Природное электричество сопровождало человечество на всем пути его развития. Но если первобытных людей оно скорее пугало, то во времена античности стало вызывать интерес. Уже в первом тысячелетии до нашей эры древнегреческий философ Фалес Милетский проводил первые опыты с электричеством. В частности, он описал способность янтаря, потертого о шерсть, притягивать перышки и другие легкие предметы.

Спустя пять веков греческий математик и механик Герон Александрийский изобрел паровой двигатель. Если бы кто-то из античных мыслителей сумел объединить два открытия, он мог бы создать первый электростатический генератор. Вероятно, это в корне изменило бы мир и развитие человечества пошло бы другим путем. Однако история не терпит сослагательного наклонения. Открытия не произошло и долгое время знания об электричестве ограничивались размышлениями древнегреческих философов.

Первый прорыв случился в середине XVII века. Проводя эксперимент с шаром из серы, немецкий физик Отто фон Герике натер его руками и заметил, что в темное время суток он испускает свет. Так появился первый электростатический генератор, вырабатывающий электричество за счет трения. С этого момента в ученых кругах Европы началась тотальная «электромания». Френсис Хоксби, Стивен Грэй, Исаак Ньютон и десятки других ученых не только усовершенствовали изобретение Отто фон Герике, но и совершали собственные открытия. К примеру, англичанин Уильям Уотсон провел в 1746 году опыт с ружьем, стеклянными шарами и мечом, а спустя полтора десятилетия именно он изобрел первый громоотвод.

Электроскоп и лейденская банка

Период с XVII по XIX век не напрасно называют Эпохой Просвещения. В это время было сделано огромное множество открытий, в том числе и связанных с электричеством. К примеру, в 1600 году английский физик Уильям Гилберт изобрел прибор, получивший название версориум. Главным элементом устройства была вращающаяся игла, позволяющая определять наличие электрического заряда в теле, а также его величину. Именно версориум стал прародителем современных электроскопов.

Через полтора века британский физик-экспериментатор Джон Кантон усовершенствовал прибор и создал электроскоп с деревянным шариком. Поскольку дерево не является проводником, электроны не могут покинуть атомы и, как следствие, притягиваются к источнику электрического заряда. Это явление позволяет определить наличие заряда — шарик из сердцевины дерева притягивается к заряженным телам и остается неподвижным в отношении нейтральных предметов.

Еще через три десятилетия другой английский ученый Абрахам Беннет создал электроскоп на основе тончайших золотых листов. Во время экспериментов он накрывал листочки прозрачной стеклянной емкостью с установленным на крышке контактом. В тот момент, когда физик приближал к контакту заряженный предмет, соприкасавшиеся частички фольги начинали отталкиваться. При этом стоит отметить, что за счет минимальной массы листового золота эффект был намного заметнее, чем при использовании деревянного шарика.

Не менее полезным стало изобретение первого электроконденсатора — лейденской банки. Честь его открытия принадлежит голландцу Питеру ван Мушенбруку и немцу Эвальду фон Клейсту, которые отдельно друг от друга изготовили данное устройство в 1745 году. По сути, это была обыкновенная банка из стекла, оклеенная листовым оловом и закрытая крышкой, сквозь которую проходил металлический стержень. Конденсатор позволял накапливать и хранить электричество, а значит открывал дополнительные возможности для экспериментов. Появление лейденской банки дало мощный толчок к дальнейшему развитию науки.

От накопления к производству

Научившись измерять, накапливать и хранить электричество, физики Эпохи Просвещения вплотную подошли к его производству. Принцип действия первых машин, генерирующих электроэнергию, основывался на законе, который был открыт античным философом Фалесом Милетским. Его суть заключается в том, что два размещенных рядом диэлектрика генерируют электрический заряд. Поскольку в точке соприкосновения двух тел много микроскопических неровностей, заряд получается очень слабым. Однако при трении друг об друга тела входят в более плотный контакт и генерируют больший электрический заряд.

Электрофорный генератор, изобретенный во второй половине XVIII века и использующий явление электромагнитной индукции, стал усовершенствованной версией фрикционных машин. Его основное отличие состоит в том, что, отдавая заряд, предмет заземляется. В результате этого происходит смена заряда на противоположный.

Активно работая с электричеством, итальянский физик Алессандро Вольта изобрел несколько приборов. Одним из них стал электрофор. Основными конструкционным элементами этого устройства являются диэлектрическая планка и металлическая пластина с изолированной ручкой. Для зарядки диэлектрик необходимо потереть. После этого на нем размещают пластину из металла. Поскольку пластина заземлена, заряд меняется на противоположный, в то время как на диэлектрике он остается прежним. Благодаря этому металлическую пластинку можно использовать для переноса заряда. Увидеть распространение зарядов невооруженным взглядом помог двухметровый электрофор, изобретенный немецким физиком Георгом Кристофом Лихтенбергом в 1777 году. Устройство имело смоляную поверхность, на которую следовало насыпать толченую в порошок смолу. При подаче электричества она складывалась в фигуры, напоминающие ветвистое дерево.

Электрофоры постепенно совершенствовались учеными. К примеру, для усиления заряда стали применять многоступенчатые устройства. Но наиболее важной инновацией того времени стал переход от линейного движения к вращательному. Теперь для заряда следовало не тереть диэлектрик, а крутить ручку, что значительно упростило процесс получения электричества. Особую популярность приобрела электрофорная машина Джеймса Уимхерста, которая была изобретена в 1878 году. В ней использовались стеклянные диски с закрепленными металлическими пластинками. При вращении дисков заряд накапливался в лейденской банке.

Важно отметить, что электрофоры стали предшественниками всех современных индукционных машин.

Генератор Ван де Граафа

Еще одним интересным решением стал генератор, изобретенный американским ученым-физиком Робертом Ван де Граафом в 1929 году. Принцип работы этого оборудования основывается на электризации движущейся полоски, изготовленной из диэлектрического материала. Изолирующая лента заряжается в основании устройства, а металлический гребень передает заряд к металлической же сфере.

Первый генератор де Граафа позволял получать разность потенциалов до 80 киловольт. Но ученый не остановился на достигнутом и дважды усовершенствовал агрегат — в 1931 и 1933 годах. После первой доработки было достигнуто напряжение в 1000 киловольт, а после второй оно возросло до 7000 киловольт. Впрочем, это не сделало машину вечной. Спустя короткое время ей на смену пришел более мощный циклотрон.

Применение принципов электростатики в современных условиях

Сегодня электростатические генераторы можно встретить только в научно-технических музеях, где с их помощью посетителям демонстрируют законы физики. Что же касается современных устройств, то в большинстве из них используется коронирующий электрод.

Но именно старинные генераторы и в целом принципы электростатики стали базой для появления современной техники. Без них были бы невозможны аэрографы, светокопировальные машины и десятки других приборов, без которых нельзя представить жизнь человека в XXI веке.