Электродвигатель

.

Разнообразные проявления электричества и магнетизма известны людям очень давно. Об этом свидетельствуют даже названия их. Греки, например, приписывали открытие магнетизма мифическому пастуху, по имени Магнус, жившему неведомо как давно. Магнус будто бы однажды забрался со своими стадами на гору Иду и здесь познакомился с таинственной силой каких-то бурых камней, притянувших к себе гвозди его сандалий и железный наконечник посоха.
По имени пастуха загадочное явление, обнаруженное им, и получило у греков название «магнетизма».


Хорошо знали греки и о свойстве янтаря (по-гречески «электрона») притягивать мелкие частицы разных веществ, если его предварительно потереть о шерсть.
Однако в течение многих веков человечество не сдвинулось ни на шаг с места в изучении магнитных и электрических явлений, хотя и забавлялось ими. Куски магнитного железняка, имеющего вид бурых камней, весом в два-три килограмма, оправляли в бронзу и с таким естественным магнитом в руках проделывали всякие опыты. Магниты ценили, но пользоваться странной силой для практических целей не умели, если не считать введенного европейцами в мореплавании компаса. Впрочем, китайцы знали о нем еще раньше.
Но вот в конце XVIII века профессор медицины в Болонье Луиджи Гальвани, занимаясь своими опытами, столкнулся еще с одним явлением, загадочным и таинственным, получившим от его имени название «гальванизм».
Гальвани открыл не что иное, как явление движущегося электричества. Долгое время он так и назывался: «гальванический ток», и лишь позже получил привычное для нас название «электрический ток».
Открытие Гальвани произвело огромное впечатление на ученых того времени, и многие стали изучать явление гальванизма. Среди них был и замечательный физик Алессандро Вольта.
Вольта нашел, что при химическом взаимодействии некоторых веществ и металлов появляется электрический ток. В 1800 году он построил так называемый «вольтов столб», состоявший из 20 пар медных и цинковых кружков, разделенных суконными кружками, смоченными соленой водой. В проволоке, соединяющей концы столба, появлялся довольно сильный электрический ток. Так был найден первый источник тока, причем источник, как видите, электрохимический. Подобные источники электрического тока, под названием «гальванические элементы», широко применяются и в настоящее время там, где нужен ток небольшой мощности.
В природе вообще, как открылось впоследствии, существует много различных источников электричества, но электрохимический был первым и довольно долгое время единственным, которым пользовались уже для практических целей. Как только найден был этот источник тока, так тотчас же изучение магнитных и электрических явлений пошло вперед гигантскими шагами.
Вольта построил свой «столб» в 1800 году, а уже в 1803 году профессор Медико-хирургической академии в Петербурге Василий Владимирович Петров издал обширный труд с подробным описанием произведенных им оригинальнейших опытов и сделанных открытий. Книга эта называлась «Известие о Гальвано-Волтовских опытах… посредством огромной батареи, состоявшей иногда из 4200 медных и цинковых кружков…». Самым замечательным открытием русского ученого было получение электрического света и белого пламени между двумя кусками древесного угля, от которого «темный покой достаточно ярко освещен быть может».
Василий Владимирович Петров, открывший явление вольтовой дуги, писал на русском языке, и сочинение его не было прочитано английскими патриотами, которые были убеждены, что открытие вольтовой дуги принадлежит их соотечественнику Гемфри Деви, наблюдавшему то же явление десять лет спустя. Надо заметить, впрочем, что не только в Европе, но и в России Петрову, как хронологически, так и по своему значению непосредственно следующему за Ломоносовым, не было уделено должного внимания.
Он родился 8 июля 1761 года в семье священника города Обояни, Курской губернии, учился в духовном коллегиуме, откуда перешел в Петербургскую учительскую гимназию, где и занимался преимущественно физикой и математикой. Потребность в учителях для все возраставшего количества школ в те времена была очень велика. Петрова как выдающегося математика направили на службу в Барнаул — преподавать математику и физику ученикам Горной школы. Возвратившись в 1791 году в Петербург. Петров стал преподавателем Измайловского кадетского училища, а затем его перевели во Врачебное училище. Когда вскоре это училище было преобразовано в Медико-хирургическую академию, Петров был назначен профессором «физико-математики».
В блестящей образованности, показанной молодым профессором на пробных лекциях, был только один «пробел»: «природный россиянин», по его собственным словам, он не имел случая «пользоваться изустным учением иностранных профессоров физики». Но насколько он стоял вполне на уровне современной ему науки, показывают уже его первый труд «Собрание физико-химических новых опытов и наблюдений», вышедший в 1801 году, и в особенности последовавшее затем «Известие о Гальвано-Волтовских опытах…».
Петров был первым у нас организатором физических кабинетов. В конструировании различных приборов для физических и химических опытов он с успехом руководствовался тонким пониманием практических следствий новых научных данных. Открыв явление вольтовой дуги, он тут же предсказал и применение ее в технике не только для освещения, но и для сварки металлов и для выплавки их из руд.
Нисколько не сомневаясь в том, что инженерно-техническая мысль именно таким образом использует его открытие, Василий Владимирович писал в своей книге:
«Я надеюсь, что просвещенные и беспристрастные физики по крайней мере некогда согласятся отдать трудам моим ту справедливость, которую важность сих последних опытов заслуживает».
Если идея использования электрического тока для практических целей явилась уму русского ученого почти одновременно с открытием вольтова столба, то для осуществления этих идей понадобилось еще немало научных открытий в области электромагнитных явлений.
О связи между магнитными и электрическими явлениями думал и Петров. Но установить эту связь выпало на долю датского физика Эрстеда. В 1820 году, готовясь, как обычно, к лекции, Эрстед обнаружил, что при протекании электрического тока вблизи стрелки компаса она отклоняется. Это «явление Эрстеда» сыграло огромную роль в развитии учения об электромагнитных явлениях. Из него выросла вся современная электротехника с ее динамо-машинами, электродвигателями, телеграфом, телефоном и электропоездами.
Для русской инженерно-технической мысли характерно, что в бурном развитии электротехники XIX века русские инженеры не только принимали деятельное участие, но и чаще всех выступали пионерами практического приложения новых открытий.
Так, узнав о «явлении Эрстеда», русский инженер Павел Львович Шиллинг построил первый в мире практически годный и применявшийся на деле телеграф.
Изучая «явление Эрстеда», в то же время известный французский ученый Араго нашел, что при помощи тока можно намагничивать сталь; а другой француз, Ампер, открыл взаимодействие электрических токов, выражающееся в их притяжении и отталкивании.
Говорят, что, узнав об открытиях Эрстеда, Араго и Ампера, великий английский ученый Майкл Фарадей положил себе в карман магнит и стал носить его с собой, чтобы он постоянно напоминал ему о новой задаче: «превратить магнетизм в электричество». Магнит Фарадею пришлось носить девять лет.
Благодаря трудам Стерджона, а затем Генри искусство превращать электричество в магнетизм сделало большие успехи. Новые электрические магниты представляли собой подковообразные стержни из мягкого железа, обмотанные изолированной медной проволокой, через которую пропускался электрический ток от какого-нибудь электрохимического источника. Электромагниты обладали способностью притягивать к себе груз, почти во сто раз более тяжелый, чем весили они сами. Электромагниты вызывали всеобщее удивление, но практического применения в технике не имели.
Наоборот, превращать магнетизм в электричество, к чему стремился Фарадей, удалось не сразу и далеко не так скоро. Только в 1831 году, после ряда разнообразнейших опытов и попыток, Фарадей сделал свое великое открытие. Он нашел, что если к металлу, являющемуся проводником тока, приближать и удалять от него магнит, то в проводнике возникает электрический ток. Фарадей брал катушку изолированной медной проволоки и быстро вводил в пустую сердцевину катушки магнитный стержень. При этом оказывалось, что в этот момент по проволоке проходил электрический ток. В момент удаления магнита из катушки по проволоке также проходил ток, но уже обратного направления. Разумеется, можно было поступать и наоборот: двигать катушку, а магнит оставлять неподвижным. Результат получался одинаковый.
Это удивительное явление, названное «магнитной индукцией», давало возможность превращать механическую энергию в электричество, получать электрический ток простым передвижением магнита возле замкнутого мотка изолированной медной проволоки.
Какая же могла быть особенная трудность в том, чтобы строить электрические машины, в которых двигающийся взад и вперед магнит вызывал бы появление в проволоке электрического тока?
Такие электрические машины стали появляться во множестве. Все они состояли из нескольких больших и сильных магнитов, между полюсами которых вращались катушки изолированной проволоки. В проволоках появлялись электрические токи, проходившие то в одном, то в другом, обратном, направлении. Их соединяли затем в один, большей мощности. Токи получались также то одного, то другого, обратного, направления. Такой переменный ток путем особого устройства, называемого «коммутатором», превращался в постоянный, одного направления.
Но заменить гальванические элементы, где ток получается электрохимическим путем, новые магнитоэлектрические машины не могли: ток они давали незначительной мощности и непостоянного напряжения, магниты нагревались.
Тем не менее никто уже не сомневался в том, что в мир вошла таинственная и могущественная сила и что далее последуют новые практические результаты огромного значения.
Очень рано стали думать о получении непрерывной движущей силы путем преобразования магнитной энергии в механическую. Ток, проходящий в обмотке железного стержня, делает его магнитом, и тогда он притягивает кусок железа, называемый в этом случае якорем. При выключении тока магнитные свойства электромагнита исчезнут, и якорь отпадет, а при новом включении тока якорь опять будет притянут. Таким образом, прерывая ток, можно получить постоянное прямое и обратное движение якоря, причем прерывание и замыкание легко поручить самому же току.
Двигателей с прямолинейно-возвратным движением, работающих силой магнитного притяжения, различными изобретателями было сооружено довольно много. Конструктивно все эти модели копировали паровую машину.
Прямолинейно-возвратное движение в магнитных двигателях преобразовывалось во вращательное движение колеса при помощи кривошипа. Однако никакого практического применения они себе не нашли и остались лабораторными приборами для демонстрации электромагнитных явлений.
Одновременно с этими магнитными машинами появилось немало и «электрических вертушек», как их тогда называли, где получалось непосредственно вращательное движение магнита. Вертушки состояли из неподвижного электромагнита и помещаемого над ним вращающегося магнита. Как только в подковообразный электромагнит пропускался прерывающийся ток из гальванической батареи, так тотчас перемещающийся от полюса к полюсу магнит начинал вращаться с большой скоростью. Беспомощные сами по себе, эти приборы, однако, сыграли большую роль в развитии наших знаний об электромагнетизме и явились предшественниками наших электродвигателей, приводимых в действие при помощи электрического тока.
Первым, кто подошел к этим вертушкам как энергетик, кто увидел в них прототип электродвигателя, был русский ученый Борис Семенович Якоби (1801–1874).
В том немногом, несовершенном, почти игрушечном, чем располагала тогда едва зарождавшаяся электротехника, Якоби увидел элементы новой энергетики. Мысль о превращении электрических вертушек в электродвигатель захватила профессора архитектуры Дерптского университета.
Промышленная буржуазия, опираясь на паровой двигатель, создавала крупные фабрики и заводы. Для конкуренции с ними полукустарная мелкая промышленность более всего нуждалась в собственном механическом двигателе для своих небольших предприятий. Громоздкие паровые двигатели Уатта, требовавшие больших помещений и значительных средств, никак не могли удовлетворить кустарные мастерские, оружейные производства, типографии и множество мелких предприятий городской промышленности, снабжавших население иголками, булавками, нитками, кружевами, гвоздями. Подобные продукты производились уже механическим путем, на станках и машинах, но приводились эти станки в движение руками.
Потребность в небольшом, легком, удобном двигателе, мощностью хотя бы в две-три лошадиных силы, была настолько велика и неотложна, что над созданием его трудились многие изобретатели. Одним из них и был Якоби.
Якоби верил, что задача создания электродвигателя может быть уже решена при тогдашнем состоянии техники. Подобного же взгляда держался и Фарадей, как это видно из его письма к Якоби.
В 1834 году Якоби представил описание своей электродвигательной машины Парижской академии наук, а вместе с тем попытался заинтересовать электродвигателем и русское правительство.
Развитие промышленно-капиталистических отношений в России вынудило царское правительство, уступая требованиям времени, открыть в течение одного столетия Технологический институт в Петербурге, Высшее техническое училище в Москве, Политехнический институт в Киеве. Поэтому Якоби со своей обширной докладной запиской «О применении электромагнитного возбуждения железа для движения машин» обратился к тогдашнему министру просвещения Уварову.
Изложив историю учения об электромагнетизме, Якоби в своей записке подробно останавливается на преимуществах электродвигателя. В сравнении с паровым двигателем их было много: простота и легкость движущегося механизма; отсутствие многих трущихся частей, вследствие чего двигатель почти не подвергается изнашиванию; наличие непосредственного вращательного движения; бесшумность, отсутствие толчков и тряски; полная безопасность и, наконец, дешевизна вследствие уменьшения расходов по эксплуатации.
Сконструированный Якоби двигатель отличался действительно простотой и легкостью. Он состоял из двух систем электромагнитов, из которых одна вращалась, другая была неподвижной.
«Аппарат состоит, — писал изобретатель, — из двух групп по восемь стержней мягкого железа. Обе группы стержней располагаются на двух дисках под прямым к ним углом и симметрично одна по отношению к другой таким образом, чтобы полюсы приходились один против другого. Один из дисков вращается вокруг некоторой оси, благодаря чему группа подвижных стержней проходит мимо группы неподвижных на возможно близком расстоянии от них. Все шестнадцать стержней обмотаны медной проволокой. Концы обмоток соединяются с полюсами гальванической батареи. Масса вращающейся части машины дает весьма значительную живую силу».
Двигатель Якоби благодаря удачно сконструированному коммутатору, осуществлявшему быструю перемену полюсов, работал настолько удовлетворительно, что изобретатель предлагал его использовать для практической работы, на первый раз применив для движения гребного винта судна.
В заключение своей обширной докладной записки Якоби писал:
«Когда я, следуя почетному приглашению, переходил в здешний университет, я не думал о тех стесненных обстоятельствах, в которые буду временно поставлен… Не могу скрыть, что я ставлю себе в упрек то обстоятельство, что с просьбой о поддержке я обратился только теперь, но это вызвано желанием посвятить все свое время и всю свою энергию этому делу именно теперь, когда не остается больше никаких сомнений в успехе задуманного, и не только для того, чтобы не отказываться от своих прежних трудов, но и для того, чтобы отечество не лишилось славы сказать, что Нева раньше Темзы или Тибра покрылась судами с магнитными двигателями».
В 1837 году в Петербурге была создана «Комиссия для приложения электромагнетизма к движению судов по способу профессора Якоби», под председательством адмирала Крузенштерна, известного путешественника. Царь согласился и на отпуск средств изобретателю для постройки электромагнитного бота.
Одновременно Борис Семенович в качестве адъюнкта Академии наук был переведен в Петербург, где с величайшим воодушевлением принялся за осуществление своего электромагнитного бота.
Конечно, сам изобретатель отлично понимал, что электродвигатель останется бесполезной вертушкой, если для питания его не найдется дешевого и мощного источника электрической энергии. Так как известные к этому времени магнитоэлектрические машины не оправдали возлагавшихся на них надежд, то Якоби, естественно, обратился к старым гальваническим элементам, соединяемым в батареи, где электрический ток возникает при происходящем здесь электрохимическом процессе.
В то время уже существовало довольно много разных гальванических элементов, и Якоби стал искать среди них самый выгодный. Когда они были все перепробованы и оказались мало подходящими, ученый принялся сам испытывать различные вещества, чтобы найти наиболее дешево обходящийся процесс.
Однажды он испробовал в батарее раствор медного купороса с медным же электродом и совершенно неожиданно сделал открытие, стяжавшее ему мировую известность: из раствора на электроде выделилась химически чистая металлическая медь, причем на полученной таким способом меди повторились с замечательной точностью все очертания и углубления, бывшие на поверхности электрода, как будто бы это был его собственный отпечаток.
Стоит подробнее рассказать о том, как это все произошло.
Зайдя утром в лабораторию, прежде чем отправиться на занятия со студентами, Борис Семенович, переходя от одной испытуемой батареи к другой, с недоумением остановился перед батареей с раствором медного купороса. Осторожно, чтобы не запачкать своего форменного сюртука с золочеными пуговицами, он наклонился над стеклянным ящиком и стал разглядывать медный электрод. Он казался двойным, точно склепанным из двух листов меди.
Не подозревая, что имеет дело с совершенно новым явлением, Якоби решил, что электрод был склепан из двух медных листов и просто раздвоился от действия раствора. Ученый только возмутился небрежностью рабочего, которому было поручено изготовление электрода.
Покачав головой и оставив разговор с рабочим до вечернего посещения лаборатории, Борис Семенович, как всегда, провел свой день в занятиях, и мысли его были очень далеки от странного явления, замеченного им в лаборатории. Ему просто не пришло в голову искать причину раздвоения медного электрода в чем-нибудь ином, кроме как в дурной работе мастера.
Якоби был человек требовательный и вечером, вызвав рабочего, стал его бранить.
«До сих пор, — признавался Якоби впоследствии, — я не могу понять, каким образом, глядя на этот слой меди, я мог сомневаться в его происхождении и допускал, что он образовался от дурного плющения меди или что рабочий, не имея достаточно толстых листов, умышленно сдвоил их. Повинуясь первому влечению чувства, я призвал его и стал упрекать за дурное исполнение поручения, но энергичные возражения с его стороны навели меня на мысль, что спор можно разрешить, тщательно сравнив соприкасающиеся поверхности. Начав это исследование, я заметил почти микроскопические оттиски малейших шероховатостей и царапин, причем выпуклостям на одном диске соответствовали углубления на другом».
Якоби повторил опыт, заменив медный электрод гравированной медной пластинкой, и через несколько дней получил с нее медную копию такой точности, которая не могла быть достигнута никаким иным способом.

Якоби повторил опыт, заменив медный электрод гравированной медной пластинкой.
«В результате тщательных исследований и появилась гальванопластика», — заключает свой рассказ Борис Семенович Якоби.
Гальванопластический снимок Якоби представил Петербургской Академии наук в октябре 1853 года вместе со своим докладом о сделанном им открытии. Доклад назывался «Гальванопластика, или способ по данным образцам производить изделия из медных растворов с помощью гальванического тока».
Правительство выдало Якоби солидную премию в 25 тысяч рублей за сделанное им открытие. Благодарный изобретатель при опубликовании своей работы о гальванопластике счел нужным подчеркнуть, что «гальванопластика исключительно принадлежит России: здесь она получила свое начало и образование».
Открытие гальванопластики положило начало новой отрасли промышленности. При помощи гальванического элемента стали не только получать медные копии, но также золотить и серебрить разные металлические изделия.
Сам Якоби не принимал никакого участия в промышленном использовании своего изобретения. Он был добродушный, веселый, прямой человек и постеснялся даже взять патент на свою гальванопластику, раз она сама далась ему в руки, без всякого намерения найти или открыть что-либо подобное.
Этому великому добродушию ученого мы и обязаны тем, что он честно и искренне рассказал все происшедшее в его лаборатории.
Восстановить творческую историю того или другого открытия или изобретения всегда очень трудно, а часто и просто невозможно, потому что многие ученые, исследователи и изобретатели не обладали добродушием Бориса Семеновича Якоби и не любили вводить других в свою творческую лабораторию.
Предоставив практическим людям извлекать доходы из своего случайного открытия, Якоби всецело занялся изготовлением электродвигателя для электромагнитного бота. Этот знаменитый бот был спущен на Неву в 1839 году. На дне шлюпки помещалось триста двадцать медно-цинковых элементов. Током их питался электродвигатель системы Якоби. Электродвигатель непосредственно соединялся с двумя гребными колесами. Мощность электродвигателя равнялась примерно одной лошадиной силе.
Первые опытные плавания сулили успех. И вот, посадив в свой электромагнитный бот двенадцать пассажиров, главным образом членов комиссии, изобретатель предпринял довольно большое путешествие по Неве против течения. Сначала все шло отлично, но огромного количества элементов, загружавших лодку, все-таки не хватило на слишком долгий путь. Бот прошел около сорока километров, когда элементы начали иссякать, и Якоби повернул обратно.
Члены комиссии в своем отзыве по поводу электромагнитного бота справедливо заключили, что опыты Якоби более содействуют познанию загадочных явлений электромагнетизма, нежели решают вопрос об извлечении из них практической пользы.
Действительно, при всех достоинствах электродвигателя практическое применение его наталкивалось на непригодность для производственных целей существующих источников тока: гальванические элементы действовали недолго. Впоследствии Якоби испробовал элементы Грове, заменив в них свинец цинком, но это не помогло делу, и в конце концов электромагнитный бот пришлось оставить.
Мечта о покрытой электромагнитными ботами Неве оказалась пока неосуществимой, но опыты с электродвигателем Якоби обогатили науку об электричестве целым рядом новых законов.
В дальнейшей истории электродвигателя исключительное значение имело впервые установленное в Петербурге академиком Э. X. Ленцем тождество между электродвигателем и генератором электрического тока. Двигатель Якоби, приводимый в движение электрическим током, оказывается, превращался в генератор, в источник электрического тока, если его приводили в движение механической силой.
Так же как обратимость тепловых процессов повела мысль конструкторов далее, к созданию новых тепловых машин, так и обратимостью электромагнитных процессов изобретатели воспользовались для создания динамо-машин и электродвигателей современного типа.
Опыты Якоби и научно-теоретические исследования в области электричества имели существенное значение в истории русской и мировой электротехники.
Некоторое время Борис Семенович — уже действительный член Академии наук — занимался постройкой подземного телеграфа между Петербургом и Царским Селом, а затем, в 1849 году, пытался впервые в России устроить электрическое освещение на улицах Петербурга. Попытка не привела к успеху не столько из-за несовершенства первых лампочек, сколько опять-таки из-за отсутствия надежного источника электрической энергии, так как и для освещения в те времена пользовались гальваническими батареями.
Опыт показывал, что дальнейшее развитие электротехники тормозится отсутствием машинного генератора электрического тока. Естественно, что, не добившись толку от гальванических батарей, конструкторы продолжали работать над усовершенствованием магнитоэлектрических машин. Не вдруг и не легко, но в конце концов все же удалось обширной кооперации современников превратить эти машины в нужный промышленности электрогенератор и в удобный для нее электродвигатель.

Комментирование и размещение ссылок запрещено.

Комментарии закрыты.