Глава тринадцатая. Наш электрический век
Сначала приведу несколько впечатляющих, на мой взгляд, цифр.
В 1913 году мощность всех электростанций России составляла около 400 тысяч киловатт, а выработка электроэнергии — примерно 2 миллиарда киловатт-часов в год.
В 1980 году советские электростанции выработали 1 295 миллиардов киловатт-часов электроэнергии, а к 1985 году ее количество должно увеличиться до 1 550-1600 миллиардов киловатт-часов. Разделите сами одну цифру на другую, чтобы почувствовать рост нашей энергетики. В 800 раз!..
Может возникнуть вопрос: зачем людям столько энергий и почему спрос растет в основном на электрическую энергию, на самый ее молодой вид из всех освоенных человечеством за историческое время?
Провозглашая лозунг: «Коммунизм — это есть Советская власть плюс электрификация всей страны», В. И. Ленин видел в электрификации могучий рычаг для подъема промышленности и всего народного хозяйства страны. Все последующие годы подтвердили ленинскую мысль. Научно-технический прогресс невозможен без развития энергетики или, как теперь говорят, без развития топливно-энергетического комплекса, без сплошной электрификации. Чтобы больше производить продуктов питания, промышленных товаров, нужна механизация производственных процессов. Но подавляющее большинство машин и механизмов, средств механизации и автоматизации имеют электрическую основу. Электричество работает в системах зажигания автомобилей и самолетов, приводит в движение станки. Электричество освещает и обогревает дома и теплицы.
Гигантские генераторы электростанций вырабатывают самую универсальную энергию, которая не только проще всего транспортируется по проводам на далекие расстояния, но и чрезвычайно легко превращается в другие виды энергии. Свет, тепло, информация — все основные составляющие современного комфорта зависят от электроэнергии. Отнимите ее у человечества — и цивилизация пойдет прахом. Без электричества мы не просто окажемся в прошлом веке. Огромной части человечества станет угрожать опасность прямой гибели — вот насколько тесно в жизнь современного общества, в самый фундамент его существования вошла электрическая энергия.
Вот почему во всех главных документах нашей партии — в отчетных докладах Центрального Комитета КПСС съездам — такое большое внимание уделяется развитию и решению топливно-энергетических задач. Дело это не простое.
Но давайте для наглядности представим себе современную энергетическую цепь начиная с первого звена — превращения любого вида энергии в электромагнитную. То есть исключив строительство плотин, добычу топлива или полезных ископаемых и так далее.
Превращение всякого другого вида энергии в нужную нам — электромагнитную — осуществляется с помощью некоторого устройства, аппарата или машины, которую называют генератором. Слово это латинское и в переводе обозначает — производитель. Мы превращаем одни вещества в другие, высвобождая энергию химических связей, и преобразуем ее в электрическую. Мы крутим ротор генератора в магнитном поле, используя силу падающей воды, и превращаем механическую энергию в электричество. Нагреваем термопары, используем энергию разлетающихся или, наоборот, сливающихся атомов, пользуемся энергией ветра, солнца…
Кстати, я надеюсь, вы помните, что термин «энергия» происходит от греческого названия действия или деятельности. Им мы обозначаем общую количественную меру различных форм движения материи.
Не сетуйте, читатель, на это отступление. Определить терминологию, когда наука и техника развивается такими стремительными темпами, — дело далеко не последнее. Итак, я повторю, первое звено нашей электроэнергетической цепи — генератор!
Следующее звено — линия электропередачи, ЛЭП. Это сооружение из многокилометровых воздушных проводов, подвешенных на высоких опорах, или подземных и подводных кабелей со всевозможными вспомогательными устройствами. Главная задача ЛЭП — экономичная передача электрической энергии от генератора к приемнику, от электростанции к потребителю.
Наша страна славится своими просторами. Однако большая доля населения и промышленности сосредоточена в ее европейской части, тогда как основные источники электроэнергии — топливно-энергетический комплекс — располагаются в восточной части государства. И с каждым годом для транспортировки энергии по региональным энергетическим системам и по единой энергетической сети нам приходится строить линии электропередачи на все большие и большие расстояния.
Из школьного курса физики вы должны помнить, что мощность потерь всегда зависит от величины тока в проводнике. В то же время передаваемая мощность пропорциональна произведению силы тока и напряжения. Значит, чем выше мы поднимем напряжение, тем меньше нам понадобится сила тока для передачи одной и той же мощности. А чем меньше ток, тем ниже потери. Именно этими соображениями руководствуются проектировщики и строители, испытывая на полигонах модели линий электропередачи на сотни и тысячи киловольт.
Третье звено — потребитель, от электродвигателя и до… Пожалуй, сегодня не то что перечислить основных потребителей, но даже обозначить их границы невозможно. Мы живем в электрическом веке, этим все сказано. Однако, чтобы не нарушать принятую историческую последовательность, давайте еще раз вернемся по времени назад, для того чтобы посмотреть, когда же люди успели так круто изменить ход развития цивилизации и неразрывно связать его с электричеством? С чего началась на Земле «большая энергетика»?
Тайна «Р. М.» и первые электромашины
Создание электрического генератора явилось одним из важнейших этапов в истории электротехники. Более того, появление промышленных машин, вырабатывающих сначала постоянный, а потом и переменный ток, представляет собой одно из самых крупных событий в истории техники, ничуть не меньшее, чем, например, изобретение паровой машины. После короткого, но бурного пути развития электромашинный генератор, как главный мощный источник электрической энергии, стал символом и основой цивилизации XX столетия, несмотря на то что придуман, разработан и усовершенствован во всех своих принципиальных чертах был он еще в прошлом веке…
26 июля 1832 года, возвратившись в Лондон после воскресного уик-энда, Фарадей нашел в почтовом ящике письмо, адресованное на его имя. В конце текста стояли две буквы «Р. М.». Странно! Никого из знакомых с такими инициалами у ученого вроде бы не было. А впрочем, он не раз получал письма и от незнакомых людей. И Фарадей углубился в чтение: «Сэр! Прочитав в отчетах института Ваш интересный доклад о магнетизме, я сделал попытку произвести эксперимент, который удался мне сверх моих ожиданий, и я думаю, что если его провести в более широком масштабе, то он дал бы много интересного…» Дальше анонимный экспериментатор описывал техническую модель магнитоэлектрической машины переменного тока, с помощью которой ему удалось получить искры и разложить воду. Основные принципы машины были настолько глубоко продуманы и так правильны, что они на много лет вперед определили собою конструкции более поздних изобретателей. Но это выяснилось позже, не будем забегать вперед.
Фарадей был поражен. Иным состоянием не объяснить того обстоятельства, что уже на следующий день он отправил полученное послание в редакцию журнала, сопроводив его собственным письмом:
«Джентльмены! Вчера, по возвращении в город, я нашел закрытое письмо — оно анонимное, и я не имею возможности назвать его автора…» Майкл Фарадей хорошо помнил уроки щепетильности, преподанные ему жизнью в начале научной карьеры, и потому заканчивал свое письмо в весьма осторожных тонах: «Осмеливаюсь думать, что лицо, написавшее письмо, ничего не имеет против его опубликования; со своей стороны я не хотел бы быть исключительным обладателем этого анонимного научного сообщения, из опасения, чтобы в свое время, в будущем, из этого не возникло недоразумения касательно даты сообщения.
Однако, если вы опубликуете письмо, то соблаговолите передать от меня благодарность его автору.
Примите и пр. М. Фарадей
Королевский институт
27 июля 1832 г.».
Оба письма были опубликованы. В том же 1832 году в Падуе итальянский аббат профессор физики и механики местного университета Сальваторе даль Негро построил магнитоэлектрическую машину переменного тока, основанную на принципе возвратно-поступательного движения. Почтенный аббат предполагал, что подобное устройство «может сделаться подходящим взрывным аппаратом», поскольку ему удавалось извлекать из него изрядные электрические искры. Однако в дальнейшем предложенный принцип распространения не получил.
А вот машина, построенная сыновьями французского изобретателя физических приборов, братьями Пикси, стала широко известна в Европе. Она поражала современников своими размерами — один только подковообразный магнит ее весил около 100 килограммов, имела она и приспособление для выпрямления тока. В истории сохранилось описание этой машины, и, возможно, кому-нибудь из читателей будет интересно его прочесть: «Подковообразный магнит… укреплен таким образом на оси, что может быстро вращаться около нея. Прямо перед ним неподвижно укреплен изогнутый подковой железный стержень, противустоя своими концами полюсам магнита, но не касаясь их. Этот стержень обвит пятьюдесятью метрами медной проволоки с шелковой оболочкой, и один свободный конец проволоки погружен в чашечку с ртутью, а другой не доведен до соприкосновения с последней и укреплен в таком положении. При быстром вращении магнита искры проскакивают между ртутью и концом проволоки с такою быстротою, что сливаются друг с другом… От сего аппарата получаются сильные удары в руки, он разлагает воду и т. д.».
Похожую в принципе машину сконструировал в Лондоне профессор Уильям Риччи. И вообще с этого момента началась работа многих изобретателей над созданием магнитоэлектрических генераторов, в которых генерация тока происходила либо за счет движения катушек в поле постоянных магнитов, либо наоборот — перемещения магнитов относительно неподвижно установленных катушек.
Первые машины были все уникальными конструкциями. Каждый изобретатель старался внести в нее что-то свое, что-то новое. Да и возможностей для этого было на первых порах предостаточно. Однако со временем вся сумма технических знаний, необходимых для постройки электрогенераторов, телеграфа, гальванотехнических устройств и первых ламп дугового освещения, начала складываться в особую отрасль науки и техники — электротехнику, которая быстро превращалась в самостоятельную новую техническую науку.
Переменный ток на первых порах не находил себе применения. Поэтому все внимание конструкторов было направлено на создание машин постоянного тока.
Впрочем, прежде чем продолжить наше путешествие по истории создания электрогенераторов, небезынтересно закончить вопрос о тайне «Р. М.» — анонимного изобретателя первой магнитоэлектрической машины.
В конце марта 1833 года утренняя почта редакции журнала «Философикэл мэгэзин» принесла письмо из Дублина, подписанное теми же инициалами:
«Джентльмены! Несколько дней тому назад я случайно прочитал в вашем журнале письмо, которое было мною послано г. Фарадею. Я весьма обязан ему за оказанное моему сообщению внимание…»
По-прежнему анонимно автор сообщает дополнительные сведения о своей конструкции. «Р. М.» исправляет ошибку первоначального эскиза и, хотя и не столь ясно, как последующие изобретатели, например Пачинотти, приходит к идее кольцевого якоря. Это тем более важно отметить, что кольцевой якорь (изобретенный и построенный в 1860 году) открыл новую главу в истории электрической машины. Он позволил начать промышленное использование динамо-машин.
Судя по рисунку и описанию «Р. М.», все его мысли имели удивительно правильное направление. Тем загадочнее была тайна его имени. Однако любопытство это не было удовлетворено. До сего дня историки так и не знают, кто скрывался за короткой подписью из двух букв. И имя, может быть, еще одного гения электротехнической мысли нам неизвестно…
От магнитоэлектрической машины к динамо
Многие ученые и изобретатели, увлекшись открывшимися перспективами превращения механической энергии в электрическую, строили и совершенствовали магнитоэлектрические машины. Большинство из них носило характер демонстрационных моделей. Однако генератор, разработанный Б. С. Якоби для подрыва минных запалов, и громоздкая машина французской фирмы «Альянс», предназначенная для питания дуговых ламп и устройств гальванотехники, уже служили техническим целям. И все-таки слишком много было у первых генераторов принципиальных недостатков, чтобы они могли получить быстрое и широкое распространение.
Прежде всего следовало бы отметить быстрое размагничивание постоянных магнитов, после чего машина превращалась просто в груду тяжелого металла. Но и в новых, только что созданных генераторах многое не удовлетворяло потребителей. Поскольку первоначальные якоря обладали явно выраженными полюсами, магнитный поток сильно пульсировал и большая часть энергии тратилась на перемагничивание. Постоянный ток тоже не одинаковым, меняя свою силу.
Внимание изобретателей было устремлено на улучшение выпрямления получаемого тока. Для этого они разрабатывали всевозможные приспособления — коммутаторы — до тех пор, пока не появился коллектор, сохранившийся в почти неизменном виде до наших дней.
Мощные машины, построенные в начальном периоде, тратили столько энергии на потери в стали, что их приходилось непрерывно охлаждать. Естественно, что это съедало значительную долю вырабатываемой мощности.
Все эти недостатки как бы сами собой указывали путь, по которому должна была двигаться конструкторская мысль. И люди не оставляли эти подсказки без внимания.
В 1851 году немецкому полковому врачу Вильгельму Йозефу Синстедену, занимавшемуся исследованием электрической машины, пришла в голову идея: а почему бы не заменить в машине громоздкий и такой ненадежный постоянный магнит электромагнитом? Мысль кажется простой до очевидности. Но это сейчас, сегодня. А тогда пришлось ждать ее реализации довольно долго. Сначала питание обмоток электромагнита (в дальнейшем будем называть их обмотками возбуждения) предполагалось от батареи гальванических элементов. Но это нарушало смысл, главное предназначение первых машин — полностью заменить собой гальванические элементы. Поэтому так кстати пришлась идея английского физика Генри Уайльда, задумавшего заменить батарею еще одной магнитоэлектрической машиной. Он попробовал привести свой замысел в исполнение и получил первый генератор с независимым возбуждением.
И тогда целый ряд инженеров предложили почти одновременно в разных странах питать обмотки возбуждения не от отдельной машины, а от собственного якоря. Родился принцип самовозбуждения, ознаменовавший новую эру в электромашиностроении.
Понятно, что такой переворот не мог пройти гладко. Документы того времени наполнены взаимными обвинениями изобретателей в плагиате. Одной из первых таких машин с использованием принципа самовозбуждения явился генератор Сорена Хиорта — датского изобретателя, имя которого редко упоминается в истории техники.
С. Хиорт был судебным чиновником. Увлеченный техническими идеями, волновавшими его время, он с целью самообразования посещал Копенгагенский университет, где слушал лекции X. Эрстеда. В дальнейшем, работая на железной дороге, молодой изобретатель пытался применить на ней электродвигатель. Опыты привели его к открытию явления самовозбуждения. И в 1852 году он представил научному обществу в Копенгагене описание и чертежи машины с самовозбуждением, а два года спустя взял английский патент на такую машину. Позже он усовершенствовал замысел и осуществил свою конструкцию.
Сорен Хиорт, по воспоминаниям современников, был очень энергичным человеком. Казалось, все сосредоточилось в его руках: патент, опытный образец машины… Почему же открытый им принцип самовозбуждения не получил развития и не был практически реализован сразу?
В биографии Хиорта написано: «Сын крестьянина. Образование получил самоучкой». Никакой промышленной базы и средств для ее организации у него не было. Он несомненно опередил время, совершив скачок вперед в ходе практического развития электрической машины. Все это и привело к тому, что его идеи не нашли в практике общества достаточно подготовленной почвы.
Интересно отметить и еще одно обстоятельство, которое могло отрицательно повлиять на оценку его работ. Скомбинировав генератор с самовозбуждением вместе с электромагнитным двигателем, Хиорт получил нечто вроде вечного двигателя. Однако еще в 1775 году Парижская академия наук отказалась рассматривать проекты вечных двигателей, объявив их химерой. А после того как был открыт закон сохранения энергии, вера в возможность осуществления подобного устройства была окончательно подорвана во всем мире. Люди же, разрабатывающие подобные неосуществимые проекты, теряли в глазах общества всякий авторитет.
Переход электрических машин на принцип самовозбуждения стал крупным шагом в развитии электромашиностроения. Неудивительно, что вокруг вопроса о приоритете в этой области разгорелись бесконечные споры.
Долгое время конструирование электромагнитов, в том числе и для электрических машин, не выходило за рамки интуиции изобретателей, что, разумеется, сильно сдерживало развитие новой техники. Но вот в 1872 году доцент Московского университета Александр Григорьевич Столетов защищает докторскую диссертацию на тему «Исследование о функции намагничения мягкого железа». Работая в лаборатории Кирхгофа в Гейдельберге, Столетов проделал большое количество опытов за время своей шестимесячной командировки и фактически разработал основы методов расчета магнитной цепи. А с 1880 года, после открытия немецким физиком Эмилем Габриэлем Варбургом явления гистерезиса, когда всем стало ясно, что циклическое намагничивание ферромагнетиков связано с потерей механической, а следовательно, и электромагнитной энергии, исследователи смогли перейти от грубой эмпирики к осмысленному, достаточно строгому проектированию электрических машин, аппаратов и приборов.
В Германии с середины прошлого столетия работало мощное электротехническое объединение, занимавшееся выпуском сначала принадлежностей для телеграфных сетей, а затем и прочего электротехнического оборудования. Во главе этого объединения стоял немецкий инженер, талантливый изобретатель и предприниматель Эрнст Вернер Сименс. Он получил хорошее образование в Берлинской инженерноартиллерийской школе. Он и его братья, тоже инженеры, имели прекрасные связи. Технические бюро и заводы Сименса возникали не только в странах и городах Западной Европы. В России Сименс строил телеграфную сеть, организовав мастерские в Петербурге. Отделение фирмы, перебравшись через океан, открылось даже в Филадельфии…
Но наш рассказ относится ко второй половине прошлого столетия. Вернер Сименс торопил сборку первого генератора с самовозбуждением, справедливо опасаясь, что его обгонят. Стремясь не упустить приоритет и отлично понимая значение принципа самовозбуждения для дальнейшего развития электромашиностроения, он берет через своего брата, жившего в Англии, английский патент. И месяц спустя этот младший «английский» Сименс читает в Лондонском королевском обществе доклад о новом принципе. В то же время в Берлине от имени Вернера Сименса в Академии наук выступает с сообщением профессор Магнус.
Чтобы у читателя не оставалось даже тени сомнений на этот счет, вот строки письма Вернера Сименса его брату Вильгельму в Лондон: «…машина будет готова через несколько дней. Сделай и ты изыскания, чтобы Уайльд, который также близко стоит у цели, не опередил нас.
Магнитное электричество сделается дешевым, станет доступным и применимым для освещения, гальванометаллургии и т. д., и даже малые электромагнитные машины, получающие силу от больших, станут весьма полезными…
Берлин, 4 декабря 1866 г.».
Чтобы нагляднее продемонстрировать гонку, которую устроили конструкторы электрических машин, достаточно сказать, что в тот же день и на том же заседании, на котором читал доклад Вильгельм Сименс, члены Лондонского королевского общества слушали Чарлза Уитстона, своего коллегу и профессора физики Лондонского королевского колледжа, который изобрел иное (параллельное) соединение обмотки электромагнитов с цепью якоря, то есть предложил принцип шунтовой машины. Но несмотря на то, что это явилось несомненным шагом вперед, развития шунтовая машина в первые годы не получила. Применение ее началось лет десять спустя.
Примерно через месяц после этого заседания, на следующем своем собрании, члены общества слушали доклад Джемса Клерка Максвелла, в котором тот дал математический анализ работы машины с самовозбуждением. К сожалению, большинство практиков-электриков того периода не обладали достаточным математическим образованием, чтобы понять глубокий смысл сжатого изложения великого теоретика. В истории развития электромашиностроения это, пожалуй, первая теоретическая работа. Современники не придали ей должного значения и скоро забыли.
Вернер Сименс первым назвал электрическую машину без постоянного магнита динамоэлектрической машиной. Название прижилось. И на выставочных стендах стали появляться новые и новые конструкции динамо-машин, все более и более приближающиеся принципиально к тем генераторам, которые работают на «фабриках электричества» и в наши дни.
Я уже говорил, что одним из крупных недостатков первых электрических машин являлась сильная пульсация вырабатываемого тока. В 1856 году Вернер Сименс совместно с техником и компаньоном Иоганном Георгом Гальске патентует изобретенный двух-Т-образный якорь и строит магнитоэлектрическую машину, обладавшую значительными преимуществами по сравнению с другими конструкциями.
Четыре года спустя во Флоренции доктор Антонио Пачинотти предложил новую конструкцию якоря. «В 1860 году мне представился случай, — писал Пачинотти в журнал „Иль нуово чименто“, — построить для кабинета технологической физики Пизанского университета маленькую модель мною изобретенной электромагнитной машины…»
Кольцевой зубчатый якорь Пачинотти — яркое и исключительно удачное изобретение — не нашел практического применения. Может быть, причина заключалась в том, что сам Пачинотти был далек от практических задач. А может быть, виной явилась плохая информированность изобретателей разных стран.
Лишь через десять лет бельгиец Зиновий Теофиль Грамм, служивший в парижской фирме, производящей магнитоэлектрические машины, столяром, совместно с техником Эрдлем Луи Шарлем д’Ивернуа выправил патент на такой же кольцевой якорь, но без зубцов. А поскольку выработка не резко пульсирующего тока стояла на повестке дня с большой остротой, их изобретение получило весьма широкую огласку и признание. Грамм оказался весьма деловым человеком и организовал в Париже свою фирму, эксплуатирующую это усовершенствование. Более того, он применил кольцо Пачинотти для самовозбуждающейся машины, получив таким образом едва ли не первый практически вполне годный для промышленной эксплуатации генератор.
Выпустив на время из рук инициативу в создании конкурентноспособных динамо-машин, Вернер Сименс поставил задачу перед своими сотрудниками — перехватить производство. Для этого следовало прежде всего внести какое-то усовершенствование, чтобы оградить себя от патентного иска. И вот главный инженер фирмы Фридрих Гефнер-Альтенек видоизменяет якорь Грамма. Известно, что чем большая поверхность якоря проходит под полюсом электромагнита, тем индукционный ток в нем больше. И Гефнер-Альтенек вытягивает кольцевой якорь Грамма в цилиндр и делает его в виде барабана. Были введены и еще некоторые усовершенствования, позволившие фирме «Сименс и Гальске» приступить к выпуску собственных динамо-машин.
Некоторое время между конкурирующими фирмами и в среде инженеров шел спор, какой тип генераторов лучше — Грамма или Сименса. Но со временем все пришли к выводу, что разницы практически никакой нет. Тем более что то в одном месте, то в другом стали появляться динамо-машины разных конструкций. В начале 80-х годов Эдисон построил машину с нижним расположением якоря. «Сименс и Гальске» и фирма Грамма тут же почти одновременно перевернули эдисоновскую машину и построили динамо с верхним расположением якоря. Шуккерт в Нюрнберге сплюснул якорь и всю машину в плоское кольцо. Вышли на рынок многополюсные машины, более мощные и еще более совершенные. Но…
Изобретатели уже давно заметили, что для некоторых целей, главным образом для питания дуговых ламп, можно пользоваться невыпрямленным, первоначальным током переменного направления. При этом, поскольку коллектор становился ненужным, конструкция машины сильно упрощалась.
Сначала генераторы переменного тока находили себе применение только для нужд освещения, и динамо-машины, вырабатывавшие постоянный ток, держали первенство. Но скоро в действие вступили и другие факторы, стимулировавшие развитие машин, вырабатывающих переменный электрический ток.
«Русский свет»
Создание экономичного генератора электрического тока оживило усилия изобретателей, искавших области практического применения электрической силе помимо телеграфии. Уже первые исследователи гальванизма заметили, что проволока, по которой идет электрический ток, нагревается, накаливается и может даже раскалиться до яркого свечения и расплавиться. Кроме того, в 1802 году В. В. Петров указал на возможность освещения «темных покоев» с помощью электрической дуги. Он же исследовал электроразрядное свечение в разреженном пространстве под колпаком. Те же явления позже были изучены Дэви и Фарадеем…
Освещение!.. Сейчас даже трудно представить себе, что всего полтораста лет тому назад оно являлось проблемой общественной жизни. С начала XIX века в дома горожан проникает газовое освещение, пришедшее на смену свечам и лампам с жидким горючим. Сначала газовый свет казался великолепным. О лучшем нечего было и мечтать. Однако этот триумф газа был недолгим. Уже к середине века газовое освещение перестало удовлетворять людей из-за своих многочисленных недостатков. Оно было тусклым, небезопасным в пожарном отношении и вредным для здоровья.
На фабриках и на заводах, где трудовой день длился по четырнадцать часов в сутки, отсутствие яркого освещения тормозило рост производительности труда и замедляло технический прогресс. Все это способствовало усилению работы изобретателей над новыми видами электрического освещения: над дуговыми лампами, лампами накаливания и газоразрядными лампами.
Раньше других появились достижения в разработке дуговых ламп, хотя первое время их прогресс сдерживался отсутствием надежных источников тока, не было и хороших углей. Древесные угли, которыми пользовались Петров и Дэви, быстро сгорали и были непрочны. Выход нашел Роберт Бунзен — известный химик, изобретатель цинко-угольного элемента. Он предложил использовать твердый нагар, остающийся на раскаленных стенках газовых реторт. Из отбитых кусков этого нагара удавалось выпиливать короткие стержни, которые хорошо проводили ток и сгорали значительно медленнее. Позже этот нагар стали молоть и из порошка формовали стержни требуемого размера и необходимой однородности.
Вторая трудность, назовем ее «проблемой регулятора», заключалась в том, что угли сгорали — и расстояние между ними увеличивалось. Дуга становилась «неспокойной», свет из белого превращался в голубой, начинал мигать и гас. Нужно было придумать механизм, поддерживающий между концами углей одинаковое расстояние.
Изобретатели предложили много устройств. Большинство из них имело тот недостаток, что в одну цепь невозможно было включить несколько ламп. Поэтому каждый источник энергии первое время работал на один светильник.
Но вот в 1856 году в Москве изобретатель А. И. Шпаковский осуществил осветительную установку с одиннадцатью дуговыми лампами, снабженными оригинальными регуляторами. Правда, и они не решали проблему «дробления света».
Первым разрешил ее изобретатель В. Н. Чиколев, применивший в 1869 году в дуговой лампе дифференциальный регулятор. Этот принцип регулирования, развитый в дальнейшем многими инженерами и изобретателями, применяется и в настоящее время в прожекторных установках.
Примерно к тому же времени относятся и удачные опыты по применению ламп накаливания и даже первых газосветных трубок. Но самую важную и решающую роль в переходе от опытов по электрическому освещению к его широкому внедрению в практику сыграли работы русского электротехника П. Н. Яблочкова…
В 1875 году Яблочков вместе с другим изобретателем, Н. Г. Глуховым, организовал в Петербурге мастерскую физических приборов. Компаньоны с увлечением конструировали электротехнические новинки, ставили опыты, обсуждали грандиозные проекты… К сожалению, оба оказались плохими предпринимателями и финансовые дела их «предприятия» шли из рук вон плохо.
Однажды, получив заказ на изготовление установки для электролиза поваренной соли, Яблочков занялся поисками наивыгоднейшего расположения угольных электродов в растворе. Случилось так, что, укрепляя параллельно угли, он случайно коснулся концом одного конца другого. Вспыхнула дуга. Она не прерывалась до тех пор, пока угли не сгорели. Павел Николаевич, мысли которого были заняты обдумыванием устройства дуговой лампы, сразу же понял, что перед ним простое и безусловное решение проблемы…
Финансовый крах оторвал его от занятий. В октябре того же года Яблочков уезжает во Францию, где поступает в Париже в электротехнические мастерские, изготавливающие телеграфные аппараты и электрические машины. Здесь он доводит свое изобретение и получает на него патент. Два параллельно поставленных угольных стержня с прокладкой из каолина присоединялись к клеммам гальванической батареи или машины постоянного тока. Наверху стояла угольная перемычка — «запал», который быстро сгорал при включении. Немало пришлось поэкспериментировать Павлу Николаевичу. Угли сгорали неравномерно. Положительный электрод уменьшался быстрее, и пришлось его делать толще…
Простота конструкции и безотказность в работе «электрической свечи» Яблочкова привели к тому, что успех изобретения превзошел самые смелые ожидания. Технические журналы и мировая пресса пророчили наступление новой эпохи…
В 1876 году русский изобретатель представил свою удивительную «свечу» на Лондонской выставке. И там она стала гвоздем программы. А год спустя предприимчивый француз Денейруз добился учреждения акционерного «Общества изучения электрического освещения по методам Яблочкова», в котором предложил изобретателю солидный пакет акций. Благодаря изворотливости предпринимателя одна из самых посещаемых знатью парижских улиц — Авеню де ль’Опера и площадь Оперы, а также магазин «Лувр» сменили тусклое газовое освещение на яростный блеск электрической дуги, пылающей на концах параллельных углей. Чтобы смягчить нестерпимый блеск дуги, каждую свечу заключили в матовый колпак. И молочно-белые шары сияли на улицах Парижа, как спустившиеся с неба звезды.
Это было так прекрасно, что из Парижа «русский свет» не только шагнул в другие города, но и пересек границы государств и континентов. «Из Парижа электрическое освещение распространилось по всему миру, — писал сам Яблочков, — дойдя до дворца шаха персидского и короля Камбоджи». Русский изобретатель стал европейской знаменитостью.
Яблочков не останавливается на достигнутом. Он пробует питать «свечу» от машины переменного тока и находит, что это еще удобнее. Теперь угли не нужно делать разной толщины, они сгорают равномерно. Да и машина переменного тока оказывается проще. Ей не требуется коллектор. Работы Яблочкова заставили многих конструкторов задуматься над совершенствованием генераторов переменного тока, дали толчок их развитию. Одновременно русский изобретатель первым предложил использовать индукционные катушки, ставшие, по существу, первыми трансформаторами с разомкнутой цепью. Появилась возможность одновременного включения нескольких свечей в цепь, питаемую одной машиной.
Павел Николаевич страстно мечтал о возвращении на родину. Он хотел взять реванш за постигшие его там неудачи. Став богатым человеком, он решил выкупить свои привилегии у компаньонов и создать «товарищество» в России. Это ему в конце концов удалось. И вот как описывал его возвращение другой русский электротехник, Владимир Николаевич Чиколев: «Он поселился в роскошных апартаментах „Европейской гостиницы“, и кто только не бывал у него: светлости, сиятельства, высокопревосходительства, превосходительства без числа, городские головы… Яблочкова всюду приглашали нарасхват, везде продавались его портреты, в газетах и журналах ему посвящались сочувственные, а иногда и восторженные статьи…» Наконец в Петербурге было учреждено товарищество «Яблочков-изобретатель и К°». Мастерские стали изготавливать осветительные приборы конструкции Яблочкова для России. Однако, когда первый бум прошел, дела товарищества пошли на спад.
Сам Яблочков был только изобретателем и совершенно непрактичным человеком. Условия для развития электротехники в технически отсталой России были сложными. А компаньоны изобретателя заботились только о прибылях. Кроме того, скоро и сам Яблочков, сравнивая возможности своих «свечей» с лампами накаливания, понял бесперспективность дугового освещения. Сорока шести лет, тяжело заболев, он писал: «Проработав всю жизнь над промышленными изобретениями, на которых многие люди нажились, я не стремился к богатству, но я рассчитывал, по крайней мере, иметь на что устроить для себя лабораторию, в которой я мог бы работать не для промышленности, но над чисто научными вопросами, которые меня интересуют. И я, возможно, принес бы пользу науке, как я это сделал для промышленности, но мое необеспеченное состояние заставляет оставить эту мысль… Я в настоящее время имею на личном счету только нищету, грудную болезнь… Вот мой баланс за 17 лет работы…»
«Господин Лодыгин, это изумительно!»
Темным осенним вечером 1873 года толпы петербуржцев спешили на Пески (ныне это район Советских улиц). 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!»
В общем-то, изобретение лампы накаливания было случайным или попутным, что ли. Замахивался он на нечто большее…
Александр Николаевич Лодыгин родился 6 (18) октября 1847 года в Тамбовской губернии, в имении отца. С юных лет — обычная карьера для отпрыска небогатого провинциального помещика: кадетский корпус в Воронеже, а потом Московское военное училище. Однако военная служба не прельщала молодого человека. И, отслужив положенный срок, он подпоручиком выходит в отставку. А как же семья?.. Отец против. Отец негодует, лишает поддержки. И отставной военный из дворян поступает на Тульский оружейный завод сначала молотобойцем, потом слесарем. Одновременно он изобретает. Идеи и образы небывалых машин теснятся у него в мозгу, не дают спокойного сна. Лодыгин задумал построить «электролет» — летательную машину тяжелее воздуха, которая будет приводиться в действие электричеством. Но кому в Туле нужен «электролет» типа геликоптера? 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. Министерству наплевать на геликоптер.
В 1870 году Лодыгин решает предложить свой проект Франции, которая воюет с пруссаками. Но нет денег на поездку. Знакомые студенты с шапкой по кругу собирают 98 рублей, и Александр Николаевич уезжает. Однако на одной из промежуточных станций чемодан с чертежами «электролета» у него украли. Все! Катастрофа! Без чертежей, без денег, практически без языка — ох уж этот французский из кадетского корпуса!
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 трудности, чертежи восстановлены. Комитет национальной обороны ассигновал 50 тысяч франков на постройку «электролета Лодыгина», но… Боши вошли в Париж. Война проиграна. А патент «на применение электричества в воздушной навигации» получили братья Гастон и Альфред Тиссандье — воздухоплаватели.
Так, не родившись, «электролет» умер. Впрочем, от него осталась незначительная деталь. Для освещения своего летательного аппарата Лодыгин предлагал лампочку накаливания. Вернувшись в Россию, он получает привилегию на нее и, имея уже некоторый опыт, патентует изобретение в ряде европейских государств.
В кругу друзей изобретатель рассказывал, как однажды, спроектировав изображение вольтовой дуги на экран, он обратил внимание на то, что свет исходит лишь от самых кончиков раскаленных углей. «А что, ежели бы удалось раскалить весь уголь?» Так пришла ему в голову мысль от двух угольных полюсов, соединенных дугой, перейти к одному тонкому углю: А чтобы тот не перегорал, Александр Николаевич заключил 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. В ту пору через Неву строился Литейный мост. Лодыгин предложил осветить место подводных работ. Это явилось прекрасной демонстрацией возможностей нового вида освещения.
В 1874 году Александр Николаевич Лодыгин получил привилегию на производство ламп своего изобретения и организовал «Товарищество электрического освещения А. Н. Лодыгин и К°». Увы, капитал товарищества составлял всего десять тысяч рублей. А электротехническая промышленность России была в руках иностранцев. Всего было мало, все было дорого. Прошел год с небольшим, и компания потерпела финансовый крах. Лодыгин поступает слесарем в петербургский Арсенал. Правда, скоро он переходит на должность инженера. И тогда произошла такая любопытная история…
В конце 70-х годов прошлого 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 запатентовано было в России, во Франции, в Великобритании, в Австрии, в Бельгии… Случилось как-то, что молодой лейтенант показал русские лампы изобретателю по имени Томас Эдисон, которому новинка чрезвычайно понравилась. 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. Говорили, что Эдисон проделал тысячи опытов, прежде чем у него в руках оказался стеклянный пузырек с угольной нитью из бамбукового волокна. Из пузырька был выкачан воздух. Американский изобретатель разработал все звенья системы электрического освещения и начал массовый выпуск ламп.
Но еще до того коротким победным маршем прошла по миру «свеча Яблочкова», затмив лодыгинское изобретение более ярким свечением.
В 1884 году Александр Николаевич Лодыгин снова 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… Но ему не везет и в Америке. Лодыгин возвращается во Францию, затем в Россию, конструирует приборы электрического отопления, респираторы, электропечи для плавки металлов.
В Петербурге он один из основателей электротехнического отдела Русского технического общества. Но постоянная нужда грызет его и гоняет с места на место. Он снова уезжает за границу и возвращается на родину лишь после революции 1905 года. К сожалению, и тогда место для изобретателя нашлось лишь на трамвайной подстанции…
В 1918 году Александр Николаевич снова уезжает в США. В 1923 году советские электротехники избирают его почетным членом Общества русских электротехников. Однако их письмо, посланное за океан, уже не застало Лодыгина в живых.
Свеча Яблочкова и лампы накаливания убедительно показали, что электрическое освещение обладает неоспоримыми преимуществами по сравнению с газовым.
Английский парламент организовал специальную комиссию, которая должна была учинить следствие над подсудимым… электрическим освещением, сравнивая его достоинства с освещением газовым. По порядку, не отступая от традиций британского суда, члены комиссии «допросили» многих видных ученых, после чего был вынесен вердикт. Так называется решение присяжных заседателей в судебном процессе о виновности или невиновности подсудимого. Решение было единодушным — электрическое освещение признавалось лучшим по сравнению с газовым, а «свеча Яблочкова» — лучшей по сравнению со всеми другими источниками света, известными в ту пору…
Сообщение об этом оригинальном «судилище» для собрания электротехнического отдела Русского технического общества подготовил Д. А. Лачинов. Он же написал о том статью и в первый номер нового русского журнала «Электричество».
По просьбе В. Н. Чиколева Дмитрий Александрович Лачинов разработал ряд формул для определения освещенности поверхностей. Чиколев использовал эти формулы в своей статье «Об электрическом освещении улиц, мостов и площадей». Но для того чтобы окончательно вытеснить газ, следовало прежде всего решить проблему централизованного производства электричества и проблему электростанций и придумать способы передачи электроэнергии на расстояние. Тогда можно было использовать ее для питания установок электропривода. Пока же редкие электродвигатели использовались только на более или менее крупных предприятиях, которые имели свои достаточно мощные блок-станции с машинами постоянного тока.