Михаил Шателен - Русские электротехники
Электрические генераторы, основанные на принципе электромагнитной индукции, решали основную задачу — задачу получения электрической энергии в достаточных количествах и в приемлемых, с экономической точки зрения, условиях, позволяя применять для своего вращения любые двигатели — паровые, водяные, газовые, нефтяные, ветряные и всякие другие, допуская использование и превращение в электрическую энергию всех видов энергии, получаемых от природных энергетических ресурсов. Нужно было только найти для первичных двигателей и для электрических генераторов рациональную конструкцию. Поисками этих конструкций занимались инженеры и изобретатели второй половины XIX в. и продолжатели их дела в XX в. Совершенствование конструкций как электрических генераторов, так и паровых, водяных и других двигателей, нужных для вращения генераторов, пошло быстро. Этому способствовали и научные достижения как в области физики, так и в области техники, полученные в те же периоды времени.
Громадные достижения в конструкции тепловых и гидравлических двигателей и их регулирования, а также их высокая экономичность, приведшие к возможности сооружать, например, быстроходные паровые турбины с высоким давлением пара, мощностью в 100 000 квт и более или строить мощнейшие гидравлические турбины для всяких напоров, достигнуты, главным образом, благодаря требованиям электротехники и прогрессу в области сооружения электрических генераторов.
Первые, появившиеся после диска Фарадея, генераторы были машины небольшой мощности, разнообразной конструкции, магнитное поле которых создавалось постоянными магнитами. Коэффициент полезного действия их был весьма невелик. Как общее правило, эти генераторы давали переменный или «волнообразный» ток. Но эти генераторы стали быстро совершенствоваться. Постоянные стальные магниты были заменены электромагнитами, был открыт принцип самовозбуждения, были придуманы разные способы включения намагничивающих обмоток (последовательное и параллельное), отвечавшие требованиям различных условий работы генераторов, и, наконец. Пачинотти и Граммом, независимо друг от друга, был изобретен якорь с коллектором, позволивший получать от генераторов, основанных на принципе электромагнитной индукции, постоянный ток. Изобретение коллектора имело исключительно большое значение, так как позволило получать от машин тот ток, который давали гальванические батареи и с которым умели уже обращаться.
Со времени изобретения вольтова столба и затем постепенного усовершенствования гальванических элементов, дававших постоянный ток, все применения электричества были применениями постоянного тока. Для него были установлены законы, его научились измерять и т. д. Между тем, все электрические машины до изобретения Грамма давали ток переменный или, в лучшем случае, «волнообразный». Это обстоятельство сильно препятствовало распространению применения электрической энергии. Изобретение коллектора Грамма устранило это затруднение и распространение применения электрического тока стало быстро расти. Этому способствовало и то, что был открыт принцип обратимости динамомашин постоянного тока, т. е. был изобретен электродвигатель постоянного тока, весьма простой и удобный по своим свойствам для всякого рода применений. Это дало возможность широко расширить область применения электрического тока, т. е. развить электротехнику.
Однако, правильному развитию электрического машиностроения сильно мешал недостаток сведений о магнитных свойствах магнитных материалов разного рода (железо, сталь, чугун) и, в частности, зависимости этих свойств от степени намагничения, а также недостаток сведений о влиянии остаточного магнетизма на свойства машин (гистерезис). Понятие о магнитном потоке было уже установлено Фарадеем, но рассчитывать величину потока в зависимости от применяемого для намагничения тока, от размеров магнитных сердечников, от свойств примененного магнитного материала не умели. Все эти вопросы были решены после целого ряда исследований, произведенных физиками — проф. А. Г. Столетовым, Роуландом, Гопкинсом, Юингом и др. над магнитными свойствами железа в разных видах и способами измерений этих свойств, и, особенно, после установления «закона магнитной цепи», введения понятий о магнитодвижущей силе и магнитном сопротивлении. Для теории электрических машин установление этого закона имело громаднейшее значение. Можно сказать, что лишь после установления этого закона началось создание той теории машин, которая позволила начать рационализацию конструкций электрических машин и двигателей. До установления этого закона изобретатели работали ощупью, после него у них открылись глаза. Это можно видеть по быстрым успехам электрического машиностроения, последовавшим за установлением закона магнитной цепи [3].
Те особенности конструкций динамомашин, которые выставлялись их изобретателями как особенно полезные, на деле оказывались часто наиболее неудачными. Так, например, тонкие высокие сердечники первых машин Эдисона, которые этот изобретатель считал за особое из достоинств своих машин, в действительности оказались самой неудачной частью этих машин. Знание закона магнитной цепи позволило в дальнейшем избегнуть таких ошибок. Над изобретением генераторов и электродвигателей трудился целый ряд изобретателей, ученых и техников, среди них из русских изобретателей надо отметить академиков Ленца и Якоби, построивших первый электродвигатель, который, питаясь от гальванической батареи, мог двигать лодку по Неве, даже против течения, с относительно большой скоростью.
Трудами Ленца и Якоби внесено много ясности в теорию электрических машин и был установлен целый ряд их свойств. Этими же учеными был впервые установлен принцип «обратимости машин», т. е. способность машин работать в качестве как генераторов, так и электродвигателей. В дальнейшем над электрическими машинами работал из русских изобретателей П. Н. Яблочков, предложивший оригинальную конструкцию машин постоянного и переменного тока и участвовавший в создании на заводе Грамма в Париже первого генератора переменного тока, специально сооруженного для питания «свечей Яблочкова». Конечно, были у нас и другие изобретатели электрических машин (Полешко, Клименко, Лачинов и др.), но состояние электропромышленности в России в то время не было таково, чтобы их изобретения могли осуществляться.
Появление генераторов электрического тока, превращавших механическую энергию в электрическую и дававших возможность, утилизируя естественные энергетические ресурсы, получать достаточно дешевый электрический ток, создало необходимые предпосылки для развития практических применений электрического тока.
Первое из них применение для освещения, как было уже сказано, возникло сначала на основе использования, открытого академиком Петровым светового явления, получившего впоследствии название «вольтовой дуги». а затем на основе изученного акад. Ленцем и Джоулем явления нагревания проводника проходящим по нему током. Таким образом, оба явления, базируясь на которых возникла осветительная техника XIX в., были или открыты, или изучены русскими учеными. Русскими же изобретателями были найдены и реальные способы использования этих явлений для устройства электрических источников света — П. Н. Яблочковым для устройства дуговой лампы, получившей название «свечи Яблочкова», и А. Н. Лодыгиным для устройства лампы с накаливаемым светящимся проводником, получившей название «лампы накаливания».
До появления свечи Яблочкова и лампы накаливания Лодыгина делались многочисленные попытки создания электрических источников света, но все они кончались неудачей. Пути развития электрической светотехники показали русские пионеры и, идя по указанному ими пути, светотехника в руках талантливых изобретателей всего мира, в том числе русских изобретателей — Репьева, Доброхотова-Майкова, Тихомирова, Чиколева и ряда других, быстро достигла большого совершенства. Рост числа применений свечи Яблочкова и возникшая отсюда необходимость питать возможно большее число свечей от одного общего генератора электрического тока привели П. П. Яблочкова к изобретению прибора (1877 г.), который он назвал индукционной катушкой и который впоследствии получил название трансформатора переменного тока. Этот же трансформатор несколько времени спустя был вторично изобретен сотрудником проф. Столетова по Московскому университету Усагиным (1882 г.) и затем еще раз в 1885 г. построен французским электриком Голардом и венгерскими инженерами Циперновским, Дери и Блати, работавшими на заводе Ганца в Будапеште. Трансформаторы Яблочкова и Усагина не получили распространения, и только позже, когда начало развиваться применение переменного тока высокого напряжения, трансформаторы нашли свое место в электротехнике. Это уже были трансформаторы Голарда и Гиббса и трансформаторы Циперновского, распространявшиеся в Европе фирмой Ганц. В США трансформаторы Голарда и Гиббса строила фирма Вестингауз, трансформаторы Циперновского — Генеральная Электрическая Компания.
