На службе второму отечеству

Познакомившись с работами Фарадея, многие исследователи занялись конструированием электродвигателей. Сначала это были модели, совершающие возвратно-поступательное движение, как в паровой машине, затем появились малоперспективные двигатели с качающимися якорями. Ни для кого не секрет, что главными промышленными процессами, распространенными в мире, являются процессы механические. А следовательно, задача обратного превращения электрической энергии в механическую была весьма актуальной. Именно ее решение могло вывести электричество из стен лабораторий и превратить из физической забавы в подлинную и столь необходимую человечеству силу. Для этого требовалось совсем «немногое» – изобрести электрический двигатель. Для промышленного использования электродвигателя в различных станках и механизмах желательно было получить вращательное движение якоря.

Летом 1839 года праздношатающиеся гуляки облепили набережную Невы, ибо узрели чудо. От Петропавловской крепости удалялась двенадцативесельная шлюпка с единственным пассажиром. На корме сидел плотный невысокий господин в цивильном костюме. Тонкие губы крепко сжаты, брови насуплены. Несколько дружных гребков – и шлюпка на середине реки. По команде матросы осушили весла. Пассажир, сказав несколько слов с сильным немецким акцентом, нагнулся и стал колдовать над ящиком, уставленным стеклянными банками, от которых тянулись толстые провода к машине, соединенной с большими колесами, наподобие мельничных, спущенными с бортов в воду. Шлюпку уже изрядно снесло течением, когда под руками пассажира раздался негромкий треск и колеса завертелись. Повернувшись носом против течения, шлюпка пошла, разрезая свинцовую невскую волну. Пошла сама, против течения!..

Борис Семенович Якоби (1801–1874)

Так состоялось первое в мире практическое испытание электрического двигателя, который был сконструирован и построен в России и питался от батареи гальванических элементов Грове. Изобретателем двигателя и был тот самый господин на корме. Звали его Борисом Семеновичем Якоби.

Идею российского изобретателя сразу же подхватили многие зарубежные электротехники.

Исследователи обычно разбивают весь путь технической эволюции электродвигателя на несколько этапов. Самый первый – от опыта Фарадея в 1822 году и до практического образца «магнитной машины» Якоби, так описанного изобретателем в «Известиях Парижской академии наук»: «В мае 1834 года я построил свой первый магнитный аппарат, дающий постоянное круговое движение…» Первый электродвигатель состоял из двух наборов стержневых электромагнитов. Один из них неподвижно закреплялся на доске двигателя, другой – на противоположной раме, которая могла вращаться. Для питания электромагнитов использовалась батарея гальванических элементов. А для изменения полярности подвижных электромагнитов был предложен коммутатор. Казалось бы, коммутатор – небольшая и не главная деталь двигателя. Между тем он представлял собой глубоко продуманную конструкцию из четырех разрезанных металлических колец, изолированных от машины и установленных на валу ротора. По кольцам скользил рычажок, к которому подводился ток от батареи. За один оборот вала направление тока в катушках электромагнитов восемь раз менялось, соответственно менялась и полярность электромагнитов. И они поочередно то притягивались, то отталкивались от неподвижных магнитов статора, установленных на деревянной раме.

Мощность первого двигателя была, конечно, ничтожной. Но через четыре года напряженного труда Якоби создал другой, который можно было уже испытать в деле.

Первый электродвигатель Б. С. Якоби

В 1837 году изобретателю был предоставлен бот, рассчитанный на десять гребцов. На нем и установили двигатель. Это и был тот первый опыт, с которого начался наш рассказ.

Мориц Герман Якоби родился в Потсдаме в 1801 году и учился в Геттингенском университете по специальности архитектура. В 1835 году Якоби переехал в Россию на должность профессора гражданской архитектуры в Дерптском (ныне Тартуском) университете. Однако герра профессора более архитектуры привлекали изыскания в области «приложения электромагнетизма к движению машин». И потому, он не колеблясь, принял предложение Петербургской академии наук и был прикомандирован к комиссии для «исследования электромагнитных притяжений и законов намагничивания железа».

Якоби сразу и навсегда связал свою судьбу с Россией. Он сменил подданство, принял более привычное для русского слуха имя Бориса Семеновича и женился на русской – Александре Григорьевне Кохановской. Тридцать девять лет оставшейся жизни отдал Якоби служению России, считая ее вторым отечеством, «будучи связанным с нею не только долгом подданства и тесными узами семьи, но и личными чувствами гражданина». Так писал он, отвечая на неизбежные вопросы со стороны властей к натурализовавшемуся иностранцу.

В России Якоби встретился с Эмилием Ленцем. Это был счастливый случай в жизни обоих.

Эмилий Христианович Ленц (1804–1865)

Генрих Фридрих Эмиль Ленц, или Эмилий Христианович Ленц, как его называли позже в Петербурге, родился в 1804 году в городе Дерпте (ныне Тарту). Шестнадцати лет он поступил в Дерптский университет, но учебу не закончил, поскольку в 1823 году был приглашен принять участие в кругосветной экспедиции на шлюпе «Предприятие» под командованием капитан-лейтенанта Отто Евстафьевича Коцебу. Экспедиция вначале предназначалась для «открытий», но перед самым отправлением Коцебу получил приказание доставить на Камчатку разные грузы, а затем приступить к охране североамериканских российских берегов.

За время путешествия Ленц сумел сделать ряд важных географических исследований, за которые по возвращении получил степень доктора в Гейдельбергском университете. После чего стал преподавать физику в петербургских военных училищах. Уже через год Эмилия Ленца избрали адъюнктом Петербургской академии наук, и он принял предложение участвовать в новой экспедиции, на этот раз на Кавказ «для магнитных, термометрических, барометрических и геогностических наблюдений и исследований в окрестности Эльбруса». Затем вместе с астрономом Карлом Христофоровичем Кнорре, директором Николаевской обсерватории, производил геофизические наблюдения на берегу Каспийского моря.

В 1830 году Ленц опубликовал результаты своих исследований и отчет о работах во время путешествия. Решением академического совета он был назначен экстраординарным академиком и директором физического кабинета при Академии наук. Здесь он и познакомился с Борисом Семеновичем Якоби. К этому времени относится начало работ Ленца в области электричества и магнетизма.

Общность научных интересов сблизила его с Якоби, связав ученых на всю жизнь тесной дружбой. Они бок о бок трудились в новой, развивающейся области науки об электричестве. Ленц был, как сказали бы мы сегодня, теоретиком. Якоби – экспериментатором и очень изобретательным человеком.

Вместе с Якоби Ленц установил, что любая магнитоэлектрическая машина, которая служит для производства электрического тока, может быть использована в качестве электродвигателя, если через ее якорь, или «арматуру», как тогда говорили, пропускать ток от постороннего источника.

Схема электрической машины Пачинотти-Грамма

Малый двигатель Сименса и Гальске

Первые идеи устройства электродвигателя изложил сам Якоби. Он писал: «…Я не мог сначала отрешиться от идеи получить возвратно-поступательное движение, производимое последовательным притягивающим и отталкивающим действием магнитных стержней, а затем уже превратить это возвратно-поступательное движение в постоянное круговое известным в технике способом…» То есть в основу будущего двигателя он положил сначала возвратно-поступательное движение поршня паровой машины. Идея такого движения отнюдь не плоха, она не умерла и в наше время в области так называемых линейных двигателей. Но подлинную техническую революцию в мире совершили, конечно, машины с вращательным движением якоря.

В 40-60-е годы XIX века, несмотря на то что инженеры для превращения электроэнергии в энергию механическую использовали более знакомые генераторы постоянного тока, изобретатели создали немало конструкций именно электродвигателей. Со временем в них стали появляться механические особенности в соответствии с назначением машин, отличающие их от генераторов.

Казалось бы, после такого блестящего начала, каким явилось испытание двигателя на Неве, от Якоби следовало ожидать дальнейшего совершенствования его двигателя. Тем более что слава о нем прокатилась по всей Европе. Однако, подробно описав конструкцию и принцип ее работы, Якоби проанализировал экономическую эффективность своего детища и… пришел к выводу о нецелесообразности его применения. Паровая машина пока что побеждала машину электрическую.

Тем не менее многие конструкторы занимались созданием различных электродвигателей.

Двигатель фирмы «Dentsche Elektricit?tswerke»

В 1837 году американский техник Томас Девенпорт тоже построил электродвигатель с вращающимся якорем. Принцип действия его практически ничем не отличался от двигателя Якоби. Только на место неподвижных электромагнитов Девенпорт поставил постоянные магниты и сделал свою конструкцию более компактной. Построили электродвигатели французские конструкторы Пэдж и Штэрер… Нельзя не отметить конструкцию студента Пизанского университета Антонио Пачинотти. В 1860 году он предложил новый тип якоря с непрерывной обмоткой и коллектор, сохранившийся практически неизменным до настоящего времени. Четыре года спустя, став профессором физики Пизанского университета, Антонио Пачинотти придумал оригинальный электродвигатель с кольцевым зубчатым якорем и самостоятельно обнаружил явление обратимости электродвигателя в генератор. Но он не знал о возможности самовозбуждения и поставил на свою модель слабые постоянные магниты. И на его изобретение – кольцевой зубчатый якорь – особого внимания тогда никто не обратил. Сам же Пачинотти был человеком, далеким от предпринимательства.

Время Якоби и Ленца было сложным для науки об электричестве. Экспериментаторы накопили множество разнообразных сведений о явлениях, а объяснения им не находили. В ту пору большинство электромагнитных явлений объяснялось наличием «невесомых жидкостей». Так, тепловые явления кое-кто еще принимал за действие сомнительного «теплорода», способного переливаться из одного тела в другое, а проявление магнетизма и электрических сил – за действие «магнитной» и «электрической» жидкостей. При этом физиков все еще смущало то обстоятельство, что электричество можно было «добывать» механически – трением, а также при помощи гальванических элементов, то есть химическим путем. В 1821 году к существовавшим «видам электричества» добавилось еще и термоэлектричество, открытое Томасом Зеебеком. Затем Фарадей показал, что можно получать электричество индукционным способом.

Большой электродвигатель фирмы «Эрликон»

Многочисленные, плохо поставленные непрофессионалами опыты давали разноречивые результаты и приводили к неверным выводам. Так, одно время считалось, что к токам, полученным путем фарадеевской индукции, не применимы законы, выведенные для гальванических токов от химических элементов. В свою очередь, «гальванические явления» считались отличающимися от «истинно электрических», которые создавались трением и накапливались в лейденских банках. Возникало впечатление, что явления разных электрических сил обусловливаются разными причинами. Одни происходили от «электрического флюида» и «гальванической жидкости», другие – от «индукционной электрической жидкости». В условиях такой путаницы следовало прежде всего проникнуться идеей о единой природе и единых законах для любого электрического тока, подтвердив это экспериментами. Сделать это впервые удалось Ленцу.

Он заметил, что Фарадей дал два правила для одного и того же явления. «Сейчас же по прочтении статьи Фарадея, – писал ученый, – я пришел к мысли, что все опыты по электродинамической индукции могут быть легко сведены к законам электродинамических движений, так что если эти последние считать известными, то этим самым будут определены и первые. Мое представление оправдалось на ряде опытов».

Токарный станок с электродвигателем

И дальше Ленц формулирует свое правило: «Если металлический проводник движется поблизости от гальванического тока или магнита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направления, что если бы данный проводник был неподвижным, то ток мог бы обусловить его перемещение в противоположную сторону; при этом предполагается, что покоящийся проводник может перемещаться только в направлении движения или в противоположном направлении».

Сегодня это замечательное правило, сыгравшее огромную роль в истории электричества, формулируется проще: «Индукционный ток имеет такое направление, что его магнитное поле препятствует изменению того магнитного поля, которое вызвало появление индукционного тока».

«Тотчас же по просматривании мемуара Фарадея, – писал Ленц в докладе Петербургской академии наук 29 ноября 1833 года, – мне показалось, что все без исключения опыты электродинамического распространения (индукционных токов. – А. Т.) могут быть очень простым способом сведены обратно к законам электродинамических движений, так что ежели эти законы известны, то и все явления электродинамических распределений (индукционных токов. – А. Т.) могут быть выведены из них».

После убедительных экспериментов Ленц дал обобщенный закон индукции, о котором речь шла выше, то есть, размышляя о фи зической сущности исследованного явления, он пришел к обобщению: «Ежели мы хорошо уясним себе приведенный выше закон, то мы сможем вывести заключение, что каждому явлению движения под действием электромагнитных сил должен соответствовать определенный случай электромагнитной индукции». Выражаясь современным языком, можно сказать: каждому электромагнитному явлению соответствует определенное магнитоэлектрическое явление.

Электрический лифт

Многие достижения Ленца опережали время, и о них забывали. А через полвека – открывали вновь, называя краеугольными камнями нарождающейся электротехники.

Когда в 1831 году Фарадей открыл новое явление, которое мы сегодня называем электромагнитной индукцией, современники вполне оценили огромное значение открытия. Многие тут же включились в работу, черпая первые сведения из перепечатанных во многих журналах фарадеевских «Исследований по электричеству». Другие горестно сетовали по поводу того, что великий экспериментатор «на самую малость» опередил их собственные работы на ту же тему. Находились и такие, кто пытался представить себя соучастниками события… Между тем строгого понимания сути нового явления не было ни у кого. Даже сам Фарадей делил открытое им явление на два вида – на «магнитоэлектрическую» и «вольтаэлектрическую» индукцию. И для определения направления индуцируемого тока давал существенно разные правила в обоих случаях.

Я уже говорил, что многие ученые позволяли себе снисходительно относиться к теоретическим построениям своего английского коллеги. И потому многочисленные эпигоны, не открывая ничего нового, до бесконечности переиначивали формулировки Фарадея и давали свои, подчас совершенно неверные правила для токов.

Двойной эскалатор

Ленц подошел к актуальному вопросу со свойственной ему немецкой строгостью и пунктуальностью и вывел свое знаменитое правило, которое и сегодня наизусть заучивают школьники, а потом повторяют студенты электротехнических вузов.

Кроме работ по электромагнитной индукции Эмилий Христианович Ленц занимался еще множеством других исследований. Все его фундаментальные открытия и труды находились на самых главных направлениях развития молодой науки об электричестве.

Трудолюбие Ленца и разносторонность его интересов невероятны. Он был еще геофизиком и океанографом, университетским профессором и администратором, преподавал во множестве учебных заведений, являлся академиком и непрерывно вел научную работу. Он написал несколько учебников и руководств, которые пользовались большой популярностью и выдержали не одно издание. При этом Ленц никогда не искал выгоды, не наживался на своем таланте. Его лекции и учебники, его научная работа отличались замечательной ясностью и строгой систематичностью. Опыты его были всегда точны, результаты многократно проверены и убедительны. «Приемы, какие Ленц употреблял при своих опытах, – говорили о нем современники, – должны служить нормою для всех других подобных исследований».

Малый электродвигатель фирмы «Allgemeine Electricitats-Gesellschaft»

Он преподавал в Морском кадетском корпусе, в Михайловском артиллерийском училище, читал лекции в Главном педагогическом институте и возглавлял кафедру физики и физической географии в Петербургском университете. Везде вокруг Ленца теснились молодые люди – ученики и помощники. Все знали независимость его мнений и поступков от внешних влияний. За эти качества характера Эмилия Христиановича часто назначали в комиссии по разным щекотливым вопросам. Избранный сначала деканом физико-математического факультета, он был в 1863 году избран ректором университета. Но пробыл в этой должности недолго. Получив в 1864 году отпуск для лечения, Ленц уезжает за границу и 10 февраля 1865 года скоропостижно умирает в Риме.

Из школы Ленца вышли замечательные ученые, сыгравшие видную роль в развитии физической науки. А сам Эмилий Христианович Ленц в истории физики, в истории науки занимает видное место не только по своим научным результатам, но и по нравственному облику, являясь примером честного и беззаветного служения России.