Читать книгу Никола Тесла. Изобретатель будущего - Бернард Карлсон - Страница 14

В Йоаннеуме Тесла делал успехи в математике, но его любимыми были лекции профессора Якова Пешля по физике. «Профессор Пешль, – вспоминал Тесла, – был со странностями: говорили, что он носил одно и то же пальто в течение двадцати лет. Но недостаток личной привлекательности он с лихвой компенсировал своей манерой изъясняться. Я никогда не видел, чтобы он упустил какое-то слово или жест, и его демонстрации и эксперименты отличались необыкновенной точностью»{83}.

На лекциях Пешля Тесла познакомился с электричеством. Как и все лекторы, рассказывавшие об электричестве в XIX веке, Пешль наверняка сделал экскурс в историю электричества, со времен древних греков и до передовых изобретений электрического двигателя и освещения. Чтобы лучше понять последующие изобретения Теслы в области электричества, давайте рассмотрим ключевые моменты, которые Пешль излагал Тесле приблизительно в 1876 году.

Хотя древние греки знали, что статическую электроэнергию можно получить, натерев янтарь шелком, наше современное понимание электричества появилось в конце XVII – начале XVIII века. В то время несколько исследователей, в числе которых Генри Кавендиш[7] и Бенджамин Франклин[8], занимались изучением статического электричества. Эти естествоиспытатели сконцентрировали свое внимание на изучении природы электрических зарядов и искр. В начале XIX века наука шагнула от исследования статического заряда к исследованию явления, которое в то время называли динамическим электричеством, или электропроводностью. Опираясь на работу Луиджи Гальвани[9], в 1800 году Алессандро Вольта создал первый источник постоянного тока, состоявший из кусочков двух различных видов металла, разделенных прослойкой смоченных в кислоте бумаг. Изобретение, получившее название «вольтов столб», стало первой аккумуляторной батареей. Пока химики и философы энергично спорили, каким образом в вольтовом столбе вырабатывалось электричество, другие ученые использовали его, чтобы проводить новые эксперименты{84}.

Среди этих ученых был Ханс Кристиан Эрстед[10], который в 1820-м обнаружил взаимосвязь между электричеством и магнетизмом. Эрстед присоединил провод к вольтову столбу и затем поднес к нему магнитный компас. К изумлению Эрстеда, стрелка компаса отклонялась, только когда он присоединял или отсоединял провод от вольтова столба. Эксперименты Эрстеда повторил Андре-Мари Ампер[11], который установил, что это было движение зарядов – ток, который взаимодействовал с магнитным полем стрелки компаса и вызывал ее отклонение. Но какова же связь между током, магнетизмом и движением?

В 1831 году Майкл Фарадей ответил на этот вопрос. Используя тороидальную катушку провода и стержневой магнит, он продемонстрировал закон электромагнитной индукции. Фарадей показал, что можно индуцировать, или создать, ток в катушке, вставляя магнит в катушку и извлекая его обратно. И наоборот, если пропустить ток через катушку, магнит будет двигаться. Однако, чтобы произошло какое-либо из этих явлений – вырабатывался ток или производилось движение, – катушка и стержневой магнит должны были находиться перпендикулярно друг другу. На самом деле вызванный ток двигался под прямым углом в третьей плоскости, перпендикулярно и катушке, и магниту. В современной науке это называется правилом правой руки.

Фарадей понял значение наблюдения Эрстеда о том, что стрелка компаса двигалась только в том случае, когда ток включали или выключали; когда ток тек по проводу постоянно, никакого движения не было. Фарадей выдвинул гипотезу, что и магнит, и электрическая катушка были окружены электромагнитным полем (часто изображаемым как серия силовых линий) и что ток или движение производились, когда одно из этих полей изменялось. Когда ток в проводе Эрстеда включали или выключали, это приводило к возбуждению либо деактивации магнитного поля провода, и это изменение взаимодействовало с магнитным полем стрелки компаса, заставляя ее двигаться. Как мы увидим позже, понимание, что изменение магнитного поля может вызвать ток или произвести движение, было важно для работы Теслы над двигателями.

В середине XIX века ученые не смогли в полной мере осознать всех тонкостей теории Фарадея. Однако, взяв за основу модели Фарадея, исследователи и производители приборов быстро схватили суть его идей и разработали множество генераторов и двигателей. Для прикладных исследователей закон электромагнитной индукции Фарадея сводился к следующему: чтобы создать электрический генератор, нужно перемещать проводник через магнитное поле, и в нем будет индуцироваться ток. Аналогично, чтобы сделать электродвигатель, нужно использовать электрический ток для создания электромагнитного поля, которое заставит магнит или проводник двигаться{85}.

Используя открытия Фарадея об индукции, исследователи вскоре добавили генераторам и двигателям несколько новых характеристик. Во-первых, для выработки электричества они хотели использовать вращательное движение – от заводной рукоятки или парового двигателя. В то же время они искали электродвигатель, который будет использовать электрический ток, чтобы произвести вращательное движение. Во-вторых, исследователи хотели, чтобы электрические машины вырабатывали или потребляли ток, подобный тому, что получали от батареи; они хотели работать с током, который обладал бы устойчивым напряжением, то есть с постоянным током. Это восхищение постоянным током, вероятно, было порождено быстрым развитием в 1840-х и 1850-х годах телеграфных систем, которые отправиляли сигналы с помощью прерывания постоянного тока.

Чтобы обеспечить обе эти функции – вращательное движение и постоянный ток, – исследователи электричества использовали коммутатор. И в генераторах, и в двигателях есть обычно два набора электромагнитных катушек: неподвижные индукторные катушки, или статор, и вращающиеся, или ротор. Коммутатор – просто устройство, с помощью которого электрический ток течет в ротор или из него. Представленный Ипполитом Пикси[12] в Париже в 1832 году, коммутатор стал важной деталью двигателей постоянного тока и генераторов.

Чтобы понять, как работает коммутатор, необходимо изучить внутреннее устройство сначала генератора постоянного тока, а затем – двигателя. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, генератор производит ток, поскольку ротор вращается и пересекает магнитное поле, созданное полевыми катушками. Если мы проследим путь, проделанный одной петлей в катушке ротора, мы увидим, что, когда эта петля вращается вниз, пересекая магнитное поле, это создает ток, который течет в одном направлении. Точно так же, когда петля продолжит свое вращение, она будет поворачиваться наверх, пересекая магнитное поле и вызывая ток, который будет течь в противоположном направлении. Чтобы использовать этот переменный ток, необходимо просто присоединить отдельное токособирательное кольцо к каждому концу петли ротора, чтобы вывести ток из генератора. Однако если мы вслед за изобретателями девятнадцатого века хотим создать постоянный ток, то нужно собрать весь ток, текущий в одном направлении на одном терминале генератора, а весь ток, текущий в противоположном направлении, – на другом терминале. Для этого на стержень ротора помещают коммутатор, состоящий из металлического цилиндра, разделенного на изолированные друг от друга сегменты. Неподвижные контакты, или щетки, размещены на противоположных сторонах цилиндра таким образом, что, когда ток, произведенный в роторе, полностью изменяет свое направление, контакты с щетками также меняют направление вращения, и ток, вырабатываемый генератором, всегда течет в одном направлении.

В двигателе постоянного тока коммутатор работает сходным образом, но его задача состоит в том, чтобы доставить ток ротору. Представим, что на коммутатор поступает электрический ток, который течет по единственной петле в катушке ротора и создает электромагнитное поле вокруг этой петли. Одновременно можно также пропустить ток через индукторные, или статорные, катушки двигателя и создать еще одно электромагнитное поле. Теперь если заставить электромагнитное поле, окружающее петлю ротора, вращаться в том же направлении, что и поле, созданное катушками статора, то эти два поля оттолкнутся и заставят ротор поворачиваться. (Вспомните, что в магнитах противоположные полюса притягиваются, а одинаковые полюса отталкиваются.) Однако, поскольку петля вращается, чтобы создать магнитное поле, которое оттолкнется полем статора, понадобится ток, текущий в противоположном направлении. Следовательно, чтобы заставить ротор вращаться непрерывно, необходимо регулярно изменять направление тока так, чтобы различные участки катушек ротора последовательно имели соответствующее магнитное поле, которое бы отталкивалось полем, созданным катушками статора. Это изменение направления тока обеспечивается коммутатором, который функционирует как поворотный переключатель и посылает ток в соответствующем направлении к каждому участку катушки ротора.

Мы так подробно рассмотрели принцип работы коммутаторов в двигателях постоянного тока и генераторах, так как они – существенный элемент электрических машин вращательного действия. Тем не менее коммутаторы были (и продолжают быть) ахиллесовой пятой машин постоянного тока: они были сложны в изготовлении и быстро изнашивались. Кроме того, коммутаторы часто воспламенялись в случае недостаточной электрической изоляции между сегментами или если щетки были неправильно прикреплены и касались слишком многих сегментов одновременно. Как мы вскоре увидим, Тесла рано понял, что коммутаторы были основной проблемой в электрическом оборудовании, и он намеревался искоренить их.