История электротехники - Коллектив авторов

Значительному развитию электротехники способствовала также разработка П.Н. Яблочковым весьма эффективных систем «дробления электрической энергии», обеспечивавших возможность включения в цепь, питаемую одним генератором, нескольких дуговых ламп.

Среди способов «дробления», предложенных П.Н. Яблочковым, два получили практическое применение: секционирование обмотки якоря генератора (в результате получалось несколько независимых цепей, в которые включались свечи) и использование индукционных катушек (рис. 3.2). Первичные обмотки катушек включались последовательно в цепь, а ко вторичной обмотке в зависимости от ее параметров могли подключаться одна, две свечи и более. Если первичная цепь питалась постоянным током, то предусматривалось включение в нее специального прерывателя для наведения ЭДС во вторичных обмотках катушек.

На рис. 3.2 видно, что П.Н. Яблочков впервые использует индукционную катушку в качестве трансформатора. Схема интересна и тем, что в ней впервые получила свое оформление электрическая сеть с ее основными элементами: первичный двигатель — генератор — линия передачи — трансформатор — приемник.

Но значение электрической свечи этим не исчерпывается. Изобретение дешевого приемника электрической энергии, доступного для широкого потребителя, потребовало решения еще одной важнейшей электротехнической проблемы — централизации производства электрической энергии и ее распределения. П.Н. Яблочков первым указал на то, что электрическая энергия должна вырабатываться на «электрических заводах» и распределяться подобно тому, как доставляются к потребителям газ и вода.

Дальнейший прогресс электрического освещения был связан с изобретением лампы накаливания, которая оказалась более удобным источником света, имеющим лучшие экономические и световые показатели.

В 1870–1875 гг. над созданием лампы накаливания работал русский отставной офицер Александр Николаевич Лодыгин (1847–1923 гг.) [3.2]. Он решил построить летательный аппарат тяжелее воздуха, приводящийся в движение электричеством («электролет») [1.6; 2.19; 3.2]. Вполне естественно, что освещаться этот аппарат должен был электричеством. Дуговая лампа по разным соображениям не подошла, и А.Н. Лодыгин стал конструировать лампу накаливания с тонким угольным стерженьком, заключенным в стеклянном баллоне (рис. 3.3). Стремясь увеличить время горения, А.Н. Лодыгин предложил устанавливать несколько угольных стерженьков, расположенных так, чтобы при сгорании одного автоматически загорался следующий.

Первая публичная демонстрация ламп А.Н. Лодыгина состоялась в 1870 г., а в 1874 г. он получил «русскую привилегию» (авторское свидетельство) на свою лампу. Затем он запатентовал свое изобретение в нескольких странах Западной Европы. Постепенно он усовершенствовал лампы. Первые лампы работали 30–40 мин, но когда он применил вакуумные колбы, срок службы ламп увеличился до нескольких сотен часов.

Больше всего известности, почестей и славы за электрическую лампу выпало на долю Т.А. Эдисона. Но Т.А. Эдисон не изобрел лампу. Он сделал другое: разработал во всех деталях систему электрического освещения и систему централизованного электроснабжения [1.6; 3.3].

В 1879 г. Т.А. Эдисон заинтересовался проблемой электрического освещения. К этому времени он был уже известен как талантливый телеграфист и изобретатель автоматического счетчика голосов, автор усовершенствований в области многократной телеграфии и телефонного аппарата Белла, изобретатель фонографа.

Есть достаточно убедительные сведения о том, что Т.А. Эдисон хорошо знал изобретения своих предшественников в области электрического освещения посредством ламп накаливания, в том числе и работы А.Н. Лодыгина. Он находился также под впечатлением работ П.Н. Яблочкова. Впрочем, сам Т.А. Эдисон любил повторять, что всегда, когда он хотел сделать что-то новое, он тщательно изучал все, что было сделано по данному предмету до него.

Эдисон сразу поставил перед собой две задачи: 1) лампа должна создавать умеренную освещенность и 2) каждая лампа должна гореть совершенно независимо от других. Так он пришел к выводу о необходимости иметь нить высокого сопротивления, что позволит включать лампы параллельно (а не последовательно, как до этого поступали с любыми электрическими лампами).

12 апреля 1879 г. Т.А. Эдисон получил первый патент на лампу с платиновой спиралью высокого сопротивления, а затем в январе 1880 г. на лампу с угольными нитями. Он разработал систему откачки баллонов, технологию крепления вводов и угольной нити, и в январе 1880 г. устроил публичную демонстрацию ламп в Менло-Парке — его научном центре близ Нью-Йорка.

Для того чтобы система освещения стала коммерческой, Т.А. Эдисон должен был придумать множество устройств и элементов: цоколь и патрон (рис. 3.4), поворотный выключатель, плавкие предохранители, изолированные провода, крепящиеся на роликах, счетчик электрической энергии. В 1881 г. на Первой Всемирной выставке в Париже лампы Т.А. Эдисона вызвали всеобщий восторг, а сам изобретатель был удостоен высшей награды. В 1882 г. Т.А. Эдисон построил в Нью-Йорке на Пирльстрит первую центральную электростанцию. Т.А. Эдисон превратил электрическую энергию в товар, продаваемый всем желающим, а электрическую установку — в систему централизованного электроснабжения. Это был первый в истории электротехники пример комплексного решения крупной проблемы, оказавший огромное влияние на развитие материальной и общей культуры человечества.

Уже в 80-е годы XIX в. начинается быстрое развитие электрического освещения, все более расширяющееся массовое производство ламп накаливания, вызвавшее дальнейшее развитие электромашиностроительной промышленности, электроприборостроения, электроизоляционной техники и совершенствование способов производства и распределения электрической энергии.

3.2. ИЗОБРЕТЕНИЕ ТРАНСФОРМАТОРА

Восьмидесятые годы XIX в. вошли в историю электротехники под названием периода «трансформаторных битв». Такое необычное название они получили потому, что изобретение трансформатора явилось одним из сильнейших аргументов в пользу переменного тока. А настоящая битва шла между сторонниками систем постоянного и переменного токов и отражала поиски путей выхода из назревшего энергетического кризиса, связанного с проблемой централизованного производства электроэнергии и передачи ее на большие расстояния.

Первым простейшим трансформатором с разомкнутым магнитопроводом была индукционная катушка. Ее изобретение в 30–40-х годах XIX в. связано с именами ряда ученых и изобретателей, но наибольшую известность получил немецкий механик Генрих Румкорф (1803–1877 гг.), создавший в 1848 г. более совершенную конструкцию, и его именем впоследствии стали называть индукционную катушку. Такие катушки предназначались для получения искрового разряда во вторичной цепи при прерывании постоянного тока в первичной цепи. Впервые катушку Г. Румкорфа применил для дистанционного взрывания мин Б.С. Якоби. В последней трети XIX в. индукционные катушки получили широкое применение в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания.

Роль индукционной катушки, превратившейся в аппарат, названный позднее трансформатором, как средства электрического разделения цепей переменного тока, отчетливо осознал П.Н. Яблочков [1.6; 2.15; 3.1].

Даже самим фактом патентования системы «дробления света» во многих странах он как бы подчеркивал важность нового предложения. Во французском патенте № 115793 от 30 ноября 1876 г. он писал: «Предметом этого изобретения является распределение токов в целях производства электрического света, позволяющее получить, пользуясь цепью, питаемой одним единственным источником электричества, неопределенное число источников света…». И как бы отмежевываясь от привычных схем индукционных катушек, он указывает: «Если я применяю … электрический источник переменного тока, общее расположение остается неизменным, но прерыватель становится ненужным …».

Система «дробления света» Яблочкова широко демонстрировалась два раза: на Парижской Международной электротехнической выставке в 1881 г. и на Второй Петербургской электротехнической выставке в 1882 г.[3] (где всю систему смонтировал и экспонировал препаратор Московского университета Иван Филиппович Усагин (1855–1919 гг.). Бобины, как их тогда называли, имели одинаковое число витков в первичной и вторичной обмотках, а стальной сердечник был разомкнутым и представлял собой стержень, на который наматывались обмотки. На этой же выставке И.Ф. Усагин впервые демонстрировал схему включения во вторичные обмотки индукционных катушек кроме свечей и других приемников: электродвигателя, проволочной нагревательной спирали, дуговой лампы с регулятором. Все эти приемники могли работать одновременно, не мешая друг другу. Этим экспериментом И.Ф. Усагин убедительно доказал универсальность применения переменного тока.