Кто придумал Молниеотвод - Когда Изобрели?

По статистике, на Земле в среднем ежедневно выпадает до 45 тыс. грозовых дождей, сопровождаемых 8 млн. молний. Несложно подсчитать, что каждую секунду в атмосфере происходит примерно 100 электрических разрядов. Тит Лукреций Кар, поэт и философ I в. до и. а, так описывал это явление в своей поэме «О природе вещей»:

Прежде всего небеса лазурные гром сотрясает

В силу того, что, летая высоко в пространстве эфира,

Тучи сшибаются там под натиском ветров противных...

Однако как формируются грозовые тучи? Почему раскат грома следует за разрядом молнии, а не наоборот? Каким образом молния может вызвать пожар либо убить человека или животное? Ответы на многочисленные вопросы о «небесном огне» люди смогли получить без малого два тысячелетия спустя.

В древние времена люди считали сходящее с небес и сопровождаемое страшным грохотом пламя проявлением божественного гнева. Большинство политеистических религий имели в своем пантеоне специального бога, заведовавшего громом и молниями. Иногда, как в Древней Греции и Риме, эта функция придавалась верховному божеству. Надеясь на милость богов-громовержцев, люди приносили им богатые жертвы и совершали особые ритуалы, но со временем сообразили, что кое-что для своей защиты от молний можно сделать и самим. И хотя сведения о первых защитных сооружениях почерпнуты из легенд, в основе большинства из них лежат, как правило, реальные факты.

Возможно, первые молниеотводы (в разговорной речи прижилось неправильное, но более благозвучное «громоотвод») были изобретены еще в Древнем Египте и использовались для защиты храмов и дворцов. Конечно, грозы в долине Нила явление нечастое, однако есть свидетельства о том, что египетские мореплаватели с этой же целью золотили верхушки самых высоких мачт.

В Средние века от молний пытались защититься по большей части магическими средствами. Считалось, что от небесного огня защищают змеиная кожа, сердолик, лавр, боярышник, омела, гнездо ласточки под стрехой, а император Карл Великий издал закон, предписывающий сажать на крышах зданий растение Iovis barba (молодило). Впрочем, деревянные дома гораздо сильнее защищало соседство высокого каменного здания с металлическим шпилем или церкви с крестом: было замечено, что молнии выбирают самое высокое сооружение. Однако, чтобы научиться по-настоящему давать отпор грозной гостье, надо было иметь представление о ее природе.

Электрические и электромагнитные явления люди наблюдали с древности, недаром само слово «электричество» происходит от греческого elektron «янтарь». Фалес Милетский еще в VI в. до н. э. заметил, что кусок янтаря, натертый шерстяной тканью, начинает притягивать мелкие предметы, а если приблизить к такому наэлектризованному куску янтаря иголку, можно увидеть мелкие искры. Исаак Ньютон в 1716 г. писал об этом явлении: «Искра напомнила мне молнию в малых размерах». В 1745 г. голландский ученый Питер ван Мушенбрук изобрел первый электрический конденсатор, названный по месту изобретения лейденской банкой. Оставалось совсем немного до осознания того, что искра между янтарем и металлом, разряд лейденской банки и молния явления одного порядка.

Идея, как говорится, витала в воздухе, поэтому нет ничего удивительного, что опыты с атмосферным электричеством проводились параллельно в разных странах разными учеными. Между 1721 и 1745 гг. в российском городе Невьянске по инициативе промышленника Акинфия Демидова была построена 57-метровая башня, к металлическому шпилю которой было подведено заземление. К сожалению, имя зодчего Невьянской башни осталось неизвестным. Французские ученые Жак Рома и Тома Франсуа Далибар независимо друг от друга в 1752 г. проводили опыты по выяснению электрической природы молнии с использованием воздушных змеев (металлическое острие змея с помощью проволоки соединялось с конденсатором).

Однако изобретателем молниеотвода общепризнанно считается американский ученый и общественный деятель Бенджамин Франклин. Выросший в бедной семье, Франклин по воле судьбы сменил не один вид деятельности. В 1727 г. он открыл в Филадельфии свою типографию и занялся издательской деятельностью, затем основал первую в Америке публичную библиотеку, философское общество, стал главным почтмейстером всех североамериканских колоний, побывал в должности посла и принял участие в создании американской конституции.

Ж. Дюплесси. Бенджамин Франклин. 1778 г.

Физикой Франклин занимался всего в течение семи лет, однако за это время он успел столько, что академии наук многих стран (в том числе и России) сделали его своим почетным членом.

В середине 1740-х годов образованные люди массово проявляли интерес к опытам с электричеством, публичные демонстрации собирали множество зрителей. В 1747 г. Франклин посетил лекцию некоего доктора Спенса, который демонстрировал «электрическую машину». Будущий изобретатель, к тому времени уже имевший средства и досуг для хобби, пришел в такой восторг от изрыгающего треск и искры агрегата, что немедленно купил необходимое оборудование и начал производить подобные опыты.

Франклин обнаружил, что если на заряженном кондукторе электрической машины укрепить металлический прут, то разряд с кондуктора стекает постепенно, без искр и треска. Фактически это были так называемые огни святого Эльма коронные разряды, которые можно наблюдать во время или перед грозой на высоких тонких объектах вроде шпилей или мачт. Если при высоком потенциале электрического поля какой-либо предмет оттягивает на себя часть заряженных частиц, вместо искрового разряда (молнии) возникает коронный, не обжигающий и не вызывающий возгорания. Франклину это было не известно, однако его практичный ум увидел возможности применения этого эффекта. Если молния та же электрическая искра, то почему бы с помощью заостренного металлического шеста не разрядить облака и не отвести опасные заряды в землю?

Опыт с воздушным змеем, сходный с тем, что проводили французские физики, убедил Франклина в электрической природе молнии. Дело было за малым соорудить устройство, которое будет перетягивать заряд из облака на себя, не позволяя сформироваться полноценной молнии. Если же такая задача окажется молниеотводу не по зубам, он примет удар стихии и отведет разряд в землю без ущерба для зданий.

Опыт Франклина с воздушным змеем. Гравюра XIX в.

Огни святого Эльма на мачтах и реях корабля.

В 1752 г. Франклин написал о своих исследованиях в Лондонское королевское научное общество, однако реакция была, мягко говоря, сдержанной. Эти письма Франклин опубликовал в ежегодном «Альманахе бедного Ричарда», издателем которого он был на протяжении многих лет, а затем выпустил отдельной книгой под названием «Опыты и наблюдения над электричеством, проделанные в Филадельфии в Америке Бенджамином Франклином». Книга была переведена на немецкий и французский языки и разошлась по всему свету. По всей Америке и Европе, в том числе и в России, ученые и любители повторяли опыты Франклина, а металлические шесты, во время грозы рассыпающие искры, на время стали самой популярной забавой.

Через год Франклин предложил заострить верхний конец молниеотвода, поскольку заметил, что с острия разряд стекает без искр. Он установил на своем доме изолированный железный шест, соединил его проводником с землей и даже включил в цепь звонок, чтобы молния сама предупреждала хозяина дома о своем появлении. В 1754 г. чешский священник Прокоп Дивиш соорудил в своем саду «машину для погоды». Это был более усовершенствованный молниеотвод, который состоял из более чем 400 заземленных железных шпилей и был высотой около 42 м. Судьба этого сооружения печальна. Дивиш утверждал, что его детище способно менять погоду, и, когда сильные морозы погубили озимые, крестьяне, обвинив в этом священника, разрушили молниеотвод. Однако победное шествие «ловушек для молний» было уже не остановить.

Молниеотвод.

Интерес к изобретению Франклина породил множество оригинальных конструкций, таких как зонт с молниеотводом.

В современном молниеотводе можно выделить три части. Для приема разряда служит молниеприемник В зависимости от характеристик защищаемого объекта он изготовляется в виде металлического штыря, сети из проводящего материала или металлического троса, натянутого над объектом. Провод большого сечения заземляющий проводник, или токоотвод отводит заряд к проводнику, соприкасающемуся с землей, заземлителю. Вокруг молниеотвода находится защитная зона в форме конуса с радиусом основания, приблизительно равным высоте молниеотвода, поэтому молниеприемник должен быть расположен как можно выше.

Если молниеотвод установлен правильно, он способен перехватить около 99% молний. Вероятность того, что разряд попадет внутрь защитной зоны, даже в сельской местности очень мала, а тем более в городе, где внешняя защита дополнена шинами выравнивания потенциалов, которыми соединены с контуром заземления все металлоконструкции здания. Однако если задача спасения от молний людей и зданий в целом решена, перед исследователями природного электричества все равно еще стоит немало вопросов, например защита особо чувствительной электроники и использования грозовой энергии на благо человека.

Молнии над Эйфелевой башней.

Различные виды молниеотводов и их креплений конца XVIII в.

К 1782 г. в Филадельфии было установлено 400 громоотводов. Крыши всех общественных зданий были увенчаны металлическими штырями за исключением гостиницы французского посольства, поскольку Франция громоотвод официально не признавала. Во время сильной грозы 27 марта 1782 г. именно в этот дом ударила молния. Гостиница была частично разрушена, а живший в ней французский офицер убит. После этого случая, имевшего широкий общественный резонанс, громоотводы были установлены уже на всех филадельфийских зданиях.