Мир электричества - Анатолий Томилин

Вильгельм Эдуард Вебер – немецкий физик, член-корреспондент Берлинской академии наук. Его основные работы посвящены электромагнетизму.

В 1833 году он вместе с Карлом Гауссом построил первый в Германии электромагнитный телеграф. Затем сделал несколько чрезвычайно важных и интересных теоретических работ. И в 1854 году выдвинул теорию магнитных диполей – элементарных магнитов. В 1871 году Вебер построил первую электронную модель атома и предположил его планетарную структуру.

В 1880 году немецкий физик, член Берлинской академии наук Эмиль Габриэль Варбург открыл явление магнитного гистерезиса.

Гистерезис – термин происходит от греческого слова «отставание». Магнитный гистерезис – это явление запаздывания намагниченности вещества от вызывающей его напряженности магнитного поля. При циклическом изменении напряженности магнитного поля изменение намагниченности изображается петлей гистерезиса.

Вильгельм Эдуард Вебер (1804–1891)

Он доказал, что циклическое перемагничивание железа связано с потерями механической, а следовательно, и электромагнитной энергии. А проявляются эти гистерезисные потери в нагреве. В 1881 году Варбург нашел связь между этими потерями и площадью гистерезисной петли. А американский электротехник Чарлз Протеус Штейнмец предложил эмпирическую формулу для определения этих потерь. Теперь конструкторы смогли перейти хотя бы к примерному расчету, а следовательно, и к более строгому проектированию. До того конструирование электромагнитов за рамки интуиции изобретателей не выходило. И это, естественно, сдерживало развитие новой техники.

В 1880 году американский промышленник Хайрам Максим, изобретатель автоматической винтовки, скорострельной пушки и станкового пулемета, а также известной модели самолета, предложил усовершенствовать зубчатый якорь Пачинотти, просверлив в нем внутренние каналы для вентиляции. А американский электротехник Томас Алва Эдисон в том же году запатентовал якорь, набранный из отдельных пластин, изолированных друг от друга листами бумаги.

Петля гистерезиса для ферромагнетика

Динамо-машина Эдисона с нижним расположением якоря

Так, к концу 80-х годов динамо-машина получала все более и более совершенную конструкцию. В дальнейшем электрические машины постоянного тока в основном наращивали мощность и увеличивали диапазон регулирования частоты вращения. Принципиальных изменений в их конструкции уже не происходило. Строили их в основном по индивидуальным проектам или незначительными партиями. И это тормозило их распространение.

В 1932 году в нашей стране были разработаны и построены первые серии машин постоянного тока мощностью свыше 200 кВт. Изготовление крупных машин постоянного тока было сосредоточено в Ленинграде на заводе «Электросила» и на Харьковском электромашиностроительном заводе.

На заводе «Электросила» с 70-х годов выпускался и генератор постоянного тока мощностью 9,5 МВт и с напряжением 930 В, превосходивший по своим техническим данным генераторы постоянного тока во всем мире. Было разработано и испытано оборудование для линии электропередачи постоянного тока протяженностью 2400 км: Экибастуз-Центр с напряжением 750 кВ и мощностью 6300 МВт.

ВРЕМЯ ПРИМЕНЕНИЯ

Глава 10. Да будет свет!

Остановиться, оглянуться

Есть такой совет у мудрых людей: когда долго и упорно преследуешь какую-то цель, очень полезно время от времени останавливаться и оглядываться на пройденный путь. Так сказать, подвести некоторые итоги.

Наша книга об истории электричества и магнетизма, о том, как люди познакомились с этими явлениями, как от мифических представлений перешли к вопросам, что они собой представляют и каким законам подчиняются. И наконец, о том, что мы могли бы получить от использования электромагнитных эффектов. Так уж устроен человек, что из всего хочет извлечь некую практическую пользу. На этом зиждется прогресс.

Мы с вами познакомились с самыми древними размышлениями о таинственной силе магнита и электричества, побывали и в эпохе, когда ученые шаг за шагом пытались с помощью опытов и теории уяснить себе законы, которым эти силы подчиняются. Увидели, как практики, пока физики из отдельных феноменов складывали общую стройную картину, старались приспособить открытые явления к требованиям жизни общества.

Давайте и мы остановимся временно на достигнутом великими и попробуем взглянуть дальше, в конец XIX столетия, когда накопившиеся знания, как взрыв, в течение нескольких лет создали совершенно новую ступень цивилизации, создали тот электрический мир, вне которого не смогла бы сегодня выжить большая часть населения Земли…

Начнем с самого начала. Польза от магнита древним мудрецам была понятна. Магнитная стрелка может служить путеуказателем. Кроме того, магнит будто бы лечил. Вспомните доктора Гильберта. А что давало нам электричество? Искры, молнию… Сомнительная польза. Хорошо, что Франклин и Ломоносов научили нас защищаться от грозы громоотводами. Но что же дало толчок практическому применению неведомой электрической силы? Посмотрим в начало XIX века. 1802 год. Профессор Петербургской медико-хирургической академии Василий Петров зажигает электрическую дугу, обещающую дать новый источник света и победить тьму ночи. Великое открытие. Но оно не выходит из стен лаборатории. Если согласиться, что это начало практики, то вольтов столб был изобретен еще раньше. Нет, не то…

А вот еще дата: 1832 год. Барон Павел Львович Шиллинг фон Канштадт устанавливает между Зимним дворцом в Санкт-Петербурге и Министерством путей сообщения электрическую телеграфную связь. Смотрите-ка, это уже не лаборатория. Пожалуй, именно создание телеграфа и есть истинное начало практики, потому что все, сделанное ранее, принадлежало науке.

В том же году на основании исследований Ампера и Фарадея, выяснивших зависимость между механической энергией и энергией электрической, Пикси строит первую магнитоэлектрическую машину, способную преобразовывать один вид энергии в другой. Пройдет совсем немного лет, и мощные электрогенераторы, правнуки машины Пикси, погонят постоянный и переменный ток по проводам, зажгут миллионы ламп накаливания и вдохнут новую жизнь в производство. Начнется на Земле новая ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЭРА.

Рождению электротехники и будет посвящена третья, заключительная часть книги. Я не зря говорил, что перед вами история электричества. Время, в которое судьбе угодно было поместить нас с вами, еще не история, это еще современность. Поэтому не сетуйте на автора за то, что он не расскажет вам о технических достижениях конца ХХ и начала XXI веков, а остановится на фактах, уже отплывших по течению великой реки времени. Наша книга об истоках, о том, с чего начался окружающий нас ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МИР.

Электротехнический взрыв

Если посмотреть на хронологию научно-технического прогресса, нетрудно заметить, что он никогда не движется равномерно. Годы и десятилетия могут проходить в спокойном бездействии, а потом вдруг начинается бурное развитие. Появляются новые технические принципы, изобретатели придумывают новые машины, создаются новые технологии.

На самом деле, наверное, «тихие годы» нужны для того, чтобы накопились противоречия, созрели новые требования и подготовились условия для «взрыва». Мы этой «тихой работы» просто не видим, как не замечали современники Ампера, даже Фарадея и Максвелла их подготовительных трудов для бурной эпохи конца XIX – начала XX столетия. И все же нельзя не удивляться. Деды и бабушки моих читателей еще прекрасно помнят керосиновые лампы, печное отопление в городах, телефоны с разделенными трубками и микрофонами, укрепленными на стене, и детекторные радиоприемники. Ламповые же радиоприемники-новинки были величиной с небольшой холодильник. То есть за время жизни двух-трех поколений окружающий нас мир вещей разительно переменился. И начало этому изменению положили все те события, которые были описаны в предшествующих главах.

Электрический свет и надежда на применение электричества для совершения механической работы были сверкающим Олимпом, добраться до которого мечтали люди науки и техники. Но для этого нужно было сперва научиться производить электроэнергию, то есть придумать, сконструировать и построить электрогенераторы. Пусть сначала – постоянного тока.

Затем освоить передачу электроэнергии на расстояние, чтобы использовать ее главное преимущество. И передавать так, чтобы в линии передачи не терялась большая часть энергии, вырабатываемой машинами, то есть добиться высокого коэффициента полезного действия – КПД. А уж потом придумывать приборы и аппараты, которые будут потреблять электроэнергию на приемном конце линии и превращать ее в другие виды необходимой человеку энергии: в свет, в тепло и холод, в механическую силу и движение, в технологический процесс, и так далее, и тому подобное. Позже от простого электрического телеграфа люди перейдут к передаче сообщений с помощью электромагнитных волн, придумают радиолампы, от них уйдут к транзисторам и интегральным схемами дальше по пути микроминиатюризации, к технологиям на молекулярном уровне, вернувшись к лягушкам Гальвани, ученые перейдут к объединению с биологией… Но здесь история уже заканчивается и наступает черед фантастики. А это не наша тема. Мы с вами пока находимся во второй половине XIX столетия, ближе ко второй его трети.