Эбонитовая пластина электризуется отрицательно трением о шерсть или кошачью шкурку. Затем при помощи изолирующей ручки к эбониту подносится металлическая пластина. Между эбонитом и металлической пластиной не происходит прямого разряда, но вследствие индукции потенциал металлической пластины становится отрицательным, так что, когда она подходит на определённое расстояние к металлической игле, проскакивает искра. Если теперь металлическую пластину отвести на некоторое расстояние, то окажется, что она заряжена положительно, и её заряд может быть передан проводнику. При этом металлическое покрытие на обратной стороне эбонитовой пластины получает отрицательный заряд, равный по величине и противоположный по знаку заряду на металлической пластине.
При использовании этого прибора для зарядки конденсатора или накопителя одна из пластин помещается на проводнике, соединённом с землёй, а другая сначала кладётся на первую, затем снимается и приводится в соприкосновение с электродом конденсатора, затем кладётся на закреплённую пластину, и процесс повторяется. Если закреплена эбонитовая пластина, конденсатор будет заряжен положительно. Если закреплена металлическая пластина, конденсатор будет заряжен отрицательно.
Работа, совершаемая рукой при разделении пластин, всегда превышает работу сил электрического притяжения, совершаемую при сближении пластин, так что процесс зарядки конденсатора связан с затратой работы. За счёт части этой работы создаётся энергия заряженного конденсатора, часть работы идёт на шум и тепло при возникновении искр, а остальная часть - на преодоление других сил, препятствующих движению.
О машинах, создающих электризацию посредством механической работы
209. В обыкновенной фрикционной электрической машине работа, затрачиваемая на преодоление трения, оказывается намного больше, чем та, которая идёт на увеличение электризации. Поэтому любая установка, с помощью которой электризация может производиться целиком за счёт механической работы против электрических сил, представляется важной с научной точки зрения, даже если она и не имеет практического значения. Первой машиной такого рода, по-видимому, был вращающийся удвоитель Никольсона, описанный в Philosophical Transactions за 1788 г. как «прибор, который при вращении рукоятки создаёт два состояния электричества без трения или соединения с Землёй».
210. Именно с помощью вращающегося удвоителя Вольта Смог увеличить электризацию, получаемую от столба, до величины, способной воздействовать на его электрометр. Приборы, действующие на том же самом принципе, были независимо изобретены г-ном Варлеем 2 (Varley) и сэром У. Томсоном.
2 Specification of Patent, Jan. 27, 1860, N 206.
Эти приборы в своей основе состоят из изолированных проводников различной формы, из которых одни закреплены, а другие подвижны. Движущиеся проводники называются носителями, а неподвижные могут быть названы индукторами, приёмниками и регенераторами. Индукторы и приёмники имеют такую форму, что, когда носители при своём обращении достигают определённых точек, они оказываются почти полностью внутри некоторого проводящего тела. Однако индукторы и приёмники не могут полностью окружать носитель и в то же время позволять ему свободно входить и выходить наружу. Этого нельзя добиться без сложного устройства подвижных частей. Поэтому прибор с теоретической точки зрения не является совершенным без пары регенераторов, накапливающих небольшие количества электричества, которые носители удерживают на себе при выходе из приёмников.
Однако мы пока можем предположить, что индукторы и приёмники полностью окружают носитель, когда он находится внутри них, поскольку в этом случае теория очень упрощается.
Мы предположим, что машина состоит из двух индукторов 𝐴 и 𝐶, из двух приёмников 𝐵 и 𝐷 и из двух носителей 𝐹 и 𝐺.
Предположим, что индуктор 𝐴 наэлектризован положительно, так что его потенциал равен 𝐴, и пусть носитель 𝐹 находится внутри индуктора 𝐴 и имеет потенциал 𝐹. Тогда, если коэффициент индукции между 𝐴 и 𝐹 равен 𝑄 (величину 𝑄 считаем положительной), количество электричества на носителе будет равно 𝑄(𝐹-𝐴).
Если носитель, находясь внутри индуктора, соединён с землёй, то 𝐹=0, и заряд на носителе будет равен -𝑄𝐴, отрицательной величине. Пусть теперь носитель движется по кругу, пока он не попадёт в приёмник 𝐵. Находясь внутри 𝐵, носитель касается пружины и, таким образом, приходит в электрическое соединение с 𝐵. Тогда, как показано в п. 32, носитель полностью разряжается и передаёт весь свой отрицательный заряд приёмнику 𝐵.
Затем носитель войдёт в индуктор 𝐶, о котором мы будем предполагать, что он заряжен отрицательно. Находясь внутри 𝐶, носитель приходит в соединение с землёй и, таким образом, приобретает положительный заряд, который он уносит и передаёт приёмнику 𝐷 и т. д.
Таким путём, если потенциалы индукторов остаются всё время постоянными, то приёмники 𝐵 и 𝐷 получают последовательно заряды одной и той же величины для каждого оборота носителя, и, таким образом, каждый оборот даёт одно и то же приращение электричества в приёмниках.
Но если индуктор 𝐴 соединить с приёмником 𝐷, а индуктор 𝐶 с приёмником 𝐵, потенциалы индукторов будут непрерывно возрастать, и количество электричества, доставляемое в приёмники при каждом обороте, также будет непрерывно возрастать.
Пусть, например, потенциалы 𝐴 и 𝐷 равны 𝑈, а потенциалы 𝐵 и 𝐶 равны 𝑉, тогда, поскольку потенциал носителя внутри 𝐴 равен нулю (носитель, находясь в 𝐴, соединён с землёй), его заряд равен -𝑄𝑈. Носитель входит в 𝐵 с этим зарядом и передаёт его 𝐵. Если ёмкость 𝐵 и 𝐶 равна 𝐵, их потенциал изменится от 𝑉 до 𝑉-(𝑄/𝐵)/𝑈.
Если другой носитель в то же самое время перенёс заряд -𝑄𝑉 от 𝐶 к 𝐷, это изменит потенциалы 𝐴 и 𝐷 от 𝑈 до 𝑈-(𝑄'/𝐵)/𝑉, где 𝑄' - коэффициент индукции между носителем и 𝐶, а через 𝐴 обозначена ёмкость 𝐴 и 𝐷. Таким образом, если обозначить через 𝑈𝑛 и 𝑉𝑛 потенциалы двух индукторов после 𝑛 полуоборотов, a 𝑈𝑛+1 и 𝑉𝑛+1- потенциалы после 𝑛+1 полуоборотов, то
𝑈
𝑛+1
=
𝑈
𝑛
-
𝑄'
𝐴
𝑉
𝑛
,
𝑉
𝑛+1
=
𝑉
𝑛
-
𝑄
𝐵
𝑈
𝑛
.
Если мы обозначим 𝑝²=𝑄/𝐵 и 𝑞²=𝑄'/𝐴, то найдём
𝑝𝑈
𝑛+1
+
𝑞𝑉
𝑛+1
=
(𝑝𝑈
𝑛
+𝑞𝑉
𝑛
)
(1-𝑝𝑞)
=
(𝑝𝑈
0
+𝑞𝑉
0
)
(1-𝑝𝑞)
𝑛+1
,
𝑝𝑈
𝑛+1
-
𝑞𝑉
𝑛+1
=
(𝑝𝑈
𝑛
-𝑞𝑉
𝑛
)
(1+𝑝𝑞)
=
(𝑝𝑈
0
-𝑞𝑉
0
)
(1+𝑝𝑞)
𝑛+1
.
Таким образом,
2𝑈
𝑛
=
𝑈
0
[(1-𝑝𝑞)
𝑛
+(1+𝑝𝑞)
𝑛
]
+
𝑝
𝑞
𝑉
0
[(1-𝑝𝑞)
𝑛
-(1+𝑝𝑞)
𝑛
]
,
2𝑉
𝑛
=
𝑝
𝑞
𝑈
0
[(1-𝑝𝑞)
𝑛
-(1+𝑝𝑞)
𝑛
]
+
𝑉
0
[(1-𝑝𝑞)
𝑛
+(1+𝑝𝑞)
𝑛
]
.
Из этих уравнений следует, что величина 𝑝𝑈+𝑞𝑉 непрерывно уменьшается, так что, каковы бы ни были начальные значения электризации, приёмники в конце концов приобретают электризацию противоположного знака, причём отношение потенциалов 𝐴 и 𝐵 равно отношению 𝑞 к -𝑝.
