Создатели двигателей

О связи между магнитными и электрическими явлениями думал и Петров. Но установить эту связь выпало ла долю датского физика Эрстеда. В 1820 году, готовясь, как обычно, к лекции, Эрстед обнаружил, что при протекании электрического тока вблизи стрелки компаса она отклоняется. Это «явление Эрстеда» сыграло огромную роль в развитии учения об электромагнитных явлениях. Из него выросла вся современная электротехника с ее динамо-машинами, электродвигателями, телеграфом, телефоном и электропоездами.

Для русской инженерно-технической мысли характерно, что в бурном развитии электротехники XIX века русские инженеры не только принимали деятельное участие, но и чаще всех выступали пионерами практического приложения новых открытий.

Так, узнав о «явлении Эрстеда», русский инженер Павел Львович Шиллинг построил первый в мире практически годный и применявшийся на деле телеграф.

Изучая «явление Эрстеда», в то же время известный французский ученый Араго нашел, что при помощи тока можно намагничивать сталь; а другой француз, Ампер, открыл взаимодействие электрических токов, выражающееся в их притяжении и отталкивании.

Говорят, что, узнав об открытиях Эрстеда, Араго и Ампера, великий английский ученый Майкл Фарадей положил себе в карман магнит и стал носить его с собой, чтобы он постоянно напоминал ему о новой задаче: «превратить магнетизм в электричество». Магнит Фарадею пришлось носить девять лет.

Благодаря трудам Стерджона, а затем Генри искусство превращать электричество в магнетизм сделало большие успехи. Новые электрические магниты представляли собой подковообразные стержни из мягкого железа, обмотанные изолированной медной проволокой, через которую пропускался электрический ток от какого-нибудь электрохимического источника. Электромагниты обладали способностью притягивать к себе груз, почти во сто раз более тяжелый, чем весили они сами. Электромагниты вызывали всеобщее удивление, но практического применения в технике не имели.

Наоборот, превращать магнетизм в электричество, к чему стремился Фарадей, удалось не сразу и далеко не так скоро. Только в 1831 году, после ряда разнообразнейших опытов и попыток, Фарадей сделал свое великое открытие. Он нашел, что если к металлу, являющемуся проводником тока, приближать и удалять от него магнит, то в проводнике возникает электрический ток. Фарадей брал катушку изолированной медной проволоки и быстро вводил в пустую сердцевину катушки магнитный стержень. При этом оказывалось, что в этот момент по проволоке проходил электрический ток. В момент удаления магнита из катушки по проволоке также проходил ток, но уже обратного направления. Разумеется, можно было поступать и наоборот: двигать катушку, а магнит оставлять неподвижным. Результат получался одинаковый.

Это удивительное явление, названное «магнитной индукцией», давало возможность превращать механическую энергию в электричество, получать электрический ток простым передвижением магнита возле замкнутого мотка изолированной медной проволоки.

Какая же могла быть особенная трудность в том, чтобы строить электрические машины, в которых двигающийся взад и вперед магнит вызывал бы появление в проволоке электрического тока?

Такие электрические машины стали появляться во множестве. Все они состояли из нескольких больших и сильных магнитов, между полюсами которых вращались катушки изолированной проволоки. В проволоках появлялись электрические токи, проходившие то в одном, то в другом, обратном, направлении. Их соединяли затем в один, большей мощности. Токи получались также то одного, то другого, обратного, направления. Такой переменный ток путем особого устройства, называемого «коммутатором», превращался в постоянный, одного направления.

Но заменить гальванические элементы, где ток получается электрохимическим путем, новые магнитоэлектрические машины не могли: ток они давали незначительной мощности и непостоянного напряжения, магниты нагревались.

Тем не менее никто уже не сомневался в том, что в мир вошла таинственная и могущественная сила и что далее последуют новые практические результаты огромного значения.

Очень рано стали думать о получении непрерывной движущей силы путем преобразования магнитной энергии в механическую. Ток, проходящий в обмотке железного стержня, делает его магнитом, и тогда он притягивает кусок железа, называемый в этом случае якорем. При выключении тока магнитные свойства электромагнита исчезнут, и якорь отпадет, а при новом включении тока якорь опять будет притянут. Таким образом, прерывая ток, можно получить постоянное прямое и обратное движение якоря, причем прерывание и замыкание легко поручить самому же току.

Двигателей с прямолинейно-возвратным движением, работающих силой магнитного притяжения, различными изобретателями было сооружено довольно много. Конструктивно все эти модели копировали паровую машину.

Прямолинейно-возвратное движение в магнитных двигателях преобразовывалось во вращательное движение колеса при помощи кривошипа. Однако никакого практического применения они себе не нашли и остались лабораторными приборами для демонстрации электромагнитных явлений.

Одновременно с этими магнитными машинами появилось немало и «электрических вертушек», как их тогда называли, где получалось непосредственно вращательное движение магнита. Вертушки состояли из неподвижного электромагнита и помещаемого над ним вращающегося магнита. Как только в подковообразный электромагнит пропускался прерывающийся ток из гальванической батареи, так тотчас перемещающийся от полюса к полюсу магнит начинал вращаться с большой скоростью. Беспомощные сами по себе, эти приборы, однако, сыграли большую роль в развитии наших знаний об электромагнетизме и явились предшественниками наших электродвигателей, приводимых в действие при помощи электрического тока.

Первым, кто подошел к этим вертушкам как энергетик, кто увидел в них прототип электродвигателя, был русский ученый Борис Семенович Якоби (1801–1874).

В том немногом, несовершенном, почти игрушечном, чем располагала тогда едва зарождавшаяся электротехника, Якоби увидел элементы новой энергетики. Мысль о превращении электрических вертушек в электродвигатель захватила профессора архитектуры Дерптского университета.

Промышленная буржуазия, опираясь на паровой двигатель, создавала крупные фабрики и заводы. Для конкуренции с ними полукустарная мелкая промышленность более всего нуждалась в собственном механическом двигателе для своих небольших предприятий. Громоздкие паровые двигатели Уатта, требовавшие больших помещений и значительных средств, никак не могли удовлетворить кустарные мастерские, оружейные производства, типографии и множество мелких предприятий городской промышленности, снабжавших население иголками, булавками, нитками, кружевами, гвоздями. Подобные продукты производились уже механическим путем, на станках и машинах, но приводились эти станки в движение руками.

Потребность в небольшом, легком, удобном двигателе, мощностью хотя бы в две-три лошадиных силы, была настолько велика и неотложна, что над созданием его трудились многие изобретатели. Одним из них и был Якоби.

Якоби верил, что задача создания электродвигателя может быть уже решена при тогдашнем состоянии техники. Подобного же взгляда держался и Фарадей, как это видно из его письма к Якоби.

В 1834 году Якоби представил описание своей электродвигательной машины Парижской академии наук, а вместе с тем попытался заинтересовать электродвигателем и русское правительство.

Развитие промышленно-капиталистических отношений в России вынудило царское правительство, уступая требованиям времени, открыть в течение одного столетия Технологический институт в Петербурге, Высшее техническое училище в Москве, Политехнический институт в Киеве. Поэтому Якоби со своей обширной докладной запиской «О применении электромагнитного возбуждения железа для движения машин» обратился к тогдашнему министру просвещения Уварову.

Изложив историю учения об электромагнетизме, Якоби в своей записке подробно останавливается на преимуществах электродвигателя. В сравнении с паровым двигателем их было много: простота и легкость движущегося механизма; отсутствие многих трущихся частей, вследствие чего двигатель почти не подвергается изнашиванию; наличие непосредственного вращательного движения; бесшумность, отсутствие толчков и тряски; полная безопасность и, наконец, дешевизна вследствие уменьшения расходов по эксплуатации.

Сконструированный Якоби двигатель отличался действительно простотой и легкостью. Он состоял из двух систем электромагнитов, из которых одна вращалась, другая была неподвижной.

«Аппарат состоит, — писал изобретатель, — из двух групп по восемь стержней мягкого железа. Обе группы стержней располагаются на двух дисках под прямым к ним углом и симметрично одна по отношению к другой таким образом, чтобы полюсы приходились один против другого. Один из дисков вращается вокруг некоторой оси, благодаря чему группа подвижных стержней проходит мимо группы неподвижных на возможно близком расстоянии от них. Все шестнадцать стержней обмотаны медной проволокой. Концы обмоток соединяются с полюсами гальванической батареи. Масса вращающейся части машины дает весьма значительную живую силу».