Рождение электротяги
История электрического двигателя насчитывает уже почти два столетия. Основные физические открытия, которые позволили его создать, были сделаны учёными и изобретателями ещё в XIX веке. Рассказываем об этих открытиях и первых удачных экспериментах по применению электрической тяги.
В магнитном поле
Первый опыт преобразования электрической энергии в механическую с помощью электромагнитного поля был продемонстрирован научному сообществу британским физиком-экспериментатором Майклом Фарадеем в 1821 г. Прибор Фарадея состоял из двух металлических сосудов с ртутью и двух стержневых магнитов, причём первый из них был присоединён к дну сосуда на шарнире, а второй - закреплён неподвижно. Сверху в сосуды была опущена тонкая проволока, которая касалась ртути и соединяла оба сосуда так, что образовывалась электрическая цепь. Над первым сосудом (с подвижным магнитом) проволока была закреплена неподвижно, а над вторым - на шарнире, так что могла двигаться.
При подключении к цепи источника тока магнит в одной чаше и проволока во второй начинали вращаться. Поменяв полярность, можно было наблюдать, как направление вращения подвижных частей менялось на противоположное. Прибор Фарадея - далёкий прообраз электрического двигателя - и сегодня демонстрируют в школах на уроках физики, вместо токсичной ртути используя рассол.
Спустя десять лет, в 1831 г., Фарадей, не прекращавший исследований, совершил своё самое значительное открытие в физике - обнаружил явление электромагнитной индукции. Проведённые им эксперименты показали, что для получения электричества не обязательно использовать гальванические элементы. Электрический ток можно создавать индукционным методом, перемещая проводник в магнитном поле. Сделав это открытие, Фарадей провёл множество опытов с большим магнитом Королевского научного общества Англии и в результате сконструировал первый электромашинный генератор тока, известный как «диск Фарадея».
После удачных экспериментов Фарадея за разработку электрического двигателя с прицелом на его практическое использование активно взялись и другие изобретатели. Интересная модель была предложена в 1831 г. американским физиком Джозефом Генри в статье «О качательном движении, производимом магнитным притяжением и отталкиванием». Конструкция, предложенная Генри, интересна тем, что в ней впервые использовались притяжение разноимённых и отталкивание одноимённых магнитных полюсов для получения качательного движения. В модели Генри магнит совершал 75 качаний в минуту, а мощность двигателя составляла всего 0,044 Вт. О его практическом применении, конечно, не могло быть и речи, но сама идея вдохновила целый ряд последователей.
Первым же двигателем, который можно было использовать не только как физическую модель, считается изобретение британского физика Уильяма Стерджена, сделанное в 1832 г. Он же, кстати, изобрёл и первый электромагнит, который при массе 0,2 кг мог поднимать железный груз почти в 20 раз большей массы.
Как только были созданы первые удачные лабораторные конструкции электродвигателя, в научной прессе заговорили о зарождении чудесной эры, которую принесёт человечеству новая техника. Вот что писал, например, редактор American Journal of Science and Arts Бенджамин Силлиман в 1837 г.: «Наука совершенно неожиданно дала нам в руки новую большую силу - прежде неизвестный вид энергии... Со времени открытия всемирного тяготения и структуры небесной системы не было ничего более чудесного, чем энергия, порождаемая гальванизмом».
Практический подход
Первые изобретатели электродвигателей пытались заставить железный сердечник двигаться в поле электромагнита возвратно-поступательно, как поршень в паровом двигателе. Однако такие машины обладали очень небольшой мощностью и практического применения не находили.
Идею электрического двигателя с вращательным движением первым выдвинул английский физик В. Риччи, опубликовав в 1833 г. статью «Опытные исследования по электромагнетизму и магнитоэлектричеству». Для изучения и демонстрации свойств магнита Риччи создал прибор, в котором вращалась железная полоса, обвитая проволокой, когда по ней протекал ток.
Принципа вращательного движения магнита придерживался и немец по происхождению, принявший российское подданство, физик-изобретатель Б. С. Якоби. В отличие от своих предшественников, Якоби сразу же решил создать не очередной экспонат для физической лаборатории, а такой двигатель, который был бы пригоден «для нужд промышленности и жизни». Уже в 1834 г. он построил первую модель электрического двигателя, основанную на принципе вращательного движения.
объединил множество электромоторов
Якоби так описал свою конструкцию: «Аппарат состоит из двух групп по восемь стержней мягкого железа длиной по 7 дюймов и толщиной в 1 дюйм. Обе группы стержней располагаются на двух досках под прямым к ним углом и симметрично одна по отношению к другой таким образом, чтобы полюсы приходились один против другого. Один из дисков неподвижен, а другой вращается вокруг некоторой оси, благодаря чему группа подвижных стержней проходит мимо группы неподвижных на возможно более близком расстоянии от них. Все шестнадцать стержней обмотаны тремястами двадцатью фунтами медной проволоки толщиной в одну с четвертью линии; концы обмоток соединяются с полюсами гальванической батареи. Масса вращающейся со скоростью шести футов в секунду части машины доходит до 50 фунтов, что даёт весьма значительную живую силу. Полезная работа этого аппарата, измеренная прибором, аналогичным тормозу Прони, эквивалентна работе поднятия груза в 10-12 фунтов на высоту в один фут в секунду».
Главное достоинство электрического двигателя, которое подчёркивает Якоби, заключается в том, что «машина эта даёт непосредственно постоянное круговое движение, которое гораздо легче преобразовывать в другие виды движения, чем возвратно-поступательное». Основным же недостатком первой модели, как видно, была невысокая мощность - примерно 15 Вт. Учёному понадобилось около четырёх лет настойчивых изысканий, чтобы усовершенствовать двигатель и объявить о его практической пригодности к использованию в промышленности и судоходстве.
Прогулки по Неве
Работу над своим двигателем Б. С. Якоби начал в Германии, а в 1837 г. он получил грант на дальнейшие исследования от Российской Империи и переехал в Петербург (как впоследствии выяснилось, на всю оставшуюся жизнь).
К августу 1938 г. учёный провёл множество экспериментов и расчётов, в результате спроектировал и построил новую конструкцию, в которой ряд небольших двигателей был объединён в один агрегат. Обладая мощностью примерно 730 Вт, он представлял собой комбинацию из 40 небольших электромоторов. В них Якоби использовал идею, выдвинутую американским изобретателем Томасом Дэвенпортом, - располагать неподвижные и вращающиеся электромагниты в одной плоскости на вертикально установленных валах. Высота двигателя увеличилась, зато занимаемая им площадь оказалась небольшой (всего 1,4 м2).
Двигатель установили на большом катере, и 13 сентября 1838 г. на Неве были проведены его первые испытания. Катер, вмещавший «без стеснения 12 пассажиров, двигался посредством магнетизма». За семь часов он прошёл 7 км по течению и столько же против течения, показав среднюю скорость 2 км/ч. Испытания продолжались несколько дней на Неве и на городских каналах, радуя учёную комиссию и приводя в восторг жителей. Это был первый в мире случай практического применения электродвигателя для судоходства.
Так была доказана практическая возможность использования электричества как движущей силы. Однако внедрение электромоторов в промышленность и транспорт задерживалось из-за отсутствия мощных источников электрического тока: питать электродвигатели от батареи оказывалось слишком дорого и невыгодно. Подходящие генераторы вскоре были созданы с помощью русских инженеров Д. Лачинова, А. Полешко, М. Доливо-Добровольского и др. Но и после этого двигатели постоянного тока получили лишь ограниченное распространение - гораздо большую роль в производстве и на транспорте стали играть электродвигатели, работающие на переменном токе.
Читайте другие наши материалы
