Внимательно изучив материалы выставки, Миллер узнал, что развитие электрических машин шло по двум направлениям. Одни ученые-изобретатели заняты были конструированием электрического двигателя-мотора, то есть такой машины, которая превращала бы электрическую энергию в механическую paботу. Другие ставили перед собою задачу создания машины, которая была бы источником получения электричества — генератором.
Впрочем, электрическая машина обладает обратимостью: одна и та же электрическая машина может быть и генератором и мотором. Если вращать машину, то есть затрачивать на ее вращение механическую энергию, машина дает электрический ток; если, наоборот, питать машину электрической энергией, то от нее можно получить механическую работу.
Миллер улыбнулся, когда увидел на стене чертежи первых электрических двигателей. Как похожи они были по своему внешнему виду на паровые машины!
Необходимыми элементами поршневых паровых машин являются цилиндры, в которых под давлением пара ходят поршни. Это прямолинейное движение с помощью рычагов — шатунов и кривошипов—преобразуется во вращательное движение колес, как, например, в паровозе.
Старые типы электрических машин очень напоминали такую паровую машину. Вместо цилиндров первые электрические машины имели пустотелые катушки из многих витков проволоки, а вместо поршней внутрь катушек погружались железные сердечники. Еще одно устройство делало те и другие машины похожими друг на друга. Впуск пара в цилиндр паровой машины регулируется золотником — особой крышкой, которая попеременно открывает и закрывает отверстия для впуска пара в машину. В электрических машинах роль золотников выполняли особые приспособления (коммутаторы), менявшие направление тока в катушках.
В одной из витрин находился электрический двигатель русского ученого, академика Бориса Семеновича Якоби, который совместно с знаменитым русским физиком Эмилием Христиановичем Ленцем провел несколько важных исследований по электромагнетизму. Над этим двигателем Якоби работал больше трех лет. Двигатель Якоби был готов еще в 1837 году.
Своим изобретением Якоби заинтересовал адмирала русского царского флота И. Ф. Крузенштерна, благодаря которому он получил возможность у становить двигатель на специальной шлюпке длиной двадцать шесть футов. Этот электродвигатель развивал мощность в четыре пятых лошадиной силы. Для питания двигателя на лодке было установлено триста двадцать гальванических элементов Грове. Летом 1838 года эта лодка с изобретателем и двенадцатью пассажирами шла против течения по реке Неве в Петербурге, вызывая всеобщее восхищение. В том же году Якоби сконструировал особый двигатель для небольшой тележки.
То была первая в мире попытка электрифицировать железные дороги. Но это изобретение сильно опередило свой век. В то время чиновники министерства путей сообщения вообще противились строительству железных дорог.
«Русские вьюги не потерпят иноземных хитростей! Зимы-матушки занесут снегом колеи и заморозят паровозы»—так писали в «Журнале общеполезных сведений». Где уж тут до электрических железных дорог! Более успешно развивалось изобретение электрических генераторов—источников электрического тока.
Всякая электрическая машина имеет три главнейшие части: 1) магниты, которые образуют магнитное поле, 2) обмотку из витков изолированной проволоки (в которой, если ее перемещать в магнитном поле, наводится ток) и, наконец, 3) коллектор, при помощи которого ток собирается, выпрямляется и отводится из машины в потребляющую ток внешнюю цепь.
Усовершенствование каждого из этих элементов машины шло постепенно и в течение многих лет.
В машине могут быть применены как естественные, так и искусственные магниты. Удобнее, дешевле и выгоднее применять искусственные магниты. Но действие и тех и других с течением времени будет ослабевать, а это неудобно. Вместо использования естественных или искусственных магнитов можно обмотать витками изолированной проволоки железные сердечники нужной для машины формы и получить электромагниты.
Одни электрические машины дают переменный ток, другие—постоянный. Постоянный ток—электрический ток неизменного направления и силы — ток элементов, аккумуляторов, машин постоявпого тока. Различие между машинами, вырабатывающими переменный и постоянный токи, зависит от устройства обмотки и выводов тока из нее.
Желая усилить действие постоянных магнитов, а следовательно, и получение электрической энергии от машины, изобретатели электрической машины сначала прибегали к помощи гальванической батареи. Когда на постоянный магнит наматывалось некоторое число витков проволоки, через которую проходил ток гальванической батареи, действие магнитов значительно усиливалось.
В декабре 1866 года несколько изобретателей в различных странах предложило новое серьезное усовершенствование. Для получения тока в электрических машинах, применив так называемое самовозбуждение.
Впервые оно было предложено еще в 1854 году датским изобретателем-самоучкой Сореном Хиортом. Зная, что размагниченная сталь или железо сохраняют так называемый остаточный магнетизм, он пришел к заключению, что можно обойтись без постороннего источника для возбуждения магнетизма электромагнитов.
Если покрыть железный стержень обмоткой, приключенной к главным зажимам машины, то, как только машина в силу остаточного магнетизма начнет давать слабый тек, он пройдет по обмотке железного полюса и несколько усилит его магнитное поле; от этого еще более усилится тек машины, и опять еще более усилится магнитное поле. Таким образом, получается, что машина как бы сама возбуждает свой магнетизм. Принцип самовозбуждения был положен в основу конструирования новых, более совершенных электрических машин, которые стали называться динамо-машинами или динамоэлектрическими машинами («динамо» — по-гречески сила).
Ток первых электрических машин, в отличие от тока гальванических элементов, был пульсирующим, или толчкообразным.
Бельгийский рабочий, столяр Зиновий Грамм, первый создал годный для промышленных целей генератор электрической энергии. Изобретение Грамма состояло в применении в качестве якоря кольца из мягкого железа, на которое могло быть навито много обмоток изолированной медной проволоки. Все эти отдельные обмотки кольца, соединенные последовательно, образовывали как бы одну большую катушку.
Когда в мае 1873 года в Вене была открыта Всемирная промышленная выставка, на ней особенно выделялись машины Грамме. Тогда впервые узнали, что электрические машины обладают свойством обратимости, хотя это важное открытие было сделано еще более чем за 30 лет до этого русским физиком Э. X. Ленцем. Об этом было с большой поспешностью и некоторой преувеличенностью рассказано во всех газетах и журналах.
«Электрическую энергию можно передавать на расстояние!»
«Электрическяе машины могут по желанию быть источниками электроэнергии или работать в качестве двигателей. Это доказано с помощью машин Зиновия Грамма!»
Но машина Грамма в ее первоначальном виде далеко еще не была завершением работ ученых и изобретателей.
Уже в июне 1873 года по идее замечательного русского электротехника П. Н. Яблочкова был разработан якорь, еще более простой и удобный, чем якорь Грамма. Этот якорь был назван барабанным, или цилиндрическим. Он представлял собой железный цилиндр, на котором параллельно его оси (по образующим цилиндра) располагались обмотки. Якорь помещался между двумя магнитами, полюсы которых были обточены так, что между якорем и полюсами оставался только небольшой воздушный промежуток. К тому времени уже было замечено, что действие машины значительно улучшается при уменьшении воздушных промежутков между якорем и полюсами,
На Парижской выставке было представлено пятьдесят типов различных машин. Около пятнадцати типов из них уже применялись в промышленности для вращения станков, для освещения, химического получения и очистки металлов, перемещения тяжестей и других надобностей.
«Странно,—подумал Миллер,—каждая из машин предназначена питать своей электрической энергией очень небольшое число приборов. Чуть ли не каждый потребитель электроэнергии должен иметь свою отдельную машину. Это нелепо! Ведь потребители газа или воды не покупают себе машин, производящих газ, или насосов для перекачки воды из рек и озер. Потребитель, отвернув кран, в любое время может получить любое количество газа или воды из общегородской сети. Точно так же должна доставляться потребителю и электроэнергия. Для этого нужно производить большое количество электроэнергии на особых фабриках электричества и научиться передавать эту энергию из одного места всем потребителям».
Но ответа на волновавшие его вопросы Миллер не находил на выставке.
