The Book. Как создать цивилизацию заново

Издательство «Манн, Иванов и Фербер» представляет книгу «The Book. Как создать цивилизацию заново» (перевод Василия Горохова).

Над книгой работала огромная международная команда специалистов. В книге 23 раздела: всё от вещей первой необходимости до предметов искусства. Авторы описывают, как устроено каждое изобретение и как оно изменило мир: ветряная мельница и паровой двигатель, пенициллин и голубиная почта, вино и чай, джинсы и парфюмерия, шелк и хлеб, шахматы и суши. Текст проиллюстрирован великолепными детальными рисунками, стилизованными под старинные гравюры.

Предлагаем прочитать фрагмент книги.

Электричество

Электрическая батарея

Лень — двигатель прогресса. Человек всегда рад переложить работу на кого-нибудь другого. Вы уже укротили ветер и заставили быстрые реки крутить водяное колесо (с. 232), так что теперь настало время использовать силы природы еще эффективнее. Пусть они помогают вырабатывать электричество. Электрический ток — это движение электронов. Пока не были изобретены полупроводники, существовало два эффективных способа его получить: химический и механический. Первый метод проще и позволяет как получать, так и хранить ценную электроэнергию.

Батарея

Батарея — это устройство, вырабатывающее электрическую энергию путем химических реакций. Погрузите стержни из двух разных металлов в раствор электролита: например, серной кислоты. Если соединить их между собой проводником, от одного к другому побегут электроны. Это и есть электрический ток. Ему можно найти много применений: к примеру, осветить помещение. Если поместить электроды — медную спираль и железный стержень — в стакан с уксусом, получится батарея. Можно использовать и другую кислую среду, например кусок фрукта. Такие электрохимические элементы вырабатывают совсем маленькое напряжение, но, если последовательно соединить сразу несколько штук: отрицательный полюс первого к положительному полюсу второго и так далее, — получится вполне рабочая батарея.

Водородные топливные элементы

В некоторых видах батарей реагенты можно пополнять непрерывно. В топливном элементе происходит электрохимическая реакция между водородом (1) (с. 226) и кислородом (2) с образованием обычной воды. Газ поступает в емкости (3) с платиновыми электродами (4), погруженными в раствор серной кислоты (5), который служит электролитом. В результате реакции атомы водорода теряют свои электроны, и к образовавшемуся электрическому току можно подключить лампочку или какой-нибудь механизм.

Аккумуляторы

В обычной батарее запас энергии ограничен объемом реактивов. Когда хоть один из них будет исчерпан, батарейка перестанет давать ток. Однако можно сделать и перезаряжаемую, «вечную», батарею — аккумулятор. Ее устройство позволяет обратить внутренние процессы и восстановить израсходованные элементы. Для этого нужен внешний источник электрической энергии — например, генератор, соединенный с ветряной или водяной мельницей.

Один из самых простых вариантов — свинцово-кислотная батарея. Электроды в ней представляют собой свинцовые решетки, в которые впрессован свинцовый порошок и диоксид свинца. Погрузите их в серную кислоту (A). Когда батарея заряжена, положительный электрод — анод (B) — состоит из диоксида свинца, а отрицательный — катод (C) — из чистого свинца. По мере разрядки электроды реагируют с серной кислотой (A).

Свинец на катоде превращается в сульфат свинца с выделением электронов (1). Оксид свинца на аноде тоже превращается в сульфат свинца, однако электроны в данном случае поглощаются (2). Если подключить к электродам лампочку, через нее потечет ток (3), а если вместо лампочки поставить источник тока, например генератор, «умершие» электроды постепенно вернутся в свое исходное состояние (4). Для повышения мощности используйте сразу несколько пар электродов. Изолируйте их друг от друга резиновыми вкладышами со множеством отверстий (D).

Серная кислота

Серную кислоту можно получить путем сжигания ярко-желтой самородной серы (она содержится в отложениях рядом с вулканами) с селитрой (с. 122) в ящиках, покрытых изнутри свинцом и наполненных паром. Если найти самородную серу не представляется возможным, возьмите пирит — сульфид железа (с. 108), измельчите это вещество: частицы должны быть достаточно маленькие, чтобы хорошо гореть, но не чересчур, иначе они будут слипаться и тлеть.

Положите пирит в топку и продувайте через нее воздух (I) — улучшенный контакт с кислородом ускорит реакцию. Печной газ, возникающий при обжиге, содержит загрязнения и водный пар. В следующем цилиндре он будет двигаться по спирали сверху вниз (II). Там под влиянием центробежной силы грубые частицы пыли осядут на дно, и их можно будет убрать, а более мелкие частицы удалит электрофильтр (III). Это устройство представляет собой сетку с мелкими ячейками, через которую проходит постоянный ток под высоким напряжением. Сильное электрическое поле ионизирует пылинки, они притягиваются к сетке, теряют заряд и оседают на дно. Сушильная башня (IV), заполненная керамическими кольцами, очистит сернистый газ от водных паров.

Затем сернистый газ подается снизу в башню. Сверху разбрызгивается концентрированная серная кислота: она стекает по кольцам и образует на их поверхности пленку. Это требуется для увеличения площади ее контакта с газом. Очищенный газ (V) нагревается за счет газов, выходящих из контактного аппарата (VI), цилиндра, в котором нагретый газ окисляется до триоксида серы в присутствии катализатора — платины или раскаленного оксида железа. В поглотительной башне (VII) триоксид серы обрабатывают душем из концентрированной серной кислоты. Получившийся раствор называют олеумом. Для использования в аккумуляторах концентрация кислоты должна быть около 35%, поэтому ее разводят водой.

Генераторы

Электричество очень упрощает жизнь, поэтому спрос на него всегда велик. В батарейке и аккумуляторе много его не запасешь. Другое дело — генератор. Механическую энергию он преобразует в электрическую и будет работать до тех пор, пока течет река, дует ветер или не устали руки.

Чтобы превратить один вид энергии в другой, можно воспользоваться явлением электромагнитной индукции. Оно заключается в том, что изменение магнитного поля вызывает в замкнутом токопроводящем контуре поток электронов — электрический ток. Именно этот принцип лежит в основе генератора.

Для работы генератора требуется какой-нибудь источник механической энергии: например, река, приводящая в движение водяное колесо (1). На оси колеса (2) устанавливают постоянные магниты (3). Вращаясь, они создают переменное магнитное поле, и в окружающих неподвижных катушках (4) возникает электрический ток, которым можно питать различные устройства. Электромотор действует противоположно генератору и превращает электрическую энергию в механическую.

Если электроны движутся однонаправленно, ток называют постоянным, а если они периодически меняют направление — переменным. Генераторы и двигатели также бывают двух видов: постоянного и переменного тока. Они отличаются особенностями конструкции: в моторах постоянного тока, например, магниты установлены стационарно, а катушки вращаются.

В батарейках (с. 191) можно хранить только постоянный ток, а вот на большие расстояния удобнее передавать переменный, так как его напряжение легко повысить и понизить трансформаторами (с. 194). Чтобы превратить один вид тока в другой, нужно соединить двигатель постоянного тока (A) и генератор переменного тока (B).

Для превращения переменного тока в постоянный потребуется механический электромагнитный выпрямитель (C), в котором железная пластина (5) колеблется в магнитном поле электромагнита (6), замыкая контакт (7) только при определенном направлении тока и переключая его, когда направление противоположное.

Провода и трансформаторы

Если электричество — кровь цивилизации, то провода — ее сосуды. Развивайте и расширяйте свою энергосистему, и районы, в которые она приходит, будут оживать и меняться буквально на глазах.

При передаче на большое расстояние электричество частично теряет мощность: пока оно идет в дома людей, провода нагреваются, и тепло рассеивается в воздухе. Эти потери неизбежны, но их все же можно сократить. Количество выделяемой теплоты пропорционально квадрату силы тока, а силу тока можно уменьшить, повысив напряжение при той же мощности передачи. Для этой цели используют повышающие трансформаторы (I).

Повышающий трансформатор

Главный элемент этого устройства — две обмотки из проволоки на железном сердечнике (3). К первичной обмотке (1) подключают источник тока, а вторичная обмотка (2) выдает уже измененное напряжение потребителю. При включении ток в первичной обмотке порождает в сердечнике магнитный поток, и он сам становится магнитом. Полюса этого магнита меняются местами десятки раз в секунду, магнитный поток по принципу той же электромагнитной индукции вызывает появление тока во вторичной обмотке, возникает электродвижущая сила, величина которой зависит от числа витков в обмотках.

Важнейшей частью обмотки является проводящая ток медная или алюминиевая проволока. Ее концы выводят наружу (4) и подключают к сети. Используйте для этой цели керамические изоляторы (5): этот материал не проводит электричество. Поставьте их на крышке трансформатора (6).

Расширительный бак (7) трансформатора компенсирует температурное расширение масла. Масло изолирует токопроводящие части системы и охлаждает трансформатор, чтобы он не перегрелся и не сгорел. За охлаждение отвечают и радиаторы (8), которые рассеивают тепло от циркулирующего по трубкам масла.

Понижающий трансформатор

Прежде чем включать в сеть бытовые приборы, обязательно снизьте напряжение в ней до подходящего уровня. Для этого нужен понижающий трансформатор (II): первичная обмотка, на которую подают ток, в нем имеет больше число витков, чем вторичная. Сниженное напряжение передается со вторичной обмотки на приборы потребителя.

Провода

Электрический ток проходит между элементами сети по проводам и кабелям. Прокладывать их желательно под землей или на значительной высоте: если бросить оголенный провод на землю, возникнет смертельно опасное короткое замыкание. По этой причине подземные кабели изолируют проваренными в парафине хлопковыми или шелковыми нитями или бумажной лентой, пропитанной камедью (с. 198). Для повышения изолирующих свойств следует сочетать материалы друг с другом. Провода крепите к металлическим столбам с изоляторами (9) из не проводящих ток веществ: например, фарфора или стекла.

Провода можно изготовить на профильных вальцах, аналогичных по конструкции прокатному стану. Раскатайте медный брусок и вытяните его в длинную проволоку — «рабочую лошадку» электротехники. Тонкую проволоку можно скрутить в толстые, но гибкие многожильные провода с общей изоляцией.

Лампы накаливания

Люди —дневные существа. Сложно построить светлое будущее, сидя впотьмах, так что лучше осветить себе путь лампочкой. Когда окна домов вспыхнут электрическим светом, у их жителей, несомненно, появятся и какие-то новые идеи. Не все они будут блестящие, но здесь можно взять количеством

Нить, которая дает свет, должна быть из тугоплавкого металла: обычно вольфрама (с. 108). Когда через нее проходит электрический ток, она нагревается, и чем ток сильнее, тем выше температура. Тут все зависит от напряжения: если оно падает, лампочка начинает светить желтым, а если растет, свет становится белее. Итак, лампа состоит из нити (1), стеклянной колбы (2) и электродов (3). Нить можно скрутить любым образом, но лучше ее согнуть, чтобы она светила равномернее.

Нить дополнительно закреплена на проволочках (4) из тугоплавкого сплава (с. 136) или керамики (с. 134), закрепленных у основания лампы (5). Оба ее конца соединены с электродами, которые идут к цоколю (9). Лампа подключается проводами (6), один из них подключается прямо к цоколю, а другой проходит через предохранитель (7) — он защитит электрическую цепь, если нить вдруг порвется и возникнет короткое замыкание Проволочка предохранителя расположена в специальной полости (8). Не забудьте изолировать цоколь (9) и сделать снизу контакт (10).

Чтобы нить не перегорела и не окислилась, из колбы надо откачать воздух или наполнить ее инертным газом или азотом под низким — намного ниже атмосферного — давлением. Добавьте в свой проект лампы тонкую стеклянную трубку, через которую вы будете откачивать воздух. После того как внутри образуется частичный вакуум, можно нагреть конец трубки горелкой и запечатать ее щипцами.

Электронная лампа

Это устройство, которое работает за счет управления интенсивностью потока движущихся в вакууме электронов. Простейший вариант — диод (I), это герметичная стеклянная колба с частичным вакуумом внутри, содержащая два электрода: анод (+) и катод (−). Нагреваясь, катод начинает излучать электроны, и они несут электрический заряд к аноду. Следовательно, диод всегда проводит ток только в одном направлении.

Более сложный вариант электронной лампы — триод (II). В нем есть третий электрод, тонкая проволочная сеть между катодом и анодом. Она находится под напряжением и позволяет контролировать движение электронов, а значит, регулировать и усиливать сигнал.

Чтобы смастерить мощный прибор для передачи радиосигналов, нужны триоды, способные проводить большой ток. Во время работы они будут сильно нагреваться, так что продумайте эффективную систему охлаждения: воздушную или — в некоторых случаях — водяную.

Ртутный насос

Насос для откачки воздуха из ламп состоит из чугунного корпуса (1), до половины наполненного ртутью. Передняя стенка выполнена из стекла (2): для возможности контролировать его работу. Внутри вращается вокруг своей оси фарфоровый барабан (3) с тремя камерами (4). Каждая камера имеет канал с выходом наружу (5) и отверстие (6), в которое через соединенную с лампой трубку (7) засасывается воздух.

Барабан вращается и высасывает воздух в камеры. Затем отверстия погружаются в ртуть, и воздух вытесняется через боковые каналы в пространство корпуса над ней. Ртутный насос не работает при атмосферном давлении — внутри должен быть частичный вакуум. Таким образом, параллельно нужно использовать обычный шестеренчатый насос (с. 161), который будет заранее откачивать бо́льшую часть воздуха.

Электроника — это область инженерии, которая позволяет создавать разнообразные автоматические устройства для контроля и управления электрическим током. Первую скрипку здесь играют активные элементы — электронные лампы, но они не смогут работать без простых деталей, а именно: конденсаторов, резисторов и индукционных катушек.

Конденсаторы

Эти устройства накапливают электрический заряд. Они состоят из двух проводящих пластин (1), разделенных диэлектриком (2) — изолятором, который не проводит электричества (тонкий слой стекла, слюды, керамики, и даже обычного воздуха). Если подключить пластины в цепь электрического тока, конденсатор начинает накапливать электрический заряд, максимальная величина которого зависит от емкостного сопротивления. Чтобы высвободить заряд, то есть разрядить конденсатор, к нему надо подключить нагрузку — можно получить очень короткий, но мощный электрический импульс. Конденсатор включают в электрические цепи как накопитель энергии, фильтр и — в сочетании с катушками индуктивности — как элемент параллельного колебательного контура.

Резисторы

Резисторы создают сопротивление электрическому току. В последовательном контуре они снижают его силу, преобразуя электрическую энергию в тепловую. Простой резистор — это кусок проволоки с высоким сопротивлением (3). Его можно сделать, намотав, например, стальную проволоку вокруг керамической трубки. Резисторы бывают постоянные и переменные. В последнем случае скользящий контакт (4) позволяет легко изменить эффективную длину и, следовательно, силу тока в электрической цепи. Резисторы нужны для регулировки тока и напряжения.

Катушки индуктивности

Если намотать электрический провод на металлический сердечник или просто бумажную трубку, получится катушка индуктивности. Когда по ней идет ток, она запасает энергию, но не в виде электрического заряда, как конденсатор, а как магнитное поле. При отключении от источника питания энергия начинает выделяться в цепь. Индуктор имеет разное сопротивление постоянному и переменному току, и чем выше частота переменного тока, тем выше будет сопротивление катушки. В электронике индуктивности используют для накопления энергии, как фильтры, электромагниты, детали трансформаторов и параллельные резонансные контуры в сочетании с конденсаторами.