Ян Абрамович Шнейберг

История выдающихся открытий и изобретений (электротехника, электроэнергетика, радиоэлектроника)

Научно-популярное издание

М.: Издательский дом МЭИ, 2009. – 118 с.: ил.

ISBN 978-5-383-00328-2

Редактор М.П. Соколова

Художественный редактор Ю.А. Землеруб

Технический редактор ТА. Дворецкова

Корректор В. В. Сомова

Компьютерная верстка В.В. Пак

Книга посвящена истории выдающихся открытий и изобретений в области электротехники, электроэнергетики и радиоэлектроники. Наиболее подробно изложена история электротехники – от первых наблюдений электрических и магнитных явлений еще до нашей эры до создания устройств, машин и приборов современного типа. Более кратко рассмотрено зарождение радиоэлектроники – от открытия термоэлектронной эмиссии до создания первых радиоприемников, радиоламп и зарождения техники СВЧ.

Книга может быть полезной молодым людям, вступающим на путь творчества, – школьникам старших классов, студентам, аспирантам, молодым инженерам и научным работникам, а также начинающим преподавателям физики и электротехники.

Предисловие

Эта книга для тех, кто со школьной скамьи интересуется техникой, кто с увлечением проводит свободное время в физическом кабинете, кто участвует в проведении экспериментов с физическими и электротехническими приборами и кто в будущем мечтает стать изобретателем, создателем новых технических устройств.

В современном мире, благодаря гигантским усилиям многих тысяч выдающихся деятелей науки и техники разных стран, достигнуты невиданные успехи в открытии и изучении законов природы и их использования на благо человечества.

Как известно, одним из магистральных направлений научно- технического прогресса является электротехника. По мере ее развития во второй половине XIX в. были созданы условия для возникновения и бурного развития электрификации. Под электрификацией понимается широкое внедрение электрической энергии во все сферы народного хозяйства. Она проникла во все отрасли современной промышленности, транспорта, сельского хозяйства, быта, обеспечила автоматизацию производственных процессов, получение и передачу сигналов и информации. Сегодня нет такой области техники, где бы ни использовалась электрическая энергия. Вне зависимости от того, в какой отрасли техники будет работать будущий специалист, он должен знать основы электротехники.

Поэтому автор настоящей книги стремился на конкретных примерах наиболее выдающихся открытий и изобретений в области электротехники и радиоэлектроники показать молодому читателю, мечтающему вступить на путь технического творчества, не только роль знания истории создания того или иного технического устройства, но и помочь ему в будущем сделать свой вклад в развитие науки и техники.

Но как показывает многовековой опыт человечества, каждому, кто вступает на тернистый путь служения науке и технике, нужно, прежде всего, научиться овладевать знаниями и неустанно стремиться к самообразованию и его непрерывному пополнению. Молодые люди должны проявить настойчивость и целеустремленность, умение преодолевать неизбежные трудности в процессе творческого труда и добиваться реализации своих идей и их внедрения в практику.

Рассказывая о выдающихся ученых и инженерах, создателях многих электротехнических устройств, автор стремился увлечь читателя своеобразной романтикой инженерного поиска, логикой творческой мысли и методологией изобретателя. И, наконец, возбудить желание молодого инженера или ученого попробовать свои силы в решении пусть пока несложных конкретных технических задач. Автор также старался кратко показать жизненные пути выдающихся деятелей науки и техники, как яркий пример служения человечеству и завидное умение предвидеть цветущее «древо» науки и техники, выросшее из пока еще мало заметных ростков будущего.

В заключение автор благодарит Издательский дом МЭИ за внимание и помощь в издании этой книги, а также АЯ. Шней- берг, Н.В. Голощапову и С. И. Кондакова за большую работу по подготовке рукописи к печати. Автор сознает, что книга не лишена недостатков и заранее благодарит читателей за их замечания и пожелания.

Автор

ГЛАВА 1 Знать прошлое, чтобы ориентироваться в настоящем и предвидеть будущее

Для строительства будущего нужны не только кирпичи настоящего, но и будущего!

Г.М. Кржижановский (1872-1959) – выдающийся отечественный ученый-энергетик, академик

Молодость – пора творческих свершений

Многие из будущих читателей книги свободно владеют компьютером, широко пользуются Интернетом, не говоря уже о сотовых телефонах. Но многолетний опыт успешной творческой деятельности выдающихся ученых и инженеров убедительно показывает, что указанных знаний совершенно недостаточно.

В современном взаимосвязанном и бурно развивающемся мире развитие науки и техники тесно связано с социальными, экономическими, историческими и экологическими процессами. Чтобы творчески решать актуальные научно-технические проблемы молодому специалисту нужно научиться глубоко осмысливать все эти сложные взаимосвязи научно-технического прогресса.

При этом нельзя забывать о невиданных темпах общественного развития, быстрой смене техники и технологии, сокращении пути от момента совершения открытия до его внедрения в производство. Так, например, для практической реализации принципа телефонной связи потребовалось более 25 лет (1850-1876), для радио почти 20 лет (1875-1895), для транзистора – 5 лет (1948-1953), а для интегральных схем всего 3 года (1958-1961), не говоря уже о самых последних открытиях в области микроэлектроники и информатики.

И если сравнительно не так давно время изменения технических средств превышало длительность жизни человека, и специалист учился своей профессии один раз на всю жизнь, то сегодня ему приходится переучиваться, и не один раз! Но этому еще надо научиться! При этом необходимо выработать систему навыков и стремление к постоянному самообразованию, творческому овладению новейшими достижениями науки и техники.

Изучение истории выдающихся открытий и изобретений, а также жизненного пути корифеев науки и техники убедительно показывает достойные примеры для подражания. Если, в частности, говорить о титанах электротехники, таких, как Фарадей, Генри, Ом, Эдисон, то они с юных лет проявили удивительное стремление к самообразованию и овладению знаниями, настойчивость и целеустремленность в достижении цели.

Многие из выдающихся ученых уже в юные годы поражали своими знаниями и способностями. Тринадцатилетний Ампер направил в Лионскую академию наук несколько мемуаров, в одном из которых высказал серьезные замечания по поводу одного из трудов всемирно известного математика Л. Эйлера. Девятнадцатилетний студент Высшей технической школы Никола Тесла высказал профессору свою идею о возможности создания электродвигателя переменного тока, и профессор перед всем курсом заявил, что «Тесла, несомненно, совершит великие дела, но осуществить высказанную им идею ему никогда не удастся». Как глубоко ошибался профессор!

Когда спрашивали одного из крупнейших английских физиков Д.Г. Стокса, почему он любит задавать студентам вопросы, на которые не мог ответить сам, он отвечал, что верит в то, что среди молодых людей, сидящих в аудитории, может найтись такой, который ответит на поставленный вопрос. И таким студентом оказался впоследствии известный ученый Д.К. Максвелл, который в 14 лет написал первую научную статью, а в 22 года уже начал «браконьерствовать» в области электричества, получив напутствие великого У. Томсона (Кельвина). А сам Томсон в 10-летнем возрасте стал студентом университета в Глазго, а в 22 – профессором этого университета. Создателем первого генератора с кольцевым якорем был 19-летний студент (позднее профессор Пизанского университета) А. Пачинотти.

Подобные примеры можно было бы продолжить.

Автор, конечно, неслучайно рассказывает об изобретениях и открытиях в области электротехники, именно им посвящена настоящая книга.

Электротехника – одна из магистральных направлений или отраслей современной науки и техники. Как известно, решающая роль в развитии научно-технического прогресса принадлежит электрификации – широкому внедрению электрической энергии в народное хозяйство и быт, и сегодня нет такой области техники, где в том или ином виде не использовалась бы электрическая энергия. Она может передаваться на огромнейшие расстояния с большим КПД, легко трансформироваться и превращаться в другие виды энергии – тепловую, механическую, химическую и др. В наши дни знание основ электротехники необходимо любому инженеру – будь он металлург или строитель, теплоэнергетик или создатель автоматических устройств.

Основные закономерности развития науки и техники

Успешная творческая деятельность инженера невозможна без знания основных закономерностей развития техники, которые можно убедительно показать на примерах электротехники.

Прежде всего, как уже отмечалось, развитие техники происходит все более убыстренно на основе знаний и опыта, приобретенных предшествующими поколениями.

Далее – качественный уровень техники определяется степенью познания законов природы. Поэтому электрический двигатель или трансформатор, изготовленные на российском или американском заводах, в принципе не отличаются друг от друга. Однако на темпы и направления развития техники заметное влияние оказывают общественно-экономические структуры.

Одной из важнейших закономерностей развития техники является историческая обусловленность важнейших открытий и изобретений, они, как правило, возможны только тогда, когда создаются объективные предпосылки, потребность общества в том или ином техническом объекте с одной стороны, и возможность его создания, определяемая достижениями науки и техники. Именно поэтому, как убедится читатель, в последующих главах будет показано, как крупнейшие открытия и изобретения делались почти одновременно многими изобретателями и учеными в разных странах и независимо друг от друга.

Отсюда следует одна из важнейших закономерностей развития науки и техники – интернациональный характер выдающихся открытий и изобретений.

Роль личности в развитии науки и техники

Если все важнейшие открытия и изобретения вызваны объективной необходимостью, то успешная деятельность выдающейся личности определяется тем, насколько она овладела достижениями современной науки и техники, насколько она умеет видеть ростки нового и правильно оценивать старое. Но для этого, как уже отмечалось, необходимо знать историю важнейших открытий и изобретений. Только на конкретных примерах зарождения, развития и совершенствования каких- либо технических устройств можно познать диалектику научно-технического прогресса.

Можно встретить утверждения молодых инженеров или научных работников о том, нужно ли ему знать историю электротехники, если современную электротехнику он знает достаточно хорошо?

А автору хотелось бы задать встречный вопрос: можно ли представить хорошего музыканта, не знающего истории музыки, или художника (тоже, конечно, хорошего), не знающего истории живописи? Наверное, читатель согласится, что такого музыканта или художника представить трудно. А вот инженера или аспиранта, не знающего истории своей специальности, представить можно. Поверьте – это глубокое заблуждение.

Но важно понимать, что история электротехники есть только часть всеобщей истории цивилизации, которая впитала в себя весь накопленный человечеством опыт. Изучая историю, современный специалист – в какой бы области он не работал – неизбежно возвращается в минувшие столетия, мысленно встречается с выдающимися людьми, жившими ранее. «Мы можем, – как писалось в одной из монографий [Л. 1.3], – приобрести их опыт и мудрость, на что самостоятельно потребовались бы столетия. Время и пространство как бы расширяются».

Творческой личности нужно знать, что хотя большинство открытий и изобретений было обусловлено требованиями развивающегося производства, история науки и техники сохранила имена гениальных ученых и инженеров, которые своими идеями и изобретениями на все века опередили свое время. Достаточно вспомнить гениального Леонардо да Винчи (1452- 1519). Он мечтал, чтобы человек летал подобно птице. Сохранились его рисунки полета птиц, за которыми он мог наблюдать часами (рис. 1.1). И он создал летательный аппарат с машущими крыльями, приводимый в движение ногами и руками человека. Для его времени это было фантастическим изобретением.

Также поразительными были попытки Николы Теслы создать «летающий аппарат, управляемый по радио… на расстоянии тысячи миль» (1900). Управляемые по радио корабли им уже были созданы. Но Тесла мечтал создать «автомат, обладавший каким-либо элементом, аналогичным человеческому мозгу», который бы осуществлял действие, как будто «имел знания, рассудок, суждения и опыт». Он даже демонстрировал свой аппарат в лаборатории, который «…вызвал сенсационные отклики. Но истинное значение этой новой техники было не понято большинством и не оценено громадное значение его основного принципа». Это было поистине фантастическое изобретение, и понадобилось целое столетие, чтобы появились самонастраивающиеся, самообучающиеся быстродействующие интегральные логические микросхемы, электронные автоматы с памятью, микропроцессоры, осуществляющие мгновенную обработку и передачу информации. Уже созданы суперкомпьютеры, способные выполнять до шести триллионов(!) операций в секунду.

Рис. 1.1. Полеты птиц. Рисунок Леонардо да Винчи

История науки и техники сохранила немало гениальных идей, высказанных выдающимися деятелями разных стран, намного опередивших свое время и нереализованных до сих пор.

Например, в 1893 г. Тесла, выступая во Франклиновском институте в Филадельфии заявил, что он рассматривает проект передачи «электрической энергии на любые расстояния вовсе без помощи проводов… мое убеждение… так прочно, что я рассматриваю этот проект… уже не просто как теоретическую возможность, а как серьезную проблему электротехники, которая должна быть решена со дня на день». Но прожив долгую жизнь (Тесла умер в 1943 г.), он сам стал свидетелем несбыточности своей мечты. Да и в наши дни, несмотря на грандиозные успехи науки и техники, передача больших потоков электроэнергии без проводов пока еще не осуществлена. Как будет показано далее, многие отрасли современной электротехники выросли и развились из его работ, но неосуществленные идеи этого гениального ученого и инженера «продолжают волновать исследователей, звать их к новым поискам», – как писал известный электротехник и популяризатор науки Г.И. Бабат. Автор убежден, что молодые ученые и инженеры-электротехники могут стать пионерами в этих «новых поисках», но они должны знать и думать над тем, что предсказывал Тесла.

Хотелось бы высказать замечание о роли книг в процессе овладения знаниями. В современных условиях распространенности компьютеров и Интернета книги стали более доступны. Но на наш взгляд, книги содержат гигантский кладезь знаний, накопленный веками. И хороший специалист должен накапливать и хранить фундаментальные знания в собственной голове. И как говорил английский философ Ф. Бэкон: «Знания – сила. Мы можем столько, сколько знаем»!

Роль случайности в процессе открытий и изобретений

Способный ученый иди инженер-новатор отличаются еще и тем, что они умеют увидеть и осуществить то, что не по силам другому. Нередко в литературе можно встретить утверждение о случайном открытии или изобретении. Философы указывают, что случайность – это форма проявления необходимости.

Случайных открытий, как правило, не бывает: совершивший его человек, подготовлен к нему многолетней, упорной творческой деятельностью. Как писал знаменитый французский ученый Б. Паскаль: «Случайные открытия совершают только подготовленные умы».

По поводу изобретения англичанином Дж. Уаттом паровой машины существует несколько легенд. По одной из них идея машины возникла у него, когда он увидел сильно подпрыгивающую крышку кипящего чайника.

В связи с этим много лет назад были написаны несколько строк:

Когда, нахмурив лба морщины,

Кипящий чайник увидал Уатт,

Прообраз паровой машины

Он разглядел в нем, говорят.

Я много лет смотрю на чайник,

Я инженер и эрудит,

Но никаких необычайных

Во мне он мыслей не родит!

Можно встретить утверждения о «случайном» открытии М. Фарадеем явления электромагнитной индукции, или принципа двухфазного двигателя Н. Теслой, или звонкового реле в радиоприемнике А. С. Попова, или, наконец, создании электрической «свечи» П.Н. Яблочковым. В последующих главах читатель узнает подробно, как были сделаны эти открытия, сколько лет, бессонных ночей и тысяч экспериментов было затрачено выдающимися деятелями науки и техники.

У А.С. Пушкина есть удивительные поэтические строки, посвященные «чудным» открытиям:

О, сколько нам открытий чудных

Готовят просвещенья дух,

И опыт, сын ошибок трудных,

И гений, парадоксов друг,

И случай, бог изобретатель!

Поразительно, насколько всесторонне и образно сумел великий поэт (не «технарь»!) раскрыть процесс творчества! Эти строки были написаны, когда поэту едва исполнилось 29 лет.

Известно, что созданию разнообразных электрических машин, приборов и устройств предшествовали многочисленные теоретические изыскания и эксперименты, осуществленные выдающимися учеными разных стран. Очень полезной и интересной для молодых специалистов является книга видного ученого в области теории информации и радиосистем, а также истории электросвязи академика Международной академии информации М.А. Быховского «Круги памяти». (Серия изданий «История электросвязи и радиотехники». М.: МЦНТУ, 2001. Вып. 1.)

Рассказывая о значении знаменитых уравнений электромагнитного поля гениального английского физика Д.К. Максвелла (1831-1878), М.А. Быховский подчеркивает, что теория Максвелла, намного опередившая свое время, «не встретила при его жизни понимания и признания ни на его родине, в Англии, ни на континенте». Вместе с тем «немного можно назвать таких теоретических работ, которые оказали столь глубокое влияние на развитие многих направлений науки и техники и в итоге привели к изменению образа жизни уже нескольких поколений людей на Земле, как работы Д.К. Максвелла». Например, достаточно вспомнить, что эти уравнения привели Г. Герца к открытию радиоволн, а Н. Теслу, А. С. Попова и Г. Маркони к изобретению радио. «На этих уравнениях основывается современная радиотехника и радиоэлектроника с их многочисленными приложениями».

Профессор М.А. Быховский очень интересно, поучительно и в увлекательной форме рассказывает о выдающихся ученых и инженерах, сделавших немеркнущий вклад в развитие радиотехники, радиоэлектроники и электросвязи. На конкретных примерах их жизни и творчества он раскрывает закономерности развития науки и техники, и интернациональный характер важнейших открытий и изобретений, и роль личности в процессе раскрытия тайн природы. И хотя об этом уже рассказывалось в начале главы, хотелось бы привести несколько ярких и образных положений, изложенных в книге «Круги памяти».

М.А. Быховский подчеркивает, что «Познание человечеством Истины… приходит через конкретные личности, через ученых, наделенных творческим созидательным даром… Истина получает самостоятельную жизнь, оказывая влияние на ход материально реальной жизни…» и формирует духовный и интеллектуальный облик человечества. Большой ученый, обладающий от рождения талантом и даром интуиции, способен «…увидеть и понять то, что скрыто от его современников. Разумеется, в этих поисках он опирается на те идеи, на тот духовный багаж, которые накоплены человечеством». Новые теории дают направление научной мысли, в этом направлении начинают работать многие ученые и инженеры, «развивая эту теорию и применяя ее к актуальным практическим задачам».

Молодому специалисту следует знать и о том, что, как пишет М.А. Быховский, «…далеко не всегда стимулом к творчеству являются запросы практики. Весьма часто это внутренние стимулы, присущие творческой личности, которая по своей природе стремится к неизведанному. Только так можно объяснить появление идей и изобретений, на десятилетия опережающих запросы практики».

Очень образно это выражено в стихах мудрого всемирно известного дагестанского поэта Расула Гамзатова:

Мы все б тусклей гораздо жили

Или не жили бы давно,

Когда б на миг предположили,

Что все уже совершено.

Что за далекими горами

Не блещет новая гора,…

Что завтра повторим мы с вами

Лишь то, что сказано вчера.

Книга М.А. Быховского содержит более 200 страниц, и молодой читатель, несомненно, найдет в ней многое ему еще неизвестное в истории развития одной из важнейших областей современной науки и техники.

В заключение главы хотелось бы еще раз подчеркнуть, что «добывание» знаний и опыта – это гигантский труд. Многие ученые и инженеры, занимающиеся экспериментами, утверждают: безрезультатных опытов не бывает. Если 999 экспериментов из 1000 ничего не дали, то последний может оказаться тем, о котором вы мечтали. В науке один шанс из тысячи котируется выше, чем где бы то ни было, иначе сколько бы великих открытий, безумных с точки зрения так называемого «здравого смысла», до сих пор принадлежали бы неизвестности.

Жизнь и творчество многих талантливых ученых и инженеров схожа с восхождением на горную вершину, и у каждого свои вершины. Есть счастливцы, которые всю жизнь успешно штурмуют одну вершину за другой. Это богато одаренные от природы люди, обладатели могучего и неуемного таланта, не знающие старости.

Вот и молодой специалист, стремящийся к овладению знаниями, опираясь на труды выдающихся ученых и инженеров, подобно альпинисту, поднимается на свою вершину, с которой открываются горизонты неизведанного.

Это неизведанное иногда кажется неправдоподобным. Но, как писал известный австрийский писатель XX в. Стефан Цвейг в своем знаменитом «Письме незнакомки», – «Нет ничего прекрасней правды, кажущейся неправдоподобной»!

ГЛАВА 2 Мифы и факты об электричестве и магнетизме

Введение

Откуда произошли термины «электричество» и «магнетизм»?

Как в Древнем Риме лечили больных с помощью «электрических рыб»?

Как в Китае был создан первый в мире компас?

Как «магнитные ворота» защищали вход во владения китайских властелинов от лиц, скрывавших под одеждой металлическое оружие?

Как английский ученый В. Гильберт доказал магнетизм земли?

Как была создана первая электростатическая машина и как «электрические махины» использовались в медицине?

Обо всем этом мы узнаем из древних летописей и легенд и первых научных трудов по электричеству и магнетизму.

С древних времен человек, наблюдая окружающий мир и явления природы, делал различные открытия и изобретения, многие из которых навечно обогатили человечество. Как писал один из ученых, «из одного открытия вырастал стебелек, из другого – могучее дерево познания». Одним из основополагающих открытий, давших гигантские всходы, были открытия электрических и магнитных явлений.

Один из древних мудрецов Фалес (640-550 до н.э.) впервые описал свойство натертого янтаря притягивать легкие тела – соломинки, кусочки тканей и др. Эти наблюдения делали многие жители Земли, широко использовавшие для украшения блестящие и красивые изделия из янтаря. Греки называли янтарь «электрон» (elektro) – от этого спустя много веков произошло слово «электричество».

Древние народы, жившие на побережье Средиземного моря и в бассейне Нила, наблюдали действия и способности некоторых рыб, например, скатов, угрей и сомов производить парализующее воздействие при соприкосновении с человеком. Греки называли этих рыб «наркэ», что означало «парализующий».

Такие рыбы, как теперь достоверно известно, обладали электрическими органами, при этом напряжение превышало 200 В. И уже в первом веке нашей эры римские врачи использовали «удары» электрических рыб для лечения головных болей, подагры и других болезней. Конечно, врачи ничего не знали об электрических силах и объясняли воздействия рыб особым ядом.

В течение многих тысяч лет древние народы в паническом ужасе наблюдали грозные раскаты грома и яркие вспышки молний, но ни одному из мудрецов тех времен не могла прийти мысль о том, что притяжения натертого янтаря, удары «электрических» рыб и явления грозы в атмосфере имеют одну и ту же природу.

На основании изучения многих источников можно утверждать, что до 1600 г. заметных открытий в области электрических явлений сделано не было.

Что же касается магнитных явлений, то таинственные способности кусочков природного магнитного железняка притягивать легкие железные предметы упоминаются в старинных легендах и письменах, обнаруженных по всему миру – в Азии, Индии, Китае, Центральной Америке, Греции и Риме.

Слово «магнит» объясняется древними естествоиспытателями по-разному. Так известный римский ученый и писатель Плиний (23-79 гг. н. э.) в своей 37-томной «Естественной истории» описывает легенду о пастухе Магнесе, обнаружившем, что железные гвозди его сандалий и железный наконечник посоха притягивались большими черными камнями, разбросанными у подножий горы на острове Крит. Эти камни будто бы в честь Магнеса назвали «магнитами», а само явление притяжения – «магнетизмом».

Но древнегреческий философ Платон (427-347 гг. до н.э.) утверждал, что слово «магнит» происходит от названия древнегреческой провинции Магнезии, жителей которой называли «магнетами», а камни из Магнезии – «магнитами».

Мы узнаем интересные факты практического использования магнита. Древние индийцы еще во втором тысячелетии использовали магнит для извлечения железных наконечников стрел из тел раненых воинов. А в некоторых китайских летописях рассказывается о волшебных воротах из магнитного железняка, установленных близ дворцов императоров, сквозь которые не мог пройти человек, спрятавший под одеждой металлическое оружие (не напоминают ли эти ворота о современных металлоискателях, которые применяют при входе людей в некоторые здания и на массовые мероприятия?).

В одном из музеев Китая хранится компас, относящийся ко второму тысячелетию до н.э. (рис. 2.1). Известно также, что китайцы изготовляли так называемые «югоуказатели», изображавшие фигурку человека, обращенного лицом на юг, и прикрепленному к могущему вращаться магниту (так как большинство торговых путей и военных походов устремлялись из центральных районов Китая к южным морям).

Европейцы в XI в. заимствовали компас у китайцев через арабов, но капитаны-католики пользовались компасом тайно, опасаясь попасть на костер инквизиции, представители которой видели в компасе «дьявольский инструмент, созданный колдунами».

Древние ученые объясняли свойства магнита божественным происхождением, а уже упоминавшийся Фалес, а также Аристотель считали, что магнит обладает «душой», которая притягивала к нему железо.

Римский поэт Лукреций (99-55 гг. до н.э.) в своей знаменитой поэме «О природе вещей», написанной более двух тысяч лет назад, писал, что из магнита должны «семена выделяться» или же «ток истекать», раздвигающие воздух между камнем и железом, и в образовавшиеся «пустые пространства» туда «стремглав понесутся железа». Несмотря на очевидную примитивность представлений Лукреция, «материальные истечения», заполняющие пространство вокруг магнита, напоминают современные понятия магнитных силовых линий и магнитного поля.

Рис. 2.1. Китайский компас

Благодаря исследованиям ряда европейских естествоиспытателей уже в XI-XIII вв. было установлено существование у магнита разноименных полюсов и их взаимодействия, а также распространение магнитного действия через различные тела (бумагу, дерево и др.). Итальянец Д.Б. Порта и француз П. Перегрин описали способы изготовления магнитных стрелок, а П. Перегрин впервые снабдил компас градуированной шкалой (около 1270 г.)

В течение многих веков магнитные, тепловые и электрические явления объясняли действием особой жидкости, и только в 20-х гг. XIX в. выдающийся французский физик А.М. Ампер впервые доказал электрическую природу магнетизма.

Заметный удар по мистицизму, вымыслам и предрассудкам был нанесен зарождением и быстрым развитием экспериментального метода научных исследований, обусловленного бурным развитием торговли и ремесел. Одним из основоположников этого метода был Леонардо да Винчи. Это ему принадлежит завещание, обнаруженное в его записной книжке: «Не слушай учения тех мыслителей, доводы которых не подтверждены опытом», ибо «Мудрость – дочь опыта».

Первый фундаментальный научный труд о магнетизме принадлежал видному английскому ученому лейб-медику Королевы Вильяму Гильберту (1554-1603) – «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле» (1600 г.). Гильберт произвел более 600 «искусных» опытов, открывших ему тайны «скрытых причин различных явлений».

В отличие от многих своих предшественников Гильберт считал, что причиной действия на магнитную стрелку является магнетизм Земли, которая представляет собой «большой магнит». Это он доказал с помощью оригинального эксперимента: изготовил из магнитного железняка небольшой шар – «маленькую землю», назвав ее «тереллой» и показал, что магнитная стрелка в разных местах поверхности «тереллы» занимает положения, аналогичные тем, которые она принимает в поле земного магнетизма (рис. 2.2). Вот пример выдающегося открытия, которое с помощью эксперимента делают великие ученые.

Гильберт исследовал также электрические явления и установил, что при натирании электрическими свойствами обладают не только уже упоминавшийся янтарь, но и другие тела – сера, смола, горный хрусталь. Эти тела он назвал «электрическими» в соответствии с названием янтаря – «электрон».

Ученый правильно установил, что «степень электрической силы» бывает различна, что влага снижает интенсивность электризации тел при из натирании. Однако Гильберт ошибочно утверждал, что магнитные и электрические явления имеют разную природу: «электрическая сила» возникает только от трения некоторых тел, тогда как магнит постоянно действует на железо. Заметим, что это утверждение продержалось в науке более 200 лет.

Рис. 2.2. «Терелла» В. Гильберта

Давно уже установлено, что пути к познанию новых фактов далеко не просты. Так, например, Гильберт пытался наэлектризовать трением металлы, не изолируя их. Ошибку Гильберта установил спустя два столетия выдающийся русский физик В. В. Петров.

Фундаментальный труд Гильберта в течение XVII в. выдержал несколько изданий и был настольной книгой многих естествоиспытателей Европы и сыграл важную роль в развитии учения об электричестве и магнетизме.

Создание электростатической машины

Наиболее прогрессивные естествоиспытатели, изучив книгу Гильберта, попытались создать специальное устройство для натирания указанных в книге тел, чтобы получить ббльший эффект проявления «электрических сил». Первым, кому удалось создать такую «машину», был известный изобретатель воздушного насоса Магдебургский бургомистр Отто фон Герике (1602-1686). В 1650 г. он изготовил шар из серы «величиной с детскую голову», насадил его на железную ось, укрепленную на деревянном штативе (рис. 2.3). С помощью рукоятки шар мог вращаться и электризовался от ладоней рук или куска сукна, прижимаемого к шару рукою.

Рис. 2.3. Электростатическая машина Герике (рисунок из сочинений Герике, 1672 г.)

Герике установил, что легкие пушинки вначале притягиваются к шару, а затем отталкиваются от него, кроме того, он заметил слабое свечение шара в темноте. Эти опыты впервые были описаны в книге в 1672 г., но объяснения наблюдаемых явлений ни Герике, ни его современники долгое время дать не могли.

И еще одно загадочное явление – электрическая искра – впервые наблюдалась в 1672 г. известным немецким ученым Г.В. Лейбницем, производившем опыты с машиной Герике.

Постепенно естествоиспытатели усовершенствуют электростатическую машину. Уже в первой половине XVIII в. серный шар заменяют стеклянным (стекло более интенсивно электризовалось), но так как шары или цилиндры было сложнее изготовлять, а при нагревании они нередко взрывались, то их заменили стеклянными дисками, натиравшимися кожаными подушечками, прижимавшимися к дискам пружинками. Для усиления электризации подушечки позднее стали покрывать амальгамой.

В 1744 г. машина была дополнена важным элементом – кондуктором – металлической трубкой, вначале подвешиваемой на шелковых нитях, а позднее устанавливавшейся на изолирующих опорах. «Кондуктор» служил резервуаром для сбора электрических зарядов, возникавших при натирании стеклянных дисков. К 60-70 гг. XVIII в. электростатическая машина приобрела современные черты (рис. 2.4).

Некоторые изобретатели, стремясь получить наибольший эффект, строили машины огромных размеров: в Англии в 1849 г. была создана машина с диаметром диска 2 м 27 см, вращение которого осуществлялось паровой машиной. В Парижском музее хранится машина с диаметром диска 1 м 85 см.

Особый интерес к электростатическим машинам был вызван возможностью использования их для медицинских целей (конец XVIII – начало XIX в.).

Рис. 2.4. Электростатическая машина со стеклянным диском Рамздена, 1768 г.

Одним из пионеров в области электромедицины был известный ученый-энциклопедист Андрей Тимофеевич Болотов (1738-1833). В его книге (рис. 2.5) «Краткие и на опытности основанные замечания о электрицизме и о способности елект- рических махин к помоганию от разных болезней» (СПб, 1803) подробно описана созданная им электростатическая машина (рис. 2.6) и разнообразные оригинальные машины и инструменты – «простые и надежные», в том числе «комнатные» и «дорожные» с диаметром стеклянного шара 20 см. Эти машины были предназначены для лечения в «трудно доступных» частях человеческого тела, в частности, «ушных», «ртяных» и других болезней. Характерно, что Болотов предлагает лечить «простой народ», страдающий от болезней, но не имеющий возможность самостоятельно избавиться от заболеваний. Его «махина» использовалась, – как он писал, – «…не требуя починки более десяти тысяч раз»… и «… успех от сих действований так вожделен и удачен, что в течение двух лет… в состоянии была помочь более 1500 человекам не только от разных легких… болезней, но много раз от самых тяжких, долговременных и запущенных… даже самых редких… и таких болезней, которые всем другим употребляемым до того лекарствам и даже врачеванию искусных медиков противоборствовали».

Рис. 2.5. Титульный лист книги А. Болотова

Удивительно яркая и убедительная пропаганда, выражаясь современным языком, новейших методов лечения, которыми в наше время наполнены рекламы медицинских фирм.

Заслуживает внимания стремление упростить конструкцию машины и инструментов с тем, чтобы изготовление их было «… сопряжено с меньшими хлопотами и издержками», что позволяло бы их изготавливать «… при помощи столяра, кузнеца и слесаря» и иметь «по примеру моему у себя дома».

Андрей Тимофеевич Болотов предстает перед нами и как ученый-патриот, стремившийся распространять и пропагандировать новейшие достижения науки и использовать их в интересах народа.

Опыты с электростатическими машинами и успехи в области естествознания привели к открытию новых явлений. Особенно следует отметить труды члена Лондонского королевского общества С. Грея (1670-1736) и члена Парижской академии наук Ш.Ф. Дюфе (1698-1739). Грею в 1729 г. удалось установить, что тела можно подразделить на две группы: проводники (например, проволоки, металлические нити) и непроводники (шелковые нити, стеклянные подставки), а «электрическая способность стеклянной трубки притягивать легкие тела, может быть передана другим телам».

Рис. 2.6. Электростатическая машина А. Болотова

Дюфе впервые обнаружил (1733-1738) два рода электричества – «стеклянное» и «смоляное» – и установил, что разноименные заряды притягиваются, а одноименные – отталкиваются. Им был создан прототип электроскопа в виде двух подвешенных нитей, расходящихся при их электризации – этот прибор получил широчайшее практическое применение. Особенно важно было его утверждение «быстроты передачи электричества» по проводникам. На основе экспериментов и наблюдений делаются первые попытки разработки теории электрических явлений и познания особенностей атмосферного электричества.

ГЛАВА 3 Изобретение конденсатора и создание первого электрохимического источника тока – важнейшие страницы в летописи электричества

Создание лейденской банки

Этот зимний день 1745 г. запомнился голландскому профессору из г. Лейдена Питеру Мюсхенбруку (1692-1761) на всю жизнь. Он оказался среди многих физиков, занимавшихся опытами с электростатической машиной. Важно было «накопить» получаемые от нее заряды. Зная, что стекло не проводит электричество, Мюсхенбрук наполнил стеклянную банку водой и опустил в нее конец медной проволоки, соединенной с кондуктором машины. Он правильно предположил, что заряды начнут накапливаться в банке.

Взяв стеклянную банку в правую руку, он попросил своего помощника вращать шар машины, и когда, по его мнению, в банке накопилось достаточное количество зарядов, Мюсхенбрук решил левой рукой отсоединить проволоку от кондуктора (рис. 3.1). Сам того не подозревая, он «пропустил» через себя накопленные заряды – ведь его руки стали внутренней и наружной обкладками банки. Естественно, профессор получил сильный удар, и ему показалось, что «пришел конец». В письме своему коллеге Реомюру в Париж в январе 1746 г. он писал, что этот «… новый и страшный опыт советую самим никак не повторять» и что он даже «ради Короны Франции» не согласится подвергнуться «столь ужасному сотрясению». Эффект электрического разряда был усилен еще и неожиданностью, с которой произошел.

Рис. 3.1. Опыт Мюс- хенбрука (со старинной гравюры)

Так была изобретена лейденская банка (по имени г. Лейдена), представлявшая собой простейший конденсатор, который после ряда усовершенствований стал одним из важнейших электротехнических устройств.

Письмо Мюсхенбрука произвело подлинную сенсацию, его опыт стали повторять не только физики, но и многие любители, интересующиеся новыми открытиями. Как это часто бывает, в том же 1745 г. независимо от Мюсхенбрука подобная банка была создана немецким физиком Э. Клейстом. В печати изобретение «банки» «приветствовалось, как великое открытие».

Особую известность приобрел опыт с лейденской банкой, осуществленный «мастером экспериментов» французским физиком аббатом Ж. Нолле в Версале в присутствии короля.

Нолле выстроил цепь из 180 гвардейцев, взявшихся за руки, причем «первый держал в свободной руке лейденскую банку, а последний, прикоснулся к проволоке, извлекая искру… Удар почувствовался всеми в один момент, было курьезно видеть разнообразие жестов и слышать мгновенный вскрик, исторгаемый неожиданностью у большей части почувствовавших удар». Далеко не всем известно, что от этой цепи солдат произошел термин «электрическая цепь». Опыты с лейденской банкой стали повторять физики в разных странах, особенно в Англии, что даже поразило Мюсхенбрука. В своем письме хранителю Физического кабинета в Royal Society В. Уатсону он писал: «Своими великолепнейшими опытами ты поразил всех!» Уатсон первый попытался определить скорость распространения электричества, «заставив» его «пробежать» расстояние в 12 000 футов.

Рис. 3.2. Лейденская банка

В течение последующих десятилетий конструкция лейденской банки усовершенствовалась: вначале воду заменили дробью, а наружная поверхность обкладывалась тонкими свинцовыми пластинами, затем внутреннюю и наружную поверхности стали покрывать листами (оловянной фольгой), и банка приобрела современный вид (рис. 3.2). Исследования физиков привели к выводу о том, что количество электричества, накапливаемого в банке, пропорционально размеру обкладок и обратно пропорционально толщине изоляционного слоя.

В 1782 г. французский ботаник Адансон, посетив Сенегал, впервые сравнил удар электрического угря с ударом лейденской банки.

Петербургский академик Ф.У. Т. Эпинус (1724-1802) впервые отверг утверждение известного американского физика Б. Франклина об особой роли стекла в лейденской банке и впервые создал простейший «воздушный» конденсатор, состоявший из двух металлических пластин, разделенных воздушной прослойкой.

а)

б)

Рис. 3.3. Электроскоп с конденсатором:

а – внешний вид приборов; б – схема конденсаторного электроскопа; 1 – цинковая пластина; 2 – пластины конденсатора; 3 – электрометр

В 1747 г. Б. Франклин сформулировал первую теорию лейденской банки, указав, почему обе обкладки банки «заряжены противоположным электричеством». Выдающийся итальянский физик А. Вольта в 1782 г. соединил конденсатор с электроскопом (рис. 3.3) и показал, что, увеличивая расстояние между пластинами конденсатора, можно уменьшить его емкость (он впервые вводит этот термин), при этом увеличивается напряжение между пластинами, а это вызывает большее расхождение «листочков» электроскопа. Иными словами, он добился повышения точности измерения.

Прошло более двухсот лет, но конденсатор до сих пор остается одним из важнейших элементов современных электротехнических и радиоэлектронных схем.

Изобретение первого электрохимического источника тока – «вольтова столба»

Алессандро Вольта был уже профессором физики в старей- шем университете в г. Павии и ему принадлежало несколько открытий и изобретений (например, электрофор), когда летом 1791 г. он узнал об удивительном открытии итальянского анатома Л. Гальвани (1737-1798), описанном им в трактате «О силах электричества при мышечном движении».

Вот как описывает Гальвани свое открытие. Он препарировал лягушку, лежавшую на столе недалеко от электростатической машины. И когда его помощник случайно коснулся концом скальпеля спинного нерва лягушки, а от кондуктора машины извлеклась искра, «мускулы лапки содрогнулись как бы от конвульсии». Желая проверить влияние на лягушку атмосферного электричества, он зацепил медным крючком за спинной нерв лапку лягушки и подвесил ее на железную решетку забора его сада. Иногда лапка содрогалась независимо от состояния атмосферы. И когда он «утомленный напрасным ожиданием», прижал медный крючок к железным перилам, то мускулы заметно содрогнулись. Чтобы исключить влияние атмосферного электричества, Гальвани перенес лягушку в комнату и положил на «железную дощечку». Когда он прижал к дощечке медный крючок, «спазматические содрогания были налицо». Затем он стал использовать для опыта разные металлы и убедился, что сила содроганий изменяется. Но если металлы заменялись телами, не проводящими электричество (например, стекло, смолу, резину, дерево), «явлений не было».

В заключение Гальвани утверждал, что, по-видимому, «электричество находится внутри животного», и оно подобно «тонкой нервной жидкости», переходящей от нервов к мускулам, вызывает «содрогание» (это напоминает разряд лейденской банки). «Существует особый вид электричества, присущий организму животных» – утверждал Гальвани («животное электричество »).

Трактат Гальвани произвел сенсацию не только среди физиков, но и врачей и широкой публики. Если нервы и мускулы мертвой лягушки «оживают от действия разряда», то, по мнению физиологов, «жизненные проявления после смерти… приближают нас к разгадке тайны жизни» и возможного «средства исцеления».

Среди физиков начались горячие споры за и против животного электричества. Наиболее авторитетное заключение сделал А. Вольта, повторив опыты Гальвани. Лапки лягушки, утверждал Вольта, есть «чувствительный электрометр», а электричество возбуждается от «соприкосновения двух разнородных металлов».

В 1792-1795 гг. Вольта экспериментально – с помощью созданного им чувствительного электроскопа – доказал, что «два соприкасающихся металла взаимно электризуются».

В результате уникальных экспериментов Вольта установил закон контактных напряжений и, измерив контактную разность потенциалов, составил известный «ряд Вольта», где металлы располагались в следующей последовательности: цинк, свинец, железо, медь, платина, золото, серебро, ртуть. Каждый из них при соприкосновении с любым из последующих, получает положительный, а последующий – отрицательный заряд, например, железо (+)/медь (-), цинк (+)/серебро (-). Силу, возникающую между двумя металлами, Вольта назвал электровозбудительной или электродвижущей. Эта сила, «перемещает» электричество так, что получается разность напряжений между металлами, и эта разность напряжений будет тем больше, чем дальше в ряду расположены друг от друга металлы.

Но попытки Вольты получить непрерывный электрический ток (или флюид, как он вначале его называл) за счет простого контакта двух разнородных металлов оказались безуспешными. Как мы теперь понимаем, он предполагал получить электрическую энергию без затраты другого вида энергии.

Дальнейшие опыты показали, что для того, чтобы действия каждой пары металлов суммировались, их нужно разделить каким-либо проводящим материалом, который бы не препятствовал прохождению «флюида» (т.е. тока). Он считал, что существует два рода проводников – металлы и жидкости.

Экспериментальным путем он пришел к своей конструкции «столба»: если, например, составить «столб» из двух-трех пар цинковых и серебряных пластинок, то каждая серебряная пластинка будет соприкасаться с двумя одинаковыми цинковыми пластинками, и их общее действие будет иметь электричество разных знаков. Но если каждую пару цинк-серебро разделить суконным кружком, смоченным водой или (лучше) кислотой, то действие отдельных пар будет суммироваться.

Возникающее между крайними металлическими пластинками «столба» напряжение оказывается пропорциональным количеству примененных пар (рис. 3.4). Так был создан в 1799 г. знаменитый «вольтов столб» (это название впервые употребили французы, а Вольта вначале называл его «искусственным электрическим органом»). В 1800 г. Вольта сообщил о своем открытии президенту Лондонского королевского общества и приложил рисунок «столба».

В письме Вольта подробно описывал устройство и действие «столба», который «… создает неуничтожаемый заряд и дает непрерывный импульс электрическому флюиду». Им был также создан еще один вид своего прибора «чашечная» батарея (рис. 3.5): в банки с разбавленной серной кислотой погружались справа цинковые, а слева серебряные пластинки. Разнородные пластинки соседних банок соединялись «проводящей дугой».

а)

б)

Рис. 3.4. Вольтов столб:

а – внешний вид приборов; б – схематическое изображение наиболее распространенного вида «вольтова столба»

Однако Вольта не сознавал, а может быть не мог видеть, что электрический ток возникает в результате химических процессов между металлами и жидкостью, и практически пришел к созданию первого электрохимического генератора, действие которого основывалось на превращении химической энергии в электрическую. И даже описывая свою «чашечную» батарею, где более очевидно происходила химическая реакция между кислотой и металлами, он упорно объяснял действие контакта двух разнородных металлов с помощью «проводящей дуги». Заметим, кстати, что «чашечная» батарея внешне напоминала разнообразные гальванические (электрохимические) элементы, появившиеся в 20-30-х гг. XIX в. и служившие источниками электрической энергии в течение последующих почти 50 лет, пока не был построен экономичный электромашинный генератор.

Изобретение «вольтова столба» вызвало небывалый интерес к электрическим явлениям и привело к важнейшим открытиям тепловых, химических, магнитных, световых действий электрического тока, положившим начало многим современным направлениям электротехники.

Рис. 3.5. Чашечная батарея Вольты

Имя Вольты было окружено почетом и славой. Во Франции в его честь чеканится медаль. Наполеон основывает фонд в 200 000 франков для «гениальных первооткрывателей» в области электричества и первую премию вручает Вольте. Вольта становится сенатором и графом и награждается высшей наградой орденами Почетного легиона и Железного креста. Художник Дж. Бертини создал картину, на которой Вольта демонстрирует свой «столб» Наполеону.

Создание «Вольтова столба» явилось не только революционным событием в науке об электричестве, но и оказало огромное влияние на историю всей человеческой цивилизации. Не случайно знаменитый французский академик Д. Араго считал «Вольтов столб»… самым замечательным прибором, когда- либо созданными людьми, не исключая телескопа и паровой машины!».

Создание В.В. Петровым «огромной наипаче» батареи

Среди выдающихся физиков первой трети XIX в. достойное место принадлежит академику Василию Владимировичу Петрову (1761-1834), которого бывший президент Академии наук СССР С.И. Вавилов назвал ученым, по значению своих трудов «непосредственно следовавшим за М.В. Ломоносовым». Какими же заслугами нужно было обладать, чтобы сын скромного приходского священника в г. Обояни (Курская губерния) был удостоен звания академика Петербургской академии наук, значительная часть членов которой имело знатное происхождение, а многие были иностранцами.

Проявив незаурядное упорство и стремление к знаниям, В.В. Петров после окончания церковно-приходской школы сумел поступить в Харьковский коллегиум, где преподавались естественные и гуманитарные науки и западноевропейские языки, в том числе греческий и латинский. После успешного окончания коллегиума Петров, не имея достаточных средств, поступает на казенный счет в Петербургскую учительскую гимназию (позднее Учительский институт), где в течение трех лет обучался математике и физике. В 1788 г. Петров принимает смелое решение и уезжает на далекий Алтай преподавать математику и физику в Училище при знаменитых Колывано-Вос- кресенских горнорудных предприятиях, где была хорошая библиотека и научная лаборатория. С увлечением обучая будущих мастеров горного дела, Петров приобретает опыт использования знаний естественных наук для решения конкретных технологических и производственных проблем.

Возвратившись через три года в Петербург, Петров был уже весьма опытным педагогом и убежденным сторонником важности экспериментов для доказательства научных гипотез. В 1795 г., когда в Петербурге было основано крупное медицинское учебное заведение – Медико-хирургическая академия, Петров после блестящей «пробной» лекции утверждается в должности профессора физики и математики, где он прослужил почти всю жизнь и где со всей полнотой проявился его талант выдающегося ученого. Свободно владея европейскими языками, Петров изучает труды известных физиков и добивается выделения средств для оснащения физического кабинета новейшими приборами. Как позднее писал один из петербургских журналов, этот кабинет становится одним из лучших, «самым превосходнейшим во всей Российской империи».

Рис. 3.6. Примерное расположение элементов и их соединение в батарее Петрова

Ознакомившись с открытиями Гальвани и Вольты, Петров приходит к заключению о необходимости создания более мощной «огромной наипаче» батареи, превосходящей все «ранее описанные в иностранных сочинениях». С помощью такой батареи он надеялся производить «…такие новые опыты», которые были невозможны при употреблении «… обыкновенных батарей, о каковых доселе объявляется во всех известных трудах зарубежных физиков».

«Огромная наипаче» батарея Петрова была изготовлена в апреле 1802 г.; она состояла из 4200 элементов медных и цинковых кружков (или 2100 пар медноцинковых элементов) и располагалась в большом деревянном ящике, разделенном на четыре отделения (рис. 3.6). Стенки ящика и разделяющих перегородок были покрыты сургучным лаком и промасленной бумагой. Общая длина всех элементов батареи составляла 12 м – это был уникальный крупнейший в мире источник электрического тока (обычно применявшиеся в Европе вольтовы столбы насчитывали 100-200 элементов). Каждый ряд элементов соединялся последовательно. Схематический рисунок «огромной» батареи был изображен почти 100 лет спустя на большом стенде в зале Парижской Всемирной выставки в 1900 г.

Подробное описание устройства батареи и все опыты с нею были описаны В.В. Петровым в его фундаментальном труде «Известие о гальвани-вольтовских опытах, которые производил профессор физики Василий Петров посредством огромной наипаче батареи…», изданном в Санкт-Петербурге в 1803 г. (рис. 3.7). Долгое время точная дата первых публичных опытов Петрова была неизвестна, но в 1956 г. автором этой книги была обнаружена статья в журнале «Северный вестник» (1804 г.), в которой, в частности, говорилось о создании Петровым в 1802 г. огромной батареи и о том, что «посредством таковой батареи сей неутомимый наш отечественный физик делал в присутствии Медицинской коллегии и многих знаменитых особ первые публичные опыты сего же года майя 17 дня».

Рис. 3.7. Титульный лист книги Петрова «Известие…»

Среди многочисленных экспериментов ученого по изучению химических, тепловых и световых действий электрического тока особенный интерес представляет открытие им явлений электрической дуги и электрического разряда в вакууме. В VII главе книги «Известие…» В.В. Петров описывает наблюдавшееся им явление электрической дуги. Если на стеклянную плитку положить два древесных угля, «способных для произведения светоносных явлений… и если потом оные приближать один к другому на расстояние от одной до трех линий (1 линия – 2,5 мм), то является между ними весьма яркий белого цвета свет или пламя, от которого оные угли… загораются и от которого темный покой довольно ясно освещен быть может».

В отличие от многих физиков (да и самого Петрова), указывавших при наблюдении во время опытов с батареей на «искры различной величины и яркости», здесь ученый употребляет качественно новое определение – термин «пламя» яркого белого цвета. И впервые четко указывает на возможность использования электрического света для практических целей – освещения большого пространства («темного покоя»). Своим открытием Петров почти на полстолетия опередил свое время – электрические дуговые лампы стали применяться только в 50-х годах XIX в.

Но Петров также убедился в способности пламени дуги расплавлять различные металлы и восстанавливать металлы из их оксидов, чем положил начало электрометаллургии. Книга Петрова, написанная на русском языке, не была известна европейским ученым. Поэтому не случайно открытие электрической дуги в течение 80 лет приписывалось английскому ученому X. Дэви, наблюдавшему это явление в 1808 г., когда он изготовил батарею из 2000 пластин. Но сам Дэви не приписывал себе первенство в этом открытии, так как в 1812 г. он узнал, что в России Академия наук в 1804 г. объявила конкурс на тему «О природе света» и указывала на желательность объяснения «гальванического огня», получаемого от «больших вольтовых столбов», ослепительный блеск коего подобен солнечному свету».

Василий Владимирович Петров не имел измерительных приборов, чтобы определить параметры своей батареи (заметим, кстати, что Петров «превращал» себя в вольтметр и срезал кожу с пальцев рук, чтобы улавливать «уколы» напряжения незащищенными нитями нервов), поэтому было очень важно убедиться в том, что он мог получить электрическую дугу. С этой целью автор в 1951 г. с помощью специалистов производственно-экспериментальных мастерских МЭИ изготовил 1/20 часть «огромной батареи», состоявшей из 105 пар медных и цинковых кружков диаметром 38 мм и толщиной 2,5 мм, и между каждой парой кружков укладывались суконные кружки, смоченные в растворе нашатыря (рис. 3.8) в соответствии с описанием в книге Петрова «Известия…». При использовании современных методов измерений было установлено, что напряжение на зажимах «огромной наипаче» батареи составляло 1650-1700 В – это был невиданный по тому времени источник тока высокого напряжения, что позволило ученому получить электрическую дугу.

Затем был воспроизведен опыт Петрова с использованием сухих анодных батарей со сравнительно высоким внутренним сопротивлением (что было характерно для гальванических батарей начала XIX в.) и простых галогенных углей, укрепленных в специальных держателях. При напряжении 1500 В и расстоянии между концами углей 2-5 мм наблюдалась устойчивая электрическая дуга, пламя которой освещало «темный покой» прожекторного отдела лаборатории светотехники МЭИ.

Рис. 3.8. Общий вид модели батареи Петрова

Василий Владимирович Петров был первым отечественным ученым, открывшим и исследовавшим «светоносные явления» в «безвоздушном месте» – т.е. газовый разряд в вакууме. Его экспериментальная установка также была воспроизведена автором этих строк по описанию Петровым «стеклянного колокола» и «воздушного насоса». Изменяя давление внутри колокола и расстояние между электродами, укрепленными внутри его, ученый наблюдал различные виды газового разряда.

Лишь спустя 30 лет изучением газового разряда в вакууме занимался Фарадей. Важно отметить, что известный современный ученый в этой области физики проф. Н.А. Капцов писал, что если бы опыты Петрова «не были забыты», они могли быть использованы физиками, «исследовавшими газовый разряд в более поздние времена».

Василий Владимирович Петров при всей своей скромности отметил важность своих исследований газового разряда в вакууме: «Я надеюсь, – писал он, – что просвещенные и беспристрастные физики, по крайней мере некогда» согласятся отдать трудам моим ту справедливость, которую важность сих последних опытов заслуживает».

Василий Владимирович Петров был одним из предшественников Ома, открывшего закон электрической цепи в 1827 г. В своем труде «Известие…» наш «природный россиянин» (как он себя называл) установил количественную зависимость силы тока от площади поперечного сечения проводника: он утверждал, что при использовании более толстой проволоки происходит… «более сильное действие… и весьма скорое течение галь- вани-вольтовской жидкости». Петров впервые на русском языке ввел термин «сопротивление», он впервые осуществил параллельное соединение электродов при электролизе различных жидкостей и о силе электрического тока судил по интенсивности электролиза. Как писал английский журнал «Science Progress» (1936), этими своими исследованиями Петров «предвосхитил закон Ома».

Василий Владимирович Петров впервые разработал способы изоляции проводников сургучом и воском. Он доказал возможность электризации металлов трением при условии их изоляции от земли, опровергнув утверждения многих европейских физиков, в том числе и Гильберта. Он по праву может быть назван основателем отечественной школы электрофизиков.

К сожалению, судьба Петрова оказалась трагичной. Правдивый и непокорный, он неустанно боролся за просвещение своего народа и против засилия иностранцев в Академии наук и Министерстве просвещения. Это вызвало резко отрицательное отношение к нему президента Академии наук графа Уварова. Петрову не выделяются средства для реконструкции физического кабинета, отказывают в ремонте его квартиры, и он не может даже дома проводить эксперименты. В знак протеста ученый демонстративно не является на похороны Александра I в 1825 г.

После этого Уваров бесцеремонно отстраняет Петрова от заведования физическим кабинетом и запрещает печатать его труды. Вскоре заслуженный профессор увольняется из Медико-хирургической академии, где прослужил около 40 лет. Состояние здоровья полубольного оскорбленного ученого резко ухудшается, и 3 августа 1834 г. Василий Владимирович скончался. По указанию Уварова его имя не должно было появляться в научных трудах и учебниках физики. Трудно поверить, но почти два поколения русских физиков ничего не знали о нем. Многие рукописи его бесследно исчезли, не сохранился достоверный портрет ученого, затерялась его могила на Смоленском кладбище.

Кстати, о личности Уварова говорит еще один факт: когда он увидел в газете в феврале 1837 г. портрет А.С. Пушкина в траурной рамке после его гибели на дуэли, Уваров выразил свое возмущение, указав, что Пушкин не тот чиновник, который должен быть удостоен такой чести.

Прошло более полувека. В 1886 г. студент Петербургского университета А. Гершун, впоследствии известный ученый, будучи на каникулах в г. Вильно, разбирая старые книги в публичной библиотеке, обнаруживает небольшую книжечку неизвестного ему ученого «Известие…». С невообразимым удивлением он узнает из этой книги об оригинальных экспериментах В.В. Петрова и об открытии им в начале века явления электрической дуги.

По возвращении в Петербург Гершун показал книгу Петрова заведующему кафедрой физики Военно-медицинской академии профессору Н.Г. Егорову. Так началась «вторая жизнь» нашего выдающегося соотечественника.

Уже в 1887 г. читатели журнала «Электричество» узнают о книге Василия Владимировича и его экспериментах. Н.Г. Егоров в своих докладах и выступлениях в Военно-медицинской академии (1889 г.), на торжественном заседании Русского физико-химического общества (1893 г.), в речи «Столетие электрического тока», произнесенной на открытии Первого Всероссийского электротехнического съезда в 1899 г., в известном энциклопедическом словаре Брокгауза и Ефрона (1898 г.) и многих других выступлениях рассказал об открытиях В.В. Петрова, представляющих собой «драгоценный вклад» в отечественную и мировую науку.

В 1892 г. в протоколе конференции Военно-медицинской академии подчеркивалась важность «извлечения из архивной пыли имени нашего славного товарища начала этого века академика Петрова, наблюдавшего впервые в 1802 г. вольтову дугу», и все это «…должно напомнить миру о том, что русский ученый, и при том академик нашей Академии, «должен считаться первым изобретателем электрического света».

В 1915 г. Н.Г. Егоров отыскал могилу В.В. Петрова и на ней был сооружен памятник. А в 1934 г. в нашей стране торжественно отмечалось 100-летие со дня смерти основоположника отечественной электротехники. В 1935 г. Президиум ЦИК СССР принял постановление «Об ознаменовании столетия со дня смерти первого русского электротехника академика В.В. Петрова, открывшего в 1802 г. за несколько лет до Дэви явление вольтовой дуги…».

В 1949 г. в Ленинграде на доме № 2 по 7-й линии Васильевского острова, где жил В.В. Петров, при участии президента Академии наук СССР С.Н. Вавилова была установлена мемориальная доска. Начали издаваться книги о жизни и деятельности ученого. Так Василий Владимирович Петров занял достойное место среди «титанов» мировой электротехники.

ГЛАВА 4 Что такое молния и гром. «Электрический указатель» Рихмана и «громовая машина» Ломоносова и Рихмана. Вклад Франклина в изучение атмосферного электричества

«Электрический указатель» Рихмана

Летом 1753 г. ведущие газеты России и Западной Европы опубликовали сенсационное сообщение: в Петербурге в своей домашней лаборатории трагически погиб от удара молнии известный физик – академик Г.В. Рихман (1711-1753).

Многие столетия молнии и гром, причину которых долго не знали, разрушали храмы и колокольни, убивали людей и животных, вызывая страх и ужас. Но смерть ученого, изучавшего эти загадочные явления, естественно, вызвала широкий общественный резонанс.

Современному читателю трудно поверить, что до середины XVIII в. среди физиков существовали диаметрально противоположные представления о природе атмосферного электричества. Гром вызывает молнию или, наоборот, молния вызывает гром? Какова природа грозы? На эти вопросы искали ответы ученые-естествоиспытатели разных стран.

В сочинениях многих физиков середины XVIII в., изучавших электрические явления, высказывались идеи о том, что молния – это гигантский разряд электричества в атмосфере, в тысячи раз превосходящий по силе электрические искры, наблюдавшиеся во время лабораторных опытов.

Важнейшим шагом на пути изучения электрических явлений в атмосфере был переход от качественных наблюдений к установлению количественных закономерностей и разработке основ теории электричества. Наиболее значительный вклад в решение этих проблем был сделан петербургскими академиками М.В. Ломоносовым и Г.В. Рихманом и американским ученым Б. Франклином.

Михаил Васильевич Ломоносов (1711-1765) явился в России основоположником изучения электрических явлений, автором первой теории атмосферного электричества. При его поддержке академик Г.В. Рихман первым «попытался подвергнуть измерению порождаемое в атмосфере электричество». Уроженец г. Пярну (Эстония) Рихман обучался в германских университетах в Галле и Иене, а с 1735 г. в университете Петербургской академии наук; с 1741 г. – он профессор академии. Исследованиями атмосферного электричества Рихман занялся в январе 1745 г. и вскоре разработал оригинальную установку с «электрическим указателем».

Рис. 4.1. «Электрический указатель» Рихмана:

1 – деревянный квадрант с делениями; 2 – металлическая линейка; 3 – металлический лист, 4 – льняная нить

Георг Вильгельм Рихман был первым ученым, создавшим измерительный прибор для определения интенсивности электрических зарядов в атмосфере, названным им «электрическим указателем» (1745). На деревянной подставке (рис. 4.1) вертикально укреплялась «металлическая линейка», соединенная с металлическим шестом. К линейке подвешивалась льняная нить длиною «в 2 ? лондонских дюйма», против нее укреплялся «деревянный квадрант» с делениями «на градусы». При поступлении зарядов на «линейку» нить отклонялась, и по отклонению наэлектризованной нити можно было судить о величине «электрической силы». «Указатель» Рихмана был первым в мире электроизмерительным прибором непосредственной оценки, прообразом современных электрометров. Совершенствуя свой прибор, Рихман сделал его переносным, соединив с лейденской банкой. Спустя несколько лет Рихман создал еще одну конструкцию прибора «с колокольчиком», который звоном фиксировал «присутствие громовой материи». Сохранился рисунок этого оригинального устройства, сделанный Рихманом. Рихман неизменно пользовался поддержкой и помощью М.В. Ломоносова, их связывала многолетняя дружба. Ломоносов успешно разрабатывал теорию атмосферного электричества, которую позднее изложил на заседании Академии наук.

Ломоносов и Рихман совместно соорудили первую в мире оригинальную стационарную установку для наблюдения и изучения атмосферного электричества, назвав ее «громовой машиной» (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Схема «Громовой машины»:

1 – электрический указатель; 2 – соединительная проволока; 3 – металлический шест на крыше дома

Важнейшей частью этой машины был электрический указатель Рихмана. На крыше дома устанавливался «молниеприем- ник» 3 – металлический стержень, соединенный проволокой 2 с электроуказателем 1. Нижний конец стрежня был опущен в стеклянный стакан, наполненный медными опилками, что обеспечивало изоляцию установки от земли. «Громовая машина» в принципе отличалась от «электрического змея» Б. Франклина и приборов других исследователей, так как позволяла наблюдать за изменениями количества электричества в атмосфере при любой погоде и при отсутствии грозы.

Летом 1753 г. Ломоносов и Рихман, используя «громовую машину», при огромном стечении народа на валу Петропавловской крепости успешно провели совершенно оригинальный эксперимент, чтобы доказать электрическую природу молнии и опровергнуть существовавшие ошибочные представления об атмосферном электричестве.

Газета «Санкт-Петербургские ведомости» (1753 г., № 45) подробно описала эти события, назвав результаты опытов «чрезвычайными». На валу была установлена «целая батарея пушек», гром выстрелов «сотрясал небо», однако «электрический указатель» ничего не показывал. Кроме того, когда «на горизонте тучи посредственной величины и темности, из которых надолгом примечании не видно было блеску, ниже грому слышно»; но «соединенный с выставленным на воздухе в высоте около шести саженей железным прутом указатель электрической силы показывал, что воздух оную в себе имеет, ибо нитка с висячего с нею железа чувствительно удалялась и за перстом гонялась». Далее газета писала: «Из сего наблюдения явствует, что электрическая сила без действительного грома быть не может. Если второе правда, то не гром и молния электрической силы в воздухе, но сама электрическая сила грому и молнии причина. Сие подтверждается тем, что электрическую силу искусством без грому произвести можно; напротив того, произведенный искусством гром электрической силы не показывает».

Годом ранее та же газета (1752 г., № 50), описывая эксперименты Ломоносова и Рихмана, утверждавших, что молния – это электрические разряды в атмосфере, сообщила: «Итак, совершенно доказано, что электрическая материя одинакова с громовою материею, и те раскаиваться будут, которые… доказывать хотят, что обе материи различны».

Выводы М.В. Ломоносова послужили одной из основ разработанной им теории атмосферного электричества. В сентябре 1753 г. на публичном собрании Академии наук «Рихман, – писал Ломоносов, – будет предлагать опыты… а я – теорию и пользу от оной происходящую».

Но Г. В. Рихману не суждено было дожить до этого события всего двух месяцев. Смерть ученого послужила поводом для нападок со стороны духовенства и реакционных кругов на ученых, стремившихся проникнуть в тайны природы; их опыты они называли «кощунственными» и требовали их прекратить. Они утверждали, что смерть Рихмана – это «наказание Господне за вторжение в область божью».

Первым в защиту Рихмана выступил М.В. Ломоносов. В письме «первому Куратору» Московского университета графу И.И. Шувалову он писал: «Умер господин Рихман прекрасною смертию, исполняя по своей профессии должность. Память о нем никогда не умолкнет… Между тем, чтобы… сей случай не был истолкован противу приращения наук, всепокорнейше прошу миловать науки».

Огромный научный авторитет Ломоносова и поддержка наиболее прогрессивных отечественных ученых позволила ему публично доказать недопустимость нанесения «ущерба престижу и славе» России. И в ноябре 1753 г. он выступил в Академии наук со своим знаменитым докладом «Слово о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих». В его докладе, произнесенном на русском языке (в отличие от многих академических докладов, излагавшихся либо на латинском, либо на одном из европейских языков), была изложена разработанная им строго научная теория атмосферного электричества, которая, по утверждению современных специалистов, в своей принципиальной основе соответствует представлению об этих явлениях и в наши дни.

Рис. 4.3. Автоматический прибор Ломоносова:

1 – металлический стержень с трезубцем; 2 – проволочная пружина, припаянная к металлическому кружку

Заметим, кстати, что Ломоносов подчеркивал, что в своей теории он «Франклину ничем не обязан», все у него «собственное и новое». В разработке этой теории Ломоносов ближе, чем кто-либо из его предшественников, подошел к современным теориям грозы. Небезынтересно отметить, что в целях более безопасных методов измерения «электрической громовой силы» Ломоносов разработал своеобразный автоматический регистратор максимальной величины грозового разряда (рис. 4.3). После удара молнии по прибору «сему увидеть можно коль велика была самая большая «громовая сила». Находящийся в трубке металлический стержень припаян внизу к «металлическому кружку». При ударе «электрическая сила… погонит кружок» из трубки вниз и увлечет за собой металлический стержень с трезубцем, преодолевая сопротивление «проволочной пружины», а «зубцы не допустят» возвращения стержня в исходное положение.

Хотелось бы отметить еще одно удивительное по своей, можно сказать, мудрости и человеколюбию предложение нашего выдающегося соотечественника. В первое время после изобретения Франклином громоотвода его обычно устанавливали состоятельные граждане больших городов на крышах высоких зданий. Но молния часто поражала людей, животных и разрушала «храмины» в малонаселенных сельских местностях или в поле.

Ломоносов, опираясь на многие известные факты, писал о громоотводах: «Такие стрелы на местах, от человеческого обращения отдаленных, ставить за небесполезное дело почитаю, дабы ударяющая молния больше на них, нежели на головах человеческих и на храминах силы свои изнуряла».

К сожалению, Рихману не суждено было продолжить свои пионерские исследования, он трагически погиб, когда ему едва исполнилось 42 года. В день своей гибели он пригласил в свою домашнюю лабораторию «академического гравера» И. Соколова для зарисовки опытов с атмосферным электричеством. И когда он приблизился к электрическому указателю «на расстоянии одного фута, прямо в его лоб ударил бледно-синеватый огненный шар». Возможно, это была шаровая молния. Попытки врача вернуть ученого к жизни оказались безуспешными.

Георг Вильгельм Рихман пожертвовал собой во имя науки, «научая других своим примером».

Вклад Бенджамина Франклина в изучение атмосферного электричества

Бенджамин Франклин (1706-1790) – сын бедного бостонского мыловара, был пятнадцатым ребенком в семье. Но именно ему было суждено принести заслуженную славу всей династии Франклинов. Он рано начал трудовую жизнь, старался много читать и успешно занимался самообразованием. После долгих лет лишений он стал одним из образованнейших людей и крупным общественным деятелем, генерал-почтмейстером американских колоний, основателем Пенсильванского университета, активным борцом за независимость и создателем государства Соединенных Штатов Америки.

С большим увлечением он занялся изучением электрических явлений и сделал большой вклад в американскую и мировую науку.

В своем труде «Опыты и наблюдения над электричеством» (1747) он излагает разработанную им «унитарную» теорию электричества и опыты, доказавшие электрическую природу молнии.

В 1752 г. в Филадельфии он впервые произвел знаменитый опыт с воздушным змеем, которого он запускал при приближении грозовых туч. К крестовине змея он прикрепил заостренную проволоку, а к концу бечевки привязал ключ и шелковую ленту, которую держал рукой. «Как только, – писал Франклин, – грозовая туча окажется над змеем, заостренная проволока станет извлекать из нее электрический огонь, и змей вместе с бечевкой наэлектризуется. А когда дождь смочит змей вместе с бечевкой, сделав их тем самым способными свободно проводить электрический огонь, Вы увидите, как он обильно стекает с ключа при приближении Вашего пальца». Затем от ключа он зарядил лейденскую банку и произвел ряд опытов, убедительно доказавших полнейшее сходство электричества и молнии.

Французский священник Далибар, живший близ Парижа, прочитав книгу Франклина, в которой высказывалась мысль, что молния – есть электрический разряд, решил проверить на практике это утверждение. И в мае 1752 г., еще не зная об опыте Франклина со змеем, он продемонстрировал в своем саду толпе прихожан, как во время грозы, держа железный шест за бутылку, укрепленную на его конце, «получил из шеста несколько длинных голубых искр». А когда один из разрядов попал ему в руку, то он ощутил впечатление «удара кнутом».

Сообщая о своих опытах в Парижскую академию наук, Далибар писал: «Материя грома неоспоримо та же, что и электричество. Идея, высказанная Франклином, перестает быть загадкой и сделалась достоверным фактом».

Еще в 1747 г. Франклин впервые указывает свойство металлических остриев собирать электричество, а в 1749 г. он сооружает первый громоотвод. Внедрение громоотводов в быт больших городов пробивало себе дорогу с большим трудом главным образом из-за религиозных опасений. Сохранилось свидетельство о том, как в 1783 г. один из французов установил на своем доме громоотвод, чем вызвал волнение жителей города. Между властями и домовладельцем состоялся судебный процесс, который получил большую огласку и положил начало карьере блестящего адвоката, ставшего известным всей Франции. Имя адвоката было Робеспьер.

Постепенно громоотводы стали широко применяться. Первый в Европе громоотвод был водружен в 1760 г. на Эдистон- ском маяке. Несколько типов молниеотводов были созданы известным чешским естествоиспытателем П. Дивишем (1698- 1765). Ранее мы уже упоминали об оригинальных молниеотводах, предлагавшихся М.В. Ломоносовым. Первый громоотвод в России был установлен в 1772 г. на колокольне Петропавловского собора.

ГЛАВА 5 Открытие электромагнетизма и создание разнообразных электрических машин, ознаменовавших начало электрификации

Открытие действия «электрического конфликта» на магнитную стрелку

В июне 1820 г. в Копенгагене была издана на латинском языке небольшая брошюра профессора Копенгагенского университета Ханса Кристиана Эрстеда с необычным названием: «Опыты, относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку». Открытие Эрстеда не только обессмертило имя ученого, но явилось эпохальным событием в истории электромагнетизма. Как выразился один из ученых, электромагнетизм привлекал к себе не только железо, но и мысли европейских физиков.

Эрстед сделал свое открытие в декабре 1819 г. во время опытов на студенческой лекции: если расположить магнитную стрелку над проводом или под ним и пропустить электрический ток, то северный полюс стрелки повернется или к западу или к востоку. Эрстед подчеркнул, что речь идет не о притяжении или отталкивании, наблюдавшихся ранее в опытах с электричеством, а о вращении стрелки, вызываемом «вихрем» магнитных сил, возникающем вокруг проводника. В то время еще не было известно понятие «направление» тока и Эрстед считал, что положительное и отрицательное электричество, сталкиваясь в проводнике, образуют «конфликт», вызывающий «вихрь» магнитного поля.

В наши дни любой школьник может воспроизвести опыт Эрстеда и продемонстрировать «вихрь электрического конфликта», насыпав на плотный лист бумаги железные опилки, а сквозь центр листа, пропустив провод с электрическим током. Открытие Эрстеда спустя несколько месяцев привело к изобретению индикатора электрического тока: немецкий физик И. Швейггер (1779-1857) предложил использовать отклонение магнитной стрелки электрическим током, создав новый электроизмерительный прибор – «мультипликатор» (1820), представлявший собой магнитную стрелку, помещенную внутри рамки, состоящей из нескольких витков проволоки (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Мультипликатор Швейггера

Необычайно «урожайным» в истории электромагнетизма был 1820 г. Выдающиеся открытия следовали одно за другим. В сентябре 1820 г. французский физик, позднее академик, Д.Ф. Араго (1786-1853) обнаруживает намагничивание проводника протекающим по нему током: если медная проволока, соединенная с полюсами вольтова столба, погружалась в железные опилки, то последние равномерно к ней «прилипали», а при выключении тока опилки «отставали». При замене медной проволоки железной она намагничивалась, а кусочек стали при таком намагничивании становился постоянным магнитом. По совету Ампера Араго заменил прямолинейную проволоку спиралью, при этом намагничивание иголки, помещенной внутри спирали, заметно усилилось. Так был создан «соленоид». Опыты Араго наглядно доказали электрическую природу магнетизма и возможность намагничивания стали электрическим током.

«Ньютон электричества»

Наиболее выдающийся вклад в начальное исследование явлений электромагнетизма внес один из крупнейших французских ученых Андре Мари Ампер (1775-1836), заложивший основы электродинамики. Ампер от природы был необыкновенно одаренным человеком. В истории науки не известен случай, чтобы 13-летний мальчик представил в Лионскую академию наук литературы и искусства свою первую математическую работу, в которой высказал серьезные замечания по поводу одного из трудов всемирно известного математика Л. Эйлера. С помощью отца – одного из образованнейших людей своего времени, сотрудников Лионского лицея и главным образом путем неустанного самообразования, к 18 годам познания Ампера в области математики, физики, механики вполне соответствовали курсу университетского образования. В то время как его сверстники еще не перестали играть в детские игры, он все глубже познавал естественные науки.

Но его творческая жизнь была нарушена страшной трагедией: в 1793 г. во время Великой французской революции был казнен его отец. После этого Ампер долго болел, но постепенно заставляя себя продолжать заниматься науками, начал давать частные уроки по физике, математике, химии, которые принесли ему не только денежные средства, но и известность способного педагога. И в 1802 г. он с успехом прошел собеседование и был зачислен на должность профессора в Центральной школе г. Бурга (недалеко от Лиона), а с 1809 г. – Ампер уже профессор математического анализа Политехнической школы в Париже – самой популярной среди технических школ Франции.

Ампера уже много лет интересовали электрические явления, но совмещать исследования этих явлений с математическими работами ему не удавалось.

Но когда Ампер в сентябре 1820 г. увидел на заседании Французской академии наук повторение Араго опытов Эрстеда, он, обладавший необыкновенным чувством научного предвидения, немедленно забросил все дела и с головой погрузился в изучение нового явления. И уже 18 сентября 1820 г. он докладывает в Академии наук о своих первых открытиях в области электромагнетизма. Ампер впервые убедительно показал, что железная проволока, согнутая в кольцо, аналогична «тонкому листку» постоянного магнита – и кольцо и «листок» – оба имеют одноименные полюса – никому до него это – как говорят – не пришло в голову. И еще очень важное наблюдение. (Заметим, что Ампер с поразительной последовательностью выступал еженедельно с сентября по декабрь перед академиками, излагая свои новые открытия, которые позднее были обобщены в его знаменитом труде по электродинамике.) Если «круговой» ток аналогичен магниту, то и взаимодействие кольцевых проводников с током должно быть аналогичным взаимодействию магнитов. Ампер вводит в науку термин «электрический ток» и понятие о направлении электрического тока. Он предложил считать за направление тока направление положительного электричества – «от плюса к минусу». Он также сформулировал важное правило о направлении отклонения магнитной стрелки, зависящего от направления тока в проводнике – «правило пловца».

На основании многочисленных экспериментов Ампер установил закон взаимодействия линейных токов: два параллельных и одинаково направленных тока взаимно притягиваются. Тогда как два противоположно направленных тока взаимно отталкиваются. Для исследования токов он создал так называемый «станок Ампера» (рис. 5.2).

Обнаруженные явления Ампер предложил называть электродинамическими в отличие от известных ранее электростатических. Позднее электродинамика стала одним из важнейших разделов физики и электротехники.

Рис. 5.2. «Станок» Ампера:

1 – подвижная рамка; 2 – неподвижный проводник

Ампер не только дал глубокий анализ наблюдавшихся явлений, но сумел теоретически обобщить их, выведя формулу, позволяющую определить силу взаимодействия токов, а также создал приборы для определения этой силы. В Германском музее шедевров науки и техники хранятся оригиналы этих приборов, как «драгоценнейшие документы музея». Как писал один из биографов, это был «немеркнущий вклад, оставшийся на все времена в сокровищнице науки».

Ампер, несмотря на серьезную сердечную болезнь, неустанно трудился, надеясь претворить в жизнь свои идеи. Одной из наиболее революционных была его идея о молекулярных токах, утверждавшая, что «все магнитные явления… сводятся к чисто электрическим действиям». Теория о круговых молекулярных токах, отвергала наличие «особых» электрических и магнитных жидкостей. Его фундаментальный труд «Теория электрических явлений, выведенная исключительно из опыта», получил высочайшую оценку великого Максвелла, назвавшего Ампера «Ньютоном электричества».

Имя ученого известного всему миру было увековечено в 1893 г. на Международном конгрессе электриков в Чикаго, давшем единице силы тока название «ампер». Он был членом академий все крупнейших стран Европы, в 1830 г. Ампер был избран почетным иностранным членом Петербургской академии наук.

Рис. 5.3. Схема «электромагнитных вращений» (по рисунку Фарадея):

7, 2 – чаши с ртутью; 3 – подвижный магнит; 4 – неподвижный магнит; 5 – неподвижный проводник; 6 – подвижный проводник

Создание прообразов электродвигателя

Первым, кто, проявив незаурядные способности экспериментатора, претворил в жизнь идеи Ампера, был великий английский физик Майкл Фарадей (1791-1867), тогда еще никому неизвестный своими исследованиями. В 1821 г. Фарадей создает оригинальный прибор, демонстрирующий вращение проводника вокруг магнита и магнита вокруг проводника (рис. 5.3). При подключении к источнику тока в левом сосуде со ртутью подвижный магнит 3 вращается вокруг неподвижного провода 5, а в правом – подвижный проводник 6 вращается вокруг неподвижного магнита 4. По признанию Фарадея, думая о своем приборе, «он долго ломал себе голову… даже ночами просыпался и думал». Прибор Фарадея наглядно иллюстрировал возможность создания электродвигателя. По утверждению одного из ученых «…одно лишь открытие Фарадеем «электрического вращения» оставило бы ему мировую известность».

Анализ истории развития электрических машин показывает, что первым практическим устройством был электродвигатель. Это объясняется тем, что в связи с развитием промышленности все более возрастала потребность в компактном и экономичном электродвигателе, вместо широко распространенной паровой машины. Что же касается электрогенератора, то в течение первой трети XIX в было создано много разновидностей электрохимических батарей, которые получили широчайшее практическое применение.

Первый практически пригодный электродвигатель был создан петербургским профессором Борисом Семеновичем Якоби (1801-1874) в 1834 г. Б.С. Якоби принадлежал к числу тех иностранных ученых, которые по приглашению приехали в Россию и связали с ней свою творческую жизнь. Мориц Герман Якоби принял русское имя и прожил в России 39 лет до конца своих дней. Сначала он работал в Дерпте (ныне Тарту), а потом в Петербурге, с 1839 г. «состоял в Петербургской академии наук», а с 1865 г. был избран академиком по физике.

Еще накануне приезда в Россию Якоби в 1834 г. послал в Парижскую академию наук сообщение об изобретенной им «магнитной машине». Первый электродвигатель Якоби работал по принципу притяжения и отталкивания двух комплектов электромагнитов, один из них располагался на неподвижной деревянной раме, другой – на подвижной (рис. 5.4). Источником питания служила батарея гальванических элементов.

Направление тока, а следовательно, полярность неподвижных электромагнитов не изменялась, а для изменения полярности подвижных электромагнитов Якоби создал оригинальный коммутатор.

С помощью коммутатора полярность подвижных электромагнитов изменялась 8 раз за один оборот вала, и они поочередно притягивались и отталкивались неподвижными электромагнитами. Мощность электродвигателя составляла примерно 15 Вт, и Якоби, конечно, понимал, что нужно найти пути для увеличения мощности, чтобы – как он писал в записке президенту Академии наук и министру просвещения – «…Нева раньше Темзы или Тибра покрылась судами с магнитными двигателями».

Рис. 5.4. Внешний вид двигателя Якоби

Сначала он пошел по пути увеличения числа электромагнитов, но это только делало машину более громоздкой. Непрерывно работая над совершенствованием двигателя, Якоби узнал, что в 1837 г. американский техник Т. Девенпорт также построил электродвигатель, в котором взаимодействовали подвижные электромагниты с неподвижными постоянными магнитами. Двигатель Девенпорта был более компактным благодаря расположению подвижных и неподвижных частей в одной горизонтальной плоскости.

Талант инженера и ученого помог Якоби найти наиболее рациональную конструкцию двигателя, чтобы при увеличении его мощности размеры машины возрастали в вертикальном направлении. Якоби отказался от неподвижных постоянных магнитов – громоздких и ненадежных.

Модель нового элементарного электродвигателя (рис. 5.5, а) представляла собой два неподвижных электромагнита, расположенных на деревянном кольце, и четырех крестообразных электромагнитов (роторов), которые могли вращаться внутри неподвижных полукруглых электромагнитов (статоров).

В 1838 г. на Ижорском заводе был изготовлен новый электродвигатель совершенно оригинальной конструкции: на двух вертикальных осях укреплялись 40 (по 20 на каждой из них) крестообразных подвижных электромагнитов, а неподвижные полукруглые укреплялись на деревянной станине с помощью скоб из немагнитного материала. Общая высота двигателя составляла 1,2 м, а основание 0,7x0,77 м, т.е. двигатель занимал на судне – восьмивесельном катере – сравнительно небольшую площадь (рис. 5.5, б). Электрический ток для двигателя обеспечивали 320 (!) гальванических батарей. Мощность электродвигателя составляла около 1/4 лошадиной силы.

а)

б)

Рис. 5.5. Модель одного элемента двигателя Якоби (а), чертеж электрического двигателя Якоби (1838 г.) (б):

1, 2 – зажимы обмоток двух неподвижных электромагнитов; 3 – зажим коммутирующего устройства; 4 – вращающаяся часть двигателя

Во время первых испытаний катер двигался по Неве со скоростью 2 км/ч на расстояние 7 км по течению и против течения. Это был первый в мире опыт практического применения электродвигателя для движения судна. Комиссия, учрежденная для испытания «электрического бота» Якоби, признала успех сенсационным и рекомендовала «увеличить мощность» гальванических батарей.

Публичные испытания «электрического бота» состоялись в августе 1839 г. и вызвали восторженные отклики зрителей и статьи в двух номерах петербургской газеты «Северная пчела» (сентябрь 1839 г.). В статье с весьма оптимистическим заголовком «Новые успехи на поприще электромагнетических опытов и радостные надежды в будущем» газета писала: «Человек до. шестидесяти ученых, литераторов и любителей наук (в том числе несколько высших сановников) собрались на Петровском Острове, чтобы быть свидетелями новых опытов над применением электромагнетической силы к судоходству. Катер с 12 человеками, движимый электромагнетической силой (в 3/4 силы лошади), ходил несколько часов против течения при сильном противном ветре. Этот опыт в области науки то же, что открытие письмен. Нет еще эпопеи, но мысль уже выражена. Что бы ни было впоследствии, но важный шаг уже сделан, и России принадлежит слава применения теории к практике». Новый более мощный двигатель быстрее вращал гребные колеса, и скорость движения катера увеличилась до 4 км/ч.

Испытания двигателя показали, что он превосходит все другие зарубежные двигатели. Результаты испытаний давали надежду на реальную возможность использования двигателя в судоходстве. Особые надежды возлагали представители Военно-морского ведомства, видевшие его неоспоримые преимущества перед паровым двигателем, особенно на военных кораблях – ведь достаточно было одного вражеского ядра, чтобы парализовать движение корабля. Вместо огромного груза угля и паровой установки можно было увеличить число артиллерийских орудий, а штат команды сократить. А электрический ток от батарей можно использовать для освещения.

Успехи испытаний широко освещались в мировой печати. Великий Фарадей прислал Якоби восторженное письмо, надеясь на использование электродвигателя на крупных морских кораблях: «Какое это было бы славное дело», – воскликнул ученый.

Рис. 5.6. Электродвигатель Пачинотти

Британская ассоциация содействию науки, где в 1840 г. выступал с докладом Якоби, избрала его своим почетным членом.

Но попытки Якоби увеличить мощность электродвигателя и последующие испытания показали, что экономическая эффективность нового электродвигателя была явно недостаточна: одна лошадиная сила обходилась в 12 раз дороже, чем в случае применения паровой машины. И в 1842 г. Якоби в докладе Академии наук, подведя итоги четырехлетней работы над «попыткой применения электромагнетизма в качестве движущей силы признал питание электродвигателя от гальванических батарей нерентабельным».

Необходимо было создать легкий экономичный генератор электрической энергии нового типа для практического использования электродвигателя на корабле. Как удивился бы Якоби, если бы узнал, что более чем 160 лет после его экспериментов, несмотря на фантастические успехи электромеханики, океанские просторы будут бороздить не корабли-электроходы, а турбоэлектроходы, дизельэлектроходы, атомоходы. И можно только надеяться, что в будущем будут реализованы мечты нашего выдающегося ученого.

Но работы Якоби над созданием электродвигателя сыграли огромную прогрессивную роль в развитии электротехники и стимулировали изобретение электромашинных генераторов электрической энергии, получивших широчайшее практическое применение.

В течение трех десятилетий до изобретения самовозбужда- ющегося промышленного генератора постоянного тока Грамма, а также и электродвигателей (на основе принципа обратимости электрических машин) в разных странах были созданы несколько типов двигателей постоянного тока, не получивших широкого практического применения.

Среди них следует отметить оригинальный электродвигатель 19-летнего итальянского студента (впоследствии профессора) Пизанского университета Антонио Пачинотти (1860). Этот электродвигатель (рис. 5.6) состоял из якоря кольцеобразной формы, вращающегося в магнитном поле электромагнитов. В нижней части вала укреплялся коллектор, к пластинам которого подводились концы обмотки якоря. Пачинотти был сделан важнейший шаг на пути создания современной машины постоянного тока: неявнополюсный якорь, удобная схема возбуждения и коллектор, приближавшийся к современному.

Открытие явления электромагнитной индукции и создание первого электромашинного генератора

Как уже отмечалось, практическое применение электродвигателей оказалось невозможным из-за неэкономичности источников электрического тока – гальванических батарей. Поэтому во многих развитых странах начинаются интенсивные исследования с целью решения этой актуальной проблемы.

Первый электромашинный генератор, знаменитый «диск Фарадея», был создан в 1831 г. выдающимся ученым Майклом Фарадеем – сыном бедного лондонского кузнеца, не имевшим возможности даже окончить начальную школу. Но благодаря природному таланту, огромной тяге к знаниям и гигантской работоспособности он стал всемирно известным ученым, членом 68 академий и научных обществ, в том числе и почетным членом Петербургской академии наук. Нелегкий жизненный путь Фарадея, много лет работавшего в качестве лаборанта и лакея известного ученого X. Дэви, достойный пример для подражания миллионам молодых людей, стремящихся к овладению знаниям.

После создания им уже описанного ранее прибора «электромагнитного вращения» Фарадей (1821), убежденный во взаимосвязи и взаимопревращениях различных «сил природы», записал в своем дневнике: «Превратить магнетизм в электричество!» Потребовалось десять (!) лет упорнейшего труда, чтобы практически решить поставленную задачу. В течение этого времени Фарадей продолжал работать над своим самообразованием, изучая труды знаменитых физиков и химиков, стремясь познать секреты электромагнитных явлений.

В 1827 г. Фарадей был уже профессором и читал лекции в Королевском институте, которые вызывали всеобщий интерес. Но чем бы он ни занимался, все его мысли были о «превращении магнетизма в электричество». Современники вспоминают, что будто бы он носил в кармане небольшую спираль из медной проволоки и тонкий постоянный магнит и нередко устанавливал их в разные положения. Многие друзья и коллеги считали его чудаком.

В течение 10 лет день за днем Фарадей ставил опыт за опытом, тщательно записывая результаты в журнал. Опытов были тысячи, но «возбуждения электричества посредством магнетизма» достичь не удавалось.

Первый удачный опыт произошел 29 августа 1831 г.; он по праву вошел в историю науки. На деревянный или картонный цилиндр (рис. 5.7, а) наматывалась медная проволока 1, а между ее витками была намотана вторая проволока, изолированная хлопчатобумажной нитью 2. Первая спираль соединялась с сильной батареей из 100 пар пластин, вторая – с гальванометром. При замыкании и размыкании первичной цепи стрелка гальванометра отклонялась, т.е. во вторичной цепи возникал ток. Но если ток непрерывно протекал по первичной спирали – гальванометр оставался неподвижным. Почему? Такого явления ранее никто из физиков не наблюдал. Великий экспериментатор долго оставался наедине со своими сомнениями. Когда внутрь спирали, включенной во вторичную цепь, Фарадей поместил стальную иглу (рис. 5.7, б), она при возникновении индуктированного тока так же намагничивалась, как и от тока гальванической батареи. Следовательно, индуктированный ток не отличается от обычного тока.

Рис. 5.7. Схемы опытов Фарадея (по рисункам Фарадея)

Было очевидно, что действие первой спирали на вторую осуществлялось через окружающую среду. А каково ее влияние? Заменив картонный цилиндр железным кольцом (рис. 5.7, в), Фарадей отметил, что стрелка гальванометра откланялась на больший угол. Значит, среда, окружающая проводник с током, играет активную роль и усиливает явление индукции. Кстати, отметим, что в опыте с железным кольцом можно увидеть прообраз простейшей конструкции трансформатора.

Логика рассуждений подсказывала, что при замыкании и размыкании цепи возникало и исчезало магнитное поле, создаваемое током. Но ведь изменение магнитного поля можно осуществить и без электрического тока, применяя обыкновенные постоянные магниты. Обмотав железный цилиндр медной изолированной проволокой, соединенной с гальванометром (рис. 5.7, г), и поместив цилиндр между концами двух постоянных стержневых магнитов, соприкасавшихся другими разноименными полюсами, Фарадей установил, что при смыкании и размыкании концов магнитов, стрелка гальванометра отклонялась.

Это явление Фарадей назвал «магнитно-электрической индукцией», в отличие от первых наблюдений, названных «вольта-электрической индукцией». Подчеркивая, что принципиальной разницы между этими явлениями нет, он позднее их называл «электромагнитной индукцией».

Через две недели, в октябре 1831 г., Фарадей проводит самый убедительный эксперимент, подтверждающий «превращение магнетизма в электричество». На картонную катушку была намотана спираль из медной проволоки, включенная в цепь с гальванометром (рис. 5.7, д). И когда он «быстрым движением втолкнул магнит внутрь спирали», стрелка гальванометра отклонилась. При быстром «вытаскивании» магнита стрелка отклонилась в обратную сторону. «Значит, – писал Фарадей, – электрическая волна возникает при движении магнита».

А через несколько дней Фарадей наглядно объясняет еще одно «загадочное» явление, открытое в 1824 г. Араго, названное им «магнетизмом вращения». История этого открытия весьма любопытна. Араго поручил парижскому мастеру изготовить для него большой компас и поместить его в футляр – медную коробку (так как медь – «немагнитный» материал). Когда же Араго стал открывать крышку коробки, ему показалось, что стрелка компаса отклонилась. Это было невероятно: наверное, подумал Араго, в медной крышке есть примеси железа, и оно взаимодействует с магнитной стрелкой. Но когда, по настоянию Араго, был сделан анализ металла – примесей железа не оказалось. Повторные опыты подтвердили первые наблюдения. Никто из физиков, даже Ампер, не могли объяснить это явление. Также и Фарадею много лет физическая суть этого явления «не давала покоя».

Сам Араго, пытаясь выяснить причину взаимодействия медной крышки с магнитной стрелкой, решил изготовить «приборчик», в котором, возможно, обнаружится аналогичное явление. Но он предположил, что если вращение медной крышки, вызывает поворот магнитной стрелки, то вращение магнита должно увлечь за собой медный диск (рис. 5.8). Опыт подтвердил догадку ученого: при вращении магнита 1 медный диск 2 начинал вращаться в ту же сторону. Недоумению ученых не было предела: почему взаимодействие магнита и диска возникает только при вращении магнита?

Рис. 5.8. Схема опыта Араго:

1 – магнит; 2 – медный диск

Фарадей, опираясь на открытое им явление электромагнитной индукции, не только объяснил причину вращения диска, но и указал на возможность практического использования опыта Араго. «Получив электричество из магнита, – писал Фарадей, – я полагаю, что опыт г-на Араго может стать новым источником получения электричества, и надеюсь, что… мне удалось сконструировать электрическую машину».

Опыт заключался в следующем. Фарадей принес в лабораторию большой подковообразный электромагнит, хранящийся до сих пор в музее Лондонского королевского общества (рис. 5.9). К полюсам магнита он прикрепил «два стальных бруска» и в промежуток между ними ввел край медного диска. Край диска и его ось были соединены посредством щеток с гальванометром. При вращении диска стрелка гальванометра «показывала наличие в нем электрического тока… до тех пор, пока диск вращался». Это был первый в мире электромагиинный генератор («Диск Фарадея») – с него начинается история электрических машин. Действие генератора Фарадей объяснял так: медный диск можно представить в виде колеса с бесконечным числом спиц – радиальных проводников. При вращении диска эти спицы-проводники пересекают магнитные силовые линии, и в них возникает индуктивный ток.

Рис. 5.9. Большой подковообразный магнит из Лондонского музея (справа схема опыта Фарадея)

Запоздалое открытие Джозефа Генри

В истории науки есть немало примеров, когда выдающиеся открытия и изобретения делались почти одновременно учеными разных стран, ничего не знавшими друг о друге. Но то, что произошло осенью 1831 г. в Лондоне и главном городе штата Нью-Йорк – Олбани, поистине сенсационно.

Как уже отмечалось, электромагнитную индукцию Фарадей открыл 29 августа 1831 г., а в ноябре сообщил об этом Лондонскому королевскому обществу, а его статья с подробным описанием экспериментов была опубликована в 1832 г. в журнале «Philosophical Transactions», а затем в крупнейших физических журналах мира.

Судьбе было угодно, чтобы профессор физики Олбанской академии, впоследствии президент Американской академии наук – Джозеф Генри (1787-1878), ничего не знавший об открытии Фарадея, в ноябре 1831 г. (т.е. почти одновременно с Фарадеем) в письме к своему коллеге писал о своих экспериментах, «…касающихся тождественности электричества и магнетизма», т.е. возможности индуцировать электричество с помощью магнетизма. По неизвестным причинам Генри на девять месяцев прекратил свои опыты и только в июне 1832 г. писал, что «…добился успеха в очень интересном эксперименте по получению электрических искр из магнита», и вскоре, в июле 1832 г., его статья об этом открытии была опубликована. И уже после публикации своей статьи осенью 1832 г. Генри узнал о работах Фарадея, и, как писал один из его биографов, «ничто в жизни Генри не вызывало столь тягостных переживаний, как этот перерыв в его экспериментах». До этого Генри много лет занимался созданием мощных электромагнитов, и свой выдающийся эксперимент производил сразу с электромагнитом и катушкой, подключенной к гальванометру.

Схема опыта Генри для наблюдения электромагнитной индукции (рис. 5.10) удивительно напоминает опыты Фарадея. Генри был достаточно опытным экспериментатором, чтобы не повторить ошибки некоторых физиков: его помощник, будучи в другой комнате, включал и отключал батарею, а Генри наблюдал при этом отключение стрелки гальванометра. Известно, что швейцарский физик Колладон, также изучавший явления электромагнетизма, можно сказать, «стоял у порога» открытия электромагнитной индукции: он включал батарею и спешил в другую комнату, где стоял гальванометр, но к этому времени устанавливался стационарный процесс, и стрелка гальванометра оставалась неподвижной. Всю свою долгую жизнь (Колладон дожил до 96 лет) он упрекал себя за свою досадную ошибку.

После изучения статьи Фарадея Генри подчеркнул, что шел к открытию собственным, отличным от Фарадея путем и даже «краткими намеками указывал, что первооткрывателем был все-таки он». Возможно, если бы Генри не прервал своих опытов, он разделил бы славу открытия наравне с Фарадеем, но его заслуги перед наукой неоспоримы (к сожалению, подлинное признание его заслуг пришло много позже). Справедливости ради нужно отметить, что Генри, в отличие от Фарадея, не имел одной из лучших в Европе научных лабораторий, не мог печататься в ведущих журналах Европы, и его «талант мужал в одиночку», что, конечно, «тормозило его творческие порывы».

Рис. 5.10. Схема опыта Генри

Тем более высокой оценки заслуживают его последующие открытия: в апреле 1832 г. он первым в мире обнаружил явление самоиндукции (Фарадей исследовал это явление спустя два года) и затем взаимной индукции. Д. Генри доказал, что индукция обладает «поразительным свойством»: она «…проявляется через кирпичную стену, разделяющую смежные комнаты» – для того времени это было сенсацией. Нельзя не отметить открытие Генри в 1840-1842 гг. колебательного характера искрового разряда конденсатора – прообраза первого осциллятора, этим он сделал немеркнущий вклад в зарождение электросвязи и радиотехники.

Научные заслуги Генри получили высочайшую оценку: в 1893 г. на Электротехническом конгрессе в Чикаго единица индуктивности была названа «генри». Как писал известный американский писатель М. Уилсон, «…наука воздала ему должное и возвела на самый почетный пьедестал, написав его имя с маленькой буквы. Генри стал генри наряду с ампером, вольтом, фарадой».

Создание промышленного типа самовозбуждающегося генератора постоянного тока

Как уже отмечалось, гальванические элементы оказались весьма неэкономичными источниками тока. Поэтому после создания М. Фарадеем прообраза электромашинного генератора ученые и инженеры в разных странах пытались решить эту проблему – этого требовало бурное развитие производства.

Рис. 5.11. Магнитоэлектрический генератор Якоби

Первые генераторы постоянного тока получили название «магнитоэлектрических», в них возбуждение магнитного поля осуществлялось постоянными магнитами. В течение около 30 лет (1831-1851) было создано несколько таких генераторов.

Первым магнитоэлектрическим генератором, получившим практическое применение, был генератор Б.С. Якоби, созданный им в 1842 г. для воспламенения минных запалов в подводных минах (рис. 5.11). При вращении катушек 2 зубчатой передачей в поле неподвижных постоянных магнитов 1 в них наводилась электродвижущая сила. На валу имелось коммутирующее устройство 3 в виде двух полуцилиндров – простейший двухпластинчатый коллектор. Этот генератор был принят на вооружение в русской армии.

Для повышения мощности генераторов изобретатели пытались увеличить количество постоянных магнитов. Так, например, в машине фирмы «Альянс» (1857) было 40 постоянных подковообразных магнитов, расположенных радиально по отношению к валу, и 64 стержня – явнополюсных якоря. На валу генератора укреплялся коллектор с 16 металлическими пластинами, изолированными друг от друга и от вала. В качестве коллекторных щеток служили специальные ролики (рис. 5.12). Масса шестидисковой машины доходила до 4 т, а для вращения вала использовалась паровая машина мощностью 610 л.с. Машина фирмы «Альянс» использовалась для освещения дуговыми лампами, например на маяках. В течение почти 10 лет (1857-1865) было построено около 100 таких машин.

Рис. 5.12. Электрический генератор фирмы «Альянс»:

1 – ряды неподвижных магнитов; 2 – несущие диски с катушками- якорями; J, 4 – коллектор; 5-7 – устройство для смещения роликовых токоприемников; 8, 9 – центробежный регулятор

Использование машины фирмы «Альянс» наглядно показало недостатки магнитоэлектрических генераторов: постоянные магниты быстро размагничивались, стержневые якоря, имевшие многослойную обмотку, перегревались, разрушая изоляцию, ток, получаемый от генераторов, был резко пульсирующим.

Исследования изобретателей приводят к необходимости отказа от постоянных магнитов и применению независимого возбуждения электромагнитов от постороннего возбудителя – небольшого магнитоэлектрического генератора [например, генератора англичанина Г. Уайльда (1863)]. Использование таких генераторов привело конструкторов к созданию генераторов с самовозбуждением. Открытие принципа самовозбуждения было одним из важнейших на пути создания генератора постоянного тока современного типа.

На примере открытия принципа самовозбуждения еще раз демонстрируется важнейшая закономерность развития науки и техники: новейшие изобретения и открытия осуществляются и внедряются тогда, когда потребность в них вызвана развитием промышленности, торговли и транспорта (в том числе, морского), а возможность их реализации обусловлена достижениями науки и практики.

На возможность использования электромагнитов для возбуждения магнитного поля в электрических машинах впервые указывали независимо друг от друга в начале 50-х гг. XIX в. В. Зинстеден (Германия) и С. Хиорт (Дания). Но их идеи и конструкции были несколько неожиданны и необычны (а главное – не востребованы), что не привлекли особого внимания и были забыты.

Но в конце 60-х гг. уже был накоплен опыт использования электромагнитов с возбудителем, и, как это часто бывало, почти одновременно известные ученые и изобретатели предложили использовать принцип самовозбуждения, и даже разгорелся спор о приоритете.

Наибольшую известность приобрел доклад крупного немецкого ученого, изобретателя и промышленника В. Сименса (1816-1892), представленный им в январе 1867 г. в Берлинскую академию наук. Он утверждал, что даже «небольшого количества магнетизма, который остается… в неподвижном электромагните, достаточно, …чтобы при возобновлении вращения снова получить в цепи ток».

И почти одновременно с ним в феврале 1867 г. известный английский физик У. Уитстон выступил с докладом в Лондонском королевском обществе с описанием принципа самовозбуждения и анализом схем соединений самовозбуждающихся генераторов. Но вскоре обнаружилось, что в декабре 1866 г. был выдан патент английским инженерам братьям К. и С. Вар- лей, а до них в июле 1866 г. англичанин В. Мюррей установил в машине возбудитель, осуществив самовозбуждение генератора. Но еще раньше, в 1861г., талантливый венгерский физик А. Иедлик впервые построил самовозбуждающийся генератор.

Рис. 5.13. Самовозбуждающийся генератор Грамма:

а – общий вид; б – принципиальная схема; в – конструкция кольцевого якоря

Однако «широкую дорогу» новым машинам открыл В. Сименс, возглавлявший известный электротехнический концерн, назвав сомовозбуждавшийся генератор «динамомашиной». В отличие от других изобретателей Сименс обладал достаточными средствами и условиями для производства динамомашин.

Недостатком новых машин оставался так называемый двух- Т-образный якорь, предложенный Сименсом еще в 1856 г.: но он быстро нагревался, вызывая сильное искрение на коллекторе, резкую пульсацию тока и большие магнитные потери. Как уже отмечалось ранее, еще в двигателе Пачинотти был впервые применен кольцевой якорь. Поэтому революционным событием в истории электрических машин явилось объединение принципа самовозбуждения с кольцевым якорем.

Первый патент на самовозбуждающийся генератор с кольцевым якорем был получен в 1870 г. бывшим столяром фирмы «Альянс» З.Т. Граммом (1826-1901), ставшим видным французским специалистом в области электромашиностроения. На станине 1 (рис. 5.13) укреплялись электромагниты 2 с полюсными наконечниками J, между которыми вращался якорь 4. Щетки, укрепленные в специальных держателях, соприкасались с коллектором 5 почти современного типа. Позднее после разработки методов расчета магнитных цепей конфигурация магнитопровода была усовершенствована.

Рис. 5.14. Электрический генератор с барабанным якорем

Машина Грамма являлась машиной постоянного тока современного типа и получила широкое промышленное применение. Открытый Э.Х. Ленцем еще в 1838 г. принцип обратимости электрических машин с успехом стал использоваться в машине Грамма, и она могла работать как в режиме генератора, так и двигателя. С начала 70-х гг. XIX в. пути развития генераторов и двигателей объединились. Вскоре, в 1873 г., немецкий электротехник Ф. Гефнер-Альтенек предложил заменить кольцевой якорь более современным – барабанным (рис. 5.14). В последующие десятилетия благодаря успехам в изучении магнитных свойств стали, конструирования обмоток и др. электрическая машина постоянного тока к концу 80-х гг. получила современные конструктивные черты.

Создание многофазных систем. Двухфазные генератор и двигатель Н. Теслы, трехфазные системы и асинхронный двигатель М.О. Доливо-Добровольского

Изобретение самовозбуждающихся генераторов и двигателей постоянного тока положило начало массовому применению электрической энергии, и в 80 – 90 гг. XIX в. зарождаются основные электротехнические устройства промышленного и бытового назначения.

Первым массовым потребителем электроэнергии явилась система электрического освещения. В эти же годы зарождается электропривод различных исполнительных механизмов – вентиляторов, насосов, подъемников. Начинается применение электроэнергии на транспорте: в 1879 г. В. Сименсом была построена первая небольшая электрическая дорога на промышленной выставке, а в 1880 г. инженер Ф.А. Пироцкий осуществил опытный пуск электрического трамвая в Петербурге. Тяговые электродвигатели постоянного тока имели хорошие характеристики с удобным плавным регулированием скорости. В 1883-1884 гг. начали действовать трамвайные линии в Англии и Германии, первый трамвай в России был пущен в Киеве в 1892 г.

Для снабжения электроэнергией при крупных предприятиях начали строить «домовые» блок-станции. Но вскоре в связи с увеличением мощности потребителей стало необходимым вырабатывать электроэнергию на центральных электростанциях. Первая крупная электростанция была сдана в эксплуатацию в 1882 г. Эдисоном в Нью-Йорке мощностью около 500 кВт. Она обслуживала главным образом устройства электрического освещения при напряжении 110 В. Но в связи с большими потерями напряжения в сетях станция располагалась в центре города. Точно также первая центральная электростанция в Москве была построена в 1886 г. в Георгиевском переулке близ Охотного ряда. Однако вскоре возможности увеличения радиуса электроснабжения на постоянном токе были исчерпаны (напомним, что потери в сетях обратно пропорциональны напряжению, а постоянный ток было невозможно трансформировать). И уже в конце 80-х – начале 90-х гг. начинается строительство электростанции однофазного переменного тока. Но при этом возникли новые проблемы: однофазные системы, пригодные для питания осветительных установок, усложняли и тормозили развитие электропривода. Однофазные электродвигатели не имели начального пускового момента и требовали для пуска специального «разгонного» двигателя.

Стало очевидным, что электрификация промышленности возможна при условии строительства крупных электростанций в местах, богатых первичными энергоресурсами, с последующей передачей электроэнергии на дальние расстояния и снабжения различных объектов электропотребления.

В 80-х – 90-х гг. XIX в. со всей остротой возникла потребность в решении важнейшей комплексной научно-технической проблемы: осуществления экономичной передачи электроэнергии на дальние расстояния и создание надежного в эксплуатации электродвигателя, удовлетворяющего требованиям промышленного электропривода. Ученые и инженеры в разных странах пришли к выводу, что эта проблема может быть успешно решена на основе многофазных систем, из которых наиболее рациональной оказалась трехфазная система.

Исследованиями и экспериментами было установлено, что двухфазные и трехфазные двигатели можно создать, используя явление вращающегося магнитного поля.

К открытию вращающегося магнитного поля независимо друг от друга и почти одновременно пришли два выдающихся ученых – серб Никола Тесла (1856-1943) и итальянец Галилео Феррарис (1847-1897).

Получение вращающегося магнитного поля можно понять из рисунка схемы двухфазных генератора и двигателя Теслы. На статоре электродвигателя (рис. 5.15) укреплены два электромагнита, расположенные взаимно перпендикулярно – один вертикально, другой горизонтально. На полюсах электромагнитов расположена обмотка, концы которой выведены к зажимам источника питания (в данном случае – синхронного генератора). Если к обмоткам электромагнитов подключить два переменных тока, сдвинутых по фазе на 90°, то внутри статора возникнет вращающееся магнитное поле и ротор – в виде двух взаимно перпендикулярных замкнутых катушек начнет вращаться с постоянной скоростью. Если вместо катушек поместить на оси медный цилиндр, то и он придет во вращение.

Рис. 5.15. Двухфазные генератор и двигатель Теслы

Первую заявку на получение патента на многофазные системы Тесла подал в октябре 1887 г, а в мае 1888 г. в докладе на конференции в Американском институте электроинженеров он продемонстрировал свое изобретение. Г. Феррарис сделал свой доклад «Электродинамическое вращение с помощью переменных токов» в Туринской академии наук в марте 1888 г. Профессор Феррарис был известным в Европе ученым, разработавшим теорию переменных токов. Действие вращающегося магнитного поля он наглядно продемонстрировал на модели двухфазного двигателя, хранящейся в музее г. Турина. Но если Феррарис не видел практического применения двигателя, то Тесла не только создал двухфазные генератор и двигатель. По его проекту компания Вестингауз изготовила три двухфазных генератора по 5000 л.с., которые были установлены на самой крупной по тому времени гидростанции на величайшем в мире Ниагарском водопаде, открытие которой состоялось в 1896 г. «под гром пушек и при всеобщем ликовании».

Генератор Теслы (как видно из рисунка) представлял собой статор, на котором укреплялись два постоянных магнита, а ротор состоял из двух независимых катушек, расположенных под прямым углом. Концы катушек выводились на кольца, укрепленные на валу (для наглядности на рисунке эти кольца имеют разные диаметры). Н. Тесла получил более 40 патентов на многофазные системы, в том числе и трехфазные.

Н. Тесла был необыкновенно одаренным человеком. Он родился в хорватском селении Смиляны в семье священника. Уже в реальном училище он обратил внимание учителей на свои способности в математике и физике, в изучении иностранных языков, в умении создавать оригинальные механизмы и устройства. Будучи студентом Высшей технической школы в г. Граце, он проводил в электротехнической лаборатории много экспериментов и высказал своему профессору идею о создании двигателя переменного тока. Видный ученый перед всем курсом пытался опровергнуть доводы своего ученика: «Тесла, – сказал он, – несомненно, совершит великие дела, но осуществить высказанную им идею ему никогда не удастся».

После окончания Высшей технической школы в 1878 г. Тесла начал работать инженером-электриком в Телеграфной компании в Будапеште, но все свое время уделял созданию электродвигателя, пытаясь найти наиболее совершенные конструктивные формы. И в феврале 1882 г. во время прогулки он, взяв трость у своего коллеги, нарисовал на песке схему электродвигателя, принцип действия которого был основан на явлении вращающегося магнитного поля.

Вскоре Тесла уезжает в Париж, где изготавливает модель своего двигателя, демонстрирует его действие группе предпринимателей с целью наладить массовое производство двухфазных двигателей, отличавшихся простотой и надежностью. Но предприниматели не спешили вкладывать деньги в новое, еще неизвестное производство. В 1884 Тесла уезжает в Америку, к Эдисону. Но, как известно, Эдисон долгое время не признавал преимущество переменного тока, поэтому Тесла был вынужден покинуть мастерские Эдисона. Два года Тесла занимался электрическим освещением, но часто был вынужден подрабатывать на жизнь и даже работать грузчиком!

Наконец, весной 1887 г. Тесле с группой единомышленников – сотрудников Телеграфной компании удалось создать общество «Tesla Electric Company» и реализовать свои теоретические разработки. Вскоре им были созданы первые двухфазные генераторы, двигатели и все необходимое оборудование для их практического использования.

Диапазон выдающихся открытий Теслы поистине поразителен: он был автором более 800 изобретений в области электротехники, радиотехники, техники высоких частот, автоматики и телемеханики. В 1891 г. он создал знаменитый «резонанс- трансформатор », позволявший получать высокочастотные напряжения до сотен тысяч вольт. Он много работал над проблемой «передачи осмысленных сигналов и, быть может, даже энергии на любое расстояние вовсе без помощи проводов». В 1898 г. он создал радиосистему для дистанционного управления суднами на расстоянии более 25 миль и ввел термин «телеавтоматика» – технику «управления движениями и действиями автоматов, удаленных на расстояния». Как уже отмечалось, в 1900 г. он писал о возможности создания автоматического устройства, «аналогичного человеческому мозгу». Он сделал огромный вклад в радиотехнику, и американский суд признал его приоритет перед Маркони в создании радио (см. гл. 9). Тесла утверждал возможность осуществления межпланетных радиосообщений. К сожалению, многие прогрессивные идеи Теслы по разным причинам не могли быть претворены в жизнь, но они проложили дорогу многим отраслям современной электротехники и радиотехники и до сих пор – как писал один из биографов – «продолжают волновать исследователей, звать к новым поискам». И не случайно имя Николы Теслы начертано на знаменитой Стене Почета в Страсбурге рядом с именами всемирно известных ученых – Лапласа, Планка, Бора, Эйнштейна, Резерфорда.

Если когда-нибудь будет создан Всемирный музей науки и техники, то, несомненно, среди замечательных его экспонатов почетное место займет электрический двигатель, без которого невозможно представить жизнь современного общества.

Среди огромного разнообразия типов и конструкций электродвигателей удивительный простой и надежностью отличается трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором М.О. Доливо-Добровольского, занимающим господствующее положение в системе промышленного электропривода.

Созданные ранее двухфазные электродвигатели Теслы хотя и получили некоторое применение, но их конструкция страдала существенными недостатками: выступающие полюса статора с сосредоточенной обмоткой, большое магнитное сопротивление, необходимость использования четырех проводов – все это ухудшало характеристики машины и удорожало сооружение электропередачи.

И как уже отмечалось, для решения актуальных научно-технических проблем должны быть объективные социальные и технические предпосылки. Поэтому новые открытия и изобретения, как правило, носят интернациональный характер, к ним почти одновременно подходят ученые и инженеры разных стран.

И не случайно одновременно с Доливо-Добровольским разработкой трехфазных систем занимались Ч. Бредли в Америке и Ф. Хазельвандер в Германии. Однако, как писал Доливо-Добровольский, «технический приоритет» принадлежит тому изобретателю, который «сумел сделать свое открытие жизнеспособным… и создать применимый технический агрегат». Именно М.О. Доливо-Добровольский стал тем человеком, чей талант ученого, инженера и изобретателя позволил разработать и внедрить в промышленность наиболее современную трехфазную систему, сохранившую до наших дней свои основные черты.

Михаил Осипович родился 2 января 1862 г. в дворянской семье в г. Гатчине, близ Санкт-Петербурга. После переезда родителей в Одессу он поступил в Реальное училище, а затем в Рижский политехнический институт: его с юных лет увлекали физика и химия, он много занимался в лаборатории, проводя различные эксперименты. Но в 1881 г. он был исключен из института за участие в студенческом революционном движении без права поступления в высшие учебные заведения России.

Стремление к знаниям было настолько велико, что он уезжает в Германию и становится студентом Дармштадского высшего технического училища, из стен которого вышло много известных инженеров-электриков.

В 1884 г. Михаил Осипович после успешного окончания училища был оставлен в нем в должности ассистента и начал преподавать курс электрохимии. Но вскоре его приглашают в Берлинскую электротехническую фирму АЭГ, где он занял должность шеф-электрика и увлекся проблемами создания трехфазных систем.

В 1888 г., изучив работы Феррариса, Доливо-Добровольский решил создать в статоре двигателя вращающееся магнитное поле и поместить в него короткозамкнутый ротор с малым сопротивлением. Тогда в роторе при небольшом скольжении и достаточно сильном магнитном поле статора возникают токи, вызывающие большой вращающий момент.

Медный цилиндр (ротор) в двигателе Феррариса имел небольшое сопротивление, но, как было известно, медь немагнитный материал, и КПД такого двигателя был бы небольшим. Если же заменить медный цилиндр стальным, тогда магнитный поток значительно возрастет, но электропроводность стального ротора значительно меньше, и это неизбежно снизит КПД двигателя. Как преодолеть это противоречие? И вот где проявился необычайный талант Михаила Осиповича, показавшего замечательный пример творческого инженерного мышления и смелости конструкторского решения. Он предложил выполнить ротор в виде стального цилиндра (это уменьшает его магнитное сопротивление), просверлить вдоль него по периметру каналы и заложить в них медные стержни (это уменьшит электрическое сопротивление ротора). Эти стержни на торцах ротора электрически соединяются с помощью медных пластин или колец. Этот ротор получил название «беличьей клетки», и патент на его изобретение был подан Доливо-Добровольским 8 марта 1889 г. Варианты конструкций ротора показаны на рис. 5.16. Поразительно! Прошло более 120 лет, за эти годы неузнаваемо изменились многие электротехнические устройства, появились новые материалы и технологические процессы, но «беличья клетка» остается в своем первозданном виде!

Первый асинхронный двигатель, построенный в конце 1889 г., имел мощность около 100 Вт, медные стержни «беличьей клетки» не имели изоляции, а воздушный зазор был очень небольшой – около 1 мм, что в те годы было тоже смелым инженерным решением (рис. 5.17).

Но для пуска двигателя нужен был трехфазный источник питания. Над его созданием Доливо-Добровольский провел «не одну бессонную ночь, изучая различные схемы многофазных цепей». И он пришел к идее использовать кольцевой якорь одноякорного преобразователя (известной конструкции для превращения машины постоянного тока в машину переменного тока), сделав отпайки от трех его точек, сдвинутых на 120°, и выведя их на три контактных кольца. Так он получил трехфазную систему токов с разностью фаз 120°.

Рис. 5.16. Варианты ротора с обмоткой в виде «беличьей клетки» (из патента Доливо-Добровольского):

1 – стальной цилиндр; 2 – медные стержни; 3 – медные пластины или кольца

Рис. 5.17. Первый трехфазный асинхронный двигатель Доливо-Добровольского (в собранном и разобранном виде)

О первом впечатлении об испытаниях нового двигателя Доливо-Добровольский писал: «Уже при первом включении выявилось ошеломляющее для представлений того времени действие. Электродвигатель, якорь которого имел диаметр около 75 мм и длину также около 75 мм и не обладал никакими особыми присоединениями к сети, мгновенно стал вращаться на полное число оборотов и был совершенно бесшумным. Попытка остановить его торможением за конец вала от руки блестяще провалилась… Если принять во внимание малые размеры моторчика, это представлялось чудом для всех приглашенных свидетелей».

Исследуя свойства трехфазной системы, Михаил Осипович показал, что в любой момент времени сумма всех трех токов равна нулю, и поэтому для передачи энергии к электродвигателю достаточно трех проводов. И еще несколько важных открытий: экономичность трехфазной системы – на три провода при прочих равных условиях требовалось затратить на 25 % меди меньше, чем в однофазной цепи; обмотки источника питания и потребителей могут соединяться звездой (четырехпроводная цепь) и треугольником (трехпроводная). Преимуществом четырехпроводной цепи стала возможность использования двух напряжений – линейного и фазного.

Достоинства трехфазной системы казались столь необычными, что Доливо-Добровольскому пришлось выступать в Берлинском электрическом обществе и в печати в ее защиту и доказывать, что трехфазная система является наиболее оптимальной, открывающей огромные перспективы при передаче электроэнергии и создании трехфазных генераторов и двигателей.

Заслугой Доливо-Добровольского является создание еще одной конструкции асинхронного двигателя – с фазным ротором, также сохранившимся до наших дней. Он установил, что при пуске более мощных двигателей пусковой момент снижался, а двигатель сильно вибрировал. Это объяснилось тем, что при малом сопротивлении ротора при пуске в нем возникали слишком большие токи, магнитный поток которых был направлен навстречу основному. И он создает электродвигатель с фазным ротором и пусковым реостатом. Патентные заявки на это изобретение он сделал в 1890 г. в Англии и Швейцарии. В этом двигателе в момент пуска включалось большое сопротивление, пусковой ток снижался, и двигатель (рис. 5.18) переходил в нормальный режим.

Рис. 5.18. Трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором и пусковым реостатом

Высокоэкономичные, надежные электродвигатели занимают ведущее положение в современном электроприводе и, по прогнозам ученых, сохранят это преимущество до середины XXI в. В 1891 г. Михаил Осипович создает трехфазный трансформатор (см. гл. 7), и тем самым разрабатывает все элементы новой комплексной системы, открывшей дорогу современной электрификации.

Летом 1891 г. Доливо-Добровольский продемонстрировал всему миру невиданные успехи трехфазных систем. В этом году в Германии во Франкфурте-на-Майне должна была открыться Международная электротехническая выставка, где предполагалось показать новейшие достижения в передаче и распределении электрической энергии. Фирме АЭГ было предложено осуществить передачу электроэнергии из местечка Лауфен, где имелась гидросиловая установка на реке Неккар, во Франкфурт на невиданное для того времени расстояние 170 км. Доливо-Добровольский взялся за решение этой сложной задачи, чтобы, как он писал, – не «… навлечь на мой трехфазный ток несмываемого позора».

В течение полугода были спроектированы и изготовлены небывалые по мощности асинхронный двигатель (75 кВт), синхронный генератор мощностью 230 кВт и трансформаторы (100-150 кВ* А). В Лауфене напряжение повышалось с 95 до 15 000 В, по трехфазной цепи энергия передавалась во Франкфурт, где напряжение понижалось до 65 В. Коэффициент полезного действия передачи, вопреки предсказаниям скептиков, оказался очень высокий – более 75 %. Выставку освещали 1000 электрических ламп, трехфазный асинхронный двигатель приводил в действие гидравлический насос, подававший воду для ярко освещенного декоративного водопада.

Эта электропередача стала подлинным триумфом трехфазных систем и мировым признанием выдающегося вклада в электротехнику, сделанного М.О. Доливо-Добровольским, которому тогда исполнилось всего 29 лет! По всеобщему признанию специалистов, с 1891 года берет свое начало современная электрификация.

Многие годы Михаил Осипович мечтал о возвращении в Россию. В 1899 г. он прибыл в Петербург для участия в работе Первого Всероссийского электротехнического съезда, где выступил с докладом о влиянии трехфазных систем на прогресс электротехники. В Петербургском политехническом институте предполагалось открыть новый электромеханический факультет, и Доливо-Добровольский согласился стать его деканом. Но руководство АЭГ отнеслось к этому отрицательно, требуя выполнения им всех договорных обязательств. Как писал Михаил Осипович ему еще быть «…три года в некотором рабстве». Но он помогал Политехническому институту в приобретении лабораторного оборудования, подарил институту свою богатейшую библиотеку. Но через три года резко обострилась его сердечная болезнь, вынудившая его уехать в Швейцарию для лечения. После его возвращения в Берлин вскоре началась Первая мировая война, и он, как русский подданный, должен был покинуть Германию, и оставаться в Швейцарии до конца военных действий.

За год до кончины Михаил Осипович еще раз продемонстрировал всему миру свои выдающиеся способности ученого и инженера. В ноябре 1918 г. он выступил с докладом на заседании Электротехнического общества, в котором ко всеобщему удивлению пророчески предсказал, что в будущем при передаче электроэнергии на расстояния до 1000 км и напряжением порядка 200 кВ экономически целесообразным будет переход к электропередачам на постоянном токе. Как писал один из биографов, его доклад «произвел впечатление взорвавшейся бомбы». В наши дни сбылись предсказания «великого инженера», как его называли современники.

Но здоровье Михаила Осиповича продолжало ухудшаться, его перевезли в академическую больницу г. Гейдельберга, где 15 ноября 1919 г. он скончался.

Все крупнейшие электротехнические журналы мира в своих некрологах отмечали выдающиеся заслуги Михаила Осиповича в закладке фундамента электрификации. Еще при жизни, в 1903 г. Совет Петербургского электротехнического института присвоил ему звание «почетного инженера», а в 1911 г. он был избран «почетным доктором-инженером» в Высшей технической школе г. Дармштадта.

Память о Михаиле Осиповиче свято чтут в нашей стране. Его выдающиеся изобретения освещены во многих монографиях и научных трудах, в учебниках и учебных пособиях по электротехнике в технических вузах. А всего несколько лет назад ученые Польши документально установили польское происхождение Доливо-Добровольского, его предки были поляками, даже был найден «семейный герб Доливо». В 2001 г. в г. Щецине был заложен сквер им. Доливо-Добровольского и памятный камень.

ГЛАВА 6 Как был открыт закон Ома

В наши дни каждый старшеклассник знает о фундаментальном законе электрической цепи, открытом выдающимся немецким ученым Георгом Омом и носящем его имя.

К концу первой четверти XIX в., когда Ом проводил свои эксперименты, уже были созданы первый источник электрического тока – «вольтов столб» и обнаружены многие свойства электрического тока. Но выводы многих ученых носили в основном качественный характер, и все более возникала потребность в установлении количественных закономерностей в электрической цепи.

Однако в то время не существовало соответствующих измерительных приборов и не было известно, какие величины нужно измерять: такие понятия, как напряжение, сопротивление проводника не были общепринятыми среди физиков. И только создание Омом оригинального высокочувствительного электроизмерительного прибора позволило ему, преодолевая немало трудностей, установить основной закон электрической цепи.

Следует отметить, что за кажущейся простотой самой формулы закона Ома скрывается не только глубокий физический смысл, но и полная драматизма история открытия закона, когда Ому потребовалось немало оптимизма и сил, чтобы доказать справедливость своих утверждений.

Георг Симон Ом родился 16 марта 1789 г. в немецком городе Эрлангене в семье потомственного слесаря; дед Ома тоже был слесарем. Благодаря усилиям отца, мечтавшего дать сыну высшее образование, Георг после успешного окончания гимназии под руководством трех профессоров Эрлангенского университета стал готовиться к поступлению в университет и углубленно изучать математику, физику и философию.

Но путь сына потомственного слесаря к званию доктора философии был нелегким. Из-за материальных трудностей Георг через год покинул университет и стал учителем физики и математики вначале в одной из швейцарских школ. При этом он продолжал самостоятельно готовиться к завершению высшего образования. В 1811 г. он возвращается в Эрланген, успешно заканчивает университет и получает степень доктора философии.

Через несколько лет Георг становится учителем в Иезуитской коллегии г. Кельна, где была хорошо оборудованная физическая лаборатория, и Ом получил возможность серьезно заняться экспериментами в области электромагнетизма.

По мнению Ома, в то время (1820 – 1821) наименее разработанной была «проблема гальванического тока», и поэтому в этих вопросах он менее всего «мог ожидать конкуренции». Ом начал изучать свойства всех уже известных источников тока, а также проводников, соединяющих их полюса. Особенно важно было выяснить их способность «проводить электричество» в зависимости от длины, поперечного сечения и вида материала.

Ом впервые разрабатывает методику измерений электропроводности проволок из платинизированной меди различной длины, имеющих одинаковое поперечное сечение. В первых опытах источником тока служил обыкновенный «вольтов столб», но вскоре Ом заменил его более стабильным источником тока – термоэлементом. Интенсивность электрического тока измерялась уже известным в то время наиболее точным прибором – крутильными весами Кулона, изобретенными французским ученым и инженером в 1784 г. Кулон установил, что металлические проволоки «имеют силу кручения, пропорциональную углу кручения». Легкое «коромысло», на одном из концов которого укреплялся бузиновый шарик, подвешивалось на тонкой серебряной нити, и шарик, получая электрический заряд, отталкивался, закручивая нить. С помощью специального «микрометрического круга» определялись угол кручения и сила, действующая на шарик. Но Ому нужно было измерять не заряд, а «силу» электрического тока. Поэтому он усовершенствовал «весы» Кулона, создав новый совершенно оригинальный электроизмерительный прибор (рис. 6.1, д, б). Зная об отклонении магнитной стрелки электрическим током, открытым в 1819 году датским физиком Эрстедом, Ом вместо коромысла с бузиновым шариком подвешивал над проводником магнитную стрелку и по углу ее отклонения определял магнитное действие электрического тока от термоэлемента с парой металлов «медь – висмут» (рис. 6.1, б).

Висмутовая полоса термоэлемента abb'а' (рис. 6.1, а) изгибалась в виде вытянутой буквы «П», а к ее концам привинчивалась медная полоса. Для поддержания разности температур концов термопары Ом изготовил два свинцовых сосуда – в один наливалась вода, доводимая до кипения спиртовкой, другой сосуд набивался мелко колотым льдом со снегом (рис. 6.1, б).

а)

б)

Рис. 6.1. Экспериментальная установка Ома: а – общий вид; б – электрическая часть

Чтобы добиться большей чувствительности крутильных весов, Ом внес в их конструкцию ряд изменений. В верхней части прозрачного цилиндра (чтобы избежать влияния воздушных потоков) укреплялась коническая цапфа пп с неподвижно скрепленной с ней измерительной головкой q, к которой припаивался подвес, а на другом конце подвеса прикреплялась магнитная стрелка t. Число делений, на которое нужно было повернуть головку для возвращения магнитной стрелки в исходное положение, точно фиксировалось Омом.

Всю систему, изготовленную Омом, историки физики справедливо назвали «первым прибором для электрических измерений».

Две медные шины k своими концами dd' опускались в чашечки со ртутью тт\ к которым подводились зачищенные концы исследуемых проволок. В зависимости от длины проволок и площади их поперечного сечения изменялось магнитное действие электрического тока. Уменьшение этого действии Ом назвал «потерей силы» П, которая по расчетам Ома должна быть пропорциональна углу поворота магнитной стрелки. Этот угол измерялся поворотом измерительной головки q, к которой прикреплялась нить с магнитной стрелкой, до возвращения стрелки в первоначальное положение.

Путь к всемирной славе оказался для Ома неимоверно трудным. После завершения реконструкции всех элементов электроизмерительной установки Ом в течение двух лет, проявляя завидное мастерство экспериментатора, терпение и настойчивость, стремился получить наиболее точные данные. Он выяснил влияние температуры проводников на их проводимость — для этого он вносил их в пламя горелки и в сосуды с водой и льдом. Он исследовал силу тока не только по его магнитному действию, но и по химическому действию (в частности по объему газов при электролизе воды). Наконец, в мае 1827 года выходит его фундаментальный труд «Теоретические исследования электрических цепей» объемом 245 страниц. Ом впервые использует для анализа процессов в электрических цепях дифференциальные и интегральные исчисления и теорию рядов. Изучая знаменитое сочинение французского ученого Фурье «Аналитическая теория тепла», Ом обратил внимание на то, что Фурье объясняет тепловой поток между двумя телами разностью температур этих тел. И ему приходит в голову гениальная мысль о возможности аналогии между «тепловым потоком» и электрическим током в проводнике, вызванным разностью «электроскопических сил» ΔU (по современной терминологии — разностью потенциалов).

И по аналогии с формулой Фурье для теплового потока Ом находит формулу для электрического тока:

где S — сила тока (его магнитное действие), а выражение в знаменателе Ом назвал «приведенной длиной», где Δх — длина проводника; ω — площадь его поперечного сечения, а р — удельное сопротивление, характеризующее материал проводника. Если сравнить эту формулу с современной записью закона Ома для однородной цепи, увидим, что «приведенная длина» — это сопротивление проводника. Закон, носящий его имя, Ом сформулировал так: «Величина тока в гальванической цепи пропорциональна сумме всех напряжений и обратно пропорциональна сумме приведенных длин». Заметим, что Ом впервые в западноевропейской электротехнической литературе вводит термин «сопротивление», не зная, что за четверть века до него этот термин на русском языке ввел выдающийся отечественный физик В. В. Петров.

К сожалению, ученый мир Западной Европы вначале не оценил важности открытия малоизвестного учителя гимназии, тем более, что экспериментальное подтверждение этого закона требовало создания уникальной измерительной установки, которая была только у Ома. И, конечно, необходимо было обладать незаурядным мастерством экспериментатора. Надеждам Ома не суждено было сбыться еще и потому, что в те годы в Германии господствовала натурфилософия, отвергавшая математические методы анализа экспериментальных данных. Очевидно, что такой выдающийся ученый-экспериментатор как Ом, подрывал основы общепринятого в стране мировоззрения и не мог ожидать поддержки от чиновников и псевдоученых.

Что касается оценки всемирно известных физиков Фарадея и Генри, то они, не владея немецким языком, узнали об открытии Ома с опозданием, о чем позднее сожалели. И только в 1831 г. закон Ома был экспериментально подтвержден одним из его единомышленников немецким профессором Фихнером, а в 1838 г. справедливость закона подтвердили знаменитые петербургские академики Ленц и Якоби. На английский язык труд Ома был переведен лишь в 1841 г., а на французский – в 1860 (!) году.

Перевод книги на английский язык и блестящие отзывы о ней Ленца и Якоби способствовали официальному признанию заслуг Ома. В мае 1842 г. Лондонское королевское общество наградило Ома высшей наградой – Золотой медалью и избрало своим членом.

Почти двадцать лет ожидал Ом признания у себя на родине: лишь в 1845 г. он был избран действительным членом Баварской академии наук, а в 1849 г. стал профессором Мюнхенского университета, о чем мечтал много лет. В 1853 г. Ом был награжден орденом «За выдающиеся заслуги в области науки».

К сожалению, здоровье ученого было подорвано, сказалось многолетнее напряжение физических и духовных сил. Но до последних дней жизни Ом оставался энергичным и добрым по отношению к людям, особенно к своим ученикам. Как писал один из биографов, Ом обычно «без горечи сносил свое стесненное положение, когда его работы не были признаны, и не зазнавался после того, как его труды получили международное признание».

Скончался Ом после сердечного приступа в июле 1854 г. и был похоронен на старом кладбище города Мюнхена. Только спустя 40 лет в Мюнхене ему был поставлен памятник.

Имя Ома было увековечено в 1881 г., когда Электротехнический съезд в Париже утвердил название единицы сопротивления «ом». Его имя, наряду с именами выдающихся физиков – Планка, Ландау, Курчатова, присвоено одному из кратеров на карте обратной стороны Луны.

ГЛАВА 7 Трансформатор – важнейший элемент электротехнического оборудования

Введение

Трансформатор уже более 130 лет является важнейшим элементом современных систем электроснабжения. Генерируемая на электростанциях электроэнергия подвергается многократной трансформации для распределения энергии между потребителями. Поэтому количество трансформаторов и их суммарная мощность в 7-8 раз превышает число и мощность генераторов. На каждый киловатт генераторной мощности приходится 7-8 кВ · А трансформаторной мощности.

На подстанциях 35-750 кВ энергосистем России работает более 2500 силовых трансформаторов и автотрансформаторов общей мощностью около 600 тыс. МВ· А, что почти втрое больше установленной мощности электростанций.

Как уже отмечалось (см. гл. 5), прообразом первого трансформатора с замкнутым магнитопроводом явилась схема М. Фарадея (1831 г.)

Индукционная катушка – простейший трансформатор с разомкнутым магнитопроводом

В 30-40 гг. XIX в. было создано несколько типов индукционных катушек, представляющих собой изолированный железный цилиндр или изолированный пучок железных проволок, на которые наматывали две спирали – одну из толстой проволоки, другую из тонкой, изолированных друг от друга. Катушки предназначались для получения искрового разряда во вторичной обмотке при прерывании с помощью прерывателя тока в первичной, включенной в цепь батарей.

В создании индукционных катушек принимало участие много ученых и инженеров, например в Англии за 22 года было выдано 19 патентов на изобретения. Среди многих изобретателей наибольшую известность получил немецкий механик Генрих Румкорф (1803-1877), создавший в 1848 г. более совершенную катушку, которая долго время называлась «индукционной катушкой Румкорфа».

Впервые на практике катушку Румкорфа применил Б.С. Якоби для дистанционного взрывания электрических мин. Позднее катушки получили широкое применение в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания.

В 1876 г. П.Н. Яблочков впервые включил индукционные катушки в цепь переменного тока в созданной им «системе дробления электрической энергии» для питания дуговых ламп. Дело в том, что при последовательном соединении нескольких дуговых свечей выход из строя одной вызывал погасание всех других. Яблочков предложил включать свечи во вторичные обмотки индукционных катушек, первичные обмотки которых соединялись последовательно (рис. 7.1). Поэтому режим работы свечей не зависел друг от друга (напомним, что это могло быть только в случае разомкнутого магнитопровода катушек). Как уже отмечалось, в схеме Яблочкова индукционная катушка впервые работала в режиме трансформатора. В системе Яблочкова впервые получила оформление электрическая сеть с ее основными элементами: первичный двигатель – генератор – линия передачи – трансформатор – приемник.

Рис. 7.1. Схема распределения энергии с помощью индукционных катушек (трансформаторов) П.Н. Яблочкова:

1 – прерыватель; 2 – индукционная катушка; 3 – электросвечи

На Второй петербургской электротехнической выставке в 1882 г. всю систему «дробления энергии» смонтировал и демонстрировал препаратор Московского университета И.Ф. Усагин, катушки (или «бобины», как их называли, имели одинаковое число витков в обеих обмотках). И.Ф. Усагин наглядно доказал универсальность применения переменного тока, впервые изготовив собственную установку (рис. 7.2), включив во вторичные обмотки катушек кроме свечей и другие приемники: электродвигатель, нагревательную проволочную спираль, дуговую лампу с регулятором. Усагин продемонстрировал возможность отключения любого приемника, не нарушая работы других, что «произвело на зрителей большое впечатление» и вызвало аплодисменты. За свое изобретение И.Ф. Усагин был награжден почетной медалью.

Рис. 7.2. Система «дробления» энергии И.Ф. Усагина

Рис. 7.3. Трансформатор Голяра и Гиббса:

1 – индукционная катушка; 2 – выдвижные сердечники

В последующие годы усилиями ученых и инженеров разных стран конструкция трансформатора с разомкнутым магнито- проводом получила дальнейшее усовершенствование. В 1882 г. была запатентована во Франции система «распределения света и двигательной силы», предложенная английским электротехником Дж. Д. Голяром (1850-1888) и французским электротехником Люстеном Гиббсом (умер в 1912 г.). Отличительной особенностью этих трансформаторов (рис. 7.3) была возможность преобразования напряжения на вторичной обмотке (т.е. коэффициент трансформации уже отличался от единицы). Изобретатели назвали свой трансформатор «вторичным генератором»: на деревянной подставке укреплялось несколько индукционных катушек, первичные обмотки которых включались последовательно, а вторичные были секционированы, и каждая секция имела два вывода для подключения приемников. Изобретатели впервые сделали сердечники катушек выдвижными 2, с помощью рукоятки могло регулироваться напряжение на вторичных обмотках. Такие трансформаторы были установлены в 1883 г. на четырех подстанциях Лондонского метрополитена, а в 1884 г. на выставке в Турине (Италия), где линия передачи составляла 40 км при напряжении 2000 В.

Создание трансформаторов с замкнутым магнитопроводом

Как известно, современные трансформаторы имеют замкнутый магнитопровод, а их первичные обмотки включаются в сеть параллельно. В системе Яблочкова магнитопровод трансформатора был разомкнутым, и поэтому при последовательном включении первичных обмоток включение и выключение свечей во вторичных обмотках не оказывало существенного влияния на работу приемников. Но по мере эксплуатации трансформаторов было установлено, что замкнутый магнитопровод уменьшает потери энергии и повышает КПД.

Первые трансформаторы с замкнутым магнитопроводом были созданы английскими инженерами братьями Джоном и Эдвардом Гопкинсонами в 1884 г. Магнитопровод 1 был набран из стальных полос, разделенных изоляционным материалом, что снижало потери на вихревые токи. Первичные 2 и вторичные 3 катушки (соответственно высшего и низшего напряжений) размещались на магнитопроводе, чередуясь между собой, что уменьшало магнитное рассеяние (рис. 7.4).

К середине 80-х гг. XIX в. в связи с бурным развитием промышленности, торговли и транспорта все более остро возникает потребность в решении проблемы экономичной передачи электроэнергии на значительные расстояния. Исследования ученых и инженеров показали, что наиболее эффективный путь – в использовании переменного тока высокого напряжения.

Рис. 7.4. Трансформатор братьев Гопкинсонов

Рис. 7.5. Первые трансформаторы Будапештского завода фирмы «Ганц и К°»: а – кольцевой; б – броневой; в – серийный стержневой

Выдающийся вклад в создание однофазного трансформатора с замкнутой магнитной системой и более высокими эксплуатационными характеристиками был сделан в 1884-1885 гг. талантливыми венгерскими инженерами Миклошем Дери (1854-1934), Отто Блати (1860-1938) и Кароем Циперновским (1853 – 1942), работавшими на электромашиностроительном заводе фирмы «Ганц и К°» в Будапеште. Ими было предложено три модификации трансформатора: кольцевой, броневой и серийный стержневой (рис. 7.5), содержавшие все основные элементы современных конструкций трансформаторов. Важно, что изобретатели в патентной заявке (1885 г.) отметили большое значение замкнутого шихтованного магнитопровода, особенно для мощных трансформаторов. Ими впервые был предложен сам термин «трансформатор». Кольцевой трансформатор представлял собой кольцеобразный сердечник, состоящий из согнутых в кольцо изолированных железных проволок. Это кольцо было обмотано изолированной медной проволокой, образующей первичную и вторичную обмотки.

Второй – броневой трансформатор: у него внутри были уложены две кольцеобразные медные обмотки из изолированной медной проволоки, а на них намотана железная проволока. Такой трансформатор отличался меньшими потерями в железе и применялся для изготовления измерительных трансформаторов.

В стержневом трансформаторе сердечник состоял из отдельных листков стали, изолированных друг от друга лаком или олифой. На вертикальных стержнях размещались на одном – первичная, на другом – вторичная обмотки. Фирма «Ганц и К°» до конца 1887 г. построила 24 установки с однофазными трансформаторами Дери, Блати и Циперновского на общую мощность около 3000 кВт. На территории завода «Ганц и К°» был построен музей, где подробно отражена история создания первых трансформаторов с замкнутым магнитопроводом.

Создание трехсразного трансформатора – один из важнейших этапов в становлении современной системы электроснабжения

Как и следовало ожидать, первые системы электроснабжения переменным током рождались в жесткой конкурентной борьбе многочисленных электротехнических фирм. Достаточно напомнить, что непримиримым борцом против переменного тока в 80-х гг. выступил уже известный во всем мире Эдисон. В связи с этим была опубликована интересная статья нашего знаменитого физика А.Г. Столетова в журнале «Электричество» в 1889 г. «Невольно вспоминается, – писал Столетов, – та травля, которой подвергались трансформаторы в нашем отечестве, по поводу недавнего проекта фирмы «Ганц и К°» осветить часть Москвы. И в ученых докладах и в газетных статьях система обличалась, как нечто еретическое, ненациональное и безусловно гибельное; доказывалось, что трансформаторы начисто запрещены во всех порядочных государствах Запада и терпятся ради какой-нибудь Италии, падкой на дешевизну. Защитники «национальности в электричестве» забывали, что первую идею о трансформации тока в технике сами иностранцы приписывают Яблочкову… что на Всероссийской выставке 1882 г. в Москве ранее Годдарда, Гиббса и др., весьма определенно демонстрировал г. Усагин, за что награжден медалью».

После убедительной демонстрации трехфазных систем использование трансформаторов вначале предполагало установку в линии передачи трех однофазных трансформаторов. Но такое решение было экономически не выгодным, и, естественно, вызвало необходимость создания одного аппарата вместо трех – т.е. трехфазного трансформатора.

Рис. 7.6. Трехфазный трансформатор Доливо-Добровольского с радиальным расположением магнитопроводов

Такой трансформатор впервые был изобретен в 1889 г. М.О. Доливо-Добровольским. Интересна инженерная логика создания трехфазного трансформатора, которую продемонстрировал изобретатель. Доливо-Добровольский впервые обратил внимание на то, что заторможенный асинхронный двигатель представляет собой трехфазный трансформатор. Чтобы магнитная система трансформатора была симметричной, она должна иметь пространственную форму с тремя стержнями, на которых расположены обмотки. Вначале его конструкция напоминала машину с выступающими полюсами, в которой был устранен воздушный зазор, а обмотки ротора перенесены на стержни (рис. 7.6) – можно сказать, что это был трансформатор с радиальным расположением магнитопроводов. Продолжая усовершенствовать конструкцию, Доливо-Добровольский предложил несколько типов так называемых «призматических» трансформаторов с более компактной формой магнито- провода (рис. 7.7).

На рис. 7.8 показана эволюция магнитопровода стержневого типа. При соединении в одну конструкцию трех однофазных магнитопроводов получалась довольно сложная пространственная схема магнитопровода, технология изготовления которой оказалась весьма сложной, при этом возрастали отходы трансформаторной стали при штамповке отдельных листов. Это заставило Доливо-Добровольского упростить конструкцию и создать трехфазный трансформатор с параллельным расположением трех стержней в одной плоскости (рис. 7.9). О том, насколько продуманный и совершенной была такая конструкция, можно судить по тому, что она сохранилась до наших дней.

Рис. 7.7. Трехфазный трансформатор призматического типа

Рис. 7.8. Эволюция магнитопровода стержневого типа: Фд, Фд, Фс – магнитные потоки в фазах А, В, С

Рис. 7.9. Трансформатор с параллельным расположением трех стержней

ГЛАВА 8 Человеческий гений создает электрический свет, «подобный солнечному»

Создание П.Н. Яблочковым «электрической свечи»

Создание источников электрического освещения является одним из основополагающих открытий в истории человечества. Первым, кто произнес удивительную фразу о возможности «освещения темного покоя» был выдающийся русский физик В.В. Петров (см. гл. 3). Это он в мае 1802 г. публично продемонстрировал электрическую дугу, полученную от «огромной наипаче» батареи, яркий свет или «пламя» которой «было подобно солнечному». Электрическая дуга получила широчайшее распространение и не только для освещения, например, в прожекторах, но и в электрометаллургии, рудоплавильных печах, пламенно-дуговой резке металлов.

Своим открытием В.В. Петров намного опередил свое время (как это часто бывало в истории науки и техники). Как писал один из биографов, «свет дуги вспыхнул преждевременно», для ее практического применения нужны были более мощные источники электрической энергии, ее не к чему было приспособить. Отпугивало открытое пламя (и отсюда – пожарная опасность), огромная сила света и необходимость регулирования дугового промежутка по мере сгорания углей.

Одним из первых небольшую дуговую лампу с ручным регулированием углей применил в 1844 г. для подсветки предметного стекла в микроскопе известный французский физик Ж. Б. Фуко. Можно себе представить восторг (а возможно, испуг) зрителей зала в Парижском оперном театре в 1847 г., когда в опере Мейербера «Пророк» восход солнца имитировался с помощью дуговой лампы. Практическое применение дуговых ламп стало возможно только после создания механических или электромагнитных регуляторов для регулирования расстояния между сгорающими электродами. Эти регуляторы были первыми электроавтоматическими устройствами в 50- 70 гг. XIX в., и стоимость лампы определялась конструкцией регулятора.

Рис. 8.1. Дуговая лампа с электромагнитным регулятором:

1 – электроды; 2 – электромагнит; 3 – сердечник электромагнита

Одной из первых по времени (1846 г.) конструкцией лампы с электромагнитным регулятором была лампа французского изобретателя Аршро (рис. 8.1). Как видно из рисунка, при сгорании электродов расстояние между ними увеличивалось, ток в цепи уменьшался, и груз вытягивал вверх из катушки нижний электрод. Эту лампу пытались применить для освещения площади перед зданием Адмиралтейства в Петербурге, но она работала ненадежно, и опыты были прекращены. Более удачной была конструкция преподавателя физики Павловского кадетского корпуса талантливого изобретателя А.И. Шпаков- ского (1853). В лампе Шпаковского действовали два регулятора – электромагнитный, поднимавший нижний электрод вверх, и механический, обеспечивавший опускание верхнего электрода. Поэтому, в отличие от лампы Аршро, лампа горела достаточно надежно и ее световой центр не изменялся. Убедительный демонстрацией преимуществ лампы Шпаковского было ее успешное использование известным создателем автоматических устройств генералом К.И. Константиновым во время ответственнейшей церемонии – коронационных торжеств в Москве в 1856 г. по случаю восхождения на престол императора Александра И. На крыше Екатерининского дворца в Лефортово были установлены десять «электрических солнц» Шпаковского (так их называли очевидцы ламп), и огромная площадь темной ночью была ярко освещена. Об этом невиданном зрелище с восторгом писали российские и зарубежные газеты. Наиболее совершенный, но достаточно дорогой, регулятор был создан одним из пионеров электротехники В.Н. Чико- левым (1869-1879 гг.), применившим для этих целей электрический двигатель («электромашинный» регулятор Чиколева).

Поистине революционным событием в создании надежных дуговых ламп была лампа без регулятора – «электрическая свеча» П.Н. Яблочкова.

Павел Николаевич Яблочков родился 2 сентября 1847 г. в имении обедневших мелкопоместных дворян Сердобского уезда Саратовской губернии. Еще обучаясь в Саратовской гимназии, Яблочков начал проявлять склонность к изобретательству, ставшим позднее делом всей его жизни. В 1863 г. он был зачислен в известное в Петербурге Николаевское военноинженерное училище. Через три года, получив звание подпоручика Саперного батальона инженерной команды Киевской крепости, Яблочков начал инженерную деятельность, но, не получив ожидаемого удовлетворения, в 1867 г. увольняется в отставку и поступает в Техническое гальваническое заведение, чтобы получить электротехническое образование – его все больше начинают интересовать успехи электротехники. С 1872 г. П.Н. Яблочков назначается помощником начальника телеграфной службы Московско-Курской железной дороги. В Москве он знакомится с известными электротехниками, участвует в работе Постоянной комиссии отдела прикладной физики Политехнического музея. Он, проявив незаурядное мастерство, изготавливает черно-пишущий телеграфный аппарат для открывающейся в Москве Политехнической выставки.

Судьбе было угодно заинтересовать Яблочкова проблемой создания надежных дуговых ламп. Осенью 1874 г. по Московско-Курской железной дороге должен был проезжать на отдых в Крым император Александр И. Администрация дороги задумала в целях безопасности движения осветить поезду императора железнодорожный путь в ночное время. Яблочкову, как инженеру, проявлявшему интерес к электрическому освещению, было предложено осуществить это ответственнейшее мероприятие, тем более, что у полиции имелись сведения о готовившемся покушении на царя. На специальной площадке паровоза Яблочков стоял в дубленом полушубке, держа в руках регулятор дуговой лампы Фуко, и с помощью пружин поддерживал надежную дугу, освещавшую железнодорожный путь. Большая батарея гальванических элементов размещалась в соседнем багажном вагоне. Как говорят, Яблочков «продрог до костей», стоя на холодном ветру, непрерывно подкручивал регулятор и следил за исправностью электропроводки. Эксперимент закончился удачно. Это был первый в мире опыт установки прожектора на паровозе; подобный случай был описан во французской печати только спустя восемь лет (в 1882 г.).

Надо думать, что Яблочков еще раз убедился в неэффективности регуляторов дуговых ламп, и вскоре ему удалось найти поистине гениальное решение: создать знаменитую «электрическую свечу» – дуговую лампу без регулятора.

Это изобретение было сделано в 1876 г. при необычных обстоятельствах. Служба на железной дороге все больше тяготила Яблочкова, особенно после того, как он стал ощущать потребность в самостоятельных экспериментах в области электротехники.

Вместе со своим другом, талантливым изобретателем Н.Г. Глуховым, он создает мастерскую по ремонту электротехнических приборов и устройств – электрических машин, регуляторов дуговых ламп, аккумуляторов, аппаратов, используемых при электролизе в гальванопластике, электротерапии. Подобной мастерской в Москве не было, и Яблочков надеялся, что выполняя заказы различных клиентов, он одновременно сможет заниматься любимым делом – изобретательством и реализацией многих идей, возникших у него при эксплуатации разнообразных электротехнических устройств. Он также надеялся улучшить свое весьма скромное финансовое положение.

По отзыву одного из современников, мастерская Яблочкова была центром «смелых и остроумных электротехнических предприятий, блиставших новизной и опередивших на 20 лет течение времени». Нередко, увлекшись экспериментами при выполнении заказов, Яблочков и Глухов вовремя не выполняя взятые заказы, оказывались в долгу у кредиторов, и им могла угрожать «долговая тюрьма».

Однажды при проведении опыта по электролизу поваренной соли два угольных электрода, расположенных параллельно, при «излишнем сближении» (как позднее вспоминал Яблочков) коснулись друг друга, и внезапно вспыхнула яркая дуга! Яблочков и Глухов, завороженные необычайно красивым зрелищем, наблюдали как дуга горела внутри жидкости, «предоставив углям гореть до конца, а стеклянному сосуду треснуть». Возможно, обычный мастер по ремонту приборов ограничился бы удивительным наблюдением, но Яблочков, постоянно думавший о совершенствовании регуляторов в дуговых лампах, увидев между концами параллельно расположенных угольных электродов яркую дугу, воскликнул: «Смотри, ведь и регулятора никакого не нужно!» Так произошло замечательное открытие. Все изобретатели регуляторов располагали угли друг против друга (вертикально или горизонтально); и при горении дуги расстояние между электродами увеличивалось, и дуга гасла. А Яблочков расположил электроды дуговой лампы вертикально и параллельно друг другу (рис. 8.2), и по мере сгорания электродов расстояние между ними не изменялось, угли таяли подобно свече, и не случайно лампа Яблочкова получила название «электрическая свеча». Как говорят, «Все гениальное – просто!» Напомним, что Яблочкову было всего 28 лет!

Рис. 8.2. «Электрическая свеча» Яблочкова:

1 – электроды; 2 – каолиновая прокладка; 3 – зажимы для подключения к батареи

Нужно было всего несколько дней, чтобы новое изобретение претворить в жизнь, но, кредиторы, потеряв надежду получить причитающиеся им долги, возбудили судебное дело, Яблочков оказался банкротом, и ему угрожала долговая тюрьма. Но тогда его идея создать новую лампу может погибнуть. И он принимает невыносимо трудное, но смелое решение: уехать за границу и спасти свое изобретение.

Прибыв в Париж, Яблочков встретился с французским академиком и изобретателем Бреге, владевшим заводом по производству точных приборов. Бреге сразу оценил перспективность изобретения Яблочкова и выгоду, которую оно может принести. И уже в марте 1876 г. Павел Николаевич получил несколько патентов, в том числе на «электрическую свечу». В апреле 1876 г. «электрическая свеча» была впервые продемонстрирована на Выставке физических приборов, и привела в восторг многочисленных зрителей, став сенсацией выставки. Она привлекла не только ученых и изобретателей, но и владельцев крупных промышленных предприятий и коммерсантов. Перед ярким светом «свечи» желтоватый свет керосиновых ламп и голубенький огонек газовых рожков казались слабыми и ничтожными. Но главное было в том, что «свеча» была дешевой и простой по конструкции, и электрический свет стал доступным для всеобщего пользования.

Для зажигания «свечи» на выступающие верхние концы угольных электродов накладывалась тонкая угольная пластинка, загоравшаяся при первом пропускании тока. Вскоре Яблочков создает специальные фонари для нескольких свечей с ручным и автоматическим регулированием. В Париже возникают компании и специальная фабрика по производству свечей, которых изготовлялось до 8000 штук в день при быстром снижении цен. Эксплуатация свечи сулила большие прибыли, и в разных странах Европы и в Америке образуются компании по устройству освещения по системе Яблочкова.

В Парижском универсальном магазине «Лувр» 80 «свечей» заменили 2000 газовых рожков, «свечи» освещали огромное помещение ипподрома, порты и корабли. Впервые электрическая передача от генератора до приемника достигла 1 км. Как писал Яблочков, «…Из Парижа электрическое освещение распространилось по всему миру, дойдя до дворцов шаха Персидского и короля Камбоджи».

Но Яблочков, продолжая совершенствовать свою систему освещения, сделал еще ряд изобретений, сыгравших поистине революционную роль в развитии электротехники.

Прежде всего он доказал, что при питании переменным током оба электрода будут одинаковыми по размерам, и эксплуатация свечи упростится. Это вызвало интенсивное производство генераторов переменного тока, ранее не находивших применения.

Следующей важной заслугой Яблочкова было изобретение «системы дробления электрического света с помощью индукционных катушек», явившихся прообразом современного трансформатора (см. гл. 7): во вторичные обмотки катушек можно было включать разное количество свечей, горевших независимо друг от друга. Эта схема обладала, как уже отмечалось, всеми элементами современной энергосистемы: первичный двигатель, генератор, линия передачи, трансформатор, приемник. Применение свечи стало более эффективным и экономичным. Газеты всего мира называли систему Яблочкова «Русским светом» или «Северным светом». Заводы не успевали выполнять растущие заказы на изготовление «свечей». Полный триумф «свеча» произвела в 1878 г. в Париже на Всемирной выставке.

И, наконец, еще одно выдающееся открытие: Яблочков в 1879 г. впервые предлагает централизованное производство электроэнергии на «электрических заводах», чтобы доставлять ее потребителю подобно тому, как доставляется газ и вода! Первым таким «заводом» была электростанция Эдисона, построенная в Нью-Йорке в 1882 г.

Яблочков мечтает вернуться на Родину и наладить производство «свечей» в России. Для этого он должен был выкупить у французских компаний право эксплуатировать собственное изобретение. Уплатив огромную сумму – миллион франков, он, лишившись всех сбережений, выезжает в Петербург.

Известного изобретателя встречают с большим почетом. Ему удается создать Компанию по изготовлению «электрических свечей» и аппаратов. Но все оборудование приходилось ввозить из Франции, и Яблочкову не удалось получить ни одной заявки на изобретение, в частности, в области электрических машин. А в 1880 г. стало известно, что в Америке Эдисону удалось усовершенствовать лампу накаливания, которая была более удобной и экономичной, чем «свеча». Заслуги П.Н. Яблочкова в развитии электрического освещения получили всеобщее признание, в 1881 г. он был удостоен высочайшей награды Франции ордена Почетного легиона.

Однако возрастающие материальные затруднения и крушение надежд все больше стали сказываться на состоянии здоровья Павла Николаевича. Усадьбы, где он предполагал жить, уже не было, и он был вынужден жить в номере саратовской гостиницы. Он пытался работать дома, но болезнь сердца прогрессировала, и 31 марта 1894 г. он скончался. Талантливому изобретателю было всего 46 лет! Многие русские и иностранные газеты посвятили ему некрологи. В 1947 г. в связи со столетием со дня его рождения было принято Постановление Правительства об увековечении его памяти, а в 1952 г. на его родине на могиле в селе Сапожок был воздвигнут памятник.

Создание первой практически пригодной лампы накаливания

Наряду с разработкой электрических дуговых ламп многие изобретатели трудились над созданием ламп накаливания. В качестве тела накала применяли угли, графит, иридий и даже платину. С 1838 по 1860 г. были изготовлены лампы накаливания бельгийцем Жобаром, немецким эмигрантом в Америке Гебелем, англичанином Сваном. В них различные тела накала помещались в стеклянные трубки, из которых откачивался воздух. Но они были весьма несовершенны и могли гореть только несколько часов.

Рис. 8.3. Лампы накаливания Лодыгина:

а – с одним угольным стержнем; б – с несколькими угольными стержнями

Первую оригинальную лампу создал в 1870 г. талантливый русский изобретатель А.Н. Лодыгин (1847-1923). Он поместил в стеклянный баллон несколько угольных стерженьков, расположенных так, чтобы при сгорании одного автоматически включался следующий (рис. 8.3). Причем, последние стержни уже накаливались в атмосфере, обедненной кислородом.

Первая публичная демонстрация ламп Лодыгина состоялась в Петербурге в 1870 г., авторское свидетельство он получил в 1874 г., а также запатентовал свое изобретение в нескольких странах Западной Европы. Применив вакуумные колбы, Лодыгин увеличил срок службы лампы до нескольких сотен часов. За изобретение лампы он был удостоен Ломоносовской премии Академии наук. Но наладить эксплуатацию своего изобретения он не сумел.

Следует отметить, что Лодыгин впервые применил в качестве тела накала вольфрамовую нить, и такая лампа демонстрировалась на Парижской выставке в 1900 г.

Больше всех почестей и славы в связи с созданием лампы накаливания был удостоен выдающийся американский изобретатель Т.А. Эдисон (1847-1931). Но Эдисон не был изобретателем лампы накаливания, о чем ошибочно утверждается в некоторых очерках о его жизни.

Сын грузчика зерна, удаленный из школы за бесконечные вопросы к учительнице, он с помощью своей матери получил хорошее домашнее образование и начал трудовую деятельность с продажи газет и журналов в поездах. Увлекшись телеграфией, он в 16 лет уже стал «виртуозом» телеграфного ключа, а в 20 лет получил первый патент на изобретение.

Эдисон знал о лампах Яблочкова и Лодыгина, более того, в ряде источников указывается, что он мог ознакомиться с образцами ламп Лодыгина, привезенных одним из его сотрудников во время командировки в Америку. Очевидно, Эдисон убедился (даже из публикаций в печати), что пока еще никому не удалось создать простую, надежную и экономичную лампу накаливания. И он, с присущим ему с молодых лет энтузиазмом, приступил к совершенствованию лампы накаливания, имея для этого все необходимое – и свои знания, и огромный опыт (до этого он уже был известен своими изобретениями в области телеграфии, телефонии, кинематографии), хорошие производственные мастерские и квалифицированных помощников.

Рис. 8.4. Лампа накаливания Эдисона с цоколем и патроном

В поисках наиболее долговечного материала для изготовления тела накал сотрудники Эдисона объездили весь юг США, Кубу, Китай, Бразилию, Японию (мог ли даже мечтать об этом А.Н. ЛодыинР). Наконец, после многих испытаний остановились на японском бамбуке, из волокон которого изготовлялись угольные нити подковообразной формы. Затем Эдисон изготовил насос для откачки воздуха из стеклянной колбы до разрежения в одну миллионную долю атмосферы. Вскоре лампа была включена и прогорела 45 ч, и никто из сотрудников не мог оторваться от этого зрелища. Как писал Эдисон «…Никто из нас не мог уйти спать, и… во мне укрепилось убеждение, что, наконец, родилась пригодная для практики лампа…»

В январе 1880 г. Эдисон получил патент на вакуумную лампу накаливания. Но огромной заслугой Эдисона является создание всей установочной аппаратуры, выключателей, плавких предохранителей, счетчиков энергии. Поистине гениальной изобретательской находкой явилось создание цоколя и патрона: прошло почти 130 лет, но никому не удалось «выдумать» такое, казалось бы, несложное устройство (рис. 8.4).

В новогоднюю ночь 1 января 1880 г. состоялась публичная демонстрация ламп Эдисона, на которой присутствовало около трех тысяч человек – в том числе, ученые, инженеры, предприниматели, общественные деятели. На Международной выставке в Париже в 1881 г. к лампе Эдисона выстраивались огромные очереди, каждому хотелось включить и выключить лампу. Величайшей заслугой Эдисона перед электроэнергетикой является то, что он впервые внедрил комплексное решение системы электрического освещения, построил первую электрическую станцию (1882) и обеспечил реальные условия для массового применения лампы накаливания.

ГЛАВА 9 У истоков радиоэлектроники и техники сверхвысокой частоты (СВЧ)

Открытие явления термоэлектронной эмиссии

В течение всего XX в. продолжалось триумфальное шествие электротехники и ее разнообразных практических применений в промышленности, сельском хозяйстве, транспорте, связи, медицине, быту. Оказалось, что нет такой сферы в жизни современного общества, где бы не получила применение электротехника.

Но в середине XX в. и особенно во второй его половине обнаружилась такая область, где прорыв по своим последствиям оказался равнозначным новой научно-технической революции – это электроника.

Зарождение электроники было исторически обусловлено и вызвано потребностями развивающегося производства, энергетики, новейших технологий. Электронные приборы позволяли исследовать и измерять процессы в микромире, недоступные другим средствам. Исключительная роль в развитии средств связи, радиотехники, информатики и управления принадлежит радиоэлектронике.

Первым человеком, стоявшим у колыбели радиоэлектроники, был уже известный читателю из предыдущих глав невероятно одаренный и талантливый изобретатель Т.А. Эдисон. Выдающийся талант Эдисона-изобретателя находил предмет изобретения, казалось бы, на «пустом» месте. Заурядное, известное многим явление творческим гением Эдисона приобретало совершенно новые грани. Внутренняя поверхность стеклянной колбы лампы накаливания со временем темнела, что заметно снижало интенсивность светового потока. Это знали тысячи людей, а для Эдисона это явление оказалось отправной точкой для открытия новой области техники, да еще какой – радиоэлектроники!

С 1880 г. он начал вдумчиво исследовать причины этого явления и обнаружил, что почернение колбы вызвано осаждением на ее поверхности частиц раскаленной угольной нити. Но как «поймать» эти частицы и определить, заряжены ли они, и если да, то каким зарядом – положительным или отрицательным?

Через три года экспериментов Эдисон создает опытную установку. На пути потока частиц он укрепил металлическую пластину, соединенную через гальванометр с источником питания. Оказалось, что угольные частицы отрывались от той ветви U-образной нити (рис. 9.1), которая соединялась с отрицательным полюсом батареи. Значит, эти частицы обладают отрицательным зарядом, и если внутри колбы поместить электрод, соединенный с положительным полюсом источника питания, то частицы будут притягиваться к нему. Эдисон изготовил лампу с добавочным металлическим электродом, соединенным с положительным полюсом батареи, и при включении гальванометра его стрелка отклонилась. Это убедительно доказывало, что в вакууме от нити к добавочному электроду идет электрический ток. Так было открыто явление термоэлектронной эмиссии, получившее название «эффект Эдисона». В то время научного объяснения этого необычного явления никто дать не мог, но Эдисон, не дожидаясь «научного обоснования», стремился применить открытый им эффект на практике.

Рис. 9.1. Схема опыта Эдисона:

1 – угольная нить; 2 – металлическая пластина; 3 – гальванометр

Через несколько лет, когда Дж. Дж. Томсоном был открыт электрон (1897), стало ясно, что Эдисон открыл эмиссию электронов с раскаленной нити. В 1884 г. в Американском институте инженеров-электриков был сделан доклад об «Эффекте Эдисона», который сразу же был опубликован. Это была первая в мировой технической литературе статья об электронике.

Изобретение радио

С изобретением радио и широчайшим распространением радиосвязи во всем мире связаны имена нескольких талантливых ученых и изобретателей, каждый из которых сделал свой вклад в создание одного из величайших завоеваний науки и техники. Но первым, кто должен быть назван среди них, был уже известный своими открытиями Никола Тесла.

Еще в 1893 г. он разработал основные элементы радиосистемы, в том числе передатчик и приемник, настроенные в резонанс. Как писал один из английских биографов [9.3], в его схеме «были все признаки радио». Тесла указывал, что, если высокочастотный сигнал пропустить через катушку и конденсатор, то возникнет «резонансный эффект», передающийся на большое расстояние без проводов. И хотя он запатентовал часть своей радиосистемы с описанием аппаратуры, он «…никогда не занимался ее коммерческим применением и даже не удосужился сообщить об этом в печати». Кстати, так он поступал со многими своими открытиями, оставляя другим возможность их использования. А.С. Попов, создав в 1895 г. первый практически пригодный радиоприемник, тоже не получил на него патента. Это позволило итальянскому изобретателю Г. Маркони запатентовать в 1897 г. свою схему и заявить о своем приоритете. И только в 1943 г. через полгода после смерти Н. Теслы американский суд официально подтвердил его приоритет в изобретении радио. Отметим, что после утверждений Маркони о его заслугах, Н. Тесла в частных беседах указывал, что Маркони заимствовал идеи из 17(!) его патентов. Выдающийся английский физик Э. Резерфорд (1871-1937), называя Теслу «вдохновенным пророком электричества», подчеркивал: «Изобретателем беспроводной связи считается Маркони, но на самом деле это был Тесла».

Миллионы людей, с успехом использующие в наши дни мобильные телефоны, даже не представляют, что более 100 лет назад Тесла предсказывал возможность создания «радиотелефонных приемников, дешевых и портативных – не больше наручных часов», позволяющих передавать и слушать сообщения «по всему земному шару». Как сказал Цицерон об Архимеде (287-212), «…в нем больше гения, чем может вместить человеческая природа». Этими же словами можно характеризовать Н. Теслу.

Мы еще вернемся к работам Маркони, но прежде подробней осветим вклад А. С. Попова в изобретение радио. Работая преподавателем Минного офицерского класса в Кронштадте, А.С. Попов (1859-1905) еще до начала 90-х годов высказывал мысль о «возможности использования лучей Герца (т.е. электромагнитных волн) для создания беспроводной связи», потребность в которой наиболее остро ощущалась на флоте. Об этом, в частности, он говорил в своей лекции в Кронштадтском морском собрании в 1889 г. Основное внимание Попов уделял надежному и устойчиво работающему индикатору электромагнитных волн.

Еще в 1891 г. французский физик Бранли создал индикатор электромагнитных волн – стеклянную трубку, наполненную металлическими опилками и названную им когерером. Под воздействием электромагнитной волны опилки слипались, и трубка становилась проводником электричества. Для восстановления чувствительности когерера Бранли встряхивал его руками, а известный английский физик О. Лодж придумал специальный часовой механизм, встряхивающий когерер через определенные интервалы времени. Попов произвел многочисленные эксперименты с порошками металлов и неметаллических веществ (графит), чтобы выяснить их способность изменять проводимость под воздействием электромагнитных волн. Он остановился на «мелких железных опилках», которые поместил в трубку Бранли.

Второй, более сложной, проблемой явилось восстановление чувствительности когерера. То, что делали Бранли и Лодж, Попова никак не устраивало. Один из биографов писал о том, как долго и мучительно думал А.С. Попов над тем, чтобы автоматизировать работу когерера, как «заставить» электромагнитную волну «самую себя обслуживать». Однажды, когда у входа его квартиры зазвенел электрический звонок, Попов, в который раз взглянув на его «молоточек», мгновенно представил схему «звонкового реле», которое будет и сигнализировать о наличии излучения, и при обратном ударе «молоточка» встряхивать когерер. Это было – как все гениальное – просто, но Попов был подготовлен всей предыдущей работой к тому, чтобы увидеть то, что не увидели другие.

Огромной заслугой А. С. Попова является успешное решение этой сложной для того времени задачи. В результате многочисленных экспериментов он изобрел «Прибор для обнаружения и регистрирования электрических колебаний», явившийся первым практически пригодным радиоприемником. На схеме (рис. 9.2) когерер MN горизонтально подвешен на легкой пружине, над ним помещен электрический звонок. Под воздействием электромагнитной волны срабатывал когерер и замыкал цепь нижнего электромагнитного реле. При замыкании контактов реле в цепь той же батареи посредством провода CD включалось второе верхнее «звонковое» реле. Якорь звонка притягивался, и молоточек ударял по чашечке звонка. Но при этом (вот где проявился изобретательский талант А.С. Попова!) размыкалась электрическая цепь звонка, молоточек опускался вниз, восстанавливая чувствительность когерера. Прибор снова был готов к приему новой электромагнитной волны. Для повышения устойчивости работы приемника в цепь когерера включались индуктивные катушки А, В.

Рис. 9.2. Схема радиоприемника А.С. Попова

Как позднее писал О. Лодж, «Попов первый заставил сам сигнал вызывать обратное действие, и этим нововведением мы обязаны Попову». Опыты весной 1895 г. показали, что прибор Попова реагировал и на грозовые разряды, и он соорудил еще один прибор, названный «грозоотметчиком», в котором сигналы от гроз записывались на бумажной ленте.

Вскоре А.С. Попов демонстрировал свой прибор на заседании физического отделения Русского физико-химического общества 25 апреля (7 мая) 1895 г., и его доклад вызвал большой интерес и сочувствие. Этот день в России называется «Днем радио».

Зимой 1895 – весной 1896 г. А.С. Попов занимался усовершенствованием своих приборов, в частности, он использовал более высокую антенну. Присоединив к схеме телеграфный аппарат Морзе, он ввел запись принимаемых сигналов на ленту.

Сообщения о нескольких докладах А. С. Попова были опубликованы в пяти русских печатных изданиях, и достижения ученого высоко оценили специалисты. Но патентной заявки на свое изобретение, как уже отмечалось, А. С. Попов не оформил, чем позднее воспользовались другие изобретатели.

Летом 1896 г. в зарубежной печати появились сообщения об опытах с электромагнитными волнами Г. Маркони (1874- 1937), приехавшего в Англию и сумевшего заинтересовать своими опытами английское Почтовое ведомство и Адмиралтейство. В июне 1896 г. Маркони подал заявку в британское патентное ведомство и получил в июле 1897 г. патент. После этого в докладе Королевского общества были описаны приборы и, как утверждает один из специалистов в области радиотехники [9.2], «за исключением второстепенных деталей аппаратура Маркони по схеме аналогична приборам для беспроводной связи, которые разработал А. С. Попов за 14 месяцев до этого». Кстати, достаточно взглянуть (даже не специалисту) на схему приемного устройства Маркони, чтобы убедиться в их почти полном сходстве. Об этом говорил и писал сам А. С. Попов.

В докладе «Телеграфирование без проводов», в 1899 г. на первом Всероссийском электротехническом съезде А.С. Попов утверждал: «…Моя комбинация реле, трубки и электромагнитного молоточка послужили основой первой привилегии Маркони. Во Франции мой прибор был описан в некоторых журналах, и при появлении описаний приборов Маркони указано было сходство его приемной станции с моим прибором». Еще ранее в июльском номере журнала «Электричество» за 1897 г., где было перепечатано сообщение из английского журнала о приборе Маркони, редакция сделала специальное примечание – «Реле Маркони представляет почти полную копию прибора г. Попова». Но в отличие от Попова, Маркони был опытным предпринимателем, и ему удалось с помощью видных представителей деловых кругов организовать в 1897 г. крупное акционерное общество «Маркони и К 0 », много сделавшего для развития беспроводной связи.

В конце 1901 г. большой коллектив инженеров компании «Маркони», проявив незаурядные способности в решении сложных технических проблем и использовав передатчик мощностью 25 кВт, впервые в мире осуществил радиосвязь через Атлантический океан на расстояние около 3500 км. Это событие стало важнейшей вехой в истории радиосвязи, и она вскоре обрела широчайшее применение на всех континентах. Имя Маркони стало известно всему миру, его популярность быстро росла, а в 1909 г. ему была присуждена Нобелевская премия. Щедро оплачиваемые им адвокаты с успехом защищали его патенты в судебных инстанциях, но, как уже отмечалось, американский суд «официально и окончательно» подтвердил приоритет Н. Теслы в изобретении радио. К сожалению, до этого великий ученый не дожил.

В то же время А. С. Попов, который не запатентовал свое изобретение и широко опубликовал результаты своих работ в научной печати, сделал – по выражению одного из биографов – «свое изобретение достоянием всего человечества». Несмотря на материальные трудности и отсутствие достаточной поддержки со стороны правительственных чиновников, А.С. Попов еще весной 1897 г. осуществил радиосвязь между двумя кораблями на расстояние 5 км, а летом 1899 г. впервые в мире осуществил дальнюю длительно действующую радиосвязь на расстояние более 40 км, обеспечившую спасение потерпевшего аварию броненосца Балтийского флота. Эта работа получила высокую оценку европейских специалистов. В 1900 г. на Всемирном электротехническом конгрессе и Всемирной выставке в Париже А.С. Попову была вручена золотая медаль и диплом «за вклад в изобретение беспроводного телеграфа».

Он был профессором и первым избранным директором Петербургского электротехнического института, но после безвременной скоропостижной кончины А.С. Попова в 1905 г. (ему едва исполнилось 45 лет) имя его, как создателя первого практически пригодного радиоприемника, стало постепенно забываться, стираться из памяти новых поколений, особенно на фоне триумфальной популярности Г. Маркони. Вскоре после смерти А. С. Попова физическое отделение Русского физико-химического общества создало авторитетную комиссию, которой было поручено изучить все документы и показать действительную роль А.С. Попова в изобретении радио. К решению комиссии были приложены свидетельства известных зарубежных ученых в области радиосвязи – О. Лоджа (Англия) и Э. Бранли (Франция). Таким образом, в 1909 г. был подтвержден приоритет А.С. Попова, а не Г. Маркони.

Первые радиолампы

Открытие «эффекта Эдисона» послужило толчком к созданию первых двух и трехэлектродных ламп – диода и триода, сыгравших важную роль в развитии радиотехники и не случайно называвшихся «радиолампами».

В 1904 г. английский физик и радиотехник Д.А. Флеминг (1849-1945) – член Лондонского королевского общества, изобрел первую электронную двухэлектродную лампу – диод. Он предложил его использовать для выпрямления переменного тока: металлическая нить, накаленная током от гальванической батареи, – катод – испускала электроны, устремлявшиеся к положительно заряженной металлической пластинке — аноду. В лампе возникал электрический ток, и этот прибор оказался весьма чувствительным детектором. Как указывалось в одной монографии, «диоду Флеминга, благодаря ряду последующих конструктивных усовершенствований, предстояла долгая жизнь в радиотехнике».

Рис. 9.3. Триод Ли де Фореста, как усилитель сигналов

Спустя три года, в 1907 г., американский радиотехник Ли де Форест (1873-1961), проведя множество экспериментов с вакуумными лампами, создал новый прибор – трехэлектродную лампу, поместив между анодом и катодом третий электрод, названный им «сеткой». Эта проволочная металлическая сетка располагалась ближе к катоду и управляла потоком электронов: при отрицательном потенциале на сетке она уменьшала поток электронов, а при положительном потенциале усиливала электронный поток, т.е. текущий через лампу анодный ток возрастал. Ли де Форест назвал свою лампу «аудионом», позднее она стала называться триодом. Лампа могла усиливать электрический сигнал, и с этой целью она устанавливалась в линиях связи через определенные расстояния и обеспечивала необходимую дальность связи (рис. 9.3).

У истоков техники СВЧ

Когда знакомишься только с частью опубликованных трудов Н. Теслы[*К сожалению, как недавно было установлено, в Национальном музее Н. Теслы в Белграде, где хранятся его ценнейшие рукописи и документы, а также модели созданных им машин и аппаратов, тысячи страниц его рукописей по разным причинам еще не изучены.], получившим более 800 патентов на изобретения в области электротехники, радиотехники и телемеханики, невольно поражаешься тому, как одному человеку удалось сделать столько открытий, большая часть которых до сих пор служит человечеству. Невольно вспоминаются строки одного сербского поэта, что «в голове Теслы исполинских мыслей рой»! Никола Тесла стоял и у истоков техники СВЧ.

Создание резонанс-трансформатора

Работая над созданием электрических машин, ученый впервые обратил внимание на особенности переменного тока высоких частот, и в 1889 г. построил первый высокочастотный генератор, дающий ток частотой 1000 периодов в секунду, а вскоре – еще более мощный – с частотой 20 тыс. периодов. Н. Тесла установил, что при дальнейшем увеличении частоты ухудшаются характеристики машин и пришел к выводу о необходимости изыскания немашинного способа генерирования высоких частот.

Ученому было известно, что еще в 1842 г. выдающийся американский физик Дж. Генри обнаружил колебательный характер электрических разрядов конденсатора, он знал и о катушке Румкорфа, и о первых простейших трансформаторах. С огромным интересом он следил за сенсационными исследованиями Г. Герца, доказавшего возможность получения электромагнитных волн, не оставил без внимания и появившиеся публикации о резонансных явлениях в электрических цепях.

Анализ всех этих открытий подсказал Н. Тесле удивительно перспективную идею: соединить в одном приборе свойства трансформатора и явление резонанса. И в 1891 г. он создает свой знаменитый резонанс-трансформатор, сыгравший огромную роль в развитии различных отраслей электротехники и радиотехники и широко известный по названием «трансформатор Теслы». Между прочим, с легкой руки французских электриков и радистов этот трансформатор стал называться просто «Тесла».

В приборе Н. Теслы (рис. 9.4, а) первичная обмотка L_1 (настроенная в резонанс со вторичной L_2) была включена через разрядник В с индукционной катушкой J, батареей лейденских банок и конденсаторами C_1 и С_2 . При разряде изменение магнитного поля в первичной цепи вызывало во вторичной обмотке L_2 , состоящей из большого числа витков, ток весьма большого напряжения и частоты. Изменяя емкость конденсаторов, можно было получить электромагнитные колебания с различной длиной волны.

О)

б)

Рис. 9.4. Резонанс-трансформатор Теслы

При проведении экспериментов ученый столкнулся с проблемой надежности изоляции катушек при сверхвысоких напряжениях и предложил погружать витки катушек в льняное масло (на рис. 9.4, б видна ванночка с маслом), которое позднее стали называть трансформаторным.

Н. Тесла предложил использовать резонанс-трансформатор для возбуждения проводника-излучателя, поднятого высоко над землей и способного передавать энергии высокой частоты без проводов. Очевидно, что излучатель ученого был первой антенной, нашедшей вскоре широчайшее применение в радиосвязи.

Говоря о практическом использовании высокочастотных колебаний, Н. Тесла в своей лекции «О световых и других высокочастотных явлениях», прочитанной им в 1893 г. во Франк- линовском институте в Филадельфии, утверждал: «Я хотел бы сказать… о предмете, который все время у меня на уме и который затрагивает благосостояние даже всех нас. Я имею в виду передачу осмысленных сигналов и, может быть, даже энергии на любое расстояние вовсе без помощи проводов. С каждым днем я все более убеждаюсь в практической осуществимости этой схемы… Мое убеждение установилось так прочно, что я рассматриваю этот проект передачи энергии или сигналов без проводов уже не просто как теоретическую возможность, а как серьезную проблему электротехники, которая должна быть решена со дня на день».

Н. Тесле принадлежит заслуга и в создании первых газосветных ламп, которым он предрекал большое будущее. Проводя эксперименты с высокочастотными колебаниями, Тесла пришел к выводу о возможностях их практического использования.

Можно понять восторженный прием, оказанный Н. Тесле во время его выступлений и демонстраций удивительных для того времени явлений в различных городах Америки и Европы. В феврале 1892 г., будучи в Лондоне, Н. Тесла был приглашен в зал Королевского общества, где он был удостоен высочайшей чести: его усадили в кресло Фарадея и налили в бокал виски из бутылки, которую в свое время не допил Фарадей. Со времени смерти выдающегося английского физика ни одному из ученых не оказывали таких почестей.

Работая с высокочастотным источником напряжения, Тесла положил начало использованию СВЧ в медицине – диатермии и аппаратам УВЧ, им было разработано несколько типов медицинских аппаратов. В 1898 г. он с успехом выступил с докладом на Конгрессе американской электротерапевтиче- ской ассоциации.

Ранее мы уже писали о докладе Теслы в 1893 г. в Филадельфии «О световых и других высокочастотных явлениях», в которых он впервые указал на возможность практического использования высокочастотных колебаний «для передачи энергии или сигналов без проводов». В 1900 г. Тесла начал строительство уникальной мощной радиостанции «для всемирной передачи электроэнергии». Проект, названный, мировой системой, предусматривал сооружение гигантской каркасной 47-метровой башни. Он опубликовал в одном из известных журналов Америки «Манифест Николы Теслы», в котором надеялся на материальную помощь и кредиты банкиров, предлагал всем, кто будет использовать его изобретения, техническую помощь и подчеркивал: «Ближайшее будущее, в этом я уверен, станет свидетелем революционного переворота в производстве, превращении и передаче энергии, в области транспорта, освещения, телеграфа, телефона и других областях промышленности и искусства. По моему мнению, эти успехи должны будут последовать в силу всеобщего принятия токов высокого напряжения и высокой частоты и новых регенеративных процессов охлаждения при очень низких температурах…».

К сожалению, создание «Мировой системы» реализовать не удалось, монтаж электрооборудования задерживался из-за недостатка средств, и после начала Первой мировой войны все работы были прекращены, а башню во избежание использования ее в целях шпионажа пришлось взорвать.

Статью Теслы о передаче электроэнергии без проводов с большим интересом встретили электротехники разных стран.

Один из русских электротехников писал в 1905 г. в журнале «Электричество»: «Быть может, мысли Теслы – утопия, но это утопия гениальная». Как мы уже указывали в предыдущих главах, многое из того, о чем мечтал Тесла, свершилось в наши дни, но ряд его поистине фантастических идей пока реализовать не удалось.

В заключение приведем отрывок из книги швейцарского инженера Г. Эйхельберга, в котором ярко изображены нарастающие темпы научно-технического прогресса, изданной в Цюрихе в 1953 г. «Полагают, что возраст человечества = 600 тысяч лет. Представим себе это движение в виде марафонского бега на 60 км, начавшегося где-то и идущего к финишу. Большая часть этого расстояния пролегает через девственные леса, о которых мы ничего не знаем. Только в самом конце, после 58 – 59 км, мы находим первобытные орудия, первые признаки культуры и на последнем километре появляется все больше признаков земледелия. За 200 м до финиша дорога, покрытая каменными плитами, ведет мимо римских укреплений; за 100 м до финиша наших бегунов обступают средневековые городские строения. До финиша остается еще 50 м, там стоял человек, умными и понимающими глазами следивший за бегом. Это были глаза Леонардо да Винчи.

Осталось только 10 м! Они начинаются при свете факелов и скудном освещении масляных ламп. Но при броске на последних 5 м происходит ошеломляющее чудо: электрический свет заливает ночную дорогу, повозки без тяглового скота мчатся мимо, машины шумят в воздухе, и пораженный бегун ослеплен светом прожекторов, репортеров, радио и телевидения».

Список литературы

Ко всем главам

1. Белькинд Л.Д., Конфедератов И.Я., Шнейберг Я.А. История техники. М.: Госэнергоиздат, 1956*.

2. История энергетической техники / Л.Д. Белькинд, О.Н. Веселовский, И.Я. Конфедератов, Я.А. Шнейберг. М.: Госэнергоиздат, 1960.

3. Веселовский О.Н., Шнейберг Я.А. Энергетическая техника и ее развитие. М.: Высшая школа, 1986.

4. Кудрявцев П.С. Курс истории физики. М.: Просвещение, 1982.

5. Карцев В.П. Приключения великих уравнений. М.: Знание, 1970.

6. Лебедев В.И. Электричество, магнетизм и электротехника в их историческом развитии. М.-Л., 1937.

7. История электротехники / под ред. И.А. Глебова. М.: Издательство МЭИ, 1999.

8. Шателен М.А. Русские электротехники XIX в. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1955.

9. Шарле Д.Л. Хет-трик в матче с Атлантикой. Серия изданий «История радиосвязи и радиотехники». Люди и события в истории электротехники и электросвязи. М.: МЦНТИ, 2002. Вып. 2.

10. Шнейберг Я.А. Титаны электротехники. М.: Издательство МЭИ, 2004.

К главе 1

1.1. Быховский М.А. Круги памяти. Серия изданий «История радиосвязи и радиотехники». М.: МЦНТИ, 2001. Вып. 1.

1.2. Блинкин С.А. Очерки о естествознании. М.: Знание, 1979.

1.3. Герасимов В.Г., Орлов И.Н., Филиппов Л.И. От знаний – к творчеству. М.: Издательство МЭИ, 1995.

1.4. Шнейберг Я.А. Воспитательный аспект преподавания курса электротехники. НИИ проблем высшей школы. М., 1975.

К главе 2

2.1. Двигубский И. Физика. – 3-е изд. М., 1825.

2.2. Карцев В.П. Магнит за три тысячелетия. М.: Энергоатомиздат, 1988.

2.3. Карцев В.П., Хазанов П.М. Тысячелетия энергетики. М.: Знание, 1989.

К главе 3

3.1. Болотов А.Т. Краткия и на опытности основанные замечания об елек- трицизме и о способности електрических махин к помоганию от разных болезней. СПб., 1803.

3.2. Петров В.В. Известие о гальвани-вольтовских опытах. М.: Гостехиздат, 1936.

3.3. Белькинд Л.Д. Академик Василий Петров // История техники. М.-Л.: ОНТИ, АКТП СССР, 1936.

3.4. Елисеев А.А., Шнейберг Я. А. В.В. Петров (К 200-летию со дня рождения). Курск: Книжное изд-во, 1961.

3.5. Околотин В. Вольта. М.: Молодая гвардия, 1986.

3.6. Шнейберг Я.А. У истоков электротехники. М.: Учпедгиз, 1969.

3.7. Шнейберг Я.А. Василий Владимирович Петров. М.: Наука, 1986.

К главе 4

4.1. Елисеев А.А. Возникновение науки об электричестве в России. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960.

4.2. Очерки по истории физики в России / под. ред. А.К. Тимирязева. М.: Просвещение, 1949.

4.3. Шнейберг Я.А. У истоков электрических измерений// Мир измерений. 2007. № 6.

К главе 5

5.1. Фарадей М. Экспериментальные исследования по электричеству. Т. 1. М.: Изд-во АН СССР, 1947.

5.2. Динамомашина в ее историческом развитии. Документы и материалы/ под. ред. В.Ф. Миткевича. М.: Изд-во АН СССР, 1934.

5.3. Электродвигатель в его историческом развитии. Документы и материалы / под. ред. В.Ф. Миткевича. М.: Изд-во АН СССР, 1936.

5.4. Бочарова М.Д. Электротехнические работы Б.С. Якоби. М.: Госэнергоиздат, 1959.

5.5. Веселовский О.Н. Михаил Осипович Доливо-Добровольский. М.: Госэнергоиздат, 1958.

5.6. Гусев С.А. Очерки по истории развития электрических машин. М.: Госэнергоиздат, 1955.

5.7. Ржонсницкий Б.Н. Никола Тесла. М.: Молодая гвардия, 1959.

5.8. Цверава Г.К. Никола Тесла. М.: Наука, 1972.

5.9. Цверава Г.К. Джозеф Генри. Л.: Наука, 1983.

5.10. Яроцкий А.В. Борис Семенович Якоби. М.: Наука, 1988.

К главе 6

6.1. Кошманов В.В. Георг Ом. М.: Просвещение, 1980.

К главе 7

7.1. Шнейберг Я.А. Трансформаторы. Методическая разработка по курсу электротехники и электроники. М.: МЭИ, 1979.

К главе 8

8.1. Белькинд Л.Д. Павел Николаевич Яблочков. М.: Госэнергоиздат, 1950.

8.2. Белькинд Л.Д. Томас Альва Эдисон. М.: Наука, 1964.

К главе 9

9.1. Берг А.И., Радовский М.И. Изобретатель радио А.С. Попов. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1949.

9.2. Родионов В.М. Зарождение радиотехники. М.: Наука, 1958.

9.3. Lomas R. The Man, who invented the twentieth century. Nikola Tesla, Forgotten Genius of Electricity. London: Headline, 1959.

Content

Ян Абрамович Шнейберг
История выдающихся открытий и изобретений (электротехника, электроэнергетика, радиоэлектроника)

Предисловие

ГЛАВА 1 Знать прошлое, чтобы ориентироваться в настоящем и предвидеть будущее

ГЛАВА 2 Мифы и факты об электричестве и магнетизме

ГЛАВА 3 Изобретение конденсатора и создание первого электрохимического источника тока – важнейшие страницы в летописи электричества

ГЛАВА 4 Что такое молния и гром. «Электрический указатель» Рихмана и «громовая машина» Ломоносова и Рихмана. Вклад Франклина в изучение атмосферного электричества

ГЛАВА 5 Открытие электромагнетизма и создание разнообразных электрических машин, ознаменовавших начало электрификации

ГЛАВА 6 Как был открыт закон Ома

ГЛАВА 7 Трансформатор – важнейший элемент электротехнического оборудования

ГЛАВА 8 Человеческий гений создает электрический свет, «подобный солнечному»

ГЛАВА 9 У истоков радиоэлектроники и техники сверхвысокой частоты (СВЧ)

Список литературы