В технике инженеры бьются над созданием разнообразных преобразователей напряжения, содержащих множество деталей, но приходило ли вам голову, что сотни тысяч вольт могут быть «раздобыты» вообще почти без оных — с помощью всего лишь одной струи пара? И даже, честно говоря, вообще без ничего — только из струи воздуха? :-D 

В прошлом мы уже рассматривали один очень интересный генератор электричества «из ничего», а именно — попросту из воды, и сегодня мы рассмотрим ещё один забытый вариант генерации сверхвысоких напряжений «из ничего», который, впрочем, уже наделал шуму — и речь пойдёт сегодня об эффекте Армстронга. 

Эффект был обнаружен также при участии воды, и произошло это достаточно давно — в 1840 году, когда во время работы одной из паровых машин, предназначенной для подъёма угольных вагонов шахты, машинист по имени Паттерсон заметил утечку пара рядом с предохранительным клапаном.

Когда он протянул руку к месту утечки, рука попала в облако пара, и он ощутил в ней покалывание, которое изначально принял за то, что случайно ударился обо что-то. 

В дальнейшем, проводя этот нехитрый эксперимент и в другие дни, он увидел, что всё в точности повторяется, и причиной покалывания является вовсе не удар! Мало того, медленно поднося палец к клапану, можно было увидеть проскакивающую между ним и клапаном искру разряда. 

В тот момент было совершенно непонятно, что является причиной, и машинистами была выдвинута наивная теория, что это огонь как-то проникает в котёл и они видят вылетающую из котла искру :-) 

Тем не менее, подорваться никому не хотелось, и машинисты доложили об увиденном своему руководству, от которого информация дошла как до производителя паровой машины, так и собственно сэра Уильяма Джорджа Армстронга, на тот момент работавшего адвокатом, но который живо интересовался технологиями и наукой*.

*В дальнейшем этот интерес приведёт его к становлению как видного инженера и промышленника, а также одного из основоположников науки гидротехники, а юридическую практику он оставит.

Это к вопросу о том, что никогда не надо считать свой род занятий и диплом «приговором на всю жизнь» ;-) и надо всегда держать свои глаза и ум открытыми. 

Думается, что здесь будет уместна известная цитата:

«Человек должен уметь переменить пеленку, спланировать вторжение, заколоть свинью, вести корабль, построить дом, написать сонет, составить баланс, построить стену, снять мясо с костей, утешить умирающего, отдать приказ, выполнить приказ, действовать вместе и в одиночку, решать уравнения, анализировать новую проблему, разбросать навоз, запрограммировать компьютер, приготовить вкусное блюдо, умело сражаться и умирать с достоинством.
Специализированы лишь насекомые.»

                                                                                                 Роберт Хайнлайн

Армстронг решил написать Майклу Фарадею о наблюдавшемся интересном эффекте, после чего последовала долгая переписка с ним и новые эксперименты. 

Армстронг, надо думать, достаточно сильно увлёкся наблюдаемым, так как проводил свои эксперименты ещё 2 года, вплоть до 1842-го, в результате чего обнаружил сходный эффект генерации электроэнергии не только с водяным паром, но уже и со сжатым воздухом, с помощью которого ему удалось получить разряды длиной до 300 мм.

В ходе исследований Армстронгом было обнаружено, что в случае использования водяного пара наиболее явственный эффект наблюдается в тот момент, когда струя пара становится видимой глазу, т.е. вода в ней конденсируется в мельчайшие капельки.

Результатом его работ стал полноразмерный электростатический генератор, который он представил широкой публике в Королевском политехническом институте Лондона. Он был снабжён паровыми форсунками и способен был генерировать электрические разряды длиной примерно 560 мм (то есть генерируемое напряжение составляло около 560 000 В, поскольку известно, что для пробоя 1 мм воздушного промежутка требуется примерно 1000 В).

По дошедшим до нас историческим свидетельствам, аппарат в работе выглядел более чем внушительно: не имел никаких движущихся частей, производил много шума и мощные разряды, жертвой которых даже стала собака и крупный мужчина, который погиб. 

В дальнейшем наблюдаемый эффект получил имя своего первого исследователя и стал известен под «эффектом Армстронга»*.

*А непосредственный первооткрыватель, машинист Паттерсон, — «в пролёте», да. Но это уже вопрос к Армстронгу…

Однако это та информация, которая дошла до нас из исторических источников. Но чем же являлся этот генератор по сути и какой эффект лежал в его основе с точки зрения современной науки?

С технической точки зрения этот генератор был гениально прост: струя пара или даже просто сжатого воздуха под достаточно высоким давлением вырывалась из сопла и ударялась в металлическую пластину или сферу, изолированно установленную. 

Трение множества микрочастиц жидкости в водяном паре или даже просто молекул газа в струе сжатого воздуха о поверхность коллектора заряда (пластину или шар) приводило к электризации последнего за счёт накопления электростатического потенциала.*

*По сути дела, лучше, наверное, говорить о совокупном эффекте в обоих случаях, так как воздух всегда имеет некоторую влажность за счёт водяных паров, а в первом случае, когда происходит выброс водяного пара, окружающий воздух из атмосферы также увлекается паровой струёй и направляется на коллектор.

На тот момент (1840-е годы) этот генератор был признан самым мощным генератором статического электричества из известных.

К слову, подобный трибоэлектрический эффект можно иногда наблюдать на крыльях и корпусе самолётов, особенно скоростных, военных, где интенсивное трение о воздух и влагу в нём приводит к появлению коронного разряда на заострённых частях конструкции и даже искровых проявлений.

По современным представлениям, генератор Армстронга является весьма наглядной демонстрацией трибоэлектрического эффекта, под которым понимается возникновение статического электричества при трении материалов.

И этот эффект нужно учитывать в своей деятельности, так как, например, в прошлом имели место взрывы нефтяных танкеров во время промывки их ёмкостей струями воды под давлением — проскочила искра, и «пиши пропало»…

Также, «ещё одна фобия в копилку» — приходилось видеть самопроизвольное воспламенение струи строительной монтажной пены при бытовом использовании. Думается, здесь виноват тот же трибоэлектрический эффект:

Некоторые даже сегодня в хобби-целях строят небольшие современные итерации генератора Армстронга, и ниже показана одна из таких. 

Как заявляет автор конструкции, для частичной конденсации пара он пропускается через трубки, проходящие сквозь латунную ёмкость наверху аппарата, которая залита холодной водой (а мы помним, по описанию выше, что Армстронг отмечал как раз этот момент, что пар должен быть конденсирован, чтобы вызвать явный эффект). 

Сопла, через которые вырывается пар, сделаны из самшита как изолятора, благодаря чему происходит разделение зарядов между котлом и коллектором (металлическая пластинка, обдуваемая паром). 

Для того чтобы эффект был более явственным, накопление зарядов осуществляется с помощью Лейденской банки, где разрядник и пластинка-коллектор подключены к одному её контакту (обкладке), а генератор пара — к другому её контакту (центральный электрод). 

Как можно видеть, всё прекрасно работает (видео добавлено ссылкой, а не в текст, потому что для этого видео недоступно встраивание).

Тем не менее, у аппарата имеется и задел для улучшений: дело в том, что в XIX веке части конструкции были изготовлены из стекла и смол, в то время как в наше время доступно использование диэлектриков с большим сопротивлением и, соответственно, меньшей утечкой заряда, что положительно могло бы сказаться на скорости и величине его накопления. 

Например, можно было уменьшить стекание заряда назад к источнику давления, для чего использовать сопло из наиболее стойкого к этому материала — тефлона или фторопласта, так как заряд практически не удерживается на их поверхностях. В качестве альтернативы с той же целью можно использовать капрон или нейлон.

Также необходимо изолировать коллектор от Земли, установив на надёжный изолятор, для чего можно было бы попробовать использовать тот же самый фторопласт или даже оргстекло. Главная задача при таком подборе материала — избегать гигроскопичных (т.е. набирающих влагу из воздуха) и токопроводящих материалов.

Можно было бы предположить, что эффект Армст��онга так и остался «интересным курьёзом» из истории, но нет: в данный момент подобный эффект снова переосмысливают учёные (и это, кстати, передний край науки) — в связи с тем, что эффект Армстронга может быть получен намного более простым путём, если взять за основу, например, воду.

Каким образом? Зачем использовать газообразную воду (пар) или, собственно, газ (например, воздух под давлением), если вместо этого можно просто распылять воду на мишень‑коллектор?

Кроме использования распылённой воды, учёные экспериментируют с наноструктурированием поверхности коллектора — нанесением на него наноразмерных текстур с целью увеличения площади поверхности: пирамидки, стержни, каналы и т.д.

Также исследуется оптимальный угол падения на поверхность, так как было выявлено, что от этого тоже многое зависит: неоптимальный угол может приводить к тому, что капля может снова унести почти весь свой принесённый заряд! 

Например, было выявлено, что наиболее оптимальным углом является касательный, близкий к 0º, в то время как 90º — наихудший, так как именно угол около 0º позволяет эффективно передавать заряд трением.

Поэтому коллектор надо располагать под более-менее острым углом к струе распылённой воды. 

Ещё один момент заключается в форме коллектора: дело в том, что надо стремиться к шарообразной форме, так как любые острые грани (как у плоской пластинки) будут приводить к потере заряда за счёт коронного разряда в воздух.

Кроме того, существенной проблемой является и изоляция коллектора от Земли (мы ведь не забыли, что он должен стоять на изолированной пластинке?), что при «опрыскивании» водой является существенной проблемой, и заряд утечёт через мокрое основание, если этим не озаботиться заранее.

Решением этой проблемы может быть организация подвеса коллектора на синтетическом тросе, состоящем из двух кусков, между которым установлен гладкий керамический (как на линиях электропередач) или 3D-печатный изолятор. 

Это позволит изолировать коллектор от Земли, и вода сможет спокойно стекать с него (внизу тоже нужно будет подобрать высоту воздушного промежутка), не вызывая замыкания. 

В целом учёные изучают возможность питания маломощных устройств от капель воды, так как в лабораторных условиях было выявлено, что даже редкие капли (например, дождя) могут питать маломощные устройства, такие как датчики, давая десятки вольт с одной капли при токе в микроамперы.

С интересной научной работой на тему капельного извлечения энергии желающие могут ознакомиться тут.

Подытоживая, можно сказать, что решения прошлого таят в себе ещё множество возможностей, если их переосмыслить на новом этапе с применением современных подходов и технических возможностей.

А сам факт возможности извлечения значительных напряжений из трения, в том числе без каких-либо движущихся элементов, выглядит привлекательным сам по себе. Однако стоит отметить, что упоминавшийся в начале статьи генератор другого типа — «капельница Кельвина» — будет существенно эффективнее описанного выше эффекта Армстронга, который, тем не менее, интересен сам по себе и тоже может быть применён при необходимости.

© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»