Основное звено

К этому времени значение первых опытов по передаче электрической энергии на расстояние окончательно определилось. Депре, прежде почти отвергнутого, уже окружали официальным почетом. В 1886 году он был избран членом Парижской Академии наук.

«Больше машин, движимых электричеством! Больше товаров! Больше прибыли!» провозглашали владельцы фабрик и заводов.

«Электричество должно вытеснить громоздкую паровую машину, как не обладающую дробимостью энергии и такой гибкостью применения, как электрический двигатель!»

Так писали в газетах и журналах о пользе применения электричества.

Многим было уже ясно, что использовать огромные, раньше пропадавшие понапрасну запасы энергии в природе можно, лишь превращая ее в электричество, передаваемое по проводам к местам потребления.

Так выгодно поступать с низкосортным топливом (торф, сланцы и др.), отдаленным от промышленных центров, так выгодно использовать энергию горных рек, озер и водопадов.

Катушка Румкорфа. Схема катушки Румкорфа.

Русский инженер Д. А. Лачинов и французский инженер Марсель Депре почти одновременно и независимо пришли к мысли о возможности и выгодности передачи электрической энергии на большое расстояние к местам ее потребления.

Высокое напряжение — основное звено при передаче электроэнергии — привлекало теперь усиленное внимание всех ученых и изобретателей.

Незадолго до Франкфуртской выставки был разработан самый важный аппарат — трансформатор — для преобразования электрической энергии низкого напряжения в высокое напряжение и наоборот. Без этого аппарата передача электрической энергии на далекие расстояния была бы невозможна, как не оправдывающая затрат.

Однако трансформатор не был новым изобретением. Ведь, в сущности, именно трансформатор участвовал в историческом опыте Майкла Фарадея еще в 1831 году!

Но никто и не подозревал тогда, какое важное значение он будет иметь в электротехнике.

Фарадеевский трансформатор представлял собой железное кольцо—сердечник—с двумя независимыми друг от друга проволочными обмотками. В момент замыкания и размыкания тока в одной из обмоток в другой возникал кратковременный ток. С помощью этого прибора Фарадей получал лишь наведенный ток; он не ставил себе целью преобразовать напряжение.

Через семнадцать лет (в 1848 году) известный парижский механик Генрих Румкорф изобрел чрезвычайно важный индукционный прибор, названный катушкой Румкорфа.

На железном сердечнике Румкорф расположил две обмотки изолированной проволоки. Первая обмотка—первичная—состояла из небольшого числа витков толстой проволоки. К концам ее присоединялась цепь, состоящая из гальванической батареи с прерывателем. Вторая обмотка катушки Румкорфа—вторичная—- имела очень большое число витков весьма тонкой проволоки, концы которой присоединялись к двум электродам в виде, например, острия и диска.

В катушке Румкорфа постоянный ток низкого напряжения преобразовывается в переменный ток высокого напряжения. Это происходит таким образом. Постоянный ток, проходя по первичной катушке, намагничивает сердечник, отчего к одному из его полюсов притягивается якорек, разрывающий цепь этого тока. Но как только ток прекращается, якорек возвращается на место и тем самым снова открывает путь току через первичную катушку. Но тут же якорек опять прерывает так. Каждый перерыв тока вызывает изменение магнитного потока сердечника, а это в свою очередь вызывает возникновение тока во вторичной обмотке.

Румкорф заметил, что чем больше витков имелось во вторичной тонкой обмотке, тем более высокое напряжение возникало между острием и диском, вследствие чего между ними с сильным треском непрерывно проскакивали длинные голубые электрические искры—маленькие молнии.

К Румкорфу ежедневно приходили десятки писем от ученых разных стран, все просили его изготовить чудесную «искроносную катушку».

Парижская Академия наук по заслугам наградила Румкорфа большой денежной премией имени Вольта за его замечательный аппарат.

Опыты Фарадея и демонстрацию катушки Румкорфа много раз повторял на лекциях искусный препаратор кафедры физики Московского университета Иван Филиппович Усагин. Это натолкнуло его на мысль о применении индукционных катушек для повышения напряжения в электрической свече Яблочкова.

Он установил у каждой из таких свечей изготовленные им аппараты, напоминавшие кольцо с обмотками в опыте Фарадея. После этого электрические свечи стали светить еще ярче.

Любую из них можно было по желанию гасить, и это не влияло на горение оставшихся. Кроме того И. Ф. Усагин предложил новую систему распределения электрической энергии переменного тока.

Иван Филиппович Усагин был физиком-самоучкой; до девятнадцати лет он едва умел читать и писать.

В 1865 году осиротевшего крестьянского мальчика Ваню Усагина привезли с родины, из села Петровского Клинскoго уезда Московской губернии, в Москву.

Здесь он был отдан в услужение в бакалейную лавку отчима. Тайком от своего «благодетеля» Ваня читал по складам малопонятные ему научные книги. Их приносил, как гостинцы, один земляк, которого почтительно называли «астрономом». Шли годы.

Однажды «астроном» принес Ване старый учебник физики. Эта книга захватила его. И вот в подвале под лавкой Ваня устроил «физический кабинет».

На сэкономленные деньги Ваня приобрел гальванические элементы и материалы, необходимые для сооружения электрической машины. С увлечением Ваня стал делать различные электрические опыты.

Ио все это продолжалось недолго.

Отчим выследил своего молодого приказчика и обнаружил его таинственную лабораторию. Отчиму казалось, что «сынок» собирается его поджечь или взорвать.

— Вот где ты пропадаешь, тихоня! Порох готовишь?

—Да полно вам, тятенька, чтобы! Это для изучения физики я произвожу научные опыты,—оправдывался физик-самоучка.

— Не к чему эти фокусы, не такого ты звания!—кричал свирепый отчим, уничтожая любовно созданную лабораторию.

В 1874 году Ваня Усагин, прослышав об известном московском физике Н. А. Любимове, написал ему полное горечи письмо. В нем говорилось о горячем желании изучать физику, о том, что жизнь мешает осуществить эти стремления, и о том, что бедность мешает Ване выйти на дорогу науки. К великому удивлению хозяина через несколько дней в бакалейную лавочку явился человек в парадном сюртуке, с орденами и медалями. Это был профессор II. А. Любимов.

При виде его отчим Вани Усагина, как и он сам, растерялся. Разговор был короткий. Несколько струсивший отчим не стал препятствовать желанию профессора взять Ваню| Усагина к себе для обучения наукам.

— А какому ремеслу вы его обучать будете?—робко спросил отчим.

— Он будет механиком физических приборов! — ответил профессор.

И вот радостный Ваня Усагин простился с отчимом и со своими скромными пожитками переехал в семью университетского архивариуса Ларионова, где за пятнадцать рублей в месяц, аккуратно вносимых отзывчивым профессором, получал квартиру и стол.

Ежедневно утром (почти в продолжение шести месяцев) Н. А. Любимов обучал Усагина арифметике, геометрии, алгебре и грамматике.

Принцип действия трансформатора и схема передачи электрической энергии.

А через год Иван Филиппович Усагин стал помощником Любимова, демонстрировал различные опыты на лекциях по физике. В этой должности Усагин долго состоял и при профессоре Столетове. Александр Григорьевич Столетов стал вторым отцом Усагина.

В 1882 году Усагин стал заведывать физической мастерской университета. И в том же году Иван Филиппович сделал изобретение, которое сохранит его имя в веках.

Он изобрел трансформатор и успешно применил его для устройства электрического освещения павильонов и территории Всероссийской промышленно-художественной выставки в Москве.

Комитет выставки, присуждавший различные дипломы поставщикам лучших экспонатов, выдал Ивану Филипповичу особый диплом, подписанный от имени жюри выставки великим русским ученым К. А. Тимирязевым:

«За успешные опыты электрического освещения через посредство отдельной индукции и в поощрение дальнейшей разработки этой методы».

Иван Филлипович усовершенствовал свое изобретение и получил второй диплом: «за открытие трансформаций токов», который подписали русские ученые К. А. Тимирязев, Н. Ё. Жуковский и др.

Но Иван Филиппович не имел средств на то, чтобы запатентовать свое изобретение за границей. Вот почему до последнего времени честь изобретения трансформатора приписывается иностранным инженерам.

Иван Филиппович Усагин, талантливый русский физик-самоучка и изобретатель, до последних дней своей жизни работал ассистентом кафедры физики при Московском университете. Когда совершилась Великая Октябрьская социалистическая революция, Иван Филиппович вступил в ряды большевистской партии. Он немало сделал для того, чтобы отныне наука была доступна трудящимся, таким же выходцам из народа, каким был он сам.

Иван Филиппович Усагин умер в 1919 году.

В 1884 году итальянские электротехники, заинтересовавшись опытами Депре, организовали в Турине большую электротехническую выставку. Наиболее важной частью выставки была установка для передачи электроэнергии на расстояние 40 километров, из Турина в Ланцо, при напряжении в две тысячи вольт переменного тока.

Здесь впервые были применены для повышения напряжения передаваемого тока трансформаторы, похожие на аппарат И. Ф. Усагина и вторично изобретенные французским инженером Голардом.

По предложению венгерского электротехника инженера Карла Циперновского и его товарищей Дери и Блату в 1885 году начали строить трансформаторы с кольцевым сердечником. Потери энергии в таких трансформаторах были значительно уменьшены.

Когда появился практически удобный трансформатор, в Италии, Франции, Швейцарии и Венгрии—повсюду были доказаны огромные преимущества не только передачи электрической энергии, но и обязательного, как наиболее выгодного, применения переменного тока.

Применение переменного тока имеет то главное преимущество, что оно с помощью трансформаторов позволяет сравнительно просто получать высокие напряжения.

Трансформатор изготовленный Голардом.

Тогда многие электротехнические фирмы Европы и Америки, изготовлявшие электрические приборы и аппараты постоянного тока, опасаясь краха своих предприятий, пытались задушить развитие техники переменного тока. Дельцы, из Эдисоновской компании, владевшей электрическими станциями постоянного тока, и другой фирмы, производившей оборудование для постоянного тока, за огромные деньги скупали патенты на трансформаторы, чтобы похоронить это изобретение.

Вместе с тем ученые и изобретатели понимали, что ближайшее будущее принадлежит переменным токам, и энергично вели различные исследования именно над ними. В 1887 году крупных успехов в этой области добились итальянский электротехник профессор Галилео Феррарис из Турина и работавший в Америке талантливый физик и изобретатель Николай Тесла.

Феррарис организовал первое в Италии электротехническое инженерное училище, где он провел важнейшие теоретические исследования. Тесла — серб. Он родился в городе Смильяне. Сначала он работал в качестве электромонтера и техника в различных телеграфных и телефонных конторах

Венгрии и на первых электроустановках в Париже. Прослышав о работах Эдисона, Тесла, полный смелых и остроумных изобретательских планов, переселился в начале восьмидесятых годов в Америку. Он попал к Эдисону, но здесь работал недолго. Тесла нашел лучшие условия для осуществления своих планов в лаборатории, вновь созданной для него на средства тех американских капиталистов, которые хотели развивать производство аппаратов переменного тока.

Трансформаторы Голарда и Джибса. Сердечники сделаны в виде железных цилиндров»

 

Схема трансформатора Яблочкова. Яблочков включал свои лампы во вторичные цепи индукторов, соединенных между собой последовательно.

В 1886 году Феррарис сделал крупное открытие. Научной основой исследований и поводом к этому замечательному открытию был давно забытый диск Араго.

Друг великого Ампера, Араго показал, что если быстро вращать медный диск вблизи магнитной стрелки»она также начинает вращаться. Чтобы опыт был еще эффектнее, и никто не мог сказать, что стрелка вращается потому, что она увлекается струей воздуха, Феррарис видоизменил опыт Араго. Между магнитной стрелкой и медным диском он поместил стеклянную пластинку. Великий физик Ньютон много лет назад в опытах с магнитными стрелками тоже разделял их стеклом.

Изучив это явление, Феррарис пришел к заключению, что в медном диске при вращении возникают индукционные токи (ведь диск движется в магнитном поле стрелки и пересекает силовые линии, значит в диске должны индуктироваться токи!). Эти токи, наведенные в диске, в свою очередь образуют магнитные поля, которые механически взаимодействуют с магнитным полем магнитной стрелки. Поэтому-то стрелка и вращается.

Феррарис сделал и обратный опыт. Он взял достаточной силы магнит и стал вращать его. Тогда по тем же законам вслед за магнитом начинал двигаться и медный диск.

Так, воспроизводя эти старые опыты Араго, Феррарис установил, что движение диска происходит от взаимодействия магнитных полей, одно из которых вращается.

Тем самым Феррарис открыл существующее при переменном токе вращающееся магнитное поле и возможность создания на этом принципе генераторов и моторов переменного тока.

Открытием Феррариса заинтересовались электрики всех стран. Весть о существовании вращающегося магнитного поля быстро проникла и за океан. Николай Тесла и Чарлз Бродлей оценили огромное значение открытия Феррариса и на этом новом принципе стали конструировать двигатель nepeменного тока . У,

Но уже вскоре наилучших результатов добился работавший в Германии русский электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский, ставший отцом применяемой и поныне системы трехфазного тока.

Принцип действия асинхронного двигателя. Магнит при своем вращении наводит в диске (слева) или якоре (cnpавa) токи. Эти токи создают магнитный шток, который, взаимодействуя с потоком вращающегося магнита, заставляет диск или якорь вращаться. В двигателях переменного тока вращается магнитное поле статора и увлекает за собой ротор.

Он родился 3 января 1862 года в С- Петербурге, а в Одессе окончил реальное училище. Тяга к технике определилась в нем с детских лет, и он решил стать инженером. Добровольский поступил в Рижский политехнический институт. Здесь он учился лишь несколько месяцев. Передовое студенчество из солидарности с рабочими рижских заводов организовало в 1881 году мощную забастовку. За это Добровольского, в числе многих студентов, исключили из института без права поступления в высшие учебные заведения России. Его дядя выхлопотал ему разрешение поехать учиться за границу. Он же снабдил его небольшой суммой на проезд.

Михаил Осипович прибыл в Дармштадт (близ Франкфурта-на-Майне) и поступил в местный политехникум, вскоре преобразованный в электротехнический институт. Своими блестящими способностями русский студент не раз изумлял профессоров института.

В 1890 году, за год до открытия Франкфуртской выставки, Добровольский был приглашен в качестве инженера на работу в известную германскую фирму АЕГ. В его голове уже тогда окончательно созрел проект нового электрического двигателя.

Немцы предложили Михаилу Осиповичу переменить подданство.

— Здесь будет рождаться ваше детище. Эта страна— ваша новая родина. Станьте гражданином Германии.

— Нет, нет! — отвечал Михаил Осипович.— Я русский человек. Моя родина Россия, я русский подданный...

Электрический трехфазный двигатель—мотор Доливо-Добровольского представлял собой исключительную по простоте и удобству машину, равной которой еще никогда не было. Фирма ухватилась за изобретение Добровольского и нажила на нем огромные прибыли.

Трехфазный двигатель Доливо-Добровольского.

Трансформатор, трехфазные машины и двигатели переменного тока — это именно те самые основные аппараты, которые открывали электричеству ворота на все фабрики и заводы. Франкфуртская выставка наглядно это показала. Она-то и решила спор о преимуществах переменного тока.

Верный ученик Депре, Оскар Миллер вновь, как и девять лет назад в Мюнхене, с прежней страстностью взялся за испытание всех новых машин и аппаратов в действии. Миллер был не только замечательным пропагандистом электропередач, но и борцом за технику переменного тока.

По настоянию Миллера и под его техническим руководством были проведены новые опыты по передаче электрической энергии на Франкфуртской выставке 1891 года.

Уже с лета 1890 года Оскар Миллер вел кипучую организаторскую работу.

Нужно было построить первую в мире длинную линию электропередачи из местечка Лауффен близ Гейдельберга Сна левом берегу реки Неккара) во Франкфурт—175 километров! На такое расстояние раньше никто даже и не мыслил возможным передавать электрическую энергию.

Устройство асинхронного двигателя. Вид асинхронного двигателя; ротор асинхронного двигателя с кольцами; статор асинхронного двигателя; короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя; беличья клетка.

Инженеры Броун и Доливо-Добровольский, разрабатывали проект этой грандиозной электропередачи.

Десятки других не менее важных технических поручений по выставке с огромной любовью, точностью и аккуратностью выполнял другой молодой русский инженер-технолог, секретарь выставочного комитета Роберт Эдуардович Классон. О лучшем помощнике Миллер не мог и мечтать.

Классон очутился во Франкфурте при следующих обстоятельствах. В Петербургском технологическом институте, который только-только окончил Классон, электротехника еще не преподавалась. Испытывая огромное влечение ко всему, что связано с электричеством, Классон, едва закончив институт, помчался во Франкфурт, желая изучить электротехнику в процессе сооружения грандиозной электропередачи.

Однако Миллер не знал другой причины, приведшей Роберта Классона в его страну. Дело в том, что Классон был активным членом студенческого марксистского кружка технологов. В Петербурге, на Охте, на квартире Классона бывали все виднейшие марксисты того времени. Здесь бывали Владимир Ильич Ленин, Крупская, Красин и др.

О революционных настроениях кружковцев, жадно изучавших великие произведения Маркса и Энгельса, много говорили в Петербурге. И Классону как одному из руководителей кружка стало опасно оставаться в самодержавной России. И вот Классон поспешил за границу...

Устроителям этой новой выставки удалось более совершенным образом приспособить силовую часть.

Воды живописного Неккарского водопада вращали гидротурбину. Система зубчатых передач преобразовывала вращение вертикального вала гидротурбины в горизонтальное. С горизонтальным валом вращался ротор трехфазного генератора переменного тока. С помощью трансформатора ток высокого напряжения поступал в линию электропередачи.

Во Франкфурте в силовом павильоне выставки был установлен понижающий трансформатор. Приходящая сюда из Лауффена электрическая энергия преобразовывалась в ток низкого напряжения—с восьми тысяч пятисот вольт до шестидесяти пяти вольт. Током низкого напряжения питались тысяча ламп накаливания (освещение выставки) и трехфазный двигатель М. О. Доливо-Добровольского. Мотор приводил в движение мощный водяной насос, который перекачивал воду на высоту более 9 метров, откуда вода падала на землю. Этот искусственный водопад был подобием породившего его Неккарского.

Трудности, которые встретил Оскар Миллер девять лет назад при устройстве электропередачи Мисбах—Мюнхен, оказались незначительными по сравнению с теми, которые возникали теперь.

Тогда нужно было сломить стену невежества в одном только маленьком баварском государстве. Теперь на протяжении 175 километров Миллеру оказывало сопротивление множество мелких князьков и помещиков. В немецких газетах печатались невежественные высказывания врагов прогресса науки и техники:

— До Франкфурта, вероятно, дойдет не более пяти процентов посланной энергии!

— Миллер своими выдумками в конце концов испортит нам телефонные и телеграфные линии!

И тот факт, что выставка существовала уже три месяца, а грандиозная электропередача все еще бездействовала, постоянно служил поводом для разговоров о безуспешности нового опыта и его неизбежном провале. Но, несмотря на все препятствия и вопреки всему, наука опять победила!

25 августа 1891 года впервые на Франкфуртской выставке вспыхнули сотни электрических лампочек и пришел в движение замечательный по своей простоте электрический мотор Доливо-Добровольского.

Эти первые радостные минуты, вознаградившие энтузиастов новой электропередачи за их двухлетний напряженный труд, напомнили Миллеру недавно минувшее.

Он вновь пережил очарование осуществленной мечты.

Доливо-Добровольский и Классон — русские инженеры-пионеры всей современной электротехники, горячо радуясь этой победе, мечтали о подобных сооружениях у себя на родине, в России.

Между тем, первым, опытом в Мюнхене, и этим, на Франкфуртской выставке, было много очень важных различий. За истекшие девять лет на новой основе (вращающееся магнитное поле) создана была техника переменного тока.

Миллер повесил табличку, которая давала посетителям рыставки наглядное представление о новой победе электротехники:

ТАБЛИЦА

сравнительных данных опытов передачи на расстояние электрической энергий

Год опыта	1882 г.	1891 г.
Название передачи	Мисбах — Мюнхен 57 километров	Лауффен — Франкфурт
Длина линии		175 километров
Число проводов	2	3
Диаметр провода	4 миллиметра	4 миллиметра
Род тока	Постоянный	Переменный (трехфазный)
Величина напряжения	1 500—2 000 вольт	8 500 вольт
Передаваемая мощность	2 л. с.	300 л. с.
Приемники энергии	1 мотор постоянного тока	1 мотор переменного тока и 1 000 ламп накаливания
Из переданной мощности дошло к потребителю энергии	22 процента	75 процентов

7 сентября 1891 года на территории Франкфуртской выставки начались заседания очередного международного электротехнического конгресса.

Тепло и радостно встретили делегаты Миллера, Феррариса, Циперновского, Доливо-Добровольского, Классона и всех тех, научные исследования и изобретения которых сделали возможным осуществление электропередачи из Лауффена во Франкфурт. Все это совсем не было похоже на прием Депре, который ему оказали девять лет назад на Парижском конгрессе.

Франкфуртская выставка и конгресс данными науки и опыта решительно сломили упорство тех, кто тормозил развитие техники переменного тока.

После Франкфуртской выставки спрос на электрическую энергию неимоверно возрос.

Ведь раньше маленькие электрические машины могли снабжать электрическим током только квартиры капиталистов и некоторые дома, расположенные поблизости от электрической станции. Теперь же стало очевидным, что электричество способно во много раз ускорить производство рабочими огромных масс товаров.

Электрическая техника облегчала империалистам захват новых колоний. Индусам, китайцам, персам и арабам, неграм и абиссинцам нужны ситец и спички, табак и пуговицы, соль и сахар, мыло и гвозди и десятки других предметов. Чтобы быстро производить все это в огромных количествах, изобретались все новые машины. Этих машин теперь требовалось очень много. Их нужно, быстро произвести. Электрические сверла и пилы, электрические молоты, токарные, строгальные и шлифовальные станки, вращаемые электричеством, облегчили производство машин, производящих разные товары. Электричество превращало бесформенные куски руды в строгие формы хитрых и прибыльных машин. На все это требовалось очень много электрической энергии.

И вот промышленники повсюду начали сооружать большие фабрики электроэнергии, электрические станции—в Нью-Йорке, Бостоне, Берлине и Франкфурте, Париже и Лионе, Лондоне и Бирмингеме, Риме и Стокгольме.

В Петербурге, в Москве и Баку первые - электрические станции проектировал и сооружал, выдающийся русский инженер Роберт Эдуардович Классон.

Везде возникали эти невиданные фабрики чудесной энергии.

Но уже скоро стало заметно, что и эти городские электрические станции не справляются со все возрастающей нагрузкой. И тогда возникли десятки новых более мощных станций с сотнями километров линий электропередач.

Энергия водопадов и рек попадала на лопатки огромных водяных (гидро) турбин и заставляла вращаться генераторы. Рождалась электрическая мощность тысяч лошадиных сил; энергия мчалась по проводам на сотни километров, чтобы обратиться в движение машин, станков, кранов, трамваев.

Худшие сорта угля и топливные отбросы перестали возить по железным дорогам. Их начали сжигать невдалеке от шахт под паровыми котлами. Жар топок обращал воду в пар, и этот пар вращал турбогенераторы. Так человек обращал в поток электричества тепловую энергию угля.

Европа и Америка становились странами электричества. Эта чудесная сила быстро преображала лицо городов и стран, ускоряя бег истории.

Потребовались новые, более совершенные средства связи.

Эту задачу с помощью электричества пытались решить многие. Но первым, кто этого добился, был гениальный русский ученый-изобретатель А. С. Попов.