Август Тёплер: Жизнь и научные достижения

Введение

Немецкий химик и физик (1836–1912)

Август Иосиф Игнац Топлер (7 сентября 1836 – 6 марта 1912) — немецкий химик и физик, известный своими экспериментами в области электростатики.

Биография

Август Топлер родился 7 сентября 1836 года. Он изучал химию в Гевербе Институте Берлина (1855–1858) и окончил Йенский университет в 1860 году. Позже Топлер обратился к экспериментальной физике. Август Топлер был лектором по химии и физике в Академии Поппельсдорфа (1859–1864). Он получил должность профессора химии и химической технологии в Политехническом институте Риги и занимал её в период с 1864 по 1868 год. В 1864 году он применил тест ножа Фуко для телескопических зеркал к анализу течения жидкости и ударной волны. Он назвал этот новый метод шлихрен-фотографией, благодаря которой он заслуженно прославился. Он также разработал машину Топлера – электростатическую машину влияния (генератор высокого напряжения) в 1865 году, которая впоследствии нашла применение в ранних медицинских рентгеновских аппаратах. Улучшенные версии были созданы Вильгельмом Хольцем, Роджером и Дж. Робертом Воссом. В 1868 году он стал профессором в Университете Граца (Австрия), где под его руководством был создан новый физический институт. В 1876 году Топлер переехал в Дрезден, где ему предложили кафедру экспериментальной физики. Он был директором Физического института Дрезденского технического университета до выхода на пенсию в 1900 году. Его сын Максимилиан Топлер продолжил научную работу самостоятельно. Топлер известен как изобретатель электростатических машин, а также своими работами с воздушными насосами и акустическими волнами. Топлер также описал симметричную машину (1866), не имеющую секторов, и аналогичное устройство используется в качестве умножителя напряжения. Электростатические машины Топлера изготавливались разными людьми и компаниями, например, машину Топлера можно найти в каталоге Welch Scientific Company (Чикаго, США). Различия между машиной Топлера, машиной Хольца и машиной Топлера-Холца не всегда ясны даже в книгах, написанных в период, когда эти технологии были передовыми. Иногда такую машину называют машиной Хольца-Топлера просто потому, что её изготовил Хольц, но оригинальная конструкция остаётся такой же, как у машины Топлера. Эта модель электростатического индукционного генератора, пользовавшаяся большой популярностью в электромедицинских целях в конце XIX века, основана на принципах действия электрофора и дубликатора. Она является результатом механических усовершенствований, внесённых между 1865 и 1880 годами физиком Августом Топлером, немецким физиком Вильгельмом Хольцем (1836–1913) и механиком из Берлина Дж. Робертом Воссом. Восс разработал эту модель самовозбуждения в 1880 году, усовершенствовав машину, представленную Топлером годом ранее. Машина установлена на ореховой основе. Колонна горизонтально поддерживает ось вращения. Два тонких, лакированных, параллельных стеклянных диска, расположенных близко друг к другу, вертикально прикреплены к этой оси. Больший диск (задний) является фиксированным и опирается на основание вдоль паза изоляционного диска из эбонита; другой (передний) – меньший подвижный диск, который вращается с помощью рукоятки, приводящей в движение пару шкивов, соединенных шнуром. На внешней стороне фиксированный диск несёт индукторы – две полоски фольги, приклеенные к середине двух широких бумажных экранов, расположенных диаметрально друг напротив друга. На подвижном диске установлена система самовозбуждения Топлера-Восса, состоящая из шести металлических кнопок, каждая из которых окружена кольцом из фольги и размещена на равном расстоянии по окружности. Две небольшие металлические щётки касаются кнопок; щётки прикреплены к изогнутому проводнику (покрытому эбонитом), который закреплён на дисках в противоположных точках и соприкасается с фольгой индукторов. Перед кнопками, прикреплёнными к краю подвижного диска вдоль горизонтального диаметра, расположены два латунных сборных гребня, каждый из которых имеет 10 зубцов, направленных к диску. Гребни соприкасаются с внутренними обкладками двух лейденских банок и с электродами искрового промежутка – двумя латунными стержнями, оснащёнными шариками и изолирующими ручками, в которые разряжаются искры. Внешние обкладки лейденских банок опираются на два латунных диска, электрически соединённых металлическим проводом, проходящим вдоль основания. Вторая пара сборных гребней, обращённых к подвижному диску, каждая из которых имеет восемь зубцов и центральную металлическую щётку, касающуюся кнопок, образует так называемый «диаметральный проводник». «Диаметральный проводник» наклонен под углом 45° к горизонтальному диаметру и обеспечивает сохранение полярности обкладок, особенно когда возбуждающие динамо находятся на большем расстоянии, чем их нормальное расстояние разряда. Для запуска машины не требуется даже слабая начальная зарядка; система самовозбуждения автоматически запускается при вращении подвижного диска по часовой стрелке (при взгляде спереди машины) с помощью специальной рукоятки. Захваченный посредством индукции заряд собирается двумя подвижными латунными сборными кольцами, а полюса искрового промежутка заряжаются противоположными знаками относительно знака гребня, с которым они контактируют. Таким образом, машина способна производить искры, иногда очень длинные, особенно если полюса искрового промежутка соприкасаются с внутренними обкладками двух лейденских банок. Стандартный постоянный ток не всегда был доступен в начале XX века, поэтому электростатические генераторы Топлера-Холца использовались для обеспечения врачей током для лечения, а также для питания первых рентгеновских аппаратов. Они были довольно распространены и рекламировались в каталоге Sears с многочисленными аксессуарами. Эта машина, построенная в шкафу из дуба и стекла, является генератором Топлера-Холца, изготовленным компанией Betz из Чикаго (1900). Она предназначалась для медицинского использования и имеет контроллер рентгеновской трубки как неотъемлемую часть. Эта машина конструкции Топлера-Холца поступила в продажу в конце 1890-х годов. Она продавалась практикующим врачам как потенциальный источник возбуждения рентгеновских трубок. Для этого она работает вполне хорошо, выдавая около 1 мА при 80 кВ при умеренных скоростях вращения. Аксессуары, находящиеся в ящиках, предназначены для «электрического лечения» таких проблем, как облысение, хромота и т. д. Большинство из них представляют собой системы электродов, предназначенные для создания коронного разряда. В комплект входит небольшой столик со стеклянными ножками для электрической изоляции пациента. Некоторые устройства выглядят как орудия пыток даже без применения электричества. Корпус, закрывающий пластины, не следует открывать, кроме как для ремонта. Машина приводится в действие путем вращения рукоятки против часовой стрелки (при взгляде спереди). Поворотный переключатель в центре подключает или отключает лейденские банки к клеммам. Представленный генератор относится к более крупным типам и состоит из 24 стеклянных пластин, 6 комплектов по четыре пластины, которые вращаются для производства тока для терапии. Он изготовлен неизвестным производителем (Вагнер?). 1910 год. Август и Максимилиан Топлер начали исследования в области физики газового разряда в Дрезденском техническом университете. Эти исследования особенно привели к разработке шлихрен-метода. С применением «метода полосы» Топлеру удалось первым сделать акустические волны в воздухе видимыми. Этот метод также оказался важным для высокоскоростной кинематографии. Кинофильмы также использовались для изучения явлений, происходящих настолько быстро, что их невозможно зафиксировать на обычных камерах. В этой области было применено огромное количество изобретательности для решения многих проблем.

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.

Оптическая система Schlieren

Принцип фотографии Шлирена Топлера, известный как тест с ножом Фуко, был первоначально разработан Леоном Фуко в 1859 году как высокочувствительный метод проверки линз, зеркал и других оптических элементов. Топлер первым модифицировал этот принцип для наблюдения в реальном времени за потоками жидкостей или газов и звуковыми волнами, и он до сих пор широко применяется в этой области.

Интересные факты

Сын Топлера, Максимилиан Топлер, также был физиком и работал самостоятельно в той же области. Топлер также прославился изобретением насоса Топлера, который можно увидеть на фотографии в правом нижнем углу.