Никола Тесла. Изобретатель будущего

Тесла считал этот пиромагнитный генератор «большим изобретением» и энергично работал над ним с осени 1886 года до конца лета 1887 года{204}. По всей вероятности, он столкнулся с проблемой получения достаточной разницы температур между нагреванием и охлаждением. Чтобы произвести значительное количество электричества, температура сердечника должна была резко повышаться и падать; если бы сердечник сохранял постоянное тепло, то вырабатывалось бы мало электричества. Тесла подал заявку на патент для этого изобретения, но в выдаче патента ему было отказано.

Обеспокоенный, что у него не получилось усовершенствовать это изобретение, Тесла испугался, что Пек и Браун могли покинуть его так же, как это сделали Вейла и Лейн в Рэуэе. Однако Пек был вполне уверен в Тесле и вместо этого поощрил его продолжать изобретать. Когда стало ясно, что пиромагнитный генератор не будет работать, вспоминал Тесла, «я встретил г-на Пека у двери здания, в котором был его офис, и он разговаривал со мной очень любезно и сказал: «Не отчаивайтесь, что ваше замечательное изобретение не оправдало ожиданий; вы все еще можете добиться с ним успеха. Возможно, вам стоит на некоторое время переключиться на другие идеи, а эту пока оставить. По моему опыту, это очень хороший план». Я возвратился приободренный»{205}.

Овладение противофазными токами

Последовав совету Пека, Тесла переместил внимание с пиромагнитного генератора на электродвигатели. Он теперь возвратился к идеалу, который озарил его в Будапеште пятью годами ранее: двигателю с вращающимся магнитным полем (см. главу II). В качестве первого шага на пути к достижению этого идеала Тесле необходимо было проверить догадку о том, что несколько переменных токов могли произвести вращающееся магнитное поле. Он много думал о том, как объединить несколько переменных токов, но никогда не пробовал этого на практике.

Тесла начал с усовершенствования в своей лаборатории динамо постоянного тока Уэстона так, чтобы оно производило два, три или четыре отдельных переменных токов{206}. Для своих первых экспериментов он использовал большое пластинчатое кольцо для статора, подобное тому, что было в его страсбургском двигателе. Вместо того чтобы сделать на кольцо одну намотку, как в Страсбурге, Тесла разделил обмотку на четыре отдельных катушки, по одной в каждом секторе. Тесла добился того, чтобы генератор переменного тока подавал на катушки на противоположных сторонах кольца два отдельных тока. В качестве ротора двигателя он подвесил банку гуталина на булавке в центре кольца. К восторгу Теслы, вращающееся магнитное поле заставило консервную банку крутиться{207}.

Работая над этим двигателем, Тесла наконец выяснил, как объединить переменные токи, чтобы создать вращающееся магнитное поле в статоре двигателя. Для этого токи, подаваемые на каждую пару катушек, не должны были совпадать друг с другом. В случае с двумя токами, когда один ток имел максимальное положительное значение, другой имел максимальное отрицательное значение. Если представить переменные токи как синусоиду, то можно сказать, что эти два тока сдвинуты по фазе на 180°. Теперь, понимая важность наличия противофазных токов, Тесла мог построить полномасштабный электродвигатель с помощью вращающегося магнитного поля, который он задумал в Будапеште.

Расцвет переменного тока в конце 1880-х годов

Взволнованный этим прорывным двигателем, Тесла пригласил Брауна, своего покровителя с техническим складом ума, на демонстрацию работы двигателя в конце лета 1887 года. Но когда Браун наблюдал за вращением консервной банки в прототипе двигателя, Тесла столкнулся с проблемой. Убедить своих покровителей, что его вращающееся магнитное поле могло использоваться в качестве основы для создания практического, коммерческого двигателя переменного тока, было непросто. Почему они должны вложить деньги во вращающуюся консервную банку? В то время как для нас создание двигателя переменного тока может казаться делом само собой разумеющимся, для экспертов по электричеству в 1887 году это было не так. Чтобы понять причину этого, необходимо рассмотреть ситуацию в электротехнической промышленности в середине 1880-х годов.

С одной стороны, Пек и Браун были, вероятно, довольны исследованием двигателей из-за нарастающего интереса к возможностям использования двигателей на центральных электростанциях в экспертном кругу. В середине 1880-х годов в связи с ростом количества центральных электростанций выросла и конкуренция в сфере их эксплуатации, системные операторы центральных электростанций заинтересовались расширением своей клиентской базы, добавив моторное обслуживание. В то время как они продолжали обеспечивать электричество для освещения ночью, системные операторы рассматривали двигатели как средства, с помощью которых они могли продать электроэнергию фабрикам и трамвайным линиям в дневное время. В ответ производители электрооборудования добавили двигатели к своим производственным линиям, и к 1887 году в отрасли существовало пятнадцать фирм, чье совокупное производство составляло десять тысяч двигателей{208}. И если центральные электростанции могли использовать двигатели, чтобы распределить электроэнергию фабрикам, то, возможно, новый эффективный двигатель позволил бы Пеку и Брауну распределять электроэнергию из их амбициозной схемы получения океанского пара{209}.

С другой стороны, Пек и Браун с большим подозрением относились к идеям Теслы о развитии двигателя переменного тока, так как почти все центральные электростанции в Соединенных Штатах в середине 1880-х годов использовали постоянный ток, не переменный{210}. В конце 1870-х годов несколько изобретателей-электротехников во Франции, а также Элиу Томсон в Америке экспериментировали с использованием переменного тока в своих системах дугового освещения. Переменный ток был привлекателен для этих изобретателей, так как он позволил им использовать элементарный трансформатор, чтобы решить основную проблему того, как заставить единственное динамо приводить в действие несколько дуговых ламп одновременно; в 1870-х это называлось «подразделением электрического освещения». Однако, как только Чарльз Браш из Кливленда представил свою систему дугового освещения постоянного тока с улучшенными динамо и регулятором, американские инженеры переключились на развитие систем постоянного тока. Используя постоянный ток, предприниматели установили центральные электростанции для систем дугового освещения и освещения лампами накаливания в десятках американских городов{211}.

В Европе, однако, не забыли о переменном токе, там изобретатели усовершенствовали трансформатор; намотав две разных катушки на один железный сердечник, они обнаружили, что возможно повышать или понижать напряжение переменного тока, и они начали широко использовать это новое устройство. Например, в Лондоне в 1883 году Люсьен Голард и Джон Гиббс использовали один из первых трансформаторов, чтобы подсоединить и дуговые лампы, и различные виды ламп накаливания последовательно к единому большому генератору{212}. В то же самое время в Будапеште инженеры, с которыми Тесла познакомился в Ganz and Company – Циперновский, Блати, и Дери, – рассматривали переменный ток как способ развивать систему освещения лампами накаливания, которая могла бы применяться в более широкой области. Они выяснили, что если их генератор будет вырабатывать высоковольтный переменный ток, то можно распределять электроэнергию на более длинные расстояния по тонким медным проводам. Чтобы защитить клиентов от высокого напряжения, они использовали трансформатор, чтобы понизить напряжение, прежде чем ток поступал в дома и магазины. В течение нескольких лет система Циперновского, Блати и Дери использовалась для освещения нескольких европейских городов. Как система Голарда и Гиббса, так и система Циперновского, Блати и Дери, обе использовали однофазный переменный ток, так как этого было достаточно, чтобы обеспечить желаемое изменение напряжения{213}.

204

NT, Motor Testimony, 207.

205

Там же, 213.

206

Тесла, вероятно, использовал динамо постоянного тока, разработанное Уэстоном для гальваники, имевшего ротор с шестью выступающими лопастями. Заменив коммутатор постоянного тока на контактные кольца переменного тока, Тесла мог получать два или три отдельных тока от этого динамо. См.: NT, Motor Testimony, 200-201, 210, as well as Thompson, Dynamo-Electric Machinery, 280.

207

NT 78, p. 21. Defendant’s Brief, Derivation Electric Motor, in Westinghouse Electric and Manufacturing Company vs. Dayton Fan and Motor Company, 1900, Item 78, NTM, Belgrade, Serbia.

208

Louis C. Hunter and Lynwood Bryant, A History of Industrial Power in the United States (Cambridge, MA: MIT Press, 1991), 3:210.

209

Как сообщал Тесла много лет спустя, Пек и Браун смогли связать схему получения океанского пара с его двигателями: «Они полагали, что, если с помощью моей системы можно будет экономно передавать энергию в отдаленные места и стоимость строительства океанического завода будет значительно снижена, этот неиссякаемый источника [пара] может быть успешно использован» (NT, «Our Future Motive Power», 78). Воодушевленный Пеком и Брауном, Тесла, по всей вероятности, изучал термодинамику и впоследствии разработал свою собственную систему, использующую тепло земной коры, а не перепад температур в океане.

210

«Tesla’s Egg of Columbus», Electrical Experimenter 6 (March 1919): 774–75ff., on 775.

211

Carlson, I