/
Author: Веселовский О.Н. Шнейберг Я.А.
Tags: электротехника электроэнергетика электроника электротехнические устройства
ISBN: 5-7046-0043-3
Year: 1993
Text
ББК:31.2гя 92
В 381
УДК: 621.3(09) (075)
«Федеральная целевая программа
книгоиздания России»
Рецензенты: докт. техн, наук, проф. В. Е. Шаге ринков,
докт. техн, наук, проф. А. В. Нетушил
Веселовский О. Н., Шиейберг Я. А.
В 381 Очерки по истории электротехники. — М.: Издательство МЭИ,
1993. "252с.
ISBN 5-7046-0043-3
Излагаются основные этапы развития электротехники, раскрываются ее слож-
ные взаимосвязи с социальными, экономическими, экологическими процессами.
Рассказывается об установлении важнейших законов электротехники, о истории
развития электрических машин, трансформаторов и многих других электротехни-
ческих устройств и приборов, о зарождении и развитии электроники.
Для преподавателей электротехнических дисциплин вузов, а также сту-
дентов, аспирантов, инженеров и научных сотрудников, интересующихся ис-
торией электротехники.
2202010000 -008
097^02^—93 5 ’*
ББК: 31.2 гя 92
ISBN 5-7046-0043-3
© Веселовский О. Н., Щнейберг Я. А.. 1993
ПРЕДИСЛОВИЕ
В связи с усилением гуманитаризации и гуманизации высшего
технического образования возрастает потребность в учебных посо-
биях, освещающих историю культуры, естествознания и отдель-
ных отраслей науки и техники.
Настоящая работа предназначена для студентов электротехниче-
ских специальностей и для начинающих преподавателей электро-
технических дисциплин, недостаточно знакомых с историей развития
электротехники, а также преподавателей, занимающихся на фа-
культетах повышения квалификации по электротехническим специ-
альностям. Авторы надеются, что книга окажется полезной и для
преподавателей, ведущих занятия по курсу «Введение в специаль-
ность». Отдельные главы книги могут представлять интерес для ас-
пирантов и инженеров электротехнических специальностей.
Ранее опубликованные авторами совместно с профессорами
Л. Д. Белькиндом и И. Я. Конфедератовым учебное пособие по
истории энергетической техники (1960 г.), а также пособие
авторов «Энергетическая техника и ее развитие» (1976 г.) дав-
но уже стали библиографической редкостью.
Авторы назвали настоящее пособие «Очерками по истории электро-
техники», так как ограничились освещением истории наиболее важных
этапов развития электротехники, ориентируясь на программу дисцип-
лины «История электротехники», читаемой много лет на факультете
повышения квалификации Московского энергетического инстшута
преподавателям по специальности «Общая электротехника». Обычно
цикл таких лекций вызывает у слушателей большой интерес. Естест-
венно, что в «Очерках» авторы не смогли проанализировать целый ряд
проблем из истории электротехники и заранее благодарят всех читате-
лей за их замечания и пожелания, которые просят направлять по адре-
су: 105835, Москва, Е-250, Красноказарменная, 14, Издательство МЭИ.
Авторы выражают благодарность рецензентам рукописи — кол-
лек гиву кафедры электротехники и электрооборудования Москов-
ского института приборостроения, возглавляемой докт. техн, наук
проф. В. Е. Шатерниковым, и докт. техн, наук проф. А. В. Нету-
шилу за их ценные замечания и советы.
3
ВВЕДЕНИЕ
Быть может, читатель этой книги — студент или инженер-элект-
рик, а, возможно, и преподаватель электротехнических дисцип-
лин — увидев только ее название, подумает: А нужно ли ему
знать историю электротехники, тем более, если современную
электротехнику он знает достаточно хорошо?
А нам хотелось бы задать ему встречный вопрос: можно ли предста-
вить хорошего музыканта, не знающего истории музыки или худож-
ника (тоже, конечно, хорошего), не изучившего истории живописи?
Наверное, читатель согласится, что такого музыканта или ху-
дожника представить трудно. А вот инженера или преподавателя,
не знающего истории своей специальности, оказывается предста-
вить можно. Недостаток обшей культуры, узкое технократическое
мышление — одна из причин, по которой наш огромный инженер-
ный корпус давно уже подорвал свой престиж.
А сегодня в условиях перестройки всех сфер жизни общества стра-
на ждет от высшей школы подготовки специалистов, можно сказать,
экстракласса, которые могли бы обеспечить выход отечественной на-
уки и техники на высшие мировые рубежи. Но для этого специали-
сту недостаточно владеть только узкопрофессиональными знаниями.
Он должен быть всесторонне образованной, высоко нравственной
личностью, владеющей самыми современными методами организа-
ции и управления производственными процессами.
В современном взаимосвязанном, противоречивом и бурно раз-
вивающемся мире, развитие науки и техники тесно связано с соци-
альными, экономическими, историческими, экологическими процессами.
Чтобы творчески решать актуальные научно-технические пробле-
мы инженеру нужно уметь глубоко осмысливать все эти сложные
взаимосвязи научно-технического прогресса, овладеть целостным науч-
ным мировоззрением, умением творчески применять диалектиче-
ские методы в любой сфере своей деятельности.
Поэтому сейчас в высшей технической школе все большее вни-
мание уделяется гуманизации и гуманитаризации образования,
воспитанию всесторонне образованной, духовно богатой личности,
обладающей высокой культурой и нравственностью, подлинной
4
интеллигентностью, способной к самостоятельной творческой ра-
боте, к непрерывному самообразованию.
Именно гуманитарные знания помогут нашим молодым специ-
алистам преодолеть технократическое и узкопрофессиональное
мышление, ориентировать их на общечеловеческие ценности, де-
мократизм и гуманизм.
Изучение истории развития естествознания, истории конкретной от-
расли науки и техники безусловно будет существенно способствовать
гуманизации и гуманитаризации высшего технического образования.
При этом особенно важно, чтобы отдельные факты из истории
электротехники естественно вплетались в ткань изложения конк-
ретных разделов электротехники и электроники. Формирование
научного мировоззрения на основе изучения той или иной области
науки и техники является наиболее естественным и рациональ-
ным путем, отвечающим требованиям и диалектики, и дидактики.
Многолетний опыт чтения лекций по электротехнике и элект-
ронике, накопленный авторами, убедительно подтверждает целе-
сообразность изложения фактов из истории электротехники
именно в конкретной связи с изучением того или иного раздела.
Но ни в коем случае нельзя ограничиваться только перечнем фа-
милий выдающихся деятелей науки и техники, нужно показать их
вклад в фундамент современной электротехники (к сожалению,
некоторые преподаватели лишь на вводной лекции перечисляют
фамилии крупнейших ученых и инженеров, отмечая обшей фра-
зой их заслуги перед отечественной и мировой электротехникой).
А ведь жизнь и творческий путь наиболее выдающихся деятелей на-
уки и техники могут служить примером истинного гуманизма, высо-
ких гражданских нравственных позиций. И если преподаватель,
объясняя, например, какое-либо электротехническое устройство —
будь то Трансформатор или асинхронный двигатель, хотя бы кратко
расскажет, когда, кто и как создавал это устройство, пояснит логику
инженерной мысли, пути преодоления неизбежных в процессе творче-
ства трудностей, нередко связанных с социальными, общественными
проблемами, ярко обрисует незаурядность личности инженера гни
ученого, то воспитательный эффект окажется более результативным.
На электротехнических кафедрах немало преподавателей, знаю-
щих современную электротехнику и электронику и хорошо владею-
щих математическим аппаратом, которые на лекции, посвященной,
5
например, асинхронным двигателям, рассказывают о принципе их
действия, особенностях конструкции, изображают на доске их мо-
дели, пишут уравнения электрического состояния, выводят фор-
мулы, но не показывают особенностей истории развития этих
двигателей, не раскрывают логику инженерной мысли и творче-
ской методологии изобретателя, пути преодоления противоречий
в процессе создания двигателя. А без этого трудно научить студен-
та творчески, логически мыслить, нельзя увлечь его своеобразной
романтикой инженерного поиска, возбудить желание попробовать
свои силы в решении пусть пока не очень сложных конкретных
технических задач, активней включиться в научно-исследова-
тельскую работу.
Только на конкретных примерах зарождения, развития и совер-.
шенствования каких-либо технических устройств можно познать
диалектику научно-технического прогресса.
Преподавателям технических дисциплин нужно умело показы-
вать закономерности развития той или иной отрасли техники, ее тес-
ную взаимосвязь не только с другими техническими науками, но и с
общественными явлениями, воспитывать у студента материалисти-
ческий подход к оценке явлений научно-технического прогресса.
Для этого — нам хотелось еше раз подчеркнуть, — каждому пре-
подавателю необходимо хорошо знать не только современное состоя-
ние конкретной отрасли техники, но и историю ее развития.
В условиях научно-технической революции резко возросла от-
ветственность ученого и инженера за социальные последствия
своей деятельности. Исключительную роль для будущего инжене-
ра, ученого приобретает умение изыскивать наиболее эффективные
методы организации и управления производством, планирования и
прогнозирования научно-технической деятельности. Опыт поколе-
ний показывает, что нужно хорошо знать прошлое, чтобы ориенти-
роваться в настоящем и предвиде гь будущее.
Нам могут возразить, что для освещения вопросов истории
электротехники или другой области техники, раскрытия творче-
ской методологии выдающихся деятелей науки и техники нет вре-
мени, что число часов, отведенных для лекций, и без того
недостаточно. Но важно не 1олько ЧТО, но и КАК излагать на лек-
ции. Ведь, чет греха таить, есть еще у нас преподаватели, читающие
лекции по старым конспектам, пересказывающие учебники, излага-
6
юшие нередко описательный материал, повторяющие раздеты, кото-
рые уже излагались в других дисциплинах, например, в физике.
Многолетний опыт показывает, что при тщательной методиче-
ской отработке, и, если хотите, режиссуре лекции, она может не-
сти огромный воспитательный, гуманитарный заряд! Правда, для
этого преподавателю следует творчески относиться к своей работе,
неустанно повышать свою квалификацию, стремиться к овладе-
нию сокровищами мировой культуры.
К сожалению, пока еще значительная часть учебников и учебных
пособий по техническим дисциплинам не удовлетворяет требовани-
ям, обеспечивающим процесс формирования научного мировоззре-
ния и гуманитаризации обучения. В них обычно излагаются уже
разработанные теоретические положения, сообщаются те или иные
законы, описываются конструкции и принцип действия конкретных
технических устройств. Но при этом остается в тени процесс «добы-
вания знаний», позволивший достичь современного уровня, недоста-
точно раскрываются перспективы развития, не показываются
противоречия и логика инженерно-технических решений и роль не-
устанной познавательной деятельности человека, его стремление ис-
пользовать добытые знания для практических целей.
К сожалению, также нет и современных книг по истории элект-
ротехники. Поэтому авторами в ответ на обращение Президиума
научно-методического совета по электротехнике Рособразования
СССР (1988 г.) были написаны эти краткие очерки.
Это учебное пособие ни в коей мере не претендует на роль фунда-
ментального труда по истории электротехники. И будучи ограничен-
ными объемом книги, авторы постарались хотя бы кратко осветить
лишь наиболее значительные факты из истории электротехники.
При этом успехи современной электротехники в книге почти не ос-
вещаются за исключением становления электроники, являющейся
одним из важнейших «ответвлений» от «древа» электротехники. Ав-
торы полагали, что материалы о современных особенностях и путях
развития электротехники и электроники довольно подробно освеще-
ны в литературе и вполне доступны для их изучения.
ГЛАВА /
ТЕХНИКА И ЧЕЛОВЕК. ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
1.1. Техника и некоторые закономерности ее развития
С древнейших времен человек, используя простейшие орудия и
средства труда, которые он постепенно совершенствовал, начал
добывать себе пишу, изготавливать одежду, строить жилище, т.е.
все то, без чего он не мог существовать.
Как известно, средства труда — это материальные вещи или
комплексы вещей, которые человек ставит между собой и предме-
том труда, чтобы воздействовать на тот или иной предмет труда
будь то камень, дерево, земля.
Слово «техника» произошло от древнегреческого слова
« техне », что означает умение,, мастерство. Оно и сейчас применя-
ется для оценки мастерства артистов, музыкантов, спортсме-
нов, в тех областях человеческой деятельности, в которых
результат трудового процесса преимущественно зависит от лич-
ных качеств.
Эффективность же труда гораздо больше зависит от используе-
мых средств труда, поэтому и слово «техника» применительно к
трудовому процессу постепенно все более стало характеризовать
не мастерство исполнителя, а применяемые средства труда, кото-
рые и получили название «техника».
Проходят тысячелетия, и человек, обогащаясь знаниями, позна-
вая простейшие законы природы, становится создателем материаль-
ных благ — главной силой, определяющей развитие общества.
Темпы развития все более заметно убыстряются. Как писал
К. Маркс, «Медленно начинает история свой бег от невидимой точ-
ки, вяло совершая вокруг нее свои обороты, но круги ее все растут,
все быстрее и живее становится полет, наконец, она мчится подобно
пылающей комете, от зве. ды к звезде, часто касаясь старых своих
8
утей, часто пересекая их, и с каждым оборотом все больше при-
нижается к бесконечности»*. Так образно обрисована картина все
злее убыстряющегося научно-технического прогресса, свидетелем
эторого мы являемся.
И все это оказалось возможным благодаря знаниям, таланту,
юрчеству миллионов людей, которые буквально на наших глазах
зменяют окружающий нас мир.
Природа покоряется человеку, который познает ее законы и при-
еняет их в процессе труда. Но во все времена определяющим факто-
>м производственной, созидательной деятельности был человеческий
зуд, включающий не только его физические усилия, но и интеллекту-
1ьный, нравственный, культурный потенциал. Поэтому техника —
: только продукт деятельности, она дает представление и об уровне
дзического и духовно-нравственного развития человека той или
юй эпохи. Поэтому легко показать взаимное влияние развития
хники и человека.
По мере познания законов природы человек создавал новые бо-
е совершенные средства труда, уточнял их конструктивные
>рмы, расширял технические приемы их использования.
В процессе труда изменялись формы, состав, структура матери-
а — предмета труда. Но такие изменения неизменно были свя-
гы с затратами энергии, как в пределах одного ее вида, так и
и переходах ее из одной формы в другую. Поэтому все проиЗ-
дственные процессы являются энергетическими.
Следовательно, в процессе труда человек использует вещество
•нергию природы.
Техника, являясь элементом производительных сил общества,
•анически связана и со способом производства, который вклю-
:т в себя производственные отношения. Естественно, что разви-
: общества тесно взаимосвязано с развитием техники.
Техника служит не только для производства материальных
1г; она неразрывно связана с культурой общества. Так, техника
gaTaHiia способствует широкому распространению идей
мыслителей, бессмертных творений художников слова;
: и Ф. Энгельс. Из ранних произведений. М.: Госполитиздат, 1956.
9
техника радио и телевидения приблизила живое слово и худо* о на них более заметное влияние оказывают общественно-эконо-
ственный образ к миллионам радиослушателей и телезрителей.
Но радиоприемник шли телевизор — это один из элемент
сложных средств труда диктора, с помощью которых его moi
увидеть и услышать одновременно миллионы людей и однов|
менно техническое средство управления производством.
[ические структуры.
Одна из характерных закономерностей развития техники — исто-
t[ ическая обусловленность важнейших открытий и изобретений.
Практически все выдающиеся изобретения были вызваны объек-
иьной необходимостью, вытекающей из первичной движущей силы
История электротехники, как это будет видно из последующих
лав, показывает, что в XIX и в XX вв. крупные вклады в технику
делались приблизительно в одно и то же время многими изобрета-
телями в разных странах и независимо друг от друга.
Это объясняется только тем, что совершенно объективно и незави-
:имо от вали изобретателей возникает потребность в продукте их
Рис. 1.1. Развитие мировой
энергетики с I860 г
10
Процесс развития техники характеризуется целым рядом зако1 взвитая общества, и, в частности, для техники — из потреоности в
мерностей. Наука, изучающая эти закономерности, называется ис 1атериальных благах. К. Маркс писал: «Критическая история техно-
рией техники. Важно понять, что история техники — одновременн югии вообще показала бы, как мало какое бы то ни было изооретение
техническая и общественная наука, так как она исследует развщ (VIH столетия принадлежит тому или иному отдельному лицу»*,
техники в тесной взаимосвязи с развитием общества.
Раскрытие и анализ закономерностей развития техники ос
вываются на методе диалектического материализма.
Главная движущая сила развития техники — производство
обходимых обществу материальных благ.
В процессе непрерывного развития техники изменяются
только количество, но и качество технических объектов, проис творчества: электропередаче, лазере или транзисторе. Следователь-
дит замена старых объектов новыми. Важно понять, что разви н0> ддЯ понимания субъективной деятельности изобретателя нужно
техники происходит все более убыстрение, на основе новых з прежде всего оценить объективные условия, поставившие перед ним
ний, приобретенных от предшествующих поколений (рис. 1.1 >. определенную задачу, так как при этом создаются объективные ма-
При изучении развития техн термальные предпосылки ее решения, а субъективные качества изо-
очень важно понимать, что бретателя дают возможность увидеть и решить эту задачу,
уровень этого развития реша На основе этого можно показать и роль личности в развитии тек-
шее влияние оказывают как зак ники. Нередко встречаются утверждения, будто то или иное откры-
естествознания, так и обществ
но-экономические законы.
Например, уровень техн
определяется степенью позна
законов природы, и поэтому i
ника безразлична к класса!
социально-экономическим (
темам: современный трг
форматор или электричес
двигатель, созданные на росс
ском или американском заво! годами непрерывно трудится над какой-либо проблемой, то воз-
в принципе не отличаются 1
от друга. Что же касается нап|
ления, темпов развития тех чя
тие явилось делом случая, плодом «озарения» гениального ученого.
Что касается второго — то, несомненно, открытия и изобрете-
ния делаются, как правило, выдающимися инженерами и учены-
ми. Это результат огромного творческого труда, многочисленных
усилий и, конечно, природной одаренности ученого или инже-
нера. А вот что касается «случая», то каждый студент, буду-
щий инженер, должен хорошо понять, что случайно без
фундаментальных знаний и упорного труда открытие или изобре-
тение сделать невозможно. Как говорят, «случай идет навстречу
тому, кто к нему уже подготовлен». И если ученый или инженер
можно какой-либо случай может вызвать в их сознании новую
* К. Маркс и Ф. Энгельс. Соч.. т. 23, 383 с.
11
идею или помочь «увидеть» новое устройство. Хрестоматийн!
пример: электрический звонок над дверью А. С. Попова и «звонков
реле» — важнейший элемент в схеме его радиоприемника. I
В качестве примера разрешения противоречий в развитии те!
ники возьмем современную область криогенераторостроения. К1
известно, первые экспериментальные конструкции криогенерат!
ров имеют ряд преимуществ перед обычными, но криоустанов!
для такого генератора пока еще очень несовершенна. Поэтому с!
здание экономичного и надежного криогенератора является се!
час сложной комплексной научно-технической проблемой, на
решением которой работают НИИ, заводы, крупные творчя
ские коллективы. И, несомненно, учитывая еще и открытие выся
котемпературной сверхпроводимости, экономичный и надежны!
криогенератор будет создан. I
Показатели количественных изменений в виде ежегодного пря
цента прироста широко применяются как для оценки темпов раз!
вития отдельных областей техники, так и для ее роста п1
суммарному показателю — приросту объема промышленной про!
дукции. Экстраполяция статистически обоснованных кривых раз!
вития может служить основой для прогнозирования развити!
техники или отдельных ее отраслей. Таким образом, исследуя ка!
чественные и количественные пути развития техники в прошлом
и изыскивая для них конкретные показатели, мы получаем воз!
можность прогнозировать будущее. А это особенно важно в уело!
виях современной научно-технической революции. I
Потребность общества в материальных благах выявляется я
форме постоянно возникающего и постоянно разрешаемого проти-1
воречия между потребностью в материальных благах и возможно-!
стью ее удовлетворения. В свою очередь указанные противоречия
вызывают необходимость изменения существующего способа про-1
изводства. Так, в XIX в. возник кризис господствовавшего меха-|
нического способа передачи энергии от ее источников к
потребителям. Он направил творчество изобретателей на разра-
ботку различных методов передачи энергии, среди которых на-
илучшие результаты дал электрический. Во второй половине]
XX в. назревает кризис энергетики в связи с ограниченностью ресур-
сов органического топлива, особенно в ряде районов земного шара, и
недостаточностью водных источников при громадном потребле-
12
нии энергии. Это стимулирует исследования ученых и инженеров в
поиске путей безопасного использования ядерной и других видов
энергий.
Противоречия, подобные описанным, всегда возникали и возни-
кают в отдельных отраслях техники. Но история техники знает и
такие переломные моменты развития, когда указанное противоречие
распространялось на технику в целом, на весь связанный с ней спо-
соб производства, вызывало общий кризис, приводило к смене мето-
дов производства (например, промышленный переворот XVIII в.).
Современная научно-техническая революция, начавшаяся в сере-
дине XX в., представляет собой совокупность коренных качествен-
ных изменений в средствах, технологии, организации и управлении
производством на основе новых научных принципов. Эта революция
подготовлена не только развитием науки и производительных сил,
но и теми социальными изменениями, которые произошли в обще-
стве в результате мирового революционного процесса.
В отличие от промышленного переворота XVIII в., ознаменовав-
шего переход от мануфактурного к крупному машинному производ-
ству, современная научно-техническая революция — это переход к
качественно новой высшей ступени машинного производства — К
крупному автоматизированному машинному производству.
В отличие от системы машин XIX в., состоявшей из трех эле-
ментов: машины-орудия, машины-двигателя и передаточного ме-
ханизма, современная автоматическая система машин включает
помимо указанных трех звеньев еще качественно новое — управ-
ляющее звено. В последние десятилетия на основе управляющего
звена была создана принципиально новая машина — управляю-
щая, которая постепенно превращается в самостоятельный тип си-
стемы машин. Переход к четырехзвенной структуре машин,
содержащих автоматическое устройство, моделирующее некото-
рые мыслительно-логические функции человека, является исход-
ным пунктом современной научно-технической революции.
Научно-техническая революция характеризуется перестройкой
технической и отраслевой структуры народного хозяйства. В процес-
се этой перестройки создаются материально-вещественные предпо-
сылки для последующего этапа — крупного автоматизированного
машинного производства. Перестройка происходит во всех элемен-
13
тах материального производства — в системе машин, в техноло-
гии производства, в структуре всего народного хозяйства.
Неизмеримо возросла роль науки в развитии производства. На-
ука превращается в непосредственную производительную силу,
становится составным специфическим элементом производитель-
ных сил общества.
Основа современной научно-технической революции — электри-
фикация и электронизация всех звеньев производственного процесса.
Следовательно, важнейшие изменения в развитии производства не-
посредственно связаны с развитием энергетики, электротехники,
электроники. Создание крупного автоматизированного машинного
производства, сложных автоматизированных систем управления,
внедрение электронных вычислительных машин на производстве,
транспорте, в строительстве, в научно-исследовательских, конструк-
торских, плановых организациях невозможно осуществить без огром-
ных затрат электроэнергии, без создания новых электротехнических н
электронных устройств.
Самым общим качественным показателем уровня развития техни-
ки служит производительность труда. Этот показатель непосредствен-
но связан с другими — производительностью машины, выражающейся
в количестве вырабатываемого ею продукта в единицу времени.
Производительность машин, а вместе с ней и производитель-
ность техники в целом постоянно растут. Качество машины можно
оценить ее производительностью. Но производительность, в свою
очередь, является следствием ряда факторов, наиболее существен-
ные из которых — интенсивность, напряженность работы. Интен-
сивность работы машин достигается увеличением скорости
движения, концентрации и интенсификации механических, фи-
зических и химических процессов. В качестве примера интенсифи-
кации процессов в электротехническом устройстве можно
сослаться на значительные повышения напряжения в линиях элек-
тропередач — от десятков и сотен до сотен тысяч вольт.
Другим качественным показателем развития техники является
коэффициент полезного действия, позволяющий оценить совер-
шенство машин. Можно п жазать, что кпд машин имеет тенден-
цию роста (рис. 1.2). Как правило, после достижения 95% рост
кпд замедляется, хотя могут происходить отдельные скачки.
14
Однако в современных условиях развития научно-технического про-
гресса качественный прогресс техники ни в коем случае нельзя оцени-
вать только по значениям кпд и другим экономическим показателям.
Все более проникая в тайны природы, человек, как уже отмеча-
лось, научился создавать такие могучие технические объекты, что
развиваемые ими мощности оказываются соизмеримыми с геофи-
зическими и космическими (рис. 1.3).
При разработке таких объектов требуется комплексный сис-
темный подход с учетом не только технико-экономических, но и
социальных, экологических последствий их деятельности. Совре-
менный специалист всегда должен помнить, что наше общество
должно быть ориентировано прежде всего на человека, на созда-
ние условий для его здоровой, творческой жизни, для его всесто-
роннего развития.
В творческой деятельности инженера или ученого большое зна-
чение имеет не только умение видеть ростки нового, но и правиль-
но оценивать старое. В процессе развития техники происходят
постоянные замены одного вида технических объектов другими,
более соответствующими новым потребностям. В период своего
возникновения эти объекты ускоряли промышленный прогресс, но
с течением времени они стали тормозить его дальнешее развитие,
несмотря на то, что постоянно совершенствовались. Например,
паровозы широко применявшиеся еще в первой половине нашего
века, были во много раз мощнее, быстроходнее и экономичнее па-
ровозов Стефенсона или Черепановых. Но если первые паровозы
являлись новым шагом в развитии транспортной техники, то сей-
час они у» е давно выглядят анахронизмом.
15
Рис. 1.3. Примерные мощности в природе и искусственных установках (порядок
величин — в ваттах)
I — взрыв новой звезды 10 ; 2 — излучение свермвезды 103 , 3 — солнце; 4 — лу-
на; J — радиосигнал 10' .6 — атомная бомба 10 , 7 — водородная бомба 10,8 —
Q 12
ллектроперезача Самара—Москва 10 ; 9 — все электростанции мира 2 • 10 ; 10 —
все авиалайнеры 10 ; // — ЕЭС 10 * (Европейской части); 12 — все реки и водо-
пады 1013;/3 — 10 • 102;— муха 10'5
16
Следовательно, в отличие от живых существ технические объ-
екты уступают место более современным в период своего наивыс-
шего расцвета. Это тоже одна из закономерностей техники.
Понимание этого процесса позволяет легче преодолевать старые
традиции в отношении технических объектов, которым иногда
отданы многие годы творческой деятельности, помогает легче от-
казаться от них, если они не имеют перспектив развития в бу-
дущем.
И оценивая вклад того или иного деятеля науки и техники,
нужно прежде всего иметь в виду, что им сделано нового по срав-
нению со своими предшественниками.
Важной особенностью развития техники является возврат к
старым идеям на основе достижений научно-технического про-
гресса. Так, первые трехфазные трансформаторы М. О. Долпво-
Добровольского имели пространственный магнитопровод, ио
вследствие сложности технологии их изготовления они не полу-
чили применения. Прошло более 75 лет. Технический уровень
трансформаторостроения значительно повысился, освоение про-
изводства рулонной холоднокатаной стали и использование для
обмоток алюминиевой фольги и ленты позволили наладить се-
рийное производство мощных трансформаторов с пространствен-
ным магнитопроводом.
Следует иметь в виду еще одну характерную особенность
развития техники: новое часто создается в старых конструктив-
ных формах, которые кажутся ученым и изобретателям наиболее
совершенными. Например, один из первых электродвигателей
XIX в. (двигатель Бурбуза) по своим внешним формам почти в
точности повторял паровую машину: возвратно-поступательное
движение поршней заменялось аналогичным движением магни-
тов в соленоидах, переключение осуществлялось изменением по-
лярности, вращательное движение вала достигалось с помощью
кривошипно-шатунного механизма. О возможности использова-
ния линейного двигателя в то время еще и не помышляли.
При разработке новых устройств всегда приходится сталкивать-
ся и с собственно техническими противоречивыми требованиями к
объекту, например, требованиями к надежности и интенсивности
работы, быстродействию и прочности.
П
1.2. История открытия закона сохранения и
превращения энергии*
Ученые и практики всех времен обращались к uccneaoBaHHniv
различных энергетических процессов и предпринимали попытки
обобщений в которых содержались элементы формулировки зако-
на сохранения и превращения энергии. Если обратиться к истории
открытия закона, то термин «энергия» появился лишь на послед-
нем этапе истории великого закона. Кроме того, необходимс
учесть, что основные достижения физики, химии и биологии, по-
зволившие сделать действительное обобщение, становятся извест-
ными только с начала XIX в.
Еще мыслители древности (Демокрит, Эпикур) утверждала
вечность и неуничтожимость материи и движения. Это было весь-
ма типичным при умозрительном характере науки: ученые, которые
можно отнести к числу стихийных материалистов, формулировали
на основе логических построений такие принципы и давали обоб-
щения, которые с позиций нынешней науки могут быть оценены
как гениальное предвидение. Так в древности зарождались основы
не только материалистической, но и диалектической философии.
Повседневная практическая деятельность требовала познаний
законов движения, прежде всего единственно известного — меха-
нического. И поэтому не случайно, что закон сохранения энергии
начинал выкристаллизовываться в рамках механики. В 1633 г. в
«Трактате о свете» идея сохранения движения была сформулиро-
вана Декартом следующим образом: «Когда одно тело сталкивает-
ся с другим, оно может сообщить ему лишь столько движения,
сколько само одновременно теряет, а отнять от него лишь столько,
на сколько увеличит собственное движение». В таком виде совер-
шенно четко отмечается количественное постоянство движения,
причем никакое другое движение, кроме механического Декарт не
рассматривал. Эта идея получила дальнейшее развитие у Лейбни-
ца в его законе сохранения живых сил.
* Как уже отмечалось, все производственные процессы — энергетические. (
законе сохранения и превращения энергии впервые узнают уже на школьно!
скамье. Но история открытия этого фундаментального закона недостаточн)
подробно и достоверно освещена в литературе. Поэтому авторы сочл!
целесообразным ответить на этот вопрос в отдельном параграфе.
18
После классических работ И. Ньютона и Г. В. Лейбница прин-
цип сохранения движения получил четкую формулировку в тру-
дах М. В. Ломоносова, который решился объединить два принципа
сохранения: движения и материи. Именно М. В. Ломоносову
принадлежит открытие закона сохранения вещества, повторенное
затем совершенно независимо от него А. Л. Лавуазье. В 1744 г.
М. В. Ломоносов написал ставшие знаменитыми слова «Все пере-
мены в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько
чего у одного тела отнимается, столько присовокупится к другому,
так ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом
месте... сей всеобщий естественный закон простирается и в самые
правила движения, ибо тело, движущее своею силою другое,
столько же оной у себя теряет, сколько сообщает другому, которое
от него движение получает».
Так в середине XVIII столетия М.В. Ломоносовым был четко
сформулирован закон сохранения массы и движения как всеоб-
щий закон природы. Более того, первая часть его выражения
("все перемены в натуре случающиеся...") сформулирована так
широко, что если бы эти слова были написаны сто лет спустя,
когда стали известны другие «перемены в натуре» — многочис-
ленные взаимные преобразования энергии (электрической, теп-
ловой, химической, механической), то другие формулировки
закона сохранения и превращения энергии и сохранения мате-
рии были бы излишни. Но, к сожалению, и эпоха была еще не
та, и научные труды М. В. Ломоносова почти полтора столетия
оставались неизвестными.
Ф. Энгельс в статье «Мера движения — работа» подчеркивал,
что главное в законе — не количественное сохранение, а превра-
щение энергии, являющееся качественной частью закона. Чтобы
осмыслить качественные превращения энергии из одной ее формы
в другую, должны были сложиться необходимые и достаточные
научно-технические предпосылки.
Важнейшим среди этих предпосылок явилось развитие учения о
теплоте и теплотехническая практика. Известно, какую роль в
развитии человека на заре его истории сыграл огонь. .Сначала
огонь научились сохранять и использовать для приготовления
(улучшения) пищи и согревания. В процессе трудовой деятельно-
сти человек научился добывать огонь трением. Однако это первый
19
факт, который следует отнести к области теплоэнергетики, прак-
тически нс мог привести к мысли о превращении одного вида энер-
гии (механической) в другой (тепловую). Вместе с тем получение
огня трением для обобщений XIX в. было гораздо более важным
фактом по сравнению с многовековым производственным опытом
механической энергетики (ветроэнергетики и ранней гидроэнер-
гетики), поскольку в первом случае было налицо качественное
преобразование формы энергии (о чем еще не подозревали), а во
втором — только преобразование вида механического движения
(что было очевидным).
Установлению взаимосвязей между механической и тепловой
энергией длительное время объективно препятствовала теория
теплорода, хотя эта теория представляла собой первоначально
значительный прогресс в развитии научной мысли. Считалось, что
теплород выдавливается из вещества при его сжатии, напри-
мер, при сжатии газа, как сок из апельсина. Гениальные мысли
М. В. Ломоносова о молекулярном движении как источнике теп-
ла, о кинетической природе тепла в более широком смысле остава-
лись вне поля зрения широкой научной общественности. Наиболее
ощутимый удар по теории теплорода уже в эпоху паровых машин
(1798 г.) нанесли опыты американца Бенджамина Томпсона, бо-
лее известного в Европе под титулом графа Румфорда. При свер-
лении орудийных стволов в Мюнхене Румфорд наблюдал
выделение тепла, что, впрочем, было всем известно. Однако Рум-
форд сумел показать, что при этом может выделиться практически
неограниченное количество тепла. В своих опытах он принимал
меры к изоляции сверла и ствола с тем, чтобы исключить поступ-
ление теплорода, этой «субстанции теплоты», откуда-либо извне.
Но еще примерно 30 лет после опытов Румфорда теория тепло-
рода, подправляемая и «уточняемая», продолжала занимать гос-
подствующее положение в объяснениях причины возникновения
теплоты. Существенно важной для понимания факта превраще-
ния одного вида движения (например, механического) в другой
(например, тепловое) была мысль об эквиваленте, в частности о
механическом эквиваленте тепла.
Драматизм истории открытия закона сохранения и превраще-
ния энергии состоял в том, что практически до момента полного
признания этого закона почти каждое предшествующее открытие,
20
подтверждающее’его справедливость, либо не публиковалось, ли-
бо на него не обращали должного внимания, либо оно просто
встречалось в штыки официальной наукой;
Соответствующие труды М. В. Ломоносова до 1904 г. находились в
забвении, а будучи в свое время опубликованными в России, не про-
никли в лаборатории Запада. Румфорд, поколебав устои теории теп-
лорода, не смог ее низвергнуть, не найдя доказательств эквивалентности
превращения механического движения в теплоту. Двадцативосьми-
летний французский инженер Сади Карно опубликовал в 1824 г. за-
мечательную работу «Размышление о движущей силе огня и о
машинах, способных развивать эту силу», в которой изложил то, что
впоследствии стали называть вторым началом термодинамики или
«принципом Карно». Но более поздние исследования, в которых
Карно отказался от теории теплорода и определил впервые механи-
ческий эквивалент тепла, своевременно не были опубликованы, и
рукописи его стали известны лишь в 1878 г.
В приложении к своей единственной книге Карно писал: «Тепло —
это не что иное, как движущая сила, или, вернее, движение, изме-
нившее свой вид. Это движение частиц тел. Повсюду, где происхо-
дит уничтожение движущей силы, возникает одновременно
теплота в количестве, точно пропорциональном количеству исчез-
нувшей движущей силы. Обратно, всегда при исчезновении тепло-
ты возникает движущая сила.
Таким образом, можно высказать общее положение: движущая
сила существует в природе в неизменном количестве; она, собст-
венно говоря, никогда не создается, никогда не уничтожается; в
действительности она меняет форму, то есть вызывает то один род
движения, то другой, но никогда не исчезает".
По измерениям Карно механический эквивалент теплоты со-
ставил 370 к гм на одну килокалорию (напомним, что эта величи-
на составляет 427 кгм, или 4186 Дж).
Сади Карно был сыном своего века. Его теоретические исследо-
вания отвечали на конкретный вопрос, поставленный развивав-
шейся промышленностью, как сделать тепловой двигатель более
экономичным.
Заслуживает внимание и то, что, разрабатывая основы термо-
динамики, Карно исходил из невозможности осуществления веч-
ного двигателя. Но и на его работы современники не обратили того
21
внимания, которого они заслуживали. Понадобилось почти два де-
сятилетия, чтобы стало возможным утверждение закона.
Исследования химических, тепловых и механических действий
электрического тока в первые 40 лет XIX в. послужили второй
важной предпосылкой к открытию закона сохранения и превраще-
ния энергии.
В 1799 г. был построен первый электрохимический источник
электрической энергии — «вольтов столб» и осуществлен электро-
лиз воды. Было показано, что химическая реакция может быть ис-
точником электричества, а электричество в свою очередь, может
вызвать химические превращения. Так возникали основы новой
науки — электрохимии.
Первые же эксперименты с электрическим током позволили об-
наружить нагрев проводника (Л. Тенар, В. В. Петров, X. Дэви и
др.), но недостаточная точность измерений не позволила найти
точные количественные связи. В 1821 г. было открыто явление
термоэлектричества (Т. И. Зеебек), а спустя 13 лет — обратное
ему явление Ж. Пельтье.
Выдающуюся роль в развитии электромагнетизма и в форми-
ровании современных физических взглядов сыграл М. Фарадей.
Еще в опытах Эрстеда (1820 г.) демонстрировалось механическое
воздействие электрического тока на магнитную стрелку, но Фа-
радей в 1821 г. осуществил непрерывное движение проводника с
током вокруг магнита (и наоборот), что явилось прообразом элек-
тродвигателя. В 1831 г. он открыл явление электромагнитной ин-
дукции. Им же было показано, что механическое движение
проводника в магнитном поле вызывает появление электродви-
жущей силы (принцип электромашинного генератора). В 1836 г.
Фарадей сформулировал два закона электролиза, которыми уста-
новил связи между количеством электричества и химическими
свойствами вещества.
Великий английский физик совершенно определенно подчеркивал,
необходимость установления эквивалентов между различными вида-
ми энергии или, по терминологии того времени, между различными
силами. Он писал: «Мы имеем много процессов, при которых внеш-
няя форма силы может пре.ерпсвать такие изменения, что происхо-
дит явное превращение ее в другую. Так, мы можем превратить
химическую силу в электрический ток, а электрический ток в хими-
22
ческую силу. Прекрасные опыты Зеебека и Пельтье показывают
взаимную связь теплоты и электричества, а Эрстеда и мои собст-
венные показывают превращаемость электричества и магнетизма.
Но ни в одном случае, даже с электрическим угрем и скатом, нет
производства силы без соответствующего израсходования чего-ли-
бо, что питает ее». В своем дневнике в 1837 г. Фарадей записал:
«Нужно сравнить количество материальных сил (т.е. сил электри-
чества, тяготения, химического сродства, сцепления и т.д.), где
возможно дать выражение для их эквивалентов в той или иной
форме».
Следует упомянуть и третью важную предпосылку к открытию
закона сохранения и превращения энергии — успехи биологии.
Среди энциклопедических исследований М. В. Ломоносова можно
найти догадку о том, что растения питаются одной из составных
частей воздуха. Через 30 лет, в 1783 г., этот факт научно обосно-
вал швейцарский ботаник Сенебье. Постепенно формировались
представления о переработке в растениях неорганических элемен-
тов в органические. Развеивался миф об особой «жизненной силе»
в организмах человека и животных. Была установлена прямая
связь между количеством потребляемой пиши и способностью
производить работу.
Наступило время широких обобщений — 40-е годы прошлого сто-
летия. Самое главное, что предстояло сделать, — это осмыслить тот
факт, что, кроме вещества, которое, изменяясь качественно, сохра-
няет свое количество, в природе существует еше нечто иное, связан-
ное с движением материальных частиц и тел, что тоже подчиняется
своему закону сохранения и меняет свою форму.
Решающую роль в установлении закона сохранения и превра-
щения энергии история отводит Роберту Майеру, Джеймсу Джоу-
лю и Герману Гельмгольцу.
Роберт Майер был судовым врачом на голландском корабле,
когда в 1840 г. «внезапно» ему пришла в голову мысль о законе
сохранения и превращения энергии. Слово «внезапно» взято в ка-
вычки недаром: о внезапном озарении писал впоследствии Май-
ер, но может ли быть внезапным открытие, предпосылки
которого были хорошо известны выпускнику Тюбингенского уни-
верситета? Внезапным был для Майера исходный толчок: он об-
ратил внимание на то, что было хорошо известно врачам,
23
энным, этот эквивалент составлял 460 к гм/к кал. Джоуль также
становил независимо от Ленца связь между электрическим током
выделяемым теплом (закон Джоуля—Ленца). Интересно отме-
ить, что и работу Джоуля Британское королевское общество от-
азалось опубликовать в полном объеме, требуя от него все новых
новых экспериментальных уточнений.
Наконец, немецкий ученый Герман Гельмгольц в 1847 г. в ра-
оте «О сохранении силы» дал в наиболее общем виде закон сохра-
ения, показав, что сумма потенциальной и кинетической
нергий остается постоянной. Большое значение имело приведен-
ое в этой же работе доказательство того, что процессы в живых
рганизмах тоже подчиняются закону сохранения энергии. Здесь
:е впервые дана математическая трактовка закона.
Завершением длительного пути, пройденного наукой до точ-
:ой'формулировки-закона сохранения энергии, можно считать
оклад Уильяма Томсона (впоследствии лорда Кельвина) «О ди-
амической теории тепла» (1851 г.). Томсон в 1860 г. ввел в на-
ку термин «энергия» в современном его смысле. К такому же
олкованию термина «энергия» пришел в 1853 г. известный
ютландский физик У. Д. Ренкин — один из создателей техни-
еской термодинамики.
Изложение истории открытия закона уместно закончить сло-
ами выдающегося английского физика и общественного деятеля
[жона Бернала, написанными 100 лет спустя: «Закон сохранения
нергии... был величайшим физическим открытием середины
(IX в. Он объединил много наук и находился в исключительной
работающим постоянно в тропических широтах. Во время стоянки
корабля на Яве заболел матрос, и Майер, как тогда было принято,
«пустил ему кровь», вскрыв вену. Каково же было его удивление,
когда он увидел, что венозная кровь была не столь темной, как в
умеренных широтах. Майер понял, что при высокой средней темпе-
ратуре воздуха для поддержания жизнедеятельности и необходимой
температуры организма требуется меньше питательных веществ и
меньшее «сгорание» последних. Сопоставление многочисленных на-
учных фактов из области химии, физики и биологии привело его к
тому, что мысли, согласно выражению Майера, пронзившие его, по-
добно молнии, навели на вывод о существовании всеобщего закона
природы.
В 1841 г, вернувшись на родину, в Гейльбронн, Майер напи-.j
сал статью «О количественном и качественном определении
сил» и направил ее редактору известного тогда журнала
«Annalen der Physik». Редактор не счел нужным ее напечатать и
даже не ответил автору. Рукопись статьи была обнаружена в ар-:
хивах редакции и опубликована лишь в 1881 г., т.е. 40 лет спустя, i
Следующая статья «Замечания о силах неживой природы» была;
опубликована в 1842 г. В этой работе Майер много внимания уде-
ляет взаимопревращениям механической работы и теплоты,
не зная о соответствующем исследовании Карно, определяет^
механический эквивалент теплоты (по его данным он равен 1
365 кгм/ккал), говорит о «неразрушимости» сил и формулирует :
свой принцип. Здесь же Майер впервые в истории науки вклады-
вает в понятие «сила» смысл «энергия», не произнося еще этого „
слова (впрочем, слово было произнесено раньше; этим словом ан- ^армонии с тенденциями времени. Энергия стала универсально
глийский физик Томас Юнг обозначил величину, пропорцио-
нальную массе и квадрату скорости движущегося тела).
Идеи Майера носили столь общий и универсальный характер,
что они сначала не были восприняты современниками. Его жизнь
превратилась в непрерывную борьбу за утверждение своего прин- килограммометрами работы и киловатт-часами электричества,
ципа. Противники выискивали в работах Майера малейшие не- рея человеческая деятельность в целом промышленность,
точности и неудачные формулировки, подвергали сомнению все ранспорт, освещение и, в конечном счете, питание и сама жизнь^
его научные результаты в целом. рассматривалась с точки зрения зависимости от этого одного об-
Классические измерения механического эквивалента теплоты рхеготермина — энергия».*
провел в 1841-1843 гг. (опубликовано в 1843 г.) английский фи-
зик, в прошлом манчестерский пивовар, Джеймс Джоуль. По его
24
>алютой физики — так сказать, золотым стандартом изменений,
1роисходивших во вселенной. То, что было установлено, пред-
тавляло собой твердый валютный курс для обмена между валю-
ами различных видов энергии: между калориями теплоты,
Д. Бернал. Наука в истории общества. М.: Иностр, лит., 1956. С. 329
25
рофессиональной и психологической неподготовленности при уп-
авлении колоссальными мощностями и быстродействующими ав-
оматическими устройствами.
Как известно, такие трагедии последних лет, как Чернобыль, ги-
сль «Адмирала Нахимова» и другие связаны не только с профессио-
альпой некомпетентностью (это тоже серьезный упрек нашей
ысшей шкале), но и с безответственностью, недобросовестным от-
ошенпем к делу. А это уже характеристика морального, нравствен-
ого уровня специалиста.
Современная научно-техническая революция, которая многие
зды обычно рассматривалась сквозь призму научно-технических
технико-экономических проблем, сегодня приобретает все более
оциальную, духовную направленность, т.е. непосредственно за-
рагивает самого человека.
На протяжении. нескольких десятилетий научно-техниче-
кая революция вызвала беспрецедентную ситуацию, когда
первые в истории человечества темпы смены новых поколе-
ий техники стали стремительно опережать темпы смены по-
олений работников.
Если считать период активной творческой деятельности человека
Этим законом было дано научное подтверждение материалист
ческой идеи о неуничтожимое™ движения. Только опираясь на ди
лектический материализм, можно было раскрыть всю глуби»
содержания закона сохранения энергии. Эта задача была выполни
Энгельсом, который впервые дал всесторонний научный анализ з
кона сохранения и превращения энергии, показав, что главно
положительное в этом законе — качественное превращение фор
движения материи. Само название («закон сохранения
превращения энергии») было введено в научное обращение Эл
гельсом.
аектронике, которая начинает занимать все более господствую-
омпьютеров и успешно внедряется пятое. А все более расши-
яющееся развитие микроэлектроники, микропроцессорной
ехники вызовет еще больший разрыв в смене поколений тех-
ики и людей.
Поэтому исключительно важное значение для специалиста
риобретают не только профессиональные знания, но и способно-
и к постоянному их обновлению, воспитание восприимчивости к
'Циально-экоиомическим и научно-техническим нововведениям,
ри этом решающая роль будет принадлежать умению овладения
роцессом самообразования, которое нужно прививать еще со
1.3. Возрастание роли человеческого фактора — диалек-
тическая закономерность современного этапа
развития общественного производства
Нужно признать, что до последнего времени мы не уделял
достаточно серьезного внимания духовным, нравственны
проблемам воспитания студента. Несколько лет назад академи
Г. Николаев опубликовал в «Известиях» необычную для того вр<
мени статью о совестливом инженере, в которой подчеркивал, чз
мы нередко судим о студенте по его зачетной книжке или диплом авным приблизительно 40 годам, то за это время технологическое
ному проекту, но не обращаем достаточного внимания на его ч{ бновление производства произошло во много раз быстрее, чем в
ловеческие, нравственные качества, а именно они определяю рошлом веке, не говоря уже о-более поздних периодах. Только в
инженера как личность. аектронике, которая начинает занимать все более господствую-
В условиях современной научно-технической революций нес-бь *ее положение в производстве, сменилось уже четыре поколения
чайно возросла социальная ответственность инженера и ученого- з
последствия своей деятельности. Ведь, как уже отмечалось, мошне
сти, создаваемые человеком, становятся соизмеримыми с тем
мощностями, которые развиваются геофизическими и космическим
силами. Поэтому при проектировании и эксплуатации инженерны
объектов необходим комплексный системный подход, учет не тальк
экономических показателей, но и социальных, экологических крип
риев. Для осуществления такого комплексного подхода нужны глу
бокие разносторонние знания. В наши дни создаются насталь»
сложные и совершенные машины, приборы и устройства, что по обра; жольной скамыГ
ному выражению академика В. Легасова, если раньше мы защищал
человека от техники, совершенствуя технику безопасности, то тепе|
нужно и технику защищать от человека, от его некомпетентно:.^
26 I
Как показывает отечественный и зарубежный опыт, наибо-
ее эффективной системой обновления вещественного знания
27
является гибкая, непрерывная на протяжении всей жизни, сис
ма самообразования и повышения квалификации. Полноцеюн
современный специалист должен обладать способностью пар;
дельно заниматься самообразованием как в области обшет
ретических, так и специальных знаний, только тогда
сможет изыскивать эффективные пути взаимодействия с т
никой будущего.
С каждый годом все более остро будет возрастать споо
ность человека в овладении «второй» грамотностью
«электронной», умением ее творчески использовать
производственном процессе. Такие специалисты, обладг
щие функциональной грамотностью и широким иаучн
мировоззрением, могли бы составить ядро инженерного к;
пуса будущего.
При этом человек всегда должен помнить, что он — «част!
биосферы», и свое бытие он должен приспосабливать к ее за
нам. По образному выражению академика В. И. Вернадскс
которое он сформулировал еще в начале нашего века, необхо,
мо не покорение природы, а совместное гармоническое разви'
природы и общества, иначе человечеству просто не выжить.
1.4. Электротехника. Основные этапы ее развития
Решающая роль в современном научно-техническом прогр<
принадлежит электрификации. Как известно, под электрифи
цией понимается широкое внедрение электрической энергии в
родное хозяйство и быт, и сегодня нет такой области техники,
в том или ином виде не использовалась бы электрическая энер!
а в будущем ее применение будет еще более расширяться. 1
электротехникой в широком смысле слова подразумевается
ласть науки и техники, использующая электрические и мага
ные явления для практических целей.
Это общее определение электротехники можно раскрыть бс
подробно, выделив те основные области, в которых использук
электрические и магнитные явления: преобразование энер
природы (энергетическая); превращение вещества природы О
дологическая}; получение и передача сигналов или информа;
(информационная). Поэтому .более полно электротехнику моз
28
определить, как область науки и техники, использующую элект-
рические и магнитные явления для осуществления процессов пре-
образования энергии и превращения вещества, а также для
передачи сигналов и информации.
В последние десятилетия из электротехники выделилась про-
мышленная электроника с тремя ее направлениями: информаци-
онное, энергетическое и технологическое, которые с каждым
годом приобретают все большее значение в ускорении научно-тех-
нического прогресса.
В развитии электротехники условно можно выделить следую-
щие шесть этапов.
1. Становление электростатики (до 1800 г.). К этому периоду
относятся первые наблюдения электрических и магнитных явле-
ний, создание первых электростатических машин и приборов,
исследования атмосферного электричества, разработка первых те-
орий электричества, установление закона Кулона, зарождение
электромедицины.
2. Закладка фундамента электротехники, ее научных основ
(1800—1830 it.). Начало этого периода ознаменовано созданием
«вольтова столба» — первого электрохимического генератора, а
вслед за ним «огромной наипаче батареи» В. В. Петрова, с помощью
которой им была получена электрическая дуга и сделано много но-
вых открытий. Важнейшими достижениями этого периода является
открытие основных свойств электрического тока, законов Ампера,
Био и Савара, Ома, создание прообраза электродвигателя, первого
индикатора электрического тока (мультипликатора), установление
связей между электрическими и магнитными явлениями.
3. Зарождение электротехники (1830—1870 гг.). Самым зна-
менательным событием этого периода явилось открытие М. Фа-
радеем явления электромагнитной индукции, создание первого
электромашинного генератора. Разрабатываются разнообраз-
ные конструкции электрических машин и приборов, формули-
руются законы Ленца и Кирхгофа, создаются первые источники
электрического освещения, первые электроавтоматические
приборы, зарождается электроизмерительная техника. Однако
широкое практическое применение электрической энергии бы-
ло невозможно из-за отсутствия экономичного электрического
генератора.
29
4. Становление электротехники как самостоятельной отрасли тех-
ник:: (1870—1890 гг.). Создание первого промышленного электрома-
шинного генератора с самовозбуждением (динамомашины)
открывает новый этап в развитии электротехники, которая стано-
вится самостоятельной страстью техники. В святи с развитием про-
мышленности, ростом городов возникает острая потребность в
электрическом освещении, начинается строительство «домовых»
электрических станций, вырабатывающих постоянный ток. Элект-
рическая энергия становится товаром, и все более остро ощущается
необходимость централизованного производства и экономичной пе-
редачи электроэнергии на значительные расстояния. Решить эту
проблему на базе постоянного тока было нельзя из-за невозможно-
сти трансформации постоянного тока. Значительным стимулом к,
внедрению переменного тока явилось изобретение «электрической
свечи» П. Н. Яблочковым и разработка им схемы дробления электри-
ческой энергии посредством индукционных катушек, представляв-
ших собой трансформаторе разомкнутой магнитной системой.
Однако однофазные двигатели были непригодны для целей про-
мышленного электропривода.
Одновременно разрабатываются способы передачи электриче-
ской энергии на большие расстояния посредством значительного
повышения напряжения линий электропередач. Дальнейшее раз-
витие электрического освещения способствовало совершенствова-
нию электрических машин и трансформаторов; в середине 80-х гг.
началось серийное производство однофазных трансформаторов с
замкнутой магнитной системой (М. Дери, О. Блати, К. Ципернов-
ский). Идея П. Н. Яблочкова о централизованном производстве и
распределении электроэнергии претворяется в жизнь, начинается
строительство центральных электростанций переменного тока.
Однако развивающееся производство требовало комплексного
решения сложнейшей научно-технической проблемы: экономич-
ной передачи электроэнергии на дальние расстояния и создания
экономичного и надежного электрического двигателя, удовлетво-
ряющего требованиям промышленного электропривода. Эта про-
блема была успешно решена на основе многофазных, в частности
трехфазных систем.
5. Становление и развитие электрификации (с 1891 г.). Важ-
нейшей предпосылкой разработки трехфазиых систем явилось от-
зо
крытае (1888 г.) явления вращающегося магнитного поля. Первые
многофазные двигатели были двухфазными. Трехфазная система
оказалась наиболее рациональной, так как имела ряд преиму-
ществ как перед однофазными цепями, так и перед другими мно-
гофазными системами.
В разработку трехфазных систем большой вклад сделали уче-
ные и инженеры разных стран. Но как будет показано далее, наи-
большая заслуга принадлежит М. О. Доливо-Добровольскому,
сумевшему придать своим работам практический характер, со-
здавшему трехфазные синхронные генераторы и асинхронные
двигатели, трансформаторы. Убедительной иллюстрацией пре-
имуществ трехфазных цепей была знаменитая Лауфен-Франк-
фуртская электропередача (1891 г.), сооруженная при активном
участии Доливо-Добровольского.
С этого времени начинается бурное развитие электрификации:
строятся мощные электростанции, возрастает напряжение элект-
ропередач, разрабатываются новые конструкции электрических
машин, аппаратов и приборов. Электрический двигатель занимает
господствующее положение в системе промышленного привода.
Процесс электрификации постепенно охватывает все новые об-
ласти производства: развивается электрометаллургия, электро-
термия, электрохимия.
Электрическая энергия начинает все более широко использо-
ваться в самых разнообразных отраслях промышленности, на
транспорте, в сельском хозяйстве и в быту.
Широкое применение переменного тока потребовало теорети-
ческого осмысления и математического описания физических про-
цессов, происходящих в электрических машинах, линиях
электропередач, трансформаторах.
Расширяются исследования явлений в цепях переменного тока
с помощью векторных и круговых диаграмм. Огромную прогрес-
сивную роль в анализе процессов в цепях сыграл комплексный
метод, предложенный в 1893—1897 гг. Ч. П. Штейнмецом. С разви-
тием крупных энергосистем и увеличением дальности электропере-
дач возникла серьезная научно-техническая проблема обеспечения
устойчивости параллельной работы генераторов электростанций, ко-
торая была решена отечественными и зарубежными учеными. Тео-
31
ретические основы электротехники становятся базой учебных дис-
циплин в вузах и фундаментом научных исследований в области
электротехники.
6. Зарождение и развитие электроники (первая четверть XX в.)
Рост потребности в постоянном токе (электрохимия, электротран-
спорт и др.) вызвал необходимость в развитии преобразовательной
техники, что привело к зарождению, а затем бурному развитию
промышленной электроники.
Электротехника становится базой для разработки автоматизи-
рованных систем управления энергетическими и производствен-
ными процессами. Создание разнообразных электронных, в
особенности микроэлектронных устройств позволяет коренным
образом повысить эффективность автоматизации процессов вы-
числений, обработки информации, осуществлять моделирование
сложных физических явлений, решение логических задач и др.
при значительном снижении габаритов, устройств, повышении их
надежности и экономичности.
Значительный прогресс в электронике наметился после создания
больших интегральных схем (БИС), быстродействие их измеряется
миллиардными долями секунды, а минимальные размеры состав-
ляют 2—3 мкм.
Внедрение БИС привело к созданию микропроцессоров, осуще-
ствляющих цифровую обработку информации по программе, и
микроЭВМ.
Быстрое развитие микроэлектроники обусловило возникнове-
ние и заметный прогресс новой области науки и техники — ин-
форматики.
Уже в'начале 80-х гт. как в нашей стране, так и за рубежом ста-
ли изготовлять микропроцессоры и микроЭВМ в одном кристалле.
Все это дает огромный эффект в повышении надежности, сниже-
нии габаритов и потребляемой энергии микроэлектронных уст-
ройств, используемых в различных производственных процессах,
автоматизированных систем управления, на транспорте, в быто-
вых устройствах.
32
ГЛАВА 2
У ИСТОКОВ ЭЛЕКТРОСТАТИКИ. МИФЫ И ФАКТЫ
2.1. «Чудеса» магнитного железняка, янтаря и электрических
рыб
Первые наблюдения электрических и магнитных явлений отно-
сятся к глубокой древности. О таинственных способностях магни-
та притягивать железные предметы упоминается в старинных
летописях и легендах, дошедших до нас из Азии, Индии, Китая,
Центральной Америки, древней Греции и Рима. Кусочки природ-
ного железняка (магнита) в разных странах имели различные на-
звания, но большая часть из них переводится, как «любящий»
(т.е. «любящий» железо).
Происхождение слова «магнит» древние ученые также объясня-
ют по-разному. Например, известный римский писатель и ученый
Плиний (23—79 гг.) в своей 37-томной «Естественной исто-
рии» ссылается на легенду о пастухе Магнесе, пасшем стада у под-
ножия горы на острове Крите, близ которой были разбросаны
загадочные черные камни, притягивавшие железные гвозди его
сандалий и железный наконечник посоха. В честь Магнеса эти
камни будто бы назвали магнитами, а само явление притяжения —
магнетизмом.
По утверждению древнегреческого философа Платона (427—347 гг.
до н.э.) слово «магнит» происходит от названия древнегреческой
провинции Магнезии, жителей которой называли «магнетами», а
камни из Магнезии — магнитами.
Из древних сказаний и летописей, относящихся ко второму ты-
сячелетию до н.э., мы узнаем о многих интересных фактах прак-
тического использования магнита. Древние индийцы использовали
магнит для извлечения железных наконечников стрел из тел ране-
ных воинов. В китайских летописях рассказывается о волшебных
магнитных воротах, сквозь которые не мог пройти человек, спря-
тавший металлическое оружие. При раскопках городища ольме-
ков (Центральная Америка) найдены скульптуры трехтысячелетней
Давности, высеченные из магнитных глыб.
В Китае во втором тысячелетии до н.э. уже применялись первые
компасы, разных конструкций. В одном из музеев хранится китай-
33
Рис. 2.1. Китайский компас
ский компас тысяче-
летней давности, на-
поминающий ложку
(рис. 2.1).
И каким замеча-
тельным подтверж-
дением известной
закономерности раз-
вития цивилизации,
является тот факт,
что уже упоминавши-
еся древние ольмеки,
отделенные от китай-
цев тысячами океанских миль, высекали фигуры морских черепах
из глыб магнитной породы; намагниченная голова таких черепах как
бы авиволизировала удивительную способность этих земноводных ориен-
тироваться в море вдали от берегов*.
Европейцы заимствовали компас у китайцев через арабов. Не-
безынтересно заметить, что в XIII-XIV вв. капитаны-католики
пользовались компасом тайно, опасаясь попасть на костер инкви-
зиции, представители которой видели в компасе дьявольский инс-
трумент, созданный колдунами.
Довольно широкое распространение получили легенды о мисти-
ческих способностях магнитной стрелки передавать сообщения на
расстоянии. Об этом выразительно рассказывает Г. Галилей
(1564—1642 гт.). Один «изобретатель» предложил -ему продать
«симпатическую» магнитную стрелку, посредством которой мож-
но поддерживать связь с человеком, находящимся за 2—3 тысячи!
миль. «Тогда я сказал, — писал Галилей, — что согласен приобреч
сти секрет, но хочу сначала испытать его на деле. Причем, для меч
ня совершенно достаточно, если испытание будет произведена
так, что я буду находиться в одной из комнат моего дома, а он в
другой, изобретатель сказал, что на таком малом расстоянии я - е
смогу видеть действие его изобретения. На этом я с ним и расстал-
ся, заявив, что не чувствую никакого желания ехать в Каир или
Московию для того, чтобы производить опыт, но, что если он cjM
* В. Карцев. Магнит за три тысячелетия. М.: Энергоатомиздат, 1988.
34
пожелает туда отправиться, я согласен быть другой стороной, ос-
тавшись в Венеции».
Естественно, что древние ученые и естествоиспытатели заду-
мывались над причиной загадочных свойств магнита. Платон, на-
пример, объяснял их божественным происхождением.
Один из древних мудрецов Фалес (640—550 гг. до н.э.) счи-
тал причиной движения «душу», и поэтому, по мнению Аристо-
теля, наличие у магнита «души» вызывало притяжение к нему
железа.
Очень образное объяснение свойств магнита дано в знаменитой
поэме «О природе вещей» римского поэта Лукреция (99—55 гг. до
н.э.), написанной более двух тысяч лет назад.
«Мне остается сказать, по какому закону природы
То происходит, что камень* притягивать может железо,
... Люди весьма удивляются камню такому...
Прежде всего из магнита должны семена выделяться
Множеством или же ток истекать, разбивая толчками
Воздух, который везде между камнем лежит и железом,
Только что станет пустым пространство меж ними, и много
Места очиститься там, как тот час же, общею кучей
Первоначала туда стремглав понесутся железа;...»
Несмотря на очевидную примитивность представлений Лукре-
ция, следует отметить материалистическое, можно сказать, ато-
мистическое толкование о строении вещества, о материальных
«истечениях», заполняющих пространство вокруг магнита, кото-
рое в какой-то мере приближается к современным понятиям маг-
нитных линий и магнитного поля.
С именем Фалеса связаны и дошедшие до нас предания о свой-
стве натертого янтаря притягивать легкие тела. По его мнению, в
янтаре (как и в магните) имеется душа, являющаяся первопричи-
ной притяжения.
Изделия из янтаря, блестящие и красивые, широко использова-
лись древними людьми для украшения, поэтому вполне вероятнр,
что многие могли заметить, что натертый янтарь притягивает лег-
кие соломинки, кусочки тканей и пр.
То есть магнит. Авт.
35
Греки называли янтарь «электрон» (т) Хе к т р о v) —от этого!
(спустя много веков) и произошло слово «электричество». Извест-1
но, что в одном из древнегреческих сочинений описывался камень!
(по-видимому, драгоценный), который, подобно янтарю, электри-
зовался при трении. Но об электризации других тел древние гре-
ки, вероятно, не знали.
И еще одно любопытное явление не осталось незамеченным
древними народами, жившими на побережье Средиземного моря и<
в бассейне Нила. Речь идет об «электрических» рыбах — скате и
соме. Греки их называли «наркэ», что означает «парализующий».
При соприкосновении с этими рыбами, имеющими электрические
органы, человек испытывал сильные удары. Известно, что в пер-
вом веке н.э. римские врачи использовали электрический скат для
лечения подагры, головной боли и других болезней.
И, конечно, древние народы наблюдали грозные раскаты гро-
ма и яркие вспышки молний, внушавшие им естественный
страх, но ни одному из мудрецов тех времен не могла прийти
мысль о том, что и притяжения натертого янтаря, и удары элек-
трических рыб, и явление грозы в атомосфере имеют одну и ту
же природу.
Упадок античной культуры заметно отразился и на изучении
электрических и магнитных явлений. Из многочисленных ис-
точников следует, что практически до 1600 г. не было сделано
ни одного открытия в области электрических явлений, а в обла-
сти магнетизма описаны способы использования мореплавате-
лями компаса (арабами в IX в., а европейцами — в XI в.). В XIII в.
мы находим подтверждения некоторым новым открытиям, сде-
ланным независимо друг от друга англичанином Р. Бэконом,
французом П. Перегрином и итальянцем Д. Б. Порта. Им уда-
лось установить ряд свойств магнита: существование разно-
именных полюсов и их взаимодействие; распространение
магнитного действия через различные тела (бумагу, дерево
и др.), невозможность получения магнита с одним полюсом.
П. Перегрин и Д. Б. Порта описали способы изготовления маг-
нитных стрелок, а П. Перегрин (около 1270 г.) впервые снабдил
компас градуированной шкалой.
В течение многих веков магнитные явления объясняли действи-
ем особой магнитной жидкости, и как это будет показано далее —
36
лишь выдающийся французский физик А. М. Ампер в 20-х годах
XIX в. впервые объяснил электрическую природу магнетизма.
2.2. Мудрость — дочь опыта.
Начало экспериментальных исследований электричества
и магнетизма
В XVI—XVII вв. с развитием торговли в Европе все большее
распространение получает экспериментальный метод научных ис-
следований, одним из основоположников которого по праву назы-
вают Леонардо да Винчи (1452—1519 гг.). Это в его записной
книжке можно найти знаменательные слова: «Не рлушай учения
тех мыслителей, доводы которых не подтверждены опытом». Уже
упоминавшийся ранее неаполитанец Джован Баттиста Порта
(1538—1615 гг.) в своем труде «Натуральная магия» подчеркива-
ет, что все вычитанные им факты из сочинений древних ученых и
путешественников он старался проверить собственным опытом
«денно и нощно, с большими издержками».
Экспериментальный метод исследований нанес заметный удар
по мистицизму и разного рода вымыслам и предрассудкам.
Значительный перелом в представлениях об электрических и
магнитных явлениях наступил в самом начале XVII в., когда вы-
шел в свет фундаментальный научный труд видного английского
ученого Вильяма Гильберта (1554—1603 гг.) «О магните, магнит-
ных телах и о большом магните — Земле» (1600 г.). Будучи после-
дователем экспериментального метода в естествознании. В.
Гильберт провел более 600 искусных опытов, открывших ему тай-
ны «скрытых причин различных явлений».
В отличие от многих своих предшественников Гильберт считал,
что причиной действия на магнитную стрелку является магнетизм
Земли, которая является большим магнитом. Свои выводы он ос-
новывал на оригинальном эксперименте, впервые им осуществ-
ленным. Он изготовил из магнитного железняка небольшой шар —
«маленькую Землю — тереллу» и доказал, что магнитная стрелка
принимает у поверхности этой «тереллы» такие же положения,
какие она принимает в поле земного магнетизма. Он остановил
возможность намагничивания железа посредством земного м.нне-
тизма.
Исследуя магнетизм, Гильберт занялся также и изучением
электрических явлений. Он доказал, что электрическими свойст-
вами обладает не только янтарь, но и многие другие тела — алмаз,
сера, смола, горный хрусталь, электризующиеся при их натира-
нии. Эти тела он называл «электрическими», в соответствии с гре-
ческим названием янтаря (электрон). Но Гильберт безуспешно
пытался наэлектризовать металлы, не изолируя их. Поэтому он
пришел к ошибочному выводу о невозможности электризации ме-
таллов трением. Это заключение Гильберта было убедительно опро-
вергнуто спустя два столетия выдающимся русским электротехником
академиком В. В. Петровым.
В. Гильберт правильно установил, что «степень электрической
силы» бывает различна, что влага снижает интенсивность элект-.
ризации тел посредством натирания.
Сравнивая магнитные и электрические явления, Гильберт ут-
верждал, что они имеют разную природу: например, «электриче-
ская сила» происходит только от трения, тогда как магнитная —
постоянно воздействует на железо, магнит поднимает тела значи-
тельной тяжести, электричество — только легкие тела. Этот оши-
бочный вывод Гильберта продержался в науке более 200 лет.
Пытаясь объяснить механизм воздействия магнита на железо, а
также способность наэлектризованных тел притягивать другие
легкие тела, Гильберт считал магнетизм как особую «силу оду-
шевленного существа», а электрические явления, «истечениями»
тончайшей жидкости, которая вследствие трения «выливается из
тела» и непосредственно действует на другое притягиваемое тело.
Представления Гильберта об электрическом «притяжении» бы-
ло более правильным, чем у многих современных ему исследова-
телей. Цо их утверждениям при трении из тела выделяется
«тончайшая жидкость» которая отталкивает воздух, прилегающий
к предмету: более отдаленные слои воздуха, окружающие тело,
оказывают сопротивление «истечениям» и возвращают их вместе с
легкими телами обратно к наэлектризованному телу.
Представления о том, что электрические явления обусловлены
присутствием особой «электрической жидкости», аналогичной
«теплотвору» и «светотвору», были характерны для науки того пе-
риода, когда механистические взгляды на многие явления приро-
ды были господствующими.
38
фундаментальный труд Гильберта выдержал в течение XVII в.
несколько изданий, он был настольной книгой многих естествоис-
пытателей в разных странах Европы и сыграл огромную роль в
развитии учения об электричестве и магнетизме.
2.3. Электростатическая машина открывает новые свойства
электричества
Одним из первых, кто, познакомившись с книгой Гильберта,
решил получить более сильные проявления электрических сил,
был известный изобретатель воздушного насоса магдебургский
бургомистр Отто фон Герике (1602—1686 гг.). В 1650 г. он изгото-
вил шар из серы «величиной с детскую голову», насадил его на же-
лезную ось, укрепленную на деревянном штативе (рис. 2.2). При
помощи ручки шар мог вращаться и натирался ладонями рук или
куском сукна, прижимаемого к шару рукою. Это была первая про-
стейшая электростатическая машина. Герике удалось заметить
слабое свечение электризуемого шара в темноте и, что особенно
важно, впервые обнаружить, что пушинки, притягиваемые ша-
ром, через некоторое время отталкиваются от него — это явление
ни Герике, ни многие его современники долго нс могли объяснить.
Рис. 2.2. Электростатическая машина Герике
39
Из письма известного немецкого ученого Г. В. Лейбница;
(1646—1716 гг.) Герике (март 1672 г.) известно, что Лейбниц,
пользуясь его машиной, наблюдал электрическую искру — это
первое упоминание об этом загадочном явлении.
В течение первой половине XVIII в. электростатическая маши-
на претерпела ряд усовершенствований: шар из серы был заменен
стеклянным (так как стекло более интенсивно электризовалось), а
позднее вместо шаров или цилиндров (которые труднее было
изготовить и при нагревании они нередко взрывались), стали
применять стеклянные диски. Для натирания использовались ко-
жаные подушечки, прижимаемые к стеклу пружинками. Позднее
для усиления электризации подушечки стали покрывать амальга-
мой.
Важным новым элементом конструкции машины стал кондук-
тор (1744 г.) — металлическая трубка, подвешенная на шелковых
нитях, а позднее устанавливаемая на изолирующих опорах. Кон-
дуктор служил резервуаром для сбора электрических зарядов, об-
разованных при трении. После изобретения лейденской банки (см.
стр. 41) они также устанавливались рядом с машиной.
В 60-х гг. XVIII в. электростатическая машина приобрела ос-’
новные современные черты. Весьма оригинальные, простые и на-
дежные электростатические машины были описаны в сочинении
известного русского ученого энциклопедиста Андрея Тимофееви-
ча Болотова (1738—1833 гг.) «Краткие и на опытности основан-
ные замечания о електрицизме и о способности электрических
махин к помоганию от разных болезней» (СПБ, 1803). Им были
созданы даже комнатные «складные» и «дорожные» машины с диа-«
метром стеклянного шара 20 см, |
Стремясь получить наибольший эффект, некоторые изобрета-
тели сооружали машины огромных размеров: так, например, в
Лондоне хранится электростатическая машина с диаметром диска
2 м 27 см, причем вращение его осуществлялось паровой
(1849 г.).
Разнообразные эксперименты с электростатическими машина-
ми и успехи в области естествознания вызывали значительный ин-
терес к электрическим к магнитным явлениям и привели к
открытию ранее неизвестных фактов. Были обнаружены два рода
электричества и выявлены законы их взаимодействия, установле-
40
машинойЯ вестность
на «быстрота передачи электричества». Создаются новые электри-
ческие приборы, позволившие получать и накапливать электриче-
ство в больших количествах, а также измерять его интенсивность.
Начинается изучение явлений атмосферного электричества, раз-
рабатываются первые теории электрических явлений.
Значительным шагом в изучении свойств электрических заря-
дов были исследования члена английского Королевского общества
Стефана Грея (1670—1736 гг.) и члена Парижской Академии наук
Шарля Франсуа Дюфе (1698—1739 гг.).
В результате многочисленных экспериментов С. Грею удалось
установить, что «электрическая способность стеклянной трубки
притягивать легкие тела может быть передана другим телам», и
показать (1729 г.), что тела в зависимости от их отношения к
электричеству можно разделить на две группы: проводники (на-
пример, металлическая нить, проволока) и непроводники (напри-
мер, шелковая нить). . •
Продолжая опыты С. Грея, Ш. Ф. Дюфе (в 1733—1737 гг.) об-
наружил два рода электричества — «стеклянное», «смоляное» и их
особенность отталкивать одноименные заряды и притягивать про-
тивоположные. Дюфе также создал прототип электроскопа в виде
двух подвешенных нитей, расходящихся при их электризации.
2.4. Изобретение лейденской банки — новая страница
в летописи электричества
После того, как было установлено разделение тел на проводни-
ки и непроводники, а опыты с электростатическими машинами
получили широчайшее распространение, совершенно естествен-
ной была попытка «накопить» электрические заряды в каком-то
стеклянном сосуде, который мог их сохранить. Среди многих фи-
зиков, занявшихся подобными экспериментами, наибольшую из-
получил голландский профессор из г. Лейдена
Мусхенбрук (Мушенбрек) (1692—1761 гт.).
Зная, что стекло не проводит электричества, он (в 1745 г.) взял
стеклянную банку (колбу), наполненную водой, опустил в нее
медную проволоку, висевшую на кондукторе электрической ма-
шины, и, взяв банку в правую руку, попросил своего помощника
вращать шар машины. При этом он правильно предположил, что
♦1
Рис. 2.3. Опыт Мусхенбрука
(со старинной гравюры)
заряды, поступавшие с кондукто-
ра, будут накапливаться в стек-
лянной банке (рис. 2.3).
После того, как по его мнению,
в банке накопилось достаточное
количество зарядов, он решил ле-
вой рукой отсоединить медную
проволоку. При этом он ощутил
сильный удар, ему показалось,
что «пришел конец». В письме Ре-
омюру в Париж (в 1746 г.) он пи-
сал, что этот «новый и страшный
опыт советую самим никак не по-
вторять» и что «ради короны
Франции» он не согласится под-
вергнуться «столь ужасному сотря-
сению».
Так была изобретена лейденская банка (по имени г. Лейдена), а
вскоре и первый простейший конденсатор, одно из распространен-
нейших электротехнических устройств.
Опыт Мусхенбрука произвел подлинную сенсацию не только сре-
ди физиков, но и многих любителей, интересовавшихся электриче-
скими опытами. Независимо от Мусхенбрука в том же 1745 г. к,
созданию лейденской банки пришел и немецкий ученый Э.Г. Клейст.
Опыты с лейденской банкой стали производить физики' разных
стран, а в 1746—1747 гг. первые теории лейденской банки разработа-
ли знаменитый американский ученый Б. Франклин и хранитель фи-
зического кабинета англичанин В. Уатсон. Небезынтересно^
отметить, что Уатсон стремился определить скорость распростране-
ния электричества, «заставив» его «пробежать» 12 000 футов.
Одним из важнейших последствий изобретения лейденско!
банки явилось установление влияния электрических разрядов н<
организм человека, что привело к зарождению электромедицины —
это было первое сравнительно широкое практическое применена
электричества, сыгравшее большую роль в углублении изученш
электрических явлений.
Опыт Мусхенбрука был повторен в присутствии французской
короля аббатом Нолле. Он образовал цепь из 180 гвардейцев
42 j
взявшихся за руки, причем первый держал банку в руке, а послед-
ний прикасался к проволоке, извлекая искру. «Удар почувство-
вался всеми в один момент; было курьезно видеть разнообразие
жестов и слышать мгновенный вскрик» десятков людей. От этой
цепи солдат и произошел термин «электрическая цепь».
Постепенно конструкция лейденской банки совершенствова-
лась: воду заменили дробью, а затем наружная поверхность по-
крывалась тонкими свинцовыми пластинами; позднее внутреннюю
и наружную поверхности стали покрывать оловянной фольгой, и
банка приобрела современный вид.
При проведении исследований с банкой было установлено (в 1746 г.
англичанином Б. Вильсоном), что количество электричества, соби-
раемое в банке, пропорционально размеру обкладок и обратно про-
порционально толщине изоляционного слоя. В 70-х гг. XVIII в.
металлические пластины стали разделять не стеклом, а воздушным
промежутком — так, появился простейший конденсатор.
2.5. Величественные и таинственные явления атмосферного
электричества получают научное обоснование. Первый
«электрический указатель»
Важным и вполне закономерным шагом на пути изучения элек-
трических явлений был переход от качественных наблюдений к
установлению количественных связей и закономерностей, к раз-
работке основ теории электричества. Наиболее значительный
вклад в решение этих проблем был сделан петербургскими акаде-
миками М. В. Ломоносовым и Г. В. Рихманом и американским
ученым Б. Франклином.
Выдающийся ученый-энциклопедист XVIII в. Михаил Васильевич
Ломоносов (1711—1765 гг.) явился в России основоположником изу-
чения электрических явлений, автором первой теории электричества.
При поддержке Ломоносова академик Георг Вильгельм Рихман
(1711—1753 гг.) разработал в 1745 г. оригинальную конструкцию пер-
вого электроизмерительного прибора непосредственной оценки «элек-
трического указателя» (рис. 2.4), который принципиально отличался
°т уже известного электроскопа тем, что был снабжен деревянным
квадрантом со шкалой, разделенной на градусы. Именно это усовер-
43
Рис. 2.4. Электрический указатель Рих-
мана
1 — деревянный квадрант с делениями;
2 — металлическая линейка; 3—металли-
ческий шест; 4 — льняная нить
шенствование (по словак
Рихмана) позволило изме-
рять «большую и меньшук
степень электричества».
Из постановления Акаде-
мической канцелярии (мар;
1745 г.) следует, что Рикма-
ном проводились весьм;
интересные электрически!
эксперименты, «которые npi
дворе и современном петер-
бургском обществе обраща-
ли на себя внимание». Дл!
этих экспериментов Рикма-
ну была предоставлен!
«при дворе особливая каме-
ра», которая, по-видимому,
была первой отечественной
электрической лаборато-
рией. До Рихмана в Pocchi
систематическим изучением электрических явлений не занима*
лись. «Электрический указатель» Ломоносов и Рихман исполь-
зовали при создании «громовой машины»
стационарной установки для наблюдения за т
п
электрических разрядов в атмосфере. Атмосферное электричество.
в середине XVIII в. еще совершенно
неизученное загадочное проявле-
ние гигантских сил природы,
привлекало особое внимание
М. В. Ломоносова.
«Громовая машина» (рис. 2.5) в
принципе отличалась от «элект-
рического змея» Франклина и
приспособлений других исследо-
вателей, так как позволяла непре-
рывно наблюдать за изменением
электричества, содержащегося в
атмосфере при любой погоде. .
Рис 2.5. Схема “громовой машины"
1 — электрический указатель; 2 —
соединительная проволока; 3 —
металлический шест на крыше
дома
44
С помощью «громовой машины» Ломоносов и Рихман установили,
что электричество содержится в атмосфере и при отсутствии грозы,
они убедительно доказали, что молния — это электрические разряды в
атмосфере. Описывая их эксперименты, газета «Санкт-Петербургские
ведомости» (1752, № 58) сообщала: «Итак, совершенно доказано, что
электрическая материя одинакова с громовою матернею, и те раскаи-
ваться будут, которые... доказывать хотят, что обе материи различны».
Летом 1753 г. М. В. Ломоносов и Г. В. Рихман провели уникаль-
ный эксперимент и с помощью громовой машины доказали, что,
как писала та же газета (1753, №45) «... сие наблюдение почита-
ется за чрезвычайное. Из сего наблюдения явствует, что ... элект-
рическая сила без действительного грому быть может. Ежели
второе правда, то не гром и молния электрической силы в воздухе,
но сама электрическая сила грому и молнии причина» (курсив
авт.). Ученые, при огромном стечении народа, устроили пальбу из
целой батареи пушек, гром «сотрясал небо», но «электрический
указатель» ничего не показывал ("искусством произведенный
гром электрической силы не показывает”).
Выводы М. В. Ломоносова послужили одной из основ впервые
разработанной им теории атмосферного электричества. На пуб-
личном собрании Академии наук в сентябре 1753 г. Рихман, — пи-
сал Ломоносов, — «будет предлагать опыты..., а я — теорию и
пользу от оной происходящую...».
Как известно, 25 июня 1753 г., во время грозы Г. В. Рихман,
приблизившись к «электрическому указателю», был убит ударом в
лоб «бледно-синеватым огненным шаром».
Трагическая смерть ученого послужила поводом для нападок со
стороны духовенства и реакционных кругов на ученых, стремив-
шихся проникнуть в тайны природы. Опыты Ломоносова и Рихма-
на называли кощунственными и требовали их прекратить,
подчеркивая, что смерть Рихмана — это «наказание господне за
вторжение в область божью».
Но огромный научный авторитет Ломоносова и поддержка про-
грессивных отечественных ученых позволили ему доказать недо-
пустимость нанесения ущерба «славе и престижу» России, и в
ноябре 1753 г. он выступил со своим знаменитым докладом «Слово
о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих,
предложенное от Михайла Ломоносова». В этом докладе — кото-
45
рый, отметим, был произнесен на русском языке, впервые был
изложена разработанная им строго научная матсриалистическа
теория атмосферного электричества, которая — по утверждени
современных специалистов, в своей принципиальной основе впо;
не соответствует современному представлению об этих явления:
Кстати, Ломоносов подчеркивал, что он в своей теории «Франклг
ну ничем не обязан», все у него «собственное и новое».
По утверждению Ломоносова атмосферное электричество во:
никает в результате трения пылинок и других взвешенных ча<
тичек воздуха с капельками воды, происходящего при вертикальны
перемещениях воздушных потоков. Он указывал, что существ}
ют вертикальные восходящие и нисходящие потоки воздуха, коте
рые «не токмо гремящей на воздухе электрической силы, но
многих других явлений в атмосфере и вне оной суть источник
начало».
Процесс электризации Ломоносов объяснял так: поток тепло!
воздуха, устремляющийся вверх (восходящий поток), увлекает а
собой различные «жирные и горючие пары» и другие примеси, н;
холящиеся в воздухе. Частицы этих паров Ломоносов называ
«шаричками». Эти «шарички»' по его мнению, имеют свойств}
близкие к свойствам твердого тела, и не могут поэтому смепп!
ваться с частичками воды (капли дождя), встречающимися на й
пути. В результате трения между «шаричками» и капельками вс
ды возникают электрические заряды как на тех, так и на другш
Ломоносов писал: ... «жирные шарички горючих паров, которн
ради разной природы с водяными слиться не могут, и ради безме{
ной малости к свойствам твердого тела подходят, скорым встреч
ным движением сражаются, трутся, электрическую силу рождаю
которая,распространяясь по облаку, весь оный занимает».
В разработке этой теории Ломоносов ближе, чем кто-либо I
его предшественников, подошел к современным теориям грозы.
Особенного внимания заслуживают взгляды Ломоносова й
природу статического электричества. Ломоносова не удовлетвор«
ли многочисленные теории электричества, разработанные зар}
бежными исследователями, так как в большинстве из них, как о
подчеркивал, «некоторые к составлению электрической теории са
мые нужнейшие вещи не довольно наблюдены были». Ломоносо
явился инициатором объявления Академий наук конкурса на те
46
г
Mv: «Сыскать подлинную электрической силы причину и соста-
вить точную ее теорию».
Свои воззрения на явления электричества Ломоносов сформу-
| дировал в 1756 г. в неопубликованном и сохранившемся лишь в
Зиде тезисов труде «Теория электричества, разработанная мате-
матическим путем». В отличие от большинства своих современни-
ков Ломоносов полностью отрицает существование особой
электрической материи и рассматривает электричество как форму
движения эфира. В его труде нет ни слова о различных субстанци-
ях, с помощью которых многие ученые того времени пытались
объяснить электрические явления. «Электрическая сила есть дей-
ствие, вызванное легким трением... оно состоит в силах отталки-
вательных и притягательных, а также в произведении света и
огня», пишет Ломоносов в своем труде.
«Эфирная» теория электричества, разработанная Ломоносо-
вым, была передовой для своего времени. Она являлась новым ша-
гом к материалистическому объяснению явлений природы.
Эфирная теория получила дальнейшее развитие в трудах Эйлера,
а позднее, в XIX в., ее придерживались Фарадей и другие круп-
нейшие ученые. Фарадей, например, считал электричество дви-
жением некоей, заполняющей все пространство, пронизывающей
все тела упругой среды.
Северные сияния, по мнению Ломоносова, также имеют элект-
рическую природу. Он рассматривал их как свечение, вызываемое
электрическими зарядами в верхних слоях атмосферы. «... Весьма
вероятно, — писал Ломоносов в своем "Слове о явлениях воздуш-
ных, от электрической силы происходящих", что северные сияния
рождаются от происшедшей на воздухе электрической силы».
М. В. Ломоносовым были проделаны интересные опыты со све-
чением разряженного воздуха в стеклянном наэлектризованном
шаре — это свечение он сравнивал с северным сиянием: «Возбуж-
денная электрическая сила в шаре, из которого воздух вытянут,
внезапные лучи испускает». Опыты Ломоносова по воспроизведению
северных сияний на моделях были повторены только спустя 175 лет.
Наблюдавшееся Ломоносовым свечение было по существу явлением
электрического разряда в разреженном воздухе.
В поисках более безопасных методов измерения «электрической
громовой силы» Ломоносов разработал своеобразный автоматический
47
d
аь
регистратор максимальной вели),
чины грозового разряда (рис. 2.6),
После удара молнии по прибор^11
«сему увидеть можно коль велик;
была самая большая громовая си
ла». Основываясь на многочислен
ных опытах, Ломоносов пришел i
выводу о целесообразности широ а
кого применения громоотводов. О; Франклин высказал правильные предположения о материаль-
писал: «Такие стрелы на местах хаРактере электричества, считая, чт0 с°б^и
от обращения человеческого п; —
мере удаленных, ставить за небес <>сь подойти к представлению об «электризации через влияние»
полезное дело почитаю, даб»
ударяющая молния больше н;
них, нежели на головах челове»
ческих и на храминах, силы своу
изнуряла».
Большой вклад в изучение электрических явлений, в особенно-
[ атмосферного электричества, был сделан известным амери-
канским ученым и общественным деятелем Бенджамином
Жранклином (1706—1790 гг.). Им были произведены (1747—1752 гг.)
;ногочисленные опыты по улавливанию и изучению атмосферно-
о электричества, усовершенствован молниеотвод, разработа-
так называемая «унитарная» теория электричества (1747 г.)
лемент, состоящий из «частиц, чрезвычайно тонких». Ему уда-
\е. к явлению электростатической индукции. Он впервые (1749
.) экспериментально доказал электрическую природу молнии и
Ле тождество с уже известными свойствами «электрической жид-
кости». Знаменитый опыт Франклина с воздушным ("электриче-
ским") змеем убедительно показал возможность «извлечения»
Электричества из облаков, которым он заряжал лейденскую банку
юдобно тому, как это осуществлялось посредством электростати-
ческой машины. Предполагается, что им впервые были введены
жакие термины, как «батарея», «заряд», «разряд», а также он пер-
вым соорудил батарею из лейденских банок.
1 Вот некоторые подробности из истории громоотвода. Франк-
Длин рассуждал о заостренных, устремленных к небу проводни-
Шках, еще не имея возможности провести эксперимент. Его
письма к английскому ученому Коллинсону, будучи прочитан-
ными в Лондонском королевском обществе, вызвали насмешки
и небыли опубликованы. В 1752 г. книга Франклина была опуб-
ликована во Франции, и переводчик книги Далибар реализовал
проект Франклина, установив в своем загородном поместье вер-
тикальный прут. Вслед за тем такие «громоотводы» были уста-
новлены в Марли близ Версаля и близ Парижа. Но вот что
интересно; все эти стержни опирались на изоляторы и не были
заземлены. Это обстоятельство позволило 10 марта 1752 г. во
время грозы в Марли наблюдать разряды между железным стер-
жнем и землей. В июне 1752 г. Франклин провел, наконец,
вблизи Филадельфии свой знаменитый опыт со змеем, запущен-
ным под облака. Намокнувший шнур, на котором удерживался
змей, стал проводником, и Франклин экспериментально под-
49
Рис. 2.6. Прибор Ломоносова
ab— проволочная пружинка, припаян-
ная к металлическому кружку; d — ме-
таллический стержень с трезубцем
В отличие от Франклина Ломоносов правильно указал на решЗ'
юшую роль заземления в устройстве громоотвода. 1
Весьма оригинальные представления о сущности электрически:
явлений были высказаны в уже упоминавшемся фундаментально»
труде русского ученого А. Т. Болотова. Он в частности, писал
«...но в том сумневаться не можно, что она ("электрическая мате
рия" авт.) по примеру других состоит из частичек (выделено Бо
лотовым) и что частичкам сим надобно быть чрезвычайной 1
непостижимой для нас мализны, причем эти частички способны 1
движению, которое происходит с «непостижимой скоростью». За
тем Болотов задает вопрос: «А какой они — эти частички — фигу-
ры, то есть формы?» И отвечает, что по их действию и способносп
к быстрому передвижению «... догадываться только можем, чт(
надлежит им быть только круглыми». Примечательно, что в этом
произведении мы не находим стандартных упоминаний об Электр
ричсской жидкости — ведь с этого начинали изложение сути элек*
трических явлений почти все физики того времени. ОтметиМ)
кстати, что Болотов подчеркивает, что одна и та же электрическа*
материя есть повсюду и в атмосфере, и в недрах земли, и во все*
телах, но нс везде она находится в равных количествах и поэтому
по-разному себя проявляет. »
48 Я
твердил свои гипотезы об атмосферном электричестве, громоотва гавшись дерзости своих
де и единстве природы атмосферного ("естественного") и искусст;
венного электричества, зарядив лейденскую банку. i
Надо сказать, что идея громоотвода с очень большим трудов
пробивала себе дорогу в быт городов главным образом из-за религи»
озных опасений "вмешательства в небесные дела". История сохра>
нила свидетельство о том, как в 1783 г. один из жителей С.-Омера
(Франция) установил на своем доме громоотвод и тем вызвал вол.
нение среди жителей города. Только решением суда удалось с»
хранить громоотвод: судебный процесс между муниципальным!
властями и домовладельцем получил большую огласку и положу
начало карьере блестящего адвоката, ставшего известным всей Фраи
ции. Вскоре о нем узнал весь мир: имя адвоката было Робеспьер.
Среди ученых, занимавшихся изучением электрических явле
ний, следует отметить чешского естествоиспытателя Прокопа Ди
виша (1698—1765). Он соорудил большую электростатическую
машину, предложил несколько типов молниеотводов, изучал вли
яние электрических разрядов на рост посевов различных культур.
2.6. О «сходств? и подобии» электрических и магнитных
явлений. Новые открытия. Закон Кулона
Постепенно электрические эксперименты перестают быть мод
ными развлечениями и все более превращаются в мощное средств!
познания неизведанных тайн природы.
Мировую известность приобрел трактат петербургского акаде
мика Франца Ульриха Теодора Эпинуса (1724—1802 гг.) «Опьг
теории электричества и магнетизма», изданный в Петербурге 1
1759 г. Эпинус впервые указал на связь между электрическими!
магнитными явлениями. К этому выводу он пришел в результат!
многочисленных экспериментов с электризацией кристаллов тур
малина при их нагревании и охлаждении (1752 г.). Это явлен#
позднее получило название пироэлектричества. Образование раз
поименных зарядов на противоположных концах кристаллов oi
уподоблял двум противоположным полюсам магнита. В своей ре#
на общем собрании Академии наук в 1758 г. Эпинус говорил «#
только о некоем союзе и сходстве магнитной и электрической с#
лы, но и сокровенном обеих сил точном подобии». И будто исп)
50
мыслей о «подобии» этих различных (по
утверждениям его многих современников) явлений, он в конце ре-
чи добавил: «Но я таким образом заключать не отважусь». И не
удивительно, прошло почти три четверти столетия, пока «сходство
и подобие» электрических и магнитных явлений было убедительно
доказано М. Фарадеем.
Независимо от Эпинуса итальянский ученый Д. Беккария (1716—
1781 гг.) в 1758 г. выдвинул гипотезу о существовании тесной связи
между «циркуляцией электрического флюида и магнетизмом».
Ф. Эпинусу принадлежит открытие явления электростатиче-
ской индукции. Он впервые отверг утверждение Франклина об
особой роли стекла в лейденской банке и применил плоский кон-
денсатор с воздушной прослойкой. Он правильно утверждал, что
чем меньше расстояние между обкладками банки и чем больше их
поверхность, тем выше «степень электричества».
Предполагая, что «сила электрического потрясения» зависит
главным образом от степени «сгущения электрической жидкости»,
Эпинус близко подошел к понятиям о потенциале и емкости. Эпину-
сом были поставлены эксперименты, воспроизводящие явления,
имеющие место в приборе, названном позднее «электрофором». Изо-
бретение электрофора обычно приписывают А. Вольта, но сам Воль-
та отмечал, что Эпинус осуществил на практике идею элекрофора,
«хотя и не сконструировал законченного лабораторного прибора».
В своем сочинении Эпинус предложил свою теорию электриче-
ских и магнитных явлений, которая основывалась на существова-
нии электрической и магнитной жидкостей. Заслуживает
внимания его попытка впервые применить математические расче-
ты для характеристики взаимодействия заряженных тел. При
этом он задолго до Кулона высказал предположение о том, что си-
лы взаимодействия электрических и магнитных зарядов изменя-
ются обратно пропорционально квадратам расстояния между
ними. Эпинусом также была высказана правильная мысль о со-
хранении количества электричества. Для увеличения «количества
электрической материи» в одном теле ее «неизбежно нужно взять
вне его и, следовательно, уменьшить ее в каком-либо другом теле»;
Говоря о возникновении понятий потенциала ("напряжение”) и
емкости, необходимо отметить большой вклад выдающегося
итальянского физика Алессандро Вольта (1745—1827 гг.). Его по
51
праву можно назвать основателем электрической метрологии. J
ряде своих работ (1778—1782 гг.) он четко формулирует количе-
ственные зависимости между электрическим зарядом, емкостью и
напряжением: «...когда емкость больше, то данное количество
электричества вызывает меньшее напряжение ... емкость и элект-
рическое действие, или напряжение, находятся в обратном отно-
шении»*. Причем под термином «напряжение» он понимает
интенсивность или «усилие, производимое каждой точкой наэлек-
тризованного тела». А. Вольта создал более совершенные электро-
форы и электроскопы, в частности, конденсаторный электроскоп.
Среди ряда теорий электричества, разработанных в XVIII в., за-
служивает внимания теория петербургского академика Л. Эйлера
(1707—1783 гг.) — одного из выдающихся ученых своего времени.
Подобно М. В. Ломоносову Эйлер отрицал существование осо-
бой электрической материи и считал, что электрические явления
обусловлены разрежением и сгущением эфира. Эта теория являет-
ся дальнейшим развитием идей Ломоносова и приближается я
эфирным теориям электричества XIX в. Эйлером описана также я
одна из конструкций электростатической машины (1761 г.), от ко-
торой заряжалась лейденская банка.
Углубление исследований в области статического электричест
ва не могло не привести к опровержению ряда ошибочных выво
дов, сделанных физиками в начальный период изучения этш
явлений. Одним из таких ошибочных выводов было утверждение!
невозможности электризации металлов трением.
В конце XVIII в. ряд европейских ученых, а также выдающийо
русский физик и электротехник академик В. В. Петров приходят!
заключению о том, что металлы могут быть наэлектризованы по
средством трения при условии их тщательной изоляции. Наиболе
убедительно это было доказано В. В. Петровым в его труде «Новы:
электрические опыты», изданном в 1804 г. Он показал, что осо
бенно эффективным способом электризации металлов являете
«стегание» их выделанным мехом некоторых животных. И>
также разработан ряд новых методов электризации различны:
тел. В. В. Петров правильно установил влияние размеров, темпе
ратуры и состояния поверхности тел, а также влажности окру
* М. Льоцци. История физики. — М.: Мир, 1970. 184 с д
52
жающего воздуха на интенсивность электризации. Эти выводы
В. В. Петрова, а также его указание на неустойчивость явления
электризации тел подтверждены современными исследованиями.
Заслуживает внимания утверждение Петрова о возможности
электризации человеческого тела посредством «стегания» — это
позволяло врачам (он подчеркивает это в своем труде) применять
электролечение без электростатической машины, которую не вся-
кий медик мог иметь в своем распоряжении.
Результат опытов по электризации тканей, осуществленных Пет-
ровым, привели его к созданию электрофора оригинальной конст-
рукции, в котором основание из смолы было заменено тщательно
просушенной «мягкой байкой», сложенной в четыре слоя. Ученый
провел целую серию новых экспериментов по электризации ртути и
других веществ посредством «трясения» их в стеклянных сосудах.
В. В. Петров подверг специальному изучению явления статиче-
ского электричества в разряженном воздухе и в атмосфере различ-
ных газов. С этой целью он построил совершенно оригинальную
электростатическую машину (рис, 2.7), помещавшуюся под коло-
Рис. 2.7. Электростатическая машина В. В. Петрова
53
колом воздушного насоса. Установленный там же термометр фик-
сировал интенсивность электрических разрядов при разных тем-
пературах.
В частности Петров убедительно подтвердил возрастание
электрической проводимости воздуха при его нагревании, обна-
ружил образование окислов азота при электрических разрядах в
воздухе.
В последней четверти XVIII в. все более начинает проявляться
новый образ мышления ученых, исследующих электрические и
магнитные явления. Сделанные еще в 40—50 гг. М. В. Ломоносо-
вым и Г. В. Рихманом первые шаги от качественных наблюдений к
установлению количественных закономерностей, вызывают все
больший интерес. Возможность перехода к количественным иссле-
дованиям обуславливалась как успехами математики, так и совер-
шенствованием измерительных устройств.
Как уже отмечалось, ф. Эпинус пытался аналитически опре-
делить силу взаимодействия электрических зарядов. Вслед за
ним английский ученый Генри Кавендиш (1731—1810 гг.) в
своей статье (1771 г.) указывает на то, что притяжение двух
электрических зарядов обратно пропорционально расстоянию в
степени меньше третьей. В 1766 г. англичанин Т. Лейн изобрел
новый тип электрометра, представлявшего собой разрядник с
градуированием расстояния между электродами; с помощью та-
кого электрометра можно было по расстоянию, при котором
происходил пробой, определять «напряжение» электростатиче-
ской машины. Известны также попытки физиков найти закон
магнитного действия.
Важнейшим шагом в развитии количественных исследований
электрических и магнитных явлений было установление закона о
силе взаимодействия между наэлектризованными телами и маг-
нитными полюсами. Этими вопросами занимались многие ученые
(Эпинус, Кавендиш и др.), высказавшие предположение о «законе
обратных квадратов».
Ио наибольших успехов сумел достичь французский военный
инженер Шарль Огюстен Кулон (1736—1806 гт.). В течение не-
скольких лет он проводил эксперименты с помощью прибора, ко-
торый вначале был предназначен для изучения законов
закручивания шелковых и волосяных нитей, а также металличе-
54
ских проволок. В 1785 г.
Кулон установил, что
«сила кручения пропор-
циональна углу закручи-
вания». Он решил
использовать этот при-
бор для измерения «ма-
лых электрических и
магнитных сил». При-
бор позволял измерять
«мельчайшие степени си-
лы», и Кулон назвал его
«крутильными весами»
(рис. 2.8).
В результате много-
численных эксперимен-
тов он установил, что
сила взаимодействия
наэлектризованных тел
пропорциональна «коли-
честву электричества»
(этот термин был им
впервые введен в нау-
ку) заряженных тел и
обратно пропорцио-
нальна квадрату рассто-
Рис. 2.8. Крутильные весы Кулоиа
У — микрометрический круг с указателем и
клеммой для подвешивания металлической
нити 2, на которой висит стрелка 3 с бузино-
вым шариком; 4 — неподвижный бузино-
вый шарик, заряжаемый электрическим
яния между ними. зарядом
Так был открыт Кулоном знаменитый закон, носящий его имя.
Этот закон Кулон распространил и на взаимодействие магнитных
полюсов.
Кулоном аналитически и экспериментально было доказано, что
электричество распространяется по поверхности проводника, а
также равномерно распределяется по поверхности изолированной
проводящей сферы.
Исследования Кулона способствовали применению математиче-
ского анализа в теории электричества и магнетизма, распростране-
нию математического понятия потенциала (ранее введенного в
механику) на электрическое и магнитное поля.
S5
2.7. Электромедицина — на службе человеку
В результате многочисленных экспериментов с электростатически
ми машинами и в особенности после изобретения лейденской банк
стало очевидным влияние электрических разрядов на организм чела
века. Во второй половине XVIII в. в ряде стран Западной Европы и
России электростатические машины и лейденские банки стали исполг
зоваться медиками для избавления людей от многих болезней.
Исследованием способов воздействия электричества на орга
низм человека в течение многих лет занимался А. Т. Болотов. lit
впервые в России была создана стационарная электролечебница
разнообразным набором инструментов и приборов для ©существ
К Р А Т К I Я
и на опытности основанный
замечания ,
ЕЛЕ К ТРИ Ц И 3 М Ь .
и о способности ЕЛ1:кт1»ич1:скихъ
м а х и и к
К1> помогании ошъ разныхь
бол Ьз ней .
СЪ июбрлжчшемЬ и описан кмЪ наипрогпгкй s
ЛАП) род.। махинЪ и р.члшхЬ ГППсоГюр'Ь .
у При -
е -t>O HfCH - - • ----- -
. (' О Ч И Н О fl I С
| Андрея Ьи.юнкма, '
х i , „
| Коч.м лсф.п.) Лссессора и Чле на кнхЪ
1 OCujcciiiBb, • ИМ1ПТ’\Г(1|’СКАГО
. Сзнкини-гпербу рг|. и К у|>фирсшска<ха <\«кг«ж -
| : к!» л< nniJHlf.-
f i; В Ъ с А Н К г XI Е г Е Р Б V Г I 1
При Имл«'р.11порскои Акл/И'МШ' Нл/|Л.,>
| *• > v « 8®3 гид i
Рис. 2.9. Титульный лист книги А Т. Болотова
56
ления процедур. В 1792 г. он написал «Историю моего електризо-
вания и врачевания разных болезней оным» в трех томах; им были
написаны также «Журнал электрическим моим врачеваниям раз-
ных болезней» (1793 г.) л «Краткий электрический лечебник»
(1793 г.). Наибольший интерес представляет его книга, вышедшая
в Петербурге в 1803 г. «Краткие и на опытности основанные заме-
чания о электрицизме и о способности электрических махин к по-
моганию от разных болезней» (рис. 2.9.). А. Т. Болотов предлагает
широко применять электричество для лечения людей, в особенно-
Рис. 2.10. Электростатическая машина Болотова
сти, «простого народа», страдающего от многих болезней. Создан-
ная им простая и надежная электростатическая машина (рис. 2.10)
использовалась «...не требуя починки, долее десяти тысяч раз...
Для лечения больных» (курсив наш — авт.). И «... успех от сих
Действований так вожделен и удачен, что в течение двух лет,
сколь мне по записям известно, в состоянии была помочь более
1500 человекам не только от разных легких... болезней, но много
Раз от самых тяжких, долговременных, запущенных, ... даже са-
Мых редких... и таких болезней, которые всем другим употребляе-
57
мым до того лекарствам и даже врачеванию искусных медик
противоборствовали».
Заслуживает внимания стремление А. Т. Болотова максима;
но упростить конструкцию машины и инструментов с тем, что(
их изготовление было «...сопряжено с меньшими хлопотами и v ^ешно!) применять электричество для лечебных целей (см. гл. 2).
эазличных отраслей науки, в том числе науке об электричестве. В
13учении электрических явлений были достигнуты определенные
успехи, ими начинают все более интересоваться не только физики,
но естествоиспытатели, в особенности врачи, пытавшиеся (и не без-
кусством и с меньшими издержками» — это позволяло их изгота
ливать при помощи... столяра, кузнеца и слесаря" и иметь «
примеру моему многим у себя дома».
Очевидно, что все это способствовало пробуждению интереса
изучению электрических явлений, к опытам их практического в «электрические» рыбы, известные еще с древних времен. Так
пользования. А. Т. Болотов выступает как пионер отечествен»
электромедицины, как ученый-патриот, стремящийся распростр
нять и пропагандировать достижения науки, использовать их
интересах народа.
Значительный вклад в электромедицину был сделан академ
ком В. В. Петровым, который использовал для этих целей не тол
ко электростатические машины, но как это будет показано
следующей главе — и электрохимические источники, в частност
созданную им уникальную гальваническую батарею.
Успехи в области исследования электростатических явлений
их практического применения, достигнутые к концу XVIII стол
тия, подготовили почву для открытия новых, ранее не известш
явлений, создания источников постоянного электрического тока
изучения его свойств. Все это привело к становлению и последу!
щему бурному развитию электротехники.
ГЛАВА 3
ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА. ЗАКЛАДКА
ФУНДАМЕНТА ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
ЗЛ. «Животное» электричество Гальвани. Новая «таинственн;
материя»?
В течение многих столетий вплоть до последней четверти XVIII
ученым были известны только явления статического электричест!
Промышленный переворот XVIII в. дал мощный толчок развит!
58
1
Отдельные ученые высказывали предположение, что если «вся
природа электрическая», то и в организмах человека и животных
по жилам и мускулам должна протекать эта таинственная мате-
рия. Одним из подтверждений указанных воззрений были
возникло представление о новом виде электричества, названного
«животным».
И не случайно исследованием мышечных движений лягушек
под воздействием электричества занялся в 1773 г. профессор ана-
томии Болонского университета Луиджи Гальвани (1737—1798 гг.).
Первые электрофизиологические опыты Гальвани над лягушками
относятся к 1780 г. Спустя 11 лет он опубликовал результаты сво-
их исследований в знаменитом «Трактате о силах электричества
при мышечном движении», получившем широкую известность.
Во время одного из экспериментов, когда препарированная ля-
гушка лежала на столе, на котором находилась электростатиче-
ская машина, Гальвани заметил, что, если прикоснуться
скальпелем (или любым проводником) к бедренному нерву ля-
гушки в момент, когда из кондуктора машины извлекается искра,
то мышцы лягушки судорожно сокращаются. Естественно было
предположить, что и атмосферное электричество должно действо-
вать аналогично. И, действительно, при «вспыхивании молнии»
мышцы «... впадали в сильнейшие сокращения». Желая выяснить,
какие явления будут наблюдаться «при ясном небе», Гальвани
прикрепил медный крючок к спинному мозгу лягушки и подвесил
крючок к железным перилам балкона. Прижимая другой конец
крючка к перилам, он снова наблюдал сокращение мышц. Подо-
зревая, что состояние атмосферы не действует на лягушку, он по-
вторил эксперимент в своей домашней лаборатории: положив
препарированную лягушку на металлическую обшивку стола и
прижав медный крючок, продетый через спинной мозг лягушки к
ст°лу, он снова увидел сильные сокращения. Однако при замене
одного из металлов непроводником сокращений не происходило.
59
Но сокращения были «энергичнее и продолжительнее», если ля»
гушка лежала не на железном листе, а на серебряной пластине.
Гальвани сделал правильное предположение о том, что сокраще»
ние мышц вызывается действием электрических сил, что мышцы и
нервы образуют как бы две обкладки лейденской банки. Но нужно
было решить очень важный вопрос: как и где во всех этих опытах
возникает электричество? Ни железная пластинка, ни медный крю-
чок, соприкасавшийся с телом лягушки, не могли, по представлени-
ям физиков того времени, служить источником электричества, так
как на металлы смотрели только как на проводники, считая, что они
могут становиться «электрическими» лишь через прикосновение к
другим наэлектризованным телам. Тогда оставалось предположить,
что таким источником является сама лягушка. Все это создавало по-
чву для представлений о существовании особого — «животного»
электричества. Такую мысль и высказал Гальвани для объяснения
наблюдавшихся им фактов. Этому предположению Гальвани придал
форму теории, изложенной в упомянутом «Трактате о силах элект-
ричества при мышечном движении». Тело животного являлось со-
гласно взглядам Гальвани своеобразной лейденской банкой,
способной на непрерывное повторное действие.
Опыты Гальвани вызвали большой интерес. Среди физиологов
стала еще больше, чем ранее, укрепляться мысль об электричест-
ве как удивительном новом средстве для исцеления. Что касается
физиков, то их взгляды на явления, наблюдаемые Гальвани, ра-
зошлись. Одни соглашались с Гальвани и считали, что «гальвани-
ческое», или «животное», электричество имеет совершенно иную
природу, чем электричество трения, другие отождествляли оба
вида электричества; наконец, третья группа физиков оспаривала
вообще существование «животного» электричества. К этой группе
принадлежал профессор физики в Павийском университете Алес-
сандро Вольта (1745—1827 гг.). J
3.2. Создание первого источника электрического тока — начале
новой эпохи в истории электричества и магнетизма Я
В течение нескольких лет (1792—1795 гг.) А. Вольта не только
повторил все опыты Гальвани, но и произвел ряд новых исследова-
ний. И если Гальвани искал причину обнаруженных им явлений
60 ii
как физиолог, то Вольта, будучи физиком, искал в них физиче-
ские процессы.
А. Вольта прежде всего обратил внимание на то, что сокраще-
ния мышц наиболее интенсивно происходят при использовании
двух разнородных металлов (это было известно и Гальвани). Про-
должая исследования, он отверг идеи Гальвани о «животном»
электричестве и пришел к выводу, что источником электричества
является контакт двух разнородных металлом: «Металлы не толь-
ко прекрасные проводники, но и двигатели электричества», — ут-
верждал Вольта. А «... лягушка, приготовленная по способу
Гальвани, есть чувствительный электрометр».
Обобщением исследований Вольта была предложенная им тео-
рия «контактного электричества». Эта теория утверждала, что при
соприкосновении различных металлов происходит разложение их
«естественного» электричества. При этом электричество одного
знака собирается на одном металле, другого — на другом. Силу,
возникающую при контакте двух металлов и разлагающую их «ес-
тественное» электричество, Вольта назвал электровозбудитель-
ной или электродвижущей силой. Эта сила «перемещает
электричество так, что получается разность напряжений»
(между металлами — авт.).
Продолжая исследования при помощи созданного им весьма
чувствительного прибора — электроскопа с конденсатором, Воль-
та установил, что металлы можно распределить в некоторый ряд,
в котором «разность напряжений» между двумя металлами будет
тем больше, чем дальше они расположены друг от друга.
С современной точки зрения совершенно очевидна ошибочность
идеи Вольта о возможности получения электрического тока по-
средством простого контакта разнородных металлов, т.е. получе-
ния электрической энергии без затраты для этого какого-либо
другого вида энергии. Однако в начале прошлого века эта теория
контактного-электричества нашла многих сторонников и на неко-
торое время удержалась в науке.
Многочисленные эксперименты привели Вольта к выводу, что
непрерывный электрический «флюид» может возникнуть лишь в
замкнутой цепи, составленной из различных проводников — ме-
таллов (которые он называл проводниками первого класса) и жид-
костей (названных им проводниками второго класса).
61
щечную батарею (рис. 3.2), действие которой, по его мнению, также
Рис. 3.1. Вольтов столб
суконной прокладки столба заменяла жидкость). Чашечная батарея
Рис. 3.2. Чашечная батарея Вольта
представляла собой соединение отдельных элементов, имевших
форму банок, наполненных разбавленной серной кислотой, в ко-
Создание вольтова столба подготовило почву для закладки фунда-
ческого тока имеет для учения об электричестве по меньшей мере
такое же значение, как открытие кислорода для химии. А современ-
ник Вольта выдающийся французский ученый академик Доменик
Опыты Вольта завершились построением
1799 г. первого источника непрерывного алекйбыло основано на контакте между двумя металлами (роль влажной
рического тока, составленного из медных " ' __ _
цинковых кружков (пар), переложенных cj
конными прокладками, смоченными водой иц
кислотой. Этот прибор, о котором он впервц
сообщил Президенту Лондонского королевско
го общества в марте 1800 г., был назван и>
«электродвижущим аппаратом», а позж<
французы стали его называть «гальванически
или вольтовым столбом» (рис. 3.1).
Необходимость применения проводнике] ,
второго класса (суконных кружков, смочен торую погружались медная 1 и цинковая 2 пластины. Кроме пред-
ных водой или кислотой) Вольта объясни^ ложенных Вольта конструкций источника электрического тока
следующим: при соприкосновении двух раз вскоре были разработаны некоторые другие его модификации,
личных металлов электричество одного знак
сосредоточивается на одном металле, а эле» мента электротехники, ф. Энгельс отмечал, что открытие гальвани-
тричество противоположного знака — н
другом. Если составить столб из нескольких пар различных метал
лов, например цинка и серебра (без прокладок), то каждая цинк<|
вая пластина будет находиться в соприкосновении с одинаковым! Франсуа Араго (1786—1853 гг.) считал вольтов столб «самым заме-
серебряными пластинами и их общее действие будет взаимй
уничтожаться. Для того чтобы действие отдельных пар суммиро
валось, необходимо обеспечить соприкосновение каждой цинйо
вой пластинки только с одной серебряной. Это осуществляется
помощью проводников второго рода — суконных кружков, смс развитии науки об электричестве, так и в расширении его Пд.«ктиче-
ченных водой или кислотой, разделяющей пары металлов и в
препятствующих движению электричества. Таким образом, Воль
та, не понимая того, что электрический ток возникает в результа
те химических процессов между металлами и жидкостям!
практически пришел к созданию гальванического элемента, де!
ствие которого основывалось именно на превращении химическо
энергии в электрическую. Хотя Вольта и заметил, что поверх»
сти приведенных в контакт разнородных металлов, составляют!
гальваническую пару, подвергаются изменению — окисляютс
тем не менее он не придал этому факту никакого значения.
А. Вольта предложил, кроме столба, еще и несколько иную ко!
струкиию источника электрического тока — так называемую ч?
62
чательным прибором, когда-либо изобретенным людьми, не исклю-
чая телескопа и паровой машины». В этом определении нельзя
усматривать преувеличения. Вольтов столб — первый источник не-
прерывного электрического тока, сыгравший громадную роль как в
ских приложений. Вольтов столб в различных своих модиф нациях
долгое время оставался единственным источником электрь 'еского
тока. Как будет видно из последующего, крупнейшие учены червой
половины XIX в. — Петров, Дэви, Ампер, Фарадей широка щиме-
няли вольтов столб для своих опытов.
Научный вклад итальянского ученого был высоко оценен его
современниками. Легенды о Вольта уже ходили среди ученых при
его жизни. Его интересовали самые различные явления г «ироды,
ег° можно было назвать «огнепоклонником» — он всю жи.-чь стре-
мился познать тайны пяти природных «огней»: небесных (север-
Ные сияния и сполохи), атмосферных (молнии и зарницы),
бьющихся из под земли (горючие болотные газы), подземных, со-
63
" трясающих землю (вулканические) и самого главного — огня
электрического, который царит во всех явлениях природы.
Создав вольтов столб. Вольта подарил миру, как писал один из его
биограЦхтв, «невиданный ранее источник электричества, не порция-
ми, как от банок и электрофоров, а непрерывным потоком».
Вольтов столб был последним, но наиболее выдающимся изобре-
тением Вольта, он произвел средн ученых «вольтаимескнй фурор».
Повторяя опыты Гальвани, он убедился, что лягушка реагировала на
заряд, цдвое меньший, чем самый чувствительный из созданных
электрометров. В доказательство своих воззрений Вольта произвел в
1794 г. «эпохальный» опыт ("квартет мокрых"), потрясший совре-
менников. Четверо с мокрыми руками становились в круг, затем
первый правой рукой держит цинковую пластинку, а левой касается
языка второго; второй касается глазного яблока третьего, который
держит за ножки препарированную лягушку, а четвертый правой
рукой схватывает ее тельце, а левой подносит серебряную пластинку
к цинковой в правой руке первого. В момент касания первый резко
вздрагивает, второй морщится от «лимонного» вкуса, у третьего —
искры в глазах, четвертый чувствует неприятные ощущения, а ля-
гушка будто оживает и трепещет.
Заслуживают внимания трактат Вольта «Об идентичности галь-
ванического и электрического флюидов», его высказывания о
«сходстве» электричества и магнетизма. 1
Современники называли Вольта самым великим физиком, жив-]
шим в Италии после Галилея. Наполеон предложил избрать его в’
«число бессмертных», наградил крестом Ордена Почетного легиона и
сделал графом и сенатором Италии. А. Вольта был членом многих
академий, в том числе почетным членом Петербургской Академии
наук. В Г&81 г, на Международном конгрессе электриков в Париже
единице напряжения было присвоено наименование «Вольт». j
3.3. Обнаружение и изучение действий электрического тока.
«Огромная наипаче батарея» В. В. Петрова
Первые же опыты с электрическим током* не могли не привЯ
сти к открытию некоторых присущих ему свойств. Поэтому раЯ
сматриваемый период в истории электричества характеризуется
• Термин «электрический ток» был введен А. М. Ампером (см. параграф 3.5). Я
64
главным образом обнаружением и изучением различных дейст-
вИй электрического тока. Исследования электрического тока,
производившиеся в большом масштабе в первые годы XIX в., при-
веди к открытию химических, тепловых, световых и магнитных
действий.
В 1800 г. вскоре после получения известия об изобретении воль-
това столба члены Лондонского королевского общества Антони
Карлейль и Вильям Никольсон произвели ряд опытов с вольтовым
столбом, которые привели их к открытию нового явления: при
прохождении тока через воду имело место выделение газовых пу-
зырьков; исследовав выделявшиеся газы, они правильно установи-
ли, что это кислород и водород. Таким образом, впервые был
осуществлен электролиз воды. Вскоре после опубликования работ
А. Карлейля и В. Никольсона (июль 1800 г.) появилась в немец-
ком научном журнале «Annalen der Physik» статья немецкого фи-
зика Иоганна В. Риттера, также осуществившего разложение воды
током. После открытия действия тока на воду ряд ученых заинте-
ресовался вопросом о том, к каким результатам приведет пропу-
скание тока через другие жидкости. В том же 1800 г. голландский
химик Вильям Крейкшенк, пропуская ток через раствор поварен-
ной соли, получил на отрицательном полюсе едкий натр, не подо-
зревая, что здесь имела место вторичная реакция: поваренная
соль разлагалась на Na и С1 причем натрий, жадно соединяясь с
водой, образовывал едкий натр.
Указанные эксперименты положили начало исследованию хи-
мических действий гальванического тока, получивших впоследст-
вии важное практическое применение.
Тепловые действия тока были обнаружены в накаливании тон-
ких металлических проводников и воспламенении посредством
искр легко воспламеняющихся веществ. Световые явления наблю-
дались в виде искр различной длины и яркости.
В 1802 г. итальянский физик Джованни Д. Романьози обнару-
жил, что электрический ток, протекающий по проводнику, вызы-
вает отклонение свободно вращающейся магнитной .стрелки,
Сходящейся вблизи этого проводника. Однако тогда, в первые го-
ды изучения электрического тока, явление, открытое Романьози,
имевшее, как впоследствии выяснилось, громадное значение, не
получило должной оценки. Только позднее, в 1820 г., когда наука
<55
об электричестве достигла более высокого уровня, магнитное дей-
ствие тока, описанное датским физиком Гансом Христианом Ээс«
телом (1777—1851 гг.), стало предметом глубокого *
всестороннего изучения.
Среди многочисленных исследований явлений электрического
тока, произведенных в первые годы после построения вольтову
столба, наиболее выдающимися были труды первого русского
электротехника, профессора физики Петербургской Медико-хи;
рургической академии, академика Василия Владимировича Петч
рова (1761— 1834 гг.), так как в них впервые была показана *
доказана возможность практических применений электричества. J
Поистине трагическая судьба постигла этого выдающегося уче»
ного, который в истории русской физики — по словам бывшею^
президента Академии наук СССР академика С. И. Вавилова — п^
значению своих трудов «непосредственно следует за М. В. Ломо-
носовым». Какими же заслугами нужно было обладать сыну
скромного приходского священника в г. Обояни (Курской губер-
нии), чтобы удостоиться звания академика Петербургской Акаде-
мии наук, значительная часть членов которой имело знатно*
происхождение, а многие были иностранцами.
В. В. Петров был не только выдающимся физиком и химиком;
но и блестящим педагогом, основателем первого крупного физиче*
скоро кабинета «превосходнейшего во всей Российской империи». [
Это был скромный и неутомимый труженик: никто не знает,
сколько бессонных ночей провел он над исследованием «светонос-
ных» электрических явлений, открыв электрическую дугу и ряП
закономерностей электрического разряда в вакууме.
Трудно представить, в каких условиях жил и работал В. В. Пет*
ров, в особенности в последние 25 лет своей жизни. Это был пери*
од жестокой реакции, когда царские чиновники ополчилисз
против науки и просвещения, не без основания видя в них угрозу
самодержавию.
Защитник всего передового и прогрессивного, неустанный бо-
рец за просвещение русского народа, В. В. Петров открыто высту-
пал против засилия иностранцев в Академии наук и руководств
Министерства просвещения и Академии наук, требовал выделение
средств для оснащения физического кабинета новейшим оборудо-
ванием, которое с успехом использовалось крупнейшими европей-
66
скими физиками. Все это вызывает враждебное отношение со сто-
роны официальных кругов. В знак протеста Петров демонстратив-
но отказывается участвовать в похоронах императора Александра L
Конфликт обостряется, и заслуженного ученого отстраняют от
руководства физическим кабинетом и вскоре увольняют из Меди-
ко-хирургической акдемии, профессором которой он был около 40
дет. После смерти В. В. Петрова делается все для того, чтобы имя
его было забыто.
И это удалось. Целое поколение русских физиков в течение
полувека (1834—1886 гг.) ничего не знало о своем выдающемся
соотечественнике.
Только счастливый случай вернул вторую жизнь трудам Петрова.
В 1886 г. студент Петербургского университета А. Гершун (впослед-
ствии известный специалист в области оптических приборов), разби-
рая старые книги в Виленской библиотеке, с удивлением обнаружил
главный труд Петрова. «Известие о гальвани-вольтовских опытах» Он
узнает о выдающихся открытиях Петрова, возвращается в Петер-
бург и сообщает о своей находке столичным физикам.
Книга вызвала огромный интерес. Видные физики выступают с
докладами о вкладе В. В. Петрова в отечественную электротехни-
ку, в 1887 г. в журнале «Электричество» появляется первая статья
о забытом русском электротехнике. Только в 1915 г. с трудом разы-
скали заброшенную могилу В. В. Петрова на Смоленском кладби-
ще. Заметим, кстати, что прах Вольта — в монументальном
саркофаге, на котором установлен бюст ученого, а саркофаг нахо-
дится в мавзолее. Комментарии, как говорится, излишни.
И только в советское время были проведены более полные ис-
следования трудов В. В. Петрова, а в 1935 г. Президиум ЦИК СССР
принял постановление «Об ознаменовании столетия со дня смерти
первого русского электротехника академика В. В. Петрова».
В своих трудах по электричеству Петров собрал обширный
спытный материал, который им был тщательно проанализирован.
Петров глубоко понимал значение эксперимента для всесторонне-
го изучения явлений природы. Он писал: «...гораздо надежнее ис-
кать настоящего источника электрических явлений не в
Умствованиях, к которым доселе только прибегали почти все фи-
зики, но в непосредственных следствиях самих опытов».
Будучи хорошо знакомым С опытами, производящимися с ВОЛЬТОВЫ!
столбом как в России, так и за границей, Петров пришел к правильном;
выводу о том, что наиболее полное и всестороннее изучение гальвани
ческих явлений возможно только при условии создания большой бата
реи, т.е. по современной терминологии — источника тока высокой
напряжения. Поэтому он добивается перед руководством Медико-хи
рургической академии выделения средств для постройки «такой огром
ной величины батареи, чтобы оною можно было надежнее производит
такие новые опыты», каких не производил никто из физиков.
Рис. 3.3. Примерное расположение и соединение элементов
батареи В. В. Петрова
В апреле 1802 г. батарея В. В. Петрова, состоявшая из 4200 медных
цинковых кружков или 2100 медно-цинковых элементов (Петров ж
зывал ее «огромная наипаче батарея»), была готова. Она располагала
в большом деревянном ящике, разделенном по длине на четыре отделе
ния (рис. 3.3). Стенки ящика и разделяющих перегородок были покрь
ты сургучным лаком. Общая длина гальванической батареи Петров
составляла 12м — это был крупнейший в мире источник злектрнческс
го тока. Как показали современные экспериментальные исследования
моделью батареи Петрова, электродвижущая сила этой батареи состав
ляла около 1700 В, а максимальная полезная мощность 60 — 85 Вт. То
короткого замыкания батареи не превышал 0,1 — 0,2 А. В. В. Петро
вначале производил, как он указывал, уже известные опыты други
физиков, а после старался производить и такие опыты, «...о которых до
толе не имел... никакого известия».
Долгое время точная дата первых экспериментов с «огромной
наипаче батареей» была неизвестна. Но в 1950 г. одним из авторе»
настоящей книги была обнаружена статья в журнале «Северный
вестник» (1804 г.), в котором указывается дата первых публичны»
опытов Петрова (рис. 3.4).
68
21
хрыпмя свои относительно свЪчешя
иакЬ искуствомЪ приготовляемых!), такЪ
и естественныхЪ тЬлЪ и пр. и пр.
Медицинская Кодлепя, непрестан-
но доставлявшая способы для усо-
вершенствован!я вЪ познан!» наукЪ,
преподаваемыхЪ зо врачебной Академш,
вЪ 1809 году по представлен!ю Профес-
сора определила достаточную
сумму для приготовления огромной Тале*
ванн • ЗВолвтовской баттерем сЪ нужными
приборами, состоящей изЪ 42°° цинко-
зыхЪ и мЬдныхЪ кружковЪ, весьма выго-
дно разподоженныхЪ вЪ горизонтальном!)
ящикЬ ab четыре ряда, коихЪ длина
пообще составляет!) \о АнглшскихЪ фу-
товЪ. ПосредствомЪ таковой баттерек
сей неутомимый отечественный нашЬ
физике дЪлалЪ вЪ присутствии Мединц:
КоддеНн н миогвхЪ знаменнтыхЪ особЪ
первые публичные опыты сего же ^ода
Mas» П дня, ВЪ слЪдующемЪ году онЪ
издалЪ сочинеше своег первое на иашемЪ
© семЪ предмЪтЪ подЪ назва-
нземЪ: ^heiemie & ^Галевакч-ХВолвтоеек**#
saetmexS № пр, БолЬе ничего не льзя ска-
зать здЪсь о трудахЪ сего почтеннаго
эвужа, хакЪ только то§ что онЪ яЬритЪ
изречение Сеаекя; »tpigri in^exii est соп°
etse ii$s ab atiis tnventa sunt»
— м Згзиреежаиие аозвышаетЪ физику
СВОИМ® ©mspfeanblMKp
Psc. ЗА Страница из журнала "Северный вестник"
60
ИЗВЪСТIE
о
ГАЛЬВАНИ -ВОЛЬТОВСКИХЪ
О П Ы Т Л X ъ,
которые производилЪ
ПрафессорЪ физики ВасилШ ПетроЛ.
восредствомЪ огромное наипаче баи,-
«иереи t состоявшей иногда изЬ Д.ЗОО
мЬдныхЪ и цннксаыхЪ жружковЪ, я г.г-
Хвдкщейсж при Санкпг • Петербургской
Меднко • Хирургической Академии
ВЪ СЛНКТ-ПЕТЕРБуРГё
ВЪ Типографии Гс'.ударствекиой Ме-
дицинской Коллепн , 5 goj годе. '
« Рис. 3.5. Титульный лист книги В. В. Петрова
Свои разнообразные опыты Петров подробно описал в книге
«Известие о гальванн-иольтовских опытах», которая вышла в С.-Пе*1
тербурге в 1803 г. (рис. 3.5). Это была первая книга на русском
языке, посвященная исследованиям явлений электрического тока.
И за границей не только до выхода в свет книги Петрова, но и в
течение двух ближайших десятилетий не появилось ни одного
столь оригинального сочинения, в котором была бы с такой полно-
той освещена эта новая область науки.
70
В. В. Петрову было хорошо известно, с каким интересом отно-
сятся в России к изучению явлений электрического тока. Поэтому
он з своей книге подробно описал не только опыты с гальваниче-
ской батареей, но и способы ее изготовления, ухода за ней, мето-
дику экспериментов и т.п.
Книга была написана на русском языке в первую очередь для
тех читателей, которые не владели иностранными языками и жи-
ли в «отдаленных от обеих столиц местах».
В книге Петрова изложены его опыты по электролизу различ-
ных жидкостей, исследованию явлений прохождения электриче-
ского тока в разреженном воздухе, наблюдению «светоносных»
явлений, сопровождающих действие электрического тока, изуче-
нию тепловых действий тока.
В. В. Петров произвел всесторонние исследования свойств
созданной им батареи как источника электрического тока.
Опираясь на результаты опытов, он подошел к пониманию то-
го, что действие батареи основано на химических процессах,
происходящих в гальваническом элементе медь — цинк, и
впервые правильно установил роль крайних металлических
кружков, которые служили лишь проводниками электричест-
ва. Петров также верно указал на то, что окисление поверх-
ности металлических кружков вызывает ослабление действия
батареи. Эти выводы Петрова по существу опровергали «кон-
тактную» теорию электричества, однако сам Петров не высту-
пал с таким опровержением.
В. В. Петровым была впервые установлена важнейшая законо-
мерность ® электрической цепи — зависимость тока в проводнике
от площади поперечного сечения проводника. Он правильно ука-
зал на то, что при увеличении сечения проводника ток в нем воз-
растает. Поэтому Петров является самым первым среди
предшественников Ома, сформулировавшего в * 827 г. закон, но-
сящий его имя. Петров установил, что через вещества, обладаю-
щие большим сопротивлением, гальвани-вольтоаская жидкость
{так он называл электрический ток — авт.) может протекать
лишь тогаа, когда «количество ее весьма знатно увеличится», т.е.
Ло Современной терминологии при повышении напряжения в це-
Пк- В, В. Петровым впервые введен в электротехнический язык
теРМин «сопротивление».
71
3.4. Открытие электрической дуги. Электрохимические
исследования
Наибольший интерес из всех работ Петрова представляет от-
крытие им в 1802 г. явления электрической дуги между двумя
угольными электродами, соединенными с полюсами «огромной»
батареи. Создание Петровым источника высокого напряжения
явилось необходимым условием для получения устойчивой элект-
рической дуги при небольших токах. Указывая на возможность
широкого практического применения электрической дуги, Петров
писал, что пламенем дуги «темный покой довольно ясно освещен
быть может», что в пламени дуги различные «металлы иногда
мгновенно расплавляются, сгорают...», что «посредством огня» ду-
ги он превращал окислы различных металлов в «металлический
вид». Следовательно, опыты Петрова давали прямое указание на
возможность применения электричества для целей освещения,
плавки металлов и восстановления металлов из их окислои.
Широкая практическая реализация этих прогрессивных идей
Петрова началась лишь спустя 75—80 лет. Но ни изобретатель
первой широко распространенной дуговой электрической лампы
("электрической свечи") П. Н. Яблочков, ни изобретатели Электр
росварки и электроплавки металлов Н. Н. Бенардос и Н. Г. Славя*
нов ничего не знали о трудах В. В. Петрова, имя которого — хак
уже отмечалось, многие годы умышленно замалчивалось. А от*
крытие электрической дуга приписывалось X. Дэви и она была из*
вестна под названием «вольтовой дуги», хотя Вольта к ей
открытию не имел никакого отношения. |
До В. В. Петрова никто так ясно и четко не указывал на возмож-
ность практического применения электричества. Поэтому В. В. Пет-
ро?. является одним из основоположников электротехники.
Предшественники Петрова не могли наблюдать явления дуги, так
как они употребляли небольшие гальванические батареи, состояв-
шие большей частью из 100—200 элементов. ЭД С таких батарей
были недостаточны для получения устойчивой дуги при огромных
внутренних сопротивлениях батарей того времени. Известному
английскому ученому Хэмфри Дэви (1778—1829 гг.) удалось полу*
чить электрическую дугу только в 1808 г., когда мм была по*
строена большая гальваническая батарея, состоявшая из 2000 эле-
72 А
центов. Подробное описание явления электрической дуги Дэви
дал в 1812 г., при этом он сам ни в какой степени не претендовал
на первенство в открытии этою явления.
В. В. Петровым было положено начало всестороннему исследо-
вауию явлений электрического разряда в вакууме (рис. 3.6). Он
установил зависимость этих явлений от материала, формы и по-
лярности электродов, расстояния между ними и степени вакуума.
Позднее эти выводы получили подтверждение и развили в трудах
других ученых, в частности М. Фарадея.
Пропуская электрический ток через разные жидкости и тела,
Петров внимательно исследовал влияние материала и формы
электродов на протекающие процессы; он применял самые разно-
образные электроды: железные, серебряные, медные, оловянные,
золотые, древесноугольные, графитовые, марганцевые и др. Пет-
ровым была правильно определена степень электропроводности
некоторых веществ (древесного угля, льда, серы, фосфора, расти-
тельных масел) и выявлены их физико-химические свойства.
Петров впервые применил параллельное соединение электро-
дов для демонстрации явления электролиза в нескольких трубках
С водой, происходящего одновременно при пропускании электри-
ческого тока через жидкости (рис. 3.7).
Рис. 3.6. Схема опыта Петром по наблюдению электрического разряда
Металлические
Стеклянные mpyffxu
с Водой
а вакууме
Рис. 3.7. Схема опыта с параллельным соединением электродов
73
Работа Петрова с источником тока высокого напряжения ней}
бежно привела его к выводу о важном значении изоляции прова
дов. Им было предложено изготовлять электрические проводник^
покрытые сургучом или воском. Разработанный Петровым прщ
цип изоляции проволочных проводников, заключающийся в по
крытии их поверхности изолирующим слоем, нашел дальнейше
развитие в производстве кабельных изделий. Петров пришел j
правильному выводу о высоких электроизоляционных свойству
жирных (растительных) масел.
Петров явился одним из первых физиков, высказавших пра
вильный взгляд об общности и различии в проявлениях статиче
ского и гальванического электричества. Он сделал попытю
выявить сущность электрических явлений, установить причин
образования электричества, однако при современном ему уровя
знаний такую задачу решить было невозможно. Заслуживает вне
мание мысль Петрова о том, что электрические явления обусло!
лены определенными физико-химическими процессами.
В своем труде В. В. Петров пытается решить вопрос о скорости)
направлении движения электрического тока.
Рис. 3.8. Опыты по электролечению и изучению действия тока на организм
человека и животных (из книги итальянского физика Д. Альдиии, 1804 г.)
74
Отдельная глава книги посвящена действию тока «на тела жи-
вь1х особливо животных» и даются рекомендации для врачей. Ис-
пользование гальванических батарей дает новый толчок развитию
эЛектромедицины (рис. 3.8).
Труды Петрова были хорошо известны его современникам и изу-
чались русскими физиками первой трети XIX в., что не могло не ока-
зать заметного влияния на развитие науки об электричестве, на
расширение практических применений электричества. Среди учени-
ков Петрова были талантливый физик и химик С. П. Власов, акаде-
мик И. X. Гамель, профессор И. Е. Грузинов, С. В. Большой и др.
Первые электрохимические опыты, произведенные вскоре по-
сле изобретения вольтова столба, вызвали значительный интерес
к этим вопросам. Специальному исследованию электрохимиче-
ских явлений были посвящены труды английского ученого X. Дэ-
ви, имевшие важное значение для практики. Дэви доказал своими
опытами несостоятельность мнений, господствовавших в то время
среди ученых, что при электролизе воды на одном полюсе получа-
ется кислота, а на другом основание. Он показал, что кислоты и
основания, получаемые при электролизе, являются продуктами
последующих вторичных реакций. Повторив опыты разложения
воды в разных условиях (стеклянные, агатовые и золотые сосуды;
в воздухе и в атмосфере водорода), Дэви доказал, что пресная во-
да разлагается при электролизе только на кислород и водород,
причем объем водорода, образующегося при этом, вдвое больше
объема кислорода. Он установил, что химически чистая вода не
поддается электролизу и что электрический ток только разлагает
соединения, но не создает никаких новых соединений. Дэви одним
из первых высказал правильные взгляды на то, что электрический
ток, полученный от вольтова столба, возникает в результате хи-
мических процессов между металлами и электролитом.
В 1807 г. Дэви впервые получил электролитическим путем ще-
лочные элементы калий и натрий, ранее не известные в чистом
Виде; в 1808 г. им были также получены магний, бор, барий,
стРОнций и кальций. Эти открытия наглядно иллюстрировали
практическую ценность электролиза и еще больше усилили инте-
рн ученых к химическим действиям тока.
В 1802—1807 гг. ряду ученых, в том числе профессору Москов-
Кого университета Петру Ивановичу Страхову (1756—1827 гг.),
75
удалось установить опытным путем, что земля и вода являются
проводниками тока (рис, 3.9). Этим открытием была создана воз-
можность применения земли и воды в качестве обратного (второ-
го) провода при осуществлении установок и устройств для
передачи электрического тока от генератора к приемникам.
Рнс 3.9. Схема опыта Страхова (при опускании рук в чаши (а, <5) цепь
замыкается, и человек ощущает прохождение тока)
В 1807 г. профессор Московского университета Федор Федоро-
вич Рейс (1778—1852 гг.) обнаружил явление, получившее впос-
ледствии название электроосмоса. Явление электроосмоса Рейс
обнаружил при следующем опыте (рнс. 3.10): в стеклянную П-об-
разную трубку диаметром около 1 см и общей длиной 18 см была
залита вода, а самый изгиб трубки заполнялся порошкообразным
нерастворимым веществом (тертым камнем или песком), так что
между обоими коленами трубки получалась пористая перегород-
ка. В колена трубки вводились платиновые электроды и погружа-
лись в воду. Посте присоединения этих электродов к полюсам
вольтова столба около них начинали появляться пузырьки газов в
результате разложения воды на кистород и водород. При этом во-
да начинала сразу подниматься в колене, соединенном с отрица-
76
тельным полюсом столба, и
опускаться в другом колене,
проходя под действием тока
сквозь пористую перегородку.
При отключении вольтова
столба вода вновь устанавлива-
лась на прежнем уровне. В сво-
их выводах из этих опытов Ренс
указывает, что под действием
электричества жидкость может
переноситься сквозь пористые
тела. Явление электроосмоса в
современной технике получило
практическое применение, в
частности прн осушке намыв-
ных плотин (электродренаж).
Широкое применение вольтовых столбов и других источни-
ков электрического тока не могло не усилить интереса к вопро-
су о том, в результате каких действий в них появляется
электрический ток. Все яснее становилось, что химические яв-
ления в гальванических элементах являются первичными, а по-
явление тока есть их следствие, т.е. явление вторичное.
Контактная теория Вольта становилась малоубедительной, и ей '
все энергичнее стала противопоставляться химическая теория
гальванизма, согласно которой возникновение электричества
определяется химическими процессами. Эта теория впервые на-
иболее четко была разработана петербургским академиком Ге-
оргом Парротом (1767—1852 гг.), считавшим, что явления в
вольтовом столбе и других гальванических элементах происхо-
дят исключительно посредством окисления металлов, т.е. за
счет изменерия одного из веществ элемента. М. Фарадей также
выступал против контактной теории электричества, указывая,
что нет такого случая, даже при ударах электрического угря и
ската, когда электричество получалось бы без затраты какого-
либо другого вида энергий.
Многочисленные опыты по электролизу различных жидкостей
вскоре привели к необходимости объяснения механизма электро-
77
лиза, вызвали потребность в теоретических обоснованиях прощ
ходящих явлений.
Теории электролиза были предложены рядом ученых: лито»
ским профессором Гротгусом, шведским химиком Берцеллиу
сом и др. Наиболее приближающейся к современна
воззрениям на процессы электролиза явилась теория электро
лиза Теодора Гротгуса (1785—1822 гг.), которая была по сущ$
ству первой ионной теорией электролитических явлений
Гротгус в 1805 г. опубликовал «Мемуар о разложении при помо
щи гальванического электричества воды, а также растворенньц
в ией тел». В этом сочинении он указывал, что в частицах вод»
кислород и водород вследствие трения или соприкосновен®
друг с другом заряжаются противоположными по знаку заряда-
ми еще до замыкания цепи. Источник тока Гротгус рассматри-
вал как электрический магнит, имеющий два полюса. Пр»
замыкании цепи отрицательный полюс притягивает положи-
тельно заряженный водород, а положительный полюс — кисло-
род, имеющий отрицательный заряд.
Прохождение тока через воду, по мнению Гротгуса, сопровож-
дается диссоциацией молекул и протекает следующим образом
ближайшая к положительному полюсу частица отдает кислород,
который притянется положительным электродом и выделится око-
ло него в виде газа; оставшийся водород этой частицы окислится
за счет кислорода следующей частицы и вновь отдаст свой кисло-
род положительному электроду и т.д. Точно так же частицы водоро-
да будут притягиваться отрицательным электродом и выделяться
около него в виде газа.
Важными особенностями теории Гротгуса явилось, во-пер-
вых, указание на то, что частицы воды поляризуются еще до
замыкания цепи, и, во-вторых, объяснение разложения нейт-
ральной молекулы воды на положительные и отрицательные
ионы.
Теория Гротгуса была передовой для своего времени, она про-
держалась в науке более 70 лет, уступив место теории электроли-
тической диссоциации. Известные законы электролиза были
сформулированы М. Фарадеем в 1833—1834 гг. Им же были пред-
ложены термины электрод, анод, катод. j
78 .
3.5. Взаимодействие электрического тока и магнита.
Разработка основ электродинамики
расширение и углубление исследований электрических явле-
ний привели к открытию и изучению новых свойств электричес-
кого тока.
Как отмечалось, в 1820 г. были опубликованы и продемонстриро-
ваны опыты Г. X. Эрстеда по наблюдению действия тока на магнит-
ную стрелку, возбудившие большой интерес среди ученых разных
стран и получившие в их трудах дальнейшие углубление и развитие.
Небольшая (менее 5 страниц) брошюра Эрстеда «Опыты, каса-
ющиеся действия электрического конфликта на магнитную стрел-
ку» произвела сенсацию среди европейских физиков.
Заслуживает внимания заключение Эрстеда о том, что «электри-
ческий конфликт» (т.е. встречное движение положительной и отри-
цательной «электрической материи») в проводнике «...не ограничен
проводящей проволокой, но имеет обширную сферу активности вок-
руг этой проволоки... Этот конфликт образует вихрь вокруг прово-
локи» (подчеркнуто нами). Очевидно, что Эрстед заблуждался,
полагая, что на магнитную стрелку действует столкновение разно-
родных электричеств. Но о связи между электрическими и магнит-
ными явлениями Эрстед высказывал предположение в одном из
своих трудов, изданном еще в 1812 г.: «Следует испробовать, не
производит ли электричество в своей самой скрытой стадии каких-
либо действий на магнит, как таковой».
Вскоре после опубликования этой брошюры (в 1820 г.) немецкий
I физик Иоган X. С. Швейггер (1779—1857 гг.) предложил исполь-
зовать отклонение магнитной стрелки электрическим током для
создания первого измерительного прибора — индикатора тока. Его
прибор, получивший
название «мультипли-
катора» (т.е. умно-
жающего) представ-
Лял собой магнитную
СтРелку, помещенную
8нутри рамки, сосгоя-
^й из нескольких
®итков проволоки
(РИС. 3.11). Рис. 3.1L Схема мультипликатора Швейггера
79
Однако вследствие влияния земного магнетизма на магнитную
стрелку мультипликатора его показания были неточными. Ампер
в 1821 г. показал возможность устранения влияния земного магне-
тизма с помощью астатической пары, представляющей собой две
магнитные стрелки, укрепленные на общей медной осп и располо-
женные параллельно друг другу, с полюсами, обращенными в про-
тивоположные стороны. В 1825 г. флорентийский профессор
Леопольдо Побили (1784—1835 гг.) скомбинировал астатическую
пару с мультипликатором и устроил таким образом более чувстви-
тельный прибор — прообраз гальванометра.
В 1820 г. Д. Ф. Араго было обнаружено новое явление — намаг-
ничивание проводника протекающим по нему током. Если медная
проволока, соединенная с полюсами вольтова столба, погружалась
в железные опилки, то последние равномерно к ней прилипали.
При выключении тока опилки отставали. Когда Араго брал вместо
медной проволоки железную (из мягкого железа), го она времен-
но намагничивалась. Кусочек стали при таком намагничивании
становился постоянным магнитом. По рекомендации Ампера Ара-
го заменил прямолинейную проволоку проволочной спиралью,
при этом намагничивание иголки, помещенной внутри спирали,
усиливалось. Так был создан соленоид. Опыты Араго впервые до-
казали электрическую природу магнетизма и возможность намаг-
ничивания стали электрическим током.
В процессе исследований Араго обнаружил (в 1824 г.) еще одно
новое явление, названное им «магнетизмом вращения» и заклю-
чавшееся в том, что при вращении металлической (медной) пла-
стины, находящейся над магнитной стрелкой (или под ней),
последняя также приходит во вращение. Объяснить это явление не
смогли ни сам Араго, ни Ампер. Правильное объяснение этого яв-
ления было дано Фарадеем только после открытия явления элект-
ромагнитной индукции (см. гл. 4).
Новым шагом от качественных наблюдений действия тока на
магнит к определению количественных зависимостей явилось ус-
тановление французскими учеными Жаном Батистом Био (1774—
1862 гт.) и Феликсом Саваром (1791 — 1841 гг.) закона действия
тока на магнит. Проведя ряд экспериментов, они установили (•
1820 г.) следующее: «если неограниченной длины провод с прохо-
дящим по нему вольтовым током действует на частицу северного
10
или южного магнетизма, находящуюся на известном расстоянии
от средины провода, то равнодействующая всех сил, исходящих из
провода, направлена перпендикулярно к кратчайшему расстоянию
частицы от провода, и общее действие провода на любой (южный
или северный) магнитный элемент обратно пропорционально рас-
стоянию последнего до провода». Обнаружение тангенциальной
составляющей силы позволило объяснить вращательный характер
движения проводника относительно магнита.
французский ученый Пьер Симон Лаплас (1749—1827 гг.) по-
казал впоследствии, что сила действия, создаваемая небольшим
участком проводника, изменяется обратно пропорционально квад-
рату расстояния.
Важнейшее научное и методологическое значение в расшире-
нии исследования новых явлений имели труды одного из крупней-
ших французских ученых — Андре Мари Ампера (1775—1836 гг.),
заложившие основы электродинамики.
Ампер был необыкновенно одаренным от природы человеком.
Несмотря на то что ему не довелось учиться в школе, у него не бы-
ло учителей, кроме его отца — весьма образованного коммерсан-
та, он с поразительным упорством, самостоятельно овладевая
знаниями, стал одним из образованнейших людей своего времени.
Физика и математика, астрономия и химия, зоология и филосо-
фия — во всех этих науках ярко проявились энциклопедические
знания Ампера. Ему было всего 13 лет, когда он представил в Ли-
онскую Академию наук, литературы и искусства свою первую ма-
тематическую работу. К 14 годам он изучил все 20 томов
знаменитой «Энциклопедии» Дидро и д’Аламбера, а к 18-ти — в
совершенстве изучил труды Л. Эйлера, Д. Бернулли и Ж. Лагран-
жа, знал латынь и несколько иностранных языков.
Личная жизнь Ампера была полна трагических событий: 18-лег-
ним юношей, он был потрясен казнью на гильотине его отца, как
сторонника жирондистов (1793 г.), спустя несколько лет он похо-
ронил любимую жену; весьма печальной была судьба его дочери —
все это вызвало серьезную сердечную болезнь, которая свела его в
могилу.
Но несмотря на огромное нервное напряжение, Ампер сумел
Найти в себе силы, чтобы неустанно заниматься фундаментальны-
81
ми научными исследованиями и сделать немеркнущий вклад в со,
кровищницу мировой цивилизации.
Его исследования в области электромагнетизма открыли новую
страницу в истории электротехники. И при изучении этих явле-
ний ярко проявились поразительные способности Ампера.
Он впервые узнал об опытах Эрстеда на заседании Парижской
Академии наук, где их повторил во время своего сообщения Араго.
Вместе с восхищением Ампер интуитивно почувствовал важность
этого открытия, хотя ранее он не занимался изучением электро-
магнитных явлений.
И ровно через неделю (всего через неделю!) 18 сентября 1820 г.
Ампер выступает на заседании Академии с докладом о взаимо-
действии токов и магнитов, а затем почти подряд — неделю за
неделей (заседания Академии наук проводились еженедельно)
он излагает перед крупнейшими французскими учеными ре-
зультаты своих экспериментальных и теоретических обобщении,
которые позднее были отражены в его знаменитом труде по элек-
тродинамике.
В одном из писем Ампер подчеркивает, что он «создал новую
теорию магнита, сводящую все явления к явлениям гальванизма».
Поразительна логика его обобщений: если ток — это магнит, то
два тока должны взаимодействовать подобно магнитам. Теперь
это кажется очевидным, но до Ампера никто так четко на это не
указал. Блестящие познания в области математики позволили Ам-
перу теоретически обобщить свои исследования и сформулировать
известный закон, носящий его имя.
Заслуживает внимания философский труд Ампера «Опыт фило-
софии наук, или аналитическое изложение естественной класси-
фикации всех человеческих знаний» (1834 г.). В наше время
издано много работ, посвященных науковедению «науке о нау-
ках». Своей «Классификацией» Ампер более ста лет назад зало-
жил основы этой важной области научных знаний.
Рассмотрим более подробно работы Ампера в области электро-
магнетизма.
Отметим прежде всего, что Ампером впервые были введены
термин «электрический ток» и понятие о направлении электриче-
ского тока. Кстати, это он предложил считать за направление тока
82
направление движения положительного электричества (от плюса
к минусу во внешней цепи).
Наблюдая отклонение магнитной стрелки под влиянием проте-
кающего по проводнику тока, Ампер сумел сформулировать пра-
вило, позволяющее определить направление отклонения стрелки в
зависимости от направления тока в проводнике. Это правило было
в то время широко известно под названием «правила пловца» и
формулировалось оно следующим образом: «Если мысленно рас-
положиться человеку так, чтобы ток проходил по направлению от
ног наблюдателя к голове и чтобы лицо его было обращено к маг-
нитной стрелке, то.под влиянием тока северный полюс магнитной
стрелки всегда будет отклоняться влево».
Особенно важное значение имели исследования Ампером взаи-
модействий круговых и линейных токов. К этим исследованиям он
подошел, основываясь на следующих рассуждениях: если магнит
по своим свойствам аналогичен катушке или кольцевому провод-
нику, обтекаемым током, то два круговых тока должны действо-
вать друг на друга подобно двум магнитам.
Открыв взаимодействие круговых токов, Ампер начал исследо-
вание линейных токов. С этой целью он построил так называемый
«станок Ампера» (рис. 3.12), в котором один проводник мог изме-
нять положение отно-
сительно другого про-
водника. В ходе этих
опытов было установ-
лено, что два линей-
ных тока притягивают
или отталкивают друг
Друга в зависимости
от того, имеют ли то-
ки одинаковое направ-
ление или различное.
Серия этих опытов по-
зволила Амперу устано-
вить закон взаимодей-
С1Вйя линейных токов:
*Два параллельных и одинаково направленных тока взаимно при-
тягиваются, между тем как два параллельных и противоположно
83
1 — подвижная рамка; 2 — неподвижный
проводник
направленных тока взаимно отталкиваются». Обнаруженные яв-
ления Ампер предложил назвать «электродинамическими» в отли-
чие от электростатических явлений.
Обобщая результаты своих экспериментальных работ, Ампер
вывел математическое выражение для силы взаимодействия токов
подобно тому, как это сделал Кулон по отношению к взаимодейст-
вию статических зарядов. Эту задачу Ампер решил аналитиче-
ским приемом, исходя из принципов Ньютона о взаимодействии
масс и уподобляя этим массам два элемента тока, произвольно
расположенных в пространстве. При этом Ампер предположил,
что взаимодействие элементов тока происходит по прямой, соеди-
няющей середины этих элементов, и что оно пропорционально
длине элементов тока и самим токам. Первый мемуар Ампера о
взаимодействии электрических токов был опубликован в 1820 г.
Электродинамическая теория Ампера изложена им в сочинении
«Теория электродинамических явлений, выведенная исключи-
тельно из опыта», изданном в Париже в 1826—1827 гг. Ампером
было выведено известное математическое выражение закона взаи-
модействия между двумя элементами тока.
Опираясь на труды предшественников, а также на важные ре-
зультаты своих исследований, Ампер пришел к принципиально
новому выводу о причине явлений магнетизма. Отрицая сущест-
вование особых магнитных жидкостей, Ампер утверждал, что маг-
нитное поле имеет электрическое происхождение. Все магнитные
явления сводились им к «чисто электрическим действиям». Осно-
вываясь на тождестве действия круговых токов и магнитов, Ампер
пришел к выводу о том, что магнетизм какой-либо частицы обус-
ловлен наличием круговых токов в этой частице, а свойства маг-
нита в целом обусловлены электрическими токами, расположенными
в плоскостях, перпендикулярных к его оси. Ампер подчеркивал,
что «... эти токи вокруг оси магнита реально существуют, или,
скорее, что намагничивание является операцией, посредством
которой частицам стало сообщаться свойство возбуждать для
этих токов такое же электродвижущее действие, какое имеется
в вольтовом столбе... Магнитные явления вызываются исключи-
тельно электричеством ... нет никакой разницы между двумя
полюсами магнита, как их положение относительно токов, из
которых этот магнит состоит». Разработанная Ампером гипотеза
84
молекулярных круговых токов явилась новым прогрессивным ша-
гом на пути к материалистической трактовке природы магнитных
явлений.
Ампером в 1820 г. была высказана мысль о возможности созда-
ния электромагнитного телеграфа, основанного на взаимодейст-
вии проводника с током и магнитной стрелки. Однако Ампер
предлагал взять «столько проводников и магнитных стрелок,
сколько имеется букв..., помещая каждую букву на отдельной
стрелке». Очевидно, что подобная конструкция телеграфа была бы
весьма громоздкой и дорогой, что, по-видимому, помешало прак-
тической реализации предложения Ампера. Потребовалось неко-
торое время для того, чтобы найти более реальный путь создания
телеграфа.
Значение работ Ампера для науки было весьма велико. Своими
исследованиями Ампер доказал единство электричества и магне-
тизма и убедительно опроверг царившие до него представления о
магнитной жидкости. Установленные им законы механического
взаимодействия электрических токов принадлежат к числу круп-
нейших открытий в области электричества.
Выдающийся вклад Ампера получил высочайшую оценку (в
1881 г.). Первый Международный конгресс электриков присвоил
единице силы тока наименование «Ампер». Его заслуженно назы-
вали «Ньютоном электричества». Он был членом Парижской Ака-
демии наук (с 1814 г.), и многих других Академий мира, в том
числе и Петербургской (с 1830 г.).
3.6. Открытие термоэлектричества. Установление законов
электрической цепи
Дальнейшее изучение явлений электричества и магнетизма
привело к открытию новых фактов.
В 1821 г. профессор Берлинского университета Томас Иоганн
Зеебек (1770—1831 гг.), занимаясь исследованием возможности
получения электрического тока посредством двух разнородных
металлов без участия какой-либо жидкости, открыл новое явле-'
ние, заключавшееся в следующем. К висмутовой пластине 1-2
<Рис. 3.13) была припаяна медная пластинка 3. Внутри образовав-
шегося контура помещалась магнитная стрелка SN. При подогре-
85
3
Рис. 3.13. Схема опыта Зеебека
вании одного из спаев магнит,
ная стрелка отклонялась, что
указывало на прохождение hq
контуру электрического тока,
Так, например, если прибор
установлен в направленна
плоскс и магнитного мери-
диана, о при нагревании спа?
2 северный полюс магнитной
стрелки отклоняется на вос-
ток. Это отклонение показы-
вает, что в металлах идет ток,
имеющий направление над стрелкой справа налево, а под нею —
слева направо.
Если вместо нагревания спая 2 охлаждать спай 1, то в контуре
возникнет ток такого же направления, как и в предыдущем слу-
чае. Зеебек правильно установил, что причина появления элект-
рического тока в этих опытах связана с теплотой, сообщаемой
спаю или отнимаемой от него, и назвал обнаруженное явление
«термомагнетизмом» (позднее этот термин был заменен на «тер-
моэлектричество») .
Фундаментальное исследование направления термоэлектри-
ческого тока осуществил французский ученый Антуан Сезан
Беккерель (1788—1878 гг.). Ему удалось расположить металлы
в термоэлектрический ряд, в котором каждый предыдущий ме-
талл дает ток через нагретый спай к каждому последующему.
Беккерель показал, что термоэлектрический ток может возник-
нуть не только при употреблении разнородных металлов, нои
при условии различия в структуре или плотности проводника с
одной и другой стороны от нагреваемого места.
В течение длительного времени термоэлементы вследствие их
крайней неэкономичности, как правило, применялись только
для измерения температур. Как известно, благодаря успехам
современной науки и техники в области полупроводников со-
зданы предпосылки для разработки более экономичных термо-
элементов.
В 1834 г. французским ученым Жаном Ш. А. Пельтье (1785—1845 it.)
было обнаружено более широкое проявление термоэлектрических
86
действий и их обратимость. При прохождении электрического то-
ка через спай двух различных металлов имеет место выделение или
поглощение тепла в зависимости от направления тока. В 1838 г.
яБдение Пельтье было изучено в Петербурге академиком Э. X.
Денцем, который, пользуясь этим методом, заморозил воду, ок-
ружавшую место спая. Позднее были созданы специальные уст-
ройства — термопары, применяемые для измерения температур,
лучистой энергии и др.
Открытие явления термоэлектричества явилось существенным
вкладом в науку и сыграло свою роль в подготовке к открытию за-
кона сохранения и превращения энергии.
По мере углубления исследований электрического тока подго-
тавливаются условия для перехода от качественных наблюдений
явлений в электрической цепи к установлению некоторых количе-
ственных соотношений.
Как уже отмечалось, еще В. В. Петров в начале XIX в. указал
на связь между сечением проводника и протекающим по нему то-
ком. В 1821 г. X. Дэви установил, что проводимость проводника
зависит от материала и температуры. Он также пришел к выводу о
зависимости проводимости от площади сечения проводника. Более
глубоко эти явления были исследованы немецким физиком Геор-
гом Симоном Омом (1789—1854 гг.).
Первый этап исследований, начатых Омом в 1821 г., когда он
работал преподавателем математики и физики в Кельне, относил-
ся к изучению проводимости различных проводников. Сила тока
измерялась по его магнитному действию: для этих целей он соору-
дил прибор, подобный крутильным весам Кулона (см. гл. 2), но
вместо бузиновых шариков над проводником была подвешена маг-
нитная стрелка. По углу кручения нити можно было судить о то-
ке> действующем на стрелку. Располагая проводник в
направлении магнитного меридиана, Ом установил постоянство
Угла кручения нити, что подтверждало постоянство тока на раз-
личных участках цепи. Ему удалось определить проводимость
проволок из различных материалов и доказать влияние темпера-
тУРы на проводимость проводников.
Во время проведения опытов Ому пришлось преодолеть немало
тРУДностей: электродвижущая сила гальванических элементов за-
Метно снижалась в процессе их эксплуатации; механизм работы
87
источников питания был не известен; общепринятых методов
определения электропроводности проводников не существова-
ло: в научную практику не были введены величины, характери-
зующие процесс протекания тока в цепи, не было приборов для
измерения этих величин, Нужно было разработать не только
методику проведения экспериментов, но н создать соответству-
ющие приборы, обеспечить большую точность измерений. Все
это потребовало от Ома незаурядного мастерства, упорства и
находчивости. Ему пришлось отказаться от гальванических бата-
рей и заменить их термоэлементом, изготовить несколько конст-
ру к ци й мультиплик аторов.
На основе многочисленных экспериментов Ому удастся выве-
сти формулу, связывающую «силу магнитного действия проводни-
ка» (то есть ток) с электронозбуждающей силой источника и
сопротивлением цели — это уже был закон электрической цепи.
Продолжая совершенствовать измерительную установку, Ом раз-
рабатывает оригинальные теоретические положения, характери-
зующие процессы н электрических цепях. С этой целью он
внимательно изучает теоретические исследования в области теп-
лопроводности и гидравлики и впервые проводит аналогию между
движением электричества в тепловым или водяным потоками, при
этом разность потенциалов играет роль падения температур нли
разности уровней воды в трубах.
В 1827 г. выходит н свет его фундаментальный труд «Гальва-
ническая цепь, разработанная математически доктором Омом»
(он так же известен под названием «Теоретические исследова-
ния электрических цепей». Закон, носящий его имя, Ом сфор-
мулировал следующим образом «Величина тока в
гальванической цепи пропорциональна сумме всех напряжений
и обратно пропорциональна сумме приведенных длин»* (под
«приведенными длинами» подразумевается сопротивление
внешней части цепи).
Ом доказал справедливость его 4Н1РМУЛЫ при оиенке силы тока
как по магнитному, так и по химическому действиям. Несколь-
ко лет закон Ома не получал признания, отчасти потому, что в
• Гели цепь шииется от finiapeti, то гок пропорционален ЭДС элемеша, • •
Внямеьаге.те кроме сопро»пиления цени ука.тыниется н внутреннее сопротивление
алемеюа.
88
первых его публикациях были допущены неточности, а также по
причине недостаточной известности имени скромного школьного
учителя.
Однако после подтверждения правильности закона Ома таки-
ми известными электротехниками, как петербургские академики
Э. X. Ленц и Б. С. Якоби, а также присуждения Ому Золотой медали
Лондонским Королевским обществом (1842 г.), его труд по праву
получил всеобщее признание. Он явился фундаментом теоретиче-
ской электротехники и сохранил свое значение до наших дней. На
первом Международном конгрессе электриков единица сопротивле-
ния была названа «Ом».
Выдающиеся открытия в области электричества и магнетизма,
связанные с именами Ампера, Ома, Фарадея, Ленца, требовали
более точного количественного описания этих явлений, их мате-
матического анализа и разработки расчетных методов, необходи-
мых для решения практических 'задач, выдвигаемых
развивающимся производством. Выдающимся вкладом в решение
этих проблем явились труды профессора Берлинского университе-
та Густава Роберта Кирхгофа (1824—1887 гг.).
В 1845 г., когда Кирхгофу было всего 21 год, он написал работу
«О протекании электрического тока через плоскую пластину, на-
пример, круглой формы». В примечании к этой работе были
сформулированы два закона Кирхгофа, являющиеся фундамен-
тальными законами теоретической электротехники, которые еще
при жизни Кирхгофа вошли во все учебники физики и широко
применяются электротехниками всего мира. В последующих тру-
дах Кирхгофа были рассмотрены электрические токи в проводя-
щих средах, исследованы количественные соотношения,
связанные с явлением электромагнитной индукции и изучением
переходных процессов. Кирхгоф проявил себя и как блестящий ис-
следователь и экспериментатор в различных областях физики
(механики, оптики, теории излучения). Его философские воззре-
Иия базировались на материалистической основе Г. Р. Кирхгоф
был членом Берлинской Академии и членом-корреспондентом Пе-
тербургской Академии наук (с 1862 г.).
89
ГЛАВА 4
ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ. «ПИОНЕРСКИЙ» ПЕРИОД
ИСТОРИИ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
4.1. Открытие электромагнитной индукции
Истоки современной электротехники восходят к замечатель-
ным трудам английского ученого Майкла Фарадея, которые, $
свою очередь, были подготовлены предшествовавшими работами
по изучению электрических и магнитных явлений.
Есть нечто символическое в том, что в год рождения Фарадея
(1791 г.) был опубликован трактат Луиджи Гальвани с первым
описанием нового физического явления — электрического тока, а
в год его смерти (1867 г.) была изобретена «динамомашина» — са-
мовозбуждаюшийся генератор постоянного тока, т.е. появился на-
дежный, экономичный и удобный в эксплуатации источник
электрической энергии. Жизнь великого ученого и его неповтори-
мая по своим методам, содержанию и значению деятельность не
только открыли новую главу физики, но и сыграли решающую
роль в рождении новых отраслей техники: электротехники и
радиотехники.
Вот уже более ста лет многие поколения учащейся молодежи
на уроках физики и из многочисленных книг узнают историю
замечательной жизни сына английского кузнеца, разносчика
газет и переплетчика в юности и самого знаменитого ученого,
члена 68 научных обществ и академий в его зрелые годы. Обыч-
но имя Майкла Фарадея связывают с самым значительным и
потому наиболее известным открытием — явлением электро-
магнитной индукции, сделанным им в 1831 г. Но еще за год до
этого, в 1830 г., за исследования в области химии и электромаг-
нетизма Фарадей был избран почетным членом Петербургской
Академии наук, членом же Лондонского Королевского общество
(Британской Академии наук) он был избран еще в 1824 г. Начи-
ная с 1816 г., когда увидела свет первая научная работа Фар*'
дея, посвященная химическому анализу тосканской извести, в
по 1831 г., когда стал публиковаться знаменитый научный дне*'
ник «Экспериментальные исследования по электричеству», Ф*'
радеем было опубликовано свыше 60 научных трудов.
90
Огромное трудолюбие, жажда знаний, прирожденный ум и
наблюдательность позволили Фарадею достичь выдающихся
результатов во всех тех областях научных исследований, к
которым обращался ученый. Признанный «король эксперимен-
таторов» любил повторять: «Искусство экспериментатора состо-
ят в том, чтобы уметь задавать природе вопросы и понимать ее
ответы».
Каждое исследование Фарадея отличалось такой обстоя-
тельностью и настолько согласовывалось с предыдущими ре-
зультатами, что среди современников почти не находилось
критиков его работ. Любопытно свидетельство автора «Экспе-
риментальных исследований по электричеству», содержащее-
ся в предисловии к первому тому: «Да будет мне позволено
выразить мое глубокое удовлетворение тем, что различные
части, написанные с перерывами на протяжении 7 лет, оказа-
лись столь согласующимися друг с другом. В этом не было бы
ничего особенного, если бы факты, к которым эти части име-
ют отношение, были хорошо известны до написания каждой
из них; но так как каждая часть претендует на то, что содер-
жит какие-либо оригинальные открытия или исправление об-
щепринятых взглядов, то даже я, при всем моем возможном
пристрастии, удивлен тем, в какой степени они, на мой
взгляд, оказываются взаимно согласующимися и вообще точ-
ными».
Если исключить из рассмотрения химические исследования Фа-
радея, которые в своей области также составили эпоху (достаточ-
но вспомнить об опытах сжижения газов, об открытии бензола,
бутилена), то все прочие его работы, на первый взгляд иногда раз-
розненные, как мазки на полотне художника, взятые вместе, об-
разуют изумительную картину всестороннего исследования двух
проблем: взаимопревращений различных форм энергии и физиче-
ского содержания среды.
Работам Фарадея в области электричества положило начало ис-
следование так называемых электромагнитных вращений. Из се-
рии опытов Эрстеда, Араго, Ампера, Био, Савара, проведенных "я
1820 г., стало известно не только об электромагнетизме, но и о
своеобразии взаимодействий тока и магнита: здесь действовали яе
пРивычные для классической механики центральные силы, а силы
91
иные, стремившиеся установить магнитную стрелку перпендику-
лярно проводнику. Фарадей поставил перед собой вопрос: не стре-
мится ли магнит к непрерывному движению вокруг
проводника с током? Опыт подтвердил гипотезу. В 1821 г. Фарадей
дал описание физического прибора, схематически представлен-
ного на рис. 4.1. В левом сосуде с ртутью находился стержневой
постоянный магнит, закрепленный шарнирно в нижней части. При
включении тока его верхняя часть вращалась вокруг неподвижного
проводника. В правом сосуде стержень магнита был неподви-
жен, а проводник с током, свободно подвешенный на кронштейне,
Рис. 4.1. Схема "электромагнитных вращений”
(по рисунку Фарадея)
1,2—чаши сртугью; 3 — подвижный малой-. 4 — неподвижный
магнит; 5,6 — провода, идущие к батарее; 7 — медный
стержень; 8 — неподвижный проводник; 9 — подвижный
проводник
скользил по рту-
ти, совершая вра-
щение вокруг по-
люса магнита.
Поскольку в этом
опыте впервые
фигурирует маг-
нитоэлектричес-
кое устройство
с непрерывным
движением, то
вполне правомер-
но начать именно
с этого устройст-
ва историю элект-
рических машин
вообще и элект-
родвигателя, в
частности. Обра-
тим также внима-
ние на ртутный
контакт, нашед-
ший впослед-
ствии примене-
ние в электроме-
ханике.
Именно с этого момента, судя по всему, у Фарадея начинают
складываться представления о всеобщей «взаимопревращаемостИ
92
сйл». Получив при помощи электромагнетизма непрерывное ме-
ханическое движение, он ставит перед собой задачу обратить яв-
ление или, по терминологии Фарадея, превратить магнетизм в
электричество.
Только абсолютная убежденность в справедливости гипотезы о
«взаимопреврашаемости» может объяснить целеустремленность и
настойчивость, тысячи опытов и 10 лет напряженного труда, за-
траченные на решение сформулированной задачи. В августе 1831
года был сделан решающий опыт, а 24 ноября на заседании в Ко-
ролевском обществе была изложена сущность явления электро-
магнитной индукции.
В качестве примера, характеризующего ход мыслей ученого и
формирование его представлений об электромагнитном поле, рас-
смотрим исследование Фарадеем явления, получившего тогда
название «магнетизма враще-
ния». За много лет до работ
Фарадея мореплаватели заме-
чали тормозящее влияние мед-
ного корпуса компаса на
колебания магнитной стрелки.
Как уже отмечалось (см. пара-
граф 3.5), в 1824 г. Араго опи-
сал явление «магнетизма
вращения», удовлетворительно
объяснить которое ни он, ни
другие физики не могли. Сущ-
ность явления состояла в следу-
ющем (рис. 4.2). Подковообраз-
ный магнит мог вращаться вок-
руг вертикальной оси, а над его
полюсами находился алюмини-
евый диск, который также мог
вращаться на оси, совпадаю-
щей по направлению с осью
вращения' магнита. В состоя-
нии покоя никаких взаимодей-
ствий между диском и
магнитом не наблюдалось. Но
Рис. 4.2. Опыт Араго ("магнетизм
вращения”)
1 — медный диск; 2 — стеклянное
основание для крепления оси диска
93
стоило начать вращать магнит, как диск устремлялся вслед за ним
и наоборот. Чтобы исключить возможность увлечения диска пото-
ками воздуха, магнит и диск были разделены стеклом.
Открытие электромагнитной индукции помогло Фарадею объ-
яснить явление Араго и уже в самом начале исследования запи-
сать: «Я надеялся сделать из опыта г-на Араго новый источник
электричества.»
Открытие электромагнитной индукции — это яркий пример
для иллюстрации диалектической и материалистической оценки
случайного и неизбежного в науке, в научном поиске, в изобрета-
тельстве. Фарадей, убежденный сторонник утверждавшегося тогда
взгляда на взаимные превращения сил (термин энергия появился
позднее), был уверен в том, что если электрический ток создает,
магнетизм и механические движения, то и сам ток может быть
получен «от магнетизма». Десять лет изо дня в день он ставил сот-
ни и сотни опытов. Вот, например, в записной книжке Фарадея
имеется такая запись, датированная 28 ноября 1825 года: «Опыты
над индукцией путем замыкающего провода вольтовой батареи»:
«батарея из четырех банок ..., полюсы соединены проводом около
4 футов длиной, параллельно которому идет другой такой же про-
вод, отделенный от первого сложенным вдвое листом бумаги; кон-
цы второго провода прикреплены к гальванометру, действия не
наблюдались...»
Как просто нам сейчас увидеть, чего недоставало в этом опыте!
Но в то время понадобились еще годы труда и. экспериментатор-
ский гений Фарадея, чтобы обнаружить появление индуктирован-
ного тока.
Любой из множества опытов Фарадея, к которым ученый шел
тернистой, порой мучительной и долгой тропой первооткрывате-
ля, в наше время легко воспроизводится в школьном физическом
кабинете. Однако известно, что исторические заслуга оценивают в
зависимости от того, что ученый внес нового по сравнению со сво-
ими предшественниками. Конечно, сам августовский опыт Фара-
дея носил атементы случайности: наблюдение тока во вторичной
цепи именно в момент замыкания (или размыкания) первичной
цепи. Более того, опыт был настолько прост, что даже признанный
великий физик не избежал борьбы за приоритет: многим тогда ка-
залось, что они экспериментировали с такими же схемами, и тсль-
94
ко случай не позволил им сделать главного наблюдения. Однако
случай чаше всего идет навстречу тому, кто его упорно ищет: вся
предшествующая десятилетняя работа Фарадея подготовила этот
«случай». Известно также, что само открытие обычно происходит
тогда, когда все необходимые для него научно-технические пред-
посылки уже существуют. Одновременно с Фарадеем электромаг-
нитную индукцию наблюдал американский физик Джозеф Генри
(1797—1878 гг.). Нетрудно себе представить переживания учено-
го, будущего президента американской Национальной Академии
наук, когда он, собираясь опубликовать свои наблюдения, узнал о
публикации Фарадея. Год спустя Генри открыл явление самоин-
дукции и экстратоки, а также установил зависимость индуктивно-
сти цепи от свойств материала и конфигурации сердечников
катушек. В 1838 г. Генри изучал «токи высшего порядка», т.е. то-
ки, индуцированные другими индуцированными токами. В 1842 г.
продолжение этих исследований привело Генри к открытию коле-
бательного характера разряда конденсатора (позднее, в 1847 г.,
это открытие повторил Г. Гельмгольц).
Обратимся к главным опытам Фарадея. Первая серия опытов за-
кончилась экспериментом, демонстрировавшим явление «вольта-
электрической» (по терминологии Фарадея) индукции (рис. 4.3 а-г).
Обнаружив возникновение тока во вторичной цепи 2 при замыкании
или размыкании первичной /, Фарадей поставил эксперимент для
выяснения свойств индуктированного тока: внутрь спирали 6, вклю-
ченной во вторичную цепь, помещалась стальная игла 8 (рис. 4.3 б),
которая намагничивалась индуктированным током. Результат гово-
рил о том, что индуктированный ток подобен току, получаемому не-
посредственно от гальванической батареи 3.
Заменяя деревянный или картонный барабан 4, на который на-
матывались первичная и вторичная обмотки," стальным кольцом
(рис. 4.3 г), Фарадей обнаружил более интенсивное отклонение
стрелки гальванометра 5. Данный опыт указывал на существен-
ную роль среды в электромагнитных процессах. Здесь Фарадей
впервые применяет устройство, которое можно назвать прототи-
пом трансформатора.
Вторая серия опытов иллюстрировала явление электромагнит-
ной индукции, возникавшее при отсутствии источника напряже-
ния в первичной цепи. Исходя из того, что катушка, обтекаемая
95
током, идентична магниту, Фарадей заменил источник напряже-
ния двумя постоянными магнитами (рис. 4.3 д) и наблюдал ток во
вторичной обмотке при замыкании и размыкании магнитной це«
пи. Это явление он назвал «магнитоэлектрической индукцией»;
Рис. 4.3. Схема основных опытов, приведших к открытию
электромагнитной индукции (по рисункам Фарадея)
96
позднее им было отмечено, что никакой принципиальной разницы
меЖДУ «вольта-электрической» и «магнитоэлектрической» индук-
цией нет. Впоследствии оба эти явления были объединены терми-
ном «электромагнитная индукция». Один из заключительных
экспериментов (рис. 4.3 е, ж) демонстрировал появление индукти-
рованного тока при движении постоянного магнита или катушки с
током внутри соленоида. Именно этот опыт нагляднее других про-
демонстрировал возможность превращения «магнетизма в элект-
ричество» или, точнее выражаясь, механической энергии в
электрическую.
На основе новых представлений Фарадей и дал объяснение фи-
зической стороне опыта с диском Араго. Кратко ход его рассужде-
ний можно изложить следующим образом. Алюминиевый (или
любой другой проводящий, но немагнитный) диск можно предста-
вить себе в виде колеса с бесконечно большим числом спиц — ра-
диальных проводников. При относительном движении магнита и
диска эти спицы — проводники «перерезают магнитные кривые»
(терминология Фарадея), и в проводниках возникает индуктиро-
ванный ток. Взаимодействие же тока с магнитом было уже извест-
но. В объяснении Фарадея обращает на себя внимание
терминология и способ объяснения явления. Для определения на-
правления индуктированного тока он вводит правило ножа, пере-
резающего силовые линии. Это еще не закон Ленца, для которого
свойственна универсальность характеристики явления, а только
попытки каждый раз путем подробных описаний установить, бу-
дет ли ток протекать от рукоятки к кончику лезвия или наоборот.
Но здесь важна принципиальная картина: Фарадей, в противовес
сторонникам теории дальнодействия, заполняет пространство, в
котором действуют различные силы, материальной средой, эфи-
ром, развивая эфирную теорию Эйлера, находившегося в свою
очередь под влиянием идей Ломоносова.
Фарадей придавал магнитным, а затем при исследовании ди-
электриков и электрическим силовым линиям физическую реаль-
иость, наделял их свойством упругости и находил очень
пРавдоподобные объяснения самым различным электромагнитным
8вДениям, пользуясь представлениями об этих упругих линиях,
йохожих на резиновые нити.
97
Прошло 160 лет, а мы до сих пор не нашли более наглядного
способа и схемы объяснения явлений, связанных с индукцией и
электромеханическими действиями, чем знаменитая концепция
фарадеевских линий, которые и поныне нам представляются ве-
щественно ощутимыми.
1 ‘ Рис. 4.4. Схема униполярного
-6f 1 генератора (по рисунку Фарадея)
Из диска Араго Фарадей лей-
ствительно сделал новый ис-
точник электричества. Заставив
вращаться алюминиевый
медный диск между' полюсами
магнита, Фарадей наложил на
ось диска и на его периферию
шстки. Таким образом, была
сконструирована алектриче-
скаг машина, получившая поз-
днее наименование унипо-
лярного генератора (рис. 4.4).
«г,
Для характеристики взглядов Фарадея достаточно привести
только названия некоторых из статей: «Опыт истории электро-
магнетизма» (1821 — 1822 гг.), «Об индукции электрических то-
ков» (1831 г.), «Идентичность электричеств, получаемых из
различных источников» (1833 г.), «Количественное соотношение
между обыкновенным н вольтовым электричествами» (1833 г.),
«Об электрохимическом разложении» (1834 г.), «Невероятность
гипотезы контактной силы» (1839 г.), «О магнетизации света и об
освещении магнитных силовых линий» (1845 г.), «О возможной
связи тяготения и электричества» (1850 г.), «О соотношении фи-
зических сил» (1859 г.). Даже в этом датеко не полном перечне
работ Фарадея отчетливо проявляется генеральная идея, кото-
рая разрабатывалась великим ученым всю его творческую
жизнь. Читая Фарадея, трудно отдела'ься от впечатления, что
он занимался только одной проблемой взаимопревращений раз-
личных форм энергии, а все его открытия свершались между
делом и служили лишь целям иллюстрации главной идеи. Он
исследует различные виды электричества (животное, гальваниче-
ское, статическое, «магнитное», термоэлектричество) и, доказы-
вая их качественную тождественность, открывает закон
электролиза. При этом электролиз, как» вздрагивание мышц пре-
98
парированной лягушки, служил первоначально лишь доказатель-
ством того, что все виды электричеств проявляются в одинаковых
действиях.
Исследования статического электричества и явления электро-
статической индукции привели Фарадея к формированию пред-
ставлений о диэлектриках, к окончательному разрыву с теорией
дальнодействия, к замечательным исследованиям разряда в газах
(открытие фарадеева темного пространства). Дальнейшее иссле-
дование взаимодействий и взаимопревращения «сил» привели его
к открытию магнитного вращения плоскости поляризации света, к
открытию диамагнетизма и парамагнетизма. Убежденность во
всеобщности взаимопревращений заставила Фарадея даже обра-
титься к исследованию связи между магнетизмом и электричест-
вом, с одной стороны, и силой тяжести, с другой. Правда,
остроумные опыты.Фарадея не дали положительного результата,
но это не поколебало его уверенности в наличии связи между эти-
ми явлениями.
Биографы Фарадея любят подчеркивать тот факт, что Фарадей
избегал пользоваться математикой, что на многих сотнях страниц
его «Экспериментальных исследований по электричеству» нет ни
одной математической формулы. В связи с этим уместно привести
высказывание соотечественника Фарадея, великого физика
Джемса Кларка Максвелла (1831-—1879 гт.): «Приступив к изуче-
нию труда Фарадея, я установил, что его метод понимания явле-
ний был также математическим, хотя и не представленным в
форме обычных математических символов. Я также нашел, что
этот метод можно выразить в обычной математической форме и,
таким образом, сравнить с методами профессиональных матема-
тиков...».
«Когда я переводил то, что я считал идеями Фарадея, в матема-
тическую форму, продолжал Максвелл, я нашел, что в большин-
стве случаев результаты обоих методов совпадали, так что ими
объяснялись одни и те же явления и выводились одни и те же зако-
№« действия, но что методы Фарадея походили на те, при которых
начинаем с целого и приходим к частному путем анализа, в fo
время как обычные математические методы были основаны на
пРинципе «движения от частностей и построения целого путем
синтеза».
99
«Математичность» мышления Фарадея можно иллюстрировать
его законами электролиза или, например, формулировкой закона
электромагнитной индукции: «количество приведенного в движе-
ние электричества прямо пропорционально числу пересеченных
силовых линий». Достаточно представить себе последнюю форму,
лировку в виде математических символов, и мы немеделенно полу,
чаем формулу, из которой очень быстро следует знаменитое
dty/dt.
Д. К. Максвелл, родившийся в год открытия явления электро-
магнитной индукции, очень скромно оценивал свои заслуги перед
наукой, подчеркивая, что он лишь развил и облек в математиче-
скую форму идеи Фарадея. Максвеллову теорию электромагнит-
ного поля по достоинству оценили ученые конца прошлого и
начала нынешнего веков, когда на почве идей Фарадея —- Макс-
велла начала развиваться радиотехника.
Для характеристики прозорливости Фарадея, его умения мыс-
ленным взором проникать в глубь сложнейших физических явле-
ний важно напомнить здесь то, что еще в 1832 г. гениальный
ученый рискнул предположить, что электромагнитные процессы
носят волновой характер, причем «магнитные колебания» и элект-
рическая индукция распространяются с конечной скоростью.
В конце 1938 г. в архивах Лондонского Королевского общества
было обнаружено запечатанное письмо М. Фарадея, датированное
12 марта 1832 г. Оно пролежало в безвестности более ста лет, а в
нем были такие строки:
«Некоторые результаты исследований ... привели меня к за-
ключению, что на распространение магнитного воздействия
требуется время, т.е. при воздействии одного магнита на другой
отдаленный магйит или кусок железа влияющая причина (кото-
рую я позволю себе назвать магнетизмом) распространяется от
магнитных тел постепенно и для своего распространения требу-
ет определенного времени, которое, очевидно, окажется весьма
незначительным.
Я полагаю также, что электрическая индукция распространя-
ется точно таким же образом. Я полагаю, что распространение
магнитных сил от магнитного полюса похоже на колебания
взволнованной водной поверхности или же на звуковые колеба-
ния частиц воздуха, т.е. я намерен приложить теорию колеба-
100
яий к магнитным явлениям, как это сделано по отношению к
звуку и является наиболее вероятным объяснением световых
явлений.
По аналогии я считаю возможным применять теорию колеба-
ний к распространению электрической индукции. Эти воззрения
я хочу проверить экспериментально, но так как мое время занято
исполнением служебных обязанностей, что может вызвать про-
дление опытов ... я хочу, передавая это письмо на хранение Коро-
левскому обществу, закрепить открытие за собой определенной
датой..." f
Поскольку эти идеи Фарадея оставались неизвестными, нет
никаких оснований отказывать великому его соотечественни-
ку Максвеллу в открытии этих же идей, которым он придал
строгую физико-математическую форму и фундаментальное
значение.
Один из величайших ученых всех времен и народов, Фарадей
был человеком исключительной скромности и высоких нравствен-
ных принципов. Ему были чужды тщеславие и заботы о матери-
альном благополучии, он с исключительной сердечностью
относился к простым людям и представителям того класса, выход-
цем из которого был сам. Знаменитые фарадеевские общедоступ-
ные лекции, лекции для детей (вспомним неповторимую
«Историю свечи») являлись штрихами, дополнившими цельную
натуру гениального н простого человека.
В год смерти Фарадея Максвелл написал: «Мы ... рассматриваем
Фарадея как наиболее полезный и одновременно наиболее благо-
родный тип ученого. Тот факт, что Фарадей существовал, делает
более великой и сильной всю нацию, и нация была бы еше более
великой и сильной, если бы среди нас было бы больше Фарадеев».
Признаем, что в этих фразах Максвелла можно усмотреть при-
уменьшение значения Фарадея: его имя делает честь и принадле-
жит всему человечеству.
4.2. Сначала был электродвигатель
Развитие техники знает немало сложных и острых моментов,
^принимавшихся как кризисы, выход из которых сопровождался
тРУДными и долгими усилиями ученых, изобретателей и организа-
101
торов производства. К числу таких событий можно отнести энергети-
ческий кризис XVII—XVIII столетий, когда водяное колесо, хоро-
шо послужившее прогрессу человечества в эпоху мануфактур,
стало сдерживающим фактором дальнейшего развития капита-
листического производства, ограничивая мощность и масштабы
механического привода. Пришедший на смену ранней гидроэнер-
гетике «его величество пар», перевернувший, по выражению
К. Маркса, промышленное производство в XVIII в., породил
мощную и быстро развивающуюся теплоэнергетику с паровыми
котлами и машинами.
В начальный период развития электрических двигателей их
изобретателям приходилось вступать в дискуссии по такому пово-
ду: так как для производства электрической энергии с помощью
электромашинных генераторов все равно необходим первичный
паровой двигатель, то не целесообразнее ли приводить в действие
станки непосредственно от парового двигателя, не теряя напрасно
энергию при ее многоступенчатых преобразованиях? Аргументы в
пользу индивидуального привода и транспорта электроэнергии на
большие расстояния появились только в последней четверти про-
шлого столетия, когда назрел новый энергетический кризис, свя-
занный с ограниченными возможностями теплового центрального
двигателя. Выйти из этого кризиса позволили электрические ма-
шины, которые за несколько десятилетий совершили новый пере-
ворот в промышленном производстве.
Важнейшими научными предпосылками электромеханики по-
служили достижения в области электродинамики и открытие
электромагнитной индукции. Свою положительную роль при раз-
работке первых конструкций электрических машин и электромаг-
нитных „устройств сыграл и опыт конструирования машин и
механизмов доэлектрического периода.
Первоначально развитие электрических генераторов и электри-
ческих двигателей шло раздельными путями, что вполне соотвест-
вовало состоянию науки об электричестве и магнетизме того
периода: принцип обратимости электрической машины был от-
крыт только в 30-х годах, но его использование в широких масш-
табах начинается лишь с 70-х годов прошлого века. В связи с этим
представляется вполне правомерным рассматривать отдельно ис-
торию создания электродвигателя и генератора в период до 1870 г.
102
поскольку единственным надежным и изученным источником
электроэнергии был до середины XIX века только гальванический
элемент, то естественно, первыми стали развиваться электриче-
ские машины постоянного тока.
В развитии электродвигателя постоянного тока можно наметить
три основных этапа, впрочем, достаточно условных, так как конст-
рукции и принципы действия электродвигателей, характерные для
одного этапа, в отдельных случаях появлялись вновь спустя много
лет. Вместе с тем, более поздние и более прогрессивные конструкции
в их зачаточной форме нередко можно найти в первоначальном пе-
риоде развития электродвигателя. Для характеристики каждого эта-
па совершенствования электродвигателя в дальнейшем изложении
рассматриваются только наиболее типичные конструкции.
Начальный период развития электродвигателя (1821 — 1834 гг.)
тесно связан с созданием физических приборов для демонстрации
непрерывного преобразования электрической энергии в механиче-
скую и начинается с описанного выше опыта Фарадея (рис. 4.1).
Возможность превращения электрической энергии в меха-
ническую показывалась и во многих других экспериментах.
Тач, в книге П. Барлоу «Исследование магнитных притяже-
ний», опубликованной в 1824 г., описывалось устройство, из-
вестное под названием «колеса Барлоу» и являющееся одним
из исторических памятников предыстории развития электро-
двигателя. Колесо
Барлоу представляло
собой два медных
зубчатых колеса,
сидящих на одной
оси, которые сопри-
касались с ванночка-
ми, наполненными
Ртутью, и находились
между полюсами по-
Сгоянных магнитов.
При пропускании
тока через колеса
9ии начинали быстро
®Раацться (рте. 4.5).
Рис. 4.5. Колесо Барлоу
1 — деревянная подставка с желобками 2 и 3.
наполненными ртутью; 4-5 — зажимы для
подключения гальванической батареи: 6-7 —
медные зубчатые колеса. укрепленные на оси 8
103
В качестве примера другой конструкции электродвигателя мо-
жет служить прибор, описанный в 1833 г. английским ученым
У. Риччи. Магнитное поле в этом двигателе создавалось постоян-
ным неподвижным подковообразным магнитом, между полюсами
которого на вертикальной оси помещался электромагнит. Взаимо-
действие полюсов постоянного магнита и электромагнита приво-
дило к вращению электромагнита вокруг оси. Направление тока
периодически изменялось коммутатором, который представлял
собой желобок с ртутью, образующий кольцо и разделенный пере-
городками на две части: концы обмотки вращающегося электро-
магнита касались ртути. Это был прообраз будущего коллектора.
Действительно, в 1836 г. двухпластинчатый коллектор в виде раз-
резанной вдоль медной трубки предложил английский физик, изо-
бретатель электромагнита Вильям Стерджен (1783—1850).
Колесо Барлоу не нашло практического применения и до сих
пор остается лабораторным демонстрационным прибором. Элект-
родвигатель Риччи вследствие своей примитивной конструкции и
незначительной мощности также не мог получить практического
применения
Для первого этапа развития Электродвигателя характерным при-
Рнс. 4.6. Конструктивная схема двигателя Генри
мером, отражающим иное конструктивное направление, может слу-
жить прибор американского физика Дж. Генри (рис. 4.6). В 1831 г.
он опубликовал статью «О качательном движении, производимом
магнитным притяжением и отталкиванием», в которой описал по-
строенную им мо-
дель электродви-
гателя. Под полю-
сами горизонтально
расположенного элек-
тромагнита 3, 4 спо-
собного совершать
качательное движе-
ние, вертикально
устанавливались постоянные магниты 1, 2. Изменение полярности
электромагнита осуществлялось за счет перемены направления тока
в его обмотке, соединявшейся посредством проводников П—14 с
гальваническими элементами 5 и 6 (к электродам элементов при-
паяны чашечки с ртутью 7 и 8, 9 и /О).
104
Электродвигатель Генри интересен тем, что в этом устройстве
впервые сделана попытка использовать притяжение разноимен-
ных и отталкивание одноименных магнитных полюсов для получе-
ния непрерывного движения (в данном случае — качательного). В
модели, построенной самим Генри, электромагнит совершал 75
качяяий в минуту. Мощность двигателей подобного типа была
очень небольшой: один из таких двигателей, построенный в 1831 г.,
по современным опенкам имел мощность 0,044 1>т и, конечно, не
мог использоваться на практике, да и сам изобретатель не прида-
вал ему серьезного значения.
Как на первом этапе, так и позднее было предложено много
конструкций двигателей с качательным движением якоря. Однако
более прогрессивными оказались попытки построить электродви-
гатель с вращательным движением якоря.
Второй этап раннего развития электрических двигателей
(1834—1860 гг.) характеризуется преобладанием конструкций с
вращательным движением явнополюсного якоря. Вращающий мо-
мент на валу у таких двигателей обычно был пульсирующим.
Наиболее характерные и существенно важные работы по конст-
руированию электродвигателей этого рода принадлежат петербур-
гскому профессору Б. С. Якоби.
Борис Семенович Якоби (1801—1874 гг.) принадлежит к числу
иностранных ученых, которые, откликнувшись на приглашение
русских университетов и Петербургской Академии наук, перееха-
ли в Россию и связали с ней всю свою творческую жизнь. Мориц
Герман Якоби принял русское имя, прожил 39 лет в России, сна-
чала в Дерпте, а затем в Петербурге.
Б. С. Якоби заинтересовался «электромагнитными вращения-
ми» еще в пору своей деятельности в области архитектуры (он был
архитектором — строителем по образованию). С начала 30-х го-
дов прошлого столетия он все более увлекается работами в области
электромагнетизма. Состоя в Петербургской Академии наук с
!839 г., в 1865 г. он был избран академиком по физике, заменив
Умершего Э. X. Ленца.
В 1834 г. Б. С. Якоби послал в Парижскую Академию наук сооб-
щение об изобретенной им «магнитной машине». Более полное
описание электродвигателя Якоби было опубликовано в 1835 г.
105
Представляют интерес некоторые высказывания Якоби, в ко*
торых он определяет свой подход к изобретению электродвигате-
ля. «В мае 1834 г. я построил свой первый магнитный аппарат,
дающий постоянное круговое движение .... но я не мог сначала
отрешиться от идеи получить возвратно-поступательное движе-
ние, производимое последовательным притягивающим и оттал-
кивающим действием магнитных стержней, а затем уже
превратить это возвратно-поступательное движение в постоянное
круговое известным в технике способом. Мне казалось, что такой
прибор будет не больше, чем забавной игрушкой для обогащения
физических кабинетов... Все эти соображения... заставили меня
окончательно отказаться от попытки построить аппарат, получа-
ющий возвратно-поступательное движение...»
Сомнения Якоби легко объяснимы: привычный паровой двига-
тель давал возвратно-поступательное движение, и, конечно, хо-
телось построить новый, электрический двигатель, дающий такое
же «нормальное» движение. Современные работы в области ли-
нейных электродвигателей свидетельствуют о том, что сама идея
поступательного движения в электрических машинах не является
порочной, но техниче-
скую революцию со-
вершили машины вра-
щательного движения.
Внешний вид первого
двигателя Якоби пока-
зан на рис. 4.7. Этот
электродвигатель ра-
ботал по принципу
взаишдействия двух
комплектов электромаг-
нитов, один из которых
располагался на подвиж-
ной раме, другой — на
неподвижной.
В качестве источни-
ка питания электро-
магнитов применялась
батарея гальваииче-
Рис. 4.7. Внешний вид "первого" двигателя
Якоби
106
Рис. 4.8. Коммутатор (а) и схема коммутации (б)
хтектродвигателя Якоби
I — обмотка неподвижной рамы; 11 — обмотка
подвижной рамы; кольца 1-2 и 3-4 электрически
соеденены
ских элементов. Для изменения полярности подвижных электро-
магнитов использовался коммутатор.
Коммутатор представлял собой оригинальную и глубоко проду-
манную часть устройства электродвигателя Якоби. Конструктивно
он состоял из четы-
рех. металлических
колец 1-4, установ-
ленных на валу и
изолированных от
него (рис< 4.8);
каждое кольцо име-
ло четыре выреза по
одной восьмой час-
ти окружности. Вы-
резы заполнялись
изслирующими вклад-
ками; каждое кольцо
было смещено на 45
по отношению к
предыдущему. По
окружности кольца
скользил рычаг 5,
представляющий собой своеобразную щетку; второй конец ры-
чага был погружен в соответствующий сосуд с ртутью, к которо-
му подводились проводники от батареи. Таким образом, при
каждом обороте кольца 4 раза разрывалась электрическая
цепь. К электромагнитам вращающегося диска отходили от ко-
лец проводники, укрепленные на валу машины. Обмотки всех
электромагнитов неподвижной рамы были соединены последо-
вательно и ток в них имел одно и то же направление. Обмотки
электромагнитов вращающегося диска были также соединены
последовательно, но направление тока в них с помощью комму-
татора изменялось 8 раз за один оборот вала. Следовательно,
полярность этих электромагнитов также изменялась .8 раз за
один оборот вала и электромагниты поочередно притягивались
и отталкивались электромагнитами неподвижной рамы. На рнс.
4.8 стрелками указаны направления токов для данного положе-
впявала.
107
В описании машины, содержащемся в сообщении Парижской
Академии наук. Б. С. Якоби, в частности, писал: «Полезная рабо-
та этого аппарата, измеренная прибором, аналогичным тормозу
Прони, эквивалентна работе поднятия груза в 10—12 фунтов на
высоту в один фут в секунду. Успешная работа этой машины обус-
ловлена удачной конструкцией жиротропа или коммутатора, осу-
ществляющего перемену полюсов восемь раз за один оборот, т.е. в
1/2 или 3/4 секунда (обычная скорость вращения машины)..,»
Как видно, здесь содержатся результаты испытаний машины,
подчеркивается важность новой детали — коммутатора, и при-
водятся цифры, позволяющие судить о характеристиках работа-
ющего двигателя. Например, пользуясь современной системой
единиц, можно подсчитать мощность двигателя, составлявшую
примерно 15 Вт.
Элементы новизны машины были настолько своеобразны, что
Б. С. Якоби приводит сравнение ее с паровой машиной в духе,
вполне созвучном той эпохе; «Механизм мотора очень несложен
по сравнению с паровой машиной: нет ни цилиндра, ни поршня,
ни клапанов и т.д., изготовление которых требует очень тонкой
работы и стоит больших средств; нет также трения, благодаря ко-
торому теряется больше половины всей производимой работы; в
этой машине потерю составляет только трение в подшипниках.
Далее, машина эта дает непосредственное постоянное круговое
движение... кроме того, нет опасности взрыва».
Изобретатель был увлечен идеей создания экономичного элект-
родвигателя и не сумел избежать типичного заблуждения своего
времени, заявив: «Наконец, чтобы коротко определить всю значи-
тельность новой силы, можно сказать: в электрической машине
скорость ие стоит денег». Но не следует строго осуждать ученого за
эту фразу: закон сохранения и превращения энергии в полном его
понимании еще не был известен, соответствующие работы Майе-
ра, Джоуля и Гельмгольца были еще впереди (40-е годы прошлого
столетия).
Б. С. Якоби пришлось затратить еще несколько лет труда и про-
явить редкую изобретательность, чтобы осуществить хотя бы ®
скромных масштабах свое желание «посвятить все свое время я
всю свою энергию этому делу именно теперь, когда не остается
больше никаких сомнений в успехе задуманного, и не только для
108
тОго, чтобы не отказываться от своих прежних трудов, но и для то-
чтобы мое новое отечество, с которым я уже связан многими
рами, не лишилось возможности сказать, что Нева раныпе Темзы
„ди Тибра покрылась судами с магнитными двигателггми». Эти
слова он написал в записке министру просвещения и президенту
Академии наук, прося у него материальней помощи для экспери-
ментов. Широкой поддержки у министра Якоби не нашел, но тем
не менее четыре года спустя, в 1838 г. по Неве двигался бот, вме-
щавший 12 пассажиров и приводимый в движение электродвига-
телем Якоби.
Это был уже совсем другой двигатель, и конструкция его точно
отражала типичные пути изобретательской мысли: поскольку не
был еще создан принципиально новый экономичный и малогаба-
ритный электрический двигатель, то Якоби пошел по пути объеди-
нения многих машин с электромагнитами, имеющими
сосредоточенные, катушечные обмотки, в один агрегат. Сначала
это был так называемый сдвоенный двигатель «первого» типа. Он
имел 24 неподвижных электромагнита (по 12 с каждой стороны), а
между ними — вращающийся диск с 12 электромагнитами. К 1838 г.
Якоби создал двигатель нового типа, но в этой своей конструкции
он уже нс был первым.
В 1837 г. американский техник Т. Девенпорт также построил
электродвигатель с непосредственным вращением якоря, в кото-
ром взаимодействовали
подвижные электромаг-
ниты с неподвижными
постоянными магнитами.
Электродвигатель Девен-
порта (рис. 4.9) имел
четыре подвижных гори-
зонтальных крестообразно
Расположенных электро-
магнита >—4, укреплен-
ных на деревянном диске,
Жестко связанном с вер-
тикальным залом. Эти
электромагниты были распо-
ложены внутри двух по-
Рис. 4.9. Конструктивная и электрическая
схемы электрольигателя Девенпорта
109
стоянных магнитов в форме полуокружностей 5, б, опирающихся hj
деревянное кольцо. Магниты соприкасались одноименными по»
люсами и создавали кольцо с двумя полюсами N и S. На особой
подставке были расположены медные пластины 5, 7, разделенные
посередине изоляцией. К ним подводился ток от источника пита-
ния. Концы последовательной обмотки каждой пары электромагни-
тов имели пружинящие контакты 9—12. Полярность электромагнитов
в соответствующие моменты изменялась коммутатором.
Сравнивая конструкции электродвигателей Якоби и Девен-
порта, можно отметить, что принцип их действия одинаков (у
Девенпорта появились неподвижные постоянные магниты вме-
сто электромагнитов Якоби), но двигатель Девенпорта был бо-
лее компактным благодаря расположению в одной плоскости
подвижных и неподвижных частей. Это обстоятельство не мог-
ло не привлечь внимания Якоби, стремившегося увеличить
мощность своего электродвигателя при сравнительно неболь-
шом увеличении его габаритов.
В 1837 г. в распоряжение Якоби был предоставлен бот, вмещаю-
щий 12 пассажиров и рассчитанный на 10 гребцов, на котором
предполагалось установить электродвигатель и произвести затем
соответствующие испытания и Технико-экономические подсчеты.
В npoi ecce совершенствования двигателя Якоби пошел по пути
конструктивного объединения на общем вертикальном валу не-
скольких электродвигателей в один агрегат, расположив непод-
вижные и вращающиеся магниты в одной плоскости. При этом
увеличивались размеры электродвигателя в вертикальном направ-
лении, что было вполне удобно для опытной судовой установки.
Двигатель Якоби конструкции 1838 г. представлял собой ком-
бинацию 40 небольших электродвигателей (piu. 440), объединен-
ных по 20 шт. на двух вертикальных валах, установленных В
деревянной станине.
Для питания током обмоток электромагнитов на «электриче"
ском боте» были установлены гальванические элементы. Измене-
ние направления тока в обмотках подвижных электромагнитов
осуществлялось коммутаторами, аналогичными описанным выше-
Вращение с вертикальных валов с помощью конических шсстерев
передавалось на горизонтальный, на котором укреплялись греб-
НО
вие колеса, расположен-
ие по обоим бортам
«электрического бота».
Отсутствие экономично-
менее громоздкого ис-
точника электроэнергии не
могло не сдерживать энту-
зиазма современников. Тем
не менее первый успех был
налицо, и одна из петер-
бургских газет писала в
1839 г.: «... катер с двенад-
цатью человеками, движи-
мый электромеханической
силой (в 3/4 лошади), хо-
дил несколько часов проли-
ву течения, при сильном
противном ветре... Что бы
ни было впоследствии, важ-
ный шаг уже сделан, и Рос-
сии принадлежит слава
первого применения теории
Рис. 4.10. Модель элементарного
электродвигатели Якоби "второго типа"
<1838 г.)
1-2 — зажимы обмоток двух неподвижных
электромагнитов; 3 — зажим коммутирующе-
го устройства; 4 — один из четырех электро-
магнитов, расположенных крестообразно
к практике».
Испытания показали возможность практического применения
электродвигателей, но в то же время обнаружили, что при питании
их током ст гальванических батарей механическая энергия получа-
ется чрезмерно дорогой. Немецкий академик Вильд подсчитал в 1876 г.,
что одна лошадиная сила в двигателе Якоби обходилась в 12 раз до-
роже, чем в случае паровой машины. Необходимо отметить, что для
преодоления основного недостатка гальванических батарей — малой
энергоемкости — требовалось использовать очень много элементов,
а это требование для многих транспортных установок было неприем-
лемым. Так, например, на боте Якоби вначале было установлено 320
гальваничсских атементов. Произведенные опыты, а также теорети-
ческое исследование привели Якоби к очень важному для практики
выводу; применение электродвигателей находится в прямой зависи-
мости от удешевления электроэнергии, то есть от создания генерато-
ра, более экономичного, чем гальванические батареи.
! 11
Однако Якоби не мог еще обнаружить принцмпиалт нога нед».
статка двигателей со стержневыми электромагнитами, в этих двц-
гателях происходит постоянное включение и выключение катушек,
и магнитное поле то создается, то исчезает. На создание поля.в ма-
шине непрерывно требуется электрическая энергия, которая при от-
ключении катушек преобразуется в тепло. Поэтому по логике
развития вскоре должны были появиться непрерывные обмотки, ко-
торые обеспечивают электромеханическое преобразование энергии
в установившемся режиме без изменения энергии магнитного поля.
Рассмотренные электродвигатели действовали по принципу
взаимного притяжения и отталкивания магнитов или электромаг-
нитов, вращающий момент на валу отличался непостоянством, ив
связи с попеременными притяжениями и отталкиваниями стерж-
невых якорей действие таких электродвига < елей было пульсирую-
щим. При столь резких и частых изменениях вращающего
момента и при указанных выше низких технико-экономических
показателях подобных электродвигателей, их применение в систе-
ме электропривода представлялось малоперспективным.
Некоторые из электродвигателей, построенные в 40—60-х годах
XIX в., действовали на принципе втягивания стального сердеч-
ника в соленоид. Получавшееся при этом возвратно-поступатель-
ное движение преобразовывалось посредством балансира или
шатунто-кривсшипного механизма во вращательное движение
вала, снабженного для равномерности хода маховыми колесами,
например, электродвигатель Бурбуза (рис. 4.11). Как видно из
конструкции электродвигателя, мысль его изобретателя нахо-
дилась в плену кине-
Рис. 4.11. Электродвигатель Бурбуза
1-2 — катушки электромагнитов с втягивающи-
мися сердечниками; J — переключатель
магических схем па-
ровых машин, в кото-
рых возвратно-посту-
пательное движение
штока поршня преоб-
разовывалось во вра-
щательное движение
вала посредством ба-
лансира, кривошипно-
шатунного механиз-
ма и т.п.
112
Как например электродвигателя, обладавшего признаками,
характерными для первого этапа и получившего известность,
можно указать на конструкцию французского механика и опти-
ка Поля Густава Фромана. Этот двигатель работал на принципе
притяжения железных пластин электромагнитами, направле-
ние тока в обмотках которых изменялось коммутатором. В статье
д. А. Лачинова «Электромеханическая работа», публикация ко-
торой началась в первом номере первого русского электротехни-
ческого журнала «Электричество» (1880 г.), приводятся
следующие данные о двигателе Фромана, демонстрировавшемся
на Всемирной выставке в Париже в 1867 г.: мощность — 1 л.с.,
масса — 47 пудов (769 кг) и кпд — 22%. Для сравнения ука-
жем, что современный электродвигатель постоянного тока соот-
ветствующей мощности весит примерно в 13 раз меньше.
Новый, третий этап в развитии электродвигателей постоянного
тока, связан с разработкой конструкций, содержащих непрерыв-
ную обмотку на якоре. Конструктивно якорь выполнялся сначала
в виде кольца или полого цилиндра с обмоткой кольцевого типа,
когда провод при намотке пропускался через внутреннюю по-
лость, затем стали выполнять цилиндрические сердечники
с обмоткой барабанного типа, когда провод размещался толь-
ко на наружных поверхностях сердечника. В обоих случаях
линии магнитного потока входили в сердечник якоря перпенди-
кулярно поверхности
цилиндра, а не в торец,
как при стержневом
якоре.
Первым конструкцию
кольцевого якоря предло-
жил в 1860 г. студент
(впоследствии профессор)
Пизанского университета
Антонио Пачинотти
(1841—1912 гг.).
Электродвигатель Па-
чинотти состоял из якоря
кольцеобразной формы,
вращающегося в магнит-
Рис. 4.12. Электродвигатель Пачинотти
113
ном полеатектрспчагнитов (рис. 4.12). Якорь, имеющий форму сталь,
кого кольца с зубцами (наличие зубцов уменьшало магнитное со-
противление и облегчало крепление обмотки) и латунными
спицами, укреплялся на вертикальном валу. На кольце между
зубцами якоря наматывались катушки, концы которых подводи,
лись к пластинам коллектора, расположенного на нижней части
вала. Подвод тока к пластинам коллектора осуществлялся ролика-
ми. Обмотка электромагнитов, снабженных полюсными наконеч-
никами, включалась последовательно с обмоткой якоря, т.е.
согласно современной терминологии, машина имела последова-
тельное возбуждение.
Вращающий момент в электродвигателе Пачннотти был прак-
тически постоянным. Габариты двигателя были невелики по срав-
нению с размерами других электродвигателей равной мощности.
Основное значение работы Пачинотти состоит в том, что им был
Сделал следующий важный шаг на пути создания современной ма-
шины постоянного тока: явнополюсный якорь заменен неявнопо-
люсным. К этому следует еще добавить удобную схему возбуждения
и коллектор, по существу, современного типа.
А вот как сам изобретатель оценивал достоинства своей маши-
Иы (опубликовано в 1863 г.): «В принятом расположении ток не
перестает циркулировать в обмотках, и машина двигается не тол-
чками, которые следуют друг за другом более или менее часто, но
парой сил, которая действует непрерывно... Кольцеобразная кон-
струкция якоря способствует... наименьшей затрате живой силы
на толчки и трение... Выступающие наконечники неподвижного
электромагнита, продолжая действовать на зубцы магнитного ко-
леса и охватывая очень большое их число, не останавливают своего
действия пока в них остается магнетизм... Искры увеличиваются в
числе, но очень уменьшаются в интенсивности, так как отсутству-
ют сильные экстра-токи при открытии цепи, которая может быть
всегда закрытой, и только когда машина действует, индуктивный
ток продолжается в направлении, противоположном направлению
тока батареи». Далее он говорит о том, что эта машина может
быть превращена в генератор, если заменить электромагниты,
возбуждающие поле, на постоянные магниты.
Из приведенных рассуждений изобретателя следует, что он до-
статочно отчетливо понимал физические процессы в электродви-
114
гдтеле н пришел к мысли об обратимости электрической машины,
но не знал еще принципа самовозбуждения, почему и считал нуж-
ным при обращении двигателя в генератор заменить электромаг-
ниты постоянными магнитами.
Р 1863 г. Пачиноттн опубликовал сведения о конструкции свое-
п) электродвигателя, но на эту публикацию не было обращено до-
статочно внимания, и изобретение было на время забыто.
Несмотря на большой интерес с принципиальной тонко зрения,
двигатель не получил распространения, так как по-прежнему
отсутствовал экономичный генератор электрической энергии.
Идея кольцевого якоря была возрождена примерно через 10 лет
3. Т. Граммом в конструкции электромашинного генератора.
Особо следует остановиться на огкрыши принципа обратимо-
сти электрических машин. Сама логика исследований Б. С. Якоби,
относящихся к его электродвигателю, должна была подтолкнуть
его в самом начале 30-х годов прошлого века к этому открытию. И
еще не зная, вероятно, о работах своего выдающегося современни-
ка и будущего друга академика Петербургской Академии наук
Э. X. Ленца, в мемуарах 1835 г. Якоби писал: «Будучи приведен-
ной во вращение магнетизирующей силой гальванического тока,
машина эта является одновременно аппаратом, состоящим из пе-
ремещающихся магнитов и способных производить магнитоэлект-
рический ток в направлении, противоположном гальваническому
току». Однако право первооткрывателя важнейшего принципа
электрической машины, принципа обратимости, бесспорно при-
надлежит Эмилию Кристиановичу Ленцу (1804—1865 гг.). В до-
кладе Петербургской Академии наук, сделанном 29 ноября 1833 г.
и опубликованном в известнейшем в то время журнале
«Poggendorff's Annalen» в 1834 г., этот принцип представляется в
виде следствия из сформулированного здесь же закона, обессмер-
тившего имя великого физика — закона Ленца. Более четко прин-
цип обратимости был еще раз сформулирован Э. X. Ленцек в
статье «О некоторых опытах из области гальванизма», где было
записано: «Каждый электромагнитный опыт может быть обращен
таким образом, что он приведет к соответствующему магнито-
электрическому опыту. Для этого нужно только сообщить провод-
нику гальванического тока каким-либо иным способом то
Двнженге, которое он совершает в случае электромагнитного опы-
И5
та, и тогда в нем возникает ток направления, противоположного
направлению тока в электромагнитном опыте».
4.3. Электрогенераторы развивались отдельным путем
В начале развития электрических машин большое внима-
ние было уделено электродвигателям, что объяснялось тем
простым обстоятельством, что источники электроэнергии —
гальванические элементы существовали и широко использо-
вались. Но достаточно скоро, в частности в работах Б. С.
Якоби, зазвучали критические ноты относительно электрохи-
мических источников. «Я хочу отметить, — докладывал Б. С.
Якоби Академии наук в 1842 г.,— что известные условия со-
здали при проведении этой работы такие исключительно тя-
они стали почти
желые осложнения, что под конец
непреодолимыми, особенно вследствие размеров машин...
гальванические батареи не следует устанавливать для элект-
ромагнитных машин... Но на одном пункте необходимо стоять
твердо и неуклонно — я имею в виду дальнейшее развитие
науки. Дайте нам только время...»
Как видим, громоздкие и малоэффективные гальванические ба-
тареи сводили на нет усилия по конструированию и изготовлению
электродвигателей. Сын знаменитого изобретателя паровоза Ро-
берт Стефенсон подсчитал в 1862 г., что энергия гальванического
электричества стоила в два раза дороже ручной работы. Назрела
необходимость в создании более экономичного и мощного источ-
ника электрической энергии.
Однако несколько слов следует предварительно сказать и об
электрохимических источниках.
Простейшими гальваническими элементами были элементы с
одной жидкостью. К числу таких элементов принадлежали воль-
тов столб и его видоизменения. Но вследствие явления поляриза-
ции действие таких батарей быстро ослаблялось, кроме того, они
были неудобны в эксплуатации. В 1829 г. А. С. Беккерель (от-
крывший явление поляризации) создал более совершенную конст-
рукцию элемента с двумя жидкостями. В 1836 г. Даниэль создал
элемент с деполяризатором, который был назван постоянным эле-
116
центом. По мере усовершенствования эти элементы получили ши-
рокое распространение.
Другим направлением в области создания электрохимических
источников тока было построение электрических аккумуляторов
или «вторичных элементов», как они долгое время назывались.
Принципиальная возможность аккумулирования электриче-
ской энергии была установлена еще в начале XIX в., но только в
1854 г. немецкий ученый В. Зинсгеден открыл способ аккумулиро-
вания. В 1859 г. француз Г. Планте, по-видимому, независимо от
Зинстендена наблюдал то же явление и на его основе построил
свинцовый аккумулятор.
Несмотря на то что электрохимические источники получили до
70-х годов прошлого века значительное распространение, пробле-
ма экономичного источника электрической энергии была решена .
только созданием совершенной конструкции электрома шинного
генератора.
Развитие электрических машин наглядно иллюстрирует харак-
терную закономерность в развитии техники вообще. Эта законо-
мерность проявляется в следующем: если развитие какой-либо
отрасли техники тормозится недостаточным уровнем другой от-
расли техники или области науки, то развитие последней ускоря-
ется требованиями первой. Так, если отсутствие экономичного
ератора тока сдерживало расширение практических примене-
электричества, то последние стимулировали, ускоряли рабо-
по созданию более совершенной конструкции генератора.
В развитии электрического генератора постоянного тока можно
елить четыре этапа.
Первый этап (1831 — 1851 гг.) характеризуется созданием
ктрических генераторов с возбуждением от постоянных магни-
Такие генераторы получили в то время название магнито-
машин. Открытие в 1831 г. явления электромагнитной
УкЦии указало новый способ получения электрического то-
’^торый нашел свое практическое воплощение в первом уни-
Ст ТНом генераторе — диске Фарадея. Один из первых шагов в
°Рии генератора несет в себе тайну, оставшуюся неразга-
н°й. Дело в том, что имя изобретателя, сделавшего этот шаг,
*°сь неизвестным. Дадим слово Фарадею. «Вчера, по возвра-
в г°род, — писал ученый в редакцию известного лондон-
117
ского научною журнала 27 июля 1832 г.,— я нашел закрытое
письмо, — оно анонимное, и я не имею возможности назвать его
автора. По, ввиду того, что он описывает ohi.it, при когщх>м впер-
вые сдалось полу чип. химическое разложение магнитоэлектриче-
ским током, я посылаю Нам это письмо для опубликования...»
Письмо было подписано двумя лапшскнми буквами »Р. М.»
Так и вошел в ш.торию техники «.-генератор Р. М. ». Эта машина
представляла собой синхронный мшчоиолюсный генератор, т.е.
была генератором переменного тока. Письмо Р. М. привлекло к
проблеме генератора внимание многих ученых. Прочел публика-
цию н сам *Р, М.о, в марте 1833 г. on обратился и редакцию жур-
нала с благодарностью Фарадею за публикацию письма и
описанием усовершенствований в машине. Главное из них — до-
бавочное стальное кольцо (ярмо), замыкавшее магнитную цепь
сердечников электромагнитов. П снова та же цодипсь: «-Р. М.»
Рис. 4.13. Генератор Р. М.
I — дерсп.ыиып дык, укреп-
ленный ха осн 2, щшаотичый
и динжеине румнокон 3; 4 —
no;iuH».ui.ie ноекминыс магниты;
5 — железные сери'чнпкн кнту-
UICK 7; о — cra.ii.liik' кольцо С
д,чТ,1Ь0Ч1Н.1МН oO'ioiKa'ui. аимы-
кнкпцее сыгишную пень сСр.юч-
внкан; К — подсыпка
11«
На рис. 4.13 представлен усовер-
шенствован mail вариант генератора.
Фарадей также способствовал опуб-
ликованию в журнале письма Сальва-
тора даль Пеню (апрель 1832 г.),
работавшего в городе Падуя (Италия),
В этом письме описан генератор с
возврат ио-поступательным движени-
ем блока из четырех постоянных мар
нитон, полюса которых входили в
соединенные в определенной после-
довательности катушки. Это тоже
был генератор переменного тока.
Однако переменный ток в то время
не мог еше найти себе потребителя,
так как для всех практических при-
менений электричества (минная
электротехника, электрохимия, толь-
ко что зародившаяся электромагнит'
ная телеграфии, первые электродви-
гатели) требовался постоянный WX-
Знаменитый Ампер требовал, чтоб**
электрическое машины давали *на‘|
стоящий*, т.е. постоянный ток. Поэтому в последующем изобрета-
тели направили спои усилия на построение генераторов, дающих
постоянны») электрический ток, разрабатывая для этих целей раз-
нообразные коммутационные устройства.
Впервые приспособление для вы-
прямления тока в попеременно-по-
люсной машине (в отличие от унипо-
лярной машины Фарадея, которая нс
нуждалась в устройстве для выпрям-
ления тока, так как давала непос-
редственно постоянный ток) было
применено в 1832 г. в генераторе
братьев Пиксии. Изобретение пред-
ставлялось тогда настолько важным,
что сообщения о нем были дважды
сделаны в Парижской академии наук.
О существе предложения Пиксии мож-
но судить по рис. 4.14. При вращении
подковообразного постоянного магни-
та наводилась переменная ЭДС в двух
неподвижных катушках со стальными
сердечниками. Магнит приводился во
Рис. 4.14. Генератор братьев
Пиксии
вращение посредством рукоятки и конической передачи. Концы ,
последовательно соединенных катушек выводились к зажимам ба-
рабанного коммутатора. В первых конструкциях генераторов для
получения тока неизменного направления (но резко пульсирую-
щего) применялось так называемое коромысло Ампера, идея кото-
рого ясна из рис. 4.6. В начале 30-х годов индуктированный ток
был еще непривычной новинкой, открытой Фарадеем. Поэтому
Ампер в докладе о генераторе Пиксии счел нужным подчеркнуть,
что с помощью тока от этого генератора «были получены: интен-
сивные искры; довольно сильное сотрясение; онемение и непроиз-
вольное движение пальцев...; сильное расхождение золотых
листиков в конденсаторе Вольта; довольно сильное разложение
воды, слегка подкисленной серной кислотой для улучшения ее
проводимости».
Но главное, что счел нужным отметить Ампер, это — «счастли-
вя мысль», пришедшая Ипполиту Пиксии по поводу «выпрямле-
119 '
ния» тока. Пластинчатый барабан с прижимающимися к амаль^.
мированным поверхностям пластин подпружиненными медны^
или бронзовыми пластинами-щетками стал основой коммутируй
щих устройств для всех последующих конструкций генераторо(
постоянного тока. С машиной Пиксии работал Э. X. Ленц и имен,
но на этой машине в 1838 г. он демонстрировал принцип o6pajJ
мости. I
Недостатком машин Р. М. и Пиксии явилось то, что в них прй.|
ходилось вращать более или менее тяжелые постоянные ма! нитц|
Целесообразнее оказалось сделать магниты неподвижными, а за-1
ставить вращаться более легкие катушки. При этом проще бцЛ
выполнить и коммутирующее устройство, вращающаяся часть kJ
торого была закреплена на валу вместе с якорем. Магнитоэлектрц!
ческие генераторы такого типа оказались значительно удобнее J
именно в такой конструктивной форме впервые вошли в практику. I
Первым генератором, получившим практическое примененк!
был магнитоэлектрический генератор Б. С. Якоби. Занимай
усовершенствованием методов электрического взрывания ми|
Б. С. Якоби построил в 1842 г. генератор, названный им «магнита
электрической батареей» (рис. 4.15). При вращении катушек!
зубчатой передачей 5 в поле постоянных магнитов 1 в них навои!
лась ЭДС ; на валу 2 имелось коммутирующее устройство 4 в ве|
двух полуцилиндров, представляющее собой простейший двух!
пластинчатый коллектор. Этот генератор был принят на вооруя
ние гальванических команд русской армии, использовавших ея
для воспламенения минных запалов. |
Рис. 4.15. Магнитоэлектрический генератор Якоби
120
Стремление повысить мощность магнитоэлектрических генера-
торов привело к увеличению числа постоянных магнитов, Этот
путь отражал уже знакомую из истории развития электродвигате-
ли тенденцию: для увеличения мощности соединять несколько
элементарных машин в одну. Наибольшее распространение в ла-
бор.норной практике 40—50-х годов прошлого пека получил магнн-
^ллекгрпчеекнн генератор немецкою электротехника Э. Штерера с
тремя вращающимися постоянными магнитами <1X43 г.). Этот гене-
ратор использовался учеными (в том числе Ленцем и Якоби) для
исследования процессов в магнпгоэлскгрическнх машинах,
И звестный толчок к нос троению более мошиых магнитоэлект-
рических генераторов дали де юные лампы с регуляторами, по-
лучившие применение на маяках в связи с развитием морского
транспорта. Еще в 1X40 г. профессор Нолле (Бельгия) принялся за
построение мощного машитоэлекi рического генератора для уста-
новки на маяках, избрав уже проторенный путь комбинирования в
одном агрегате большого числа машин. Работы Нолле были про-
должены Ван Мальдсреном (Франция) и Холмсом (Англия), и к
1856 г. машина получила свое конструктивное завершение. Для
производства таких генераторов была организована в Париже
электропромышленная компания «Альянс» (о>сюда произошло н
название новой машины).
В генераторе «Альянс» на чугунной станине были укреплены в
несколько рядов подковообразные постоянные магниты, располо-
женные по окружности н радиально по отношению к валу. В про-
межутках между рядами магнито» устанавливались на валу диски
с большим числом катушек-якорей (рнс. 4.16). В изображенной на
рисунке машине было 40 магнитов и 64 стержня (явиополюсных
якоря). Различные варианты машины «Альянс» имели разное чис-
ло рядов магнитов (5, 5, 7). На налу генератора укреплен коллек-
тор с 16 металлическими пластинами, изолированными друг от
Друга и от вала машины. В качестве коллекторных щеток служили
специальные ролики. В машине впервые было предусмотрено уст-
ройство для смещения роликов в зависимости от нагрузки. Пере-
мещение роликов происходило под действием тяг, идущих от
Центробежного регулятора, который был связан с налом машины,
В генераторе «Альянс» можно было варьировать ссе шщлие г
моток кь.-ушек, в результате чего менялась ЭДС. Bc.i.-.u । - л 1
генератор мог давать либо
большой ток низкого напрд,
жения и служить, например,
для целей гальванопластики и
электролиза, либо ток мень-
шей силы, но более высокого
напряжения (40—250 В) для
питания дуговых ламп.
В течение 1857—1865 тт. в
эксплуатации было около 100
машин «Альянс». Для привода
одной такой машины требо-
вался паровой двигатель мощ-
ностью 6—10 л.с. Масса
шестидисковой машины «Аль-
, янс» доходила до 4 т, причем
нитов; 2 — несущие диски с катушками-
якорями 4; 3 - коллектор; ' 5-7 _ только на ДОЛЮ магнитов при-
устройство для смещения роликовых токо- ходилось более 1 т. Есть све-
приемников 8 с нейтрали; 9 — центробеж- дения, что машина «Альянс»
ныи регулятор получила одобрение Фарадея.
Генератор «Альянс» нагляднее, чем другие, меньшие по разме-
рам машины, показал недостатки, присущие вообще магнитоэлек-
трическим машинам. Материалы и технология производства
постоянных магнитов были еще несовершенными. Под действием
реакции якоря, в результате естественного старения и возможных
вибраций магниты быстро размагничивались, в связи с чем ЭДС
генератора уменьшалась и его мощность снижалась. Во всех этих
машинах применялись стержневые якоря, имевшие многослойную
обмотку. При работе они быстро нагревались вследствие плохого
отвода тепла, что приводило к разрушению изоляции. Масса и га-
бариты магнитоэлектрических генераторов, несмотря на их не-
большую мощность, были весьма значительными, и крупные
машины были сравнительно дорогими. Принципиальным недо-
статком машин с явнополюсными якорями явилось то, что они да-
вали резко пульсирующий ток.
Одну из возможностей сгладить ток магнитоэлектрического ге-
нератора указал в 1841 г. Уитстон. Он предложил комбинировать
в одном агрегате несколько элементарных магнитоэлектрически51
122
генераторов, оси катушек (якорей) которых относительно осей
симметрии магнитов были сдвинуты. В этом случае оказывались
сдвинуты относительно друг друга фазы индуктированных ЭДС и
йх суммирование приводило к более гладкой кривой общего тока.
Второй этап в развитии электрического генератора постоянного
тока условно можно обозначить промежутком времени 1851—1867 гг.
Этот этап характеризуется преимущественным конструированием
генераторов с независимым возбуждением, то есть с возбуждением
электромагнитов от постороннего, независимого источника. Это
способствовало значительному улучшению постоянства работы
генераторов и уменьшению их относительной массы. Казалось бы,
что после работ Фарадея (1831 г.) не составляло особой трудности
пойти на эту замену, однако понадобилось два десятка лет, пока
эта идея была реализована.
Первое четкое и обоснованное указание на целесообразность
замены постоянных магнитов электромагнитами дал в 1851 г. не-
мецкий врач Вильгельм Зинстеден, увлекшийся исследованиями в
области электрических машин и внесший значительный вклад в
теорию электромагнетизма и электрических машин. Однако на
его предложение некоторое время не обращали внимания. Следу-
ющим в начале 50-х годов прошлого века, независимо от Зинсте-
дена, начал применять электромагниты для возбуждения поля
датский изобретатель Сёрен Хиорт, но его идеи и конструкции бы-
ли настолько необычны и неожиданны, что они тоже не привлекли
к себе должного внимания и были надолго забыты. Мы еще вер-
немся к работам Хиорта.
В качестве характерного
примера генератора с элект- лк
ромагнитами, обмотки кото- 's^flwLz
рых питались токами от SgSglb °
независимого источника, мо-
*ет быть указан генератор XjBgKf''
англичанина Г. Уайльда тМНИИ
(1863 г.). Этот генератор
<Рис. 4.17) имел 77-образный
электромагнит 1, для пита-
Вия которого был приспособ-
лен Отдельный возбудитель — РИСф Генератор Уайльда
123
небольшой магнитоэлектрический генератор 2. Вместо обычно
применявшегося стержневого якоря У айльд использовал предло-
женный в 1856 г, немецким электротехником и предпринимате-
лем В. Сименсом якорь с сердечником двутаврового сечения (так
называемый «двух-7'-образныи» якорь), который является разно-
видностью явнополюсного якоря. Этот якорь имел форму вала с
продольными выточками, в которые укладывалась обмотка. Сер-
дечник якоря показан на рис. 4 17 справа. Машина с двух-Т-об-
разным якорем обладала меньшим магнитным рассеянием, чем со
Стержневым, ио в то же время этот якорь, как и стержневой, имея
Многослойную обмотку с плохим теплоотводом, сильно нагревался
и тем самым ограничивал мощность установки.
Машина Уайльда подготовила конструкторскую мысль к созда-
нию генераторов с самовозбуждением. Действительно, если по-
пробовать питать обмотки возбуждения генератора Уайльда не от
отдельного возбудителя, а током самой этой машины, соединив,
например, последовательно обмотку возбуждения с обмоткой яко-
ря? Но для того, чтобы сделать эту казалось бы простую попытку,
нужно было знать, почувствовать, осмыслить сам принцип само-
возбуждения. Как же .машина может начать работать, когда нет
потока возбуждения и, следовательно, нет индуктированного тока
в цепи якоря?
Началом третьего этапа в развитии генераторов постоянного
тока условно можно считать 1867 г., когда почти одновременное
разных странах был установлен принцип самовозбуждения. Мн
говорим «условно» потому, что одну какую-то дату назвать невоз-
можно; вокруг этого важнейшего в истории электрических машин
изобретения разгорелся большой спор о приоритете. На первенст-
во претендовали очень известные ученые и изобретатели. Дело об-
стояло так.
17 января 1867 г. крупный немецкий ученый, изобретатель и
промышленник доктор Вернер Сименс (1816—1892 гг.) предста-
вил в Берлинскую академию наук доклад, в котором изложил
сущность принципа самовозбуждения. В докладе были такие сло-
ва: «Однако того небольшого количества магнетизма, которое ос-
тается даже в самом мягком железе, достаточно, чтобы при
возобновлении вращения снова получить в замкнутой цепи непре*
рывчое возрастание тока. Следовательно, достаточно один раз
124
пропустить ток в цепь обмотки неподвижного мапниа, чтобы сле-
дить прибор способным давать ток при каждом возобновлении вра-
щения».
В. Сименс назвал принцип самовозбуждения дннамоэлек i риче-
ским. а самовозбуждающийся генератор стаз с тех нор называться
дннамомашнноп. Впрочем, динамомашинами постепенно стали
называть любой машинный генератор постоянного тока. В. Си-
менс понимал значение своего открытия н сине до доклада в Бер-
лине написал брату Вильгельму в Лондон письмо, в котором
изложил суть открытия и просил брага выступить от его имени в
Лондонском Королевском обществе. Он просил поторопиться, так
как «эта идея легко осуществима и может открыть новую эру в об-
ласти электромагнетизма. Машина будет готова через несколько
дней». Вильгельм Сименс выступил 14 февраля 1867 г. Но на том
же заседании, часом или двумя позднее, выступил известный анг-
лийский физик Чарльз Уитстон — автор многих работ в области
электромагнетизма и теории электрических цепей. В докладе Уит-
стона содержалось описание принципа самовозбуждения и был
дан анализ схем соединений самовозбуждающихся генераторов.
Вскоре обнаружилось, что ни Сименс, ни Уитстон не могут пре-
тендовать на первенство в открытии принципа самовозбуждения,
так как 24 декабря 1866 г. в Англии запатентовали самовозбужда-
ющийся генератор телеграфные инженеры Корнелий н Самюэль
Варлей. Более тщательное историческое исследование показало,
что 20 июля того же 1866 г., в редакцию журнала «Engineer.» на-
правил письмо Д. Мюррей, сообщивший, что, совершенствуя гене-
ратор Уайльда, он устранил возбудитель и получил самовозбуждение
машины.
Но и это еще не все. Новые исторические поиски привели к
имени судебного чиновника Сёрена Хиорта (1801 —1870 гг.), ко-
торый в порядке самообразования слушал лекции Эрстеда в Ко-
пенгагенском политехническом институте. Перейдя работать на
железную дорогу, Хиорт попытался применить там электрические
машины.
В мае 1852 г. в своем сообщении научному обществу в Копенга-
гене он описал принцип самовозбуждения и показал чертежи ма-.
пгины. Как бы не доверяя остаточному магнетизму, он сохранил в
генераторе для создания первоначального импульса постоянный
125
магнит. В 1854 и 1855 гг. Хиорт получил английские патенты ца
машины с самовозбуждением, причем в последнем патенте он со-
вершенно четко указывает, что можно обойтись и без постоянно^
магнита.
В 1856 г. венгерский физик Аньош Йедлик независимо от Хиор.
та пришел к выводу о том, что если обмотки возбуждения присое-
динить к зажимам якоря того же генератора, то при пуске машины
развивается процесс самоусиления магнитного поля. Вместе с тещ
Йедлик заметил, что для возникновения этого процесса нет необ-
ходимости в установке постоянных магнитов, а вполне достаточно
остаточного магнетизма. Так Йедлик совершенно сознательно
сформулировал не только принцип самоусиления магнитною по-
ля, но и принцип самовозбуждения генератора. В 1861 г. он по-
строил самовозбуждающийся генератор.
Находятся и другие претенденты на открытие принципа са-
мовозбуждения. Например, в американском словаре научных
биографий утверждается, что первым был ирландский физик и
священник Николас Каллан, который сделал свое открытие
еще в 1838 г.
Работы Хиорта и Йедлика были, по-видимому, несколько
преждевременными, и, кроме того, изобретатели не располагали
необходимыми средствами для промышленного изготовления ма-
шин в больших масштабах. На их идеи не было обращено доста-
точного внимания. Иное положение было у В. Сименса; являясь
главой фирмы, со временем завоевавшей позиции ведущего миро-
вого электротехнического концерна, он открыл широкую дорогу
для производства «динамомашин».
Существенным недостатком первых генераторов с самовозбуж-
дением являлась весьма несовершенная конструкция якоря. Так,
двух-Т-образный якорь Сименса не только ограничивал мощность
машин из-за быстрого нагрева, вызывал сильное искрение на кол-
лекторе, но и давал резко пульсирующий ток. Этот ток, в свою
очередь, вызывал резкую пульсацию магнитного потока и, следо-
вательно, большие потери в стальных сердечниках. В этом отно-
шении двух-Т-образный якорь ничем не отличался от
стержневого, поскольку и тот и другой были только разновидно-
стями неудачного явнополюсного исполнения якорей машин по-
стоянного тока.
126
Событием, революционизировавшим развитие электрической
фитины, положившим начало промышленной электротехнике,
яВилось объединение принципа самовозбуждения с конструкцией
к0дьцевого якоря.
разработка самовозбуждающихся генераторов с кольцевыми и
барабанными якорями и развитыми магнитными системами соста-
вила основное содержание четвертого этапа в развитии электриче-
ских генераторов.
Бывший столяр фирмы «Альянс» Зеноб Т. Грамм (1826—1901),
занимаясь изготовлением электрических машин, стал одним из
самых известных французских специалистов в области электрома-
шиностроения и электрического освещения. В июне 1870 г. он
получил патент, а в 1871 г. представил доклад в Парижскую ака-
демию наук, в которых содержалось описание самовозбуждающе-
гося (в общем случае многополюсного) генератора с кольцевым
якорем. На гладкий железный кольцеобразный сердечник на-
матывалась замк-
нутая сама на себя
обмотка (позднее
такую обмотку
стали называть
граммовской). От
равноудаленных
точек этой обмот-
ки шли отпайки
к коллекторным
пластинам. Об-
щий вид одной из
конструкций ге-
нератора Грамма
изображен на рис.
<18 а.
На станине 1 ук-
уплены электро-
магниты 2 с по-
ясными нако-
Нечниками 3, меж-
которыми вра-
Рис. 4.18. Самовозбуждающийся генератор Грамма для
питания осветительных установок
127
iitac и я якорь 4; н специальных держателях укреплены тетки, со-
прикасающиеся с почти современного тина коллектором 5. Якорь
приводи гея во вращение через приводной шкив. Обмотка возбуж-
дения включена последовательно с обмоткой якоря.
11а рис. 4.18 г) показана принципиальная схема генератора, а на
рис. 4.18 и — конструкция кольцевого якоря. Грамм указывал, что
сердечник якоря может быть сплошным, а может быть изготовлен
из пучка стальных процрдок /, как показано на рисунке; здесь же
2 — катушки обмотки, 3 — коллекторные пластины.
А. Пачинотти прочел в 1871г. и парижском журнале сообщение
о изобретении Грамма н направил в редакцию очень корректное
письмо, в котором устанавливал своп приоритет на кольцевой
якорь. «Я не оспариваю заслуги г. Грамма, разработавшего прин-
цип поперечного электромагнита и поместившего вокруг него
больше двух индуктирующих полюсов, но я хотел бы, чтобы было
окончательно установлено, что вращающийся электромагнит, с
коммутатором, и возбуждаемый полюсами неподвижного электро-
магнита, был построен мною уже в I860 г. ... Моя машина хранит-
ся еще до сих пор в кабинете технологической физики в
университете гор. Пизы».
Справедливости ради отметим, что якорь Пачинотти был
лучше граммовского, так как он был зубчатым, следовательно в
машине Пачинотти был меньше немагнитный зазор между яко-
рем и полюсами.
Конфигурация магнитолровода была еще несовершенной. но
улучшения этого рода могли последовать только в 80-х годах, после
того как были разработаны методы расчета мапштной цепи. Позднее
Грамм предложил еще несколько конструкций самовозбуждаюших-
ся машин, различных по внешнему виду и мощности, но принципи-
альных изменений вспою машину он больше не вносил.
Генератор Грамма оказался весьма экономичным источником
электрической энергии, позволявшим получать значительные
мощности при высоком кпд и сравнительно малых габаритах и
массе. Сравнение машины Грамма, например, с машиной «Аль-
янс» показывает, чю самовозбуждающийся генератор с кольце-
вым якорем имел массу на 1 кВт примерно в 6 раз меньшую, чём
генератор с постоянными магнитами,
128
Очевидные преимущества генератора Грамма способствовали
тому, что этот генератор быстро вытеснил другие типы и получил
очень широкое распространение, В начале 70-х годов принцип об-
ратимости электрических машин был уже хорошо известен, и ма-
шина Грамма использовалась как в режиме генератора так ив
режиме двигателя. Таким образом, в начале 70-х годов обе линии
развития электрических машин (генератора и двигателя) объеди-
нились.
Машина Грамма представляла собой машину постоянного то-
ка современного типа. Однако она нуждалась в определенных
усовершенствованиях, которые и последовали в 70—80-х годах
прошлого века.
4.4. Пути генераторов и электродвигателей соединились
Известно, что индуктированная ЭДС пропорциональна индук-
ции магнитного поля, длине проводника и относительной скоро-
сти перемещения проводника в магнитном поле. При всех своих
достоинствах кольцевой якорь обладал одним существенным не-
достатком: каждый виток разделялся на две части — наружную
активную, находящуюся в магнитном поле полюсов, и внутрен-
нюю пассивную, находящуюся вне главного поля и фактически
не участвующую в образовании ЭДС. Следовательно, использо-
вание медной обмотки было плохим. Устранить этот недостаток
сумел известный немецкий электротехник, главный инженер
фирмы Сименса, член
Берлинской Академии наук Фридрих Геф- нер-Альтенек (1845— 1904 гг,). В 1873 г. он предложил конструк- цию барабанного якоря. Схема формирования петлевой обмотки бара- банного якоря показа- на на рис. 4.19 а, где показано, что «пря- мой» проводник прохо- дит по образующей Уs /> \ \ / S’! .S' ' 7 \. /s' s'"' vЭ" \5<П—у , Рис. 4.19. Схема образования петлевой обмотки барабанного якоря
129
Рис. 4.20. Одна из первых
электрических машин с барабанным
якорем
цилиндра-барабана, а «обрат,
ный» — тоже по образующей
цилиндра, но в зоне другою
полюса (пример, относится к
двухполюсной машине). Не ис-
пользуются только торцевые
или лобовые части каждою
витка. На рис. 4.19 б показа-
ны ответвления от витков к
пластинам коллектора. Чтобы
не загромождать чертежа щет-
ки условно показаны внутри,
тогда как в действительности
они накладываются на кат-
лектор снаружи. На рис. 4.20
показана промышленная ма-
шина с барабанным якорем.
Очень важные усовершенствования в конструкцию якоря внес
американский изобретатель Хайрем Максим (1840—1916 гг.), бо-
лее известный как автор системы пулемета. В 1880 г. он вновь (по-
сле Пачинотти) ввел зубчатый якорь, а также внутренние
каналы для вентиляции. Знаменитый Томас Альва Эдисон
(J847—1931 гг.) в 1880 г. получил патент на изобретение шихто-
ванного якоря. В патенте указывалось: «... во вращающихся яко-
рях, изготовленных из цельного металла... токи индуктируются в
самой массе металла... Эти токи вызывают вредное влияние. Что-
бы устранить это, — я изготовляю якорь из большого числа тон-
ких дисков или колец, закрепленных на валу и отделенных друг
от друга легкой изоляцией. Я получил очень хорошие результаты,
применяя диски... от 1/32 до 1/64 дюйма толщиною, разделенные
между собой листами тонкой бумаги... Благодаря этому полезная
мощность машины значительно увеличивается». Известно, что
примерно такая толщина листов электротехнической стали сохра-
нилась до настоящего времени, однако оклейку листов бумагой со
временем заменили лакировкой этих листов.
С 1885 г. началось применение шаблонной обмотки, что значи-
тельно улучшило ее качество и снизило стоимость машин. Важ-
ным усовершенствованием машины постоянного тока явилось
130
ведение в 1884 г. компенсационной обмотки, а в 1885 г. — дополни-
тельных полюсов, с помощью которых удавалось компенсировать ре-
акцию якоря и улучшить коммутацию. В 1891 г. немецким
профессором Э. Арнольдом была опубликована первая работа, посвя-
щенная теории и конструированию обмоток электрических машин.
Длительную эволюцию претерпела конфигурация магнитной
системы электрических машин. Пока не были выяснены основные
соотношения между геометрическими размерами, магнитодвижу-
щими силами и индукциями, сердечники полюсов были либо из-
лишне громоздкими, либо напротив, имели очень малое сечение и
большие длины. Магнитные системы часто были несимметричны-
ми и имели несколько стыков, представлявших собой технологиче-
ские зазоры. Достаточно рассмотреть приведенные конструкции,
чтобы убедиться в справедливости сказанного.
Явление магнитного насыщения открыто Дж. Джоулем в 1840 г.
Весьма прогрессивными были труды выдающегося русского физи-
ка Александра Григорьевича Столетова (1839—1896 гг.) по иссле-
дованию магнитных свойств «мягкого железа», выполненные в
1871 г. А. Г. Столетов показал, что магнитная восприимчивость
железа с ростом напряженности магнитного поля сначала возра-
стает, проходит через максимум и затем уменьшается. Следова-
тельно, при проектировании электрической машины следует
учитывать сорт железа и выбирать рациональный режим намагни-
чивания.
В 1880 г. после открытия независимо друг от друга итальян-
ским физиком А. Риги и немецким физиком Э. Варбургом явле-
ния гистерезиса начались исследования потерь в стали при
перемагничивании (английский ученый Д. Юинг, американ-
ский электротехник Ч. П. Штейнмец). Большое значение для
проектирования электрических машин и аппаратов имели рабо-
ты английских электротехников Дж. Гопкинсона и Г. Роуланда
(1873 г.), сформулировавших и исследовавших закон магнит-
ной цепи. Все эти открытия способствовали переходу от гру-
бой эмпирики к достаточно строгому анализу и проектированию
электротехнических устройств. Магнитная система электриче-
ских машин приобретала все более компактную и симметрич-
ную форму. Вслед за двухполюсными машинами в 80-е годы
стали строиться четырехполюсные и вообще многополюсные
131
Рис. 4.21. Констр} ктпнная схема цилинд-
рической четырехполюсной машины по-
стоянного тока
машины. Одним из пио-
неров многополюсных ма-
шин, предлагавшихся еще
Граммом, был русский
электротехник М. О. Долн-
во-Добровольскпй, о кото-
ром главный разговор еще
впереди. На рис. 4.21
представлена конструк-
тивная схема четырехпо-
люсной машины постоянного
тока с дополнительными
полюсами, сформировав-
шаяся в 80-х годах и сохра-
нившаяся до настоящего
времени.
Развитие электрических машин и аппаратов вызвало необходи-
мость в разработке специальных термостойких электроизоляцион-
ных материалов. Для повышения термостойкости создаются
пропиточные составы и покрытия, а также композиционные изо-
лирующие материалы. Для изоляции пластин коллектора начина-
ют применять слюду. В начале 90-х годов на основе слюды
создаются новые материалы: миканит, микалента, микафолий,
нашедшие широкое применение для изоляции в электрических
приборах и машинах.
В конце XIX — начале XX вв. также создаются различные син-
тетические высокомолекулярные соединения, на основе которых
разрабатываются новые электроизоляционные материалы, кото-
рые наряду с хорошими электрическими свойствами обладают вы-
сокой термо и влагостойкостью.
4.5. Электротелеграфия, электроавтоматика, электро-
х химия — ступени прогресса
Как уже отмечалось, длительное время электрическая энер-
гия не могла получить широкого практического применения
из-за отсутствия экономичных генераторов. Но это относится
к так называемым энергетическим применениям электриче-
132
£ТВа, при которых затрата энергии пропорциональна количеству
получаемого продукта, интенсивности производственного эф-
фекта. . '
Что же касается неэнергетнческпх применений, не требующих
значительных затрат электроэнергии, когда она используется
лишь в качестве вспомогательного средства для передачи сигналов
(телеграфия, телефония, электрическое взрывание мин, дистан-
ционное управление и др.), то именно такие нсэнергетические
применения положили начало практическому использованию
электричества.
Расширение нсэнергетивеских применений электричества сыг-
рало значительную роль в развитии электротехники вообще, так
как в процессе создания разнообразных устройств такого рода не-
избежно приходилось разрешать ряд практических и теоретиче-
ских проблем в области электротехники: совершенствовать
источники питания, создавать разнообразные приборы и приспо-
собления, в том числе и автоматические, изготавливать изолиро-
ванные проводники, исследовать свойства различных материалов,
разрабатывать методы измерений, устанавливать единицы изме-
рения величин. Все это привело к разработке схем и методов, полу-
чивших применение в современной телемеханике и
телеуправлении, например, кодоимлульсного метода, принципа
синхросинфазной связи, распределителей, исполнительных уст-
ройств.
Первым электротехническим устройством, предназначенным
для широкого практического использования, был электрический
телеграф. Наиболее совершенным оказался электромагнитный те-
леграф, выгодно отличавшийся от предшествовавших ему элект-
ростатического и электролитического телеграфов.
Первый практически пригодный электромагнитный телеграф
был разработан русским ученым Павлом Львовичем Шиллингом
(1786—1837) в 1828—1832 гг. Этот телеграф был основан на визу-
альном приеме кодовых знаков (рис. 4.22) и явился исходной кон-
струкцией для последующих телеграфов. Шиллингом впервые
°ыл применен кодированный сигнал, чем было положено начало
Ходоимпульсному методу, получившему распространение в совре-
менной телемеханике.
133
Рис. 4.22. Схема телеграфа Шиллинга
1 — вольтов столб; 2 — клавиатура (передатчик); 3 — приемник; 4 — обратный
провод; 5 — шесть рабочих мультипликаторов и один вызывной
В процессе разработки проекта подводной телеграфной линии
Петергоф-Кронштадт (1837 г.) П. Л. Шиллингом был впервые
применен каучук для изолирования подводного кабеля, а также
указана возможность использования воды или земли в качестве
обратного провода.
На суше телеграфная линия была выполнена Шиллингом в ви-
де проводов, закрепленных на «телеграфных» столбах. Много поз-
днее, в 1857 г., Б. С. Якоби вспоминал, что один из членов
правительственного Комитета по рассмотрению предложения
Шиллинга сказал изобретателю: «Любезный друг мой, Ваше пред-
ложение — безумие, Ваши воздушные проволоки поистине смеш-
ны».
Из всех предложенных после Шиллинга конструкций электро-
магнитных телеграфов наиболее широкое применение получил те-
леграф американца С. Морзе* (1844 г.). Заслуживает внимания
разработанный Б. С. Якоби принцип электрической синхронно-
синфазной связи, лежащей в основе современной техники дистаИ"
ционной передачи и следящего электропривода. В тако*1
телеграфе Якоби стрелки передающего и приемного аппаратов со-
* В действительности С. Морзе не был изобретателем телеграфа, но использ081
умело чужие изобретения. См. Г. Цверава. Джозеф Генри, Л.: Наука, 1983,10^с
134
ерщали равномерно-прерывистое шаговое движение, перемеща-
ть с одинаковой скоростью (синхронно) и занимая одинаковое
пространственное положение (синфазно). В середине XIX в. были
оазработаны конструкции буквопечатающих телеграфов (1850 г. —
Лкоби, 1855 г. — Д. Юз).
Среди первых применений электричества отметим использова-
ние ег0 в воеином деле, прежде всего для воспламенения порохо-
вЫх зарядов. Эта проблема впервые была успешно разрешена в
1812 г- Шиллингом, осуществившим на Неве опыт по электриче-
скому взрыванию подводных мин.
Дальнейшие работы в области минной электротехники развива-
1Ись в направлении совершенствования электрических запалов,
создания специальных электрических машин и приборов для их
питания ("взрывные" машинки, индукционные катушки) и авто-
матизации самого процесса взрывания мины.
Так, Б. С. Якоби в начале 40-х годов разработал специальный
магнитоэлектрический генератор и индукционный прибор, кото-
рые были приняты на вооружение русской армии. Создание этих
приборов положило начало батарейной и генераторной системам
зажигания с применением индукционной катушки. Именно в
минном деле впервые получил применение такой широко распро-
страненный электротехнический прибор, как индукционная ка-
тушка. Б. С. Якоби, а также многими другими отечественными и
зарубежными военными электротехниками были разработаны
разнообразные электроавтоматические приборы, обеспечивающие
взрыв мины при ее соприкосновении с кораблем.
Характерной особенностью этого периода развития электротех-
ники являются первые попытки использования электрической
энергии для целей автоматического контроля, управления и регу-
лирования. Если ранее для этого пременялись различные механи-
ческие устройства, то начиная с 30-х годов XIX в. в
Стоматических приборах и установках получают все большее
пРименение разнообразные электромеханические элементы. Про-
исходит качественный сдвиг в развитии автоматики и телемехани-
ки. зарождается новая область техники — электроавтоматика.
Ффективность использования электричества в автоматических и
^лемеханических устройствах определялась прежде всего свойст-
м электрического тока быстро распространяться по проводу.
135
Основными элементами простейших электроавтоматических ц
телемеханических устройств были электромагниты и электромаг.
нитные реле. К их числу могут быть отнесены электромагнитные
реле в телеграфах Шиллинга и Якоби, электромеханический рс,
гистратор импульсов в пишущих телеграфах, устройства синхро,
ннзированпого вращения в стрелочном и буквопечатающее
телеграфах, релейные устройства для автоматического замыканщ
электрической цепи в телеграфах и минных установках.
В середине прошлого века разрабатываются электроантомат»,
четкие устройства для регистрации малых промежутков времени,
контроля некоторых производственных процессов, создается ряд
схем дистанционного управления.
Одним из первых наиболее совершенных регистрирующих
устройств была разработанная в 1842—1845 гг. злектробад.
диетическая установка русского военного электротехника
К. И. Константинова (1819—1871) с электромагнитным хроноскопом
и автоматическим переключателем целей — прототипом распре-
Рис. 4.23. Схема автоматического
переключателя
временных автоматиче
ских и телемеханически:
установок. Автоматпче
скпй переключатель (рис
4’23) действовал следую-
щим образом: двухсту-
пенчатый деревянный
цилиндр 1 приводился во
вращение грузом 2. При
прохождении тока через
Электромагнит 5 тормозя-
щий рычаг 3, искаженный
на ось /, удерживал ци-
линдр от вращения. Посте
выстрела снаряд разрывал
проволоку щита 1 и цепь
Электромагнит-источник
тока (зажим А’) размыка-
лась. Спиральная пружи-
на 9 отводила тормозящий
136
Рис. 4.24. Дуговая лампа Аршро
с электромагнитным регулятором
рычаг до упора 10. Цилиндр вращался до тех пор, пока контакт-
ная пластина 7 не соединялась с пружиной следующего щита III, в
цепь электромагнита снова замыкалась. С помощью такого уст-
ройства Константинову удалось осуществить измерение малых
промежутков времени с точностью до 0,00006 с. Приборы, создан-
ные. Константиновым, автоматически сигнализировали и регист-
рировали момент прохождения снаряда сквозь шит.
Самым распространенным электроавтоматическим устройством
в 50—70-х годах XIX в. были электромагнитные регуляторы в ду-
говых электрических лампах, обеспечивающие автоматическое
регулирование расстояния между электродами дуги. До появления
свеч Яблочкова в 1876 г. электромагнитный регулятор являлся на-
иболее важным конструктивным узлом дуговых ламп, без которо-
го последние не могли работать. Большинство дуговых ламп
отличалось друг от друга только устройством регулятора.
Одной из первых по време-
ни (1846 г.) конструкций дуго-
вой лампы с электромагнит-
ным регулятором была лампа
француза Аршро (рис. 4.24).
Эта лампа, в частности, приме-
нялась для освещения площади
перед зданием Адмиралтейства
в Петербурге, однако опыты
были признаны тогда неудач-
ными. Большую известность
получило применение десяти
дуговых ламп с регулятора-
ми А. И. Шпаковского в 1856 г.
при иллюминации на Лефор-
товском плацу в Москве во
время торжеств по случаю
коронации Александра II.
А. И. Шпаковского применялось комбинированное (электро-
магнитное и механическое) регулирование.
По характеру электрической схемы питания регуляторы разде-
ляли на три группы: регуляторы с последовательным питанием,
Параллельные и дифференциальные регуляторы. В регуляторах с
137
последовательным питанием обмотка электромагнита включала^
последовательно, а с параллельным — параллельно с дуГ(^
(рис. 4.25 а,б>. В дифференциальном регуляторе (рис. 4.25 в) горе,
ние дуги рщулировалось как последовательной, так и паралледь.
ной обмотками. После включения лампы регулятор работал пр^
любом положении углей.
Рис. 4.25. Схема автоматических регуляторов с последовательным (а),
параллельным (о) и смешанным включением
Pj — вес угледержагеля, Pj — БСС сердечника электромагнита; 1 — угли;
2 — последовательная обмотка; 3 — параллельная обмотка
Наиболее совершенные дифференциальные регуляторы
разработаны Владимиром Николаевичем Чиколевым (1845-
1898 гг.) в 1869—1879 гг., в частности, им впервые в мировой
электротехнической практике примечен метод электрома-
шинного регулирования. На рис. 4.26 показана дуговая лампа
Чиколева с электромашинным регулятором: последователь-
ная и параллельная обмотки регулятора служили обмотками
возбуждения двигателя 3, 4. Действие электромагнитов былс
встречным: при обгорании углей 1 усиливалось действие па-
раллельной обмотки, якорь 5 вращал вал 2 в одну сторону.”
угли сближались. При чрезмерном сближении углей усилив”'
лось действие последовательной обмотки, и угли раздвигались-
В 60—70-х годах XIX в. в связи с развитием телефонии созМ
юте я специальные автоматические устройства — искатели, ко1”'
138
Рис. 4.26. Дуговая лампа Чиколева с
электромашинным регулятором
^таторы и др. Ведется раз-
работка электротермических,
электрохимических, электро-
магнитных и электромашин-
ах устройств.
В. рассматриваемый пери-
од было положено начало и
алергетическим применениям
электричества, в частности,
начинает развиваться промыш-
ленная электрохимия. Развитие
промышленной электрохимии
в огромной мере обязано от-
крытию Б. С. Якоби в 1838 г.
явления гальванопластики, ко-
торая позволила с помощью
электролиза получать точные
копии с поверхности предме-
тов и сразу же нашла прак-
тическое применение, нап-
ример, в полиграфии, медаль-
ерном деле и т.п. Она явилась истоком созданного Якоби метода
нанесения на поверхность предмета металлических покрытий — галь-
ваностегии. В середине прошлого века в России и за границей воз-
никли крупные гальванотехнические промышленные пред-
приятия, на многих заводах были созданы гальванические мастер-
ские.
Развитие промышленной электрохимии также сыграло важную
роль в развитии электротехники, вызвав необходимость совер-
шенствования источников постоянного тока (в частности, созда-
ния экономичного генератора) и углубления электрохимических
исследований.
Развитие исследований в области электрических и магнитных
явлений и расширение их практического применения вызвали не-
обходимость разработки методов измерений основных электричек
ских величин и создания электроизмерительных приборов.
Принцип действия первых электрических измерительных при-
оров основан на отклонении магнитной стрелки электрическим
139
током. Такие приборы являлись лишь индикаторами тока. Первьц,
из них был мультипликатор австрийского физика И. X. Швейтгсрд
созданный и 1820 г. Он представлял собой рамку, состоящую из
нескольких витков проволоки, внутри которой помещалась ма*.
нитная стрелка. Для устранения влияния земного магнетизма Ац.
пер (в 1821 г.), как уже отмечалось ранее (см. параграф 3.5),
предложил астатическую пару. В первых стрелочных приборах,
служивших для измерения тока, синус или тангенс угла отклоне-
ния стрелки был пропорционален величине тока, поэтому такие
приборы назывались соответственно синус- и такгснс-гальвано-
метрами.
Первая попытка отградуировать гальванометр сделана в 1839 г,
Б. С. Якоби.
Уже в первой половине XIX в. создаются более чувствительные
и точные гальванометры, электродинамометр, астатический галь-
ванометр и т.п. Были разработаны баллистический (Э. X. Ленц,
1832 г.) и компенсационный (немецкий физик И. Поггендорф,
1841 г.) методы измерений, мостовая измерительная схема
(Ч. Уитстон, 1843 г.) и др.
В 40—60-х годах разрабатываются первые конструкции реоста-
тов ("вольтагометр" Якоби), реохордов (Поггендорф), магазинов
сопротивлений и других подобных устройств.
В течение всей второй половины XIX в. обсуждался вопрос об
электрических единицах и эталонах. Сначала чуть ли не каж-
дый исследователь создавал свой эталон. Так, Э. X. Ленц в
1838 г. пользовался единицей электрического сопротивления,
реализованного в виде эталона — калиброванной медной про-
волоки длиной I фут. В 1848 г. создал эталон сопротивления
Б. С. Якоби: его эталон получил распространение в лаборато-
риях России и Европы. Предлагали свои единицы сопротивле-
ния Сименс, Уитстон и др.
Необходимость в установлении единых международных единиц
все более возрастала. Большую работу ь этом отношении провела
Британская ассоциация для содействия развитию наук, образовав-
шая в 1861 г. специальный Комитет для разработки эталона еди-
ницы электрического сопротивления. Этот Комитет предложил
названия единиц «Ом», «Вольт», «Фарада». Особых названий дЛ*
единиц тока и количества электричества еще не было.
140 Я
Международный конгресс электриков, состоявшийся в 1881 г.
в Париже, рекомендовал для применения абсолютную элект-
ромагнитную систему и ввел названия единиц «Ампер» и
«Кулон».
Окончательное разрешение вопрос об единицах и эталонах по-
дучил на Чикагском электротехническом конгрессе в 1893 г.
4.6. Становление основ теории электрических цепей и
электромагнетизма
’ Как известно, процессы в электрической цепи определяются
скалярными величинами электродвижущей силы (или напряже-
ния) и тока. Понятие об электродвижущей силе ввел в обращение
А. Вольта. Посте первых качественных и количестве! дых иссле-
дований в 20-е годы прошлого столетия стали формироваться фи-
зические основы теории электрических токов. Самый большой
вклад здесь был внесен работами Ампера. Г. С. Ом своим знамени-
тым законом, полученным экспериментальным путем, заложил
основы расчетов электрических цепей. Еще до Кирхгофа разными
учеными находились токи в разветвлениях цепей (например, Лен-
цем). Но только Кирхгофу в 1845—1847 гг. удалось сформулиро-
вать известные топологические законы, названные его именем.
Законы Кирхгсфа легли в основу всех последующих методов рас-
чета цепей.
Английский физик Чарльз Уитстон (1802—1875 гг.) в связи
с работами по усовершенствованию телеграфа искал способы
измерения сопротивлений. В результате он создал знамени-
тый «мостик Уитстона», решающим достоинством которого
являлась независимость состояния равновесия от напряжения
источника питания. В 1840 г. он показывал свое устройство
Б. С. Якоби, а в 1843 г. дал описание своего «мостика» в
статье. Для изменения сопротивления одного из плечей мос-
тика Уитстон применил регулируемые резисторы, которые он
назвал реостатами. Позднее (в 1860 г.) Вернер Сименс скон-
струировал магазин сопротивлений.
Один из крупнейших немецких ученых Герман Людвиг Гель-
мгольц (1821 —1894 гг.) ввел в 1853 г. в теорию цепей извест-
ный ранее в физике принцип суперпозиции, на основе которого
141
были построены важные теоремы электрических цепей, включая
теор .му об эквивалентном источнике (Гельмгольца — Тевенена).
Гельмгольц же впервые получил уравнение переходного процесса в
цепи при ее подключении к источнику, рассмотрел постоянные
времени электрической цепи. Уильям Томсон (лорд Кельвин) в
1853 г. дал расчет колебательного процесса и установил связь меж-
ду частотой собственных колебаний, индуктивностью и емкостью.
Максвеллом был разработан метод контурных токов, доказана
теорема взаимности. Постепенно формировался практически весь
арсенал методов расчета (включая эквивалентные преобразова-
ния) цепей постоянного тока.
После открытия электромагнитной индукции внимание ученых в
значительной степени переключилось с «гальванических» токов,,
когда главными объектами исследований были сами гальванические
элементы, процессы электролиза, на индукционные токи, когда наи-
больший интерес стали вызывать явления электромагнетизма.
Здесь особая роль принадлежит выдающемуся русскому физику
Э. X. Ленцу. Он учился в своем родном городе Тарту (бывший го-
род Юрьев, затем Дерпт), еще студентом в качестве физика участ- I
вовал в кругосветном путешествии под командой О. Е. Коцебу,
стал академиком Петербургской Академии наук, заведующим
кафедрой физики, затем деканом физико-математического фа-
культета, а в 1863 г. был избран ректором Петербургского уни-
верситета.
В своем докладе Петербургской Академии наук 29 ноября 1833 г.
Э. X. Ленц, находясь под большим впечатлением от работ по элек-
тромагнитной индукции М. Фарадея, дал свою знаменитую фор-
мулировку закона, названного его именем: «Если металлический
проводник движется поблизости от гальванического тока или маг-
нита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направле-
ния, что он мог бы обусловить, в случае неподвижности данного i
проводника, его перемещение в противоположную сторону, при-1
чем предполагается, что такое перемещение может происходить!
только в направлении движения или в направлении, прямо проти-1
воположном». I
Очевидно, что в этой формулировке заключена и идея
принципа обратимости электрических машин, развитая позд-
нее Б. С. Якоби.
142
I
Э. X. Ленц был одних из основоположников теории магнито-
электрических машин. Ему принадлежит открытие и объяснение
явления реакции якоря (1847 г.) и установление необх одимости
сдвигать щетки с геометрической нейтрали, он впервые изучал
смещение фазы тока относительно фазы напряжение (1853 г.),
придумал коммутатор для изучения формы кривой индуктирован-
ного тока (1857 г.). Им было установлено условие режима макси-
мальной полезной мощности источника энергии, когда внутреннее
сопротивление источника равно сопротивлению внешней цепи.
Широко известна работа Э. X. Ленца по тепловому действию тока
(1842—1843 гг.), которая была выполнена независимо от Джеймса
Джоуля (1841 г.) и представляла собой настолько обстоятельное
исследование, что известному закону было справедлив; присвоено
имя обоих ученых.
В 1867 г. Максвелл сделал доклад Лондонскому Королевскому
обществу «О теории поддержания электрических токов механиче-
ским путем без применения постоянных магнитов». Это был чисто
теоретический труд, охвативший все известные к тому времени
сведения об электрических машинах постоянного тока. Вероятно,
затруднения в понимании максвелловского стиля изложения по-
мешали современникам по достоинству оценить эту работу.
Серьезно продвинули теорию электрических машин введенные
в 1879 г. английским электротехником Джоном Гопкинсоном
(1849—1898) графические представления о зависимостях в элект-
рических машинах, так называемые характеристики машин (ха-
рактеристика холостого хода, внешняя и др.). Им же введено
понятие о коэффициенте магнитного рассеяния.
В мае 1886 г. Дж. и Э. Гопкинсоны сделали доклад в Лондон-
ском Королевском обществе «Динамоэлектрические машины», в
котором содержалась уже вполне законченная, не потерявшая
своего значения до нашего времени теория электрических машин
постоянного тока.
Открытия в области электричества и магнетизма, сделанные в
первой половине XIX в., а также практическое применение этих
явлений стали предпосылками к важным научным обобщениям, в
частности к созданию электромагнитной теории Максвелла. Пер-
вые дифференциальные уравнения поля были записаны Максвел-
143
лом в 1855—1856 гг. В 1864 г. он дал определение электромагнит-
ГЛАВА5
ного поля и заложил основы его теории.
Заслуга Максвелла состоит в том, что, использовав накоплен-
ный до него громадный экспериментальный материал, он обоб-
щил и развил прогрессивные идеи Фарадея, придав им
стройную математическую форму. В своем труде «Трактат об
электричестве и магнетизме» (1873 г.) Максвелл изложил осно-
вы разработанной им теории поля, являющейся краеугольным
камнем современного учения об электромагнетизме. Важней-
шие результаты своих исследований Максвелл сформулировал в
виде знаменитых уравнений, получивших его имя. Максвелл
обобщил закон электромагнитной индукции, распространив его
на произвольный контур в любой среде. Он ввел понятие об
электрическом смещении и токах смещения, установил прин-
цип замкнутости тока. Одним из важнейших выводов Максвел-
ла является утверждение о том, что магнитное и электрическое
поля тесно связаны между собой и изменение одного из них вы-
зывает появление другого. Исследования показали, что скоро-
сть распространения подобных электромагнитных возмущений
совпадает со скоростью света. Этот вывод был положен в основу
электромагнитной теории света, разработанной Максвеллом и
являющейся одним из выдающихся теоретических обобщений
естествознания.
Максвелл не дожил до торжества своих глубоких научных идей
и обобщений. Он сам еще не мог во всем объеме представить зна-
чение всего того, что содержалось в его «Трактате об электричест-
ве и магнетизме», и того, что из него вытекало. Позднее немецкий
физик Г. Герц экспериментально доказал существование электро-
магнитных волн, а русский физик П. Н. Лебедев открыл световое
давление и определил из опытов его значение, совпадающее с вы-
численным по теории Максвелла.
Важное значение в развитии представлений о движении энергии
имели работы проф. Н. А. Умова, среди которых особого внимания
заслуживает его докторская диссертация «Уравнения движения
энергии в телах» (1874 г.). Идеи Умова получили дальнейшее разви-
тие, в частности, в трудах английского физика Дж. Г. Пойнтинга
применительно к электромагнитному полю (1884 г.).
«ГЕРОИЧЕСКИЙ ПЕРИОД» ИСТОРИИ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
5.1. Электрическое освещение стимулирует рождение
практической электротехники
Электротехнические устройства не выходили за пределы лабо-
раторий, пока не было достаточно мощного и экономичного источ-
ника электрической энергии и массового потребителя. К 1870 г.
такой источник был создан. Следующие за этой датой 15—20 лет
прошли как годы зарождения основных электротехнических уст-
ройств массового промышленного и бытового назначения, как го-
ды становления новой отрасли техники. Это был «героический»
период истории электротехники.
Первым по-настоящему массовым потребителем электрической
энергии явилась система электрического освещения. Электриче-
ская лампа и по нынешний день осталась самым распространен-
ным электротехническим устройством.
В течение первой половины XIX в. господствующее положение
занимало газовое освещение, имевшее существенные преимуще-
ства перед лампами с жидким горючим: централизация снабжения
установок светильным газом, сравнительная дешевизна горючего,
простота газовых горелок и простота обслуживания. Но по мере
развития капиталистического производства, роста городов, строи-
тельства крупных производственных зданий, гостиниц, магази-
нов, зрелищных помещений оно все менее удовлетворяло
требованиям практики, так как было опасно в пожарном отноше-
нии, вредно для здоровья, а сила света отдельной горелки была
мала. Особенно недостатки газового освещения стали сказываться
на крупных предприятиях с большим числом рабочих, занятых на
производстве по 12 — 14 часов в сутки, вызывая резкое снижение
производительности труда.
Поэтому вполне своевременными, отвечавшими социаль-
ному заказу общества были попытки создать электрические
источники света, вскоре решительно вытеснившие все иные
источники. Как пример опрометчивого и недальновидного вы-
лупления укажем на высказывание одного из крупнейших
Электриков, главного инженера фирмы Грамма Ипполита
145 .
Фонгена, который издал книгу «Электрическое освещение*. Там
находим следующие слова: «Для жилых помещений газовое осве-
щение является самым приятным, удобным и дешевым. Электри-
ческое освещение, возможно, найдет применение для отдельных
больших комнат и в парадных квартирах, но это будет такими ре-
дкими исключениями, что излишне обращать на них внимание...
Никогда электрический свет не нанесет ущерба газу, масляным
лампам и свечам». Фонтен ошибся. И лишь как напоминание
о тех временах сохранились до наших дней в некоторых за-
падноевропейских городах газовые фонари, создающие своеоб-
разный городской уют и атмосферу исторического музея.
Развитие электрического освещения шло по двум направлени-
ям: конструирование дуговых ламп и ламп накаливания.
Вполне естественно начать историю электрического освещения
с упоминания об опытах В. В. Петрова в 1802 г., которыми (как
уже отмечалось) было установлено, что при помощи электриче-
ской дуги «темный покой довольно ясно освещен быть может».
Тогда же, в 1802 г., Дэви в Англии демонстрировал накал провод-
ника током.
Электрическая или «вольтова» дуга представляла собой в
буквальном смысле яркое проявление электрического тока и в
первой половине XIX столетия она часто демонстрировалась в
лабораториях и на лекциях об электричестве. Принципиальны-
ми недостатками дугового источника являются: открытое пламя
(и отсюда — пожарная опасность), огромная сила света и необ-
ходимость регулирования дугового промежутка по мере сгора-
ния углей.
В 1844 г. французский физик Жан Бернар Фуко (1819—1868 гг.),
именем которого названы открытые им вихревые токи, заменил
электроды из древесного угля электродами из ретортного угля,
что увеличило продолжительность горения лампы. Регулирова-
ние оставалось еше ручным (рис. 5.1). Такие лампы могли пол-
учить применение лишь в тех случаях, когда требовалось
непродолжительное по времени, но интенсивное освещение, на-
пример, при подсветке предмегното стекла микроскопа, при уст-
ройстве сигнализации в маяках или театральных эффектах. Легко
себе представить восторг (а может быть и испуг) зрительного за-
ла, когда в Парижском оперном театре в 1847 г. по ходу спек-
146
Рис. 5.1. Дуговая лампа с ручным регулированием
и батарея гальванических элементов
такля (а давали
оперу Мейербера
«Пророк») восход
солнца имитиро-
вался с помощью
дуговой лампы!
Дальнейшая исто-
рия дугового элек-
трического освеще-
ния связана с изо-
бретениями различ-
ных механических
и электромагнит-
ных регуляторов, о чем уже рассказывалось в конце предыдущей
главы. .
Идея дифференциального регулятора Чиколева, получившего
широкое применение в прожекторостроении, была использована
другими конструкторами, в частности немецким фабрикантом
3. Шуккертом. Крупносерийный выпуск дуговых ламп с диффе-
ренциальным регулятором начали производить в конце 70-х годов
заводы Сименса (с которыми объединились заводы Шуккерта), и
такая лампа стала продаваться под наименованием «дуговая лам-
па Сименса».
С 80-х годов дифференциальные дуговые лампы стали единст-
венным типом дуговых источников света, которые применялись
для освещения улиц, площадей, гаваней, а также для освещения
больших помещений производственного или общественного на-
значения, они стали обычными источниками света в прожектор-
ной и светопроекционной технике.
Особое место среди дуговых источников света занимает
«электрическая свеча» Павла Николаевича Яблочкова (1847—
1894). Изобретение, о котором пойдет речь, не привело к массо-
вому и устойчивому применению именно этого источника света,
но оно заслуживает особой оценки и отдельного рассказа, по-
скольку именно «электрическая свеча» явилась тем детонато-
ром, который вызвал бурный рост электротехнической
промышленности.
147
П. Н. Яблочков был военным инженером, выпускником Глав,
ного инженерного училища в Петербурге. Окончание им училища
совпало по времени с появлением динамомашины, и молодой офц.
цер, заинтересовавшись электротехникой, вскоре поступил в Тех.
ническое гальваническое заведение, в котором готовились
военные электротехники. Желая посвятить себя полностью рабо»
там по электротехнике, Яблочков выходит в отставку и занимает,
ся исследованиями в созданной им в Москве мастерской
физических приборов.
Осенью 1875 г. Яблочков проводил опыт электролиза поварен,
ной соли. Два угольных электрода были расположены параллель-
но, и однажды, когда электроды иа мгновение коснулись друг
друга в нижних своих частях, между ними возникла электриче-
ская дуга. Яблочков вместе со своим помощником как заворожен-
ные наблюдали сквозь толстые стекла стеклянного сосуда яркое в
буквальном смысле слова явление и «предоставили углям гореть
до конца, а сосуду треснуть». Увидев длительное горение дуги
между параллельными стержнями, изобретатель воскликнул, об-
ращаясь к своему коллеге: «Смотри, и регулятора никакого не
нужно!».
Изобретение было важным, но гениально простым: чтобы изба-
виться от дорогах регуляторов нужно просто повернуть угли из
встречного положения в параллельное. Необходимо было несколь-
ко дней, чтобы технически доработать изобретение. Но П. Н. Яб-
лочков всю жизнь был плохим предпринимателем; его московская
мастерская потерпела финансовый крах и ему угрожала долговая
тюрьма. Спасая свое изобретение, он срочно переехал в Париж.
В Париже Яблочков познакомил со своей идеей крупного уче-
ного и владельца завода по производству точных приборов Бреге,
и уже 23 марта 1876 г. он получил патент на ставшую знаменитой
«электрическую свечу».
Внешний вид электрической свечи показан на рис. 5.2, где
видно, что в держателе с токоподводами укреплялись два парал-
дельных угольных стержня, отделенных один от другого слоем ка-
олина. В верхней части лампы была тонкая проводящая
перемычка — запал, когда включали лампу перемычка сгорала,
на ее месте возникала дуга и угли выгорали, уменьшаясь в разме-
рах как стеариновая свеча. Л
148 11
Рис. 5.2. Электрическая свеча
Яблочкова
1 — угольные электроды; 2 — изоли-
рующий слой; J — зажимы для под-
ключения к источнику электроэнергии
П. Н. Яблочков стал очень из-
вестным человеком, в знак при-
знания его работ появилось
выражение «русский свет*. В том
же 1876 г. он организовал компа-
нию по производству систем
освещения, в которой вел ра-
боту в качестве технического
руководителя. Первой опера-
цией компании было освеще-
ние универсального магазина
«Лувр» в Париже, затем иппод-
рома и, пожалуй, самое эффект-
ное — освещение улицы Оперы.
Изобретатель теперь стал бога-
тым человеком. Его изобретение
совершало триумфальное шест-
вие по всему миру: за Парижем
последовало освещение моста
Ватерлоо в Лондоне, Гаврской
гавани, казарм и кораблей в
Кронштадте, Большого театра в
Петербурге.
Для внедрения своей системы в Петербурге Яблочков уехал из
Парижа, уплатив компании все сбережения за право эксплуата-
ции своих изобретений в России. Но деятельность новой компании
оказалась неуспешной, да и время триумфа электрической свечи
быстро кончилось, появились более удобные лампы накаливания.
Яблочков пережил большие лишения, сопровождавшиеся мораль-
ными переживаниями, и умер у себя на родине, в Саратове, в воз-
расте всего 47 лет, оставив семью без средств.
Но вернемся снова к изобретениям Яблочкова. Одна электриче-
ская свеча могла гореть около 2 часов: при установке нескольких
свечей в специальном фонаре, оборудованном переключателем
Для включения очередной свечи можно было обеспечить беспере-
бойное освещение в течение более длительного времени.
Изобретение электрической свечи способствовало внедрению в
практику переменного тока. Электрическая техника прелшеству-
149
ющего периода базировалась исключительно на постоянном токе
(телеграфия, гальванотехника, минное дело). Дуговые электриче-
ские лампы с регуляторами также питались постоянным током.
При этом положительный электрод сгорал быстрее отрицательно-
го, поэтому его приходилось брать большего диаметра.
П. Н. Яблочков установил, что для питания свечи лучше приме-
нять переменный ток, в этом случае при электродах одинакового ди-
аметра получалась вполне устойчивая дуга. В связи с тем, что
осветительные установки по системе Яблочкова стали подключать к
источникам переменного тока, заметно возрос спрос на генераторы
переменного тока, которые раньше не находили практического при-
менения. О значении электрической свечи в расширении производ-
ства электрических генераторов переменного тока можно судить по
следующему примеру: если до появления электрической свечи завод
Грамма выпускал в течение 1870—1875 гг. по несколько десятков
машин в год, то за 1876 г. выпуск генераторов возрос почти до 1000 шт.
Заводы изготовляли электрические генераторы, специально пред-
назначенные для установок электрического освещения и даже мощ-
ность машин обозначалась по числу питаемых электрических свечей
(например, «шестисвечная машина»).
Значительному развитию электротехники способствовала так-
же и разработка Яблочковым нескольких весьма эффективных си-
стем «дробления электрической энергии», обеспечивавших
возможность включения в цепь, питаемую одним генератором, не-
скольких дуговых ламп.
Среди способов «дробления», предложенных Яблочковым, два
получили практическое применение: секционирование обмотки
якоря генератора (в результате получилось несколько независи-
мых цеп$й, в которые включались свечи) и применение индукци-
онных катушек (рис. 5.3). Первичные обмотки катушек
включались последовательно в цепь, а во вторичную обмотку в за-
висимости от ее параметров могли подключаться одна, две и более
свечей. Если первичная цепь питалась постоянным током, то пре-
дусматривалось включение в нее специального прерывателя для
наведения ЭДС во вторичных обмотках катушек.
Из рис. 5.3 видно, что Яблочков использует индукционную ка-
тушку в качестве трансформатора. Схема интересна и тем, что в
ней впервые получила свое оформление электрическая сеть с ее
150
основными элементами: первичный двигатель — генератор — ли-
ния передачи — трансформатор — приемник.
Рис. 5.3. Схема распределения электрической энергии с помощью
индукционных катушек
1 — прерыватель; 2 — индукционные катушки; 3 — электросаечи
Но значение электрической свечи этим не исчерпывается.
Изобретение дешевого приемника электрической энергии, до-
ступного для широкого потребителя, потребовало решения еше
одной важнейшей электротехнической проблемы — централи-
зации производства электрической энер-
гии и ее распределении. Яблочков первым
указал на то, что электрическая энергия
должна распределяться подобно тому, как
доставляются к потребителям газ и вода.
Дальнейший прогресс электрического
освещения был связан с изобретением лам-
пы накаливания, которая оказалась более
удобным источником света, имеющим луч-
шие экономические и световые показатели.
Самая ранняя по времени лампа накали-
вания построена англичанином Деларю
еще в 180.9 г. (рис. 5.4). В этой лампе нака-
ливалась платиновая спираль, находящая-
Ся в стеклянной трубке.
Следующий шаг сделан в 1838 г., когда
бельгиец Жобар стал накаливать угольные
Рис. 5.4. Схема лампы
накаливания Деларю
151
стержни в разреженном пространстве. Эта лампа была, конечно,
дешевле, но срок ее службы был незначительным.
После 1840 г. предлагались многочисленные конструкции ламц
накаливания: с телом накала из платины, иридия, угля или гра-
фита и т.д.
В 1854 г. по улицам Нью-Йорка разъезжал немецкий эмигрант
Гебель, на повозке которого находились подзорная труба и лампа на-
каливания. Последняя служила для привлечения публики, которая
приглашалась взглянуть через подзорную трубу на кольца Сатурна.
Замечательным было то, что источником света в лампе Гебеля слу-
жило обугленное бамбуковое волокно. Нить была помешена в верх-
нюю часть закрытой барометрической трубки, т.е. в разреженное
пространство. Медные проводники подходили к нити накала сквозь
стекло. Лампа Гебеля могла гореть в течение нескольких часов.
Рис. 5.5. Электрические лампы
накаливания Лодыгииа
а — с одним угольным стержнем;
б — с несколькими угольными
стержнями разной длины (при
перегорании крайнего правого
стержня медная пластинка опу-
скалась на следующий стержень и
замыкала цепь)
В 1860 г. изобретатель Сван
(Англия) впервые применил для
лампы накаливания обугленные
полоски толстой бумаги или бри-
стольского картона, накалявшиеся
в вакууме.
В 1870—1875 гг. развернулись
работы русского отставного офи-
цера Александра Николаевича Ло-
дыгина (1847—1923). Он решил
построить летательный аппарат
тяжелее воздуха, приводящийся в
движение электричеством ("элек-
тролет"). Вполне естественно, что
освещаться этот аппарат должен
был электричеством. Дуговая лам-
па по разным соображениям не по-
дошла, и А. Н. Лодыгин стал
конструировать лампу накалива-
ния с тонким угольным стержень-
ком, заключенным в стеклянном
баллоне (рис. 5.5). Стремясь уве-
личить время горения, Лодыгин
152
Л
предложил устанавливать несколько угольных стерженьков, рас-
рфЮженных так, чтобы при сгорании одного автоматически »клю-
цадся следующий.
Первая публичная демонстрация ламп Лодыгина состоялась в
1870 г., а в 1874 г. он получил русскую привилегию (авторское
свидетельство) на свою лампу. Затем он запатентовал свое изобре-
тение в нескольких странах Западной Европы. Постепенно он усо-
вершенствовал лампы. Если первые лампы работали 30- 40 мин,
то со временем, когда он применил вакуумные колбы, срок служ-
бы увеличился до нескольких сотен часов. За изобретение лампы
накаливания А. Н. Лодыгин был удостоен Ломоносовской премии
Петербургской Академии наук.
Лодыгин, как и Яблочков, тоже был плохим предпринимате-
лем, организовал товарищество для эксплуатации своего изобре-
тения, оно увлеклось коммерческими операциями и развалилось.
Лодыгин уехал во Францию искать более удачного места для своей
работы. Он возвращался потом в Россию, снопа уезжал. Предло-
жил в 90-х годах в качестве тела накала в лампах вольфрамовую
нить, и новые лампы Лодыгина демонстрировались на Парижской
выставке 1900 г. В 1916 г. он уехал в США, где и умер в 1923 г.
Больше всего известности, почестей и сланы в связи с электри-
ческой лампой выпало на долю Эдисона. Но Эдисон не изобрел
лампу. Он сделал нечто большее: Эдисон разработал во всех дета-
лях систему электрического освещения и систему централизован-
ного электроснабжения.
В 1879 г. Эдисон заинтересовался проблемой электрического ос-
вещения. Выходец из достаточно обеспеченной семьи голландских
эмигрантов, будущий великий изобретатель не получил даже на-
чального официального образования: через несколько месяцев за-
нятий в школе он был признан ограниченным и неспособным
учеником. Дальнейшим образованием он обязан своей матери, пе-
дагогу по профессии, и самостоятельным занятиям. С 12-летнего
возраста он, как в свое время Фарадей, стал самостоятельно зара-
батывать, продавая газеты и журналы. Некоторое время спустя он
стал телеграфистом. К 1879 г. он был уже известен как'изобрета-
тель автоматического счетчика голосов, как автор усовершенство-
ваний в области многократной телеграфии и в конструкции
телефон югоаппарата Белла, как изобретатель фонографа.
153
Есть достаточно убедительные сведения о том, что Эдисон хо-
рошо знал изобретения своих предшественников в облает^
электрического освещения накаливанием, в том числе и работу
А. Н. Лодыгина. Он находился также под впечатлением успехов
«электрической свечи» Яблочкова. Впрочем, сам Эдисон любил по-
вторять, что всегда, когда он хотел сделать что-то новое, он тщатель-
но изучал все, что было сделано по данному предмету до него. К
этому времени Эдисон имел уже прекрасную лабораторию в Менло-
Парке (США) и способных помощников. Его эмиссары разъехались
по всему миру в поисках наиболее подходящего растительного во-
локнистого материала для изготовления угольных нитей.
Эдисон сразу поставил перед собой две задачи: лампа должна
создавать умеренную освещенность; каждая лампа должна гореть
совершенно независимо от других. Так он пришел к выводу о не-
обходимости иметь нить высокого сопротивления, что позволит
включать лампы параллельно (а не последовательно, как до этого
поступали с любыми электрическими лампами).
12 апреля 1879 г. Эдисон получил первый патент на лампу с пла-
тиновой спиралью высокого сопротивления, а затем — на лампы с
угольными нитями (27 января 1980 г.),
Эдисон разработал систему откачки бал-
лонов, технологию крепления вводов и
угольной нити. 1 января 1880 г. Эдисон
устроил публичную демонстрацию в
Менло-Парке.
Для того чтобы система освещения
стала коммерческой, Эдисон должен
был придумать множество устройств и
элементов: цоколь и патрон (рис. 5.6),
поворотный выключатель, плавкие пре-
дохранители, изолированные провода,
крепящиеся на роликах, счетчик элект-
рической энергии и, в заключение, по-
строил в 1882 п в Нью-Йорке яа
Пирльстрит первую центральную элект-
ростанцию. Эдисон превратил электри-
ческую энергию в товар, продаваемый
всем желающим, а электрическую уста-
Рис. 5.6. Лампа Эдисона с
цоколем, патроном и выклю-
чателем (1881 г.)
154
#овку — в систему централизованного электроснабжения. Это
(>ь1Л первый в истории электротехники пример комплексного ре-
шения крупной проблемы, оказавший огромное влияние на разви-
ве материальной и общей культуры человечества. В 1889 г. на
Международной выставке в Париже чествовали двух самых зна-
менитых инженеров века — Эйфеля и Эдисона. В кафе на Эйфе-
левой башне был дан торжественный обед, на котором 71-летний
композитор Шарль Гуно исполнил специально сочиненную тор-
жественную кантату (собственноручно написанный экземпляр ее
он преподнес жене и дочери Эдисона).
Уже в 80-е годы начинается быстрое развитие электрического
освещения, все более расширяющееся массовое производство ламп
накаливания, вызвавшее дальнейшее развитие электромашиност-
роительной промышленности, электроприборостроения, электро-
изоляционной техники и совершенствование способов производства
и распределения электрической энергии.
Расширение области практического применения электро-
энергии потребовало разработки электроизоляционных матери-
алов. К 70-м годам XIX в. закладываются основы новых
отраслей техники — кабельной и электроизоляционной. На-
чальный период развития кабельной техники тесно связан с ра-
ботами по минной электротехнике и электромагнитному
телеграфу. Первый подводный электрический кабель (Шил-
линг, 1812 г.) представлял собой тонкую проволоку, покрытую
двумя слоями изоляции (шелком и пенькой), причем первый
слой (шелк) пропитывался специальным смолистым составом,
на который затем навивалась пенька, а потом все снова пропи-
тывалось тем же составом.
Первые подземные телеграфные кабели (Шиллинг, Якоби и
Др.) изготавливались так же, провода изолировались одним или
двумя слоями хлопчатобумажной пряжи с последующей пропит-
кой ее специальными составами (например, из воска, сала и кани-
Фоли), Защитной оболочкой служили стеклянные трубки,
СоеДиненные резиновыми муфтами, или стальные гильзы; в от-
ельных случаях стеклянные трубки закладывались в деревянные
*елоба (при подземной прокладке).
В начале 40-х годов XIX в. создаются специальные маши-
в1я Для обвивки проводов пряжей, в качестве изоляционных
155
материалов начинают применяться резина и гуттаперча. В 1848 г,
В. Сименс изобрел пресс для бесшовного наложения на мед,
ную жилу резиновой и гуттаперчевой изоляции. Каучук быд
известен уже давно, но изменение свойств при незначитель-
ных колебаниях температуры препятствовало применению
его для изоляции. Только после внедрения вулканизации
(Гудьир, 1839 г.) резина стала распространенным электроизо-
ляционным материалом. В начале 50-х годов впервые был
получен эбонит, используемый при изготовлении различных
электрических приборов и устройств. Для воздушных линий
связи и первых электропередач применяли изоляторы из
стекла и фарфора.
Существенную роль в улучшении качества изоляции сыграло
создание свинцового пресса (1879 г.), с помощью которого изоли-
рованный провод покрывался бесшовной свинцовой оболочкой. В
90-х годах все большее применение для силовых кабелей начинает
получать многослойная пропитанная маслом бумажная изоляция.
5.2. Возникает потребность в электрических машинах
переменного тока
Получение переменного тока никогда не вызывало принципи-
альных трудностей. Описанный в гл. 4 генератор Р. М. (1832 г.)
был, как отмечалось, первым многополюсным синхронным гене-
ратором*, н все последующие работы в области электрических ма-
шин были направлены на изыскание наилучших конструкций
коммутирующих устройств, т.е. на превращение генераторов пе-
ременного тока в генераторы постоянного тока.
Так как переменный ток долгое время не находил практическо-
го применения, то попытки сконструировать соответствующие ге-
нераторы до конца 70-х годов носили эпизодический характер.
Обычно такие генераторы представляли собой машины постоянно-
го тока, у которых коллектор заменялся двумя контактными коль-
цами. Так, в 1863 г. Уайльд разработал в качестве одного из
вариантов машины с электромагнитами генератор переменного
тока. Этот генератор внешне был очень похож на машину, описан-
ную в гл. 4 (см. рис. 4.17), и отличался от нее лишь тем, что вме
• Термин «синхронная машина» ввел в 90-х годах Ч. Штейнмец.
156
сто коллектора, состоявшего из двух пластин, имел дна контактных
кольца. Обмотка электромагнитов питалась от отдельного магнито-
электрического генератора, укрепленного на ярме основной маши-
ны. В 1867 г. Уайльд построил генератор переменного тока, который
нс имел отдельного возбудителя.
Наиболее существенный толчок работам в области генераторов
переменного тока дала электрическая свеча Яблочкова. Уже в
1878 г. Яблочков совместно с заводом Грамма разработал несколь-
ко однотипных конструкций генераторов переменного тока для
питания 4, 6, 16 и 20 свечей. Например, в генераторе на 16 свечей
кольцевой неподвижный якорь имел секционированную обмотку,
секции которой образовывали четыре отдельных цепи по четыре
катушки в каждой цепи. На валу машины вращались восемь по-
люсов, возбуждавшихся постоянным током. Таким образом, на
каждый полюс приходилось по две катушки, индуктировавших то-
ки, сдвинутые по фазе друг относительно друга на четверть перио-
да. Катушки соединялись через одну так, чтобы токи в одной цепи
совпадали по фазе. От каждой цепи питались четыре свечи. Этот
генератор представлял собой двухфазную синхронную машину с
электрически не связанными фазами.
Яблочков предложил и другие конструкции генераторов пере-
менного тока, не сыгравшие заметной роли: генератор с возврат-
но-поступательным движением якоря (1876 г.) и индукторные
генераторы (1877 и 1881 гг.).
Серьезные трудности на пути совершенствования генераторов
переменного тока возникли из-за нагрева сердечников, которые до
80-х годов не шихтовались.
Таким образом, налицо две главные тенденции, определяющие
развитие генераторов переменного тока: для увеличения мощно-
сти машины увеличивать число катушек якоря (та же тенденция,
что и в машинах постоянного тока в 40—50-х годах); а для сниже-
ния потерь в сердечниках (и, следовательно, их нагрева) умень-
шать объем стали в якоре (некоторые генераторы стали
изготовляться с катушками, не имевшими стальных сердечников).
Указанные тенденции можно проиллюстрировать примерами на-
иболее типичных машин, построенных в 80-х годах. Так, на рис. 5.7
показан генератор Сименса (1878 г.) с большим числом катушек на
статоре, питаемых от отдельного возбудителя, и катушками без
157
стальных сердечников
торе. Катушки ротора посде
довательно проходили ме^
парами катушек статора,
лярность которых чередоьа.
лась. Соединение катуще!(
ротора друг с другом было вц.
полнено таким образом, чтобы
ЭДС их складывались. Устра-
некие стальных сердечников,
естественно, увеличило мар
нитное сопротивление в ма-
шине, что снижало ее эффек-
тивность.
крупных для своего времени ма-
Рис. 5.7. Генератор Сименса
1 — возбудитель; 2 — катушка ротора;
3 — катушки статора
В качестве одной из наиболее
шин переменного тока можно отметить генератор английского ин-
женера Дж. Гордона (1882 г.). Один из таких генераторов (рис.
5.8), установленных в 1885 г. на тепловой электростанции Пад-
дингтон в Анг-
лии, был выпол-
нен двухфазным
с катушечными
обмотками и пред-
назначался так
же, как и гене-
ратор Яблочкова-
Грамма, для раз-
дельного питания
’ различных ламп.
Машина имела
мощность 115 кВт
Рис. 5.8. Генератор переменного тока прн напряжен и и
105 В и массу 18 т; паровой двигатель сообщал ей частоту враще-
ния 146 об/мин. Генератор вырабатывал переменный ток с часто-
той 40 Гц; возбудитель приходил в движение от отдельной
паровой машины.
Последний период в развитии генераторов переменного тока
начинается в 90-х годах прошлого столетия, после того как воз-
158
11JfC,io производство трехфазных машин с шихтованными сердеч-
1(1ками и барабанными якорями.
Как известно, электрическая машина обратима. С этой
[ОЧКИ зрения принципиальных трудностей для построения
зВЙгателей переменного тока не было. Уже в 1841 г. Ч. Уит-
сон построил синхронный электродвигатель, основанный на
взаимодействии постоянных магнитов и электромагнитов пе-
ременного тока.
Из-за отсутствия начального вращающего момента пуск всех
эднофазных синхронных двигателей был затруднен. Такие
электродвигатели нуждались в дополнительных разгонных дви-
гателях и поэтому не могли получить широкого распростране-
ния. Как на исторический казус укажем на систему
электропривода, применявшуюся в Англии и Франции инжене- '
ром С. Ц. Ферранти в конце 80-х годов: на вал каждого синх-
ронного электродвигателя был посажен разгонный двигатель
внутреннего сгорания или коллекторный двигатель переменного
тока, по мере разгона главный двигатель втягивался в синхро-
яизм и далее работал самостоятельно.
В сетях однофазного тока применялись коллекторные дви-
гатели постоянного тока с последовательным возбуждением.
При питании этих двигателей переменным током направле-
ние основного магнитного потока изменялось одновременно с
изменением направления тока в якоре и, следовательно, вра-
щающий момент имел постоянное направление. Венгерские
инженеры М. Дери и О. Блати впервые предложили приме-
нять такие коллекторные однофазные двигатели в 1885 г. Од-
иако широкого распространения эти двигатели тоже не нашли
«следствие чрезмерного нагрева сердечников электромагни-
те вихревыми токами и тяжелых условий коммутации, вы-
звавших сильное искрение на коллекторе. Эти недостатки
частично устранялись применением дополнительных полю-
се, однако они оказались неэффективными в пусковых усло-
’Чях. Поэтому коллекторный однофазный двигатель нашел
®есьма ограниченную область применения. В настоящее вре-
Ля он используется главным образом для бытового электро-
хода и на электрифицированных железных дорогах
4НоФазного тока.
159
5.3. «Трансформаторные битвы»
Восьмидесятые годы прошлого столетня вошли в историю тех-
ники под названием периода «трансформаторных битв». Такое не-
обычное название они получил» потому что изобретение
трансформатора явилось одним из сильнейших аргументов » поль-
зу переменного тока. А настоящая битва шла между сторонниками
систем постоянного н переменного токов и отражала попеки путей
выхода на назревшего энергетического кризиса, связанного с про-
блемой'централизованного производства электроэнергии и пере-
дачи ее на большие расстояния.
Схематическое изображение будущего трансформатора впер-
вые появилось в 1831 г. в работах Фарадея и Генри. Однако ни тот,
ни другой не отмечали в своем приборе такого свойства транс<|юр-
матора, как изменение напряжений н токов, то есть трансформи-
рования переменного тока. Они демонстрировали индукцию при
замыкании и размыкании цени постояниного тока.
В 1836 г. ирландский физик Николас Каллан (1799—1864 гг.)
изобрел индукционную катушку. В 1838 г. это изобретение повто-
рил американский изобретатель Чарлз Пейдж, но наибольшую из-
вестность получил немецкий механик Генрих Румкорф
(1803—1877), именем которого впоследствии стали называть ин-
дукционную катушку, Такне катушки предназначались для полу-
чения искрового разряда во вторичной цепи при прерывании
постоянного тока в первичной цепи. Катушку Румкорфа приме-
нил для дистанционного взрывания мин Б. С. Якоби. В последней
трети прошлого века индукционные катушки получили широкое
применение и системах зажигания двигателей внутреннего сгораний.
П. Н. Яблочков отчетливо понял, роль индукционной катушки
как средства электрического разделения цепей переменного тока.
Даже самим фактом патентования системы «дробления света» во
многих странах он как бы подчеркивал важность нового предло-
жения. Во французеком патенте № 115793 от 30 ноября 1876 г, он
писал: «Предметом этого изобретения является распределение то-
ков в целях производства электрического света, позволяющее
получить, пользуясь цепью, питаемой одним единственным ис-
точником электричества, неопределенное число источников све-
та...» И как бы отмежевываясь от привычных схем индукционных
>ьо
катушек, он указывает: «Если я применяю... электрический ис-
точник переменного тока, обшее расположение остается неизмен-
ным, но прерыватель становится ненужным...»
Система «дробления света» П. Н. Яблочкова широко демонст-
рировалась два раза: на Парижской международной электриче-
ской выставке в 1881 г. и на Второй Петербургской электро-
технической выставке в 1882 г* (где всю систему разработал и экс-
понировал препаратор Московского университета И. Ф. Усагин).
Бобины, как их тогда называли, имели одинаковое число витков в
первичной и вторичной обмотках, а стальной сердечник был разо-
мкнутым и представлял собой стержень, на который наматыва-
лись обмотки.
В начале 80-х годов становилось все яснее, что система электро-
снабжения на постоянном токе не имеет перспектив. Из опыта
эксплуатации дуговых источников света было установлено опти-
мальное напряжение 110 В. Радиус электроснабжения не превы-
шал нескольких сотен метров. Попытки расширить границы
района электроснабжения привели к рождению так называемой
трехпроводной системы постоянного тока (110x2=220 В). Но ос-
новным направлением развития электроэнергетики уже в 80-х го-
дах становится система переменного тока.
Новым шагом в использовании трансформаторов с разомкну-
тым сердечником для распределения электроэнергии явилась «си-
стема распределения электричества для производства света и
двигательной силы», запатентованная во Франции в 1882 г. Голя-
ром и Гиббсом. Трансформаторы Голяра и Гиббса предназнача-
лись уже не только для «дробления» энергии, но и для
преобразования напряжения, т.е. имели коэффициент трансфор-
мации, отличный от единицы. Общий вид «вторичного генерато-
ра» (как его называли) изображен на рис. 5.9. На деревянной
подставке укреплялось несколько индукционных катушек /, пер-
вичные обмотки которых соединялись последовательно. Вторич-
8ые обмотки катушек были секционированы и каждая секция
имела два вывода для подключения приемников. Заслуживают
^имания выдвижные сердечники 2 катушек, с помощью которых
Термин «электротехника» стал употребляться именно после международной
ектрической» выставки 1881 г. и последовавшего за ней конгресса электриков.
161
Рис. 5.9. Трансформатор Голяра и
Гиббса
регулировалось напряжение нд
вторичных обмотках. Транс»
форматоры с разомкнутым
сердечником в 1883 г. уста»
навливаются на подстанциях
Лондонского метрополитена, а
в 1884 г. — в Турине (Ита-
лия).
В системах дугового освеще-
ния, как правило, регулировал-
ся ток в цепи последовательно
включенных потребителей.
Но после изобретения ламп
накаливания и других приемников, для которых важно поддер-
живать постоянное напряжение, более целесообразным стало их
параллельное включение. Современные трансформаторы имеют
замкнутый магнитный сердечник, их первичные обмотки вклю-
чаются параллельно. Но для схемы «дробления» энергии, пред-
ложенной Яблочковым, трансформаторы с разомкнутым сер-
дечником вполне удовлетворяли техническим требованиям, при
последовательном соединении первичных обмоток включение и
выключение одних потребителей не оказывало существенного
влияния на режим работы других. При параллельном включе-
нии приемников применение трансформаторов с разомкнутыми
Рис. 5.10. Схема трансформатора
Гопкинсоиов
сердечниками становилось
технически не оправданным.
Поэтому понятно стремление
сконструировать трансфор-
маторы с замкнутой магнит-
ной системой, которые об-
ладают значительно лучши-
ми характеристиками (мень-
ший намагничивающий ток, а
следовательно, меньшие потери
и больший кпд).
Первые трансформаторы с
замкнутым сердечником <РиС'
5.10) были созданы в Англии и
162
1884 г. братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсон. Сердечник 1
этого трансформатора был набран из стальных полос или прово-
док, разделенных изоляционным материалом, что снижало потери
на вихревые токи. На сердечнике помешались, чередуясь, катуш-
ки высшего 2 и низшего 3 напряжений.
Впервые предложение о параллельном включении обмоток
трансформаторов высказал Р. Кеннеди в 1883 г., но более все-
сторонне этот способ соединения был обоснован венгерским
электротехником Максом Дери, который в 1885 г. получил
патент на параллельное включение первичных и вторичных об-
моток трансформаторов и показал преимущество такого включе-
ния. Независимо от него аналогичный патент в Англии получил
С. Ц. Ферранти. Таковы предпосылки применения трансформато-
ров с замкнутым сердечником.
Передача электриче-
ской энергии перемен-
ным током высокого
напряжения оказалась
возможной посте созда-
ния однофазного транс-
форматора с замкну-
той магнитной систе-
мой, имевшего доста-
точно хорошие эксплуа-
тационные показатели.
Такой трансформатор в
нескольких модифика-
циях (кольцевой, бро-
невой и стержневой)
бьи разработан в 1885 г.
Рис. 5.i 1. Первые типы трансформаторов
венгерских инженеров
1 — кольцевой; 2 — броневой; 3 — серийный
венгерскими электро-
гехниками М. фри
(1854—1934 гг.), О. Бла-
ти (1860__1938 гг.) трансформатор будапештского завода
” к. Циперновским “Ганц и К0" •
<1853—-1942 гг.), впервые предложившими и сам термин «транс -
арматор». В патентной заявке они отмечали важное значение
’змкнутого шихтованного сердечника, в особенности для мощных
163
силовых трансформаторов. На рис. 5.11 изображены первые об-
разцы кольцевого и броневого трансформаторов, а также общий
вид серийного трансформатора системы Блати, Дери и Ципер,
новского, выпускавшихся электромашиностроительным заво-
дом в Будапеште фирмы «Ганц и К0 ». Эти трансформаторы
содержали все основные элементы современных однофазных
конструкций.
Венгерские инженеры нашли оптимальные соотношения между
расходом меди и стали в трансформаторах и обеспечили своей
продукции широкий сбыт на мировом электротехническом рынке.
В частности, эта фирма осуществила в 1887 г. одну из первых в
России установок переменного тока для освещения оперного теат-
ра в Одессе.
На территории завода «Ганц и К0», где сто лет назад создавали
первый трансформатор, сегодня разместились корпуса завода
«Ганц Моваг», выпускающего электропоезда и сложное электро-
оборудование для энергетики. На заводе есть музей, в котором
главное место отведено истории создания трансформатора.
В 1885 г. фирмой «Вестингауз» был построен первый автотранс-
форматор, который предложил У. Стенли. В конце 80-х годов
Д. Свинбсрн предложил масляное охлаждение трансформаторов.
Первые системы электроснабжения переменным током рож-
дались в условиях ожесточенной конкурентной борьбы электро-
технических фирм, причем эта борьба нередко принимала
уродливые формы. За спорящими учеными стояли крупные
фирмы. Так, непримиримым борцом против переменного тока в
80-х годах выступил знаменитый Эдисон. А инженер фирмы
Эдисона Г. Браун, стремясь заполучить заказ на новый вид про-
дукции, в пылу полемики вызвал публично соперника из фир-
мы «Вестингауз» на дуэль на электрических стульях. Исход
дуэли должен был решить, какой же стул делать: на постоянном
или на переменном токе.
Острота и горький привкус борьбы эпохи трансформаторных
битв звучат в следующих словах нашего физика А. Г. Столетова,
опубликованных в его сообщении в журнале «Электричество*
(1889, №13—14): «Невольно вспоминается та травля, которой
подвергались трансформаторы в нашем отечестве, по поводу ие”
давнего проекта фирмы «Ганц и К0» осветить часть Москвы. И 5
164
ученых докладах и в газетных статьях система обличалась, как
нечто еретическое, ненациональное и безусловно гибельное; дока-
зывалось, что трансформаторы начисто запрещены во всех поря-
дочных государствах Запада и терпятся разве в какой-нибудь
Италии, падкой на дешевизну. Защитники «наци н'лльности в
электричестве» забывали, что первую идею о трансформации тока
в технике сами иностранцы приписывают Яблочкову.... что на
Всероссийской выставке 1882 года в Москве ранее Голларда, Гибб-
са и др., весьма определенно демонстрировал г. У сатин, за что на-
гражден медалью».
5.4. Поиски путей передачи электроэнергии на большие
расстояния
Водяное колесо — символ докапиталистического производства —
вызвало к жизни проблему распределения энергии от центрально-
го двигателя к отдельным машинам и станкам. Но тогда могли су-
ществовать только механические средства передачи энергии:
штанги, тяги, канаты. При необходимости передачи энергии на
десятки и сотни метров стали применяться приводные ремни. Воз-
никла трансмиссионная передача, которая надолго пережила
энергетику водяного колеса и хорошо послужила человечеству в
эпоху пара, а частично сохранила свои позиции и на первых эта-
пах развития электропривода.
Опыты использования электромагнитного телеграфа привели к
мысли о возможности передачи по проводам более значительных
количеств энергии. Уже в 40—50-х гг. XIX в. в США, Италии и
других странах высказываются идеи о создании электрической
железной дороги с передачей энергии на расстояние. Однако все-
общую известность получили опыты французского электрика Ип-
полита Фонтена.
Здесь уместно отметить, что исключительно большую роль в
пропаганде научно-технических знаний и, следовательно, в науч-
но-техническом прогрессе общества сыграли международные и на-
циональные выставки. Первая промышленно-художественная
выставка состоялась в Лондоне в 1756 г. Основное место на ней за-
нимали вестники промышленного переворота — текстильные ма-
шины. В России первая выставка отечественной промышленности
165
была открыта в 1829 г. в Петербурге. Первая в мире электротехни-
ческая выставка была открыта в марте 1880 г. в Петербурге, а пер»
вая международная электротехническая выставка — в 1881 г. в
Париже.
В 1873 г. в Вене состоялась международная выставка, с которой
и начинается история электропередачи. На этой выставке Фонтен
демонстрировал обратимость электрических машин. Есть различ-
ные версии, объясняющие причину, побудившую Фонтена вклю-
чить между генератором и двигателем барабан с кабелем длиной
несколько больше 1 км. По одной из них он стремился уменьшить
мощность двигателя, приводившего в действие насос искусствен-
ного декоративного водопада, вода которого выплескивалась за
пределы бассейна. Этим опытом была продемонстрирована реаль-.
ная возможность передачи электроэнергии на расстояние (пусть
вначале это был всего один километр). Вместе с тем сам Фонтен не
был убежден в экономической целесообразности электропередачи,
так как при включении соединительного кабеля он получил зна-
чительное снижение мощности двигателя, то есть большие потери
энергии в кабеле. Вот что писал Фонтен два года спустя после
опытов в Вене: «Тогда, как и теперь, я не верю в возможность
электрической передачи больших мощностей на большие расстоя-
ния; электрические железные дороги мне казались и кажутся и те-
перь решением, применять которое можно посоветовать только в
совершенно исключительных случаях». Фонтен вновь, как и С
электрическим освещением, оказался плохим пророком !
Как известно, потери в линии зависят от напряжения, удельно-
го сопротивления провода и его сечения. Снижение удельного со-
противления проводов практически неосуществимо, так как медь,
ставшая ^основным материалом для изготовления проводов, имеет
предельно малое удельное сопротивление. Лишь в настоящее вре-
мя ведутся теоретические и экспериментальные работы по сниже-
нию сопротивления линий электропередач с использованием
явления сверхпроводимости (криогенные линии электропереда-
чи). Следовательно, имелись только два пути для снижения по-
терь в линии: увеличение сечения проводов или повышение
напряжения.
В 70-х годах был исследован первый путь, так как увеличение
сечения проводников представлялось мероприятием, по-виднмо-
166
лу, более естественным и технически легче осуществимым по
Сравнению с повышением напряжения. В 1874 г. русский военный
инженер Федор Аполлонович Ппроцкий (1345—1898 г &д пришел
к выводу об экономической целесообразности производства элект-
рической энергии в тех местах, где она может быть дешево полу-
чена благодаря наличию топлива или гидравлической энергии и
передачи ее по линии к более или менее отдаленному месту по-
требления. В том же году он приступил к опытам передачи энер-
гии на артиллерийском полигоне Волкова поля (около Петербурга),
использовав электрическую машину Грамма. Дальность передачи
в опытах Пироцкого составляла сначала более 200 м, а затем была
увеличена примерно до 1 км.
Для уменьшения потерь в линии Пироцкий предлагал исполь-
зовать в качестве проводников железнодорожные рельсы, сечение
которых более чем в 600 раз превышало сечение обыкновенного
телеграфного провода. Стремясь проверить свои в: 1воды, он в кон-
це 1875 г. провел опыты передачи электроэнергии по рельсам без-
действовавшей ветки Сестрорецкой железной дороги длиной
около 3,5 км. Оба рельса изолировались от земли, один из них слу-
жил прямым, второй — обратным проводом. Электрическая энергия
передавалась от небольшого генератора Грамма к электродвигателю,
удаленному на расстояние около 1 км.
Необходимо отметить, что Пироцкий был не единственным
электротехником, ставшим на путь увеличения сечения проводов.
Так, например, В. Сименс, посетив в 1876 г. Ниагарский водопад,
сумел правильно оценить энергетические возможности его ис-
пользования, но утверждал, что для передачи энергии водопада на
расстояние 50 км потребуется проводник диаметром 75 мм. Ины-
ми словами, как заявил Сименс, в изготовление проводов придет-
ся загнать целый медный рудник. Подобные выводы являлись
наглядным выражением уровня познаний в области электротехни-
ки в 70-х годах XIX в.
Несмотря на нерациональность практического направления,
избранного Пироцким. его опыты привлекли внимание к вопро-
сам электропередачи вообще и вызвали ряд новых исследова-
ний, приведших к выявлению правильного пути для решения
этой проблемы. Предложение же Пироцкого об использовании
железнодорожных рельсов для передачи электрической энергии
167
на расстояние нашло свое применение уже при разработке первых И
проектов городских электрических железных дорог.
Другой путь решения проблем передачи электрической энер- j
гии, основанный на повышении напряжения, длительное время
осмысливался теоретически. Здесь можно упомянуть исследова-
ние классической задачи из теории цепей о передаче энергии от
источника к нагрузке, выполненное в 1877 г. французским акаде-
миком Э. Маскаром, но не доведенное до ясных практических вы-
водов. Наиболее обстоятельное исследование этого вопроса
выполнили в 1880 г. независимо друг от друга французский инже-
нер (впоследствии академик) Марсель Депре (1843—1918 гг.) и
профессор физики Петербургского лесного института Дмитрий
Александрович Лачинов (1842—1902).
В марте 1880 г. в протоколах Парижской Академии наук был
опубликован доклад М. Депре «О коэффициенте полезного дейст-
вия электрических двигателей и об измерении количества энергии
в электрической цепи». Автор доклада — крупный специалист в
области электротехники. Он вошел в историю как изобретатель
определенных систем амперметра, ваттметра, апериодического
гальванометра, принципа смешанного (компаундного) возбужде-
ния электрических машин, электромагнитного молота (двигателя ]
возвратно-поступательного движения) и электрической системы М
синхронной связи движений. Н
В интересующем нас докладе Депре математически доказывал, М
что кпд установки, состоявшей из электродвигателя и линии пере-
дачи, не зависит от сопротивления самой линии. Такой вывод по-
казался Депре парадоксальным, так как ему вначале не удалось
установить, что увеличение сопротвления линии не влияет на эф-
фективность электропередачи только при определенном условии,
а именно — при увеличении напряжения передачи.
Эти условия впервые были указаны проф. Д. А. Лачииовым в
статье «Электромеханическая работа», опубликованной в июне
1880 г. в первом номере журнала «Электричество». На основе ма-
тематических выкладок Лачинов показал, что в электропередаче
«полезное действие не зависит от расстояния» лишь при условий
увеличения скорости вращения генератора (то есть при повыше-
нии напряжения в линии, так как ЭДС, развиваемая генератором,
пропорциональна частоте его вращения). Лачинов также устано-^И
168 яН
БЙд количественное соотношение между параметрами линии пе-
редачи, доказав, что для сохранения кпд передачи при увеличе-
н}1и сопротивления линии в п раз, необходимо увеличить частоту
Бращекия генератора в '/п раз: «Если, например, — писал Лачи-
нов, — увеличим R в 100 раз, то при передаче того же числа лоша-
диных сил скорость будет десятерная». К подобным же выводам
пришел год спустя М. Депре.
В 1882 г. Депре стро-
ит первую линию элект-
ропередачи Мисбах —
Мюнхен протяженно-
стью 57 км. На одном
конце опытной линии в
Мисбахе была установ-
лена паровая машина,
приводившая в действие
генератор постоянного
тока мощностью 3 л.с.,
дававший ток напряже-
нием 1,5—2 кВ (рис.
5.12). Энергия переда-
валась по стальным те-
леграфным проводам
диаметром 4,5 мм на
территорию выставки в
Мюнхене, где была ус-
тановлена такая же ма-
Рис. 5.12. “Электростанция" в Мисбахе
шина, работавшая в режиме электродвигателя и приводившая в
действие насос для искусственного водопада. Хотя этот первый
опыт и не дал достаточно благоприятных технических результатов
(кпд передачи не превосходил 25 % ), его значение нельзя было
яедооценивать: электропередача Мисбах — Мюнхен явилась от-
равным пунктом для дальнейших работ по развитию методов и
средств передачи электроэнергии на расстояние.
Обратим внимание на любопытный факт. Теория телеграфных
линий была разработана достаточно хорошо и было известно, что
Наибольший эффект в работе приемного устройства достигается
^гда, когда его сопротивление равно внутреннему сопротивлению
169
источника энергии вместе с сопротивлением соединительных
водов (согласованный режим). Но при этом теоретический
всей установки составляет 50 %.
Но то, что целесообразно для «слаботочной» техники, станов^
ся нецелесообразным для «сильноточной», то есть энергетически
техники. В последнем случае важен экономический эффект, и кцд
следует всемерно повышать в ущерб количеству передаваемо^
энергии. Это обстоятельство длительное время оказывалось труд,
нодоступным для понимания, и многие даже крупные специалц.
сты (в том числе Фонтен, позднее Феррарис и другие) терядд
перспективу в научно-технических поисках и порой прекращали
работу лишь потому, что не могли освободиться от привычных рд.
мок теории слаботочных цепей.
Высокую оценку работам Депре дал Энгельс. Уже в этой щ.
чальной стадии он усмотрел не только зародыш будущего осво-
бождения промышленности «почти от всех местных границ» g
возможность использования даже самых отдаленных гидравличе-
ских ресурсов, но и указал на важные социальные последствия ре-
шения задачи передачи энергии.
В 1885 г. были проведены новые опыты — на расстоянии 56 км
между Крейлем и Парижем. В качестве генераторов постоянного то-
ка высокого напряжения использовались специально построенные
машины, дававшие напряжение до 6 кВ. Масса такой машины была
около 70 т, мощность — около 50 л.с., кпд передачи около 45 %.
Наряду с опытными установками для передачи электрической
энергии на расстояние в эти годы были осуществлены единичные
установки передачи электроэнергии для промышленного исполь-
зования (с кпд до 75 %).
Тем не менее, попытки решить проблему электропередачи на
постоянном токе, осуществленные в 80-х годах, не принесли
лаемых результатов. При этом важно подчеркнуть возник®#
противоречие. С одной стороны, практика проектирования и пр0'
изводства электрических машин и аппаратов постоянного т°кг
получила уже значительное развитие, двигатели постоянного т®3
обладали хорошими рабочими характеристиками, отвечавши^
большинству требований промышленности. С этой точки зрев*1’
не было серьезных препятствий к тому, чтобы приступить к
кой электрификации станочного парка промышленности. Но»
170
,0угой стороны, широкая электрификация промышленности мог-
^быть осуществлена в больших масштабах только при централи-
зованном производстве электроэнергии, а следовательно, только
арй обеспечении передачи электроэнергии на значительные рас-
тения.
Однако для передачи энергии требовалось получить высокие
^пряжения, а технические возможности того времени не позво-
строить генераторы постоянного высокого напряжения; при-
ором этого могут служить машины Депре, которые часто
^ходили из строя из-за порчи изоляции. Вообще говоря, в любом
•эучае возможности передачи энергии при напряжении генерато-
ра ограничены сравнительно низкими пределами. Кроме этого,
электроэнергию постоянного высокого напряжения нелегко было
использовать потребителям, нужно было строить двигатель — ге-
нераторную установку для преобразования высокого напряжения
з низкое.
Еще один путь использования постоянного тока для электропе-
редачи был намечен в основополагающей работе Д. А. Лачинова.
Он предлагал для повышения напряжения соединить последова-
гельно по нескольку машин на каждом конце линии. В этом слу-
ие каждая в отдельности машина могла быть рассчитана на более
низкое напряжение, а следовательно, могла быть более надежной.
Фонтен первым реализовал практически эту идею, осуществив в
1886 г. передачу, в которой со стороны генератора работали 4 по-
эдовательно соединенные машины (по 1500 В), т.е. получил те
«6 кВ, что и у Депре, а со стороны приемника — 3 двигателя на
суммарную мощность около 50 л.с. Двигатели могли использо-
иться непосредственно для привода исполнительных механизмов,
Ши вращать валы генераторов низкого напряжения, пригодных
118 Нелей освещения; кпд этой установки достигал 52 % • Позднее
^ идея о последовательном включении генераторов была развита
‘электропередачах по системе Р. Тюри.
Трудности, связанные с электропередачей на постоянном токе,
^Равили мысли ученых на разработку теории и техники пере-
^нвого тока.
К°гда основные элементы техники переменного тока (генерато-
’ трансформаторы) были разработаны, начались попытки осу-
ествить промышленную передачу энергии на переменном токе.
171
В 1883 г. Л. Голяр осуществил передачу мощности 20 л.с. на расстоя-
ние 23 км для питания осветительных установок Лондонского метро,
политена. Трансформаторы повышали напряжение до 1500 В. Ца
Туринской выставке в следующем году Голяр осуществил передачу
мощности примерно 40 л.с. на 40 км при напряжении 2000 В.
Однако во второй половине 80-х г. уже возникла и очень бес-
покоила инженеров и ученых задача включения двигательной
нагрузки в сеть электростанций. Таким образом, и при переда-
че электроэнергии однофазным переменным током возникло
противоречие не менее серьезное, чем при электропередаче по-
стоянным током. Напряжение однофазного переменного тока
можно легко повышать и понижать с помощью трансформато-
ров практически в любых желаемых пределах. Следовательно,
для передачи электроэнергии затруднений не было. Нр одно-
фазные двигатели переменного тока имели совершенно непри-
емлемые для целей практики характеристики. В частности, они,
как уже говорилось, либо вообще не имели пускового момента
(синхронные двигатели), либо пускались с очень большим тру-
дом из-за тяжелых условий коммутации тока (коллекторные
двигатели). Поэтому сфера применения однофазного тока дол-
жна была ограничиваться почти исключительно электрическим
освещением, что, конечно, не могло удовлетворить требованиям
I
5.5. Электроэнергия становиться товаром. Ранние
электростанции
Электростанции, под которыми понимают фабрики по произ-
водству электрической энергии, подлежащей распределению меж-
ду различными потребителями, появились не сразу. В 70-х и
начале 80-х годов прошлого столетия место производства электро-
энергии не было отделено от места потребления.
Электрические станции, обеспечивавшие электроэнергией ог-
раниченное число потребителей, назывались блок-станциями (не
путать с современным понятием блок-станций, под которым неко-
торые авторы понимают фабрично-заводские теплоэлектроценТ'
рали). Такие станции иногда называли «домовыми».
В связи с трудностями регулировки системы дугового освеще-
ния на первых порах строились специализированные блок-стан-
дии: одни для дуговых ламп, другие — для ламп накаливания.
Иногда на одной и той же станции генераторы разделяли на две
соответствующие группы. Развитие первых электростанций было
сопряжено с преодолением трудностей не только научно-техниче-
ского характера. Так, городские власти запрещали сооружение
воздушных линий, не желая портить внешний вид города. Конку-
рирующие газовые компаний всячески подчеркивали действитель-
ные и мнимые недостатки нового вида освещения.
На электрических
блок-станциях, стро-
ившихся в конце 70-х
и в начале 80-х годов
прошлого столетия, в
качестве первичных
двигателей приме-
нялись в основном пор-
шневые паровые ма-
шины. В отдельных
случаях использова-
лись двигатели внут-
реннего сгорания, в то
время являвшиеся
новинкой. Для уде-
шевления паросило-
вой части блок-станций
широко применялись
локомобили. От пер-
вичного двигателя к
электрическому гене-
ратору делалась ре-
Рис. 5.13. “Блок-станция" — электростанция с
двумя генераторами (внизу справа) и локомоби-
лем (слева) для освещения одного дома
менная передача, позволявшая приводить в движение быстроход-
ные электрические генераторы от сравнительно тихоходных паро-
вых машин, имевших частоту вращения не более 200 об/мин.
Обычно один паровой двигатель приводил в действие 1—3 генера-
т°ра; поэтому на крупных блок-станциях того времени устанавли-
вались несколько паровых машин или локомобилей. Для
173
регулировки натяжения ремней электрические генераторы монти-
ровались на салазках. На рис. 5.13 показан вид «домовой» элект-
ростанции.
Впервые блок-станции были построены в Париже для освеще-
ния улицы Оперы. В России первой установкой такого рода яви-
лась станция для освещения Литейного моста в Петербурге,
созданная в 1879 году при участии П. Н. Яблочкова. С конца 1881 г.
возникают блок-станции, в сети которых включались как дуговые
лампы, так и лампы накаливания.
Однако идея централизованного производства электроэнергии
была настолько экономически оправданной и настолько соответст-
вовала тенденции концентрации промышленного производства,
что первые центральные электростанции возникли уже в середине
80-х годов и быстро вытеснили блок-станции. В связи с тем, что в
начале 80-х годов массовыми потребителями электроэнергии мог-
ли стать только источники света, первые центральные электро-
станции проектировались как правило для питания осветительной
нагрузки и вырабатывали постоянный ток.
В 1881 г. несколько
предприимчивых аме-
риканских финансистов
под впечатлением успе-
ха, которым сопровож-
далась демонстрация
,ламп накаливания, за-
ключили соглашение с
Эдисоном и приступили
к сооружению первой в
мире центральной элек-
тростанции (на Пирль-
стрит в Нью-Йорке). В
сентябре 1882 г. эта
электростанция была
сдана в эксплуатацию
(рис. 5.14). В машин-
ном зале станции (рис.
5.15) было установлено
шесть генератораторов
Рнс. 5.14. Внешний вид первой центральной
электростанции (Нью-Йорк)
174
Рис. 5.15. Машинный зал первой центральной электростанции
Эдисона. Мощность каждого генератора составляла около 90 кВт,
а общая мощность электростанции превышала 500 кВт. Здание
станции и ее оборудование были спроектированы весьма целесо-
образно, так что в дальнейшем при строительстве новых электро-
станций развивались многие из тех принципов, которые были
предложены Эдисоном. Так, генераторы станций имели искусст-
венное охлаждение и соединялись непосредственно с двигателем.
Напряжение регулировалось автоматически. На станции осущест-
влялись механическая подача топлива в котельную и автоматиче-
ское удаление золы и шлака. Защита оборудования от токов
короткого замыкания осуществлялась плавкими предохранителя-
ми, а магистральные линии были кабельными. Станция снабжала
электроэнергией обширный по тому времени район площадью
2,5 км2. Вскоре в Нью-Йорке было построено еще несколько стан-
ций.
Исходное напряжение первых электростанций, от которого
впоследствии были произведены другие, образующие известную
йкалу напряжений, сложилось исторически. Дело в том, что в пе-
риод исключительного распространения дугового электрического
175
освещения эмпирически было.установлено, что наиболее подходя,
щим для горения дуги является напряжение 45 В. Чтобы умень-
шить токи короткого замыкания, которые возникали в дамент
зажигания ламп (при соприкосновении углей), и для более устой-
чивого горения дуги включали последовательно с дуговой лампой
балластный резистор. Так же эмпирически было найдено, что со-
противление балластного резистора должно быть таким, чтобы па-
дение напряжения на нем при нормальной работе составляло
примерно 20 В. Таким образом, общее напряжение в установках
постоянного'Тока сначала составляло 65 В, и это напряжение пр»,
менялось долгое время. Однако часто в одну цепь включали после-
довательно две дуговые лампы, для работы которых требовалось
2*45 = 90 В, а если к этому напряжению прибавить еще 20 В, при-
ходящиеся на сопротивление балластного резистора, то получится
напряжение ПО В. Это напряжение почти повсеместно было при-
нято в качестве стандартного, и именно оно открывает современ-
ную шкалу напряжений, хотя причина выбора давно забыта.
Уже при проектировании первых центральных электростан-
ций столкнулись с трудностями, которые в достаточной степени
не были преодолены в течение всего периода господства техни-
ки постоянного тока. Радиус электроснабжения определяется до-
пустимыми потерями напряжения в электрической сети,
которые для данной сети тем меньше, чем выше напряжение.
Именно эти обстоятельства заставляли строить электростанции
в центральных районах города, что существенно затрудняло не
только обеспечение водой и топливом, но и удорожало сто-
имость земельных участков для строительства станций, так как
земля в центре города была чрезвычайно дорога. Этим в частно-
сти объясняется необычный вид нью-йоркских станций, на ко-
торых оборудование располагалось на многих этажах.
Положение осложнялось еще и тем, что на первых электростан-
циях приходилось размещать большое число котлов, паропроиз-
водительность которых не соответствовала новым требованиям,
предъявленным электроэнергетикой.
Не менее удивился бы наш современник, увидев первые петер-
бургские электростанции, которые обслуживали район Невского
проспекта. В начале 80-х годов они размещались на баржах, за'
крепленных у причалов на реках Мойке и Фонтанке (рис. 5-1° '
176
Рис. 5.16. Электростанция на реке Фонтанке в Петербурге
Строители исходили из соображений дешевого водоснабжения,
кроме того, при таком решении не нужно было покупать земель-
ные участки, близкие к потребителю.
В 1886 г. в Петербурге было учреждено акционерное «Общество
электрического освещения 1886 г.» (сокращенно называлось «Об-
щество 1886 г.»), которое приобрело станции на реках Мойке и
Фонтанке и построило еще две: у Казанского собора и на Инже-
нерной площади. Мощность каждой из этих станций едва превы-
шала 200 кВт.
В Москве первая центральная электростанция (Георгиевская)
была построена в 1886 г. тоже в центре города, на углу Большой
Дмитровки (ныне Пушкинская ул.) и Георгиевского переулка. Ее
энергия использовалась для освещения прилегающего района.
Мощность станции составляла 400 кВт.
Ограниченные возможности расширения радиуса электроснаб-
жения привели к тому, что удовлетворить спрос на электроэнер-
гию со временем становилось все труднее. Так, в Петербурге и
Москве к середине 90-х годов возможности присоединения новой
вагрузки к существующим станциям были исчерпаны и встал воп-
Р°с об изменении схем сети или даже об изменении рода тока.
На центральных станциях с ростом их мощности локомобили, при-
знавшиеся в качестве первичных двигателей блок-станций, посте-
177
пенно вытеснялись стационарными машинами. Мощность л их машин
составляла 100—300 л.с., частота вращения вала была относительно не-
велика (100—200 об/мин), что привело к необходимости ввести
между машиной и генератором ременную или канатную передачу.
В котельной ранних тепловых электростанций устанавливались
жаротрубные котлы, однако вскоре в связи с ростом мощности потре-
бовались котлы более высокой паропроизводительности — водотруб-
ные паровые. В конце XIX и начале XX вв. преимущественное
распространение в котельных зарубежных электростанций получи-
ли котлы Бабкок-Вилькокс, а в России —• котлы системы Шухова.
Основным топливом котельных с ручной загрузкой служил
уголь, сжигавшийся на плоских колосниках. Расход угля при та-
ком способе сжигания и отсутствии экономайзеров, подогрева воз-
духа и при плохой изоляции в 3—4 раза превышал расходы
современных станций.
Рост потребностей в электроэнергии эффективно стимулировал
повышение производительности и экономичности тепловой части
электрических станций. Прежде всего следует отметить реши-
тельный поворот от поршневых паровых машин к паровым турби-
нам. Первая паровая турбина на электростанциях России была
установлена в 1891 г. в Петербурге (станция на реке Фонтанке)йй
За год до этого испытание турбины было проведено на станции^!
расположенной на реке Мойке.
В рассматриваемый период гидроэлектростанции строились редко в
связи с трудностями передачи электроэнергии на большие расстояния.
Выше уже отмечался наиболее существенный недостаток электро-
снабжения постоянным током — слишком малая площадь района,
которая может обслуживаться центральной электростанцией. Уда-
ленность нагрузки не превышала нескольких сотен метров. Электро-
станции — предприятия стремились расширить круг потребителей
своего товара — электроэнергии. Этим объясняются настойчивые по-
иски путей увеличения площади электроснабжения при условии со-
хранения уже построенных станций постоянного тока. Было найдено
несколько путей увеличения радиуса распределения энергии.
Первая идея, не получившая заметного распространения, каса-
лась понижения напряжения электрических ламп, подключав-
шихся в конце линии. Однако расчеты показали, что при протяженности
178
сети более 1,5 км экономически выгодней было построить новую
электростанцию.
Другое решение, которое могло во многих случаях удовлетво-
рить потребность, состояло в изменении схемы сети, переход от
дну хороводных сетей к многопронодным, т.е. фактически к повы-
шению напряжения.
Трехпроводная система распределения электроэнергии бы-
ла предложена в 1882 г. Дж. Гонкпнсоном и независимо от
него Т. Эдисоном. При этой системе генераторы на электростан-
ции соединялись последовательно и от обшей точки шел нейт-
ральный или компенсационный провод. При этом обычные лампы
сохранялись. Они включались как правило между рабочими и
нейтральным проводами, а двигатели для сохранения симметрии
нагрузки можно было включать на повышенное напряжение (220 В).
Если нагрузка в обеих ветвях трехпроводной системы была оди-
наковой, то в нейтральном проводе тока не было. В других случа-
ях в нейтральном проводе появлялся ток, который обычно был
много меньше рабочего тока. Последнее обстоятельство позволя-
ло выбирать сечение нейтрального провода меньшим (обычно 1/2
или 1/3 сечения рабочего провода). Не следует упускать из виду,
что сечение рабочих проводов при э^,ом тоже уменьшалось пр
сравнению с сечением проводе! в двухпроводной системе. Это
объяснялось тем, что при увеличении напряжения вдвое ток при
той же мощности вдвое уменьшался, а потери, пропорциональ-
ные квадрату тока, снижались вчетверо. Практическими резуль-
татами введения трехпроводной системы явилось, во-первых,
увеличение радиуса электроснабжения примерно до 1200 м, во-
вторых, относительная экономия меди (при всех прочих одинако-
вых условиях расход меди при трехпроводной системе был практи-
чески вдвое меньше, чем при двухпроводной).
Для регулирования напряжения в ветвях трехпроводной сети
применялись различные устройства: регулировочные дополни-
тельные генераторы, делители напряжения, в частности получив-
шие значительное распространение делители напряжения
Доливо-Добровольского, аккумуляторные батареи. Трехпровод-
ная система широко применялась как в России, так и за рубежом.
Она сохранилась вплоть до 20-х годов нашего века, а в отдельных
Случаях применялась и позднее.
179
Максимальный вариант многопроводных систем —пятипроводная
сеть постоянного тока, в которой применялись четыре последова-
тельно включенных генератора и напряжение увеличивалось вчет-
веро. Радиус электроснабжения возрастал до 1500 м. Однако
сравнительно незначительное увеличение радиуса электроснабже-
ния достигалось в этом случае за счет существенного усложнения се-
ти, повышения напряжения до опасных пределов, усложнения
регулирования равномерности нагрузки отдельных ветвей. Поэтому
пятипроводная система не получила широкого применения, хотя ее
автор В. Сименс предполагал, что пятипроводная система будет с ус-
пехом конкурировать с системами переменного тока.
Третий путь увеличения радиуса электроснабжения предпола-
гал сооружение аккумуляторных подстанций. Аккумуляторные
батареи были в то время обязательным дополнением каждой элек-
тростанции. Они покрывали пики нагрузок. Заряжаясь в дневные
и поздние ночные часы, они служили резервом. Аккумуляторные
батареи так же, как и на. современных электростанциях (где,
впрочем, эти батареи выполняют иные функции — питание цепей
управления, защиты, автоматики и аварийного освещения), раз-
мещались в специальных обширных помещениях.
Для увеличения радиуса электроснабжения аккумуляторные бата-
реи устанавливались на подстанциях в двухпроводных сетях постоян-
ного тока. Эти подстанции сооружались вблизи отдельных потре-
бителей. Группы аккумуляторных батарей, соединенные последова-
тельно, заряжались от центральной станции при двойном напряже-
нии, а при параллельном соединении они питали местную нагрузку.
Сети с аккумуляторными подстанциями получили некоторое
распространение. В Москве, например, была построена в 1892 г.
аккумуляторная подстанция в Верхних торговых рядах (ныне
ГУМ), находившаяся на расстоянии 1385 м от Георгиевской цент-
ральной станции. На этой подстанции были установлены аккуму-
ляторы, питавшие около 2000 ламп накаливания.
В последние два десятилетия прошлого века было построено
много электростанций постоянного тока, и они долгое время дава-
ли значительную долю общей выработки электроэнергии. Мощ-
ность таких электростанций редко превышала 500 кВт, агрегаты
обычно имели мощность до 100 кВт.
180
Все возможности увеличения радиуса электроснабжения при
постоянном токе довольно быстро были исчерпаны. Многопровод-
вые сети и сети с аккумуляторными подстанциями могли еще
удовлетворять потребности малых и средних городов, но совер-
шенно не отвечали нуждам крупного города.
В 80-х годах начинают сооружаться станции переменного тока, вы-
годность которых с точки зрения увеличения радиуса электроснабже-
ния была бесспорной. Если не считать блок-станции переменного тока,
построенных в Англии в 1882—1883 гт., когда появились трансформа-
торы Голяра и Гиббса, то, по-видимому, первой постоянно действовав-
шей электростанцией переменного тока можно считать станцию
Гровнерской галереи (Лондон). На этой станции, пущенной в эксплуа-
тацию в 1884 г., были установлены два генератора переменного тока
Сименса, которые через последовательно включенные трансформато-
ры Голяра и Гиббса работали на освещение галереи. Недостатки после-
довательного включения трансформаторов и, в частности, трудности
поддержания постоянства тока были выявлены довольно быстро, и в
1886 г. эта станция была реконструирована по проекту С. Ц. Ферран-
ти. Генераторы Сименса были заменены машинами конструкции Фер-
ранти каждая мощностью 1000 кВт с напряжением на зажимах 2,5 кВ.
Трансформаторы, изготовленные по проекту Ферранти, включа-
лись в цепь параллельно и служили для снижения напряжения в
непосредственной близости от потребителей.
В 1889—1890 гг. Ферранти вновь вернулся к проблеме электро-
снабжения Лондона. На этот раз была поставлена задача обеспе-
чить электроэнергией весь район лондонского Сити. Но поскольку
компания, финансировавшая работы, не соглашалась оплатить
высокую стоимость земельного участка в центре города, Ферранти
выбрал место для новой центральной электростанции в одном из
предместий Лондона, в Дептфорде, находящемся в 12 км от Сити.
Построить электростанцию на таком большом расстоянии от места
потребления электроэнергии можно было только при условии, что
Зна будет вырабатывать переменный ток. При сооружении этой
Установки были применены мощные по тому времени машины вы-
Сокого напряжения. Были установлены генераторы мощностью по
ООО л.с. с напряжением 10 кВ, причем в отличие от старых гене-
раторов, которые приводились в движение от паровой машины при
Помощи канатной передачи, новые генераторы были непосредст-
181
ценно соединены е быстроходными вертикальными паровыми ма-
шинами. Частота вращения вада паровых поршневых двигателей
все же сильно отставала от нормальной скорости длектрогенерато-
ров. Этим в частности объясняется своеобразная конструкции
электрических генераторов того времени, они имели большие диа-
метры н малые длины. Такие же в обшем соотношения между диа-
метром и длиной машины сохранились и в настоящее время на
гидростанциях с относительно тихоходными водяными турбинами
в качестве первичного двигателя. Обитая мощность Дептфордской
станции составляла около 3000 кВт. На четырех городских под-
станциях, питавшихся по четырем магистральным кабельным ли-
ниям, напряжение понижалось до 2400 В, а затем уже у
потребителей (в домах» напряжение понижалось до 100 В.
Примером крупной гидростанции однофазного тока, питавшей ос-
ветительную нагрузку, может служить станция, построенная в 1889 г,
на водопаде вблизи Портленда (США». На этой станции гидравличе-
ские двигатели приводили в действие восемь однофазных генерато-
ров общей мощностью 720 кВт. Кроме того, на станции были
установлены 11 генераторов, предназначенных специально для пи-
тания дуговых ламп (по 100 ламп на каждый генератор). Энергия
этой станции передавалась на расстояние 14 миль в Портленд.
Характерная особенность первых электростанций переменного
тока — изолированная работа отдельных машин. Синхронизация ге-
нераторон еще не производилась и от каждой машины шла отдельная
цепь к потребителям. Легко понять, насколько неэкономичными при
таких условиях оказывались электрические сети, на сооружение ко-
торых расходовались колоссальные количества меди и изоляторов.
В России крупнейшие станции однофазного тока были сооруже-
ны в конце 80-х и начале 90-х годов. Первая центральная электро-
станция построена венгерской фирмой «Ганц и К(1» в Одессе в 1887 г.
Основным потребителем энергии была система электрического ос-
вещения нового театра. Эта электростанция представляла собой
прогрессивное для своего времени сооружение. Она имела 4 водо-
трубных котла общей производительностью 5 т пара в час, а также
два синхронных генератора общей мощностью 160 кВт при напря-
жении на зажимах 2 кВ и частоте 50 Гц. От распределительного
шита энергия поступала в линию длиной 2,5 км, ведущую к транс-
форматорной подстанции театра, где напряжение понижалось до
1*2
оэ b ина которое были рассчитаны лампы накаливания). Оборудо-
вание электростанции было столь совершенным для своего време-
ни, что, несмотря на то, что топливом служил привозной
английский уголь, стоимость электроэнергии была ниже, чем на
более поздних петербургских и московских электростанциях. Рас- '
ход топлива составлял 3,4 кг/кВт ч (на петербургских электро-
станциях — 3,9—5,4 кг/кВг ч).
В том же году началась эксплуатация электростанции постоян-
ного тока в Царском Селе (ныне г. Пушкин). Протяженность воз-
душной сети в Царском Селе уже в 1887 г. была около 64 км, тогда
как два года спустя суммарная кабельная сеть «Общества 1886 г.»
в Москве и Петербурге, составляла только 115 км. В 1890 г. Цар-
скосельская станция и сеть были реконструированы и переведены
на однофазный переменный ток напряжением 2 кВ. По свидетель-
ству современников, Царское Село было первым городом в Евро-
пе, который был освещен исключительно электричеством.
Крупнейшей в России электростанцией однофазного тока была
станция на Васильевском острове в Петербурге, построенная в
1894 г. инженером Н. В. Смирновым. Мощность ее составляла 800
кВт и превосходила мощность любой существовавшей в то время
станции постоянного тока. В качестве первичных двигателей ис-
пользовались четыре вертикальные паровые машины мощностью
250 л.с. каждая. Применение переменного тока напряжением 2000 В .
позволило упростить и удешевить электрическую сеть и увели-
чить радиус электроснабжения (более 2 км при потере до 3 % на-
пряжения в магистральных проводах вместо 17—20 % в сетях
постоянного тока).
Таким образом, опыт эксплуатации центральных станций и
сетей однофазного тока показал преимущества переменного тока,
но вместе с тем, как уже отмечалось, выявил ограниченность его
применения. Однофазная система тормозила развитие элект-
ропривода, усложняла его. Так, например, при подключении
силовой нагрузки к сети Дептфордской станции приходилось
Дополнительно помешать на валу каждого синхронного одно-
фазного двигателя еще разгонный коллекторный двигатель
переменного тока. Легко понять, что такое усложнение элект-
ропривода делало весьма сомнительной возможность его ши-
рокого применения.
5.6. Развитие теории электрических цепей
До 80-х годов прошлого века шло постепенное накапливание све-
дений об особенностях физических процессов в цепях переменного
тока, к числу которых главным образом относятся возможные разли-
чия в фазах напряжения и тока, возбуждение ЭДС самоиндукции и
взаимоиндукции и существование тока через конденсатор. Количе-
ственные соотношения иногда только угадываются за качественны-
ми рассуждениями, как это было характерно для всех исследований
Фарадея. Да и более поздние исследования носили еще качественный
характер. Например, Б. С. Якоби, анализируя образование ЭДС в ге-
нераторе, утверждал, что она пропорциональна угловой скорости враще-
ния якоря, числу витков обмотки и интенсивности магнитного поля.
В работах Гельмгольца, Максвелла, У. Томсона (лорда Кельви-
на), Ф. Неймана и других физиков появляются строгие математиче-
ские связи между мгновенными значениями токов и напряжений,
появляются основные уравнения цепей в диффере»щиальной форме.
В 80-х годах делаются попытки сравнивать действия постоянно-
го и переменного токов, вводится понятие об идеальном синусои-
дальном токе. Оказалось, например, что сравнительно легко под-
считать мощность, выделяемую синусоидальным током в резисто-
ре и сравнить ее с мощностью, выделяемой в том же резисторе по-
стоянным током. В 1888 г. У. Томсон показал возможность
применения гармонического анализа Фурье для любого периоди-
ческого (несинусоидального) тока (Фурье свой знаменитый метод
предложил в 1822 г., разрабатывая теорию тепла).
В свете гармонического анализа несинусоидальных токов выяс-
нилась чаще всего вредная роль высших гармоник и был сделан
вывод о необходимости принимать специальные технические ме-
ры для получения в генераторах ЭДС, по форме возможно близ-
кой к синусоиде. В 90-х годах на страницах электротехнических
журналов состоялась «полемика о синусоиде».
В 1887 г. Гизберт Капп (1852—1922 гг.), впоследствии профес-
сор Бирмингемского университета, вывел точную формулу транс-
форматорной ЭДС, известную ныне каждому электрику.
Большой вклад в развитие теории переменного тока внес итальян-
ский физик Г. Феррарис, который в книге «О разности фаз у токов, о
запаздывании вследствии индукции и о потерях в трансфорМЗ'
184 Н
торе» (1886 г.) впервые рассматривает разность фаз токов в пер-
вичной н вторичной обмотках трансформатора, а также дает мето-
ды расчета потерь на гистерезис и вихревые токи. Позднее, в 1893 г.,
он исследовал и процессы в однофазных двигателях, применив
меуод вращающихся векторов.
В 1898 г. был опубликован фундаментальный труд Феррарнса
под название «Научные основания электротехники». Это было
первое руководство по теоретической электротехнике, появившееся
в русском переводе в 1904 г.
В 1889 г. профессор Гринвичского морского училища Томас
Блекслей предложил изображать синусоидальную величину в виде
вектора. Метод векторных диаграмм открыл прекрасные возмож-
ности для наглядных представлений о процессах в цепях гармони-
ческого тока. В частности этот метод позволил распространить
закон Ома на цепи, содержащие резисторы, индуктивности и емко-
сти и находящиеся под воздействием гармонических напряжений.
Важную роль в становлении современных представлений в области
теории переменного тока сыграли исследования М. О. Долнво-Добро-
вольского. В своем докладе на Международном конгрессе электриков
во Франкфурте-на-Майне (1891 г.) Датнво-Добронан1Скнй показал,
что магнитный поток в магнитопроноде катушки, включенной в цепь
переменного тока, целиком определяется напряжением (если считать
частоту и число вит ков заданными) н не зависит от магнитного сопро-
тивления. С изменением магнитного сопротивления меняется только
намагничивающий ток. Это положение, которое Долино-Доброволь»
скнн называет первым основным положением теории переменного
тока, действительно является исходным во всех расчетах электромаг-
нитных устройств. Далее он отметил, что если магнитный поток изме-
няется синусоидально, то ЭДС (или, соответственно, напряжение)
также изменяется по закону синуса, причем ЭДС и магнитный поток
различаются по фазе на тг/2. Им были введены понятия активной и ре-
активной составляющих тока, которые он назвал соогвественно ватт-
ным (рабочим) и безваттным гвозбудительным) токами. Метод
разложения любого тока на две составляющие был рекомендован До-
ливо-Добровсльским для практических расчетов и анализа процессов
в электрических машинах и аппаратах.
Доли во-Добровольский рекомендовал принять в качестве ос-
новной is ормы кривой тока синусоиду. В отношении частоты тока
185
он высказался за 30—40 Гц. Позднее в результате критического
отбора получили применение лишь две частоты промышленного
тока: 60 Гц в Америке и 50 Гц в других странах. Эти частоты ока-
зались оптимальными, ибо повышение частоты ведет к чрезмерно-
му возрастанию скоростей вращения электрических машин (при
том же числе полюсов), а снижение частоты неблагоприятно ска-
зывается на равномерности освещения.
Несколько позднее, в 1892 г., Доливо-Добровольский разрабо-
тал на базе сформулированных положений основы теории и про-
ектирования трансформаторов, опровергнув распространившееся
ошибочное утверждение о том, что трансформаторы принципи-
ально не могут быть экономичными аппаратами. В 90-х годах тру-
дами ряда ученых (С. Эвершеда, Бен-Эшенбурга, Г. Каппа и др.)
были исследованы важнейшие вопросы теории трансформаторов.
На основе метода векторных диаграмм появилась возможность
исследовать поведение электрической цепи при изменении одного
из параметров. Так стали известны линейные и круговые диаграм-
мы, т.е. метод геометрических мест. Особенно продуктивным он ока-
зался для теории электрических машин (А. Гейланд). В 1902 г.
И. Лакур опубликовал книгу, где описано построение круговой
диаграммы поданным опытов холостого хода и короткого замыкания.
Логическим завершением общей теории цепей переменного тока
явилась исключительно продуктивная идея поместить векторную
диаграмму на комплексную плоскость. Это позволяло тригонометри-
ческие операции над векторными изображениями синусоидальных
функций времени заменить алгебраическими операциями над комп-
лексными числами. Оказалось, к тому же, что интегрально-диффе-
ренциальные топологические уравнения для мгновенных значении в
стационарных процессах могут быть заменены алгебраическими
уравнениями для комплексных изображений.
Несмотря на то что идея применения комплексных чисел для ана-
лиза цепей при гармонических воздействиях буквально носилась в
воздухе, несомненная заслуга в широком введении метода комплекс-
ных амплитуд ("символического метода") принадлежит известному
американскому электротехнику Чарльсу Протеусу Штейнмецу
(1865—1923 гг.). В 1901 г. Штейнмец издал фундаментальный курс
под названием «Теоретические основы электротехники».
186
1
I В 1899 г. в Лондоне был опубликован и другой символический ме-
тод, который предлагал замену любого аналитически выраженного
воздействия его операторным изображением. Английский физик
Оливер Хевисайд (1850—1925 гг.), увлеченный трактатом Максвел-
ла, запершись как одинокий отшельник, в своем домашнем кабинете,
решал одну за другой задачи из теории электрических цепей и элек-
тромагнитных полей. Когда ему недоставало математических знаний
он тут же развивал необходимый математический аппарат. Так для
решения задач о переходных процессах он придумал операционное
исчисление, основанное на преобразовании Лапласа.
К концу прошлого столетия нашла естественное завершение в
главных своих частях теория электрических цепей, реальная гар-
моническая функция времени была представлена сначала векто-
ром на плоскости, потом комплексным символом и, наконец,
любая функция времени — операторным изображением. Указан-
ным воздействиям были поставлены в соответствие комплексные и
операторные схемы замещения, т.е. были введены в обращение
1 понятия о комплексных и операторных сопротивлениях.
По мере расширения практических применений электрической
। энергии начиналась подготовка научных и инженерных кадров
электротехников. В отдельных технических учебных заведениях
начинали читаться специальные курсы. Например, в России еще в
1840 г. был организован офицерский класс для изучения электри-
чества и магнетизма в связи с потребностями минной электротех-
ники. В 1856 г. Главное инженерное училище военного ведомства
стало готовить инженеров по электротехнике. В 1884 г. в Петер-
бургском технологическом институте появилась элетротехническая
J специальность, а в 1891 г. на базе Телеграфного училища был от-
крыт Петербургский элетротехнический институт.
В Петербургском политехническом институте, открытом в 1902 г.,
будущий академик Владимир Федорович Миткевич (1872—1951 гг.)
с 1904 г. начал читать курс «Теория электрических и магнитных
явлений», а в Московском высшем техническом училище с 1905 г.
начал читать курсы «Теория переменных токов» и «Электриче-
ские измерения» будущий чл.-корр. АН СССР и профессор Мос-
ковского энергетического института Карл Адольфович Круг
; <1873—1952). С именами В. Ф. Миткевича и К. А. Круга связано
1 основание петербургской и московской электротехнических школ.
187
ГЛ А НА 6
ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ: ПРОИЗВОДСТВО. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ
И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
6.1. Вращающееся магнитное поле — новое физическое явление
Начало современного этапа в развитии электротехники отно
сится к 90-м годам прошлого столетня, когда решение комплекс
ной энергетической проблемы вызвало к жизни электропередачу i
электропривод. Электрификация началась тогда, когда оказало^
возможным строить крупные электрические станции в местах, бо
гатых первичными энергорссурсамн, объединять их работу на об1
Шую сеть и снабжать электроэнергией любые центры и объекта
электропотреблення.
Техническая сторона электрификации заключалась в разработ
ке многофазных систем, из которых практика сделала выбор i
пользу системы трехфазной. Наиболее важными и во всяком слу'
чае новыми элементами трехфазной системы были электродвнга
тели, действие которых основано на использовании явленш
вращающегося магнитного поля.
Ранее упоминался опыт Араго, в котором диск и врашаюшийо
магнит отражали принцип асинхронного электродвигателя с вра-
щающимся магнитным полем. Од-
нако это поле создавалось не не-
подвижным устройством, каким в
современных машинах является
статор, а вращающимся магнитом
(рис. 4.2>.
Рис. 6.1, Прибор Бейли
, Долгое время явление, откры-
тое Араго, не находило практиче-
ского применения. Только в 1879 г
У. Бейли (Англия) сконструиро-
вал прибор (рис. 6.1), в котором
магнитного поля осуществлялось
с помощью неподвижного уст-
ройства — путем поочередного
намагничивания четырех распо-
188
доженных по периферии круга электромагнитов /. Намагничива-
ние производилось импульсами постоянного тока, посылаемыми
в обмотки электромагнитов специально приспособленным для
этого коммутатором. Полярность верхних концов стержней из-
менялась в определенной последовательности так, что через
каждые восемь переключений коммутатора магнитный поток
изменял свое направление в пространстве на 360. Над полюсами
электромагнитов, как и в опытах Араго, был подвешен медный
диск 2. Бейли указывал, что при бесконечно большом числе элект-
ромагнитов можно было бы обеспечить равномерное вращение
магнитного поля. Прибор Бейли не нашел никакого применения.
Тем не менее, он был некоторым связующим звеном между опы-
том Араго и более поздними исследованиями. С позиций сегод-
няшнего дня представляется крайне простым осуществление
вращающегося поля в установке Бейли или в подобном прибо-
ре иной конструкции путем питания электромагнитов синусои-
дальными токами с различными начальными фазами. Однако в
80-х годах прошлого столетия на это ушло несколько лет ра-
боты и поисков многих ученых, среди которых были француз-
ский физик Марсель Депре, разработавший в 1883 г. систему
синхронной связи двух движений, авторы одной из конструк-
ций индукционных электросчетчиков Борель и Шалленбер-
гер, изобретатель репульсионного двигателя И. Томсон,
американский электротехник Ч. Бредли, немецкий инженер
Ф. Хазельвандер и др. В связи с этим интересно привести фразу
Илайю Томсона: «Трудно составить такую комбинацию из маг-
нитов, переменного тока и кусков меди, которая не имела бы
тенденции к вращению».
История открытия вращающегося магнитного поля и многофаз-
ных систем до крайности запутана. В 90-е годы прошли многие су-
дебные процессы, на которых разные фирмы, скупившие патенты
изобретателей, пытались утвердить свои права на многофазные
системы. Только американская фирма Вестингауз провела более
25 судебных процессов.
Однако исчерпывающие и получившие наибольшую извест-
ность экспериментальные и теоретические исследования вращаю-
щегося магнитного поля выполнили независимо друг от друга
выдающиеся ученые итальянец Галилео Феррарис (1847—1897 it.)
и серб Никола Тесла (1856—1943гг.).
Г. Феррарис утверждал, что суть явления вращающегося маг.
нитного поля он осознал еще в 1885 г., но доклад «Электродинами-
ческое вращение, произведенное с помощью переменных токов»
он сделал в Туринской академии (членом которой он состоял с
1880 г.) 18 марта 1888 г.
Н. Тесла в своей автобиографии рассказывал, что идея двух,
фазного асинхронного двигателя родилась у него еще в 1882 г.,
когда он работал в Будапештской телеграфной компании. Гуляя в
парке с другом, он, осененный идеей, «тростью сделал на песке на-
бросок принципа, который изложил шесть лет спустя на конфе-
ренции в Американском институте электроинженеров». Доклад в
этом институте состоялся 16 мая 1888 г., т.е. на два месяца позд-
нее доклада Феррариса. Но первую заявку на получение патента
на многофазные системы Тесла подал еще-12 октября 1887 г., т.е.
ранее выступления Феррариса.
Остановимся сначала на работе Г. Феррариса исходя не из при-
оритетных соображений, а из того, что в его работе дан более об-
стоятельный теоретический анализ и еще потому, что именно
перевод доклада Феррариса в английском журнале попал в свое
время в руки М. О. Доливо-Добровольскому и вызвал первый им-
пульс в серии последующих замечательных изобретений.
Галилео Феррарис был известным в Европе ученым, представ-
лявшим Италию на разных международных выставках и конгрес-
сах. Профессор разрабатывал теорию переменных токов и умел в
очень ясной форме объяснять трудные физические процессы. Вот
как в переложении им было
объяснено явление враша*
ющегося магнитного поля.
Рассмотрим показанную
на рис. 6.2. пространствен-
ную диаграмму, на которой
ось х представляет собой
положительное направление
вектора магнитной индукций,
создаваемой одной из катУ'
шек, а ось у — положите®’'
Рис. 6.2. К пояснению открытия Феррариса
190
вое направление поля другой катушки. Для момента времени, ког-
да индукция одного поля в точке О изображается отрезком ОА, а
другого — ОВ, суммарная результирующая индукция изобразит-
ся отрезком OR. При изменениях ОА и ОВ точка R перемещается
по кривой, форма которой определяется законами изменений во
времени двух полей. Если два поля имеют одинаковые амплитуды
и сдвинуты по фазе на четверть периода, то геометрическим мес-
том точки R станет окружность. Налицо вращение магнитного по-
ля. Если фазу одного из полей или возбуждающего его тока
изменить на 180 , то изменится и направление вращения резуль-
тирующего поля. Если поместить в это поле снабженный валом и
подшипниками медный цилиндр, то он будет вращаться. Позднее
асинхронные двигатели с полым ротором в виде медного стакана
получили название двигателей Фер-
рариса.
Но как получить два переменных
тока, сдвинутых относительно друг
друга по фазе? Феррарис предложил
метод «расщепления фаз», при кото-
ром искусственным путем создавался
сдвиг по фазе при включении в цепи
двух взаимоперпендикулярно распо-
ложенных катушек фазосмещающих
устройств. На рис. 6.3. показан внеш-
ний вид модели двухфазного асинх-
ронного двигателя, хранящейся в
музее г. Турина, директором которого
до конца жизни был Галилео Феррарис.
В своем теоретическом анализе Феррарис, находясь в плену ме-
годов «слаботочной техники», предположил, что асинхронный
Двигатель должен работать в режиме, согласованном с источником
Здания, то есть в режиме передачи от источника к двигателю
Максимальной мощности. Отсюда вытекало условие работы двига-
'Для при 50-процентном скольжении, и, как следствие, кпд такого
^игателя мог быть только ниже 50 %. «Эти вычисления, — пола-
гал Феррарис, — и экспериментальные результаты подтвержда-
!°т очевидное a priori заключение, что аппарат, основанный на
Эт°м принципе, не может иметь какого-либо практического зна-
191
Рис. 6.3. Модель двигателя
Феррариса
чения...» Эта досадная и поучительная ошибка выдающегося уче-
ною снижала ценность открытия и ограничивала область его при-
менения только измерительными устройствами. Но именно эта
злополучная для Фсррарнса фраза оказалась счастливой находкой
для Дол1ню-Добровольекого.
Никола Тесла, один из самых известных и плодовитых ученых
в области электротехники, начинавший н 80-х годах прошлого ве-
ка спою научную карьеру, получил только н областн многофазных
систем 41 патент. Некоторое время Тесла работал в Эдисоновской
компании в Париже (1882-1884 iг >, а затем переехал в США. В
1888 г. все свои патенты по многофазным системам Тесла продал
главе известной фирмы Джорджу Вестингаузу, который в своих
планах развития техники переменного тока (в противовес компа-
нии Эдисона) сделал ставку на работы Тесла. Впоследствии 1 села
много внимания уделял технике высоких частот ('трансформатор
Теста") н идее передачи электроэнергии без проводов. Интересная
деталь: при решении вопроса о стандартизации промышленной
' часоты, а диапазон предложении был от 25 до 133 Гц, Тесла реши-
тельно высказался за принятую им для своих опытных установок
частоту 60 Гц. Тогда отказ инженерен Вестингауза от предложе-
ния Тесла послужил начальным импульсом для ученого, решив-
шего расстаться с Вестингаузом. Но вскоре именно эта частота
была принята в США в качестве стандартной.
В патентах Тесла были описаны различные варианты много-
фазных систем, В отличие от Феррариса Тесла полагал, что мно-
гофазные токи следе ет получать от многофазных источников, а не
пользоваться фазосмещающими устройствами. Утверждая, что
двухфазная система, являясь минимальным вариантом системы
многофазной, окажется н наиболее экономичной, Тесла, а вслед
за ним и фирма Вестингауза, основное внимание сосредоточили
именно на эгоп системе. , „
Схематически система Тесла в ее наиболее характерной фор-
ме представлена на рас. 6.4, слева изображен синхронный гене-
ратор, справа — асинхронный двигатель. В генераторе между
полюсами вращались две взаимно перпендикулярные катушкф
в которых генерировались дна тока, сдвинутые по фазе на •
Концы каждой катушки были выведены на кольца, располож
ные на валу генератора (на чертеже для ясности эти кол н
192
Рис. 6.4. Конструктивные схемы генератора и двигателя Тесла
имеют различные диаметры). Ротор двигателя тоже имел обмотку в
виде двух расположенных под прямым углом друг к другу замкнутых
на себя катушек. '
Основным недостатком двигателя Тесла, который впоследствии
сделал его неконкурентоспособным, было наличие выступающих
полюсов с сосредоточенной обмоткой. Эти двигатели имщти боль-
шое магнитное сопротивление и крайне неблагоприятное распре-
деление намагничивающей силы вдоль воздушного зазора, что
приводило к ухудшению характеристик машины. Таковы были
следствия механического переноса в технику переменного тока
конструктивных схем машины постоянного тока.
Конструкция обмотки ротора, как выяснилось позднее, тоже
оказалась неудачной. Действительно, выполнение обмоток сосре-
доточенными (а не распределенными по всей окружности ротора)
при выступающих полюсах на статоре приводило к ухудшению
пусковых условий двигателя (зависимость пускового момента от
начального положения ротора), а то обстоятельство, что обмотки
Ротора имели сравнительно большое сопротивление, ухудшало ра-
бочие характеристики.
Неудачным оказался и выбор двухфазной системы токов из
всех возможных многофазных систем. Известно, что значитель-
ную долю стоимости установки для передачи электроэнергии со-
вляют затраты на линейные сооружения и в частности на
нейные провода. В связи с этим казалось очевидным, что чем
193
меньше принятое число фаз, тем меньшим будет число прово-
дов и тем, следовательно, экономичнее устройство электропе-
редачи. Двухфазная система требовала применения четырех
проводов, а удвоение числа проводов по сравнению с установ-
ками постоянного или однофазного переменного токов пред-
ставлялось нежелательным. Поэтому Тесла предлагал в
некоторых случаях применять в двухфазной системе трехпро-
водную линию, то есть делать один провод общим. В этом слу-
чае число проводов уменьшалось до трех. Однако расход
металла на провода при этом снижался меньше, чем можно
было ожидать, так как сечение общего провода должно быть
примерно в 1,5 раза (точнее, в VFраз) больше сечения каж-
дого из двух других проводов.
Встретившиеся экономические и технические трудности за-
держивали внедрение двухфазной системы в практику. Фирма
Вестингауз построила несколько станций по этой системе, из
которых наибольшей по масштабам была Ниагарская гидроэлект-
ростанция.
6.2. Трехфазная система и асинхронный двигатель
В то время как Тесла и его сотрудники пытались усовершенст-
вовать двухфазную систему, в Европе была разработана более со-
вершенная электрическая система — трехфазная. Изучение
документальных материалов показывает, что в 1887—1889 гг.
многофазные системы разрабатывались с большим или меньшим
успехом несколькими учеными и инженерами.
Например, в Америке Ч. Бредли, стремясь изготовить электри-
ческую машйну с лучшим использованием активных материалов,
конструировал двух- и трехфазные генераторы. Однако Бредли не
знал о явлении врашаюшегося магнитного поля и предполагал,
что потребители в многофазных системах должны включаться как
однофазные на каждую пару проводов.
Немецкий инженер Ф. Хазельвандер подошел к трехфазной си-
стеме токов с других исходных позиций. Зная, что коллектор у ге-
нератора и двигателя постоянного тока выполняет взаимообратные
функции, он решил его устранить, считая что достаточно те точки
обмоток якорей каждой из машин, от которых идут отпайки к пла-
194
стинам коллектора, соединить соответственно друг с другом. Это
удобно сделать у обращенных машин, якоря которых неподвиж-
ны, а полюсы вращаются. Тогда генератор будет связан с двигате-
лем числом проводов, равным числу коллекторных пластин.
Стремясь уменьшить число линейных проводов, Хазельвандер на-
шел- минимальный вариант — три провода. Однако он не сумел
увидеть всех возможностей новой системы и создать пригодные
для практики конструкции машин.
Наибольших успехов в развитии многофазных систем добил-
ся М. О. Доливо-Добровольский, который сумел придать своим
работам практический характер. Поэтому он по праву считает-
ся основоположником техники трехфазных систем.
Михаил Осипович Доливо-Добровольский (1862—1919 гг.)
i родился в пригороде Петербурга, в городе Гатчине, а закончил
1 реальное училище в Одессе, где его отец издавал местную газе-
ту «Правда». С 1878 г. он учился в Рижском политехническом
институте, но закончить обучение ему не удалось, так как за
участие в студенческих волнениях в год цареубийства (1881 г.)
он был отчислен. Завершил он образование в Германии, в Вы-
сшем техническом училище города Дармштадта, в котором
большое внимание уделялось практическим применениям элек-
; тричества.
В этих благоприятных условиях природное дарование, тру-
долюбие и изобретательский талант Доливо-Добровольского
J помогли ему быстро выдвинуться в число лучших студентов,
и в 1884 г. после успешного окончания училища он был остав-
лен в нем в должности ассистента. Руководство кафедры, вы-
соко оценившее его эрудицию, поручило ему преподавание
нового самостоятельного курса по практическому применению
Электрохимии.
Вскоре произошли события, оказавшиеся счастливыми для мо-
лодого преподавателя: на него обратил внимание энергичный
предприниматель Эмиль Ратенау, возглавивший только что отку-
пившуюся от эдисоновской компании и ставшую самостоятельной
фирму АЭГ (Всеобщая компания электричества). Русский инже-
нер занял должность шеф-электрика фирмы.
Осенью 1888 г. Доливо-Добровольский прочел доклад Феррари-
са о вращающемся магнитном поле и был крайне удивлен его вы-
195
вадом о практической непригодности индукционного электродвигателя.
Еще до этого Дативо-Добровольский заметил, что если замкнуть
накоротко обмотку якоря двигателя постоянного тока при его тор-
можении (т.е. в опыте динамического торможения), то возникает
большой тормозящий момент. «Я тотчас же сказал себе, — вспо
минал позднее Доливо-Добровольский, — что если сделать враща^
ющееся поле по методу Феррариса и поместить в него тако)
короткозамкнутый якорь малого сопротивления, то этот якор
скорее сам сгорит, чем будет вращаться с небольшим числом обо
ротов. Мысленно я прямо представил себе электродвигатель мно
гофазного тока с ничтожным скольжением».
Так Доливо-Добровольский пришел к выводу о нецелесообраз
ности изготовления обмотки ротора с таким большим сопротивле
нием, при котором ротор имел бы скольжение около 50 %. ]
стержнях обмотки малого сопротивления при небольшом скольже
нии возникнут токи, которые в достаточно сильном пате статор
создадут значительный врашаюший момент.
Усиленная деятельность в этом направлении в необычайш
короткий срок привела к разработке трехфазной электриче
ской системы и совершенной, в принципе не изменившейся д<
настоящего времени конструкции асинхронного электродви
гателя.
Первым важным шагом, который сделал Доливо-Добро
Вольский, было изобретение ротора с обмоткой в виде бе
личьей клетки.
Для уменьшения сопротивления обмотки ротора лучшш
конструктивным решением мог быть ротор в виде медного ци
линдра, как в двигателе Феррариса. Но медь является плохи!
. проводником для магнитного поля статора, и кпд такого двига-
теля был бы очень низким. Если же медный цилиндр заменить
стальным, то магнитный поток резко возрастает, но вместе с
тем электрическая проводимость у стали меньше, чем у меди.
Выход из этого противоречия состоял в том, чтобы выполнить
ротор в виде стального цилиндра (что уменьшало магнитное со-
противление ротора) и в просверленные по периферии последнего
каналы закладывать медные стержни (что уменьшает электриче-
ское сопротивление ротора).
196
На лобовых ча-
стях ротора эти
стержни должны
быть хорошо элек-
трически соедине-
ны друг с другом.
На рис. 6.5. пред-
ставлены черте-
жи из первого
патента Дол иво-
Добровольского в
области трехфаз-
ной системы. Этим
патентом Доли-
во-Добровольский
закрепил за собой
изобретение ротора
с беличьей клет-
кой, то есть той
конструкции рото-
ра асинхронного
двигателя, которая
принципиально оох-
е о
Рис. 6.5. Варианты роторов с обмоткой в виде беличьей
клетки (из патента М. О. Доливо-Добровольского)
.а — стальной цилиндр; е — медные стержни; Ъ — мед-
ные пластины или кольца
ранилась в том же
виде и до настоя-
щего времени.
Следующим
шагом Доливо-Добровольского явилась замена двухфазной систе-
мы трехфазной. Он совершенно справедливо отмечал, что при
увеличении чиста фаз улучшается распределение намагничиваю-
щей силы по окружности статора асинхронного двигателя и ис-
пользование' машины. Уже переход от двухфазной системы к
трехфазной дает значительный выигрыш в этом отношении. Даль-
нейшее увеличение чиста фаз нецелесообразно, так как оно при-
вело бы к значительному увеличению расхода меди на провода.
Вскоре выяснились и другие преимущества трехфазной системы.
Но каким образом проще всего получить трехфазную систему?
Уже был известен способ, при помощи которого обычную машину
197
Рис. 6.6. Схема одноякорного
преобразователя
1-1' — щетки со стороны постоянного
тока; 2-2' — щетки со стороны пере-
менного тока; 3 — коллектор; 4 — коль-
ца; 5 — обмотка якоря
постоянного тока можно было
превратить в генератор пере-
менного тока. П. Н. Яблочков и
3. Грамм еще в конце 70-х годов
секционировали кольцевой
якорь генератора и получали от
каждой секции переменный ток.
В середине 80-х годов были по-
строены первые вращающиеся
одноякорные преобразователи.
Эти преобразователи очень про-
сто получались из обычной ма-
шины постоянного тока: от двух
диаметрально противоположных
точек обмотки якоря двухполюсной машины делались отпайки,
которые выводились на контактные кольца. В этом случае к кол-
лектору машины подводился постоянный ток, а с колец снимался пере-
менный ток (рис. 6.6). Если в том же якоре машины постоянного тока
сделать отпайки от четырех равноотстающих точек, то на четырех
кольцах легко получить двухфазную систему тока (рис. 6.7 а).
Тесла построил синхронный генератор, в котором имелись три не-
зависимые катушки, расположенные под углом 60° друг к другу. Такой
генератор давал трехфазную систему токов, но требовал для переда-
чи энергии шесть проводов, так как в этом случае получалось несвязан-
ная трехфазная цепь с токами, сдвинутыми друг от друга по фазе на 60е.
198
Доливо-Доброватьский в результате исследования различных схем
обмоток сделал ответвления от трех равноотстоящих точек якоря ма-
шин постоянного тока. Таким образом, были получены такт с разно-
стью фаз 120 (рис. 6.7 б). Сохранив в этой машине коллектор, можно
было использовать ее в качестве одноякорного преобразователя.
Таким путем была найдена связанная трехфазная система, ко-
торая отличается той особенностью, что она требует для передачи
и распределения электроэнергии только три провода. В двухфаз-
ной системе Тесла также имелась возможность обойтись тремя
проводами, однако достоинства симметричной связанной трехфаз-
ной цепи подкреплялись другими преимуществами как двигате-
лей, так и вообще трехфазной системы. Последняя является
симметричной, уравновешанной и экономичной. На тртт провода в
трехфазной системе для передачи одинаковой мощности требова-
лось затратить металла на 25 % меньше, чем на два провода в од-
нофазной. Эта очевидная экономия металла была одним из
главных аргументов в пользу трехфазной системы.
Дальнейшее увеличение числа фаз привело бы к некоторому
улучшению использования электрических машин, но вызвало бы
соответствующее увеличение числа линейных проводников. Та-
ким образом, трехфазная система электрических токов является
оптимальной многофазной системой.
Системе трех «сопряженных» токов Доливо-Добровольский дал
специальное наименование «Drehstroni», что в переводе на рус-
ский язык означает «вращающий ток». Указанный термин, хоро-
шо характеризующий способность образовывать врашаюшееся
магнитное поле, до настоящего времени сохранился в немецкой
литературе.
Весной 1889 г. был построен первый трехфазный асинхронный
двигатель мощностью около 100 Вт (рис. 6.8). Этот двигатель пи-
тался током рт трехфазного одноякорного преобразователя и при
испытаниях показал вполне удовлетворительные результаты.
Поражает конструктивная законченность первых асинхронных
Электродвигателей Доливо-Добровольского. Стержни «беличьей
клетки» он предлагает делать неизолированными, сердечник рото-
ра — массивным или шихтованным, стержни по торцам он соеди-
нил короткозамыкающими кольцами, для статора впервые ввел
полузакрытые пазы. Вот как описывал изобретатель впечатление
199
Рис. 6.8. Первый трехфазный асинхронный двигатель
М. О. Долнво-Добровольского (в собранном и разобранном виде>
от первого двигателя: «Уже при первом включении выявилось
ошеломляющее для представителей того времени действие.
Электродвигатель, ротор которого имел диаметр около 75 мм и
длину также около 75 мм и не обладал никакими особыми присое-
динениями к сети, мгновенно стал вращаться на полное число обо-
ротов и был совершенно бесшумным. Попытка остановить его!
торможением за конец вала от руки блестяще провалилась, и
только при особой ловкости было возможно воспрепятствовать тач
ким способом его запуску при включении... Если принять во вни-1
мание малые размеры моторчика, это представлялось чудом для
всех приглашенных свидетелей». |
Вслед за первым одноякорным преобразователем был создан!
второй, более мощный, а затем началось изготовление трехфаз-
ных синхронных генераторов. Уже в первых генераторах приме-
нялись два основных способа соединения обмоток: в звезду и
треугольник. В дальнейшем Доливо-Добровольскому удалое» улуч-
шить использование статора с помощью широко применяемого в на-
стоящее время метода, заключающегося в том, что обмотку делают
разрезной и противолежащие катушки соединяют встречно.
Важным достижением Доли во-Добровольского явилось также
то, что он отказался от выполнения двигателя с выступающими
полюсами и сделал обмотку статора распределенной по всей его
окружности, благодаря чему значительно уменьшилось магнитное
рассеяние по сравнению с двигателями Тесла. Так трехфазный
асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором получил со-
временные конструктивные формы. Вскоре Доливо-Доброволи
ским было внесено еще одно усовершенствование, кольцевая
200 I
обмотка статора была заменена барабанной. После этого асинх-
ронный двигатель с короткозамкнутым ротором приобрел совре-
менный вид.
Новое затруднение в развитии трехфазной техники возникло в
связи с ограниченной мощностью первых источников энергии, как
отдельных генераторов, так и электростанций в целом. Дело в
том, что пусковой ток асинхронного двигателя с короткозамкну-
тым ротором может в несколько раз превышать номинальный, и
поэтому включение двигателей мощностью свыше 2—3 кВт уже
отражалось на работе других потребителей.
М. О. Доливо-Добровольский в 1890 г. изготовил двигатель с
короткозамкнутым ротором мощностью примерно 3,7 кВт и при
первом же испытании установил значительное ухудшение пуско-
рис. 6.9. Трехфазный асинх-
ронный двигатель М. О. Доли-
•о-Добровольского с фазным
втором и пусковым реостатом
вых свойств. Причина этого заключа-
лась в том, что короткозамкнутый ро-
тор был «стишком замкнут накоротко».
При увеличении сопротивления обмотки
ротора пусковые условия заметно улуч-
шались, но рабочие характеристики дви-
гателя ухудшались. Анализ возникших
затруднений привел к созданию так на-
зываемого фазного ротора, то есть тако-
го, обмотка которого делается, подобно
обмотке статора, трехфазной и концы
которой соединяются с тремя кольцами,
насаженными на вал. С помощью щеток
эти кольца соединяются с пусковым ре-
остатом. Таким образом, в момент пуска
включается в цепь ротора большое со-
противление, которое выводится по мере
нарастания частоты вращения. На рис.
6.9, взятом из доклада Доливо-Добро-
•ольского на первом Всероссийском электротехническом съезде
J1899 г.), показана принципиальная конструкция двигателя.
Но фазный ротор требовал устройства на валу контактных ко-
1еЧ> а это рассматривалось многими электротехниками как нело-
вок по сравнению с короткозамкнутым ротором, не имевшим
^ких трущихся контактов. Однако с этим недостатком при-
201
шлось мяр-н'ъся, и, несмотря на то, по впоследствии были разра-
ботаны различные меры по улучшению условий пуска крупных
асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, двигатели
с контактными кольцами применяются в промышленности до на-
стоящего времени.
В статьях и докладах Доливо-Добровольского содержится много
рассуждений о недопустимости сосредоточенных обмоток в машинах
переменного тока, о пульсациях намагничивающей силы, о повы-
шенном магнитном рассеянии, ухудшающем условия пуска. На-
лицо формирование элементов теории асинхронных машин.
Конструктивные же формы созданных Доливо-Добровольским
двигателей были настолько совершенны, что не претерпели сколь-
ко-нибудь существенных изменений за 100 лет своего существования.
В 1917 г. Доливо-Добровольский написал статью «Из истории
трехфазного тока», где в частности отмечал: «Трудно понять, по-
чему Тесла с упорством отстаивал несопряженный двухфазный
ток, в то время как мы здесь с самого начала взялись за трехфаз-
ную систему. Мне, впрочем, кажется, что немногие люди верили в
лучшие свойства электродвигателей при трех фазах вместо двух.
Многие заинтересовались трехфазной системой лишь после того,
как стало ясно, что она приводит к уменьшению сечения прово-
дов». А в другой статье он указывал, что «...бесспорным останется
технический приоритет того изобретателя или фирмы, которые
сумели сделать свое открытие жизнеспособным и на основании своей
идеи и опыта создать применимый технический агрегат. Заслуга
практической разработки и технического воплощения системы мно-
гофазного тока безусловно принадлежит АЭГ, что не должно сни-
жать научной ценности открытий проф. Феррариса и Теста».
Трехфазная система не получила бы в первые же годы своего
существования быстрого распространения, если бы она не решила
проблемы передачи энергии иа большие расстояния. Но электро-
передача выгодна при высоком напряжении, которое в случае пе-
ременного тока получается при помощи трансформатора.
Трехфазная система не представляла принципиальных затрудне-
ний для трансформирования энергии, но требовала трех однофаз-
ных трансформаторов вместо одного при однофазной системе.
Такое увеличение числа довольно дорогих аппаратов ие могло не
вызвать стремления найти более удовлетворительное решение.
202
В 1889 г. Доливо-ДобровольСкнй изобрел трехфазный транс-
форматор. Вначале это был трансформаторе радиальным располо-
жением сердечников (рис. 6.10). Его конструкция еще напоминает
машину с выступающими полюсами, в которой устранен воздуш-
ный зазор, а обмотки ротора перенесены на стержни. Затем было
предложено несколько конструкций так называемых «призмати-
ческих» трансформаторов, в которых удалось получить более ком-
пактную форму магнитопровода (рис. 6.10 б, в, г). Наконец, в
октябре 1891 г. была сделана патентная заявка на трехфазиый
трансформатор с параллельными стержнями, расположенными в
одной плоскости (рис. 6.10 б). В принципе эта конструкция сохра-
нилась по настоящее время.,
в г &. '
Рис. 6.10. Трансформаторы М. О. Доливо-Добровольского
а — с радиальным расположением сердечников; 5-г — "призматические”;
д — с параллельным расположением стержней в одной плоскости
Целям электропередачи отвечали также работы, связанные с
изучением схем трехфазной цепи. В 80—90-х годах прошлого века
значительное место в электропотреблении занимала осветитель-
ная нагрузка, которая часто вносила существенную иесимметрию
8 систему. Кроме того, иногда было желательно иметь в своем рас-
поряжении не одно, а два напряжения: одно — для осветительной
Грузки, другое, повышенное, — для силовой.
203
Чтобы можно было регулировать напряжение в отдельных фа,
зах и располагать двумя напряжениями в системе (фазным и ли,
нейным), Доливо-Добровольский разработал в 1890 г.
четырехпроводную схему трехфазной цепи, или, иначе, систему с
нейтральным проводом. Одновременно он указал, что вместо
нейтрального, или нулевого, провода можно использовать зем-
лю. Доливо-Добровольский обосновал свои предложения дока-
зательством того, что четырехпроводная трехфазная система
допускает определенную несимметршо нагрузки; при этом напря-
жение на зажимах каждой фазы будет оставаться неизменным.
Для регулирования напряжения в отдельных фазах четырехпро-
водной системы Доливо-Добровольский предложил использовать
изобретенный им трехфазный автотрансформатор.
Таким образом, в течение 2—3-х лет были конструктивно раз-
работаны все основные элементы трехфазной системы электро-
снабжения: трансформатор, трехпроводная и четырехпроводная
линии передачи и асинхронный двигатель в двух его основных мо-
дификациях (с фазным и короткозамкнутым ротором). Из всех
возможных конструкций многофазных синхронных генераторов,
принцип построения которых был уже задолго до того известен,
получили широкое практическое применение только трехфазные
машины. Так зародилась и получила свое начальное развитие
трехфазная система электрического тока.
Изучение истории техники трехфазных цепей показывает,
что решающую роль в ее зарождении и развитии сыграли труды
М. О. Доливо-Добровольского. Он ие только разработал основ-
ные элементы трехфазной системы, но и сделал ряд важнейших
изобретений в области техники постоянного тока, в электроиз-
мерительной технике; ему принадлежат также некоторые дру*
гие работы. Несомненно, столь быстрый и полный успех трудов
М. О. Доливо-Добровольского во многом определяется тем обстоя-
тельством, что они отвечали основным потребностям практики.
Действительно, Доливо-Добровольский начал свою инженерную и
научную деятельность в тот период, когда развивавшиеся произ-
водительные силы общества ставили перед электротехникой все
новые и более ответственные задачи. Основное направление работ
Доливо-Добровольского совпало с главным направлением в разви-
тии электроэнергетики. Кроме того, нельзя упускать из виду, что
204
Дата^-Доб^згольский работал в условиях наиболее развитой в то
время германской электротехнической промышленности и, явля-
ясь одним из технических руководителей крупнейшей электро-
технической фирмы, располагал большими возможностями для
экспериментального исследования и практической реализации
своих изобретений. В 1914 г., когда разразилась Первая мировая
война, Доливо-Добровольский, как русский подданный, был вы-
нужден покинуть Германию и жил в Швейцарии. Здоровье его было
серьезно подорвано, чувство личной неустроенности, оторванность
от Родины вызвали обострение сердечной болезни, и в 1919 г. в
Гейдельберге Михаил Осипович скончался.
6.3, Первая трехфазная линия электропередачи решает
многолетний спор: постоянный или переменный ток?
Годом рождения электрификации вполне можно считать
1891 г., когда состоялось генеральное испытание трехфазной
Системы на Международной электротехнической выставке во
Франкфурте-на-Майне.
Поводом к организации этой выставки явились затруднения
обербургомистра Франкфурта в выборе рода тока для центральной
электростанции города. Вопрос «постоянный или переменный
ток?» являлся предметом научных дискуссий в течение 80-х годов
прошлого столетия. Авторитетная международная комиссия, со-
зданная по просьбе обербургомистра, тоже не пришла к соглаше-
нию и не смогла дать определенных рекомендаций. Поэтому было
решено организовать международную электротехническую вы-
ставку и дать возможность всем желающим лицам и фирмам про-
демонстрировать свои предложения и технические возможности.
Была организована международная испытательная комиссия под
пред елательством немецкого ученого Германа Гельмгольца. В
число членов комиссии входил русский инженер Р. Э. Классон.
Предполагалось, что комиссия проведет испытания всех предло-
женных систем и даст ответ на вопрос о выборе рода тока и перс-
пективной системы электроснабжения.
Организаторы Франкфуртской выставки по инициативе видно-
го немецкого электротехника О. фон Миллера предложили фирме
АЭГ, в которой в то время работал Доливо-Добровольский, пере-
205
дать посредством электричества энергию водопада на р. Неккар
(близ местечка Лауфен) на территорию выставки во Франкфурт.
Расстояние между этими двумя пунктами составляло 170 км. В
Лауфене в распоряжение строителен передачи выделялась турби-
на, дававшая полезную мощность около 300 л.с.
До этого времени дальность электропередачи, не считая не-
скольких опытных установок, не превышала 15 км, и некоторые
компетентные специалисты полагали, что кпд установки может
оказаться ниже 50 %.
Правление фирмы АЭГ согласилось осуществить электропе-
редачу, и Доливо-Добровольскому предстояло в течение года (!)
спроектировать и построить асинхронный двигатель мощно-
стью около 75 кВт и трехфазныс трансформаторы мощностью
100—150 кВ А. Изготовление генератора было поручено главно-
му инженеру швейцарского завода «Эрликон» Ч. Броуну, который
сотрудничал с Доливо-Добровольским в области конструирования
многофазных машин. Срок был чрезвычайно коротким, а задачи —
весьма ответственными: во-первых, новая система тока должна
была подвергнуться испытанию перед лицом представителей всего
мира; во-вторых, масштабы испытания были невиданными. Дви-
гатели и трансформаторы на такие мощности еще никогда не стро-
ились. Об опытных конструкциях не могло быть и речи.
Доливо-Добровольский писал по поводу возникшей задачи: "Если
я не хотел навлечь на мой трехфазный ток несмываемого позора и
подвергнуть его недоверию, которое вряд ли удалось бы потом бы-
стро рассеять, я обязан был принять на себя эту задачу и разре-
шить ее. В противном случае опыты Лауфен — Франкфурт и
многое, что должно было затем развиваться на их основе, пошли
бы по пути применения однофазного тока".
В августе 1891 г. на выставке впервые зажглись 1000 ламп нака-
ливания, питаемых током от Лауфенской гидростанции; 12 сентября
того же года двигатель Доливо-Добровольского привел в действие де-
коративный водопад. Налицо была своеобразная энергетическая
цепь, небольшой искусственный водопад приводился в действие
энергией естественного водопада, удаленного от первого на 170 км.
Что же представляла собой эта первая трехфазная линия?
На гидроэлектростанции в Лауфене энергия, развиваемая тур-
биной, передавалась через коническую зубчатую передачу на вал
206
трехфгишйю генератора .230 кВ -А, 150 об/мин, 95 В,
соединение обмзтгчс в зхёзау). От генератора медные шины вели к
распределите.*,ъному щиту. На последнем были установлены ампер-
метры и вольтметры, свинцовые предохранители и максимально-ми-
нимальные токовые реле, воздействовавшие на цепь возбуждения.
В Лауфене и Франкфурте находилось по три трехфазных транс-
форматора с магнитопроводом призматической формы. В начале
испытаний на каждом конце линии было включено по одному
трансформатору мощностью 150 кВ А каждый, с коэффициента-
ми трансс}юрмации 154 в Лауфене и 116 во Франкфурте. Посколь-
ку приборов для измерения высокого напряжения не было,
вторичное напряжение определяли простым умножением первич-
ного на коэффициент трансформации. Трансформаторы были по-
гружены в баки, наполненные маслом.
Трехпроводная линия была выполнена на деревянных опорах со
средним пролетом около 60 м. Медный провод диаметром 4 мм кре-
пился на штыревых фарфорово-масляных изоляторах. Интересной
деталью линии являлась установка плавких предохранителей со сто-
роны высокого напряжения. В начале линии в разрыв каждого прово-
да был включен участок длиной 2,5 м, состоявший из двух медных
проволок диаметром 0,15 мм каждая. Для отключения линии во
Франкфурте посредством простого приспособления устраивалось
трехфазное короткое замыкание, плавкие вставки перегорали, тур-
бина начинала развивать большую скорость, и машинист, заметив
это, останавливал ее.
На выставочной пло-
щадке во Франкфурте был
установлен понижающий
трансформатор, ст кагоро -
го при напряжении 65 В
питались 1000 ламп на-
каливания, расположен-
ных на огромном щите.
Здесь же был установлен
трехфазный асинхронный
двигатель Доливо-Добро-
вольского (рис. 6.11),
приводивший в действие
Рис. 6.11. Асинхронный двигатель
Доливо-Добровольского, изготовленный для
выставки
207!
гидравлический насос мощностью около 100 л.с. Двигатель был вы-
полнен обращенным, то есть с питанием со стороны ротора. Одно-
временно с этим мощным двигателем Доливо-Добровольский
экспонировал асинхронный трехфазный двигатель мощностью^
около 100 Вт, с вентилятором на его валу и двигатель мощностью
1,5 кВт с сидящим на его валу генератором постоянного тока, по-
следний питал лампы накаливания.
Перед пуском электропередачи возникли неожиданные затруд-|
нения. Дело в том, что линия пересекала территории четырех гер-1
манских земель, и местные власти очень опасались высокого!
напряжения. Люди испытывали страх перед деревянными столба-
ми с табличками, на которых был изображен череп. Знающих людей
смущало то, что оборудование на электростанции было заземлено,
как заземлена была и нейтраль трансформатора. В связи с этим
очень опасались обрыва провода и падения его на землю. Выставоч-
ный комитет провел огромную разъяснительную работу, убеждая
местных правительственных чиновников в том, что все опасности
предусмотрены и линия надежно защищена. Доливо-Добровольско-
му пришлось провести опасный, но убедительный эксперимент. На
границе двух земель собрались представители местных властей.
Включили линию под напряжение и на глазах у присутствующих
искусственным путем оборвали провод, который с яркой вспыш-
кой упал на рельсы железной дороги. Доливо-Добровольский сей-
час же подошел и поднял провод голыми руками — настолько он
был уверен, что спроектированная им защита сработает надежно.
25 августа 1891 г. официальный пуск линии состоялся. Несмот-
ря на то, что линия, машины, трансформаторы, распределитель-
ные щиты изготовлялись в спешке, что некоторые детали по
Свидетельству Доливо-Добровольского придумывались в течение
часа, вся установка, включенная без предварительных испыта-
ний, сразу же стала работать вполне хорошо. Доливо-Доброволь-
ский, ставший знаменитым изобретателем, рассказывал, что
среди непосвященной публики существовало мнение, будто в этом
выставочном водопаде журчит «настоящая вода из Неккара», пе-
реданная во Франкфурт по проводам.
Испытания электропередачи, которые проводились Междуна-
родной комиссией, дали следующие результаты: минимальный
кпд электропередачи (отношение мощности на вторичных зажи-
208
мах трансформатора во Франкфурте к мощности на валу турбины
в Лауфене) — 68,5 %, максимальный кпд — 75,2 %; линейное на-
пряжение при испытаниях составляло около 15 кВ.
Характерен заключительный вывод комиссии: «...работа линии с
переменными токами напряжением от 7500 до 8500 В (фазное — авт.),
изолированной маслом, фарфором и воздухом, длиной больше ста
километров, протекала всегда равномерно, безопасно и без нару-
шений, как и работа с переменными токами напряжением в не-
сколько сотен вольт и при длине линии в несколько метров». Было
также проведено дополнительное испытание линии электропере-
дачи при более высоком напряжении — 25,1 кВ; максимальный
кпд составил 78,9 %.
Результаты испытаний электропередачи Лауфен — Франкфурт
не только продемонстрировали возможности электрической переда-
чи энергии, но и поставили точку в давнем споре. В борьбе «постоян-
ный — переменный ток» победила техника переменного тока. Как на
любопытный рецидив уходившей в историю борьбы идей, можно
указать на следующее свидетельство М. О. Доливо-Добровольского:
«В сентябре 1889 г. Эдисон посетил Берлин. При сделанном ему
предложении осмотреть новый электродвигатель переменного тока
он буквально замахал руками: «Нет, нет, переменный ток — это
вздор, не имеющий будущего. Я не только не хочу осматривать дви-
гатель переменного тока, но и знать о нем». И он не пришел!
Эта же электропередача убедительно показала, что среди сис-
тем переменного тока преимущества находятся на стороне трех-
фазных систем. Международная электротехническая выставка и
приуроченный к ней Международный конгресс электротехников
(7—12 сентября 1981 г., Франкфурт-на-Майне) открыли этой сис-
теме электрических токов широкий путь в промышленность. На-
чиналась эпоха электрификации.
6.4. Возникновение районных электростанций и
энергетических систем х
Создание трехфазной системы явилось важнейшим этапом в
развитии техники. Эта система вывела проблему передачи элект-
роэнергии, а вместе с ней и электротехнику из кризисного состоя-
ния, которое сложилось в 80-х годах прошлого века. Произ води-
209
тельные силы получили новую техническую базу, во многом спо^М
собствовавшую углублению и расширению процесса концснтра^И
ции и централизации производства. Электрическая энергиями
которая могла теперь передаваться в удаленные промышленныЯ|
районы, вызвала коренную реконструкцию энергохозяйства про- .
мышленных предприятий и начала внедряться в технологию. Про-
цесс электрификации постепенно захватывал все новые области
производственной деятельности, революционизировал развитие <
производительных сил и нс мог не привести к глубоким социаль-
ным изменениям.
Первой в мире эксплуатировавшейся трехфазной электростан-
цией была Лауфенская. После закрытия Франкфуртской выставки
электростанция в Лауфене перешла в собственность города Хейль-
броннз, расположенного в 12 км от Лауфена. Эта установка была
пущена в эксплуатацию в начале 1892 г. На гидростанции были
установлены два одинаковых трехфазных синхронных генератора.
Напряжение (фазное) при помощи трансформаторов повышалось
с 50 до 5000 В. Электроэнергия использовалась для питания всей
городской осветительной сети, а также ряда небольших заводов и
мастерских. Понижающие трансформаторы устанавливались не- <
посредственно у потребителей.
В том же 1892 г. была сдана в эксплуатацию линия Бюлах-Эр-
ликон (Швейцария). Машины для электростанции были спроек-
тированы еще во время подготовки Франкфуртской выставки
швейцарской фирмой «Эрликон». У водопада в Бюлахе была по-
строена гидроэлектростанция с тремя трехфазными генераторами
мощностью 150 кВт каждый. Электроэнергия передавалась на рас-
стояние 23 км для электроснабжения завода. Вслед за этими пер-
выми установками началось довольно быстрое строительство ряда
электростанций, причем наибольшее их число было в Германии.
Известные трудности в развитии электрификации на базе трех-
фазных систем возникали в связи с тем, что уже раньше в городах
были построены станции постоянного или однофазного токов, а
иногда и двухфазные. Владельцы и акционеры этих станций и
электрических сетей всячески препятствовали внедрению трех-
фазной системы. Некоторым выходом явилось сочетание трехфаз-
ной электропередачи с распределением энергии на постоянном
токе. Например, в 1893 г. в Боккенгейме (пригород Франкфурта)
была сооружена электростанция с двумя трехфазнымн генерато-
рами (по 150 кВт). Напряжение при помощи трансформаторов по-
вышалось с 80 до 700 В, и энергия передавалась на подстанцию,
находившуюся в центре промышленного района и удаленную от
электростанции на 1,2 км. Большая часть энергии на подстанции
преобразовывалась двнгатель-генераторной установкой в энергию
постоянного тока, которая и распределялась для электрического
освещения. Аналогичное решение было принято несколько позд-
нее при строительстве электростанции в северной части Берлина.
Первая трехфазная установка в Америке была сооружена в
конце 1893 г. в Калифорнии. Гидроэлектростанция располагала
двумя генераторами мощностью по 250 кВт. Or электростанции
были проведены две линии генерагорпого напряжения (2500 В).
Первая из них длиной 12 км поставляла энергию для осветитель-
ных целей, а вторая длиной 7,5 км предназначалась для питания
трехфазного асинхронного двигателя мощностью 150 кВт.
Темпы внедрения трехфазной системы н Америке вначале были
заметно ниже, чем в Европе. Это объясняется тем, что одна из
крупнейших американских фирм — компания «. Вестингауз» — на-
стойчиво пыталась развернуть работы по сооружению электро-
станций и электрических сетей по системе Тесла. Высшим
достижением двухфазной системы считалась грандиозная по тому
времени электростанция на Ниагарском водопаде, пущенная в
эксплуатацию в 1896 г.
В последней трети прошлого пека стали разрабатываться проек-
ты электрической передачи энергии Ниагарских водопадов. В 1889 г.
была образована компания, которая приобрела право использова-
ния мощности 450 000 л.с. и приступила к подготовке строитель-
ства гидроэлектростанции. Совещание крупных инженеров и
ученых, созванное для обсуждения вариантов проектов будущей
станции, согласилось с предложением применить двухфазную сис-
тему Тесла.
Фирме «Вестингауз Электрик» были заказаны три двухфазных
генератора по 5000 л.с, каждый с напряжением 2400 В, а другой
фирме — гидротурбины по 5150 л.с. В короткий срок были выпол-
нены большие строительные работы, и в ноябре 1896 г. невидан-
ная до тех пор по размерам и мощности электростанция была
открыта.
• ' 211
Еще в период строительства s
Ниагарской ГЭС выяснилось, 1
что спрос на электроэнергию =
в этом районе будет очень ве- I
-лик и проектная мощность
станции окажется недостаточ- ;
ной. Поэтому -сразу же нача-. |
лось расширение станции, и к
началу текущего столетия чис-
ло агрегатов было увеличено до
восьми, а общая мощность воз-
росла до 40 000 л.с. На рис. 6.12
показан машинный зал Ниа-
гарской пироэлектростанции,
который и сегодня выглядит
вполне современным.
Пример Ниагарской элек’п-
ростанции показывает, что с
первых шагов крупного гид-
роэлектростроительства дешевая энергия ГЭС получила широкое
применение для электрохимических и электротермических про-
цессов (производство алюминия, карборунда, карбида кальция и
др.), то есть там, где электроэнергия играет основную технологи-
ческую роль.
Американская фирма «Дженерал Электрик», основной оппо-
нент фирмы «Вестингауз», теперь быстро переориентировалась и
опять же в противовес конкурирующей фирме развила бурную де-
ятельность по сооружению трехфазных установок. На этот раз
проиграла фирма «Вестингауз»: Ниагарская гидроэлектростанция
со временем была переоборудована в трехфазную.
Для переходного периода в любой области техники, и в области
электротехники в частности весьма характерны попытки комби-
нирования устаревающих и новых технических решений. Так, в
течение почти двух десятилетий, начиная с 1891 г., были сделаны
попытки «примирить» трехфазные системы с другими системами.
В эти годы существовали электростанции, на которых одновре-
менно работали генераторы постоянного, переменного однофазно-
го тока, двухфазные и трехфазные или любая их комбинация-
Напряжения и частоты были различными, потребители питались
яо раздельным линиям. Попытки спасти устаревающие системы, а
вместе с ними и освоенное заводами электрооборудование, приво-
дили к созданию комбинированных систем. Такими в частности
являлись так называемые моноциклические и полициклические
системы переменного токов, а также комбинированная система
постоянного и переменного токов.
Наиболее известной из комбинированных систем является схе-
ма, предложенная в 1894 г. Скоттом. В основе этой схемы лежит
так называемый «трансформатор Скотта», предназначенный для
взаимного преобразования токов двухфазной и трехфазной систем.
Однако судьба комбинированных систем, равно как и систем
электроснабжения постоянным и однофазным переменным тока-
ми, была предрешена, и уже с 1901—1905 гг. в основном сооружа-
ются трехфазные электростанции. Главной причиной успехов
новой системы был быстрый рост промышленного потребления
электроэнергии, тогда как построенные ранее станции удовлетво-
ряли главным образом нужды населения. Поэтому первые трех-
фазные электростанции представляли собой чаще всего станции
фабрично-заводского типа.
Перевозка по железным дорогам топлива, особенно его низко-
калорийных сортов, обходится дорого. Гораздо удобнее было стро-
ить крупные электростанции на месте добычи топлива, на
водопаде или на подходящей реке, а вырабатываемую энергию
транспортировать по линиям электропередачи в промышленные
районы и города. Трехфазная техника позволяла полностью ре-
шать эту проблему. Такие электростанции, расположенные непос-
редственно у источников энергии, стали называть районными.
Первые районные электростанции были построены во втопой
половине 90-х годов прошлого столетия, а в текущем столетии они
составили основу развития электроэнергетики. Первой районной
электростанцией считают Ниагарскую ГЭС.
Широкое развитие строительство районных электростанций
приобрело с начала XX в. Этому способствовал рост потребления
электроэнергии, связанный с внедрением в промышленность элек-
гРопривода, развитием электрического транспорта и расширением
масштабов электрического освещения городов.
212
213
Мощное i n районных электростанций быстро возрастали от не-
скольких десятков тысяч киловатт (до Перной мировой войны) до
100 000 к Вт (поел е нонн ы). .
На рубеже XIX и XX вв. были уже достаточно выяснены пре-
имущества и возможности трехфазной техники. Развитие город-1
ских сетей делало экономически нецелесообразным существование в!
одном юроде многих мелких станций, и они закрывались одна за!
другой. 'Электрические станции становились крупными промыш-1
ленными предприятиями по выработке электроэнергии; сети раз-1
ных станций объединялись, создавались первые энергетические]
системы. Под энергетической системой понимают совокупность!
электростанций, линий электропередачи, подстанций и тепловых!
сетей, связанных общностью режима и непрерывностью процесса]
производства и распределения электрической и тепловой энергии.]
Схема на рис. 6.13 дает представление об энергетической системе]
и примерном распределении энергии между электростанциями и|
видами потребления. |
Районная
ГГ>е:!Я1)б(1Я
и meamnunrrtui-V'
Рис. 6.13. Схематическое изображение энергосистемы в распределение
Энергии между электростанциями и потребителями
214
До появления районных электростанций электрических систем
практически не было. Электростанции работали изолированно,
каждая имела свою нагрузку. При изолированной работе станций
нс было большой необходимости устанавливать стандартные час-
тоты и напряжения, и последние принимались в зависимости от
конкретных условий данной станции. Последствия этого еще дол-
го сказывались в некоторых странах: например, в США и Японии
приходилось подключать на параллельную работу электростан-
ции, работавшие при различных частотах (50 и 60 Гц). Потреб-
ность объединить работу нескольких электростанций на общую
сеть стала проявляться уже в 90-х годах прошлого столетия. Было
выяснено, что при совместной работе уменьшается необходимый
резерв на каждой станции в отдельности, появляется возможность
ремонта оборудования без отключения основных потребителей,
создаются условия для выравнивания графика нагрузки базисных
станций, для более эффективного использования энергетических
ресурсов.
Включение на параллельную работу электростанций постоян-
ного тока не вызывало особых затруднений, если эти станции име-
ли одинаковые напряжения и были расположены недалеко одна от
другой. Но нередко нужно было объединять работу станций,.рас-
положенных в районах, удаленных друг от друга. Низкое напря-
жение, принятое на станциях постоянного тока, не позволяло’
осуществить непосредственное их соединение линией постоянного
тока. В таком случае приходилось прибегать к преобразованию
постоянного тока в переменный ток высокого напряжения. На
электростанциях устанавливались двигатель-гоператорные пре-
образователи, и станции связывались между собой линией пере-
менного тока.
Первое известное объединение двух трехфазных электростан-
ций было осуществлено в 1892 г. в Швейцарии, Две небольшие
электростанции — в Глэдфельдене (120 кВ • А) и Гохфельдене
(360 кВ • А) — соединялись двухкилометровой линией 5 кВ и пи-
тали распределительную сеть завода фирмы «Эрликон» по линии
передачи протяженностью 24 км при напряжении 13 кВ. Возбуж-
дение генераторов первой станции регулировалось со шита управ-
ления второй. ’
215
Однако в первое десятилетие после этого опыта объединение
электрических станций еще не получило заметного развития. По-
ложение изменилось только с возникновением крупных районных
электростанций, особенно после 1900 г. Так, в 1905 г. в США уже
работали три крупные для того времени энергетические системы:
Южно-Калифорнийская, в районе Сан-Франциско и в штате Юта.
Первая из этих систем (компания Эдисона) объединяла четыре
гидравлические станции и четыре тепловые с общей установлен-
ной мощностью около 12 тыс. кВт. Сеть этой системы напряжение
ем 2—30 кВ имела общую протяженность 960 км и охватывала 18
городов.
Русские электротехники сумели очень быстро оценить достоин-
ства трехфазной системы. Уже в январе 1892 г. на четвертой Пе-
тербургской электротехнической выставке проф. И. И. Боргман
демонстрировал трехфазные машины системы Доливо-Доброволы
ского. На этой выставке работали две трехфазные машины мощ-
ностью по 15 кВт.
В России первым предприятием с трехфазным электроснабже-
нием был Новороссийский элеватор. Он представлял собой гран-
диозное сооружение, и задача распределения энергии по его
этажам и различным зданиям могла быть решена наилучшим об-
разом только с помощью электричества. Строитель элеватора ин-
женер А. Н. Щенснович решил применить только что ставшую
известной трехфазную систему. Летом 1892 г. швейцарскому за-
воду фирмы «Броун-Бовери» были заказаны чертежи трехфазных
машин. В следующем 1893 г. элеватор был электрифицирован.
Интересно, что все машины по разработанным за границей проек-
там изготовлялись в собственных мастерских элеватора.
На электростанции, построенной рядом с элеватором, были ус-
тановлены четыре синхронных генератора мощностью 300 кВ А
каждый. Таким образом, общая мошность электростанции состав-
ляла 1200 кВ • А , то есть это была в то время самая мощная в мире
трехфазная электростанция. В помещениях элеватора работали
трехфазные двигатели мощностью 3,5—15 кВт, которые приводи-
ли в действие различные машины и механизмы. Часть энергии ис-
пользовалась для освещения.
Представляет интерес электрификация Охтенского порохового
завода в Петербурге. Ее организаторы — В. Н. Чиколев и Р. Э. Клас-
216
сон — решили осуществить передачу и распределение энергии с
помощью трехфазных цепей. На гидростанции работали дна гене-
ратора мощностью Г20 и 175 кВт. Оба генератора могли работать
независимо друг от друга, так как были построены отдельные ли-
нии, но они могли включаться также и на параллельную работу.
Наибольшая длина передачи составляла 2,66 км. Нагрузку состав-
ляли девять электродвигателей, из которых одни имел мощность
65 л.с., три — по 20 л.с. и пять — 10 л.с. Кроме того, дна двигателя
по 1,5 л.с. были установлены на гидростанции для привода щито-
вых затворов. Часть энергии для питания дуговых ламп преобра-
зовывалась в энергию постоянного тока.
Охтенская установка представляла собой в го время последнее
слово техники. Ее основной создатель, выдающийся русский ин-
женер Р. Э. Клиссон, дал прогрессивное инженерное решение за-
дачи централизованного электроснабжения промышленного
предприятия.
Первой в России электропередачей значительной протяженно-
сти была установка на Павловском прииске Ленского золотопро-
мышленного района в Сибири. Электростанция была построена в
1896 г. на реке Ныгра. Здесь были установлены трехфазный гене-
ратор 98 кВт, 600 об/мин, 140 В и трансформатор соответствую-
щей мощности, повышавший напряжение до 10 кВ.
Электроэнергия передавалась на прииск, удаленный от станции
на 21 км. На прииске для привода водоотливных устройств ис-
пользовались трехфазные асинхронные двигатели мощностью
6,5—25 л.с. (напряжение 260 В). Так постепенно расширялось в
России строительство трехфазных электростанций.
С 1897 г. началась электрификация крупных городов (Москва,
Петербург, Самара, Киев, Рига, Харьков и др.).
Первой районной электростанцией в России была небольшая
гидроэлектростанция «Белый уголь* (вблизи г. Ессентуки), по-
строенная в 1903 г. Эта электростанция по четырем воздушным
трехфазным линиям протяженностью 6—20 км питала города*ми-
нераловодской группы.
Единственной крупной районной электростанцией дореволю-
ционной России была станция «Электропередача» в г. Богородске
(ныне г. Ногинск), сооруженная на средства «Общества электри-
ческого освещения 1886 г.». Руководителем строительства станции
217
и ее сети был Роберт Эдуардович Классон (1868—1926 гг.). На
станции были установлены три турбогенератора по 5000 л.с., 1500
об/мин, 6600 В, 50 Гц. Напряжение повышалось при помощи
трансформаторной группы до 70 кВ. Линия передачи Богородск—
Москва имела протяженность более 70 км, и в конце ее, в Измай-
лове (Москва), была построена понижающая подстанция. В Моск-
ве, на территории завода Гужона (теперь «Серп и Молот»), линия
Измайловской подстанции была соединена с городской сетью не-
сколькими кабелями. Так, в Москве была создана первая, еще не-
совершенная электрическая система, включающая в себя две
электростанции (на Раушской набережной и в Богородске), сети
которых были соединены на их периферии.
Вторая из двух дореволюционных небольших электроэнергети-
ческих систем находилась на юге, где довольно разветвленная ка-
бельная сеть 20 кВ питалась от двух бакинских электростанций,
мощность которых к 1914 г. достигла 36,5 и 11 тыс. кВт.
Богородская электростанция (ныне ГРЭС имени Классона),
сданная в эксплуатацию в 1914 г., явилась для своего времени са-
мой крупной в мире электростанцией на торфе. Эта станция пита-
ла электроэнергией важнейшие предприятия Москвы в тяжелые
годы гражданской войны. После окончания войны крупные рай-
онные электрические станции стали основным звеном плана
электрификации России.
6.5. Электропривод, электротранспорт и электротехнология
Как известно, одними из наиболее распространенных в про-
мышленности являются механические процессы. Поэтому уже в
70—80-х годах прошлого столетия начинает проявляться стремле-
ние электрифицировать эти процессы, т.е. осуществить электри-
ческий привод различных исполнительных механизмов. Однако
до начала 90-х годов применение электропривода носило эпизоди-
ческий характер. Лишь в некоторых случаях, когда предприятия
располагали блок-станциями для электрического освещения,
электродвигатели применялись для привода вентиляторов, насо-
сов, подъемников и других механизмов.
Положение изменилось коренным образом в связи с изобрете-
нием асинхронного двигателя. В достаточно короткий срок этот
218
тип двигателя занял доминирующее положение в системе элект-
ропривода промышленных предприятий.
Одним из важнейших преимуществ асинхронного двигателя пе-
ред двигателями постоянного тока является отсутствие у него кол-
лектора. Чрезвычайная простота асинхронного двигателя,
особенно с короткозамкнутым ротором, его надежность и невысо-
кая стоимость позволяют установить в любом цехе сотни и тысячи
двигателей при небольшом обслуживающем персонале. Такие
двигатели могут выполняться в герметических корпусах, и, следо-
вательно, их можно использовать в тяжелых условиях: в атмосфе-
ре повышенной влажности, бензиновых паров и т.п. Асинхронные
двигатели без повреждений выдерживают значительные кратко-
временные перегрузки, тогда как в двигателях постоянного тока
любая перегрузка ускоряет износ коллектора.
Существенным недостатком асинхронного двигателя является
трудность регулирования частоты вращения. Поэтому до настоя-
щего времени еще очень велик удельный вес регулируемых машин
постоянного тока в системе промышленного электропривода. Не-
достатком асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором
также является ограничение их мощности условиями пуска. Это
обстоятельство в начальный период развития трехфазной техни-
ки, когда мощности электрических станций были невелики, за-
ставляло во многих случаях отказываться от применения
двигателей с короткозамкнутым ротором. Мощные двигатели с ко-
роткозамкнутым ротором применялись только в случаях, когда
они питались от отдельного генератора. Такие установки часто ус-
траивались, например, в водокачках.
Были сделаны некоторые попытки повысить мощность двигате-
лей с короткозамкнутым ротором. Так, в 1892 г. М. О. Доливо-До-
бровольский разработал метод автотрансформаторного пуска
асинхронных двигателей, то есть пуска при пониженном напряже-
нии, но при этом значительно (пропорционально квадрату
напряжения) уменьшался вращающий момент. В 1893 г. Доли-
не-Добровольский изобрел ротор с двойной беличьей клеткой. Эти
изобретения получили некоторое распространение. Однако наибо-
лее совершенный тип ротора с двойной беличьей клеткой, равно
как и ротор с глубоким пазом, получили весьма широкое развитие
только в 20-х годах текущего столетия. Основным типом асинх-
219
ронного двигателя большой мощности в 90-х годах прошлого и на-
чале текущего столетий оставался двигатель с фазным ротором.
Он был удобен еще и потому, что позволял в случае необходимо-
сти регулировать частоту вращения при помощи реостатов, хотя
при этом терялась значительная мощность.
В конце 90-х годов асинхронные электродвигатели уже выпу-
скались в значительном количестве и в большом диапазоне мощ-
ностей. Характеристики этих электродвигалей были вполне
удовлетворительными (например, асинхронные двигатели фирмы
АЭГмощностью5 л.с. имели кпд 85 %, a cos ф выше0.9).
Электрификация вытесняла из системы промышленного приво-
да паровую машину. Паровой двигатель производственных цехов
переходил в машинные залы электростанций, становясь первич-
ным двигателем, дающим энергию вторичным двигателям —
электрическим.
Практически развитие электропривода происходило двумя не-
равнозначными путями. Первый, наиболее типичный — замена
паровых двигателей, работавших на трансмиссию. Это был путь
создания крупногруппового электропривода, который не исклю-
чал тяжелых производственно-гигиенических условий, опреде-
лявшихся наличием трансмиссий. Второй путь — эпизодическое
применение одиночного привода. Последнее, как правило, имело
место только в случае крупных ответственных исполнительных
механизмов, предъявлявших специфические требования к при-
водному двигателю (привод кранов, центрифуг, прокатных станов
и прочее). Но уже в конце 90-х годов XIX в. практика наглядно
убеждала в преимуществах одиночного привода.
Последний вид привода освобождает промышленное предприя-
тие от трансмиссий и, главное, позволяет работать каждому от-
дельному исполнительному механизму при переменных
нагрузках и наивыгоднейших скоростях, а также позволяет уско-
рить пуск и изменение направления вращения. Одиночный привод
оказал существенное влияние и на конструкцию самого исполни-
тельного механизма. Сближение приводного двигателя с исполни-
тельным механизмом иногда получалось настолько тесным, что
конструктивно они представляли собой единое целое. Например, в
случае электропривода рольганга ролик, служащий для перемеще-
ния металла, является наружным ротором асинхронного двигателя.
220
В 70-х и особенно 80-х годах проводилось много работ по
применению электричества на транспорте. Так называемые
конножелезные дороги уже нс удовлетворяли возросших по-,
требностей городского населения, а применение парового город-
ского транспорта оказалось неприемлемым вследствие дыма и
копоти. Реальная возможность для проведения опытов по элект-
рификации транспорта появилась после изобретения генератора
Грамма.
Во всех случаях, когда электрическая энергия для питания тя-
гового двигателя генерировалась гальванической или аккумуля-
торной батареей, техническое решение,.шло в направлении
создания автономных устройств тяги, то есть таких, в которых как
генерирующая установка, так и электродвигатель были размеще-
ны на самом экипаже или судне. Когда же для выработки электро-
энергии стали применять генераторы Грамма, приводимые в
действие соответствующими паровыми агрегатами, система элект-
рической автономной тяги перестала распространяться. Проблема
электрической тяги могла найти свое решение лишь при условии
разработки приемов экономичной передачи электроэнергии от ме-
ста ее генерирования к движущемуся экипажу, вагону и т.п. Та-
ким образом, электрическая тяга могла развиваться в виде
неавтономной тяги с применением методов экономичной передачи
электроэнергии на расстояние.
Система автономной электрической тяги, однако, не была
полностью отвергнута; усовершенствование аккумуляторов по-
зволило устраивать систему автономной тяги, пользуясь смон-
тированной в вагоне или на судне аккумуляторной батареей,
током от которой питался электродвигатель. В начале XX в. полу-
чила развитие автономная «теплоэлектрическая тяга».
В 1879 г. В. Сименсом была построена первая небольшая элект-
рическая железная дорога на промышленной выставке (рис. 6.14).
Электрическая энергия по отдельному контактному рельсу пере-
давалась к двигателю небольшого вагона, напоминавшего собой
современную аккумуляторную тележку (электрокар); обратным
проводом служили рельсы, по которым двигался «локомотив». К /
последнему были прицеплены три тележки, на которых могли раз- 4х
меститься 18 пассажиров.
221
Рис. 6.14. Электрическая железная дорога В. Сименса (1879 г.)
Первые опыты неавтономной электрической тяги в России были
проведены Ф. А. Пироцким. Еще 1875—1876 гг. он использовал
для передачи электроэнергии обычный железнодорожный рельсо-
вый путь. Чтобы улучшить проводимость рельсового пути, он при-
менил стыковые электрические соединения, а для усиления изоля-
ции друг от друга двух ниток рельсов одной колеи (они были изо-
лированы через слой окалины и шпалы) — смазку подошвы рель-
сов асфальтом.
В августе 1880 г. Пироцкий осуществил пуск электрическогс
трамвая на опытной линии в районе Рождественского парка кон-
ной железной дороги в Петербурге. Питалась эта линия от неболь-
шой электростанции, построенной в парке, с генератором мощ-
ностью 4, а позднее 6 л.с. Под трамвайный электровагон был при-
способлен двухъярусный вагон конной железной дороги (вес с пас-
сажирами 6,5—7,0 т), к раме которого был подвешен электро-
двигатель, приводивший в движение ведущую ось через двухсту-
пенчатую зубчатую передачу. Схема, предложенная Пироцким.
некоторое время применялась для питания трамвайной сети и зг
рубежом. Она была достаточно проста и давала возможность обой-
тись без третьего рельса, затруднявшего уличное движение и ус-
ложнявшее все сооружение. Недостатком такой схемы было нали-
222
чие больших потерь электроэнергии от токов утечки из-за плохой
изоляции рельсов.
После изобретения способа питания от верхнего контактного
провода, сделанного в 1883 г. независимо Ван-Депулем (США) и
В. Сименсом (Германия), схема питания по двум рельсам переста-
ла применяться на электротранспорте, если не считать ее приме-
нения в настоящее время для автоблокировки. Заслугой
Пироцкого является также введение зубчатой передачи (вместо
ременной) от вала двигателя к колесам. В 1889 г. подобный же пе-
редаточный механизм, получивший название «трамвайного при-
вода», был применен Спрэгом в США.
С 1883 г. действовала линия трамвая в Портуме (Ирландия)
длиной 9,6 км; в 1884 г. были открыты для эксплуатации трам-
вайные линии в Брайтоне (Англия) длиной 1,5 км и во Франк-
фурте-на-Майне длиной 6,56 км. Первый трамвай в бывшей
России, киевский, был пущен для общего пользования в 1892 г.,
причем решение о строительстве трамвайной линии было приня-
то лишь после того, как убедились, что ни конная, ни паровая
тяга не способны преодолеть крутой подъем от Подола к Креща-
тику. Трамвайная линия соединила густонаселенную окраину
Киева с центром города.
На электрическом транспорте почти исключительное примене-
ние получил постоянный ток, обеспечивающий надежную работу
тяговых электродвигателей и удобное регулирование скорости.
Поэтому по мере развития техники переменного тока пришлось
сооружать преобразовательные подстанции.
Наиболее естественным и поэтому первым по времени преобра-
зователем переменного тока в постоянный была двигатель-генера-
торная установка. В 1885—1889 гг. создаются первые одноякорные
преобразователи переменных токов в постоянный, которые в каж-
дом случае представляли собой комбинацию синхронного электро-
двигателя и генератора постоянного тока с общим якорем.
Одноякорный преобразователь обладает рядом существенных пре-
имуществ перед двигатель-генераторной установкой: снижение на
30—40 % веса, значительная экономия места (до 50 %), высокий
кпд. Одноякорные преобразователи в 90-х годах прошлого и нача-
ле настоящего столетий получили очень широкое распростране-
ние, особенно в тяговых установках, однако позднее, уже в 20-х
223
годах, они начали вытесняться новым мощным средством преобра-
зовательной техники-понными, а в последнее время — тнрнстор-
н ы м и п реобразовател ям и.
Централизованное производство электроэнергии позволило в
широких масштабах приступить к электрификации и пригородно-
го транспорта; расширяется электрификация заводских и руднич-
ных железных дорог. Однако очень скоро стало ясно, что
трамвайный транспорт не может полностью удовлетворить по-
требность в быстром перемещении огромных масс люден в круп-
нейших промышленных центрах. Значительно увеличить
скоростб и удобство пассажирских перевозок удалось путем соору-
жения метрополитенов (надземных и подземных железных до-
рог). Слово «метрополитен» в буквальном переводе означает
«столичный», т.е. предназначенный для столиц.
В 1893 г. была предпринята постройка большой надземной элект-
рической железной дороги в Берлине, которая проектировалась
В. Сименсом еще в 1879 г. Рельсы этой железной дороги были уложе-
ны по эстакаде, протянувшейся вдоль широких улиц. Другая над-
.земная железная дорога, соединявшая ряд промышленных городов
от Эльберфелнда до Бармена (Германия), отличалась от берлинской
тем, что рельсы, по которым двигался вагон, находились над ним,
т.е. вагон «подвешивался» на двух или четырех колесах.
Более подходящей для внешнего вида улиц, увеличения пропу-
скной способности, уменьшения шума и прочее оказалась подзем-
ная дорога. Подземные дороги с паровой тягой строились еще до
90-х годов прошлого века (например, метрополитен в Лондоне был
построен в 1860—1863 гг., а переведен на электрическую тягу в
1890 г.). Одной из первых подземных железных дорог, которая
сразу строилась как электрическая, явился метрополитен в Буда-
пеште (1896 г.). Сооружение его велось открытым способом: вдоль
мулицы вырывали глубокую канаву, бетонировали ее дно и стенки,
а затем закрывали сверху железными балками и, соорудив заново
мостовую, восстанавливали прежний вид улицы.
Впоследствии для метрополитена стали, как правило, строить
туннели глубокого залегания под землей, хотя кое-где сохранился
еще и открытый метод сооружения.
Вслед за первыми опытами электрификации городского транс-
порта уже в 90-х годах прошлого века делались попытки переве-
224
сти на электротягу сначала пригородный, а затем и магистальные
железные дороги с большой плотностью движения. Перспектива
перевода на электротягу пригородных и магистральных железных
дорог была весьма заманчивой: электрический транспорт дает воз-
|можность равномерно распределять мощность двигателей по дли-
не поезда (так называемые мотор-вагонные секции), что позво-
ляло увеличить общий вес поездов, а также скорость, даже при ко-
ротких длинах перегонов.
Развитие автономного электротранспорта нашло свое продол-
жение в появлении теплоэлектрической тяги. Этот вид транспор-
та, на котором сохраняются все преимущества электрической тяги
при первичном тепловом двигателе (дизель), открывал чрезызвы-
чайно большие возможности. Тепловоз, например, является го-
раздо более экономичным и более автономным локомотивом, чем
паровоз. Впервые теплоэлектрическая тяга была осуществлена в
1903—1904 гг. для привода нефтеналивных барж «Вандал» и
«Сармат», построенных Сормовским заводом.
В дореволюционной России электрификация железных дорог не
получила развития, несмотря на многочисленные проекты и вы-
ступления передовых русских деятелей, предлагавших электри-
фицировать важнейшие участки железных дорог. Даже
начавшаяся электрификация дороги Петербург — Ораниенбаум
не была завершена из-за Первой мировой войны. Остались нереа-
и лизрванными несколько проектов сооружения электрифицирован-
ыйЦ. ных железных дорог на Кавказе и в' том числе электрификация
участка Закавказской железной дороги на Сурамском перевале
^^В (проект был осуществлен после Октябрьской революции). Тепло-
электрическая тяга на железных дорогах в дореволюционной Рос-
сии практически не получила никакого распространения.
Единственной областью применения электрической тяги в Рос-
^^В сии был трамвай. С 1892 по 1900 г. трамвайное движение было от-
^^В крыто в 12 городах России. Всего до революции в России
^^В действовали 36 трамвайных предприятий в 35 городах. Сравни-
^^В тельно быстрое для дореволюционной России распространение
BBS трамвая объясняется значительно ускорившимся в конце XIX ж
Качале вв. ростом городского населения, связанным с быстрым
Ц развитием капиталистического производства. Так, с 1840 по 1915 г.
В Юродское население в России увеличилось почти в пять раз,
Mil ш
1
Громадное значение в развитии производительных сил сыграли
новые отрасли промышленного производства, появление которых
обусловливалось применением электрической энергии в качестве
основного технологического фактора: промышленная электрохи-
мия и электротермия.
Промышленная электрохимия зародилась вместе с гальвано-
техническими мастерскими и предприятиями по производству
электролитическим путем кислорода и водорода.
Опыты по применению электрических дуговых печей для плав-
ки руд, металлов г, тругих веществ начались еще в конце 40-х го-
дов, но лишь в 1878 г. Сименсу удалось создать такую конст-
рукцию дуговой печи, что она могла использоваться в промышлен-
ном производстве.
Чтобы оценить значение электротермии в конце прошлого
века, достаточно напомнить, что алюминий благодаря электро-
технологии перестал; быть драгоценным металлом. Уже в 1898 г.
работало восемь заводов по производству алюминия, в том чис-
ле крупнейшие заводы у Ниагарского и Рейнского водопадов,
дававших дешевую энергию. Вслед за металлургией алюминия
начинает развиваться ряд других электротермических произ-
водств. В конце прошлого века был найден способ получения
карборунда. Тогда же был разработан метод получения карби-
да кальция, который стал потребляться в больших количест-
вах для выработки ацетилена. Позднее были изобретены и
усовершенствованы различные конструкции электрических пе-
чей для электрометаллургии производства высококачественных
сталей.
Важной областью применения электрической энергии яви-
лась электрическая сварка. Еще в конце 60-х годов были про-
ведены опыты использования электрического тока для сварки
металлов. На Парижской выставке 1867 г. демонстрировался
способ контактной сварки: электрический ток пропускался че-
рез два металлических предмета, плотно приложенных друг к
другу и имевших соприкосновение в нескольких точках. Одна-
ко этот метод не получил тогда практического распростране-
ния вследствие своего несовершенства.
Другим направлением в области электросварки явилось ис-
пользование тепла электрической дуги. Первое решение этой
226
проблемы при-
надлежит русско-
му изобретателю
Н. Н. Бенардосу,
положившему на-
чало технике дуго-
вой электросварки,
которая нашла за-
тем широкое при-
менение в техно-
логии. В 1886 г.
Бенардос офор-
мил свое изобре-
тение русской
привилегией, и
его метод дуговой
электросварки под
названием «элек-
трогефест» вошел в
практику. Один по-
люс источника энер-
гии, согласно ме-
тоду Бенардоса, сое-
динялся с угольным либо графитовым электродом, а другой —
со свариваемым металлом (рис. 6.15 а). В зону электрической
дуги вводился металлический стержень, который расплавлял-
ся, застывал и сваривал предметы. Бенардос ввел различные
усовершенствования в свой метод, в частности, он указал, что
вместо угольного электрода можно использовать другие провод-
Рис. 6.15. Схема дуговой электросварки
а — по способу Н. Н. Бенардоса; б — по способу
Н. Г. Славянова
ники, в том числе и металлы.
Иной способ сварки металлов был предложен Н. Г. Славяно-
вым, который получил в 1891 г. привилегии на так называемую
электрическую отливку металлов и электрическое уплотнение ме-
таллических отливок, в основу которых, как и в основу метода Бе-
нардоса, было положено явление электрической дуги.
Свариваемое металлическое изделие (рис 6.15 б) соединя-
лось с одним полюсом источника электрической энергии, а с
другим — металлическим стерженем, закрепленным в «пла-
227
вильнике». Электрическая дуга, появляющаяся между металличе-
ским стержнем и свариваемым предметом, расплавляет металл, и
поверхность обрабатываемого предмета соединяется (сливается) с
наливаемым металлом, образуя после застывания прочное соеди-
нение.
Н. Г. Славянов создал полуавтомат для металлического элект-
рода — «плавильник», которым обеспечивалось регулирование
длины дуги. Этот «плавильник» является предшественником авто-
матических сварочных установок. Славяновым была также пре-
дусмотрена шлаковая зашита расплавленного металла от
воздействия окружающей среды, им применялись присадки раз-
личных ферросплавов. «Электрогефест» и «электрическая отливка
металлов» получили широкое применение в России и в особенно-
сти на заводах Германии, Франции и Англии.
Отдельное направление в области электронагрева составило
применение токов высокой частоты для выделения тепла непос-
редственно в обрабатываемом материале. По мере роста произ-
водства электроэнергии и ее удешевления электротермичес-
кие процессы стали находить все большее применение на
практике.
Постепенно электрификация захватывала все новые отрасли
производства, проникала в сельское хозяйство, быт, медицину.
Этот процесс углублялся и расширялся, электрификация прини-
мала массовый характер.
«Героический период» электротехники завершился на рубеже
прошлого и текущего столетий. Все основные технические устрой-
ства, предназначенные для производства, распределения и ис-
пользования электроэнергии, были предложены и доведены до
промышленных масштабов применения пионерами электротехни-
ки в разных странах. Потребность в производстве больших коли-
честв электроэнергии для электрификации оказала влияние на
всю первичную энергетику: теплоэнергетику и гидроэнергети-
ку. Стал меняться весь облик городов и условия обитания лю-
дей. Начинался XX век, который сначала называли веком
электричества, затем — веком электроники и кибернетики, на-
конец — веком информатики и вычислительной техники, ио с
наибольшим основанием его можно называть веком электрифи-
кации.
ГЛАВА 7
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА — БАЗА ЭЛЕКТРОНИКИ
Когда стали известны опыты Стефана Грея (1729 г.), в которых
он производил электризацию человека, устроившегося на волося-
ных качелях, в одной из поэм появились такие строки:
Безумный Грей, что знал ты в самом деле
О свойствах силы той, неведомой доселе?
Разрешено ль тебе, безумец, рисковать
И человека с электричеством связать?
Человек «связан» с электричеством и по сей день. С каждым го-
дом, десятилетием, столетием эта связь, а точнее, знания челове-
ка об электричестве углублялись, а сфера применений
электрических и магнитных явлений непрерывно расширялась.
Пионерские работы XIX столетия указали многие пути проникно-
вения электротехнических устройств и технологий в промышлен-
ность, сельское хозяйство, медицину, быт, транспорт, связь. В XX
веке продолжилось триумфальное шествие электротехники во
всех указанных и других направлениях. Но со временем обнару-
жилась такая область, где прорыв оказался по своим последстви-
ям равнозначным новой научно-технической революции — это
электроника. По аналогии с электрификацией применение элект-
роники в народном хозяйстве стали называть электронизацией.
Зарождение электроники было исторически обусловлено и вы-
? звано потребностями в беспроводной связи.
Открытие электромагнитных волн и первые опыты с ними показа-
ли возможность их использования для беспроводной связи. Поэтому
решающее влияние на развитие электроники оказало изобретение
радио. Появление электронной лампы произвело целый переворот в
, технике радиосвязи, вызвало принципиальные изменения во многих
ее направлениях, изменило темпы и характер развитггя приемно-пе-
редаюшей техники. В течение последующих лет радиотехника за-
метно влияла на использование электронных приборов в энергетике
и технологии. И, между прочим, не случайно, электронная лампа
многие годы называлась «радиолампа».
Зарождение радиоэлектроники относится к концу прошлого
столетия. Открытие электромагнитных волн и их эксперименталь-
229
ное исследование (Д. К. Максвелл, Г. Герц) привели к созданию
первых генераторов и индикаторов электромагнитных волн, поло-
жили начало разработке более совершенных приборов и устройств
для возбуждения и приема этих волн.
Идея радио носилась в воздухе. Дж. Генри и Г. Гельмгольц еще
в 40-х годах прошлого века устанавливают колебательный харак-
тер искрового разряда. В 1850 г. Генри наблюдал индуктивные
взаимодействия двух катушек на расстоянии около 80 м. Макс-
велл в 1873 г. изложил сущность явления электромагнитных волн,
а Герц в 1888 г. осуществил их экспериментальное исследование.
Вибратор и резонатор Герца — это крупнейшие ступени в предысто-
рии радио. Герц работал с электромагнитными волнами в диапазо-
не 0,6—6 м. Его волны были названы «лучами Герца», а от
латинского «radius» — луч и вошло в жизнь слово «радио».
В 1891 г. французский физик Эдуард Бранли изобрел когерер —
стеклянную трубку с металлическими опилками, оказавшуюся
хорошим индикатором электромагнитных волн (впрочем, воздей-
ствие электромагнитных разрядов на изменение проводимости
«плохих» контактов обнаруживалось и до Бранли).
В 1889 г. Александр Степанович Попов (1859—1906 гг.) прочел
лекцию в Кронштадтском морском собрании на тему «Новейшие
исследования о соотношении между световыми и электрическими
явлениями». Закончил он эту лекцию словами: «Человеческий ор-
ганизм не имеет еще такого органа чувств, который замечал бы
электромагнитные волны в эфире; если бы изобрести такой при-
бор, который заменил бы нам электромагнитные чувства, то его
можно было бы применять к передаче сигналов на расстояние».
Насколько ясна была принципиальная постановка задачи, мож-
но судить по статье известного ученого Крукса, опубликованной в
феврале 1892 г. Там есть такие строки: «...электромагнитные
волны длиной в ярд или более легко проходят через такую среду
(стены, лондонский туман), которая для них прозрачна. Здесь от-
крывается изумительная возможность телеграфирования без про-
водов... При реализации некоторых разумных предпосылок все это
оказывается в пределах реального осуществления».
Изучив работы английского ученого О. Лоджа и французского
физика Бранли и исследовав электропроводные свойства порошков
рахтичных металлов, А. С. Попов создал более совершенный, безот-
230
казно действующий индикатор электромагнитных волн и предло-
жил оригинальный метод встряхивания когерера с помощью элек-
тромагнитного звонкового реле. Э. Бранли для восстановления
чувствительности когерера встряхивал его руками. О. Лодж пред-
ложил для этих целей использовать часовой механизм. Но как ав-
томатизировать этот процесс? Как «заставить» электромагнитную
волну, воздействующую на когерер, автоматически восстано-
вить его чувствительность? Эту проблему впервые успешно решил
А. С. Попов. Присоединив к когереру вертикальный провод, он
создал простейшую приемную антенну. Приемник А. С. Попова
(рис. 7.1) работал следующим образом: при воздействии электро-
магнитной волны на когерер 1 металлические опилки слипались,
сопротивление цепи уменьшалось, и якорь атектромагнитного реле 2
притягивался и замыкал контактом 3 цепь «батарея 5 — звон-
ковое реле 4», молоточек
звонка притягивался к элек-
тромагниту, звонок фикси-
ровал прием сигнала, при
этом электрическая цепь
размыкалась, и молоточек
звонка, возвращаясь в ис-
ходное положение, ударял
по когереру и восстанавли-
вал его чувствительность;
6 — антенна; 7 — индуктив-
ные катушки, повышавшие
устойчивость работы прием-
ника. Седьмого мая 1895 г.
Попов публично демонст-
рировал радиоприемник, а в
сентябре того же года, при-
соединив к схеме телеграфный аппарат Морзе, ввел запись при-
нимаемых сигналов на ленту. Радиоприемник Попова — одно
из наиболее совершенных электромагнитных автоматических ус-
тройств своего времени. Именно поэтому, а также вследствие боль-
шого влияния радиотехники на развитие лромышленьой
электроники, здесь кратко рассмотрены первые шаг» радиотех-
ники.
6
Рис. 7.1. Схема радиоприемника
А. С. Попова
235
В 1896 г. итальянцем Г. Маркони был получен патент на радио-
приемник. схема которого была идентична схеме А. С. Попова.
Поддерживаемый крупными английскими промышленниками,
Г. Маркони построил мощный радиопередатчик (около 15 кВт) и
сложную антенну и в 1901 г. передал радиосигналы через Атланти-
ческий океан.
В течение первого десятилетия нашего века создаются разные
конструкции радиопередающих устройств — искровые, дуговые,
электромашинные, совершенствуются детекторы (магнитные,
термические, электролитические).
Изобретение электронной лампы дало мошный импульс в раз-
витии радиотехники. Действие электронной лампы основано на
явлении термоэлектронной эмиссии, впервые наблюдавшемся
Эдисоном в 1883 г. и известном под названием «эффекта Эдисо-
на». Занимаясь усовершенствованием электрических ламп нака-
ливания, Эдисон обратил внимание на то, что стеклянная колба
4
Рис. 7.2. Схема опыта Эдисона
! — нить накал®; 2 — металлическая
пластинка; 3 — гальванометр; при под-
ключении пластинки к положительно-
му полюсу батареи стрелка галывано-
метреоткташась
лампы сравнительно быстро покры-
вается темным налетом, а угольная
нить перегорает. Стремясь увели-
чить срок службы нити и выяснить
причины потемнения колбы, Эди-
сон произвел ряд экспериментов и
обнаружил, что между угольной
нитью и пластинкой (рис. 7.2) про-
ходит электрический ток. Вначале
это явление не получило правиль-
ного объяснения, но после откры-
тия электрона было установлено,
что Эдисон наблюдал эмиссию
электронов.
Дальнейшее изучение процес-
сов, происходивших в электриче-
ской лампе, внутри которой
находился металлический элект-
род, соединенный с источником напряжения, показало, что подо-
бие® устройство способно пропускать ток только в одном направ-
лении, то есть служить выпрямителем. В г. английский
ученый Д; А. Флеминг разработал конструкцию двужэлектрод-
аза'
ной лампы — диода и предложил применять его в качестве детек-
тора в радиоприемных устройствах. Но диоды, будучи еще несо-
вершенными электровакуумными приборами, около 10 лет не
получали широкого применения.
Последующие многочисленные эксперименты с двухэлектрод-
ной лампой (Вайнтрауб, 1904 г.; Ли де Форест, 1907 г.) привели к
установлению важного факта — возможности управления пото-
ком электронов при помощи дополнительного металлического
электрода — сетки. Такая конструкция трехэлектродной лампы
получила название триода. Триод мог применяться не только для
детектирования, но и для усиления электрических колебаний.
Исследования электронных ламп привели к открытию возмож-
ности использования триода в качестве генератора незатухающих
электрических колебаний.
Над изобретением лампового генератора работали ученые
разных стран. Наибольшую известность получила схема лам-
пового генератора, предложенная в 1913 г. австрийским ученым
А. Мейснером. После 1916 г. когда были освоены более совер-
шенные методы откачки ламп, наступил период «технической
зрелости» электронной лампы, и она стала основным элементом
радиоэлектронных устройств.* Важную роль в усовершенство-
вании первых конструкций приемно-усилительных и генера-
торных схем имели наряду с работами многих зарубежных
ученых и инженеров труды наших соотечественников —
Н. Д. Папалекси иМ. А. Бонч-Бруевича. Так, М. А. Бонч-Бруевичем
в Нижегородской радиолаборатории, организованной в 1918 г.,
были созданы мощные генераторные лампы с водяным охлажде-
нием и разработана теория триода.
В изучении электровакуумных процессов и расширении обла-
сти применения электронных приборов большую роль сыграло
открытие явления фотоэлектрического эффекта (1887-1889 гг.,
Г. Герц, В. Галльвакс, А. Г. Столетов).
• И хотя применение электровакуумных приборов в последнее время *
сократилось, мы сочлн нужным кратко показать развитие «ламповой»
Электроники, так как она занимала господствующее положение почти половину
нашего века и электротехнические расчеты и схемы замещения, терминологии
сохранялись в основном и при внедрении полупроводниковых элементов.
233
Наиболее полное исследование явления внешнего фотоэф!
фекта принадлежит А. Г. Столетову, схема одного из опытов
Рис. 7.3. Схема опыта А. Г. Столетова
I — цинковая пластинка; 2 — гальванометр;
3 — металлическая сетка: 4 — электрическая
дуга
которого изображена на
рис. 7.3. Им было не только
доказано, что отрицательно
заряженный проводник
теряет заряд при освеще-
нии его лучами света, но ;
установлен закон про- »
порциональности между
фототоком и интенсивно-
стью световых лучей.
Важное значение для по-
следующего практического
применения фотоэффек-
та имело установление
Столетовым безынерци-
онности этого явления.
Им впервые были прове-
дены исследования фото-
эффекта в условиях вакуума. Созданная для этих целей установ-
ка явилась, по существу, первым вакуумным фотоэлементом.
Первые практически пригодные вакуумные элементы с катодами
из щелочных металлов были созданы в 1910 г. (Ю. Эльстер и
Г Гейгер).
Исследования свойств селена, приведшие к созданию фотоэле-
мента с внутренним фотоэффектом, начались еще в прошлом ве-
ке. 8 1873 г. англичанином В. Смитом было описано явление
уменьшения сопротивления селена под воздействием света, а в
1876 г. был создан (В. Адамсом и Р. Е. Деем) селеновый фотоэле-
мент с запирающим слоем. Исследованием ЭДС, возникающей
при освещении селена, занимался профессор Казанского универ-
ситета 8. А. Ульянин (1888 г.).
Явление внешнего фотоэффекта лежит в основе разнообразных
фотоэлектрических приборов, например, фотоэлементов с внеш-
ним фотоэффектом. Внутренний фотоэффект используется в фо-
торезисторах, фотодиодах, фототранзисторах.
234
Ионные приборы развивались по двум направлениям, соответст-
вующим типу их катодов: с жидким (ртутным) катодом (ртутные
вентили) и с накаливаемым катодом (газотроны и тиратроны) *.
В довоенный период развитие ионной техники в основном было
связано с преобразованием переменного тока в постоянный (об-
ратное преобразование — инвертирование — зародилось позднее
и применялось реже).
В нашей стране первыми появились стеклянные ртутные вентили,
изготовленные в 1921 г. Нижегородской радиолабораторией для вы-
прямительной высоковольтной (на 4 кВ) установки Свердловской,
радиостанции. К концу 20-х годов было налажено производство вы-
соковольтных (до 15 кВ) и низковольтных вентилей (250 В, 100 А)
Потребность в более мощных выпрямителях привела к созда-
нию металлических вентилей, первый из них, 16-анодный, был
построен в 1926 г. на заводе «Электросила» (ток 500 А, напряже-
ние 600 В). Расширение производства отечественных вентилей
позволило уже в начале 30-х годов резко сократить импорт ртут-
но-преобразовательных установок. .
связи с индустриализацией страны потребовалось создать
более мощные преобразователи, в первую очередь для электро-
транспорта, металлургических и металлообрабатывающих
предприятий. Конструкции вентилей совершенствуются, создают-
ся: анодный узел, препятствующий обратному зажиганию, а затем
управляющие сетки. В середине 30-х годов выпускаются мощные
вентили на токи до 5000 А (в частности, для Московского метропо-
литена) и первые инверторы, а в 1940 г. —- вентили с цилиндриче-
ским корпусом мощностью более 4000 кВт..
В 30-х годах были разработаны в США ртутные вентили нового ти-
па (игнитроны), более простые по конструкции, с полупроводниковым
зажигателем, обеспечивающим кратковременную дугу зажигания в
каждый период переменного напряжения. В нашей стране первые
стеклянные игнитроны с карборундовым зажигателем были разработа-
ны в 1934 г., а их серийное производство началось в 1936 г. (ток до 50 А,
напряжение — 120 В). Первые отечественные высоковольтный вен- ‘
тиль и стеклянный игнитрон изображены на рис. 7.4.
* История энергетической техники СССР. М:, Л:. Госэнергоиздат, 1957, главы
14.21
235
Рис 7.4. Первые отечественные вентили
а — высоковольтный вентиль (1921 г.); б — стек-
лянный игнитрон (1934 г.)
В связи с примене-
нием игнитронов на
тяговых подстанциях
потребовалось увели-
чить мощность этих
вентилей. Так, были
разработаны стеклян-
но-металлические и
цельнометаллические
игнитроны с водяным
охлаждением (1938—
1939 гг.). К этому вре-
мени относятся первые,
разработки мощных ду-
говых вентилей для дальних линий электропередач. Проводятся
исследования в области преобразовательных схем, в частности со-
здаются преобразователи частоты для регулирования скорости
асинхронных двигателей.
В 1943—1945 гг. начинается новый этап в развитии ионных
приборов — выпуск одноанодных металлических вентилей, пер-
вых вентильных комплектов. В конце 40-х годов разрабатывают-
ся серии более совершенных ртутных выпрямителей с сетками
управления и с автономной системой охлаждения, а в 50-х годах —
многоанодные отпаянные ртутные вентили и одноанодные метал-
лические игнитроны, а также ртутные вентили высокого напря-
жения для дальних линий передач постоянного тока. В эти же
годы был создан другой тип вентиля — экзитрон, в котором в от-
личие от игнитрона дуга зажигания создается лишь перед включе-
нием вентиля, а поддержание вспомогательного катодного пятна
осуществляется непрерывно существующей (дежурной) дугой воз-
буждения.
Еще недавно мощные ртутные вентили использовались в пре-
образовательных установках, общая мощность которых достигала
десятков миллионов киловатт, в частности, в дальних линиях
электропередач постоянного тока. Такие ртутные вентили выдер-
живали рабочее напряжение до 100 кВ при максимальных токах
до 900 А (рис. 7.5).
236
Но успехи современной
полупроводниковой техники
позволили создать мощные полу-
проводниковые тиристоры, кото-
рые имеют преимущества перед
ртутными вентилями.
Ионные приборы с накален-
ным катодом (газотроны и ти-
ратроны) начали изготовляться
в конце 20-х годов и в основном
использовались в качестве пре-
образователей на меньшие токи
и напряжения (по сравнению с
ртутными вентилями). Первый
патент на газотрон был заявлен
в 1905 г. в США, но более двух
десятилетий не удалось его реа-
лизовать из-за отсутствия теоре-
тических разработок в области
газоразрядных приборов. После
освоения газотронов одна из
американских фирм тщательно
Рис. 7.5. Внешний вид мощного вы-
соковольтного ртутного выпрямителя
скрывала секрет их изготовления даже внутри страны.
Впервые газотроны были применены в системах питания радио-
устройств. В начале 30-х годов разрабатываются конструкции
низковольтных газотронов, а в конце первой пятилетки создаются
опытные экземпляры тиратронов (например, опытный образец ти-
ратрона ТГ-162 выдерживал ток 40 А при обратном напряжении
15 кВ). В 1935—1937 гг. выпускаются серии тиратронов с ртутным
и газовым (аргон, неон) наполнением. Однако срок службы этих
приборов быд невелик, и поэтому велись интенсивные исследова-
ния с целью усовершенствования их конструкций.
Заслуживает внимания тот факт, что для первых опытных пере-
дач электроэнергии постоянным током в 1937 г. был построен (на за
воде «Светлана») тиратрон на ток 450 А и напряжение 20 кВ.
Дальнейшая электрификация страны потребовала создания га-
зотронов и тиратронов со стабильными характеристиками, боль-
шим сроком службы, способностью работать при повышенных
?37
частотах. Создаются новые типы экранированных тиратронов,
имевших более стабильные характеристики и меньшие габариты.
Осваиваются новые серии тиратронов с ртутным и газовым на-
полнением с предельным обратным напряжением до 3 кВ, а так-
же маломощных тиратронов для системы регулирования и
управления. Позднее стали применяться тиратроны с водородным
наполнением, отличающиеся значительно меньшим временем
деионизации.
Были разработаны ртутные тиратроны на токи до 85 А и напря-
жением анода до 20 кВ, применявшиеся в основном в низкочастот-
ных мощных высоковольтных выпрямителях и инвенторах. ,
Тиратроны, наполненные инертными газами, использовались в
схемах автоматического управления и регулирования в неуправ- 1
ляемых выпрямителях. а
По мере возрастания мощности электронных устройств все бо- |
лее начинали проявляться недостатки электронных ламп: большое 1
потребление энергии, значительные габариты и масса, небольшой |
срок службы. |
Эти недостатки электронных ламп вынуждали ученых и инже- ;1
неров разрабатывать электронные приборы с другими принципами 1
действия. Успешному решению этой проблемы способствовали ис- Я
следования в области полупроводников., ,1
В нашей стране начало созданию полупроводниковых приборов -I
было положено О. В. Лосевым, исследовавшим кристаллические j
детекторы и создавшему на их основе усилитель, известный под I
названием «кристадин». 1
Последние десятилетия ознаменовались широчайшим развита-
ем исследований и практических применений полупроводниковых Я
элементов. Как известно, полупроводники по своей удельной '
электрической проводимости занимают промежуточное положе-
ние между проводниками и изоляторами и отличаются тем, что их я
электропроводностью можно управлять посредством внешних
энергетических воздействий. Я
Свойства полупроводниковых элементов позволяют использо-
вать их в качестве вентилей, усилителей, генераторов и преобра- Я
эователей различных видов энергии в электрическую. Так, на Я
основе фотоэлектрических свойств полупроводников созданы фо- Я
горезисторы, фотодиоды, фототранзисторы. Использование их Ц
Я
термоэлектрических свойств дало возможность сконструировать
терморезистсры, термоэлементы, термоэлектрические гене^то-
ры, термохолодильники и термостабилизаторы. Способность по-
лупроводников реагировать на механическое воздействие явилась
основой для создания тензометров.
Первые исследования свойств полупроводников относятся еще
к прошлому веку. В конце второй половины XIX столетия были
построены первые термобатареи, фоторезисторы и кристалличе-
ские детекторы, но недостаточное понимание свойств полупровод-
ников не способствовало расширению области их применения.
Толчком к техническому применению полупроводников, в ча-
стности, полупроводниковых вентилей, явилось создание в
1926—1929 гт. (Л. Грондаль) меднозакисного вентиля. Основопо-
лагающая роль в разработке теории полупроводников и их техни-
ческом применении принадлежит отечественной школе физиков
под руководством академика А. Ф. Иоффе. Эти исследования нача-
ли проводиться в конце 20-х начале 30-х годов. Так, было введено
понятие дырочной проводимости, указано влияние 1точмесей и
температуры на механизм проводимости, было установлено повы-
шение электропроводности в сильных электрических полях, раз-
работана теория выпрямления. Важное практическое значение
имели исследования фотоэлектрических свойств полупроводников.
Первые меднозакисные выпрямители начали изготовляться в
1928—1930 гг. на электровакуумном заводе «Светлана», они при-
менялись в схемах автоблокировки на железнодорожном транс
порте. Разработка селеновых выпрямителей началась в 1938 г.
Существенные успеха в довоенные годы были достигнуты в обла-
сти изготовления фотоэлементов с запирающим слоем.
В 1940 г. во Всесоюзном электротехническом институте имени
В. И. Ленина, была разработана конструкция самовозбуждаюшегося
синхронного генератора (75 кВ - А) с возбуждением от Сеченовых вы-
прямителей, получившего широкое применение в послевоенные го-
ды. С 1943 г. по инициативе А. Ф. Иоффе начинается изготовление,
полупроводниковых термогенераторов. В то же время разрабатыза-
ются полупроводниковые терморезисторы, использующиеся;; схемах
тентового контроля и автоматики. В США налаживаете* производство
детекторов из германия и кремния, применявши кеч в рзлиолокацион-
?3«
ных установках (выпрямляющие свойства германия и кремния
были обнаружены в середине 20-х — начале 30-х годов).
В послевоенные годы в нашей стране значительно увеличилось
производство малогабаритных терморезисторов, фоторезисторов и
варисторов, которые получили широкое применение в автомати-
ческих устройствах управления и контроля. В 50-х годах были
внедрены полупроводниковые зажигатели из карбида кремния,
предназначенные для ртутных вентилей. Начинаются исследова-
ния полупроводниковых сплавов металлов — ZnSb, Mg2Sn,
Mg2Pfe, на основе которых были созданы термогенераторы, холо-
дильники и микрохолодильники.
В конце 40-х годов были разработаны полупроводниковые триоды
из германия, получившие название транзисторов (1948 г., Д. Бардин и.
У. Браттейн, США). Так было положено начало транзисторной
электроники. Эти триоды выгодно отличаются от электронных ламп
малыми габаритами, меньшим потреблением энергии, надежностью
действия. Например, средние размеры полупроводниковых диодов и
триодов составляют 0,015—0,3 см3, тогда как средний размер прием-
но-усилительной лампы 500—100 см3. Мощность, потребляемая
транзистором, составляет 0,00Г Вт и менее, а аналогичные лампы
только на накал расходуют до нескольких ватт.
Первые точечные транзисторы в нашей стране были изготовлены
в 1949 г. (А. Красилов, С. Мадоян). В 1951—1953 гг. отечественные
заводы начали массовое производство германиевых триодов и дио-
дов, а в последующие гады — мощных германиевых выпрямителей.
Но недостатки германиевых приборов, проявляющиеся при темпера-
турах свыше 50°С, заставили обратиться к кремниевым вентилям и
триодам, выдерживающим температуру до 120—200°С.
В последующие десятилетия все шире применяются ферриты —
ферромагнтаые материалы, получаемые в результате химического
соединения двухвалентных металлов (никель, марганец и окислы
железа) или окислов металлов (цинк, кадмий и окислы железа).
Ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса используются для из-
готовления ячеек памяти и логических схем. Значительные преиму-
щества отличают феррит-транзисторные ячейки, в которых соче-
таются свойства ферритовых сердечников с усилительными свойст-
вами транзисторов. Феррит-транзисторные ячейки применяются в
устройствах вычислительной техники и автоматики.
240
Применение полупроводниковых приборов в электронике, ав-
томатике, энергетике приобрело массовый характер. Все большее
использование они находят в системах преобразования тока (вы-
прямление, инвертирование) и схемах управления мощными
электроприводами. К ним относятся полупроводниковые диоды и
тиристоры. Их преимущества: высокий кпд, долговечность и на-
дежность, небольшие габариты, возможность регулирования тока
и напряжения в широких пределах.
Мощные полупроводниковые диоды изготавливаются преиму-
щественно из кремния и применяются в схемах выпрямления при
напряжениях 200—4000 В и токах до 5000 А,
В качестве рабочего элемента в мощных управляемых тиристо-
рах используют четырехслойные кристаллы кремния с чередую-
щимися р- и «-областями. Первые приборы такого типа были
описаны в 1956 г. Современные серийные тиристоры имеют воз-
душное или жидкостное охлаждение и рассчитаны на токи 2000 А
и напряжение включения около 4000 В. Их быстрое распростра-
нение обусловлено значительными преимуществами перед тират-
ронами и другими ионными приборами, а также и транзисторами.
Тиристоры не требуют подогрева, имеют малое падение прямого
напряжения.
Одним из характерных направлений развития полупроводнико-
вой электроники в последние десятилетия является интегральная
микроэлектроника.
Начало микроэлектронике было положено в Англии в середине
40-х годов созданием тонкопленочных деталей. Однако широкое
практическое применение микроминиатюризация получила толь-
ко после создания транзистора.
Микроминиатюризация (уменьшение массы, габаритов, по-
требляемой мощности) в сочетании с повышением надежности,
экономичности и возможности автоматизации производства изде-
лий явилась важнейшим шагом на пути совершенствования ра-
диоэлектронной аппаратуры.
Новейшим перспективным направлением микроминиатюриза-
ции явилось создание интегральных схем. Первые интегральные
схемы были созданы в 1958 г. в США. Такими схемами называют
микроминиатюрные функциональные узлы электронной аппара-
туры, в которых элементы и соединительные проводники изготав
24:
ливаются в едином технологическом цикле на поверхности или в
объеме полупроводникового материала и имеют общую гермети-
ческую оболочку.
Серийный промышленный выпуск интегральных схем был
начат в 1962 г. Переход к интегральным схемам позволяет ком-
плексно решить ряд важнейших проблем: наряду с микроминиатю-
ризацией, повышением экономичности и автоматизацией про-
изводства значительно повышаются эксплуатационные харак-
теристики аппаратуры.
В качестве примера зависимости объема изделия от технологии
его изготовления можно привести следующие цифры:
в изделиях широкого потребления с обычными вакуумными
приборами в 100 см3 объема содержится одна деталь;
при замене ламп полупроводниковыми элементами одна деталь
уже приходится всего лишь на 1 см3 объема;
применение микромодульчого монтажа позволяет разместить в
1 см3 10—20 деталей. Плотность монтажа в интегральных схемах со-
ставляет 300—1000 деталей в 1 см3. Нс пример, в наручных электрон-
но-цифровых часах в одном кристалле размещено 5000 транзисторов.
Одним из важнейших этапов в развитии микроэлектроники
явилось создание в 70-х годах больших интегральных схем (БИС).
Количество элементов в БИС достигает нескольких сотен тысяч
при минимальных размерах микросхемы 2—3 мкм. Быстродейст-
вие БИС несравнимо с обычными схемами, оно измеряется мил-
лиардными долями секунды.
На основе БИС оказалось возможным создание важнейших
элементов современных электронных устройств — микропроцес-
соров (рис. 7.6) и микроЭВМ. Микропроцессор — управляющее
цифровое устройство, выполненное по технологии больших интег-
ральных схем (чаще на одном кристалле полупроводника) и спо-
собное осуществлять под программным управлением обработку
различной информации, арифметические и логические операции.
Общая структура микропроцессора почти не отличается от струк-
туры центрального процессора малых ЭВМ. Микропроцессор с за-
поминающим устройством вместе со средствами ввода-вывода
данных называется микроЭВМ или компьютером.
Широчайшее применение микропроцессоры и микроЭВМ по-
лучили в 80-х годах в управлении производственными процесса-
242
Рис. 7.6. Современный микропроцессор, содержащий несколько сотен тмсяч
транзисторов
ми, системах связи и транспорта, бытовых устройствах. По под-
счетам специалистов применение микропроцессоров, в частности,
в приборостроении уменьшает трудоемкость в 10 раз, стоимость в
5 раз, габариты и потребляемую энергию в 10—20 раз и на поря-
док повышает надежность изделий.
Предполагается, что к 2000 г. уровень интеграции микросхем по-
высится на порядок, и тогда размеры элементов в таких схемах будут .
соизмеримыми с размерами некоторых бактерий или молекул. Такие
микросхемы со сверхвысокой степенью интеграции обеспечат замет-
ное увеличение быстродействия электронных устройств.
243
ПОСЛЕСЛОВИЕ
Изучение истории человеческого общества вообще и истории
техники в частности позволяют проследить сложный взаимосвя-
занный и взаимообусловленный процесс становления и разви-
тия человека и техники. Человек создавал все новые и более со-
вершенные средства труда, повышал производительность своего тру-
да и накапливал научные знания и массу производимого продукта.
Передавая часть своих функций технике, он наделял многие
технические устройства такими качествами, которые ранее были
присуши только человеку. Механические, электромагнитные,
электронные, лазерные, химические, биологические, информаци-
онные и другие системы позволяли человеку все более и более по-
знавать мир и гармонию Природы, достичь поистине
непредсказуемого: с одной стороны созданные человеком гигант-
ские технические объекты обладают мощностями, соизмеримыми
с геофизическими и космическими, способными уничтожить все
живое на Земле, с другой — ресурсы планеты, катастрофически
истощаясь, уже не в состоянии удовлетворять технические и энер-
гетические потребности общества.
Во всех развитых странах разрабатываются новые технологии
накопления, преобразования и экономии потребления энергии,
идет поиск наиболее технически доступных, экологически без-
опасных топлив, внедряются более эффективные и энергосберега-
ющие технологии, мысли ученых обращаются к другим видам
источников энергии, и в первую очередь к Солнцу. Человечество
уже ищет выход за пределы планеты.
Опасность ядерной, генной, экологической катастроф привела го-
сударства с различным общественным строем к попытке подняться
выше своих социально-экономических различий во имя общечелове-
ческих интересов и ценностей. Глобальные проблемы встают во весь
свой рост и порой отодвигают на второй план то, что еще вчера каза-
лось главным и определяющим. Надежность и безопасность работы
(Современных гигантов промышленности, сохранение и защита окру-
жающей среды, комфортные и здоровые условия жизни людей всех
стран и контингентов — вот те прэблемы, которые волнуют ныне все
человечество. Именно эти потребности формируют социальный за-
каз современной науке и технике. Совершенно очевидно, что элект-
244
рситкижве к тектроямке принадлежит одна из ведущих ролей в
реализации этого социального заказа.
Науедго-т^гянческий прогресс остановить нельзя.
Академик А. Д. Сахаров в своей статье «Мир через полвека»*,
отмечая стремительный «разбег» научно-технического прогресса
на протяжении тысячелетий, писал: «Я глубоко убежден, однако,
что огромные материальные перспективы, которые заключены в
научно-техническом прогрессе, при всей их исключительной важ-
ности и необходимости, не решают все же судьбы человечества са-
ми по себе. Научно-технический прогресс не принесет счастья,
если не будет дополняться чрезвычайно глубокими изменениям»
социальной, нравственной и культурной жизни человечества. Внут-
реннюю духовную жизнь людей, внутренние импульсы их активности
трудней всего прогнозировать, но именно от этого зависит в конеч-
ном итоге и гибель, я спасение цивилизации».
"Вопросы философии", 1989. №1, с. 27—34
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
, Важнейшие труды деятелей науки и техники XVIII — XIX вв.
1. Ампер А. Электродинамика. Изд-во АН СССР, 1954.
2. Доливо-Добровольский М. О. Избранные труды о трехфазном токе. М.:
Госэнергоиздат, 1948.
3. Кирхгоф Г. Р. Избранные труды. М.: Наука, 1988.
4. Ленц Э. X. Избранные труды. М.: Изд-во АН СССР, 1950.
5. Ломоносов М. В. Избранные философские произведение. М.: Госполи-
тиздат, 1950.
6. Майер Р. Закон сохранения и превращения энергии. М.: Гостехиздат,
1933.
7. Максвелл Д. К. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля. ।
М.: Гос. изд. технико-теоретич. литературы, 1954.
I. Петров В. В. Известие о гальвани-вольтовских опытах. М.: Гостехиздат,
1936.
9. Петров В. В. и др. Избранные труды по электричеству /Под ред. Л. Д.
Белькимда. М.: ПТЛ, 1956.
10. Фарадей М. Экспериментальные исследования по электричеству. T.i. М.:
, Изд-во АН СССР. 1947.
Общая литература по истории электротехники и
современной электротехнике и электронике
II. История энергетической техники СССР. Т.1 и 2. М.: Госэнергоиздат, g
1957.
12. Кузнецов Б. Г. История энергетической техники. М.: Гостехиздат, 1937.
13. Белькивд Л. Д., Конфедератов И. Я., Шнейберг Я. А. История техники.
М.: Госэнергоиздат. 1956. >
14. История техники/ А. А. Зворыкин, Н. И. Осьмова, В. И. Чернышев. С. В. :
Шухврдин. М.: Соцэкгиз, 1962. ,
15. История энергетической техники/ Л. Д. Белькинд., О. И. Веселовский, И. Я.
Конфедератов, Я. А. Шнейберг. М.: Госэнергоиздат, 1960.
16. Кудрявцев П. С., Конфедератов И. Я. История физики и техники. М.: Уч- «
педгиз, 1960.
17. Динамомашина в ее историческом развитии: Документы и материалы/Под
рйд. В. Ф. Миткевича. М.: Изд-во АН СССР. 1934.
18. Электродвигатель в его историческом развитии: Документы и материалы/
Под. ред. В. Ф. Миткевича. М.: Изд-во АН СССР. 1936.
19. Развитие электротехники в СССР/ Под ред. А.Г . Иосифьяна. М.: ЦИН-
ГИ. 1962.
20. Демирчян К. С., Нетушнл А. В. Развитие теоретической электротехники
за бОлет Советской власти. Электричество. 1972. №12.
21. Симоненко О. Д. Электротехническая наука в первой половине XX века.
М.: Наука. 1988.
246
22. Павел Николаевич Яблочков. Труды, документы и материалы. Состави-
тель Л. Д. Белькинд. М.: Изд-во АН СССР, 1954.
23. Белькинд Л. Д. Павел Николаевич Яблочков. М.: Госэнергоиздат, 1950.
24. Белькинд Л. Д. Чарльз Протеус Штейнмец. М.: Наука, 1965.
25. Белькинд Л. Д. Томас Альва Эднсои. М.: Наука. 1964.
26. Бернал Дж. Наука в истории общества. М.: Изд-во иностр, лит., 1956.
27. Бочарова М. Д. Электротехнические работы Б. С. Якоби. М.: Госэнергоиз-
дат, 1959.
28. Бочков В. Е. Когда же была изобретена лампочка накаливания// Электро-
техника, 1972., № 12.
29. Веников В. А., Шнейберг Я. А. Мировоззренческие и воспитательные
аспекты преподавания технических дисциплин. М.: Высш, шк., 1989.
30. Веселовский О. Н. Михаил Осипович Доливо-Добровольский. М.. •
Госэнергоиздат, 1958.
31. Веселовский О, Н-. Шнейберг Я. А. Энергетическая техника и ее разви-
тее. М: Высш, шк., 1986.
32. Гусев С. А. Очерки по истории развития электрических машин. М.:
Госэнергоиздат, 1955.
33. Гусев С. А. Очерки по истории развития выключателей переменного тока.
М.: Госэиергоиздат, 1958.
34. Елисеев А. А. Василий Владимирович Петров. М.: Госэнергоиздат, 1949.
35. Карцев В. П. Магнит за три тысячелетия. М.: Энергоатомиздат, 1 ^88.
36. Карцев В. П. Михаил Полиевктович Костенко. М.: Наука, 19е’.
37. Нетушнл А. В. Некоторые вопросы методического единства изложения
разделов электротехники и электроники// Научио-методические статьи
по электротехнике. М.: Высш, шк., 1980.
38. Кошманов В. В. Георг Ом. М.: Просвещение, 1980.
39. Крыжановский Л. Н. Электрические машины XVIII в.//Электричество,
1988, №2.
40. Околотин В. С. Вольта. М.: Молодая гвардия, 1986.
41. Ржонсиицкий Б. Н. Никола Теста. М.: Молодая гвардия, 1959.
42. Родионов В. ML, Черепнев А. И. Естествознание и техника. М.: Знание. 1974.
43. Родионов В. М Зарождение радиотехники. М.: Наука, 1985.
44. Чеканов А. А„ Ржонсиицкий Б. Н. Михаил Андреевич Шателен. М.: Нау-
ка, 1972.
45. Храмой А. В. Константин Иванович Константинов. М.: Госэнергоиздат, 1951.
46. Цверава Г. К. Аньош Йедлик. М.: Наука. 1972.
47 Цверава Г. К. Никаза Теста. М.: Наука, 1974.
48. Цверава Г. К. Джозеф Генри. Л.: Наука, 1983.
49. Шзтелен М. А. Русские электротехники XIX века. М.: Госэнергоииат, 1955.
50. Шнейберг Я.А. У истоков электротехники. М.,: Учпедгиз, 1963
51. Шнейберг Я.А. Василий Владимирович Петров. М.: Наука, 1985.
52. Шнейберг Я. А. Основоположник научной теории электричества// Элек-
тричество, 1986, №11.
53. ЯроцкнйА-В. Павел Львович Шиллиннг. М.: Изд-во АН СССР- 1963.
54. Яроикин А. В. Борис Семенович Якоби. М.: Наука, 1988.
2 4 7
ИМЕННОЙ УКАЗАТЕЛЬ
Адамс В. Д. 235
Ампер А. М. 29,37.63.80-85,89,
91,118,119, 140,141
Араго Ф. Д. 63, 80,82,91, 93,94.
97.189
Арнольд Э. 131
БардинД. 240
Барлоу П. 103
Беккариа Д. 50
Бейли У. 189
Беккерель А. С. 86,116
Белардос Н. Н. 72,227,228
Бен-Эшеибург 186
Био Ж. Б. 29. 80, 91
Блата О. Т. 30,159,163,164
БлекслейТ. 185
Болотов А. Т. 40, 48, 56-58
Большой С. В. 75
Бонч-Бруевич М. А. 234
Борель 190
Боргман И. И. 216
Бранли Э. 230, 231
Браттейн У. 240
Браун Г. 164
Бредли Ч. 190,195
Броун Ч. Ю. Л. 206
Бурбуз 17,112
Бэкон Р. 36
Вайнтрауб Э. 233
Ван-Депуль 223
Варбург Э. Г. 131
Вилкд 111
ВильсокБ 42
Власове. П. 75
Вольта А. 51,60-64,67,141
Галилей Г. 34. 64
Галльвакс В. 234
Гальвани Л. 59-61.64
Гамель И. X. 75
Гебель Г. 152
Гейгер Г. 235
Гейланд А. 186
Гельмгольц Г. Л. 23, 25.95.108,141,
142, 184. 205, 230
Генри Д. 95,104,105. 160, 230
Герике О. 38, 39
Герц Г. 144, 230, 234
Гефнер-Альтенек Ф. 129
Гиббс Э.Д. 161.165,181
Гильберт В. 37, 38
ГолярЛ. 161,165, 172,181
ГопкинсонД. 131,143,162,163, 179
ГопкинсонЭ. 143,162,163
ГордонД. 158
ГраммЗ.Т. 115,127-129,132,198
Грей С. 40, 229
ГрондальЛ. 239
Гротгус Т. 78
Грузинов И. Е. 75
ГудьирЧ. 156
Даннэль Д. Ф. 116
Дей Р. Е. 235
Девенпорт Т. 109, ПО
Декарт Р. 18
Деларю 151
Демокрит 18
Депре М. 168-171,190
ДериМ. 30,159,163,164
Джоуль Д. П. 23, 24. 108, 131,143
Дивиш П. 49
Доливо-Добровольский М. О. 17, 31,132.
179,185,186,190.192.195-209,216,219
248
Дэви X. 22.63,72.73.75, 87.146
Дюфе Ш. Ф. 40
Жобар 151
Зеебек Т. И. 22.85
Зиистеден В. И. 117,123
Иоффе А. Ф. 239, 240
Йедлик А. 126
Кавендиш Г. 54
КалланН. 126, 160
Капп Г. 185,186
Карлейль А. 65
Карно Н. С. 20. 21
Кеннеди Р. 163
Кирхгоф Г. Р. 29, 89,141
Классом Р. Э. 206, 217.218
Константинов К. И. 136,137
Коцебу О. Е. 142 -
Красилов А- В. 240
Круг К. А. 188
Кулой Ш. 0.50.51.54,55.84
Лавуазье А. Л. 18
Лакур И. 186
Лаплас П. С. 81
Лачинов Д. А. 113,168,169.171
Лебедев П. Н. 144
Легасов В. 26
Лейбниц Г. В. 18, 39
Ленц Э. X. 25.29.87, 89.105,
115,121,140-143
Леонардо да Винчи 36
Лодж О. 231
Лодыгин А. Н. 152-154
Ломоносов М. В. 18-20,22,43-48.
52. 53. 97
Лосев О. В. 238
Лукреций К. 34. 35
Мадоян С- 240
Майер Р. Ю 23, 24.108
Максвелл Д. К. 99.100,142-144.
184. 230
Максим X. 130
Мальдерен Ван 121
Маркони Г. 232
Маркс К. 8. 11,102
Маскар Э. 168
Мейснер А. 233
Миллер О. фон 206
Миткевич В. Ф. 188
Морзе С. 134
Мусхенбрук П. 41, 42
Мюррей Д. 125
Нейман Ф. 184
Негро С. 118
Николаев Г. А. 25
Никольсон В. 65
Ньютон И. 18.84
Нолле 121
Ом Г. С. 71, 87-89.141
Папалекси HzД. 234
Паррот Г. 77
Пачинотти А. 113-115,128,130
Пейдж Ч. 160
Пельтье Ж. Ш. 22. 86,87
Перегрин П. 36
Петров В. В. 22, 38, 52, 53,58, 63,64,
66-75. 87.146
Пиксин 119
Плнний С. 32
Пироцкий ф. А. 167. 222, 223
Планте Г. 117
Поггендорф И. 140
Попов А. С. 231. 232
Порта Д. 36 '
РатенауЭ. 196
Рейс Ф. Ф. 76
Ренкин У. Д.
Риги А. 131
Риттер И. В. 65
Рихман Г. В. 43-45.53
Риччи У. 104
Романьози Д. Д. 65
Роуланд Г. 13!
Румкорф Г. Д. 160
Румфорд Б. 20
249
Савар ф. 29,80,91
Сахаров А. Д. 245
Сваи Д. У. 152
СвинбсрнД. 164
Сименс В. 124-126,140,147.156,157,
167, 180, 221-224, 226
Скотт 213
Славянов Н. Г. 72, 228
Смирнов Н. В. 183
Спрэг 223
Стенли У. 164
Стерджей В. 104
Стефенсон Р. 116
Столетов А. Г. 131,164, 234
Страхов П. И 75
Тевенен 142
Тенар 22
Тесла Н. 190,192-195,198.202.
203,212
Томсон И. 190
Томсон У. (Кельвин) 24,142,184
Тюри Р. 171
УайльдГ. 123-125.156, 157
Уатсон В. 42
Уитстон Ч. 122,125,141,159
Ульянин В. А. 235
Умов Н. А. 144
Усагин И. Ф. 161,165
Фалес Милетский 34, 35
Фарадей М. 22,29.63,73,77,78,80,
89,90-101,103,117,118.119,122
123. 142, 144, 153, 160, 184
Ферранти С. Ц. 159,163, 181
ФеррарисГ. 170, 185, 190-192,
196, 202
Флеминг Д. А. 233
Фонтен И. 146, 165. 166, 170, 171
Форест Ли де. 233
Франклин Б. 42-45, 48, 49
Фроман П. Г. 113
Фуко Ж. Б. 146
Фурье Ж. Б. 184
Хазельвандер Ф. А. 190,195
Хевисайд 0.187
ХиортС. 123, 125,126
Холмс Ф. X. 121
Циперновсхий К. 30.163, 164
Чиколев В. Н. 138,147,217
Шалленбергер 190
Швейггер И. X. С. 79, 140
Шиллинг П. Л. 133-136,155
Шпаковский А. И. 137
Штейнмец Ч. П. 31,131,156,187
Шуккерт 3. 147
Шухов В. Г. 178
Шенснович А. Н. 216
Эвершед С. 186
Эдисон Т. А. 130,153-155.164,174.
175,179,209,232
Эйлер Л. 47,52,97
Эльстер Ю. 235
Энгельс Ф. 19, 25,63,170
Эпикур 18
Эпинус Ф. У, Т. 50, 51,54 '
Эрстед Г. К. 22, 66, 79, 82, 91, 125
ЮзД. Э. 135
ЮингД. 131
Юнг Т. 24
Яблочков П. Н. 30, 72, 137, 147-150,
153, 154, 157, 160. 16!. 165.174,198
Якоби Б. С. 89, 305-112. 115,116, 120.
121, 134-136. 139-142, 155, 160. 184
250
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие................................................... 3
Введение ...................... ................... . ...... 4
Глава 1. ТЕХНИКА И ЧЕЛОВЕК. ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
1.L Техника и некоторые закономерности ее развития ............8
1.2. История открытия закона сохранения и превращения энергии.18
1 1.3. Возрастание роли человеческого фактора — диалектическая
закономерность современного этапа развития общественного
производства. .......................................... 26
1-4- Электротехника. Основные этапы ее развития ........ . . . 28
Глава 2. У ИСТОКОВ ЭЛЕКТРОСТАТИКИ. МИФЫ И ФАКТЫ-
2.1. «Чудеса» магнитного железняка, янтаря, электрических рыб. ..... .33
2.2. Мудрость — дочь опыта. Начало экспериментальных исследований
электричества и магнетизма. ............................. .37
2.3. Электростатическая машина открывает новые свойства электричества. .39
2.4. Изобретение лейденской банки — новая страница в летописи
электричества............................................ .41
2.5. Величественные и таинственные явления атмосферного электричества
получают научное обоснование. Первый «электрический указатель». . ,43
2.6. О «сходстве и подобии» электрических и магнитных явлений.' 1овые
открытия. Закон Кулона....................................... -50
2.7. Электромедицина — на службе человеку................... 56
Глава 3. ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА. ЗАКЛАДКА ФУНДАМЕНТА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
3.1. «Животное» электричество Гальвани. Новая «таинственная материя» .158
3.2. Создание первого источника электрического тока — начало новой эпохи
в истории электричества и магнетизма....................... .60
3.3. Обнаружение и изучение действий электрического тока. «Огромная
q наипаче батарея» В. В. Петрова.......................... 64
3.4. Открытие электрической дут. Электрохимические исследования. . . .72
3.5. Взаимодействие электрического тока и магнита. Разработка основ
электродинамики................................*..............79
3.6. Открытие термоэлектричества. Установление законов
электрической цепи............................................85
| Глава 4. ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ. «ПИОНЕРСКИЙ» ПЕРИОД ИСТОРИИ
ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
Si, '
4.1. Открытие электромагнитной индукции........................90
4.2. Сначала был электродвигатель.............................10.'
251
Са
Са 4.3. Электрогенераторы развивались отдельным путем...................116
Св 4.4. Пути генераторов н электродвигателей соединились................129
Св 4.5. Электротелеграфня, электроавтоматика, электрохимия — ступени
Си прогресса.................................................... 132
1 4.6. Становление основ теории электрических цепей и электромагнетизма ... 141
Глава 5. «ГЕРОИЧЕСКИЙ ПЕРИОД» ИСТОРИИ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
5.1. Электрическое освещение стимулирует рождение практической электро-
техники.................................................. 145
5.2. Возникает потребность в электрических машинах переменного тока. . . 156
5-3. «Трансформаторные битвы». ......................... 160
5-4. Поиски путей передачи электроэнергии на большие расстояния. ... 165
5.5. Электроэнергия становится товаром. Ранние электростанции. .... 172
5.6. Развитие теории электрических цепей. .................. 184
Те Глава 6. ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ: ПРОИЗВОДСТВО, РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И ИС-
Iе ПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ.
‘ 6.8. Вращающееся магнитное поле — новое физическое явление .... 188
То 6.2. Трехфазная система и асинхронный двигатель. .............194
Тс 6.3.. Первая трехфазная линия электропередачи решает многолетний
Т» спор: постоянный или переменный ток? . ................. 205
6.4. Возникновение районных электростанций и энергетических систем. • 209
Уг 6.5. Электропривод, электротранспорт и электротехнолосия. ........ 218
У{
У, Глав® 7. ЭЛЕКТРОТЕХНИКА - ВАЗА ЭЛЕКТРОНИКИ
У' Послесловие ........... ........... ......244
У> •
ус Рекомендуемая литература .....................................246
. Именной указатель ................... 7................... 248
ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
2
252
Учебное издание
ВЕСЕЛОВСКИЙ ОЛЕГ НИКОЛАЕВИЧ
ШНЕЙБЕРГ ЯН АБРАМОВИЧ
Очерки по истории электротехники
Редакторы Л. С. Слуцкин, О. М. Горина
Художественный редактор А. Ю. Землеруб
Технический редактор 3. Н. Ратникова
Корректор В. В. Сомова
Оператор О. В. Катеринченко
Набор н верстка выполнены на компьютерах издательства МЭИ
ИБ№40
Подписано в печать с оригинала-макета 24.05.93
Бумага типографская № 2 Гарнитура, Times1
Усл. печ. л. 151,44 Усл. кр.-отт. 15,69 j
Тираж 2000 экз. Заказ № j
Издательство МЭИ, 105835 Москва, ГСП, Е-250, К1
Типография издательства МЭИ, 105835 Москва, rd
Красноказарменная, 13