Сейчас, конечно, исходный мономер для ПММА — метилметакрилат — получают из нефти, но долгое время [...]]]> Полиметилметакрилат (ПММА), известный всем как оргстекло или плексиглас, был бы очень полезен попаданцу благодаря комбинации прозрачности, прочности и прекрасных диэлектрических свойств. Тем более что для полученния этого пластика, производство которого начато еще в 1930-х годах, достаточно самого простого сырья.

Сейчас, конечно, исходный мономер для ПММА — метилметакрилат — получают из нефти, но долгое время его производили из ацетона.
Для этого сначала нужно получить циангидрин из ацетона и циановодорода, который, в свою очередь, генерируется из цианида калия или желтой кровяной соли и разбавленной серной кислотой. Ацетонциангидрин медленно добавляется к концентрированной серной кислоте и превращается при этом в амид метакриловой кислоты. Затем добавляется метанол и смесь кипятится несколько часов, что приводит к метилметакрилату и гидросульфату аммония. Метилметакрилат выделяется отгонкой, температура кипения 101 гр.

Как видно, все исходные материалы достаточно доступные, а сам процесс не требует сложного оборудования. Находящийся в цианиде азот не теряется, а остается в виде гидросульфата аммония.

Заполимеризовать метилметакрилат можно при добавлении небольшого количества радикального инициатора (0.02-0.5% перекиси бензоила или других перекисных соединений) и нагревании сначала при 60 гр. до загустения, а потом постепенного повышения температуры до 120 градусов. Самый прозрачный и свободный от дефектов материал получается при полимеризации без нагревания в течение 2-3 недель и последующей термообработке до 100 градусов. В крайнем случае полимеризацию можно осуществить вообще без инициатора, но это займет существенно большое время (несколько месяцев), а механические свойства продукта будут несколько хуже. Но, тем не менее, это вполне рабочий вариант.

Готовый блок ПММА можно распилить на куски нужного размера. Если же мономер полимеризовать между отполированными стеклами, сразу же получатся листы оргстекла нужной толщины и с гладкой поверхностью.

Обработка оргстекла не должна вызвать затруднений — его легко резать, пилить, шлифовать. При нагреве до 100-120 градусов ПММА размягчается и может быть отформован в прессе. Склеивать оргстекло можно растворителями типа дихлорэтана, а еще лучше — исходным метилметакрилатом.

Плексиглас вполне может заменить оптическое стекло, поскольку очень легко полируется и имеет показатель преломления около 1.49.

Если вместо метанола взять другие спирты, то получатся пластики с отличающимися свойствми. Полиэтилметакрилат и полибутилметакрилат менее теплостойкие, но более ударопрочные, особенно на морозе. Полимеры эфиров метакриловой кислоты и многоатомных спиртов (глицерина или этиленгликоля) — не термопласты, а реактопласты — теплоскойкие, неплавкие и устойчивые к растворителям.

Целлюлоза, из волокон которой состоит бумага, способна под действием кислот набухать и переходить в растворимое состояние — так называемый амилоид. При дальнейшем удалении кислоты регенерируется исходная целлюлоза.Поэтому если опустить лист рыхлой непроклеенной бумаги в [...]]]> После начала производства бумаги у пораданца появится возможность изготовления на ее основе достаточно полезных материалов — растительного пергамента и фибры.

Целлюлоза, из волокон которой состоит бумага, способна под действием кислот набухать и переходить в растворимое состояние — так называемый амилоид. При дальнейшем удалении кислоты регенерируется исходная целлюлоза.
Поэтому если опустить лист рыхлой непроклеенной бумаги в кислоту (действия серной кислоты 50-60% достаточно 3-10 секунд), а затем тщательно удалить остатки кислоты промыванмем в воде, то получится материал, в котором волокна окажутся склеены можду собой регегерированной целлюлозой. При этом толщина бумаги уменьшится в 1,5-2 раза, прочность возрастает на 30-50%, лист становится полупрозрачным и малопроницаемым для жидкостей. Из-за схожести в пергаментом такую бумагу называют растительным пергаментом.

Пергаментная бумага широко использовалась для упаковки продуктов питания (ограниченно применяется и сейчас), обертывания пробок аптечных пузырьков, как калька, для выпечки и т.д. В целом применение пергаментной бумаге найдется в любое время.
Но гораздо более полезной будет так называемая вулканическая фибра, получающаяся при спрессовывании нескольких слоев желированной бумаги. Поскольку продолжительное действие крепкой серной кислоты вызывает деструкцию целлюлозы, лучше использовать соли типа хлористого цинка или магния. Обычно используется 70% раствор хлорида цинка, в котором пропитываются листы бумаги, и после желатинации спрессовываются в плиты нужной толщины. Затем хлорид цинка необходимо удались, но, чтобы избежать расслоения, приходится постепенно снижать концентрацию в промывочных ваннах. Для толстых слоев (а фибру делали до 75-100 мм толщиной) процесс отмывки может затянуться на год или больше, тонкие же плитки (3-5 мм) производятся достаточно быстро. Отмывка заканчивается при содержации хлористого цинка 0.2% или меньше, фибра подсушивается и окончаиельно уплотняется под прессом. В итоге получается однородный композит, состоящий из чистой целлюлозы, при этом легкий, прочный и гибкий.

По показателям удельной прочности фибра приближается к алюминиевым сплавам. Из фибры делали множество изделий — от чемоданов до авиационных баков. Фибровые прокладки и уплотнения устойчивы к горячей воде, бензину и маслу. Фибра обладает достаточно хорошими электроизоляционными свойствами (лучщими, чем у первых пластмасс типа бакелита), и была вытеснена из этой области только в 50-70-х гг. XX в.

Этилцеллюлоза получается при действии этилхлорида или [...]]]> Первым пластиком, получившим широкое распространение, стал целлулоид, состоящий из динитрата целлюлозы и камфоры как пластификатора. Впоследствие он был вытеснен более безопасным целлоном на основе ацетилцеллюлозы. Но азотная кислота или уксусный ангидрид, необходимые для нитро- и ацетилцеллюлозы, скорей всего будут малодоступны попаданцу, поэтому ему стоит обратить внимание на этилцеллюлозу.

Этилцеллюлоза получается при действии этилхлорида или диэтилсульфата на целлюлозу, предварительно обработанную щелочью, при нагревании. Для попаданца лучше использовать диэтилсульфат, который достаточно легко получается из олеума и спирта, и, в отличие от этилхлорида, кипит при высокой температуре (около 200 градусов), что сильно упрощает процесс этилирования целлюлозы. Диэтилсульфат весьма токсичен, и обращаться с ним нужно соответственно. После этилирования продукт — этилцеллюлозу — нужно тщательно отмыть водой и высушить. Поскольку в этилцеллюлозе гидроксильные группы замещены на этоксильные (обычно получается степень замещения около 2.3-2.6 из 3, при этом продукт имеет оптимальные свойства), этилцеллюлоза легко плавится и растворяется во многих растворителях (ацетоне, этилацетате, бензоле, хлороформе и т.д.).

Растворы этилцеллюлозы могут служить основой лаков, обладающих хорошей водо- и морозостойкостью, химической устойчивостью, и прекрасными диэлектрическими свойствами (напряжение пробоя 15-25 кВ/мм).
В отличие от нитроцеллюлозы, пластик из этилцеллюлозы можно получать даже без пластификаторов, и формовать не только горячим прессованием, но и литьем расплава при 160-170 градусах. Этилцеллюлозный пластик похож на рог или кость, а при добавлении пластификаторов (подойдет камфора, касторовое масло и т.д.) можно получать более гибкие пластмассы.

Естественно, ради уточек, портсигаров и расчесок организовывать производство этилцеллюлозы не имеет смысла, по крайней мере до середины XIX в., но электроизоляционные и водостойкие лаки, а также легкий небьющийся заменитель стекла будут очень полезными и раньше

Проводимость даже влажной земли на порядки хуже проводимости металла того же сечения. На первый взгляд может показаться что это ставит крест на возможности передачи энергии.

Но при расстояниях [...]]]> В теме про квадруплекс мы уже упоминали, что телеграфисты часто использовали единственный провод, возвращая ток по земле. Можем ли мы использовать то же решение для передачи энергии?

Проводимость даже влажной земли на порядки хуже проводимости металла того же сечения. На первый взгляд может показаться что это ставит крест на возможности передачи энергии.

Но при расстояниях даже в единицы километров на середине пути ток может распределиться по объему земли сравнимых линейных размеров(несколько км) — мы имеем дело с проводником сечение которого измеряется в квадратных километрах. Сечение типичного провода измеряется в квадратных миллиметрах — это в триллион раз меньшая величина! На практике, сопротивление земли определяется в основном сопротивлением участка у заземляющего электрода и легко сводится к единицам Ом и меньше(типичное сопротивление провода на маломощной линии 0.1-1 Ом на км).

Перед нами открывается интересная возможность — пустив обратный ток через заземление мы уменьшим омические потери, сэкономим на втором проводе и сможем сэкономить на опорах. Последний пункт поподробнее — расстояние между опорами ЛЭП обычно определяется не прочностью провода, а проблемой перехлеста проводов. При большом пролете и небольшом расстоянии между проводами ветер неизбежно вызывает перехлесты, увеличение расстояния между проводами/уменьшение расстояния между опорами увеличивает затраты. С единственным проводом проблема перехлестов исчезает — обычная ЛЭП с 7 столбами на км заменяется однопроводной с 2.5 столбов на км.

Такие линии вполне используются в реале(см. single-wire ground return, SWER) — они используются в сельской местности в Австралии(200,000 км, 20% от общей длины), Новой Зеландии, Канаде, Бразилии, США и некоторых африканских странах, традиционные трамваи/электрички возвращают ток через рельс, и часть тока неизбежно идет через землю. Попаданцу особенно интересен опыт стран третьего мира — в Лаосе и Мозамбике такие линии составляют большинство. Как показывает практика, такая линия на треть дешевле обычной двухфазной и вдвое дешевле в обслуживании, так что такая популярность неудивительна. Даже обычные ЛЭП часто временно используют землю в случае обрыва одного из проводов.

Возникает естественный вопрос, почему же большинство ЛЭП возвращают ток по проводам?

Причина номер один, ставшая очевидной еще в конце 19 века, это резкое усиление коррозии металлических элементов — один ампер постоянного тока через конструкцию «съедает» примерно 10 килограммов железа в год(переменный ток десятки раз менее опасен в этом плане), а ток потребления электрички измеряется в килоамперах. Только в США блуждающие токи(stray voltage) от электротранспорта наносят ущерб в полмиллиарда долларов в год, в основном страдает собственность жд компаний. И это несмотря на многочисленные предупреждающие меры — рельс изолирован от земли специальными прокладками, так что сопротивление заземления может составлять сотни Ом/км, расстояние между тяговыми подстанциями может сокращаться до сотен метров, уязвимые конструкции снабжаются катодной защитой/слоем изоляции или подключаются к станциям автоматического усиленного дренажа.

На сельских однопроводных ЛЭП ток потребителя ограничивают десятком ампер и мирятся с коррозией, большие однопроводные линии принимают специальные меры — например катод заземления Baltic Cable(~1000 А) представляет собой кольцо диаметром в 2 км на дне моря в паре километров от берега.

Рядом с мощным заземлением возникает шаговое напряжение, которое может быть опасно для людей и животных. Наводки от блуждающих токов нарушают работу сигнальных систем — в 19 веке распространение трамваев заставило резко сократить использование земли для возврата сигнала телеграфа/телефона, сегодня наводки нарушают работу сигнальных жд систем и создают шум в аудиосистемах — для борьбы с этим их иногда отключают от заземления(см. cheater plug), что является весьма небезопасной практикой.

Некоторые специфические проблемы однопроводных систем — короткое замыкание на землю может быть трудноотличимо от нормальной работы линии, мощная линия искажает показания компаса на десяток градусов на расстоянии в сотню метров из-за того что магнитные поля провода и тока возврата не полностью компенсируют друг друга.

Однопроводные линии не так хороши с трехфазным током(он обеспечивает большую равномерность передачи энергии чем однофазный и позволяет использовать очень простые в устройстве асинхронные электродвигатели). Для трехфазной линии экономия на опорах сильно меньше и земля заменяет лишь один провод из трех, так что экономия уменьшается.

Попаданца большинство этих проблем волнуют куда меньше чем современных инженеров. Скорее всего большая часть электричества уйдет на электролизные и искровые установки, так что постоянный или двухфазный ток вполне устроит попаданца. Металлические трубы и опоры практически не используются хроноаборигенами. Телеграфные/телефонные компании скорее всего аффилированы с попаданцем, так что договориться с ними куда проще.

Мы уже отмечали возможные отличия попаданческих технологий от реала — быстрое развитие нарезного оружия, меньшую ценность персональной и корабельной брони, угнетение телеграфа более ранними телефоном и радио. Теперь к ним добавилось еще одно — массовое использование однопроводных ЛЭП.

Что еще можно сделать для упрощения линии передачи? Сразу отметим что мы не будем рассматривать системы в которых одиночный провод используется в качестве волновода для высокочастотных радиоволн(Goubau line, E-Line) — они относительно реалистичны, но слишком сложны и для попаданца и для любительского анализа.

У пытливого читателя может возникнуть мысль вообще отказаться от второго проводника. В конце концов, если соеденить проводом два объекта, заряженных до разных потенциалов, то по проводу потечет ток — произойдет передача энергии. Какое количество энергии мы можем передать таким способом? Очевидно, оно пропорционально емкости соединенных объектов.

Мы умеем создавать конденсаторы — устройства с огромной электрической емкостью. Но принцип их работы основан на маскировке заряда другим зарядом противоположного знака — получается набор диполей, а электрическое поле диполя уменьшается пропорционально кубу расстояния, т.е. быстрее чем поле одиночного заряда. Очевидно что для работы конденсатора надо два проводника — для отвода заряда с одной пластины и подвода к другой.

В однопроводной схеме мы сможем использовать лишь уединенную емкость, это естественная емкость любого объекта. Если сообщить предмету заряд, то заряженные частицы распределятся по его поверхности, минимизируя потенциал, чем больше предмет, тем дальше друг от друга частицы и меньше напряжение. Уединенная емкость крайне мала по сравнению с емкостью обычного конденсатора. Для предмета размером порядка метра это 100 пикофарад. При напряжении в 1000 Вольт мы можем передать аж 0.00005 Дж за один цикл. Соответственно даже на частоте 10 кГц мы передадим смешную мощность порядка 0.5 Вт. Разумеется полноценный расчет куда сложнее, надо учитывать все эффекты, возникающие в колебательной системе. Но все эти эффекты работают лишь на ухудшение конечного результата, так что мы получили разумную оценку сверху.

Катушка Теслы может работать на частотах до мегагерца и напряжениях в миллионы вольт, так что в принципе однопроводная схема может передавать и гигаватты. Но при увеличении частоты многие виды потерь растут нелинейно — токи Фуко пропорциональны квадрату частоты, радиоизлучение — четвертой степени, увеличение напряжения вызывает огромные потери на коронный разряд на тонком проводе и т.д. т.п. При обычных напряжениях и частоте такая система имеет смехотворно низкую мощность, при увеличении напряжения она все еще уступает традиционным аналогам, а при увеличении напряжения и частоты может догнать традиционные системы по мощности, но безнадежно уступает по экономичности. Сеть полна видео фриков, показывающих использование катушки Теслы для передачи сотен ватт на несколько метров по одиночному проводу. В этих экспериментах нет ничего неожиданного для грамотного инженера. Ничего неожиданного и ничего практически ценного.

Из колебательных эффектов надо отдельно упомянуть волшебное слово «резонанс». Фрики знают что на обычного человека оно действует гипнотизирующе, так что вставляют его к месту и не к месту. Скажем, небезызвестный Назгул рекламирует свое изобретение — подрыв нескольких взрывных зарядов на резонансной частоте человеческого тела якобы обладает феноменальным поражающим эффектом. Резонанс действительно может приводить к неожиданным разрушениям, если энергия маломощного источника(топот солдат) накапливается в колебательной системе с хорошей добротностью(мост). Но с взрывным устройством у нас нет никаких проблем с мгновенным высвобождением всей доступной мощности. Все чего мы можем добиться при резонансных взрывах это сильно ухудшить действие взрывчатки за счет неточного совпадения частот и рассеяния энергии в теле человека(или кто-то полагает что колебательная система из мяса имеет высокую добротность?). В некоторых случаях мы могли бы усилить разрушающее действие, переведя большую часть энергии взрыва в определенный частотный диапазон, но это явно требует куда больших усилий чем просто подрыв нескольких зарядов по таймеру.

При передаче энергии по одиночному проводу частоты приемника и передатчика должны быть согласованы, чтобы «мячик» заряда которым они перекидываются передавался без задержек и помех. Но попытки добиться высокой добротности колебаний бессмысленны — стоячая компонента резонансной волны не передает энергии по определению, многократная передача заряда туда-сюда приведет лишь к увеличению потерь, аналогичные проблемы вызывают реактивные сопротивления в традиционных энергосистемах. Катушка Теслы также использует резонанс для простого получения высокой частоты, но устройство генератора слабо влияет на сам процесс передачи. Никаких магических результатов резонанс при однопроводной передаче энергии не дает. Точка.

Ладно, а что если мы используем Землю в качестве единственного провода(да-да, Тесла, башня Ворденклиф, секретные технологии рептилоидов Анунахов)? В конце-концов стоимость киловатчаса на станции Восток немного выше стоимости энергии в цивилизованных местах, можно смириться даже с низким КПД. Как пример можно привести нашумевшую в 2013 г. статью «Как работала Башня Тесла по передаче энергии» — в комментах многочисленные «технари» пытаются найти проблемное место проекта, в основном безуспешно.

Проблема такой системы в том что провод это одномерная система, а Земля уже двухмерная(скин-эффект не пустит волну глубже нескольких километров). Как показывает практика ненаправленная беспроводная передача худо-бедно работает на расстояниях порядка километров, а размеры планеты на 4 порядка больше.

Опять вспомним магическое слово — резонанс, на этот раз уже по делу. В резонаторе волна проходит через систему несколько раз, соответственно в несколько раз увеличивается и плотность энергии. Нам надо увеличить плотность энергии в 10,000 раз, так что нужна система с чудовищно хорошей добротностью. Волна должна пройти через десятки и сотни миллионов километров земных пород/воздуха, сохранив большую часть энергии.

Возможно, нам повезло и Земля обладает требуемой добротностью на определенной частоте? Нетрудно прикинуть что на таких расстояниях одни только омические потери становятся неприятно большими. А ведь при волна будет терять энергию еще и на поворот диполей в поляризуемых породах, перемагничивание доменов, излучение…

Какие бы модели мы не приводили, всегда остается возможность ошибки. Эксперимент — лучший судья. Если бы мы могли посмотреть на результат быстрого «впрыскивания» в Землю мощного электрического заряда… Секундочку, а как насчет молнии? Импульс тока достаточно резкий чтобы возбуждать колебания до сотен МГц, молния это десяток кулонов заряда и гигаджоуль энергии. За секунду в Землю бьет примерно сотня молний, это сотня гигаватт, даже если на нашу частоту суперрезонанса придется одна миллиардная, то работа молний эквивалентна работе башни Тесла в сотню ватт. Если башня мощностью в мегаватты способна передавать полезные количества энергии, то результат накачки резонатора планеты сотней ватт должны легко обнаруживаться приборами.

Фрики часто рисуют красивую «зебру» стоячих волн резонанса через всю Землю, понятно что удары молний не могут создать такой однородный рисунок. Но такой рисунок не может создать и одиночная башня — фазовая скорость волн до десятка килогерц в морской воде и твердых породах отличается в десятки раз. Неоднородность верхних слоев неизбежно исказит фронт волны до неузнаваемости. Это не важно, важна лишь добротность системы. Если она достаточно высока, то планеты будет накапливать передаваемую энергии до тех пор пока ее плотность не возрастет до достаточно высокой для легкого сбора. Если она низка, то проект неосуществим. Таким образом удары молний это вполне адекватный аналог башни Теслы.

Как показывают наблюдения за молниями(и весь опыт радиоспециалистов), на волны хоть-сколько то высоких частот быстро затухают. Даже на частотах в килогерцы затухание составляет примерно 2-3 дБ на тысячу км — за один оборот вокруг Земли волна ослабевает в миллиард раз, а на более высоких частотах картина еще печальней. Худо-бедно планета резонирует на нескольких частотах порядка десятка Гц — т.н. резонанс Шумана. Добротность планеты на этих частотах — 3-8 единиц(Schumann Resonances by Janis Gales, Q factors of the Schumann resonances by Toshio Ogawa and Yoshikazu Tanaka), т.е. волна теряет больше половины своей энергии уже через несколько оборотов. Если бы планета резонировала на некоторой частоте в тысячу раз лучше чем на частотах резонанса Шумана, мы не смогли бы это упустить. В общем, добротность Земли даже близко не дотягивает до чисел при которых резонансная передача энергии имела бы смысл.

Но в то же время — создать простейший генератор тоже задача не космической сложности, вопрос только в открытии электромагнитной индукции, а эта задача чисто теоретическая. Но как только появится генератор, сразу возникает вопрос [...]]]> Наш человек жизнь без электричества представляет плохо. А создать гальваническую батарею особой сложности не составляет (хотя и очень дорого по тем временам).

Но в то же время — создать простейший генератор тоже задача не космической сложности, вопрос только в открытии электромагнитной индукции, а эта задача чисто теоретическая. Но как только появится генератор, сразу возникает вопрос — а можно ли хранить электричество впрок?..

Устройство свинцово-кислотного аккумулятора примитивно. Есть две свинцовые пластины — электроды. На аноде чистый свинец, на катоде — диоксид свинца. И серная кислота (25—34% раствор) как электролит. При работе аккумулятора металлический свинец превращается в сульфат свинца, а при зарядке он восстанавливается. На этом, фактически, все. Хотя на самом деле внутри происходят десятки побочных химических реакций. Например, необратимое накопление сернокислого свинца в массе электродов, что со временем «убивает» аккумулятор.

На самом деле, конечно, не все. Современный свинцовый аккумулятор, как правило, намазный. У него остов электродов из свинца с кальцием (чтобы снизить вес) и сурьмой, а в пустотах каркаса — свинец в виде пасты. Для одного электрода чистый губчатый свинец, а для второго оксид свинца. Пасту изготавливают из порошка свинца (или оксида свинца), замешанного на серной кислоте. Причем эта технология была предложена в 1880-м году и с тех пор эти аккумуляторы изготавливаются промышленно.

На картинке — первый изобретенный аккум, автор Гастон Планте, 1859-й год.
Он был очень примитивен, скрученные пластины из свинца, разделенные полотняным сепаратором опускались в слабый раствор серной кислоты (не более 10%). Плохо представляю сколько выдерживало это полотно. При этом оксида свинца там не было, поэтому аккум приходилось много раз «тренировать», пока оксид свинца не отложится. Емкость такого аккума была просто слезной.

Сейчас много чего для этих аккумуляторов придумали — гели вместо кислоты, да и современные автомобильные аккумуляторы, в большинстве случаев необслуживаемые. Сейчас в них используется серебро и куча всяких нанотехнологических покрытый. Но сути это не меняет, аккумуляторы в сути своей не изменились с 1880-го года, просто за зарядом и разрядом их следят микроконтроллеры, которые не позволяют так просто убить аккум.
Вообще, контроллеры, которые следят за зарядом-разрядом это бешеное благо. При перезаряде свинцово-кислотного аккумулятора начинает идти электролиз воды и он выделяет даже не водород, а гремучий газ. На подводных лодках Первой Мировой были несчастные случаи из-за этого, взрыв в подводном положении это страшно.

А теперь смотрим на даты.
Аккумуляторы потоком производятся с 1880-го, изобретены 1859-м. А электромагнитная индукция найдена очень недавно — в 1831-м. При этом более-менее мощные генераторы появились с 1851-го, когда постоянные магниты заменили на электромагниты (при этом для питания этих электромагнитов использовался маленький генератор на постоянных магнитах). То есть по факту имеем: как только появился запрос на накопление электрической энергии, то тут же появилось и решение. Единственно — задержка на подбор самой эффективной технологии с намазными аккумуляторами, именно это и есть смысл патентовать попаданцу.

Если же он будет строить генератор в древности, то постройка аккумуляторов обязательна. Но помним про перезаряд, по крайней мере зарядную станцию нужно хорошо проветривать.

Однако, это явление не относится к обычному человеческому опыту, оно — нетривиально, и бытовухой оно стало совсем недавно. А то, что просто и нетривиально — это [...]]]> Явление электромагнитной индукции сейчас выглядит примитивно. Ну, при перемещении магнита через катушку в ‘этой катушке возникает электрический ток. Ну, физика за 9 класс. Связь магнетизма и электричества, бытовуха какая-то.

Однако, это явление не относится к обычному человеческому опыту, оно — нетривиально, и бытовухой оно стало совсем недавно.
А то, что просто и нетривиально — это самое оно для попаданца…

Итак, само явление: если магнитное поле в проводнике тока изменяется — в проводнике возникает электрический ток. Если магнит просто лежит рядом с проводником и изменения магнитного поля не происходит — тока не будет.
То есть в момент, когда мы всовываем магнит в катушку — электричество течет, а как уже всунули — то нет ничего (извиняюсь за разжевывание, но тут выяснилось, что гуманитарии разницы не знают).

Само открытие было сделано Майклом Фарадеем в 1831-м году. К тому моменту паровозы бегали и пароходы плавали, но все электричество если и получали, то от гальванических элементов, а это просто слезы.
Подозрение, что между электричеством и магнетизмом есть связь, появилось примерно в 1820-м году, когда Ханс Кристиан Эрстед показывал в университете опыты с нагревом проволоки электрическим током (от гальванической батареи). Опыт был донельзя примитивным, но при какой-то из демонстраций возле нагреваемого проводника оказался зачем-то оставленный на столе компас, а рядом с компасом оказался человек, который заметил отклонение стрелки (причем неясно, кто именно — то ли сам Эрстед, то ли его помощник).
То есть гальванический элемент был придуман в 1800-м году и просто двадцать лет рядом с проводником не оказывалось компаса. Или не оказывалось человека, который на компас посмотрел бы. Связь электричества с магнетизмом? Да вам бы рассмеялись в лицо!

Но после Эрстеда выяснилось, что там что-то все же есть.
Более того — начали проводить эксперименты с разными проводниками — медь, алюминий, золото (которые ниразу не имеют магнитных свойств), но при прохождении электрического тока магнитные свойства возникают. Все оказалось много страньше, чем ученые того времени вообще могли представить.

Так как в проводнике возникает магнитное поле, то этот проводник можно отталкивать другим магнитом. Поэтому уже через год Майкл Фарадей представил прототип электродвигателя — провод, по которому проходил электрический ток одним концом окунался в ртуть, а в середине ставился магнит (смотрим картинку слева). При включении тока провод крутился вокруг магнита.
Но Фарадею этого оказалось мало.
Он поставил себе цель добиться явления наоборот — получения электричества от магнетизма, а не магнетизма от электричества.
Добился он этого только в 1831 году. Десять лет опытов. Я понимаю, почему после этого он оказался в мормонах.

Однако, электромагнитная индукция была достигнута, а тот прибор, что построил Фарадей оказался, говоря по-современному, трансформатором. В трансформаторе переменный электрический ток создает в сердечнике переменное магнитное поле, которое и создает во вторичной катушке электрический ток. Но на вход такого трансформатора Фарадею неоткуда было взять переменный ток. Поэтому гальванометр отклонялся только тогда, когда первичную цепь замыкали или размыкали.

Тут существует легенда, что гальванометр и сам прибор (из железного кольца и намотанных на него двух катушек) лежали в разных комнатах, чтобы исключить наводки. Фарадей замыкал цепь и шел в другую комнату смотреть. К этому моменту стрелка гальванометра возвращалась к нулю, а Фарадей возвращался менять условия эксперимента. И в какой-то из дней помощник Фарадея разомкнул цепь в комнате с прибором, когда сам Фарадей находился у гальванометра и увидел рывок стрелки.

Итак, что в этой истории важно для попаданца?
31 год — с момента возникновения гальванических элементов до момента осознания возможности электрического генератора.
При этом электрические генераторы уже не надо было вешать на водяные колеса и тому подобное, паровых машин было в достаточном количестве, а уж стационарных и подавно.

Я уже писал, что вряд ли попаданцу стоит самому строить паровую машину. Ну… разве только взять пару патентов?
Но если он попал куда-то в конце 17 или в самом-самом начале 18 века, то открывать законы электромагнетизма для него обязательно.
И мне почему-то кажется, что и строить первые генераторы для него обязательно тоже — для такого великого ученого всегда найдутся средства!

Эта история началась в лаборатории [...]]]> Сколько времени надо чтобы разобраться с законом Ома для полной цепи? «I = U / ( R + r )» — четыре переменных, знак равенства и два арифметических действия. Возможно, где-нибудь во вселенной и живет разумный вид, способный сделать это быстро, но у Homo Sapiens на это ушло примерно столетие.

Эта история началась в лаборатории Генри Кавендиша в конце восемнадцатого века. Ученый исследовал процесс статического разряда. Напряжение он определял электроскопом, силу тока, за отсутствием еще не изобретенного амперметра, приходилось оценивать пропуская заряд через собственное тело. Кавендиш заметил, что сила электрического удара прямо пропорциональна напряжению, что и считается первой формулировкой закона Ома. Великий затворник не утруждал себя публикациями в научных журналах, так что о его открытии узнали лишь в конце девятнадцатого века при разборе архивов.

Наука тем временем узнавала о электричестве все больше и больше — природа молний, вольтов столб, электромагнит. Последнее изобретение позволило создать гальванометр и исследовать электрические процессы основываясь на показаниях электрических приборов, а не ощущениях экспериментатора.

Тем не менее от изобретения гальванометра до публикации Омом закона для полной цепи прошло 7 лет и признание он получил давно не сразу. Чтобы понять причину такого промедления, надо взглянуть на доступные экспериментаторам источники электричества.

Статические генераторы генерировали высокие напряжения при высоком внутреннем напряжении. Сила тока была маленькой и очень мало менялась в зависимости от величины внешнего сопротивления. Точно определить связь напряжения и тока в таких условиях было непросто.

Вольтов столб — очень простой в устройстве источник электрического тока, но его характеристики удручают. Он состоит из множества элементов — цинковых и медных пластин, разделенных прокладкой, пропитанной кислотой. Атом цинка отдает пару электронов, отделяется от цинковой пластины и в виде иона отправляется в плавание в кислоту. Электроны проходят по цепи и возвращаются в батарею, восстанавливая ионы водорода до газа. На медной пластине возникает множество мельчайших пузырьков водорода, быстро увеличивающих внутреннее сопротивление батареи в несколько раз, это явление было названо поляризацией батареи. То что водород восстанавливается у медной пластины, связано с разностью стандартных электродных потенциалов цинка и меди, детальное рассмотрение этого понятия выходит за рамки статьи.

Идеальная очистка цинка — недешевое удовольствие даже сейчас, а во времена изобретения вольтова столба она была банально невозможна. Мельчайшие частички примесей в цинке — железо, углерод, свинец, мышьяк и другие, действовали аналогично медному электроду, восстанавливая водород электролита. Между ними и пластиной цинка возникал электрический ток, который немедленно возвращался в цинковую пластину через электролит — на ничтожных расстояниях между пластиной цинка и частичкой примеси на его поверхности его электрическое сопротивление невелико. Эти процессы расходовали цинк без какого-либо полезного эффекта и были названы местным действием(local action).

Местное действие научились устранять лишь в 1835, много позже работ Ома, периодической очисткой цинкового электрода ртутью, а поляризация была устранена в 1836 Даниелем за счет использования гораздо более сложного устройства гальванического элемента.

Так что вольтов столб был неэкономичным и капризным электрическим источником. Из-за постоянно меняющегося внутреннего сопротивления, вывести закон Ома было очень непросто, и, несомненно, автору это удалось лишь благодаря огромному усердию и мастерству. Тем не менее, полученные результаты выглядели не слишком убедительно и Ому пришлось провести вторую серию экспериментов уже с термоэлементом из висмута и из меди, один из спаев которого находился в кипящей воде, а другой — в тающем снеге. Только так ему удалось добиться постоянства характеристик источника.

Признан закон Ома был далеко не сразу. Нам сейчас трудно даже представить дикую мешанину теорий о природе электричества в начале девятнадцатого века — теории одной и двух жидкостей, животное электричество, учения о разной природе гальванического и статического электричества и многие другие(см. например The Electric Current in Early Nineteenth-Century French Physics by Theodore M. Brown, Resistance to Ohm’s Law by Morton L. Schagrin). Отдельно стоит упомянуть разве что закон Барлоу, задержавший развитие телеграфии на несколько лет.

Тем не менее в 1840-х, с началом развития телеграфии, правота Ома стала очевидной. Но главный факап безволосых обезьян еще ждал своего часа.

Якоби сделал свою электрическую моторную лодку еще в 1834, запитав двигатель от вольтового столба. В связи с дрянными характеристиками источника он был заинтересован в извлечении максимальной мощности, поэтому он сформулировал простое правило — максимальная мощность снимается в том случае, если внутреннее и внешнее сопротивления равны.

Улучшения в технологии гальванических батарей и первые генераторы на слабых постоянных магнитах из железа не слишком исправили положение — источники оставались маломощными. Электротехники были заинтересованы в первую очередь в высокой мощности и старались уравнивать внутреннее и внешнее сопротивление. Шли годы и простое правило превратилось в догму.

В чем проблема такого решения? Мощность максимальна при равенстве сопротивления нагрузки и источника, но при этом половина энергии выделяется внутри источника в виде бесполезного тепла. Для эффективного использования нужно чтобы внутреннее сопротивление было как можно меньше внешнего.

Использование в генераторе электромагнитов резко увеличило их мощность. Промышленные динамо начинают выпускаться по крайней мере с 1867, но их конструкторы даже не пытаются минимизировать внутреннее сопротивление. Dynamo-Elecric Machines, The Jornal of Franklin Institute, 1878 — возможно первое в истории тестирование эффективности генераторов. В нем уже правило уравнивания сопротивления источника и нагрузки упоминается как данность. Исследованию подверглись 6 генераторов, КПД генератора-рекордсмена — 38%! Механические потери составили всего 7%, 21% ушел на вихревые токи, 33% потрачено на преодоление сопротивления обмоток. Остальные генераторы выдали на нагрузку 31%, 27%, 22%, 14% и 12%! При этом электротехническая проволока, с сопротивлением всего на 15% хуже современной производилась по крайней мере 8 лет, с 1870-го!

Внутреннее сопротивление эти генераторов составляло несколько Ом, при том что уменьшить его на порядок не составляло никакого труда, а о индуктивных потерях никто явно даже не думал. В 1878 году над проблемой электрификации начинает работать Эдисон. Он быстро замечает допущенную профессионалами ошибку и создает собственную конструкцию генератора. Его прототип, прозванный «длинноногой Мери» из-за характерной формы магнитов, имеет внутреннее сопротивление всего пол-Ома, а его якорь сделан из дерева, для уменьшения индукционных потерь. Это позволяет Эдисону добиться КПД в 90% — мировой рекорд.

После публикации описания этого генератора в Scientific America, #41 1879: 242, поднялся настоящий shitstorm(см. например SA #41 1879: 276, SA #41 1879: 305). Профессионалы легко и непринужденно ссылались на учебники, подкрепляя эти ссылки пространными рассуждениями. Понадобилось вмешательство самого лорда Кельвина, для того чтобы разобраться в разности между максимальной мощностью и максимальной эффективностью. Ситуация живо напоминает реакцию некоторых специалистов-ракетчиков на схему спасения первой ступени Фалькона — псевдонаучная болтовня маскирующая незамысловатое «предки так не делали, а они не дураки были».

Эдисон построил первую в мире электростанцию на полмегаватта на Pearl Street в Манхеттане, начав победоносное шествие постоянного тока по планете. Которое было бесцеремонно прервано током переменным — благодаря трансформаторам тот легко передавался на сотни и тысячи километров по высоковольтным линиям, в то время как низковольтная Эдисоновская система несла неоправданно большие потери даже при передаче электричества из одного конца Манхеттана в другой. Опять таки банальный закон Ома — высокое напряжение позволяет уменьшить ток и потери.

Не правда ли, поучительный набор промедлений и заблуждений?

Возьмем, к примеру, Римскую империю. Постройка 540 километрового телеграфа вдоль Аппиевой дороги — главной дороги империи, потребует примерно 60 тонн железной проволоки и 8-10 тысяч деревянных столбов. Простейшая неизолированная железная проволока из кованного железа была стандартом для телеграфных систем середины [...]]]> Можно не сомневаться, что попаданец способен создать успешную систему электрического телеграфа задолго до девятнадцатого века.

Возьмем, к примеру, Римскую империю. Постройка 540 километрового телеграфа вдоль Аппиевой дороги — главной дороги империи, потребует примерно 60 тонн железной проволоки и 8-10 тысяч деревянных столбов. Простейшая неизолированная железная проволока из кованного железа была стандартом для телеграфных систем середины девятнадцатого века — благодаря неоднородной структуре и силикатным включениям кованное железо ржавеет медленнее современного, а изоляция или оцинковка стоили настолько дороже, что их применение становилось неоправданным. При производстве железа в империи в 80 тысяч тонн в год и расходах на строительство той же дороги в 110 тысяч сестерциев на километр(50 тысяч буханок хлеба, километр телеграфа в 1851 обходился в 100 долларов — примерно 3000 современных долларов) строительство телеграфа явно по силам римской экономике. Даже самые лучшие курьеры потратят почти два дня на доставку письма на такое расстояние, телеграфу же потребуются минуты.

Бюрократия и дельцы многомиллионной империи быстро забьют пропускную способность одиночного канала связи и перед попаданцем встанет необходимость ее увеличения. Так что ему будет весьма интересна схема для одновременной передачи в двух направлениях(дуплекса) Стеарнса(Joseph Barker Stearns), созданная им в 1868-1872 годах. Строго говоря, он предложил две схемы — с дифференциальным реле и мостовую, но они основаны на схожих принципах и мы рассмотрим лишь последнюю.

Схему вы можете видеть на левой части иллюстрации и ее идея крайне проста — если отношение сопротивлений B / R равно отношению сопротивления A и сопротивлению остальной линии, то приемное реле оказывается заключено в сбалансированный мост Уитстона, а значит батарея не создает тока на приемном реле, зато включение батареи из аналогичной схемы с другого конца телеграфной линии заставит реле сработать.

Ключевым достижением Стеарнса, обеспечившим успех его схемы стало введение в 1872 году конденсатора С. Дело в том что линия телеграфа обладает некоторой индуктивностью и емкостью. Сответственно, при протекании по ней тока она накапливает энергию магнитного и электрического поля, аналогично тому как это делает индуктивность и конденсатор. При размыкании ключа и прекращении подачи тока эта энергия создает паразитный ток, вызывающий срабатывание реле на обоих концах. Конденсатор С, с регулируемым подключением к сопротивлению R, создает обратный ток, который обнуляет паразитный сигнал.

Для того чтобы разобраться в схеме Эдисона, изобретенной в 1873 году и изображенной на правой половине иллюстрации, нам надо понять как работает поляризованное реле. Обычное реле это маленький электромагнит, притягивающий металлический якорь, который замыкает контакт. Такое реле срабатывает когда через электромагнит проходит ток, независимо от его направления. Что произойдет если к якорю прикрепить магнит или электромагнит? Тогда в зависимости от направления тока якорь будет притягиваться или отталкиваться главным электромагнитом. Соответственно контакт будет замкнут лишь при определенном направлении тока.

Ключ в левой части схемы дуплекса Эдисона переключает соединение от одной батареи к другой. Батареи равны по силе, но включены в противоположной полярности. Таким образом левый ключ меняет направление тока. При отжатом ключе ток течет в одном направлении, при нажатом — в противоположном. Поляризованное реле в правой части реагирует лишь на направление тока при нажатом левом ключе.

Ключ в правой части схемы пускает ток в обход сопротивления Х, шунтируя его и понижая сопротивление цепи. Соответственно, при нажатом правом ключе сила тока в цепи увеличивается. Изменение силы тока регистрируется регулируемым реле в левой части. В регулируемом реле якорь соединен с пружиной. Оператор, подкручивая винт, затягивает пружину, а она препятствует движению якоря. Таким образом левое реле реагирует лишь на сильный ток, который течет в цепи при нажатом правом ключе.

Из-за индуктивности и емкости линии смена полярности тока происходит постепенно. При этом сила тока снижается, переходя через ноль, и вызывая ложное отключение регулируемого реле. Решение этой проблемы вы можете увидеть на схеме квадруплекса снизу — регулируемое реле управляет вторым реле, которое реагирует на сигнал с задержкой, благодаря подключенному конденсатору, и не замечает короткого падения тока при смене полярности.

Схема Эдисона требует постоянного поддержания тока в цепи, но интересна для попаданца своей асимметрией — более сложные детали, батареи и регулируемое реле, собраны на одной станции, а оборудование второй станции весьма примитивно.

Нетрудно заметить что эти две схемы легко скрещиваются между собой, позволяя отправлять по единственному проводу два потока сообщений в обоих направлениях — квадруплекс. За это изобретение Эдисон получил от компании Вестерн Юнион 10 тысяч долларов — огромные деньги по тем временам, именно на них он основал свою знаменитую лабораторию в Менло.

Иллюстрации взяты из книги Electricity and the electric telegraph, by George B. Prescott, Volume 2, 7th edition, 1888

Схема квадруплекса:

Зато — ее можно сделать и во времена Фараонов, хотя без хотя бы нескольких кусочков железа это будет проблематично…

Сразу скажу — если вы попали в 19-й век и электричество уже [...]]]> Охранная сигнализация — это естественное применение электричества попаданцем.
При этом — тут достаточно даже гальванических элементов, хотя сигнализация при этом и будет обходится дешево.

Зато — ее можно сделать и во времена Фараонов, хотя без хотя бы нескольких кусочков железа это будет проблематично…

Сразу скажу — если вы попали в 19-й век и электричество уже появилось, то сигнализацию изобретать… поздно! Все уже придумано до вас.

Потому как первый патент на систему охранной сигнализации (систему!) был выдан в 1853 году. Напоминаю — лампа Эдисона это 1882 год.
То есть — как только был изобретен электрический звонок, то сразу была придумала электрическая сигнализация.

Не побоюсь сказать — это одно из самых естественных применений электричества, которые могут прийти в человеческую голову.
Вот эта сигнализация, которую вы видите на картинке — банально естественное продолжение сигнализации механической, связанной со звонком на пружине (то есть с будильником). И электрическая много надежнее. И чувствительнее. И позволяет вынести сигнал настолько далеко, что грабитель не услышит, а услышит только охрана. И ее можно сделать совершенно незаметной для грабителя — никаких тяг с веревочками.

И заметьте — сигнализация работает от гальванического элемента.
И я бы рекомендовал именно от этой схемы и плясать попаданцу.
Но в этой схеме есть недостатки.

Во-первых — она одношлейфовая. То есть после того, как она сработает, неясно, в какое именно окно влезли.
Но сделать многошлейфовую для современного человека не является проблемой, тут главное что потребуется несколько звонков, а каждый звонок требует денег и дополнительных батарей.

Во-вторых — система срабатывает на замыкание.
А идеально, если система срабатывает на размыкание. Тогда можно спрятать контакты так, что ее наличие будет необнаруживаемым.
Хотя… Тут есть дилемма — делать ли наличие сигнализации видимым для вора? С одной стороны — видимая это хорошо, совсем ламера не полезут. С другой стороны — профессионалы будут предупреждены и остановить их будет труднее.

Но представьте себе такую систему даже не в Древнем Египте, а где-нибудь в Древнем Риме.
Тут в любом случае наличие сигнализации будет невидимо. И непонятно. И магическо. Последнее — гарантировано.

Собственно, мне непонятно только одно. Почему, когда автор описывает введение электричества попаданцем, то никто не вспоминает сигнализацию? В реальном мире это было одно из первых практических применений электричества (после электрического телеграфа).

И, кроме прочего — появиться эбонит мог много ранее…

Эбонит — это не пластмасса, а резина. Просто в ней слишком много серы [...]]]> Эбонит — это один из «заменителей пластмасс», которые были распространены до современного пластмассового производства.
Свойства эбонита очень напоминают таковые у реактивных пластмасс (типа бакелита), но главное отличие — это НЕ пластмасса.

И, кроме прочего — появиться эбонит мог много ранее…

Эбонит — это не пластмасса, а резина.
Просто в ней слишком много серы — от 30 до 40% (в обыкновенной 1 — 3%). Цвет такого эбонита темно-коричневый, и чтобы сделать его чернее добавляют сажу (не больше 3%, иначе эбонит теряет диэлектрические свойства).
Как результат — получается твердая темная масса, которая великолепно обрабатывается на станках, имеет очень хорошие изолирующие свойства, не впитывает влагу и хорошо противостоит кислотам. Главный недостаток — не любит нагрева, ну просто очень не любит. Он размягчается при температуре в районе 70-80^oC, становясь по эластичности похожим на обыкновенную резину (но при охлаждении опять застывает). А при 200^oC он начинает обугливаться, но не плавится как пластмаса.
И кроме прочего — под прямыми солнечными лучами он окисляется, становясь грязно желто-зеленым.

В реальном мире до эбонита дошли сразу после открытия вулканизации резины (1838 год).
При этом — саму вулканизацию открыли спустя 300 лет после получения доступа к натуральному латексу из Бразилии. То есть эбонит мог бы быть в использовании сразу после Колумба. А учитывая, что сейчас мы знаем каучуконосов и на нашем континенте — то, фактически, эбонит доступен во все времена, начиная с шумеров и Вавилона.

Как будет попаданец его использовать?
Ну, во-первых электротехника. Эбонит будет доступнее бакелита (но дороже), хотя и много хуже при высоких температурах.
Во-вторых — покрытие емкостей для кислот, эбонитом покрывали внутреннюю поверхность кислотных аккумуляторов. Ну и — всяческие предметы для бытового использования, от гребешков для волос до частей музыкальных инструментов.

В реальности эбонит часто использовали для украшения. Когда он появился, был расцвет викторианской Англии, и эбонит в украшениях заметно потеснил поделочный камень гагат. В готовом изделии их было очень сложно отличить, а производить из эбонита было много проще. Ну и он легче и приятнее при касании. Поэтому — украшения были дешевле, но на солнце эбонит быстро терял свою красоту. Единственный плюс — он не трескается. Однако, до сих пор коллекционеры украшений викторианской эпохи мучаются с определением материала — эбонит или гагат. Если не брать специальную экспертизу, то часто их отличают именно по технологическим приемам — например, в цепочке из гагата каждое звено склеено из двух половинок двумя склейками, а в цепочке из эбонита в каждом звене только одна склейка — потому, что при нагревании эбонитовые кольца можно разогнуть, вставляя одно кольцо в другое.

Сейчас эбонит почти не используется. Я попытался поискать современные изделия из эбонита и мне показалось, что он весь идет на анальные пробки и рукоятки ножей. По-моему он в основном на технологические нужды, и в руки конечному потребителю не попадает.
Все-таки по сравнению с настоящими пластмассами он проигрывает многократно и в том числе по цене, сейчас он примерно в четыре раза дороже полиэтилена.

Следует помнить, что эбонит появился за четверть века до Гражданской Войны в США и поэтому достаточно широко в ней использовался.
Но с тем же успехом — он легко мог бы быть использован и в 30-летней войне в Европе, если бы кто-то чуть раньше дошел до вулканизации…