2.
Електрически махаови мотори; Контактни мотори
Ако под "електрически мотор" се разбира устройство, преобразуващо електрическа енергия в продължително механично движение, тогава първите два електрически мотора са били изобретени в началото на 1740-те години от Андрю Гордън (Andrew Gordon), шотландски бенедиктински монах и професор по философия в Ерфурт (Erfurt), Германия. [1]
Бележка от преводача: Да не забравяме, че "философията" в онези векове е имала широко значение и е включвала науката като цяло.
Първият мотор на Гордън било устройство, познато като "електрически камбани" (вторият му мотор ще бъде описан в следващата глава). Устройството и функционирането му било както следва. Метален звънец (махало) бил провесен на копринена нишка между две положително заредени камбани (Фиг. 1). От първоначалния контакт с една от камбаните, махалото възприемало заряд със същата полярност, като този на камбаната. Поради отблъскването на еднаквите заряди и привличането на противоположните заряди, махалото тогава било отблъсквано от ударената камбана и привлечено към втората камбана. Когато махалото ударело втората камбана, то отдавало първоначалния си заряд и добивало заряд от същата полярност, която имала втората камбана. Тогава махалото било отблъсквано от втората камбана и привлечено от първата камбана, която отново удряло, и тн.
По-късните автори описват множество вариации на Гордановите камбани, най-вече като устройства за демонстрации в лекторски зали за онагледяване на електростатичните сили. Такива устройства са шиоко използвани за тази цел дори и днес.
През 1752г Бенджамин Франклин (Benjamin Franklin) направил едно гениално приложение за Гордановите камбани. Той свързал камбаните към изолиран гръмоотвод като предупредително устройство, което предупреждавало, когато гръмоотводът се наелектризира.[2]
Бележка от преводача: Противно на разпространената обща култура, светкавиците не са единствено в посока от небето към земята. Съществуват и светкавици от земята към небето, които се наблюдават по-рядко, но в действителност процесът на този феномен се състои и от двете неща. Мигове преди да удари светкавица, и от небето и от земята започват да се протягат плазмени пътечки, приличащи на виещи се змии. Това става твърде бързо и невъоръженото око не може да го долови, но лесно се долавя от видео-камера или фото-леща. Самият момент, когато светкавицата иили гръмотевицата става факт, се реализира, когато тези две плазмени пътечки, протегнати от земята и от небето, се срещнат и се получи затворен електрически път между небето и земята.
Уикипедия,
Онагледяване Така, когато гръмоотводът се наелектризира, това означава, че от него се протяга "водач", който всеки момент може да направи връзка с небето.
(Изглежда, че по онова време нито Франклин, нито другите учени подозирали колко опасно можело да бъде това "предупредително устройство". Екстремната опасност на експериментите с изолирани гръмоотводи станала явна година по-късно, когато през 1753г руският физик Джордж Вилхелм Рихман (Heorge Wilhelm Richmann) бил убит от светкавица, която влязла в лабораторията му по такъв гръмоотвод, защото го приближил, с намерение да измери наелектризираността му със специално направен електрометър.)
В една по-късна модификация на Гордъновото изобретение една от двете камбани била монтирана на Лейденов буркан (Фиг.2); тогава камбаните ще звънят дотогава, докато има достатъчно електрическа енергия, съхранена в буркана, за да се движи махалото. (Франклин описал функционирането на електрическо махало, захранвано от Лейденов буркан, през 1747г, виж препратка 2, стр. 189)
Фигура 1Така наречените "електрически камбани" представлявали първото устройство, което преобразувало електрическа енергия в продължително механично движение. Те били изобретени през около 1742г от Андрю Гордън (Andrew Gordon), професор по философия в Ерфурт, Германия.
Фигура 2В една по-късна модификация на изобретението на Гордън една от двете камбани била монтирана на Лейденов буркан. Тогава камбаните звънели дотогава, докато в буркана имало достатъчно електрическа енергия, за да задвижва махалото.
Фигура 3Понякога Гордъновите камбани били изработвани като комплект от три камбани и две махала, всички били провесени на хоризонтална ос, а централната камбана била изолирана от оста и заземена посредством лека верижка.
Фигура 4Друга модификация на Гордъновите камбани, била комплект камбанни знънчета, подреди в кръг около централна камбана върху дървена основа. За всяка от външните камбани има отделно махало.
Фигура 5Електрическият и механичен принцип на изобретениеот на Гордън може да се използва не само за биенето на звънчета, но и за създаване на механично движение по принцип. В тази "електрическа люлка" този принцип бил използван за опериране на анимирана играчка.
Фигура 6През 18ти и 19ти век били изобретени различни електростатично задвижвани играчки. Тази "електрическа калушка" била просто една проводяща ос, клатеща се върху хоризонтална ос на същия принцип като камбаните на Гордън.
Понякога Гордъновите камбани били правени като комплект от три камбани и две махала, като всички били провесени от хоризонтална ос, а централната камбана била изолирана от оста и заземена посредством лека верижка (Фиг. 3). Друга модификация на Гордъновите камбани, била комплект камбанни знънчета, подреди в кръг около централна камбана (Фиг. 4); за всяка външна камбана било въведено отделно махало и всяко се движело между дадената външна и вътрешната камбана (централната камбана обикновено била заземена, външните камбани били свързани към електростатичен генератор).
Електрическият и механичен принцип на Гордъновото изобретение може да се използва, разбира се, не само за биене на камбанки, но и за редица други цели. Всъщност, този принцип по-късно бил използван в две електрически задвижвани играчки: "електрическата люлка" и "електрическата калюшка", които ползвали, съответно, изолирано махало, направено като люлка (Фег. 5) и изолирана проводяща, люлееща се ос, способна на осцилиране около хоризонтална ос (Фиг. 6).[3,4]
Освен Франклиновите камбани, всичките устройства по-горе са били проектирани да оперират о телектростатичен генератор или от Лейденови буркани, заредени от такъв генератор. Само че, през 1806г била изобретена една високоволтова химическа батерия ("суха купчина", по-късно позната като "купчина на Замбони"(Zamboni pile) от Георг Беренс (Georg Behrens) и през 1810г тази купчина била адаптирана от Джузепе Замбони (Giuseppe Zamboni), така че да задвижва примитивни електростатични мотори. [5] Що се отнася до това, че купчините на Замбони могат да останат активни за много години наред, малките мотори, които функционирали на тяхна база, били известни като "електрическо пертетуум мобиле".
Бележка от преводача:УикипедияКупчината на Замбони е ранна електрическа батерия, изобретена от Джузепе Замбони през 1812г.
![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e4/Pila_de_Zamboni.jpg)
Купчината на Замбони е "електростатична батерия" и е съставена от дискове сребърно фолио, цинково фолио, и хартия. Друг вариант е дискове от "сребърна хартия" (хартия с тънък слой от цинк от едната й страна), позлатена от една страна или сребърна хартия, намазана с манганов оксид и мед (за ядене). Използват се дискове приблизително 20мм в диаметър, натрупани един върху друг, като това натрупване може да е с дебелина няколко хиляди диска, след което се притискат в стъклена тръба с капаки накрая или се подреждат между три стъклени пръчки с дървени плочки в краищата и се изолират, като се потопят в разтопена сяра или катран.
Купчините на замбони с модерна конструкция са се произвеждали дори и през 1980-те години, за да осигурят волтажа за ускоряване при вакумните тръби за засилване на изображения, най-вече с военна употреба. Днес такива волтажи се добиват от инверторните вериги с транзистори, захранвани от обикновени (нисковолтови) батерии.
Електродвигателната сила за елемент е приблизително 0.8 волта; при хиляди елементи, натрупани един до друг, купчините на Замбони имат потенциална разлика в киловолтен обсег (хиляди волта), но дават ток в наноамперния обсег. Смята се, че известната ОКсфордска електрическа камбана, която продължава да звъни от 1840г, се захранва от двойка Замбонови купчини.
Точно така пише, "смята се". Причината е, както авторът отбелязва в предисловието си, че персонала на музеите, както и широката общественост в лицето на Уикипедия, като цяло си нямат представа от електростатика. Явно никой не може да каже захранват ли се от тях или не. Работата е, че електростатичното електричество е първична и чиста форма на енергията, а токът и магнетизма са преработена и непървична форма на енергия, която много рядко се среща в природата (Франсис,
"Електростатични експерименти"). Много е лесно една електростатична батерия да възстанови заряда си по непредвиден начин заради нормалните взаимодействия на природните сили в околната среда. Затова дали такива "електрически перпето мобилета" се захранват или не се захранват от електростатичните си батерии, малко хора знаят какво се случва.
Пример за такова перпетуум мобиле е показан на Фиг. 7 (виж Глава 4 за друг дизайн). Апаратът се състоял от леко, неогъваемо, изолирано махало, окачено точно над равновесния си център, с малък проводящ пръстен на върха. Пръстенът се намирал между терминалите на две Замбонови купчини. Когато пръстенът влизал в контакт с един от терминалите, той приемал заряд от него и би лотблъскван от същия и привлечен към втория терминал, и така нататък, точно като махалото в Гордъновите камбани. Докладвано е, че едно такова перпетуум мобиле функционира без прекъсване от поне 86 години.[6]
Фигура 7Това електрическо махало функционирало с една купчина на Замбони, ранна високоволтова батерия. Тъй като батерията продължила да бъде активна много години, махалото станало известно като "електрическо перпетуум мобиле".
Фигура 8Може би най-сложното устройство, извлечено от Гордъновите камбани, е бил този реципрочен електростатичен мотор, построен през 1880г от Х. Б. Дейли и Е. М. Дейли.
Най-сложното устройство, произлязло от Гордъновите електрически камбани, може би е реципрочният електростатичен мотор (Фиг.8 и Картина 1), построен през 1880г от Хауард Б. Дейли и Илай М. Дейли (Howard B. Dailey, Elijah M. Dailey).[7] Моторът, който сега е в Историческо технологичния музей на Смитсъновия институт (Museum of History and Technology at Smithsonian Institution) бил описан от един от построилите го по следния начин:
"Тази машина оперира заради директното действие на статично-електрическите привличания и отблъсквания. Целият е направен от фино дърво, стъкло и твърда гума, няма използван магнитен материал. Маховикът е от ламелирано, меко дърво и се движи в плъзгащи се лагери (потърсете "plain bearing", бел.прев) с много малък диаметър. Движещите се топчета, монтирани върху оста от вулканит (минерал, меден телурид, бел.прев), са направени от дърво, издълбани са отвътре, така че стената им е дебела 2мм. Те са покрити с алуминиево фолио за статична проводимост. Неподвижните топчета са от плътно дърво".
"За да функционира двигателят, неподвижните топчета се зареждат с електричество от генератор на статично електричество, като например машината на Холц (Holtz), горните топчета са свързани за единия терминал на машината чрез месинговото топче, а долните неподвижни топчета са свързани за противоположния терминал на машината чрез оста, която ги свързва към основата. При нормални условия, когато е зареден, двигателят ще направи около 375 завъртания в минута".
"Ореховата основа, на която е монтиран двигателят, е дълга 35.5см, широка е 10.15см и е дебела 4.44см. Движещите се топчета са с диаметър около 3.81см; горните неподвижни топчета са с диаметър 4.44см, а долните неподвижни топчета са с диаметър 3.81см. Четирите стъклени пръчки, монтирани вертикално, са високи около 15.24см и са на разстояние 15.24см една от друга по основата. Диаметърът на маховика е 14.60см, позлатен е и има малки телени спици. Свързващата ос е с дължина 17.78см".
*Авторът е благодарен на г-н Елиът Сивоуич (Elliot Sivowitch), музеен специалист от Смитсъновия институт, че учтиво предостави това описание и фотографията на мотора на Дейли.
Електрическият принцип на Гордъновите камбани може също да се използва и за продължително движение във всички посоки. Забележително устройство от такъв тип било "електрическата състезателна топка", или "електрическият планетарий", за което М. Гуйот (M. Guyot) осигурява отлично описание.[8]
Фигура 9Електрическият принцип на Гордъновите камбани може да се използва и за създаване на продължително всепосочно движение. Тази "електрическа състезателна топка" била ускорявана по проводящ обръч от същия механизъм, който задвижвал махалото на Гордъновите камбани.
Апаратът се състоял от изолиран, хоризонтален, проводящ обръч, позициониран над проводящия диск, с вертикална рамка, концентрична спрямо обръча (Фиг. 9). Подредбата се състояла от пътека за лека стъклена сфера, поставена върху диска между обръча и рамката. Когато обръчът и дискът били свързани към електростатичен генератор, сферата се движела по тази пътека заради привличането и отблъскването, упражнявани от обръча и от диска върху точките от сферата, които добивали заряди от контакта с диска и обръча (търкалянето на сферата обикновено трябвало да се стартира от леко бутване с ръка, но след като сферата започнела да се търкаля, тя продължавала да се търкаля дотогава, докато електростатичният генератор работел).
Тъй като движещите се елементи в гореописаните мотори били зареждани чрез контакт, моторите може да се класифицират като "контактни мотори". Този метод на зареждане, обаче, не е нито единственият възможен, нито пък най-изгодния. Следователно контактните мотори вероятно винаги ще са по-нисшестоящи от моторите, описани в следващите глави. В тази връзка може да е полезно да се отбележи, че, при по-задълбочено изследване на Гордъновите камбани и други сходни устройства, може да се разпознае, че зареждането на движещите се елементи в тези устройства обикновено се случва посредством искра, която прескача от неподвижен електрод (камбана) към движещ се елемент (махало), веднага щом последното се приближи достатъчно до първото. Така, действителният физически контакт между движещата се част и неподвижните компоненти в тези устройства въобще не е нужен за функционирането им. Всъщност, такъв контакт е вреден, тъй като води до енергийни загуби от сблъсъка и от триенето.
Препратки1. P. Benjamin, A History of Electricity, John Wiley and Sons, New York, 1898, pp. 506, 507.
2. J. Sparks, Ed., The Works of Benjamin Franklin, Whittemore, Niles, and Hall, Boston, 1856, Vol. 5, p. 301.
3. F. M. Avery, Modern Electricity and Magnetism, Sheldon and Company, New York, 1885, p. 241.
4. A. Neuburger, Ergbtzliches Experimentierbuch, Ullstein & Co., Berlin, 1920, pp. 434-436.
5. Gilbert, Annalen der Physik, Ser. 1, Vol. 49, pp. 35-46, (1815).
6. Muller-Pouillet, Lehrbuch der Physik und Meteorologie, Friedrich Vieweg und Sohn, Braunschweig, 1909, 10th edn.,Vol. 4, p. 338.
7. H. B. Dailey, Modern Electrics, Vol. 5, pp. 916-917 (1912).
8. M. Guyot, Nouvelles Recreations Physiques et Mathematiques, Gueffier, Paris, 1786, Vol. 1, pp. 272-274 and Plate 27.