ИСТОЧНИК МОГУЧЕЙ силы


ИСТОЧНИК МОГУЧЕЙ силы

Энергия, заключенная в топливе, мощность рек и водопадов, сила ветра только тогда стали по-настоящему служить человеку, когда он заставил их вращать электрический генератор.

Преображенная в электрический ток энергия смогла покинуть место своего рождения и прийти на заводы, фабрики, в дома. Электрический ток, как чудесная кровь, пульсирует в жилах проводов, заставляя работать и могучий блюминг и крошечный настольный вентилятор. Электричество впрягается в тысячетонные поезда, и оно же легкими толчками движет стрелки уличных часов.

Непревзойденные по удобству управления электрические моторы, дробящие пришедшую издалека энергию, стали неотъемлемой органической частью современных машин и станков.

Генератор тока, трансформатор, линия электропередачи, снова трансформатор и бесчисленная армия электродвигателей — вот замечательная цепь, на которой держится силовое хозяйство современной промышленности и транспорта.

* * *

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, не слышался стук двигателя, не виднелись клубы дыма и пара — обычных спутников паровой машины.

Какая-то непонятная сила заставляла вращаться гребные колеса, и лодка с четырнадцатью пассажирами быстро шла против сильного течения.

Так сто с лишним лет назад испытывалось первое в мире судно, приводимое в движение электричеством, — «дедушка» современных гигантских электроходов.

Лодку с электродвигателем, питаемым батареей гальванических элементов, спроектировал академик Борис Семенович Якоби (1801 — 1874). Он же изобрел в 1834 году электродвигатель, годный для практического применения. В этой работе Б. С. Якоби.опирался на законы электричества, открытые знаменитыми физиками французом А. Ампером и англичанином М. Фарадеем, и, в частности, на закон электромагнитной индукции, открытый Фарадеем в 1831 году. Якоби воспользовался и результатами исследований в области электромагнетизма, проведенных им самим совместно с академиком Э. X. Ленцем.

Мы по праву считаем Якоби пионером электроэнергетической техники: своим электроходом он практически использовал способность электрической энергии превращаться в механическую.

Электродвигатель Б. С. Якоби.

Схема взаимодействия магнита и электрического тока (к закону Ленца).

Электродвигатель Якоби открыл новую страницу в развитии техники. Пытаясь построить электродвигатель, многие конструкторы копировали в то время паровую машину. Так поступил, например, англичанин Пэдж, создавший свой двигатель в 1838 году, француз Бурбуз, построивший электродвигатель двумя годами позже. Эти изобретатели заставляли якоря своих машин двигаться под действием электромагнитов возвратнопоступательно (как движется поршень в цилиндре паровой машины): попеременно то в одну, то в другую сторону. Это движение якоря они передавали с помощью кривошипа валу.

Якоби пошел другим путем. 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 и предложил 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 электромагниты — подвижные и неподвижные — притягивались друг к другу. Происходил поворот барабана на небольшой угол. При вращении барабан посредством особого устройства — прообраза современного коллектора — производил переключение тока таким образом, что взаимодействие между полюсами электромагнитов постоянно подталкивало барабан.

Электрический двигатель Якоби давал «непосредственное постоянное круговое движение, которое гораздо легче преобразовать в другие движения, чем возвратно-поступательное». Этими словами изобретатель подчеркнул то существенно новое, что было в его двигателе.

Исключительно важной особенностью машины Якоби явилось то, что она была машиной с обратимым циклом. Двигатель Якоби мог работать и как генератор, 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 электродвигателем.

Обоснование важнейшего свойства электрических машин — их обратимость, осуществленная впервые в двигателе Якоби, — вытекало как следствие из обобщенного закона индукции, сформулированного академиком Э. X. Ленцем.

Ленц принимал живое участие в работах Якоби над электродвигателем.

Они оба деятельно сотрудничали 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».

Имя Бориса Семеновича Якоби мы будем вспоминать еще не раз. В истории электротехники этот выдающийся ученый своими замечательными разносторонними трудами оставил глубокий след. Якоби во-

площал в себе не только талантливейшего исследователя, но и крупного инженера-практика и педагога.

Основанная им в Кронштадте «школа гальванеров» была одним из первых в мире электротехнических учебных заведений.

Академик Э. X. Ленц занимался главным образом теоретическими исследованиями. Величайшее значение в электротехнике имеет установленный им закон, указывающий направление индуктивного тока. Закон Ленца дает возможность электрику, зная направление тока, возникшего в проводнике, и положение этого проводника по отношению к другим, определить, в каком направлении потекут в проводниках индуктированные, наведенные токи.

Этот закон, известный каждому школьнику как «правило Ленца», и сейчас служит основой электродинамических расчетов, входит в золотой фонд теоретической электротехники.

Ценность этого теоретического вклада Ленца состоит еще и в том, что он впервые установил связь между электромагнитными и электродинамическими явлениями. В этой работе Ленца говорилось: «работа перемещения первого проводника превращается в электрическую энергию во втором проводнике». Эти слова не что иное, как формулировка в применении к электричеству принципа сохранения энергии и превращения одного ее вида в другой.

Ленц произнес эти слова во времена, когда некоторые ученые делали из своих опытов заключения, обратные правилу, сформулированному Ленцем. Таков был общий уровень представлений об электричестве.

Неудивительно, что закон, дающий соотношение между величиной тока, электродвижущей силой источника тока и сопротивлением проводника, установленный в 1827 году немецким физиком Омом, — знаменитый закон Ома, — долгие годы никак не мог быть понят большинством тогдашних ученых.

Ленц и Якоби были в числе первых, кто понял смысл этого открытия и сумел оценить его пользу для науки об электричестве. Силой своего авторитета они помогли разрушить заговор молчания, более десятилетия окружавший труды выдающегося немецкого физика.

❖ * *

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 желе-

Установка Столетова. При перемене направления тока в первичной обмотке, навитой на кольцеобразный образец, во вторичной обмотке возникает импульс тока, действующий на гальванометр. Это позволяет определить намагниченность образца.

зо, инженер на бумаге рассчитывает конструируемые железные сердечники. Чтобы узнать магнитные свойства различных материалов, их испытывают в лабораториях. Исследуя, как растет намагничение контрольного образца по мере усиления магнитного поля, создаваемого обмотками, снимают так называемые кривые намагничения.

Все эти расчеты и испытания стали возможными после того, как в 1872 году молодой ученый А. Г. Столетов опубликовал свою диссертацию «Исследование о функции намагничения мягкого железа». Он первый установил зависимость магнитных свойств железа от величины намагничивающего поля. Сам Столетов, понимая все значение своей работы для инженерной практики, писал: «Знание свойств железа относительно временного намагничивания так же необходимо здесь, как необходимо знакомство со свойствами пара для теории паровых машин. Только при таком знании мы получим возможность обсудить а рпоп (независимо от опыта. — Ред.) наивыгоднейшую конструкцию подобного снаряда и наперед рассчитать его полезное действие».

Столетов впервые применил для испытаний магнитных свойств материалов кольцеобразную форму образца. Это помогло ему исключить погрешности, появляющиеся при измерениях образцов, имеющих концы. Метод исследования, примененный Столетовым, сохранился и до наших дней.

Работа Столетова по изучению ферромагнетизма протекала в годы, когда нужды электрического освещения настоятельно требовали создания источников тока более мощных, более дешевых и надежных, чем гальванические элементы, служившие до той поры единственными источниками энергии.

И как в создание электрических светильников, так и в конструирование необходимого к ним оборудования — генераторов, трансформаторов, коммутаторов, арматуры — русские изобретатели вносили новые технические идеи.

Журнал «Русский вестник» в 80-х годах прошлого века писал: «...Наши соотечественники продолжают стоять во главе исследований, направленных к усовершенствованию и упрощению аппаратов для электрического освещения, и с честью подвизаются на этом трудном, но многообразном поприще. Заслуги русских деятелей относительно практических применений электрического тока к освещению в большом размере и упрощения потребных для этого приборов остаются вне всякого сомнения и теперь уже признаны всей Европой».

Годы, когда стало распространяться электрическое освещение, ознаменованы замечательнейшими открытиями, изобретениями, усовершенствованиями в производстве электроэнергии и превращении ее в энергию механическую.

Правда, конструирование машин, создающих электрический ток, началось сразу же после открытия Фарадеем электромагнитной индукции. В 1832 году первый генератор построил англичанин Пикси. Подобную машину создал и Э. X. Ленц. В этих генераторах использовались постоянные магниты, и назывались они магнитоэлектрическими машинами. Долгое время они не выходили из стен лабораторий — в технике, промышленности для них не находилось применения. Первым серьезным потребителем электрического тока явилась гальванотехника — покрытие одного металла слоем другого при помощи электролиза. Появление галь-

ванотехники, а затем дуговых фонарей для маяков дало толчок развитию генераторов. Но и в середине 60-х годов постоянные магниты — тяжелые и громоздкие в больших машинах — считались обязательной принадлежностью каждого генератора.

Важной вехой в истории электротехники было появление машины, у которой вместо постоянных магнитов были электромагниты. Ее изобретение связывают с именем англичанина Г. Уайльда.

Уайльду, правда, не удалось окончательно освободить генератор от постоянных магнитов. Предложенная им конструкция представляла собой, по существу, две машины. Одна из них, главная, производила ток, направлявшийся к потребителю, вторая, меньшая, служила для выработки тока, питавшего электромагниты главной машины. Эта вторая машина и была оснащена постоянными магнитами.

Последний шаг на пути усовершенствования устройства генераторов был сделан почти одновременно изобретателями разных стран. Предложенный ими принцип самовозбуждения основан на очень простой идее: слабого остаточного магнетизма сердечников электромагнитов вполне достаточно для того, чтобы в первый момент при запуске машины получить небольшой ток. Этот ток, попадая в электромагниты, усиливает их действие, и, таким образом, мало-помалу ток, даваемый генератором, растет, пока не достигнет полной силы.

Так был обоснован принцип динамо-машины. Воплотить его в жизнь помогло изобретение Зиновия Грамма — столяра французского электротехнического завода «Аллианс». Дело в том, что попытки применить принцип самовозбуждения к машинам старых конструкций оказались неудачными: быстрая смена направления токов в якорях сильно нагревала железо. В якоре, предложенном Граммом, положительный и отрицательный полюса не менялись местами.

Машина Грамма дала толчок развитию многих отраслей электротехники.

В конструировании генераторов принимали деятельное участие и русские электротехники. Яблочков сконструировал несколько типов динамо-машин, среди которых важное место занимает его альтернатор — одна из первых и наиболее удачных машин этого типа. Альтернаторы — машины, вырабатывающие переменный ток, стали впоследствии основой промышленной электротехники. Д. Лачинов, А. Полешко, М. Доливо-Доброволь-ский также работали над совершенствованием генераторов.

Крупный успех в области электротехники сильных токов был достигнут инженером В. Н. Чиколевым. В 1872 году Чиколев установил электродвигатель на швейной машине, то есть осуществил индивидуальный электропривод к станку.

Эта электрифицированная швейная машина экспонировалась на Всероссийской политехнической выставке в Москве в 1872 году и привлекла к себе большое внимание. Изобретателю — пионеру использования силы электричества для привода машин — была присуждена Большая золотая медаль.

Значение этого выдающегося технического новшества с огромной силой раскрылось в наши дни. Индивидуальный электропривод — самый совершенный способ использования электрического двигателя.

Электропривод позволил впоследствии освободить цехи заводов от бесчисленных приводных ремней и трансмиссий, с помощью которых

раньше передавалась механическая энергия от центральной паровой машины к станкам и механизмам. Чи-колев понял, что новую силу надо использовать по-новому, что надо заменить механическую передачу — ремни и трансмиссии — электрическими проводами, протянутыми к электродвигателям станков.

В 70—80-х годах XIX века продолжалось и усовершенствование электродвигателя.

Несмотря на многочисленность конструкций электродвигателей, появившихся в эти десятилетия, все они были основаны на том самом принципе, который предложил Б. С. Якоби.

В 1889 году сербский физик Николай Тесла сделал изобретение, наметившее сдвиг в области конструирования электрических двигателей,— он предложил систему двухфазного переменного тока. А в 1890 году произошло событие, совершившее переворот в технике переменных токов. Русский инженер Михаил Осипович Доливо-Добровольский (1862—1919) изобрел новую систему электрического тока — трехфазный переменный ток — и сконструировал для него специальный трансформатор и совершенно новый электродвигатель — трехфазный асинхронный мотор, несравненно более простой и удобный, чем двигатель постоянного тока.

Генератор трехфазного переменного тока, построенный Доливо-Добровольским также в 1890 году, представлял собой, по сути, три электрические машины, сидящие на одном валу и имеющие общий статор. Обмотки этих машин были сдвинуты относительно друг друга на одну треть окружности, на 120 градусов. Поэтому токи, уходившие от альтернатора по трем проводам, также были «смещены» на 120 градусов. 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 двигатель, изобретатель необыкновенно выгодно и гениально просто использовал особенности трехфазного тока. Такой двигатель имеет три обмотки. Питаемые трехфазным током, они создают в пространстве,

обхватывающем ротор, вращающееся поле, которое увлекает с собой в движение и сам ротор.

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

Так появился на свете двигатель трехфазного тока, родоначальник бесчисленной армии электромашин, составляющих «мускулатуру»

Ротор трехфазного асинхронного двигателя Доливо-Добро-вольского.

Михаил Осипович Доливо-Добровольский.

А. С. Попов демонстрирует адмиралу С. О. Макарову свою радиоустановку.

современной промышленности. С появлением этого изобретения электросиловая техника получила все для своего расцвета. Выносливые, неприхотливые, простые и надежные моторы трехфазного тока стали технической основой электрификации промышленности.

Основной тип электродвигателя был создан. Но развитие техники требовало генераторов и двигателей со специальными качествами.

И в эту область сделали свой вклад электротехники. Уже в 1912 году русский инженер, впоследствии член-корреспондент Академии наук, В. П. Вологдин, о плодотворной деятельности которого в области токов высокой частоты мы уже говорили, создает альтернатор высокой частоты, пришедший на смену катушкам Румкорфа. Это изобретение способствовало расцвету радиотехники, так как позволило отказаться от «искровых» радиопередатчиков — маломощных и неустойчивых в работе.

Неустанно совершенствовались и формы использования электропривода. Электрический двигатель стал завоевывать не только промышленность, но и транспорт.

Одна за другой предлагались конструкции электрических экипажей и лодок — потомков той, на которой Б. С. Якоби плавал по Неве. Об истории проникновения электричества на транспорт рассказывается в главе «Новаторы транспорта». Здесь мы остановимся только на одном из событий в этой истории.

В 1903—1904 годах русскими инженерами были построены электроходы «Сармат» и «Вандал». Дизели этих судов, вращая динамо-машины, передавали посредством тока свою мощность электромоторам, соединенным с валами гребных винтов.

Электроходы находят все большее распространение в наши дни, — 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: он не выделяет газов и не потребляет воздуха.

Блестящих успехов достигла советская электроэнергетика. В нашей стране электричество давно уже стало главной силой, двигающей станки и машины заводов, фабрик, рудников и строек.

Успешно работает первая в мире промышленная электростанция на атомной энергии. Скоро завершатся стройки величайших гидроэлектростанций, которые дадут нашей промышленности и сельскому хозяйству огромное количество электроэнергии.



Истории, рассказы о русской науке и технике, Болховиттинов В. 1957