Август Топлер: Неміс химигі және физигінің өмірі мен еңбектері

Кіріспе

Неміс химигі және физигі (1836–1912)

Август Иосиф Игнац Топлер (7 қыркүйек 1836 – 6 наурыз 1912) – электростатика саласындағы тәжірибелерімен әйгілі неміс химигі және физигі.

Өмірбаян

Август Топлер 7 қыркүйек 1836 жылы дүниеге келген. Ол 1855–1858 жылдары Берлиндегі Gewerbe Institut-ында химияны оқыды және 1860 жылы Йена университетін бітірді. Кейін Топлер эксперименталды физикаға көшті. Август Топлер 1859–1864 жылдары Поппельсдорф академиясында химия және физика пәндерінен лекция оқыды. Ол 1864–1868 жылдар аралығында Рига политехникалық институтында химия және химиялық технология кафедрасын басқарды. 1864 жылы ол телескоп айналарын сынау үшін Фуконың пышақ жиегі әдісін сұйық ағыны мен соққы толқындарын талдауға қолданды. Ол бұл жаңа әдісті «шлирен фотографиясы» деп атады және осымен танымал болды. Сондай-ақ ол 1865 жылы электростатикалық әсер ету машинасы (жоғары кернеу генераторы) – Топлер машинасының авторы атанды, ол кейіннен алғашқы медициналық рентген машиналарын жасауда қолданылды. Вильгельм Хольц, Роджер және Дж. Роберт Восс оның жетілдірілген нұсқаларын жасады. 1868 жылы Топлер Австриядағы Грац университетінің профессоры болды, оның басшылығымен жаңа физика институты ашылды. 1876 жылы Топлер Дрезденге келді, онда оған эксперименталды физика кафедрасы ұсынылды. Ол 1900 жылы зейнеткерлікке шыққанға дейін Дрезден техникалық университетінің Физика институтының директоры қызметін атқарды. Оның ұлы Максимилиан Топлер ғылыми жұмысты тәуелсіз түрде жалғастырды. Топлер электростатикалық машиналарды ойлап тапқан, сондай-ақ ауа сорғылары және акустикалық толқындар саласындағы еңбектерімен есімдері сақталды. Топлер 1866 жылы секторы жоқ машинаны симметриялық машина деп сипаттады, ал оған ұқсас құрылғы кернеуді көбейтуге қолданылады. Топлердің электростатикалық машиналарын әртүрлі адамдар мен компаниялар жасады, мысалы, Топлер машинасының үлгісін Уэлч ғылыми компаниясының (Чикаго, АҚШ) каталогынан табуға болады. Топлер машинасы, Хольц машинасы және Топлер-Хольц машинасы арасындағы айырмашылықтар тіпті олардың маңызды, заманауи технология болған кезінде жазылған кітаптарда да нақты көрсетілмеген. Кейде мұндай машинаны Хольц-Топлер машинасы деп атайды, себебі оны Хольц жасаған, бірақ бастапқы конструкция Топлер машинасымен бірдей. Бұл электростатикалық индукциялық генератордың моделі, он тоғызыншы ғасырдың соңында электромедициналық мақсаттар үшін кеңінен қолданылды және электрофор және дупликатордың жұмыс принциптеріне негізделген. Ол 1865–1880 жылдар аралығында физик Август Топлер, неміс физигі Вильгельм Хольц (1836–1913) және Берлиннің механиктері Ж. Роберт Восс жасаған механикалық жақсартулардың нәтижесінде пайда болды. Восс 1880 жылы бұл өзін-өзі қоздыру моделін жасады, ол алдыңғы жылы Топлер ұсынған машинаны жетілдірді. Машина жаңғақ ағашынан жасалған табанға орнатылған. Айналу осіне көлденең бағана тіреледі. Бір-біріне жақын орналасқан екі жұқа, лакталған, параллель шыны дискілер осы оське тік бұрылып орналасқан. Екі үлкені (артындағысы) – тұрақты диск және эбонит оқшаулағыш дискінің ойысында базаға тіреледі; екіншісі (алдындағысы) – кішкентай жылжымалы диск және шнурмен байланыстырылған шкивтер жұбын басқаратын кранк арқылы айналады. Сыртқы жағында тұрақты диск индукторларды орналастырады, олар екі қалың қағаз қалқандардың ортасына жабыстырылған екі қалайы лентасынан тұрады, диаметрлі орналасқан. Қозғалмалы диск Топлер-Восс өзін-өзі қоздыру жүйесін орналастырады, ол алты металл түймеден тұрады, олардың әрқайсысы қақталадан жасалған сақинамен қоршалған және бір шеңберде тең қашықтықта орналасқан. Екі кішкентай металл щетка түймешіктерді сүртеді; щеткалар дискілерге қарама-қарсы нүктелерде бекітілген және индуктордың қалайы ленталарымен жанасатын қисық өткізгішке (эбонитпен қапталған) бекітіледі. Қозғалмалы дискінің шеткі жағында, көлденең диаметріне қарай бекітілген түймелердің алдында әрқайсысы 10 нүктелі екі мыс жинағыш шеге диск бағытында орналасқан. Шеңберлер екі Лейден құмырасының ішкі қалқандарымен және оттық саңылаудың қолдарымен, оттықтар шығарылатын шарлар мен оқшаулағыш тұтқалармен жабдықталған екі мыс тақтамен жанасады. Лейден ыдыстарының сыртқы қалқандары екі мыс дискіге орнатылған, олар негізінен өтетін металл сыммен электрлік байланыста. Қозғалмалы дискіге қараған, әрқайсысы сегіз нүктесі бар және түймешіктерге сүртетін орталық металл щеткасы бар екінші жұп жинау шегелері «диаметрлік өткізгіш» деп аталады. Диаметрлік өткізгіш көлденең диаметрге қатысты 45°-қа еңкейген және қабаттың полярлылығын өзгертпей ұстауға мүмкіндік береді, әсіресе дымқыл динамолар олардың қалыпты жарылғыш қашықтығынан алыстағанда. Машинаны іске қосу үшін тіпті әлсіз бастапқы заряд қажет емес; өзін-өзі қоздыру жүйесі қозғалмалы дискіні сағат тілімен айналдыру арқылы автоматты түрде іске қосылады (машинаның алдынан қарағанда). Шеңберлермен индукция арқылы жиналған заряд екі жылжымалы, мыс жинау сақиналарымен жиналады, оттық саңылауының ұштары әрқайсысы олармен жанасқан шеңбердің таңбасына қарама-қарсы таңбамен зарядталады. Осылайша машина ұзақ уақытқа созылатын оттықтарды шығаруға қабілетті. Ғасырдың басында стандартты тұрақты ток әрқашан қолжетімді болмағандықтан, Топлер-Хольц электростатикалық генераторлары дәрігерлерге емдеу үшін ток беру үшін, сондай-ақ алғашқы рентген құрылғыларын қуаттау үшін қолданылды. Олар кеңінен таралған және Sears каталогында көптеген аксессуарлармен жарнамаланды. Эмха және шыныдан жасалған шкафта орналасқан бұл машина 1900 жылы Чикагодағы Betz компаниясы жасаған Топлер-Хольц генераторы. Ол медициналық қолдануға арналған және рентген түтігін басқару құрылымының бір бөлігі болып табылады. Бұл машина Топлер-Хольц конструкциясымен жасалған және 1890 жылдардың соңынан шыққан. Ол тәжірибелі дәрігерлерге рентген түтіктерін қоздыру үшін әлеуетті көз ретінде сатылды. Ол үшін ол жақсы жұмыс істейді, орташа айналу жылдамдығында 80 кВ кезінде шамамен 1 мА береді. Құтиядағы аксессуарлар шаш таю, соқпақтық сияқты ауруларды емдеу үшін «электрлік емдеуге» арналған. Көбінесе щетка разряды тудыруға арналған нүктелер жүйесі. Науқастың электр оқшаулануы үшін шыны аяқтары бар төмен стол да кіреді. Кейбір құрылғылар электр қолданылмаған кезде де азаптау құралдары сияқты көрінеді. Тақталарды жөндеу үшін ғана ашуға болмайды. Машина кранкты сағат тіліне қарсы айналдыру арқылы басқарылады. Ортадағы айналмалы қосқыш Лейден құмыраларын терминалдарға қосады немесе ажыратады. Суреттегі генератор үлкен типтердің бірі және 24 шыны тақтадан, әрқайсысы төрттен тұратын 6 жиынтықтан тұрады, олар терапия үшін ток тудыру үшін айналдырылды. Ол белгісіз жасаушы (Вагнер?) жасаған, 1910 жыл. Август және Максимилиан Топлер Дрезден техникалық университетінде газ разряды физикасы саласында зерттеулер бастады. Бұл зерттеулер әсіресе Шлирен әдісін дамытуға әкелді. «Жолдама әдісін» қолдану арқылы Топлер әуедегі акустикалық толқындарды көруге алғашқы ғалым ретінде табысқа жетті. Бұл әдіс жоғары жылдамдықты киноматография үшін де маңызды болып табылды. Құбылыстарды қалыпты камералармен жазуға болмайтындықтан, оларды зерттеу үшін де фильмдер қолданылды. Осы салада көптеген мәселелерді шешуге зор шеберлік қолданылды.

August Toepler was born on 7 September 1836. He studied chemistry at the Gewerbe Institut Berlin (1855–1858) and graduated from the University of Jena in 1860. Later Toepler turned to experimental physics. August Toepler was a lecturer of chemistry and physics at the Academy Poppelsdorf (1859 1864). He received a chair of chemistry and chemical technology at the Polytechnic Institute of Riga and he hold this position between 1864 and 1868. In 1864, he applied Foucault's knife edge test for telescope mirrors to the analysis of fluid flow and the shock wave. He named this new method schlieren photography, for which he is justifiably famous. He also developed the Toepler machine, an electrostatic influence machine (high voltage generator) in 1865, which would one day find use in early medical x ray machines. Improved versions were produced by Wilhelm Holtz, Roger and J. Robert Voss. In 1868, he became a professor at the University of Graz in Austria, where under his administration a new physical institute has appeared. In 1876, Toepler came to Dresden where he was offered the chair of Experimental Physics. He was a director of the Physical Institute at the Dresden Technical University till his retirement in 1900. His son Maximilian Toepler continued the scientific work independently. Toepler is remembered as an inventor of electrostatic machines, and for his work with air pumps and acoustic waves. Toepler described also a symmetrical machine (1866) that is a sectorless machine and a similar device is used as a voltage multiplier. Toepler’s electrostatic machines were made by different people and companies, e. g. a Toepler machine can be found in a Welch Scientific Company (Chicago, USA) catalog. The differences between a Toepler machine, a Holtz machine, and a Toepler Holtz machine are unclear even in books written when they were vital, modern technology. Sometimes such a machine is called a Holtz Toepler machine simply because it was made by Holtz, but the original design is still the same as the Toepler machine. This model of an electrostatic induction generator, very much in vogue for electromedical purposes towards the end of the nineteenth century, is based on the principles of electrophorus and duplicator function. It is derived from the mechanical improvements made between 1865 and 1880 by the physicist August Topler, the German physicist Wilhelm Holtz (1836 1913) and by J. Robert Voss, a mechanician from Berlin. Voss devised this self excitation model in 1880, perfecting a machine presented by Topler the previous year. The machine rests upon a footed walnut base. A column horizontally supports the axis of rotation. Two thin, shellacked, parallel glass disks in close proximity one to the other are vertically hinged to this axis. The larger of the two (the rear one), is a fixed disk and rests on the base along the groove of an ebonite insulation disk; the other (the front one), is a smaller mobile disk and rotates by means of a crank that controls a pair of pulleys connected by a cord. On its outer side, the fixed disk carries the inductors, two strips of tinfoil glued in the middle of two, broad paper shields placed diametrically, one beside the other. The mobile disk carries the Toepler Voss self excitation system consisting of six metallic buttons, each surrounded by a ring of tinfoil, placed equidistantly in a circle. Two small metal brushes rub against the buttons; the brushes are fixed to a curved conductor (covered with ebonite) that is clamped to the disks at opposite points and is in contact with the inductor’s tinfoil strips. In front of the buttons, fixed to the edge of the mobile disk towards the horizontal diameter, two brass collection combs, each having 10 points, are positioned in the direction of the disk. The combs are in contact with the inner shields of two Leiden jars, and with the arms of the spark gap, two brass bars equipped with spherules and insulation handles, into which the sparks are released. The outer shields of the Leiden jars rest on two brass disks electrically connected by a metallic wire, which passes along the base. A second pair of collection combs, facing the mobile disk, each with eight points and a central metal brush that rubs against the buttons, comprises the so called “diametrical conductor”. The “diametrical conductor” is inclined at 45° with respect to the horizontal diameter and allowed for the polarity of the linings to be maintained unaltered, especially when the exciting dynamos moved farther away than their normal explosive distance. Not even a weak initial charge is needed to start the machine; the self excitation system automatically starts by turning the mobile disk clock wise (when viewed from the front of the machine) using the special crank. The quantity of charge captured through induction by the combs is collected by the two mobile, brass collection rings, the terminal spherules of the spark gap are each charged by the opposite sign with respect to the sign of the comb with which they are in contact. In this manner the machine is able to produce sparks, at times very long ones, especially if the poles of the spark gap are in contact with the internal shields of the two Leiden jars. Standard direct current was not always available at the turn of the century so that Toepler Holtz electrostatic generators were used to provide physicians with current for treatment as well as to power the first x ray devices. They were fairly common and advertised in the Sears catalogue with numerous accessories. This machine built in an oak and glass cabinet is a Toepler Holtz generator made by the Betz company of Chicago ( 1900). It was intended for medical use, and has an X ray tube controller as an integral part. This machine is of the Toepler Holtz design and comes from the late 1890s. It was sold to practicing physicians as a potential source for the excitation of X ray tubes. For this it works quite well, yielding about 1 mA at 80 kV at moderate rates of rotation. Accessories to be found in the drawers are for “electrical treatment” for such things as baldness, lameness, etc. Most are systems of points designed to produce brush discharges. A low table with glass legs is included for electric isolation of the patient. Some of the devices look as though they are instruments of torture even without the application of electricity. The case enclosing the plates should not be opened except for repairs. The machine is operated by turning the crank counterclockwise as one looks at the front. A rotary switch at the center connects or disconnects the Leyden jars to the terminals. The pictured generator is one of the larger types and is made up of 24 glass plates, 6 sets of four each, which were rotated to produce current for therapy. It was made by an unknown maker (Wagner? ), 1910. August and Maximilian Toepler started research in the field of gas discharge physics at the Dresden University of Technology. This research particularly resulted in the development of the Schlieren technique. With the application of the “streak method” Toepler succeeded as the first scientist in making acoustic waves in the air visible. This method was found to be also important for the high speed cinematography. Motion pictures have also been used to study phenomena that occur so fast that they cannot be recorded on normal cameras. An immense amount of ingenuity has been applied to the solution of many problems in this field.

Шлирен оптикалық жүйесі

Фуконың пышақ жиегі сынағы деп аталатын Топлердің Шлирен фотосуретінің принципі бастапқыда 1859 жылы Леон Фуко линзалар, айналар және басқа оптикалық компоненттердің сапасын тексеру үшін жоғары сезімтал сынақ ретінде әзірленген. Топлер бұл принципти сұйық немесе газ ағыны мен дыбыс толқындарын нақты уақыт режимінде байқау үшін бірінші болып өзгертіп, осылайша оның кеңінен қолданылуына мүмкіндік берді.

Қызықты деректер

Топлердің ұлы Максимилиан Топлер де физик болды және сол сала бойынша тәуелсіз жұмыс істеді. Топлер оң жақтағы төменгі суретте көрсетілгендей, Топлер сорғысын ойлап табуымен де белгілі болды.