Никола Тесла. Изобретатель будущего

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.

Проблема искрящихся коммутаторов

Именно во время одной из лекций Пешля в 187618–77 годах Тесла впервые столкнулся с проблемой двигателей переменного тока{86}, когда школа получила генератор Грамма, или динамо, из Парижа. Разработанная бельгийским приборостроителем Зенобом Граммом[13], эта машина поражала исследователей электричества тем, что производила более сильный и устойчивый постоянный ток. К концу 1870-х динамо Грамма использовались несколькими европейскими изобретателями для питания первых промышленных систем дугового освещения{87}.

Профессор Пешль использовал свое новое динамо Грамма для обучения студентов электрическому току. С помощью динамо часто демонстрировалась передача электроэнергии на расстояние. Эта возможность впервые была продемонстрирована на Международной выставке в Вене в 1873 году Ипполитом Фонтейном из Gramme Company. Фонтейн использовал динамо Грамма, чтобы генерировать электрический ток, который по проводам поступал в другое динамо, служившее двигателем{88}. Инженеры-электрики пришли в восторг от этой демонстрации, так как она показала потенциал для использования электродвигателей на фабриках и при транспортировке. До этого времени эксплуатация электродвигателей была ограниченной, потому как считалось, что они могли работать только от дорогостоящих батарей, но Фонтейн показал, что для этой цели могли служить динамо. Кроме того, Фонтей впервые продемонстрировал, что электричество можно передавать на расстояние, не используя неэффективные валы, ремни или веревки для соединения парового двигателя с машинами. Теперь имелась система передачи энергии, позволяющая производить электричество в любом удобном месте и затем потреблять ее там, где это необходимо.

Демонстрируя передачу электроэнергии, Пешль присоединил к динамо Грамма батарею, чтобы использовать его как двигатель{89}.

Хотя генератор постоянного тока можно использовать в качестве двигателя, необходимо тщательно отрегулировать щетки коммутатора во избежание воспламенения. Пешль плохо отладил щетки на динамо Грамма, вспоминал Тесла: «Во время демонстрации Пешля возникла проблема с щетками, посыпались искры, и я понял, что возможно запускать двигатель без этих приспособлений. Но он заявил, что это невозможно сделать, прочитав мне по этому поводу целую лекцию, в заключение которой он заметил: «Господин Тесла может добиться больших успехов, но у него никогда не получится реализовать эту задумку. Это все равно что преобразовать постоянную силу тяги, такую, как гравитация, во вращение. Это – схема вечного двигателя, неосуществимая идея»{90}.

Хотя Пешль, вероятно, просто не хотел, чтобы комментарии Теслы отвлекли внимание других студентов от изучения работы двигателя, он выразил общее мнение. Ученые и инженеры XIX века хорошо знали, что вращательное движение, необходимое, чтобы заставить работать машины времен Промышленной революции, не существовало в природе. Многие силы – такие, как сила тяжести, магнетизм или электрические токи, – обычно проявляются как линейные силы, в том смысле, что они тянут или толкают в одном направлении. Чтобы обеспечить желаемое вращательное движение за счет этих линейных сил, требуется некий преобразователь. Примерами преобразователей могут послужить водяное колесо, преобразующее линейный поток реки, или заводная рукоятка и маховое колесо на паровом двигателе, которые трансформируют возвратно-поступательные движения поршня во вращение. Для Пешля коммутатор выступал преобразователем, превращающим линейный электрический ток в серию переменных импульсов, которые приводили ротор в движение. Поскольку эти преобразователи всегда поглощали часть энергии, идея Теслы о создании бескоммутаторного двигателя, должно быть, казалась Пешлю попыткой обмануть Природу, в связи с чем Пешль насмешливо назвал ее схемой вечного двигателя.

12

Ипполит Пикси (Hippolyte Pixii; 1808–1835) – производитель инструментов в Париже. В 1832 году сконструировал генератор переменного тока, основанный на принципе электромагнитной индукции Фарадея.

86

В соответствии с учебной ведомостью Теслы (см. примечание 3), он изучил два курса у Пешля в 1876–1877 годах.

13

Зеноб Теофил Грамм (Zénobe-Théophile Gramme; 1826–1901) – изобретатель названных его именем магнито- и динамоэлектрических машин, по происхождению бельгиец, состоял модельщиком на заводах французского общества «Alliance», изыскивавшего лучшие способы устройства магнитоэлектрических машин для разложения воды.

87

В XIX веке изобретатели разработали две формы электрического освещения: дуговое освещение и освещение лампами накаливания. В дуговых лампах сильный ток проходит через два угольных стержня; поскольку стержни находятся на небольшом расстоянии друг от друга, искра перескакивает через зазор между стержнями, что обеспечивает яркий свет. См.: Carlson, I