Глава 5 На заре российской электротехники

Глава 5 На заре российской электротехники

Обращаясь к истории российской электротехники, вспомним великого русского ученого Павла Николаевича Яблочкова, моего земляка. Его биография и изобретения подробно освещены в книге «Русские электротехники второй половины XIX века», М. А. Шателен, Госэнергоиздат, 1949 год.

Родился Павел Николаевич в Саратовской губернии, 14 сентября 1847 года. Образование он получил военноинженерное, служил офицером с 1866 по 1872 год. В 1875 году Яблочков поехал на Всемирную выставку изобретателей в Филадельфии, показать миру свой новый электромагнит с обмотками необычной формы, которые придавали магниту особую силу. Однако, до Америки он не доехал, и остался работать в Париже у Бреге, в мастерской, изготовлявшей знаменитые часы и другие физические приборы. Там он запатентовал свои изобретения, а позже стал одним из основателей Французского Электротехнического Общества.

Первый патент Яблочкова № 110479 от 29 ноября 1875 года выдан французским правительством на «электромагнит». Отличительной особенностью электромагнита Яблочкова было то, что его обмотка была сделана из плоской ленты, намотанной на ребро, так что плоскость ленты была перпендикулярна к сердечнику. На рис. 50 показано, каким образом взаимодействует поле плоского витка с полем в сердечнике. Суть этого важного изобретения, по-моему, состоит не только в экономии меди. В таком трансформаторе создаются условия для асимметрии первичного магнитного поля В1 и вторичного (индуцированного) поля В2, показанные на рис. 50. Вторичное поле почти не создает влияния на первичный источник. Кроме того, намотка плоской лентой «на ребро» позволяет получить большое число Ампер-витков на единицу длины сердечника, как и при намотке тонкими проводами круглого сечения малого диаметра, но при этом удается обеспечить в обмотке малое активное сопротивление току (малые омические потери).

Рис. 50. Плоская лента создает поле В2

Второй патент Яблочкова № 111535 от 17 февраля 1876 года также упоминает о применении ленточной обмотки. Отметим, что Тесла и другие изобретатели также применяли плоские ленты в обмотках трансформаторов и электромоторов, в том числе, включая их по схеме Мебиуса.

23 марта 1876 года Яблочков получает патент на лампу освещения, так называемую «свечу Яблочкова». В 1877 году он получил французский патент на магнитную динамо-электрическую машину переменного тока, в которой обмотки оставались неподвижными. Изменения магнитного потока происходили за счет вращения зубчатого железного диска. Фактически, это одна из первых схем альтернатора. При такой конструкции, электродвижущая сила создается почти без торможения ротора.

Отметим также его приоритеты в изобретении первого в мире трансформатора. Французский патент № 115793 от 30 ноября 1876 года описывает трансформатор, изобретенный Яблочковым: «… в любой точке цепи я включаю индуктирующую катушку, через которую проходит ток от источника тока. Далее я помещаю, надлежащим образом, вторую катушку, в которой первая индуцирует ток». Схема показана на рис. 51.

Системы электрического освещения того времени имели только один провод, а второй конец линии подключался к заземлению. Позже мы рассмотрим аналогичные современные однопроводные линии электропередач. Счетчиков электроэнергии тогда не было, а оплата производилась по установленному тарифу за пользование.

Кроме французского патента, 6 апреля 1878 года, Яблочков получает и русский патент на первый в мире электромагнитный трансформатор. В немецкой «Истории трансформаторов» Уппенборн пишет: «В 1878 году мы встречаемся с первым опытом промышленного применения индукционных катушек для освещения; в этом году Яблочков взял немецкий патент № 1630, который был им применен для питания своих ламп».

Яблочков нашел способ использовать воздух (ионизацию окружающей среды), как «источник свободных электронов» для усиления мощности в цепи полезной нагрузки. 13 сентября 1877 года в Русском Физико-Химическом Обществе был сделан доклад Профессора Егорова об изобретениях Яблочкова, в том числе по вопросу «введения больших конденсаторов в цепь машины-генератора для увеличения мощности ламп».

На рис. 52 показана схема распределения переменного тока с конденсаторами по французскому патенту Яблочкова, № 120684 от 11 октября 1877 года на «Систему распределения и усиления атмосферным электричеством токов, получаемых от одного источника тока с целью одновременного питания нескольких светильников».

В книге «Электрическое освещение», изданная в 1883 году Де Монсель, пишет: «Для того, чтобы увеличить световую мощность электрических свечей, Яблочкову пришла мысль применить конденсаторы большой поверхности».

Отметим, что кроме плоских пластин, были предложены «игольчатые конденсаторы», так сказать «ежики», похожие на щетки с металлическими иглами. Острие электрода, как известно, улучшает условия ионизации воздуха.

Яблочков объяснял: «Я заставляю динамическое электричество, доставляемое источником электричества, претерпевать двойную трансформацию – сначала в статическое электричество, а затем снова в динамическое… я соединяю проводник, идущий от машин переменного тока с внутренней обкладкой Лейденской банки или конденсатора особого устройства, а второй провод соединяю со свечой.

Включение конденсаторов не только позволяет распределить ток по разным направлениям, но имеет еще целью развить атмосферное электричество, которое аккумулируется в конденсаторах… Поэтому сумма количества электричества, посылаемая в источники света, больше, чем количество электричества, доставляемое первоначальным источником тока».

Интересно, что позже, в научных работах стали применять «цензуру» и удалять все высказывания по теме, касающейся вопроса получения избыточной энергии. Кто из ученых XX века смог бы так написать, как Яблочков в 1877 году, о том, что он «получает в лампе накаливания больше энергии, чем берет из первичного источника». Писали, но очень осторожно. Позже мы рассмотрим работы Академика Николая Дмитриевича Папалекси, которые относятся к 50-м годам прошлого века. Там есть интересные выводы о возможности получения КПД параметрического генератора «намного более 99 %».

Крупнейшие французские физики той эпохи, например, Маскар и Варрен-Деларю, присутствовали при опытах Яблочкова, и отмечали, что сумма токов от обкладок конденсаторов в землю превышала в 2 раза силу тока первичного генератора. Заметим, «токов, идущих в землю». Избыточный ток, то есть большое количество свободных электронов, приводимых в движение изменением электрического потенциала в однопроводной линии, может быть обеспечен только при контакте цепи с заземлением, и при наличии «конденсатора с большой поверхностью», аккумулирующего атмосферное электричество. Заземление – источник свободных электронов и условия создания большой силы тока в цепи питания полезной нагрузки. Данный принцип применяется во многих конструкциях, в частности, у Капанадзе.

Второй фактор, который стоит отметить для данного изобретения 1877 года: увеличение силы тока отмечалось при наличии в цепях катушек индуктивности. Фактически, Яблочков впервые применял в России резонансные трансформаторы, как сочетание катушек индуктивности и мощных конденсаторов.

Главный фактор развития технического прогресса в то время – свобода изобретательской мысли и ограниченные технические возможности в области электротехники. Приходилось искать оптимальные решения. Практическое применения находили машины, производящие электроэнергию любым практичным «экономным» способом. Эффективность получения и преобразования электроэнергии была ключевым фактором. Вращение ротора создавалось с помощью паровых машин, как правило, имеющими небольшую мощность и низкие обороты, поэтому от конструкции электрогенератора требовалось получить максимум мощности, даже при слабом механическом приводе. Эти задачи никто не воспринимал, как попытку нарушения закона сохранения энергии. Работает? Значит, правильное решение!

Кроме электромагнитных генераторов, Яблочковым был разработан высоковольтный генератор энергии, а также электромагнитный генератор «Эклиптика», рисунок которого, из патента 1882 года, показан на рис. 53.

Данный генератор использует особую суперпозицию намагничивающей обмотки: ось вращения ротора (вторичной обмотки) лежит под углом к оси магнитного потока. Достоверных сведений по эффективности такого генератора нет, но поскольку сейчас встречаются похожие современные схемы, то можно предположить, что старое изобретение Яблочкова имеет хорошие перспективы развития.

Показательны следующие события: парижская выставка 1878 года, сыгравшая такую роль в успехе Яблочкова, была местом, где начались большие изменения в его жизни. Именно на выставке у него возникла мысль реализовать свои идеи в России. Он начал искать в России партнеров по развитию своих изобретений, даже предлагал их даром Русскому Военному Министерству, но долго не получал от них ответа.

Наконец, изобретения Яблочкова привлекли внимание Великого Князя Константина Николаевича, который был адмиралом, возглавлял Морское Ведомство. Кроме того, интерес проявлял Николай Григорьевич Рубинштейн, директор московской консерватории, имевший много связей с московскими капиталистами.

Яблочков, в то время, имел состояние в акциях Французского Общества электротехников, одним из основателей которого он являлся. Истинный патриот, он продал все свои акции, и выкупил за миллион франков свои изобретения у Французского Общества, чтобы иметь возможность развивать их в России, а затем уехал в Санкт-Петербург, где основал общество под названием "Яблочков-изобретатель и Компания. Товарищество Электрического Освещения и изготовления электрических аппаратов и машин в России". Средства для начала дела ему выдал Великий Князь Константин.

Яблочков построил завод на Обводном канале. Фактически, это была опытная мастерская, где отрабатывались передовые для того времени электротехнические технологии (аккумуляторы, провода, лампы освещения, трансформаторы). Большого применения в быту электроосветительные приборы тогда не имели, продажи шли плохо… Только Военно-морской флот России активно применял изобретения Яблочкова. Английская пресса писала, что успех русских в войнах на море, во многом, был определен применением электрического освещения и электрических машин на русских военных кораблях.

Коротко рассмотрим конкуренцию того времени. Обычно, помещения освещались свечами или более мощными жировыми лампами, в которых горел гусиный жир. Себестоимость электроэнергии и цена гусиного жира, необходимого для создания одинаковых условий освещения, были на одном уровне, поэтому владельцы частных зданий, заводов и театров были заинтересованы перейти на новые технологии. В этом состоит основное правило рынка: предлагаемый товар должен быть лучше и дешевле, либо он должен иметь новые потребительские качества. Замечательно, когда новый товар и дешевле, и имеет новые дополнительные потребительские свойства.

Интересно отметить, особенно с учетом современного состояния технологий и мирового рынка 2011 года, борьбу газовых компаний за рынок в XIX веке. Предлагаю Вашему вниманию цитату из рекламной брошюры, оплаченной газовщиками: «Для жилых помещений, газовое освещение является самым приятным, удобным и дешевым. Электрическое освещение, возможно, найдет применение для отдельных больших комнат, но это будет таким редким исключением, что излишне обращать на них внимание. Несмотря на конкуренцию, никогда электрический свет не нанесет ущерб газу, масляным лампам и свечам» , так писал Фонтен в книге «Электрическое освещение».

Пример конкурентной борьбы: компания Яблочкова получила контракт на освещение Литейного моста, выполнила его, и некоторое время получала прибыль, а также отличную рекламу своей продукции. Газовые компании того времени, занимавшиеся вопросами освещения в Санкт-Петербурге, сформировали в Городской Думе оппозицию, а когда закончился срок аренды, контракт Яблочкова на освещение Литейного моста не был продлен. Электрическое освещение сняли, а газовые фонари вернули на мост.

Конкуренция с компаниями газового освещения, с иностранными компаниями электрического освещения, а также финансовая неопытность Яблочкова привели к краху его коммерческого предприятия. Разочаровавшись в возможности развить свою деятельность в России, Яблочков в 1880 уехал обратно в Париж, имея в запасе только одно изобретение – динамо-машину нового типа. Он продал ее Французскому Электротехническому Обществу, и снова занялся развитием электротехники. Затем он вернулся в Россию, и работал в Саратове.

В 1887 году Яблочков взял патент на гальванический элемент, использующий водород и кислород для производства электричества. Это был один из первых в мире топливных элементов, к широкому использованию которого мы пришли в XXI веке. На рис. 54 показана его простая конструкция.

Платиновый или свинцовый электрод в форме чаши заполняется измельченным углем. Снизу в нее подается водород. Корпус служит отрицательным электродом. Чаша покрывается картонной или войлочной крышкой, на которую кладется пластина из пористого угля. На пластине конденсируется кислород из воздуха. На нижнем рисунке показан топливный элемент, в который подается кислород и водород. Такие топливные элементы обеспечивали электроэнергией потребителей уже в 1890 году.

Мы знаем далеко не все про работы Яблочкова, так как многие его бумаги исчезли. Известно, что он интересовался вопросами воздухоплавания и методами создания движущей силы (тяги) для автомобилей.

На заседании Французского общества гражданских инженеров, он сообщил, что «занимается работой над производством силы». У него уже тогда был оформлен патент на электромобиль, над производством которого работают современные инженеры.