Мир электричества

В 1830 году Ленц опубликовал результаты своих исследований и отчет о работах во время путешествия. Решением академического совета он был назначен экстраординарным академиком и директором физического кабинета при Академии наук. Здесь он и познакомился с Борисом Семеновичем Якоби. К этому времени относится начало работ Ленца в области электричества и магнетизма.

Общность научных интересов сблизила его с Якоби, связав ученых на всю жизнь тесной дружбой. Они бок о бок трудились в новой, развивающейся области науки об электричестве. Ленц был, как сказали бы мы сегодня, теоретиком. Якоби – экспериментатором и очень изобретательным человеком.

Вместе с Якоби Ленц установил, что любая магнитоэлектрическая машина, которая служит для производства электрического тока, может быть использована в качестве электродвигателя, если через ее якорь, или «арматуру», как тогда говорили, пропускать ток от постороннего источника.

Схема электрической машины Пачинотти-Грамма

Малый двигатель Сименса и Гальске

Первые идеи устройства электродвигателя изложил сам Якоби. Он писал: «…Я не мог сначала отрешиться от идеи получить возвратно-поступательное движение, производимое последовательным притягивающим и отталкивающим действием магнитных стержней, а затем уже превратить это возвратно-поступательное движение в постоянное круговое известным в технике способом…» То есть в основу будущего двигателя он положил сначала возвратно-поступательное движение поршня паровой машины. Идея такого движения отнюдь не плоха, она не умерла и в наше время в области так называемых линейных двигателей. Но подлинную техническую революцию в мире совершили, конечно, машины с вращательным движением якоря.

В 40-60-е годы XIX века, несмотря на то что инженеры для превращения электроэнергии в энергию механическую использовали более знакомые генераторы постоянного тока, изобретатели создали немало конструкций именно электродвигателей. Со временем в них стали появляться механические особенности в соответствии с назначением машин, отличающие их от генераторов.

Казалось бы, после такого блестящего начала, каким явилось испытание двигателя на Неве, от Якоби следовало ожидать дальнейшего совершенствования его двигателя. Тем более что слава о нем прокатилась по всей Европе. Однако, подробно описав конструкцию и принцип ее работы, Якоби проанализировал экономическую эффективность своего детища и… пришел к выводу о нецелесообразности его применения. Паровая машина пока что побеждала машину электрическую.

Тем не менее многие конструкторы занимались созданием различных электродвигателей.

Двигатель фирмы «Dentsche Elektricit"atswerke»

В 1837 году американский техник Томас Девенпорт тоже построил электродвигатель с вращающимся якорем. Принцип действия его практически ничем не отличался от двигателя Якоби. Только на место неподвижных электромагнитов Девенпорт поставил постоянные магниты и сделал свою конструкцию более компактной. Построили электродвигатели французские конструкторы Пэдж и Штэрер… Нельзя не отметить конструкцию студента Пизанского университета Антонио Пачинотти. В 1860 году он предложил новый тип якоря с непрерывной обмоткой и коллектор, сохранившийся практически неизменным до настоящего времени. Четыре года спустя, став профессором физики Пизанского университета, Антонио Пачинотти придумал оригинальный электродвигатель с кольцевым зубчатым якорем и самостоятельно обнаружил явление обратимости электродвигателя в генератор. Но он не знал о возможности самовозбуждения и поставил на свою модель слабые постоянные магниты. И на его изобретение – кольцевой зубчатый якорь – особого внимания тогда никто не обратил. Сам же Пачинотти был человеком, далеким от предпринимательства.

Время Якоби и Ленца было сложным для науки об электричестве. Экспериментаторы накопили множество разнообразных сведений о явлениях, а объяснения им не находили. В ту пору большинство электромагнитных явлений объяснялось наличием «невесомых жидкостей». Так, тепловые явления кое-кто еще принимал за действие сомнительного «теплорода», способного переливаться из одного тела в другое, а проявление магнетизма и электрических сил – за действие «магнитной» и «электрической» жидкостей. При этом физиков все еще смущало то обстоятельство, что электричество можно было «добывать» механически – трением, а также при помощи гальванических элементов, то есть химическим путем. В 1821 году к существовавшим «видам электричества» добавилось еще и термоэлектричество, открытое Томасом Зеебеком. Затем Фарадей показал, что можно получать электричество индукционным способом.

Большой электродвигатель фирмы «Эрликон»

Многочисленные, плохо поставленные непрофессионалами опыты давали разноречивые результаты и приводили к неверным выводам. Так, одно время считалось, что к токам, полученным путем фарадеевской индукции, не применимы законы, выведенные для гальванических токов от химических элементов. В свою очередь, «гальванические явления» считались отличающимися от «истинно электрических», которые создавались трением и накапливались в лейденских банках. Возникало впечатление, что явления разных электрических сил обусловливаются разными причинами. Одни происходили от «электрического флюида» и «гальванической жидкости», другие – от «индукционной электрической жидкости». В условиях такой путаницы следовало прежде всего проникнуться идеей о единой природе и единых законах для любого электрического тока, подтвердив это экспериментами. Сделать это впервые удалось Ленцу.

Он заметил, что Фарадей дал два правила для одного и того же явления. «Сейчас же по прочтении статьи Фарадея, – писал ученый, – я пришел к мысли, что все опыты по электродинамической индукции могут быть легко сведены к законам электродинамических движений, так что если эти последние считать известными, то этим самым будут определены и первые. Мое представление оправдалось на ряде опытов».

Токарный станок с электродвигателем

И дальше Ленц формулирует свое правило: «Если металлический проводник движется поблизости от гальванического тока или магнита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направления, что если бы данный проводник был неподвижным, то ток мог бы обусловить его перемещение в противоположную сторону; при этом предполагается, что покоящийся проводник может перемещаться только в направлении движения или в противоположном направлении».

Сегодня это замечательное правило, сыгравшее огромную роль в истории электричества, формулируется проще: «Индукционный ток имеет такое направление, что его магнитное поле препятствует изменению того магнитного поля, которое вызвало появление индукционного тока».

«Тотчас же по просматривании мемуара Фарадея, – писал Ленц в докладе Петербургской академии наук 29 ноября 1833 года, – мне показалось, что все без исключения опыты электродинамического распространения (индукционных токов. – А. Т.) могут быть очень простым способом сведены обратно к законам электродинамических движений, так что ежели эти законы известны, то и все явления электродинамических распределений (индукционных токов. – А. Т.) могут быть выведены из них».

После убедительных экспериментов Ленц дал обобщенный закон индукции, о котором речь шла выше, то есть, размышляя о фи зической сущности исследованного явления, он пришел к обобщению: «Ежели мы хорошо уясним себе приведенный выше закон, то мы сможем вывести заключение, что каждому явлению движения под действием электромагнитных сил должен соответствовать определенный случай электромагнитной индукции». Выражаясь современным языком, можно сказать: каждому электромагнитному явлению соответствует определенное магнитоэлектрическое явление.

Электрический лифт

Многие достижения Ленца опережали время, и о них забывали. А через полвека – открывали вновь, называя краеугольными камнями нарождающейся электротехники.

Когда в 1831 году Фарадей открыл новое явление, которое мы сегодня называем электромагнитной индукцией, современники вполне оценили огромное значение открытия. Многие тут же включились в работу, черпая первые сведения из перепечатанных во многих журналах фарадеевских «Исследований по электричеству». Другие горестно сетовали по поводу того, что великий экспериментатор «на самую малость» опередил их собственные работы на ту же тему. Находились и такие, кто пытался представить себя соучастниками события… Между тем строгого понимания сути нового явления не было ни у кого. Даже сам Фарадей делил открытое им явление на два вида – на «магнитоэлектрическую» и «вольтаэлектрическую» индукцию. И для определения направления индуцируемого тока давал существенно разные правила в обоих случаях.

Я уже говорил, что многие ученые позволяли себе снисходительно относиться к теоретическим построениям своего английского коллеги. И потому многочисленные эпигоны, не открывая ничего нового, до бесконечности переиначивали формулировки Фарадея и давали свои, подчас совершенно неверные правила для токов.

Двойной эскалатор

Ленц подошел к актуальному вопросу со свойственной ему немецкой строгостью и пунктуальностью и вывел свое знаменитое правило, которое и сегодня наизусть заучивают школьники, а потом повторяют студенты электротехнических вузов.