на выписку их из-за границы. Петров получает возможность купить несколько физических приборов у петербургских аристократов, баловавшихся науками (это было модно со времен Екатерины, которая «ужас как» любила, например, электрические опыты. Затем мода стала проходить). В 1797 году Петров приобретает у какого-то вельможи две электрические машины, «стекло которых имеет вид цилиндра», и электрическую машину, «коей стеклянный круг имеет в диаметре 40 английских дюймов, а медный кондуктор 5 футов длины и 5 дюймов в диаметре», а также коллекцию постоянных магнитов – коллекцию, которой суждено позже сыграть определенную роль в жизни Петрова. О своих покупках Петров делает донесение конференции академии, причем указывает, что многие экспонаты неисправны, нуждаются в переделке и ремонте (в одном из последующих донесений читаем, что «переправка», проделанная по указаниям Петрова, «произвела сильнейший успех»).

В. Карцев. Приключения великих уравнений

Конструированием вольтовых столбов в то время занимались многие естествоиспытатели, а также врачи, аптекари, негоцианты. Даже в покоях некоторых европейских королей можно было найти модные роскошные вольтовы столбы, составленные из золотых и серебряных монет. В России электрическими опытами с вольтовыми столбами сильно увлекался академик Василий Владимирович Петров (1761–1834). Это был несомненно талантливый физик и искусный экспериментатор, который проводилв кабинете физики Петербургской медико-хирургической академии многочисленные опыты с вольтовым столбом собственной конструкции в виде гигантской батареи из нескольких тысяч гальванических элементов.

Известный писатель-популяризатор В. П. Карцев в своей книге «Приключения великих уравнений» рассказывает, как в 1795 году тридцатичетырехлетний Петров стал профессором в Петербургской военно-медицинской (медико-хирургической) академии, для чего ему пришлось прочесть специальную пробную лекцию, которая произвела, по-видимому, хорошее впечатление. Профессор Петров стал усиленно добиваться устройства в академии физического кабинета. Рапорты, представления, донесения Петрова начальству пожухлыми листами свидетельствуют о неописуемо трудной борьбе. Окружающие Петрова люди были бесконечно далеки от идей, связанных с устройством каких-либо кабинетов по физике. Порою кажется, что все эти документы – глас вопиющего в пустыне. Горячность иных строк – свидетельство отчаяния человека, не способного проломить крепостные стены косности…

Русский ученый впервые догадался заменить продольное расположение элементов вольтова столба на ряд поперечных секций, создав мощный источник тока, названный впоследствии гальванической батареей Петрова. Научная интуиция этого замечательного исследователя предсказывала ему удивительные открытия, он работал денно и нощно, не щадя себя. В то время еще не существовало чувствительных приборов, измеряющих электрическое напряжение, и Петров самоотверженно превратил в вольтметр свой организм. Он удалил кожу с кончиков пальцев и фиксировал болезненные уколы электрического тока обнаженными нервными окончаниями.

Хлопоты Петрова по созданию физического кабинета были в самом разгаре, когда до Санкт-Петербурга дошли вести об опытах Вольта, об изобретении им нового, невиданного до тех пор источника электричества – вольтова столба. Петров интуитивно почувствовал важность проведения исследований с этим прибором. Свидетельство этому – пожелтевший рапорт Петрова конференции академии: в нем обоснование непременной необходимости иметь в академии вольтов столб, чтобы можно было проводить в академии «опыты, которыми многие европейские физики начинают теперь заниматься гораздо с большим против прежнего радением». Видимо, ходатайство прозвучало очень убедительно, потому что в решении конференции имеется пункт о выделении на нужды физического кабинета 300 рублей, причем 200 из них предназначались для заказа «гальванического прибора» из 200 цинковых и медных кружков, каждый диаметром около 25 см, а оставшиеся 100 рублей ассигнованы были на «хрустальные с медной оправой приборы с пьедестальцем для поддержания их (кружков) и ящик из красного дерева с особенными листами для укладывания порознь всех приборов».

Схема опытов В. В. Петрова.

«Огромной величины батарея», изготовленная по проекту Петрова, состоит из 4200 медных и цинковых кружков, то есть в 20 раз больше по количеству кружков, чем первый столб. Общая длина столба – 12 м. Выполнен он необычно: столб лежит в нескольких ящиках красного дерева, соединенных между собой изготовленным самим Петровым проводом и изолированным им же с помощью сургуча. Этот столб, вне всякого сомнения, был самым крупным и совершенным в то время во всем мире. Благодаря лежачей конструкции тяжелые металлические кружки не выдавливали жидкости, которой были пропитаны бумажные кружки, разделяющие цинковые и медные элементы. Именно выдавливание жидкости в стоячих дотоле известных столбах, как ни странно, препятствовало созданию особо крупных батарей. Остроумное решение Петрова открыло ему путь к постройке элемента, которого не знал еще мир, – «огромной гальвановольтовой батареи».

Первые же опыты принесли успех. Батарея оказалась настолько мощна, что от внимательного глаза Петрова не могли скрыться искры, возникающие при разрыве цепи батареи. А если в месте разрыва угольки, то между ними возникало «больше или меньше яркое пламя».

Создав свою замечательную батарею, Петров сразу же приступил к обширной серии экспериментальных исследований электрического сопротивления угля. Он взял два угольных стерженька, соединил их с разными полюсами электрической батареи и приблизил друг к другу. Как только угли сблизились, их концы разогрелись так сильно, что начали светиться. Ученый стал немного отодвигать угли друг от друга. Внезапно в воздухе между ними возникло ослепительно-яркое изогнутое белое пламя: родилась электрическая дуга – один из видов электрического разряда, дуговой разряд. Петров сразу же отметил практическую ценность своего открытия, написав, что ему удалось получить «весьма яркий белого цвета свет или пламя, от которого оные угли скорее или длительнее загораются и от которого темный покой довольно ясно освещен быть может».

Исследователь сразу же заметил, что жар электрической дуги очень силен и в ней легко плавятся серебряные и медные монеты, железные гвозди и цинковые пластинки. Впрочем, это и неудивительно, ведь теперь мы знаем, что температура в пламени дуги Петрова достигает «солнечных» величин свыше шести тысяч градусов Цельсия. Именно такова температура поверхности нашего дневного светила! Что же является причиной возникновения электрической дуги?

При сближении угольных стерженьков начинает течь ток. В месте соприкосновения углей электрический ток встречает сопротивление значительно большее, чем в самих углях, так как воздух в обычном своем состоянии тока не проводит, а угольные стерженьки соприкасаются только в небольшом числе точек. Вследствие этого концы углей сильно разогреваются, испускают свет и нагревают окружающий воздух. Такие угли начинают выделять раскаленные газы. Если теперь слегка раздвинуть угли, электрический ток не прекратится: раскаленные газы проводят ток, и между раздвинутыми углями возникает светящаяся электрическая дуга.

Петров поставил много опытов с электрической дугой. Он получал ее в воздухе, в разреженной среде, в различных жидкостях, наблюдал ее, заменяя угли различными металлами. При этом исследователь обнаружил уникальную возможность получения при помощи электрической дуги чистых металлов из их руд. Этот процесс восстановления металлов лежит в основе современной электрометаллургии.

Об открытом явлении электрической дуги и ее исследованиях ученый написал две книги. В них Петров развивал мысль о том, что электрическая дуга может получить всестороннее применение в технике освещения, нагревания и металлургии.

К сожалению, у себя на родине Петров не встретил интереса к своим выдающимся исследованиям, их результаты были очень скоро незаслуженно забыты, в том числе и замечательная гальваническая батарея. Этому в немалой степени способствовала и позиция руководства Петербургской академии наук, в которой все руководящие посты занимали иностранные ученые, за редким исключением крайне пренебрежительно относившиеся к достижениям российских исследователей. Когда же в 1811 году, через девять лет после открытия Петрова, английский естествоиспытатель Хемфи Дэви снова получил в своей лаборатории электрическую дугу, он был торжественно признан единственным первооткрывателем этого явления. Четкий ответ на вопрос, почему так случилось, дает выдающийся физик прошлого столетия академик П. Л. Капица:

Мне думается, что объяснение надо искать в тех условиях, в которых наука развивается в стране. Недостаточно ученому сделать открытие, чтобы оно оказало влияние на развитие мировой культуры, – нужно, чтобы в стране существовали определенные условия и существовала нужная связь с научной общественностью за границей… Трагедия изоляции от мировой науки работ Ломоносова, Петрова и других наших ученых-одиночек и состояла в том, что они не могли включиться в коллективную работу ученых за границей…

Велика сила настоящих открытий, ведь прошло уже более двух столетий, а современные технологии сварки металлов, металлургии и осветительной техники продолжают широко применять дугу Петрова. До Петрова электрический свет был вспышкой, искрой, молнией, а теперь он горел постоянно и ярко, подобно солнечному свету. Воистину академик Петров сделал великое открытие, зажегши первый источник непрерывного электрического света! Хотя имя академика Петрова оказалось надолго забыто и разлучено с его гениальным творением, сейчас историческая истина полностью восторжествовала, и теперь оно будет жить в веках. Светозарное зерно, зароненное самобытным русским ученым, проросло такими выдающимися изобретениями нашей современности, как автоматическая сварка Патона, электрошлаковая сварка и электроимпульсный метод Корнеева. Академик Петров был первым человеком, взглянувшим на электрические явления с позиций не физика, но электротехника, при этом описав и многие другие важные технические приложения электричества. Фактически этот выдающийся исследователь положил начало электрометаллургии в дуговых печах, причем металлургии довольно изощренной даже по современным понятиям: действию электрической дуги Петров подвергал не просто окислы, а шихту из окислов металлов с углеродом (древесные угли, сало, масла – по существу, углерод, только в своеобразных формах и соединениях).