Игрушка представляет собой пластиковую рукоятку, в которой скрыты две пальчиковые батарейки, электрический моторчик, бесконечный конвейер из шелковой ленточки с приклеенными на ней полосками металлической фольги, токосъемник, снимающий заряды с металлических полосок и кнопка электрического выключателя. На верхнем конце рукоятки имеется металлический контакт, который, соединяясь с токосъемником внутри рукоятки, одновременно входит в плотный контакт с внутренней поверхностью картонного цилиндра, одеваемого на этот конец.
Если взять собранную игрушку, подробно ее рассмотреть и даже привести в действие, нажав на кнопку, расположенную на рукоятке, то понять, как с ней играть и для чего она предназначена будет весьма не просто без специальной инструкции и дополнительных пояснений. Действительно, нажав на кнопку можно услышать лишь негромкое жужжание встроенного моторчика - ничего более происходить не будет. Однако если положить на самый край картонной трубки полоску очень тонкой лавсановой пленки, покрытой еще более тонким слоем металла и разрезанной особым образом, то после недолгой работы моторчика, разрезанные лепестки пленки начнут, как бы раздуваться, и бесформенная полоска превратится в красивую объемную структуру.
Более того, даже если в дальнейшем перестать нажимать на кнопку и при неработающем моторчике, стряхнуть раздувшаяся объемная структура из металлизированной пленки с картонной трубки, то она будет парить над ней, словно в невесомости. Столь же необычно поведет себя фигурка бабочки, вырезанной из той же металлизированной пленки, которая также есть в комплекте игрушки. Будучи уложенной на край картонной трубки, после нескольких секунд работы моторчика, бабочка неожиданно оторвется от трубки и будет парить над ней даже при выключенном моторчике.
Это необычное, весьма красивое и загадочное поведение металлизированной пленки находит свое объяснение в проявлении сил электростатического отталкивания. Что такое электричество точно никто не знает и по сей день, хотя познакомились люди с ним еще в античные времена. Первым, еще в 500-х годах до нашей эры, указал на свойство натертого янтаря притягивать легкие пылинки, а магнита железо был античный грек Фалес Миллетский. Тогда же были описаны необычные свойства электрических рыб и предложены способы применения их в лечебных целях. Так за 30 лет до нашей эры Диоскорид использовал удары электрического угря для лечения подагры и хронических головных болей. Кроме того, у древнеримских авторов встречается упоминание о свечении верхушек мачт на кораблях и заостренных частей высоких зданий перед грозой, позднее это явление получило название огнях Святого Эльма, по имени католического святого, покровителя моряков. У Лукреция Кара, жившего в первом веке до нашей эры мы можем найти своеобразную научную концепцию магнитных свойств, по которой магнит излучает мельчайшие частицы – «зерна», которые расталкивают воздух, образуя в нем пустоты куда устремляются атомы железа.
Во времена средневековья, по не совсем понятным причинам, интерес ученых того времени к проявлениям электрических или магнитных свойств никак себя не проявил. Лишь с начала сороковых годов XVIII в. отмечается настоящая вспышка интереса к электричеству и не только в среде ученых, но и в широких слоях образованного общества. Примечательно, что этот интерес не носил какой-либо практической цели, а носил главным образом развлекательный характер и объяснялся исключительно любопытством.
В качестве наиболее распространенной теории электричества, тогда являлось перетекание некой невесомая жидкости от одного тела к другому, образующее электрический ток, а наличие или отсутствие запаса такой жидкости обеспечивало электростатический заряд. Сторонниками такой точки зрения были такие знаменитые ученые как Бенджамин Франклин и Алессандр Вольта, Шарль Кулон и Симеон Пуассон. Интересно, что хотя к этому времени уже просматривалась возможная связь между электричеством и магнетизмом, но никаких опытов для проверки придумать тогда не смогли - это было сделано лишь в начале XIX века.
Другим направлением в теории электричества в середине XVIII века был принцип дальнодействия. Согласно ему переносчиками электрического и магнитного взаимодействия являются невесомые и неуловимые частицы эфира. Основоположником таких представлений был Рене Декарт, их же придерживались Михайло Ломоносов и Леонард Эйлер.
Следующим этапом развития теория электричества оказалось введение в науку понятия «поле» английским ученым Майклом Фарадеем и создание теории электромагнитного поля Джеймсом Максвеллом. Дальнейшее развитее теории Максвелла, ставшей в конце XIX века классической электродинамикой, привело в начале уже XX века к формированию Максом Планком основ квантовой теории поля и созданию Альбертом Эйнштейном специальной теории относительности.
Все этапы развития теории электричества совершенно естественным образом сопровождались развитием искусства эксперимента и совершенствованием практических исследований, сначала электростатики и магнетизма, а затем и электродинамики.
Пожалуй, первыми, ставшими известными после античных опытов Фалеса Милетского с натертым янтарем, стали эксперименты английского врача и ученого естествоиспытателя Уильяма Гильберта с тем же янтарем и различными магнитами.
Впервые в 1672 немецкий физик Отто фон Герике году описал специальный механизм, вращающий пятнадцатиметровый шар из литой серы, способный осуществить сильную электризацию. Вероятно построенное им устройство было самым первым электрогенератором. Английский физик Фрэнсис Гауксби усовершенствовал машину Герике, у него вращался и натирался руками уже не сплошной шар из серы, а пустотелый шар из стекла с откачанным из него воздухом. В своем генераторе электричества он наблюдал необычное свечение, сегодня мы бы назвали бы это явление свечением ионизированной плазмы. Интересно, что подобные эксперименты демонстрировались Гауксби на заседаниях Лондонского королевского общества развития естественных наук, Исаак Ньютон, бывший в то время его почетным президентом, проявлял к ним немалый интерес.
В 1745 году в Лейдене Питер ван Мушенброк обнаруживают возможность накопления значительного электрического заряда в стеклянной склянке, заполненной ртутью. Таким образом был изобретен первый объемный конденсатор, названный позднее лейденской банки, что послужило мощным импульсом к совершенствованию электрических машин.
В 1766 г. английским оптиком Джессом Рамсденом была построена электрическая машина, в которой вращающийся стеклянный диск натирался двумя подушечками, покрытыми амальгамой- сплавом ртути с другими металлами, а электрический заряд накапливался с помощью нескольких лейденских банок.
Самой большой из когда-либо построенных электростатических машин трения был построенный в 1784 году Джоном Кутбертсоном в Гарлеме электростатический генератор с двумя стеклянными дисками диаметром 1,65 м. и четырьмя наборами лейденских банок. Этот генератор позволял получить заряд с потенциалом 330000 вольт.
В 1754 году Джон Кантон с помощью усовершенствованного им электроскопа, обнаружил, что два легких соприкасающихся металлических шарика начинают отталкиваться при приближении к ним третьего заряженного шарика внешнего заряда – была открыта электростатическая индукция. С помощью этого открытия был найден способ получения заряда на токопроводящих телах без прикосновений к внешнему заряду и без натирания, он стал известен как «электризация через влияние». При таком способе к двум соприкасающимся металлическим шарикам, не имеющим электрического заряда, подносят третий шарик, на котором имеется определенный электрический заряд. В электростатическом поле заряженного шарика происходит перераспределение свободных электронов на поверхности соприкасающихся шариков - часть этих электронов притянется или оттолкнется к создающему поле заряду, в зависимости от его знака. А далее, разъединив соприкасающиеся шарики, убирают заряженный шарик и на каждом из разъединенных шариков оказывается заряд противоположного знака.
Именно такой способ использовал Александр Вольта при создании первого в мире электрофора - генератора электричества основанного на индукции. Электрофор Вольта устроен очень просто - гладкий диск из смеси смолы, воска и скипидара отлитый в металлической оправке, а над ним диск из металла, не соприкасающегося с оправкой – вот и вся конструкция. Вся хитрость в том, как это устройство работает и вот здесь уже все не так просто. Прежде всего, металлическую оправку соединяют металлическим проводом с землей – заземляют. Затем, сняв металлическую пластину с диска с серой и воском, натирают диск мехом электризуя и создав на его поверхности отрицательный заряд. Далее кладут металлический диск на поверхность, заряженного не токопроводящего диска. При этом металлический диск не должен соприкасаться с металлической оправкой. Положительные заряды на смоляном диске притянут отрицательные заряды на ближайших к нему металлических поверхностях оправки и диска, при этом положительные заряды с оправки по металлическому проводу перейдут в Землю, а на верхнем листе, они останутся. Поскольку заряд на смоляной пластине практически не изменился, она ведь не проводит электрический ток, то подобный цикл можно повторять многократно и каждый раз получать положительно заряженный металлический лист без нового натирания смоляного диска, исключительно за счет перераспределения зарядов на металлическом листе и Земле.
Циклический процесс получения зарядов влиянием автоматизировал английский изобретатель Фрэнсис Рональдс. В качестве металлической пластины периодически соединяемой с наэлектризованным изолятором он использовал груз маятника, движимый часовым механизмом. Подобный механизм Рональдс использовал при создании первого в мире электрического телеграфа.
В 1788 году Уильям Николсон предложил перемещать металлическую пластину, вращая ее над заряженным изолятором, тем самым создал первый прообраз современных электрофорных машин.
Близкие к современному виду электрофорные машины с двумя вращающимися стеклянными дисками почти одновременно сконструировали два немецких физика - Август Теплер и Вильгельм Хольц. Машина Хольца была немного проще по конструкции, но работала более эффективно, чем у Теплера.
Еще более совершенный вариант этих машин в 1883 году предложил английский изобретатель Джеймс Вимшустер. Его конструкция с двумя вращающимися стеклянными дисками, двумя лейденскими банками и двумя электродами в виде стальных шариков, является весьма наглядным демонстрационным устройством по электростатике, она и по сей день широко используется в школьных физических лабораториях.
Окончание 19-го века знаменовалось невиданно бурным ростом масштабомных исследований в области строения материи. В качестве необходимого инструментария потребовались устройства, позволяющие создать электрические заряды с максимально возможным потенциалом - не менее сотен тысяч вольт, а в идеале десятки и сотни миллионов вольт. Электрофорные машины не могли обеспечить необходимые параметры, и в 1933 году, американским физиком Робертом Ван де Граафом в Принстоне, был создан электрогенератор, позволяющий достичь напряжения около 7 000 000 вольт.
Принцип работы генератора Ван де Граафа такой же, что и у электрофорных машин - электризация влиянием. Основное отличие заключается в том, что в новом генераторе, небольшие заряды, получаемые электризацией влиянием, переносятся в основной накопитель не со стеклянных дисков, а с бесконечной конвейерной ленты из изолирующего материала, на которой наклеены гибкие металлические полоски фольги.
Вместо двух лейденских банок в генераторе Ван де Граафа единичные заряды с полосок фольги переносятся на внутреннюю поверхность одного накопителя заряда в виде тонкостенной полой металлической сферы с закругленными краями. В этой сфере любой новый единичный заряд с внутренней поверхности, под действием силы Кулана, перемещается на внешнюю поверхность. Даже при очень высоком потенциале на внешней поверхности сферы, внутри ее потенциал всегда остается нулевым, и новые малые единичные заряда без препятствий попадая внутрь накопителя тут же переносятся на поверхность. Именно это свойство полых сферических накопителей электростатического заряда и позволяет получать столь высокое напряжение.
Несмотря на очень малый коэффициент полезного действия, не более 20 %, генераторы Ван де Граафа в начале и середине 20-го века сыграли исключительно важную роль для ускорения заряженных частиц в ядерных исследованиях, в материаловедческих работах и освоении техники высоких напряжений. Такие генераторы и сегодня используются в отдельных научных центрах, хотя намного чаще их можно встретить в современных научных музеях и в крупных образовательных центрах, где они работают как чрезвычайно эффектное демонстрационное устройство.