Текст книги "Мир электричества"

Мысль применить электрический ток для накаливания проводника, чтобы воспользоваться им для освещения, вытекала из теплового действия электричества. В 1844 году английский инженер де Молейн пробовал раскалить платиновую проволочку, помещенную в стеклянный шар. Похожие попытки предпринимались во Франции и в Германии. Но даже тугоплавкая платина быстро перегорала. И вот снова известия из России…

Темным осенним вечером 1873 года толпы петербуржцев спешили на Пески. Там их ожидало чудесное зрелище. В двух уличных фонарях керосиновые лампы были заменены какими-то стеклянными пузырьками, от которых шли провода в толстой резиновой оболочке к «световой машине». Рядом суетились люди. Прилично одетый господин в длинном расстегнутом пальто что-то прикручивал, соединял. Провода лежали прямо на панели и путались под ногами. Но вот застучала машина, зачихала, завертела якорь генератора, и пузырьки на столбах вспыхнули ярким светом. Люди вынимали припасенные газеты, сравнивали, на каком расстоянии от старого керосинового или фотогенного фонаря и нового можно разобрать буквы. Разница была впечатляющей. Присутствующие поздравляли изобретателя: «Господин Лодыгин, это прекрасно! Господин Лодыгин, это изумительно!»

Триумф технического прогресса.

Рисунок художника XIX века, показывающий победное шествие электричества

В общем-то, создание системы освещения было для Лодыгина делом случайным, или попутным, что ли. Замахивался он на большее…

Александр Николаевич Лодыгин родился 6 октября 1847 года в Тамбовской губернии, в имении отца. С юных лет его ожидала обычная для отпрыска небогатого провинциального помещика карьера: кадетский корпус в Воронеже, а потом Московское военное училище. Однако военная служба не прельщала молодого человека, его голова была полна технических замыслов. Отслужив положенный срок, Александр подпоручиком вышел в отставку. Отец был против. Он негодовал, лишил поддержки. Тогда молодой отставной военный из дворян поступает на Тульский оружейный завод. Работает сначала молотобойцем, потом слесарем и одновременно изобретает. Идеи и образы небывалых машин теснятся у него в мозгу, не дают спокойно спать. Лодыгин задумал построить «электролет» – летательную машину тяжелее воздуха, которая будет приводиться в действие электричеством.

Александр Николаевич Лодыгин (1847–1923)

Но кому в Туле нужен «электролет»? И Лодыгин едет в столицу, в Петербург. Он передает свой проект в Инженерное управление военного министерства, рассказывает о нем репортерам столичных газет. В газетах появляются сенсационные описания его машины, а министерство молчит.

В 1870 году Лодыгин решает предложить свой проект Франции, которая воюет с Пруссией. Но у него нет денег на поездку. Знакомые студенты с шапкой по кругу собирают девяносто восемь рублей, и Александр Николаевич уезжает. Однако на одной из промежуточных станций у него пропадает чемодан с чертежами «электролета». Все! Катастрофа! Без чертежей, без денег, практически без языка – ох уж этот французский из кадетского корпуса! Но есть умелые руки, которые одинаково ценятся во всем мире. И Лодыгин поступает слесарем на завод, а вечерами по памяти восстанавливает чертежи. Поддерживает его Феликс Турнашон – командир бригады аэронавтов. Веселый, воинственный француз, хорошо знавший известного писателя Жюля Верна и зачитывавшийся его романами, видит в молодом русском воплощение Робура-завоевателя.

Несмотря на массу трудностей, русскому изобретателю удается восстановить чертежи своего воздушного аппарата. Комитет национальной обороны Франции ассигнует пятьдесят тысяч франков на постройку «электролета Лодыгина», но…. Война проиграна. «Электролет», так и не родившись, умер. А патент «на применение электричества в воздушной навигации» получили некоторое время спустя воздухоплаватели братья Гастон и Альфред Тиссандье. Впрочем, от проекта воздушного корабля у Лодыгина осталась незначительная деталь. Для освещения своего летательного аппарата изобретатель предлагал лампочку накаливания.

В кругу друзей изобретатель рассказывал, как однажды, спроецировав изображение вольтовой дуги на экран, он обратил внимание на то, что свет исходит лишь от самых кончиков раскаленных углей. «А что, ежели удалось бы раскалить весь уголь?» Так в голову ему пришла идея перейти к одному тонкому углю. А чтобы тот не перегорал, Александр Николаевич решил заключить его в герметическую стеклянную колбу. «Как только весь кислород израсходуется, – рассуждал он, – разрушение угольного стерженька прекратится.»

С этой мысли начались его поиски, опыты и пробы. Он сконструировал такой светильник, и некоторое время его лампочка исправно горела. Имея уже некоторый опыт, Лодыгин запатентовал изобретение во Франции и в ближайших государствах, а вернувшись в Россию, получил на нее привилегию. Теперь следовало найти способ показать свое изобретение как можно большему числу заинтересованных лиц.

Лампа накаливания А. Н. Лодыгина

Лампа А. Н. Лодыгина, усовершенствованная В. Ф. Дидрихсоном

В ту пору в Санкт-Петербурге через Неву строился Литейный мост. Лодыгин предложил осветить место подводных работ. Это позволило бы продемонстрировать возможности нового вида освещения. Получив согласие, он конструирует специальный «подводный фонарь».

Изобретение лампочки накаливания высоко оценила Академия наук, присудившая автору Ломоносовскую премию.

В 1874 году Лодыгин совместно с банкиром Козловым организовал «Товарищество электрического освещения А. Н. Лодыгин и К^о». Через год во главе товарищества встал предприниматель Кон, который под своим именем выпустил в продажу лампу Лодыгина, усовершенствованную инженером В. Ф. Дидрихсоном. В лампе уголь помещался в баллон без воздуха и по мере сгорания автоматически заменялся другим.

Но по миру еще шла победным маршем «свеча Яблочкова», простая в производстве и с более ярким свечением, чем лодыгинское изобретение. А капитал «Товарищества» составлял всего десять тысяч рублей. Прошел год с небольшим, скончался Кон, и компания потерпела финансовый крах. Лодыгин снова поступает слесарем. На этот раз в петербургский Арсенал, где скоро переходит на должность инженера.

В конце 70-х годов XIX века на верфях Северо-Американских Соединенных Штатов по заказу петербургского Адмиралтейства строились корабли. На их приемку выехал в Америку лейтенант русского флота А. Н. Хотинский. Он взял с собой несколько ламп Лодыгина. Может быть, чтобы оборудовать помещения кораблей? А почему бы и нет? Изобретение было запатентовано в России, во Франции, Великобритании, Австрии, Бельгии… Случилось как-то, что молодой лейтенант показал привезенные лампы изобретателю Эдисону, которому новинка чрезвычайно понравилась, и американец принялся за усовершенствование русского изобретения. «Конечно, трудно установить, насколько описанное обстоятельство имело влияние на изобретение Эдисона. Но то обстоятельство, что изобретение Лодыгина было известно в Америке, явствует из судебного разбирательства в процессе между Эдисоном и Сваном», – пишет известный историк электротехники профессор М. А. Шателен. Американский суд аннулировал спорные привилегии обоих изобретателей, мотивируя свое постановление тем, что уже существуют лампы Лодыгина. Тем не менее весь мир справедливо считает современную лампу накаливания «лампой Эдисона». Американский изобретатель проделал тысячи опытов, прежде чем у него в руках оказался стеклянный пузырек с выведенными наружу контактами угольной нити. Из пузырька был выкачан воздух. Эдисон разработал все звенья системы электрического освещения и начал массовый выпуск ламп.

В 1884 году Александр Николаевич Лодыгин уезжает во Францию, а оттуда – в США. Он изобретает еще несколько типов ламп накаливания, в том числе с металлическими нитями, и первым предлагает для нити накаливания вольфрам. Оставив идею лампы накаливания, он конструирует приборы электрического отопления, респираторы, электропечи для плавки металлов.

После событий 1905 года Лодыгин возвращается на родину. В Петербурге он один из основателей электротехнического отдела Русского технического общества. К сожалению, в разваливающейся империи место для изобретателя нашлось лишь на трамвайной подстанции в должности дежурного техника.

В 1918 году вместе с первой волной русской эмиграции Александр Николаевич уезжает из России и обосновывается в США. В 1923 году советские электротехники избрали его почетным членом Общества русских электротехников. Но письмо, посланное за океан, в живых Александра Николаевича Лодыгина уже не застало.

Несмотря на то что «свеча Яблочкова» и лампы накаливания показали, что электрическое освещение обладает неоспоримыми преимуществами, газовые компании не сдавались. Газеты были наполнены заказными статьями о вреде электрического света для зрения и вообще для здоровья. Немало было и политических выступлений. Английский парламент организовал специальную комиссию, которая должна была произвести следствие по этому вопросу, чтобы вынести результаты на суд. Члены комиссии «допросили» многих видных ученых, после чего вынуждены были вынести единодушный вердикт: электрическое освещение признавалось лучшим по сравнению с газовым, а «свеча Яблочкова» – самой яркой по сравнению со всеми другими источниками света, известными в ту пору…

Дмитрий Александрович Лачинов (1842–1902)

Сообщение об этом оригинальном процессе для собрания электротехнического отдела Русского технического общества подготовил выдающийся физик и электротехник, доцент Петербургского лесного института Дмитрий Александрович Лачинов. Он же написал о нем и статью в первый номер нового русского журнала «Электричество».

По просьбе Владимира Николаевича Чиколева, ставшего в 1880 году во главе редакции журнала «Электричество», Лачинов, много занимавшийся теоретическими вопросами электротехники, разработал ряд формул для определения освещенности поверхностей. Чиколев использовал эти формулы в своей статье «Об электрическом освещении улиц, мостов и площадей».

Но чтобы окончательно вытеснить газ, следовало прежде всего решить проблему централизованного производства электричества и придумать способы передачи электроэнергии на значительные расстояния. Тогда можно будет шире использовать электричество и для питания установок электропривода. Пока же редкие электродвигатели работали только на более или менее крупных предприятиях, которые имели свои достаточно мощные блок-станции с динамо-машинами постоянного тока.

В начале электричество применялось в основном для освещения. При этом производство электроэнергии не отделялось от потребителя. В отдельных домах, чаще всего в подвальных помещениях, стояли свои генераторы, которые и обслуживали немногих потребителей. Такие частные установки назывались «домовыми», или «блок-станциями». В них входили все основные части электросети. Главной, понятно, были машины, производящие электроэнергию. Но не менее важными оказывались и первичные двигатели, приводящие в движение роторы генераторов. Дальше следует назвать системы и приспособления для распределения электрической энергии по приемникам, сами приемники (или, правильнее сказать, – потребители) и, наконец, – приборы для контроля и всевозможные выключатели тока.

Очень скоро выяснились и недостатки блок-станций. Кому из домовладельцев понравится иметь у себя в подвале целое производство? Возникали проблемы топлива и дополнительной уборки, шума и обслуживания… Генераторы блок-станций вырабатывали только постоянный ток малого напряжения. Следовательно, обеспечить энергией они могли либо отдельное строение, либо, в лучшем случае, район, радиусом не более одного километра. На больших расстояниях потери в проводах становились настолько большими, что электроэнергия оказывалась нерентабельной.

Паровой двигатель и динамо-машина, соединенные ременной передачей

Для дальнейшего развития электрического освещения электротехникам предстояло решить целый комплекс задач. Прежде всего нужно было научиться качественно и в достаточном количестве производить дешевую электроэнергию. То есть на место маломощных магнитоэлектрических машин должны были прийти крупные генераторы с малыми собственными потерями, способные выдерживать достаточно высокое напряжение. Такие генераторы позволят отказаться от блок-станций и перейти к централизованной выработке электроэнергии, создать подлинные «фабрики электричества». Но генераторов таких не существовало, их предстояло еще изобрести. Равно как следовало подумать и о первичных двигателях.

Наличие центральных станций сразу же требовало увеличения радиуса потребительской сферы. Длина линий передачи энергии должна вырасти, а вместе с тем возрастут и потери. Как тут быть?

Быстроходная пародинамо фирмы «Вестингауз»

Посмотрим, как решались проблемы по всем направлениям, начиная с первичных двигателей, приводивших во вращение роторы электрических машин. В качестве первичных двигателей на блок-станциях использовались сначала паровые машины. Ременная передача соединяла их шкивы с роторами динамо-машин, и те вырабатывали электроэнергию. От первичного двигателя требовался очень равномерный ход. Любое нарушение сказывалось на вырабатываемом электрическом напряжении, а на это реагировали лампы накаливания – они начинали «мигать». Даже шов на ремне вызывал заметное мигание света. Кроме того, со временем кожаные ремни вытягивались и начинали проскальзывать. Приходилось ставить генераторы на салазки, чтобы менять натяжение даже во время работы.

Немало трудностей доставляли и различия в скоростях вращения паровой машины и генераторов. Роторы динамо-машин «хотели» крутиться быстро, а паровые машины могли это делать медленно. Разницу устраняли, меняя диаметры шкивов.

В 1889 году шведский инженер Карл Густав Патрик де Лаваль изобрел быстроходную паровую турбину. Но опять беда, одноступенчатые турбины Лаваля крутились слишком быстро.

Силогазовая электрическая станция близ Гарца

Более паровых машин и турбин в качестве первичного двигателя подходила конструкция «атмосферного двигателя», предложенная в 1867 году немецким изобретателем Николаусом Августом Отто совместно с инженером Эйгеном Лангеном. Позже, используя идею четырехтактного цикла со сжатием, Отто в 1876 году сконструировал четырехтактный газовый двигатель. На Всемирной выставке 1878 года в Париже двигатель получил очень высокую оценку, поскольку отвечал всем требованиям времени, предъявляемым к двигателям подобного рода. Его стали широко выпускать заводы «Отто-Дейтц» и другие предприятия.

Следующая проблема заключалась в том, что мелкие блок-станции оказывались неэкономичными. Слишком велики были накладные расходы, и слишком дорогой оказывалась их энергия. Между тем потребители, будь то домовладельцы или фабриканты, деньги считать умели. Какой же мог быть выход? Объединить разрозненные блок-станции в центральные и создать «фабрики электричества», что позволит одновременно расширить радиус электросети.

В XIX столетии «фабриками электричества» называли более или менее мощные электростанции, централизованно вырабатывающие электрическую энергию.

Сегодня это гигантские сооружения с высоченными трубами, с плотинами или атомными реакторами. Причем это не просто двигатель первого рода плюс электрогенератор, а еще и огромное хозяйство, состоящее из трансформаторов, устройств грозозащиты, измерительной аппаратуры и т. д.

Глава 11. Электричество отправляется в путь

Полученную энергию нужно было во что бы то ни стало научиться транспортировать на дальние расстояния. И для этого тоже следовало решить ряд проблем. Прежде всего требовалось создать дешевую технологию изготовления проводов. Затем научиться их надежно изолировать. Сколько мучений доставляла вязкая масса сургуча, смешанного с парафином, которой Василий Владимирович Петров изолировал провода, идущие от его «огромной наипаче» батареи к углям дуги. А Павел Львович Шиллинг, изобретатель телеграфа и электрических мин, изолировал провода, уложенные в землю, пенькой, пропитанной озокеритом.

В 1949 году, в начале строительства ленинградского метрополитена, рабочие откопали кабель, проложенный Борисом Семеновичем Якоби. В деревянном желобе лежала заключенная в стеклянные трубки проволока, обмотанная суровыми нитками, которые были пропитаны смесью воска с канифолью. Лишь после изобретения в 1839 году способа вулканизации каучука этот материал стали применять для изоляции. Ох, дороги были первые провода, дороги!

Однако главным барьером на пути передачи энергии на большие расстояния оставались потери в проводах. Как их уменьшить? Можно, конечно, увеличить сечение проводов. Известно, что чем толще провод, тем сопротивление его меньше, меньше станут и потери. Но чем толще провода, тем они дороже, а это был отнюдь не пустяк. Для электрических проводов использовалась в основном медь, металл дорогой. Достаточно сказать, что при строительстве электросети стоимость соединительных проводов в XIX веке равнялась примерно трети стоимости станции.

Пожалуй, одним из первых опытов передачи энергии на сравнительно большое расстояние была работа французского инженера Ипполита Фонтена. На Венской выставке 1873 года он проложил кабель длиной более километра между двумя машинами Грамма. Одна из них давала ток, а другая работала в качестве двигателя. Однако потери даже в этой линии оказались настолько большими, что сам экспериментатор пришел к выводу, что экономичная передача электроэнергии на значительное расстояние вряд ли возможна вообще.

В сентябре 1874 года в Петербурге на Волковом поле похожими работами занимался русский инженер Федор Аполлонович Пироцкий. Шестисильная динамо-машина приводилась в действие локомобилем и давала ток в линию длиной 50 м. В конце линии стояла вторая динамо-машина, которая приводилась в действие током первой. Опыт подтвердил обратимость динамо-машин, в чем еще далеко не все ученые были убеждены.

Машина для обматывания проводов изоляцией

В апреле 1876 года Пироцкий добился разрешения провести опыты передачи электроэнергии по рельсам Приморской железной дороги, соединяющей станцию Сестрорецк с пристанью. Длина линии равнялась 3,5 верстам. В то время считалось, что для дальней электропередачи нужны провода возможно большего сечения. В своей заявке Пироцкий указывал: «Рельсы существующих железных дорог имеют площадь поперечного сечения в 644 раза большую площади сечения телеграфной проволоки».

В результате подготовительных работ машины установили на расстоянии чуть больше километра. Соединив стыки рельсов, изобретатель запустил динамо и заставил вращаться вторую машину. По его словам, утечка тока в землю была незначительной и коэффициент полезного действия – вполне приемлемым.

Первый проект Ф. А. Пироцкого, представленный в его статье

Летом того же года, заканчивая описание своих опытов, Федор Аполлонович утверждал: «…Выработанный мною способ приспособления готового рельсового пути к прохождению тока разрешает, по моему мнению, вопрос передачи работы со стороны практической». Смелое утверждение. Тем не менее в 1880 году Пироцкий по разрешению столичных властей произвел опыт применения электроэнергии для городского транспорта в Петербурге. На Песках, в районе Дегтярного переулка и Болотной улицы, в парке конной железной дороги, он построил небольшую электростанцию. Рельсы конки являлись прямым и обратным проводниками. На раму двухъярусного вагона конки подвесили электродвигатель, который через зубчатую передачу приводил во вращение ведущую ось вагона. Общий вес вагона с пассажирами составлял около семи тонн. Тем не менее вагон поехал. Более того, схема Пироцкого без третьего рельса пользовалась некоторое время успехом. И лишь плохая изоляция рельсов от земли являлась причиной чересчур больших потерь.

Основываясь на скромных результатах, в 1877 году Федор Аполлонович выступил в «Инженерном журнале» с большой статьей «О передаче работы воды, как движителя, на всякое расстояние посредством гальванического тока».

Интересно отметить, что редакция журнала, смущенная смелостью Пироцкого, предварила статью своим примечанием: «Помещая эту статью, редакция слагает с себя всякую ответственность относительно практической стороны дела и смотрит лишь на предложение автора как на мысль, во всяком случае заслуживающую внимания».

На основании своих расчетов Пироцкий писал: «Не странно ли… видеть употребление динамоэлектрических машин исключительно лишь для освещения и частью для гальванопластики, тогда как они далеко с большею пользою могли бы служить для передачи работы, огня и света (как это показано на чертежах) и даже звука».

Таким образом, надежно овладеть электрической силой означало, прежде всего, умение заставить ее работать там, где требовалось. Другими словами, научиться ее транспортировать от электростанции к потребителю.