Электротехника

Электротехника

— Электротехникой называют отрасль прикладных знаний, имеющих целью изучение средств и способов для применения электрической энергии в технике и промышленности. Выросшая на почве научных исследований в области электричества и магнетизма и воспользовавшаяся уже богатыми средствами паровой механики, а затем и гидротехники, Э. поразительно быстро завоевала самое почетное место в техническом и промышленном мире. Действительно, в настоящее время нет почти такой отрасли техники, где бы не пользовались услугами электричества. Если четверть века тому назад Э. представляла собой ряд сведений, приемов и конструкций, плохо координированных и слабо связанных строго построенной теорией, то теперь, благодаря изумительно настойчивому труду ученых и техников, этой отрасли прикладных знаний без всяких колебаний может быть присуждено звание прикладной науки. Рамки этой науки в настоящее время настолько раздвинулись, что изучающим ее приходится уже специализироваться по тому или другому из отделов, на которые эта наука успела так быстро дифференцироваться. Прежде всего явилось настоятельной необходимостью разделить электротехнику на два крупных отдела:

1) на технику слабых токов, обнимающую собой применения электричества для передачи сигналов и звуков, для контроля на расстоянии тех или других действий и распоряжений и для координирования движения поездов жел. дор. с целью обеспечить безопасность и правильное управление этим движением;

2) на технику сильных токов, обнимающую собой целый ряд применений электрической энергии для целей освещения, распределения и передачи механической энергии во всех разновидностях этой последней, начиная с мелких мастерских и кончая тягой поездов большой скорости, не говоря уже о применениях в области химии.

Но и эти два крупных отдела, в свою очередь, раздробились на более или менее обширные подотделы. Так, в технике слабых токов можно выделить вполне определенные и почти самостоятельные отделы: телеграфия, телефония, электрическая сигнализация (железнодорожная, пожарная и заводская), и для каждого такого отдела необходимо иметь специально подготовленных техников. Телеграфия даже развилась в самостоятельную прикладную науку, за ней следом идет телефония и лишь электрическая сигнализация, имея более описательный характер, представляет собой как бы главу, связанную искусственно из параграфов, находящихся в той или другой зависимости от требований, специально предъявляемых соответственной отраслью техники. Э. сильных токов раздробилась в настоящее время на ряд следующих весьма крупных отделов: 1) электрическое освещение, обнимающее способы преобразования электрической энергии в световую, 2) электрическое распределение и электрическая передача механической энергии на расстояние, 3) электромеханика, предмет которой составляет изучение конструкций и действия динамо-машин, электродвигателей, трансформаторов и вообще электромеханизмов, 4) электрическая тяга (электрические трамваи и железные дороги), 5) электрометрия, посвящаемая рассмотрению методов измерения электрических величин, исследованию электроизмерительных аппаратов и испытанию источников, генераторов, трансформаторов электрической энергии и других вспомогательных приборов, применяемых в электротехнике. Мы не будем говорить о таких отделах, как электрохимия, электрометаллургия и т. п, которые являются уже отраслью соответствующих наук (химии, металлургии и т. п.), а упомянем лишь еще об одном отделе, а именно, о гальванопластике и гальваностегии. Не безынтересно привести краткий исторический очерк как возникновения, так и дальнейшего развития всех перечисленных выше отделов электротехники.

I. Техника слабых токов.

Телеграфия

1) Телеграфия. Началом эпохи применения электричества с целью передачи сигналов на расстояние следует считать (см. «Telegraphie und Telephonie», J. Noebels, A. Schluckebier, O. Jentsch) 1746 год, когда профессор Winkler в Лейпциге впервые показал, с какой громадной скоростью распространяется электричество в хороших проводниках. Несколько позже (1747 г.) Le Моnnier в Париже показал, разряжая лейденскую банку через железную проволоку, длиной в 4 километра, что обратным проводом может служить земля, то же повторил Watson в Лондоне, причем проволока была взята длиной в 6 километров. Однако эти опыты можно считать лишь предвестниками нарождения электрических телеграфов; первой же попыткой практического значения следует считать опыты Lesage’a в Женеве, который устроил линию из 24 проволок, изолированных в глиняных трубках. На концах этих проволок с одной стороны он подвесил бузинные шарики, а с другой — установил электростатическую машину: соединяя кондуктор этой последней с двумя из проволок, он получал на другом конце линии взаимное отталкивание соответствующих двух шариков. Отклонению той или другой пары этих последних соответствовала та или другая буква алфавита; таким образом, это был первый электрический телеграф. Аналогичные попытки применения статического электричества были сделаны Reusser’ом и B ö ckmann’ом в Карлсруэ, Betancourt’ом в Мадриде (в 1798 г.) и позже Francis’ом Bonalds’ом, но до тех пор, пока старались применять статическое электричество для передачи знаков, опыты оказывались мало удачными и, по-видимому, пришлось вовсе отказаться от подобного принципа при более или менее значительных расстояниях вследствие рассеивания даваемого проводам заряда через воздух и через несовершенные изолирующие поддержки проводов. Этими попытками заканчивается первый, весьма скудный по своим практическим результатам, период истории электрических телеграфов. Второй период характеризуется применением химических действий тока, главным образом, свойств тока разлагать подкисленную воду. На таком принципе была устроена телеграфная передача Самуилом Тома фон Земмерингом (Samuel Thomas von S ö mmering). Линия состояла из 27 изолированных одна от другой проволок, из которых 25 соответствовали буквам алфавита, 26-я — точке и 27-я повторительному знаку (сигналу «повторить»). Эти проволоки у места передачи могли соединяться попарно с полюсами Вольтова столба, а у места приема входили своими концами в стеклянный сосуд, наполненный водой, подкисленной серной кислотой. Таким образом, при замыкании двух проволок у места передачи на полюсы (+) и (-) Вольтова столба в месте приема у конца одной проволоки выделялся кислород, а у конца другой — водород, пузырьки которых наблюдались простым глазом и, следовательно, можно было отмечать, у каких букв происходит выделение газов, так как каждый конец проволоки соответствовал той или другой букве, причем каждый раз передавалось по две буквы. Эта система передачи знаков была предложена Земмерингом в 1809 г. Schweigger в 1811 г. усовершенствовал предыдущую систему, уменьшив число проволок на 2. Однако и эти попытки не привели к более или менее практическим результатам. Наиболее плодотворным является третий период, когда были применены электромагнитные свойства гальванического тока. Ампер в 1820 г., в докладе французской академии наук (2-го октября), сообщил идею электромагнитного телеграфа, а именно, он предлагал провести столько проволок, сколько букв в алфавита, около каждой проволоки в пункте приема установить по магнитной стрелке и затем провести еще одну проволоку для возврата тока; тогда, замыкая гальваническую батарею, один полюс которой соединен с возвратной проволокой, через ту или другую проволоку алфавита, получим отклонение соответствующей магнитной стрелки. Наш соотечественник, Павел Львович барон Шиллинг, впервые показал, что, комбинируя отклонения магнитной стрелки под действием тока в ту и другую сторону, можно создать условный алфавит и таким образом возможно обойтись значительно меньшим, чем по идее Ампера, числом проводов. На аналогичном принципе был устроен электромагнитный телеграф Вебером и Гауссом. Профессор мюнхенской академии наук Steinheil на том же принципе, комбинируя отклонения двух магнитных стрелок, устроил в 1835 г. аппарат, посредством которого условные знаки алфавита принимались одновременно и по звуку (ударом о металлическую чашечку) и на ленте в виде точек; таким образом, это был первый пишущий телеграфный аппарат. Cooke и Wheatstone усовершенствовали телеграфный аппарат барона Шиллинга, сократив число магнитных стрелок. Затем были изобретены так называемые стрельчатые телеграфы, где обходились уже двумя или одним проводом, причем в приемном аппарате при посылках тока перемещалась стрелка по циферблату с буквами алфавита. В сентябре 1837 г. американец Морзе демонстрировал впервые свой пишущий аппарат. Знаки получались в виде зигзагообразных линий. В 1844 г. этот же изобретатель дал вторую модель, являющуюся прототипом применяемого по сие время известного в телеграфной технике аппарата Морзе. В 1855 г. профессор David-Eduard Hughes (Юз) изобрел буквопечатающий аппарат, который получил столь широкое распространение во всех государствах Европы и Америки. В 1860 г. впервые этот аппарат был испытан во Франции, в России же первые пробы были сделаны в 1865 г. Изобретение столь удачных типов телеграфных аппаратов Морзе и Юза сразу дало толчок развитию телеграфной корреспонденции, а вместе с ней стали расти требования быстроты передачи, и техники стали стремиться к выработке так называемых быстродействующих аппаратов, могущих передавать в час 100 и более депеш, Wheatstone в 1867 г. предложил аппарат, представляющий собой как бы усовершенствование аппарата Морзе. В этом аппарате передатчик действовал автоматически, с каковой целью предварительно депеши заготовлялись на особой ленте знаками в виде пробитых круглых отверстий, комбинируемых соответственно каждой букве алфавита; эта перфорированная лента пропускалась между штифтами передатчика, которые, проскакивая сквозь отверстия ленты, производили соответственные посылки тока, а следовательно, и сигналы в приемном аппарате, который воспроизводит эти сигналы в виде обыкновенного алфавита Морзе. Для удовлетворения все более и более возрастающей потребности увеличить число передаваемых в единицу времени депеш были предложены следующие системы:

1) встречное телеграфирование (дуплекс), то есть одновременная передача двух депеш с обоих концов линии,

2) двойная передача (диплекс), то есть одновременная передача двух депеш с одного и того же конца линии,

3) квадруплекс или двойная встречная передача, при которой одновременно передаются две депеши с одного конца и две депеши с другого конца линии,

4) многократное телеграфирование, то есть одновременная передача нескольких депеш с одного и другого конца.

Когда сделана была попытка передавать телеграфные знаки аппаратом Морзе через длинные морские кабели, то тотчас же натолкнулись на ряд затруднений: вследствие большой емкости кабелей, замыкаемый у одного конца линии ток достигал своего нормального значения через более или менее заметный промежуток времени, также требовалось известное время до полного исчезновения этого тока при размыкании его, вследствие этого передача страшно замедлялась, а знаки на ленте получались в искаженном виде; таким образом, аппарат Морзе и ему аналогичные оказались непригодными для передачи по длинным кабелям. Вильям Томсон после целого ряда теоретических исследований, предложил применять для телеграфирования по кабелям изобретенный им аппарат, названный сифонрекордером и состоящий из сифонной трубки, по которой непрерывно стекало чернило и которая приводилась в колебание гальванометрической рамкой (типа Deprez d’Arsonval’я, см. Электрические измерит. аппараты), соответственно посылкам тока в эту раму, помещенную в поле постоянного магнита. По мере того, как протяжение телеграфных линий увеличивалось, потребность в быстрой передаче возрастала, пришлось считаться с рядом явлений, мало исследованных теоретически; так, влияние самоиндукции, взаимоиндукции, емкости и изоляции приводило к весьма неблагоприятным результатам, пришлось прибегнуть к помощи авторитетов-теоретиков и, надо отдать должную дань справедливости, эти последние не заставили себя долго ждать: появился целый ряд теоретических исследований, причем высшая математика оказала громадную услугу; труды W. Thomson’a (лорда Кельвина), Kennely, Vaschy, Wunschendorf’a и многих других ученых в значительной степени способствовали дальнейшему развитию телеграфной техники, ставшей на уровень прикладной науки. Открытие Герцем в 1889 г. электрических волн и их распространения при колебательных разрядах послужило преддверием к изобретению беспроволочного телеграфа. Почти одновременно и независимо друг от друга нашим соотечественником профессором А. С. Поповым (в 1895 г.) и итальянцем Marconi (в 1896 г.) были предложены две системы телеграфирования без проводов. По их стопам пошли Slaby, Braun, de Foresti, и в настоящее время телеграфная передача без проводов может считаться вполне разрешенной на расстоянии до 150 километров, а последние опыты Marconi дают повод надеяться, что подобная передача может быть осуществлена и на большие расстояния. Такова эволюция электрических телеграфов и телеграфного дела, не только доросшего в настоящее время до обширной специальности, но и поднявшегося до уровня прикладной науки, требующей весьма солидной теоретической подготовки.

Телефония

2) Телефония. Американец Page в 1837 г. показал, что если окружить магнитный стержень изолированной проволокой и пропускать через эту последнюю быстро меняющийся ток, то этот стержень будет издавать звуки. Этот опыт послужил первым толчком для решения задачи о передаче звука на расстояние. В 1854 г. французский телеграфист Charles Bourseul в письме к графу Дюмонселю изложил идею аппарата для передачи на расстояние человеческой речи. Однако словам Bourseul’я не придали особенного значения, и лишь в 1861 г. учитель во Фридрихсдорфе (около Гамбурга) Philipp Reis показал при посредстве изобретенного им передатчика и приемника, что можно на довольно большое расстояние передавать не только музыкальные звуки, но и человеческую речь. Его передатчик состоял из деревянной коробки с говорной трубкой, причем в крышке этой коробки было сделано отверстие, затянутое перепонкой, в центре которой был укреплен металлический контакт, на этот последний упиралось острие металлического рычага; контакт перепонки соединялся с одним полюсом батареи, рычаг через посредство линейного провода сообщался с одним концом обмотки, окружавшей магнитный стержень приемного аппарата, другой же конец этой обмотки возвращался через посредство второго линейного провода ко 2-му полюсу батареи. Когда воспроизводили звук перед говорной трубкой передатчика, перепонка приходила в колебание, вследствие чего изменялось сопротивление между острием рычага и контактом перепонки, а следовательно, изменялась сила тока во всей линейной цепи. Эти изменения, действуя на магнитный стержень, окруженный обмоткой, производили соответствующий звук. Таким образом, приемник Рейса представлял собой копию аппарата Page’a. Однако звуки передавались довольно плохо, и трудно было ожидать каких-либо практических результатов, но изобретение Рейса дало сильный толчок к дальнейшим изысканиям способов передачи звуков на расстояние. Так, Yeates в Дублине заменил приемник Рейса электромагнитом с подвижным якорем, расстояние которого до полюсов можно было регулировать по желанию; благодаря этому усовершенствованию удалось получить звуки значительно яснее и сильнее. Наконец, в 1876 г. Graham Bell после неоднократных опытов выработал аппарат, названный им телефоном, при посредстве которого ему удалось передавать речь вполне ясно и понятно. Усовершенствованный тем же изобретателем в 1877 г. телефон послужил прототипом применяемых ныне телефонных приемников. В том же году Эдисон, а затем в 1878 г. профессор Юз показали, что можно значительно улучшить передачу, если в качестве передатчика применять подвижные угольные контакты, сопротивление которых изменяется заметным образом при сообщении им колебаний от воспроизводимого вблизи звука. Такого рода передатчики получили название микрофонов. Расстояние передачи звука оказалось возможным еще более увеличить путем применения индукционной катушки, причем микрофон с источником тока включался в первичную, с малым числом оборотов проволоки, обмотку, а линия и приемник включались во вторичную, с более значительным числом оборотов проволоки, обмотку. Идею такого включения подал Эдисон. После этих усовершенствований телефонное дело стало быстро развиваться: начали устраивать телефонные сети с центральными станциями сначала в столицах, затем в более или менее значительных центрах, а теперь можно найти телефон в каждом маленьком городе, а в Западной Европе и в каждом местечке, деревне, не говоря уже о распространении телефона на железных дорогах, фабриках и заводах. Однако первое время ограничивались телефонной передачей в сравнительно небольших районах (в пределах городов), и когда убедились в полной возможности передавать человеческую речь на расстояния, превышающие 10-15 км, тотчас же начали работать над вопросом о междугородних телефонных сообщениях. Сначала пробовали воспользоваться существующими телеграфными линиями, и бельгийский инженер Ван Риссельберг предложил систему одновременного телеграфирования и телефонирования по одной и той же цепи. Первые же опыты показали, что по железным проводам, вследствие большой самоиндукции, передача возможна лишь на 200—300 км, и что расстояние может быть значительно увеличено применением медных проводов, причем следует устраивать линии с полной металлической цепью (без возврата через землю; электротехнический конгресс 1889 г.). Влияние емкости также сказывалось заметным образом и ухудшало передачу. Благодаря теоретическим и практическим исследованиям Присса (в Англии), Massin’a (во Франции), Витлисбаха (в Швейцарии), Гравинкеля, Христиани (в Германии) и Carty (в Америке) и многих других ученых и выдающихся техников, вопрос о телефонной передаче на большие расстояния в настоящее время может считаться вполне решенным практически: передача на 1500 и даже 2000 км вполне осуществима; так, уже более 10 лет, как Лондон переговаривается с Парижем; недавно столица Франции соединена с Берлином, и уже поднят вопрос о соединении Петербурга с Берлином, который уже давно переговаривается с Веной. С 1896 г. Москва соединена с Петербургом, причем все работы и самый проект исполнены исключительно русскими техническими силами. Только по длинным кабелям (трансатлантическим) еще не удалось добиться более или менее положительных результатов, вследствие влияния емкости; однако работы проф. Puppin’a обещают путем комбинирования емкости и добавочных катушек самоиндукции превозмочь и эти затруднения и, быть может, в недалеком будущем мы будем иметь возможность переговариваться через океан. По мере расширения городских телефонных сетей при быстро возрастающем числе телефонных абонентов, пришлось изыскивать наиболее удобные конструкции телефонных коммутаторов для соединения попарно двух переговаривающихся между собой абонентов: сначала пользовались так назыв. швейцарскими коммутаторами, получившими большое распространение в телеграфной технике; затем были предложены коммутаторы-штандарты с пружинными соединительными гнездами на 50, 100 номеров, но при числе абонентов, превышающем 300, 400, оказалось уже неудобным пользоваться этими коммутаторами, так как таковые приходилось соединять по несколько вместе, вследствие чего являлось неудобство в соединении абонентов, принадлежащих двум разным коммутаторам; вот отчего были предложены так назыв. коммутаторы-мультипли, благодаря которым один и тот же служащий мог соединять двух любых абонентов. Однако и эти коммутаторы оказались недостаточными при числе абонентов более чем 15 или 20 тысяч. Для упрощения обслуживания при таком числе номеров Kellog и Bouchard предложили так назыв. групповые коммутаторы-мультипли, при посредстве которых каждый абонент мог вызывать для соединения с ним своего партнера, принадлежащего той или другой группе (все абоненты разделены на 2 группы). Для переговоров у каждого абонента должна быть установлена микрофонная батарея (1 или 2 элемента); при числе абонентов в 10, 20 и более тысяч пришлось бы иметь столько же отдельных батарей, уход за которыми чрезвычайно усложняется при таком громадном числе. Вот почему техники стали изыскивать способы концентрирования этих батарей в одном месте и замены их более сильными источниками при меньшем числе этих последних. Результатом этих изысканий появились системы с так назыв. центральными батареями, устанавливаемыми на центральной станции, причем вместо 10, 20 тысяч гальванических элементов пользуются соответственной емкости батареей аккумуляторов, состоящей из нескольких десятков элементов. Успехи беспроволочного телеграфирования заставили подумать и о беспроволочном телефонировании, и уже сделаны некоторые весьма ободряющие опыты в этом направлении: в электротехническом институте (в С.-Петербурге) Г. Лившиц при содействии А. С. Попова (изобретателя беспроволочного телеграфирования) достиг уже осязательных результатов, и надо надеяться, что не далеко то время, когда мы будем передавать речь на несколько километров, не прибегая к устройству специальных линий, подобно тому, как теперь мы можем телеграфировать через значительные пространства без посредства проволоки. Итак, в 1877 г. появился первый практический телефонный аппарат, а четверть века спустя телефонное дело так разрослось, что скоро эту отрасль придется выделить в самостоятельную науку, и теперь уже для этого дела нужны солидно подготовленные специалисты.

Электрическая сигнализация

3) Электрическая сигнализация. В 1842 г. один из изобретателей электрических телеграфов W. Cooke (см. выше Телеграфия) предложил воспользоваться электрической передачей сигналов на расстояние для безопасности движения поездов жел. дор. Он предлагал делить перегоны между станциями на известные промежутки, у начала которых поставлены оптические сигналы, обслуживаемые особыми агентами, которые, маневрируя этими сигналами, должны разрешать вход поезду в следующий участок, не иначе как после получения сведения о выходе поезда, при посредстве электрических сигналов со следующего по направлению движения поста. Кларк в 1854 г. усовершенствовал систему Кука, затем Таер предложил новые усовершенствования, причем сигналы «путь занят», «путь свободен» отмечались отклонением двух магнитных стрелок, окрашенных в черный и красный цвета. Позже Прис предложил на каждом посту устроить маленькие семафорики (аналогичные большим оптическим, установленным на тех же постах), которые приводились в действие электрическим током и своим положением указывали на занятый или свободный путь. Однако все предложенные системы, начиная с аппарата Кука и кончая системой Приса, обладали одним общим недостатком — отсутствием связи между оптическими путевыми сигналами и электрическими сигнальными приспособлениями. Этот пробел был восполнен позднее системами Сименса и Гальске, Ляртига, Реньо, Родари в связи с дополнительными приспособлениями Sy k es’a, Спаньеллети и других. В 1886 г. и затем в 1890 г. английский инженер Годжсон предложил одну из наиболее совершенных систем для блокировки электрическими сигналами участков пути. Затем была предложена жезловая система Томсона-Веба; обе эти системы получили в настоящее время наибольшее распространение. Параллельно с применением электрической сигнализации на железных дорогах не только для регулирования движения в перегонах между станциями, но и для других вспомогательных целей: для контроля правильности перевода рельсов с одного пути на другой, контроля сигнальных огней и т. п., развивалось не менее успешно применение электричества для несения контрольной и сигнализационной службы на фабриках и заводах: электричество стало контролировать уровень воды в резервуарах, скорость машин, температуру в помещениях и т. д. С появлением телефона оказалось весьма удобным устроить пожарную сигнализацию в городах, и безобразные каланчи уступили место расставленным на углах улиц небольшим тумбочкам, откуда любой обыватель, непосвященный в дело подачи сигналов, мог дать знать о пожаре, разбив лишь стекло, прикрывающее аппарат, который автоматически подает условные сигналы в определенные пожарные посты, после чего более подробные сведения могут быть сообщены по телефону. Вена, Париж, Берлин, Брюссель и многие другие города Западной Европы обзавелись такой пожарной сигнализацией; только в наших столицах красуются еще каланчи и как бы укоряют нас в нашей отсталости и нежелании перейти к более совершенной системе.

II. Техника сильных токов

Электрическое освещение

1) Электрическое освещение. В 1802 г. наш соотечественник проф. Петров впервые показал, что если через два угольных стержня, сдвинутых до соприкосновения, пропустить ток от сильной батареи гальванических элементов и затем раздвинуть эти угли на некоторое расстояние друг от друга, то получается ослепительное пламя, ярко освещающее окружающее пространство. Позже в 1812 г. английский физик Humphry Davy опубликовал свои исследования относительно аналогичных опытов и назвал это пламя вольтовой дугой, которой позже суждено было сыграть такую видную роль в деле освещения. Странно, что до сороковых годов XIX столетия почти ничего не было предпринято для практического применения вольтовой дуги, и только лишь в 1844 году появился первый дуговой фонарь, устроенный французским физиком Леоном Фуко: расстояние между углями регулировалось от руки; вслед за этим Wright предложил поддерживать постоянным расстояние между углями путем применения вращающихся угольных дисков; Stait в 1846 г. устроил пружинный регулятор, но первым практическим регулятором следует считать регулятор Archereau, построенный им в 1848 г. и основанный на втягивающем действии соленоида; таким образом расстояние между углями регулировалось самим током. Принцип, примененный Archereau, нашел целый ряд последователей: Фуко и Дюбоск (1848), а Жаспар (1855), Serrin (в 1857 г.) и мн. другие предложили целый ряд вариантов регулятора Archereau. Однако до тех пор, пока в качестве источника тока пользовались гальваническими батареями, свет вольтовой дуги ограничивался самыми ничтожными применениями; лишь после изобретения динамо-машин вопрос об освещении вольтовой дугой стал на практическую почву, но и тут тотчас же выдвинулась новая задача: это найти способы питать несколько дуговых ламп от одного и того же источника. Наш соотечественник Яблочков разрешил самым простым образом эту задачу путем применения знаменитой свечи, которую он зажигал переменным током. Чиколевым около того же времени был предложен дуговой регулятор, позволявщий дробить электрический свет от одного и того же источника. Наконец, в 1879 г. Hefner Alteneck, инжен. фирмы Сименса и Гальске построил дифференциальный регулятор, послуживший прототипом всех ныне применяемых дуговых фонарей. После этого свет вольтовой дуги начал разливаться все более и более широкой волной на улицах городов, фабриках, заводах, им стали освещать станционные пути железной дороги, вокзалы, а в военном деле им стали пользоваться для исследования местности на десятки километров; в мастерских, типографиях, чертежных стали применять так называемый рассеянный свет, похожий по своим свойствам на дневной, не дающий резких теней и позволяющий, следовательно, исполнять мелкие работы, требующие обыкновенно дневного света. В последнее время появились так назыв. пламенные дуговые фонари, дающие не бледный, а красноватый свет, причем расход электрической энергии на единицу силы света в этих дуговых фонарях значительно меньше, чем в обыкновенной вольтовой дуге. Наконец, в настоящее время много говорят о ртутной лампе Купера-Юита и есть надежда, что эта лампа получит практическое применение как один из наиболее экономных источников света. Таковы практические результаты открытия нашего соотечественника Петрова и последующих деятелей, работавших на поприще применения света вольтовой дуги. Но и ученые за это время проявили не меньшую деятельность для выяснения природы и свойств вольтовой дуги. Был сделан целый ряд исследований о температуре дуги, о её кажущемся сопротивлении, об отношении положительного и отрицательного угля к свойствам дуги и, наконец, о причинах возникновения этого ослепительного пламени. Можно цитировать целый ряд известных в ученом мире имен: лучшие силы участвовали в этих трудах: проф. Ayrton, Schwendler, Rosseti, Andrews, Dewar, Luggin, Blondel, Elihu Thomson, Silvanus Thompson, Violle и мн. др. произвели целый ряд исследований, но ни один из них не дал простого и ясного представления о природе вольтовой дуги. Год тому назад, ровно сто лет после сообщения Петровым об его открытии вольтовой дуги, наш молодой и талантливый ученый Миткевич первый дал наиболее простое и наиболее правдоподобное объяснение природы вольтовой дуги, подтвердив свои гипотезы блестящими и поразительно убедительными опытами. Но, кроме вольтовой дуги, в настоящее время техника широко пользуется еще другим светом, получаемым путем накаливания электрическим током некоторых хороших и плохих проводников, как платина, уголь, каолин и окиси металлов. Jobart в Брюсселе (1838) заметил, что раскаленный уголь в безвоздушном пространстве может служить источником света. На этом принципе Moleyns (в Гельтенгаме) построил первую калильную лампу в 1841 г., состоявшую из платиновой проволоки, покрытой угольным порошком и помещенной в безвоздушном пространстве (в стеклянном сосуде, из которого был выкачан воздух); при пропускании тока проволока нагревалась до белого каления и испускала довольно яркий свет. Аналогичные опыты для получения света путем накаливания углей были произведены Changy в 1844 г., Starr’ом в 1845 г., Greener’ом и Staite’ом в 1848 г., Konn’ом в 1875 г, Sawayer’ом и Маn’ом в 1878 г. Но только в 1879 г. американскому телеграфисту Томас-Альва Эдисону удалось сконструировать первую практически применимую лампу накаливания, которая состояла из угольной нити, приготовленной из бамбуковых волокон и помещенной в стеклянный колпачок, из которого выкачен воздух. Эта лампа оказалась настолько удачной, что многие последовали его идее и в сравнительно короткое время был предложен целый ряд вариантов лампочки Эдисона, а в настоящее время не только в столицах, но и в маленьких городах многие из обывателей пользуются светом калильной лампы, не дающей ни копоти, ни чрезмерного повышения температуры и загорающейся в одно мгновение путем поворота выключателя. Говоря о калильном свете, необходимо упомянуть также о наших соотечественниках Ладыгине и Булыгине, которые также (раньше Эдисона) показали, что возможно получить продолжительный и ровный свет путем накаливания углей и платины в безвоздушном пространстве. Яблочков, работая над своей свечей, показал, что если накалить предварительно каолин (до белого свечения), то это вещество становится хорошим проводником электрического тока, пропуская который можно поддерживать непрерывное свечение каолина, а следовательно, можно получить новый источник света. То же, но позже нашел профессор Nernst. Он показал, что окиси магния, циркония, тория и т. п. металлов при высокой температуре становятся хорошими проводниками электрического тока. На этом принципе он построил свою лампу, которая берет значительно меньше энергии на единицу силы света, чем лампа с угольной нитью. Наконец, недавно Ауэр предложил новый тип лампы, в которой накаливается нить осмия; эта лампа, к сожалению, допускает напряжение не более 37-38 вольт, но отличается замечательно экономичным расходованием электрической энергии на единицу силы света (около 1,17 ватта на свечу, тогда как угольная лампа накаливания расходует до 3,5 ватта на ту же свечу). Пока, конечно, трудно предсказать, какая будущность ожидает эти новые источники тока, но, судя по истории вопроса о калильном свете, надо полагать, что техника на этом не остановится и что в будущем мы получим весьма дешевые и экономные источники света.

Электрическая передача и распределение механической энергии

2) Электрическая передача и распределение механической энергии. H. Fontaine впервые (в 1873 г.) показал на выставке в Вене, что динамо-машина может быть превращена в двигатель и что при посредстве электричества можно передавать механическую энергию на расстояние. С тех пор общество Gramme осуществило большое число передач на расстояние, увеличивая это последнее по мере того, как оно усовершенствовало конструкцию своих динамо-машин и электродвигателей. M. Deprez в 1880 г. произвел первые опыты электрической передачи на большие расстояния и нашел, что коэффициент полезного действия значительно повышается при повышении напряжения. Не вполне удачные опыты в 1880 г. не остановили этого электрика, и с упорством, достойным подражания, им был произведен еще целый ряд опытов в Мюнхене (в 1882 г.), в Гренобле (1883) и, наконец, между Парижем и Крейлем (в 1883 г.) на расстоянии 56 километров. Но тут то и оказалась вся несостоятельность постоянного тока, коэффициент полезного действия получился не более 45 %, несмотря на весьма высокое для динамо-машин постоянного тока в 6000 вольт. Очевидно, для такого расстояния необходимо было повысить напряжение, но, к сожалению, конструкция динамо постоянного тока не позволяет переходить вышеуказанный предел (вследствие коллектора), и казалось бы, что электрическую передачу придется ограничить определенным расстоянием, мечты идеалистов электротехников, таким образом, разбивались как будто бы окончательно. Но неутомимый человеческий гений не стал в тупик перед этим затруднением; когда было доказано, что постоянный ток не в силах разрешить вопрос передачи на большие расстояния, сейчас же мысли большинства техников устремились на переменный ток. Но, увы, первые попытки оказались весьма неудачными; динамо переменного тока являлась крайне несовершенным двигателем (см. Электродвигатели), но и это обстоятельство не умалило настойчивость техников. В 1885 г. Gallileo Ferraris показал, как можно при посредстве переменного тока получить вращающееся магнитное поле и как воспользоваться этим последним для устройства более совершенного электродвигателя переменного тока. Тогда-то возникла идея о двухфазных и трехфазных токах. Наш соотечественник Доливо-Добровольский осуществил одним из первых практически электродвигатель трехфазного тока и в 1891 г. блестяще демонстрировал электрическую передачу на расстоянии 175 километров между Лауфеном и Франкфуртом; благодаря простоте трансформации переменного тока, ему удалось без затруднений повысить напряжение до 25000 вольт, линия состояла из 3-х проводов бронзовой проволоки диаметром 4 мм; коэффициент полезного действия электрической передачи оказался равным 73 %. Этот опыт следует считать великим торжеством Э. Горизонт этой последней расширялся: мысль воспользоваться даровыми силами природы напрашивалась сама собой, а этой силы — непочатый угол. Один Рейнский водопад у Шаффгаузена может дать около 1750000 лошадиных сил, Ниагарские водопады могут доставить до 7000000 лошадиных сил, водяная сила Франции оценивается в 17000000 лошадиных сил; немало той же силы имеется и у нас в России. И вот постепенно техника, пользуясь неоценимыми услугами электричества, стала утилизировать эту как бы дремавшую энергию природы: Швейцария и Америка были одними из первых, поставивших дело электрической передачи на практическую почву; за ними следом пошли Германия, Италия, Франция и другие страны Западной Европы, а также и наше отечество. Напряжение (вольты) повышали по мере того, как расстояния увеличивались; этому помогала много и электромеханика. Если в 1891 г. Доливо-Добровольский применил генераторы и электродвигатели переменного тока в 50 вольт, повысив затем это напряжение при посредстве трансформаторов до 25000 вольт, то теперь уже строят динамммо-машины и электродвигатели для напряжения до 20000 вольт, а напряжение для передачи поднимают беспрепятственно до 40000 и более вольт. Благодаря опытам американского инженера Scott’a, произведенным в 1898 г., удалось превозмочь некоторые затруднения, вызываемые особыми явлениями на линии при напряжениях выше 20000 вольт. В Америке уже существуют передачи при напряжении в 60000 вольт, а последние опыты показали, что таковое может быть доведено до 80000 вольт. Благодаря этому теперь возможно считать, что электрическая передача вполне осуществима на расстояние до 500 километров, а сейчас мы уже имеем пример передачи на 355 километров, от водопада Uax в С.-Франциско. В России также имеются уже передачи на расстояние: в Баку (нефтяные промыслы), на Кавказе для групп минеральных вод, где пользуются силой падения воды на реке Подкумке, за 5 верст от местечка Ессентуки, откуда энергия передается в этот пункт, затем в Пятигорск, Кисловодск и Железноводск; напряжение выбрано в 8000 вольт. В Сибири также на промыслах Ленского золотопромышленного товарищества устроена передача при напряжении в 10000 вольт. На заводах электрическая передача с успехом заменяет ременную, канатную, пневматическую и другие передачи. Благодаря превосходным качествам электродвигателей, их компактности, эти последние нашли широкое применение для приведения в действие всевозможных станков; этими двигателями широко пользуются для подъема грузов, для приведения в действие типографских машин, для вентиляции, для управления орудиями на судах, в горном деле для сверления скважин, выкачивания воды; на сталелитейных заводах Homestead (в Пенсильвании) применение электрической передачи дало возможность 4000 рабочим изготовлять то же количество стали, какое добывается 15000 рабочих на заводах Круппа в Германии.

Электромеханика

3) Электромеханика. Началом развития электромеханики следует считать изобретение первой практически применимой динамо-машины. Принципы индукции, открытые Фарадеем и указывавшие на возможность преобразования механической энергии в электрическую, дали первый толчок к изобретению динамо-машин. В 1832 г. Pixii осуществил первую магнитомашину, состоявшую из подковообразных постоянных магнитов, вращающихся перед двумя (соответственно каждому полюсу) катушками, индуктируемый в которых ток передавался во внешнюю цепь при посредстве коллектора и двух щеток. Ritchie в 1833 г. предложил вариант, в котором магниты оставались неподвижны, а вращались катушки с проволокой; такого рода машина является прототипом ныне применяемых индукторов для исследования электрических установок, в телефонном деле и для целей железнодорожной сигнализации. Дальнейшие усовершенствования, направленные к увеличению силы магнитов, были сделаны Clark’ом (1836 г.), Page’ом (1838 г.), Stöher’ом (1844 г.). Наконец профессором военной школы в Брюсселе (в 1856 г.) Nollet’ом был предложен тип многополюсной магнитомашины, которая после некоторых упрощений, сделанных Masson’ом, является первой машиной, вышедшей из пределов физического кабинета на арену практических применений: общество «Alliance» в Париже построило по идее Nollet и Masson’a первую большую магнитомашину для целей освещения. Однако магнитомашины являлись крайне громоздкими, дорогими и неудобными, так как необходимо было иметь сильные постоянные магниты. Pacinotti (во Флоренции) в 1860 г. один из первых предложил заменить постоянные магниты электромагнитами, возбуждаемыми от гальванической батареи, он же усовершенствовал обмотки подвижной части (якоря), но первой практической динамо-машиной следует считать машину, изобретенную (в 1871 г.) столярным мастером в обществе «Аlliаnсе» Theophile Gramme’ом. С этого момента наступает второй период развития динамо-машин. В 1872 г. главный инженер Сименса и Гальске Hefner-Alteneck предложил барабанный якорь. Эти два изобретателя открыли, так сказать, путь к дальнейшим усовершенствованиям. Но конструкция динамо-машин требовала предварительных расчетов, а отсутствие основных более или менее точных формул сильно тормозило дальнейшую разработку более крупных типов машин. Инженер Сименса и Гальске Frölich один из первых предложил несколько эмпирических формул, по которым возможно было рассчитывать главнейшие элементы динамо. Этим собственно заканчивается второй период истории динамо-машин. Hopkinson, a затем Кар впервые установили уравнения магнитной цепи и магнитного потока, и это послужило сильным импульсом к дальнейшему развитию электромеханики в связи с работами и исследованиями магнитных свойств железа, чугуна и стали; эмпирические формулы Frölich’a были оставлены, расчет динамо-машин и электродвигателей принял более строгий характер, инженеры не встречали более затруднений для выработки новых типов машин. Область электромеханики еще более расширилась с изобретением трансформатора. По последним документам первым изобретателем трансформатора считают Clerc’а, который изобрел этот аппарат в 1882 г.; однако, по некоторым данным есть основания отдать пальму первенства русскому механику московского университета Усагину, который, кажется, в 1881 г. демонстрировал уже построенный им трансформатор. Каждый год затем приносил все новые и новые усовершенствования в деле конструкции электромеханизмов: были открыты новые пути к устранению таких недостатков, как искрообразование, реакция якоря, чрезмерное нагревание, утечка магнитного потока и т. п. Kapp, Фишер-Хиннен, Доливо-Добровольский, Arnold, Silvanus Tompson, Le Blanc, Heyland и многие другие внесли за последние 15 лет целый ряд усовершенствований, ценных дополнительных данных и результатов практических исследований: получились весьма совершенные типы динамо-машин, электродвигателей и трансформаторов; а в настоящее время техники накануне уже разрешения задачи о конструкции рационального типа электродвигателя однофазного тока (берущего с места при нагрузке и позволяющего регулировать скорость в значительных пределах), который призван открыть новую эпоху в области применения электричества к движению и тяге.

Электрическая тяга

4) Электрическая тяга. В статье Электрические железные дороги представляет краткий исторический очерк развития электрических трамваев и железных дорог. Здесь же мы скажем несколько слов о современном состоянии вопроса об электрической тяге. В настоящее время все усилия техников направлены: во-первых, к усовершенствованию систем с воздушной проводкой тока, причем главным образом внимание обращается на возврат тока через рельсы, для каковой цели, с одной стороны, усовершенствуют электрические соединения стыков рельсов, с другой стороны, путем возможно более рационального распределения возвратных фидеров (проводов, отводящих ток от рельсов) стараются свести падение вольт по рельсам до возможного минимума; для этой же цели применяют так назыв. бустеры или вспомогательные динамо-машины, посылающие в рельсы ток, обратный по направлению току, возвращающемуся по рельсам, во-вторых, много работают над усовершенствованием систем с поверхностными контактами, но, к сожалению, до сих пор не предложено ни одной более или менее совершенной системы; в-третьих, немало заняты вопросом о разработке метрополитенов, то есть артерий городских железных дорог, связывающих наиболее населенные пункты города, при этом особенное внимание обращается на две системы: подземные дороги и дороги с надъуличным строением пути. Надо полагать, что для сообщений внутри городов постоянный ток будет всегда преобладать, благодаря весьма ценным качествам электродвигателей этого тока, заключающимся в допущении весьма плавной регулировки. На электрических железных дорогах большого протяжения и большой скорости, по всей вероятности, электродвигатели переменного тока возьмут перевес и в особенности, когда техникам удастся усовершенствовать электродвигатели простого переменного тока, над чем теперь работают усиленно. В области электрических железных дорог следует отметить весьма крупные назревающие проекты: так, все шведские государственные железные дороги предполагается перевести на электрическую тягу; по этому проекту предусматривается сеть общим протяжением в 4350 км и потребуется мощность до 100000 лошадиных сил. То же самое предполагается сделать и в Швейцарии, а также и в Бельгии. Кроме того, упорно производимые опыты в Германии (в Поссене) дают повод надеяться, что при посредстве электричества возможно будет достигнуть скорости поездов до 250 км в час.

Электрометрия

5) Электрометрия. Параллельно с развитием применений электричества нарождалась и расширялась потребность в измерении электрических величин. Сначала Э. располагала весьма немногими и притом довольно грубыми измерительными аппаратами. Приходилось прибегать в большинстве случаев к косвенным методом измерений, то есть к определению данной величины при посредстве других величин, пользуясь той или другой (часто сложной) зависимостью измеряемой виличины от других, которые возможно измерить непосредственно. В настоящее время Э. располагает в изобилии весьма точными измерительными аппаратами, позволяющими непосредственно производить измерения большинства электрических и магнитных величин; кроме того, теперь возможны измерения мгновенных значений переменных элементов (тока, электродвижущей силы, намагничивания и т. п.), и эти мгновенные значения весьма точно регистрируются графически и фотографируются. Измерение высокого напряжения, с одной стороны, и весьма слабых токов, с другой стороны, ныне не представляет особенных затруднений, магнитные величины в настоящее время определяются непосредственно и с довольно большей точностью; скоро окажется возможным измерять просто и точно сотые доли градусов температуры или температуры в несколько тысяч градусов; электрометрия даст нам возможность в недалеком будущем установить зависимость механических и химических свойств металлов от их электрических и магнитных свойств и, вероятно, доставит простые средства для определения таких качеств, как механическое сопротивление разрыву, механическое растяжение, скручивание и т. п. для строительных металлов, железа, чугуна, стали, меди и т. п., наконец, та же электрометрия даст нам возможность детально изучить еще целый ряд явлений, которыми затем техника не замедлит воспользоваться.

Гальванопластика и гальваностегия

6) Гальванопластика и гальваностегия. Свойство электрического тока выделять металлы из растворов металлических солей было применено уже в начале прошлого столетия. Becquerel, Brugnatelli, наш ученый Якоби, de la Rive и многие другие ученые и техники создали новое искусство отлагать металлы, наносить их на поверхности других металлов и на поверхности даже не металлических веществ. Таким образом в начале XIX стол. явились новые отрасли Э.: гальваностегия и гальванопластика, достигшие в настоящее время высокой степени совершенства и нашедшие целый ряд применений в различных отраслях техники.

Таково в общих чертах победное шествие сравнительно молодой науки — электротехники, и надо полагать, что она еще не остановится в своем поступательном движении и в недалеком будущем откроет нам новые горизонты и доставит новые средства для дальнейшего покорения гением человека неисчерпаемых сил природы!

Л. Войнаровский.

В статье воспроизведен материал из Большого энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона.

Литература

Очерки по истории электротехники (МЭИ, 1993)

См. также

Ссылки