Электричество – источник силы

«Рассказы о русском первенстве» — читайте интересные статьи из этой книги, с продолжениями! Вы узнаете о реальном вкладе русских ученых и изобретателей в развитие мировой  науки и техники.

Энергия, заключенная в топливе, мощь рек и водопадов, сила ветра только тогда стали настоящими слугами человека, когда он заставил их вращать электрический генератор.

Осенью 1838 года прохожие, столпившиеся на набережной Невы, с интересом следили за странной лодкой. На лодке не было гребцов. Были, правда, гребные колеса, но отсутствовала труба, было не слышно стука двигателя, не виднелись клубы дыма и пара, эти обычные спутники недавно появившейся тогда паровой машины.

Непонятная сила заставляла вращаться гребные колеса, и лодка с четырнадцатью пассажирами быстро шла против сильного невского течения.

Так сто с лишним лет назад испытывалось первое в мире судно, приводимое в движение электричеством. Лодку с электродвигателем, питаемым батареей гальванических элементов, спроектировал русский академик Борис Семенович Якоби. Он же изобрел в 1834 году двигатель — первый в мире электромотор, годный для практического применения.

В том же году, когда была построена электролодка, Борис Семенович Якоби сконструировал специальный электромотор для железнодорожной тележки. Это была первая смелая попытка электрифицировать железную дорогу.

Пытаясь построить электродвигатель, многие конструкторы Запада копировали в то время паровую машину. Они заставляли якори своих машин двигаться под действием электромагнитов возвратно-поступательно (как движется поршень в цилиндре паровой машины): попеременно то в одну, то в другую сторону. Это движение якоря они передавали валу с помощью кривошипа.

Решая вопрос об использовании электрической энергии, резко отличной от царившего тогда «его величества пара», Б. С. Якоби отбросил негодные в этом случае старые мерки, старые приемы конструирования. Он дал новую схему двигателя.

Электромотор Якоби представлял собой конструкцию, состоявшую из вращающегося барабана, на котором по окружности были укреплены электромагниты, и наборов электромагнитов, неподвижно сидящих на станине также по окружности. При включении тока подвижные и неподвижные электромагниты притягивались друг к другу. Происходил поворот барабана на небольшой угол. Вращение барабана посредством особого устройства — прообраза современного коллектора — производило переключение тока таким образом, что взаимодействие между полюсами электромагнитов постоянно подталкивало барабан.

Таким образом, мотор давал «непосредственное постоянное круговое движение, которое гораздо легче преобразовать в другие виды движения, чем возвратно-поступательное».

Этими словами изобретатель подчеркнул то новое, что было в его моторе. Электромотор Якоби с его вращательным движением, получаемым непосредственно, и отсутствием прямолинейно движущихся частей — родоначальник всех электрических моторов и генераторов. Важной особенностью машины Якоби явилось то, что она была первой машиной с обратимым циклом. Мотор Якоби мог работать и как динамо, то есть вырабатывать электрический ток, если бы его привели в движение, затратив на это механическую энергию.

В 60—70-х годах XIX века Якоби еще более отчетливо и определенно раскрыл перед учеными принцип обратимости. Он заставил одну и ту же электрическую машину попеременно служить то генератором, то электромотором.

Важнейшее свойство электрических машин — их обратимость, осуществленная впервые в моторе Якоби, была открыта и сформулирована как общий закон другом и соратником Якоби — петербургским ученым Э. X. Ленцем.

Ленц принимал в работах Якоби над электродвигателем деятельное участие. Они с увлечением работали в «Комиссии для исследования применения электромагнитов для движения машин». В отчете об их трудах по установлению принципов действия электромагнитных машин и законов электромагнетизма комиссия писала: «..комиссия представляет себе в удовольствие засвидетельствовать, что исследования Якоби и Ленца более и существеннее послужили в объяснении количественных отношений электромагнетизма, нежели другие какие-либо опыты новейшего времени».

В 40-х годах авантюрист Вагнер выпустил в Германии брошюрку, в которой попытался выдать электродвигатель Якоби за свое изобретение. Затея Вагнера провалилась. Научные журналы заклеймили позором этого мошенника.

Якоби, своими замечательными разносторонними трудами, оставил неизгладимый след истории электротехники. Он воплощал в себе не только талантливейшего исследователя, но и крупнейшего инженера-практика и педагога. Основанная им «школа гальванеров» была первым в мире электротехническим учебным заведением.

Соратник Якоби Ленц занимался главным образом теоретическими исследованиями. Величайшее значение в электротехнике имеет установленный им закон, указывающий направление индуктированного тока. Закон Ленца дает возможность электрику, зная направление тока, возникшего в проводнике, и положение этого проводника по отношению к другим проводникам, определить, в каком направлении потекут в этих проводниках индуктированные, наведенные токи. Этот закон Ленца и посейчас служит основой электродинамических расчетов и наряду с законом обратимости электрических машин входит в золотой фонд теоретической электротехники,

Русский гений уже в первые десятилетия XIX века создал принципиальные основы электрических машин. Однако пора практического применения их настала значительно позже. В те же годы, в эпоху господства пара, уровень концентрации промышленности еще мирился с паровой машиной.

Следующий крупный шаг в развитии основ электротехники связан с именем великого русского физика Александра Григорьевича Столетова.

Прежде чем построить динамо-машину, мотор, электромагнит, трансформатор, словом, любую электрическую машину, содержащую железо, инженер на бумаге рассчитывает конструируемые железные сердечники. Чтобы узнать магнитные свойства различных материалов, их испытывают в лабораториях, снимая так называемые кривые намагничивания. Исследуют, как растет намагничивание контрольного образца по мере усиления магнитного поля, создаваемого обмотками.

Все эти расчеты и испытания стали возможными после того, как в 1872 году молодой ученый А. Г. Столетов опубликовал свою диссертацию «Исследование о функции намагничивания мягкого железа». Он первый установил зависимость магнитных свойств железа от величины намагничивающего поля.

Остроумная методика Столетова, впервые применившего для испытаний магнитных свойств материалов баллистический гальванометр и кольцеобразную форму образца, помогающую исключить погрешности, появляющиеся при измерениях с образцами, имеющими концы, сохранилась и до наших дней.

Теория ферромагнетизма, основу которой заложил Столетов, получила дальнейшее развитие в трудах советских магнитологов. Один из виднейших представителей советской магнитологии — действительный член Академии наук БССР Н.С.Акулов открыл важный закон ферромагнетизма. Этот закон  количественно отображает зависимость магнитных свойств ферромагнитных кристаллов от направления, в котором рассматривают эти свойства. Закон магнитной анизотропии — основа расчета разнообразнейших магнитных явлений и дальнейшего развития теории ферромагнетизма.

Развитию электротехники способствовали и нужды электрического освещения.

Электрические светильники требовали создания более мощных, дешевых и надежных источников тока, чем гальванические элементы, служившие на заре электротехники единственными источниками энергии.

Годы становления электрического освещения ознаменованы рядом открытий, изобретений, усовершенствований в области производства электроэнергии и превращения ее в энергию механическую.

Здесь надо вспомнить Яблочкова, создавшего трансформатор, без которого не обходится ни одна современная электроэнергетическая установка. Ему же принадлежит честь изобретения нового типа якоря для динамо-машин и электромоторов — барабанного якоря, наиболее совершенного по своей конструкции. Якори прежних конструкций представляли собой железные кольца, обмотанные проволокой. Изготавливать такие кольца, обматывать их проволокой и сочленять готовый якорь с машиной было делом нелегким. Мало того, машины с таким якорем имели очень небольшой коэффициент полезного действия. Лишь небольшая доля механической энергии, затрачиваемой на вращение якоря, превращалась в электрическую.

Барабанный якорь Яблочкова представлял собой железный цилиндр, посаженный на ось. Обмотка укладывалась в пазы, пропиленные на его поверхности. Изготовление такого якоря было несравненно проще, чем кольцевого. Но главное преимущество якоря Яблочкова заключалось в его высоком коэффициенте полезного действия, значительно большем, чем у якорей старой конструкции. Дело в том, что зазор между полюсами статора и барабанным якорем можно было сделать значительно меньшим, чем в кольцевом якоре.

Своим якорем Яблочков неоценимо обогатил электротехнику. И снова к замечательному достижению русского гения протянулись жадные руки. По примеру Вагнера и Шуккерта, некий инженер Гефнер Альтенек, узнав из публикаций о якоре Яблочкова, постарался присвоить себе это изобретение. Альтенеку удалось даже получить патент. С тех пор буржуазные историки науки приписывают этому человеку изобретение барабанного якоря

Яблочков сконструировал несколько типов динамо-машин, среди которых выдающееся место занимает его альтернатор — одна из первых и наиболее удачных машин этого типа. Альтернаторы, машины, вырабатывающие переменный ток, стали впоследствии основой промышленной электротехники.

В конструировании динамо-машин принимали деятельное участие и другие русские инженеры и ученые: Д. Лачинов, А. Полешко, М. Доливо-Добровольскнй.

Крупный успех в области электротехники сильных токов был достигнут инженером Чиколевым. В 1872 году Чиколев соединил воедино электромотор со швейной машиной, то есть осуществил первый индивидуальный электропривод к станку. Индивидуальный электропривод станков и машин — самый совершенный способ использования электрического двигателя в промышленности.

В 70-х и 80-х годах XIX века была продолжена работа и над усовершенствованием электромотора. Несколько конструкций электродвигателей создал тот же неутомимый Яблочков.

Любопытно, что в одном из построенных Яблочковым электродвигателей конструктору удалось обойтись без применения железных сердечников.

В 1890 году в электротехнике произошло событие, равное по своему значению технической революции. Русским инженер Михаил Осипович Доливо-Добровольский изобрел новую форму электрического тока — трехфазный переменный ток, и конструировал для него совершенно новый электродвигатель — трехфазный асинхронный мотор, более простой и удобный, чем мотор постоянного тока.

Генератор трехфазного переменного тока, построенный Доливо-Добровольским, представлял собой по сути дела три электрические машины, сидящие на одном валу и имеющие общий статор.

Обмотки этих машин были повернуты относительно друг друга на одну треть окружности, т.е. 120°. Поэтому токи, уходившие от альтернатора по трем проводам, также были «смещены» на 120°. Это значит, что когда в одном из проводов напряжение возрастало в положительную сторону, в другом оно падало, а в третьем росло в отрицательную сторону. Создав работающий на этом токе трехфазный асинхронный мотор, изобретатель необыкновенно выгодно и гениально просто использовал особенности трехфазного тока. Такой мотор имеет три обмотки. Питаемые трехфазным током, они создают в пространстве, охватывающем ротор мотора, вращающееся поле, которое увлекает с собой в движение и сам ротор.

Вращение магнитного поля, достигавшееся ранее с помощью сложной системы переключений, рождалось в моторе русского изобретателя само собой, в силу природы трехфазного тока.

Так появился на свет родоначальник великой армии промышленных электромашин — мотор трехфазного тока. Простые и надежные моторы трехфазного тока стали технической основой электрификации промышленности.

Основной тип электродвигателя был создан. Но работа над ним не прекращалась. Жизнь предъявляла требования на генераторы и моторы со специальными качествами.

Гениальный Попов изобрел радио. Радиотехника потребовала генератор тока высокой частоты. В 1912 году Валентин Петрович Вологдин создает альтернатор высокой частоты, который пришел на смену маломощным катушкам Румкорфа. Это изобретение необычайно способствовало расцвету радиотехники.

Неустанно совершенствовали русские техники и формы использования электропривода. В 1903 году русские инженеры снова применили силу электричества для движения судов. В этом году были построены электроходы «Сармат» и «Вандал». Дизели этих судов, вращая динамо-машины, передавали свою мощь электромоторам, соединенным с валами гребных винтов. Электроходы находят все большее распространение. Они более маневренны и удобны в управлении, чем прочие суда.

В подводном флоте принцип электродвижения существует почти в том же виде, в каком он вышел из рук Якоби. Для движения подводной лодки не найти лучшего двигателя, чем электромотор, питаемый батареей аккумуляторов: электромотор не выделяет газов и не потребляет воздуха.

Источник: Болховитинов В. и др. Рассказы о русском первенстве. Москва: Изд-во ЦК ВЛКСМ «Молодая гвардия», 1950. 424 с. С.108-112.