Развитие применений электрической энергии

РАЗВИТИЕ ПРИМЕНЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В НАРОДНОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ЖИЗНИ В XIX в.

В начале XIX в. объем знаний об электричестве и магнетизме, как мы видели, был настолько ограничен, что все попытки применить электрическую энергию для практических целей не могли иметь сколько-нибудь заметного успеха. Лишь значительные успехи в изучении электрических и магнитных явлений, сделанные в первой половине XIX е., позволили во второй его половине развить эти применения и постепенно к концу 90-х годов довести электротехнику до широкого развития, продолжающегося непрерывно и в наше время. Этим развитием электротехника обязана как электрикам, так и физикам, непрерывно в течение всей второй половины XIX в. двигавшим науку об электрических и магнитных явлениях гигантскими шагами вперед.

Широкому развитию применений электрической энергии для практических целей в первое время больше всего мешало отсутствие сколько-нибудь экономичного, надежного и удобного генератора электрического тока. Вольтов столб был, конечно, непригоден для получения даже весьма небольших количеств электрической энергии. Все усовершенствования вольтова столба, превратившегося постепенно в батареи гальванических элементов всевозможных типов, тоже не оказались пригодными для целей электротехники. Сколько-нибудь значительные батареи были очень громоздки, дороги, требовали сложного обслуживания и работали с недостаточно большим коэффициентом полезного действия, расходуя при этом дорого стоящий цинк. Надежды, возлагавшиеся на термо-электрические батареи, тоже не оправдались. Несмотря на остроумие изобретателей, которых пленяла заманчивая мысль добиться непосредственного превращения тепловой энергии в электрическую, используя термоэлектрические явления, мысль эта не получила удовлетворительного решения. Работа термоэлементов оказалась столь неэкономичной, необходимое число элементов для получения нужного напряжения столь велико, что ни одно из многочисленных, разнообразных предложений не получило применения в сколько-нибудь больших установках, и применение термоэлектрических батарей оказалось возможным только для мелких производств: золочения, серебрения, никелирования, гальванопластики и т. п., да и то лишь до времени, пока широкая электрификация не дала возможности с большими удобствами и за более дешевую цену пользоваться электрическим током, получаемым от центральных электрических станций. Но эти станции могли появиться только тогда, когда были изобретены электрические генераторы, основанные на явлении электромагнитной индукции. Собственно говоря, Фарадей, открыв явление электромагнитной индукции и экспериментируя с ним, одновременно изобрел прообразы главнейших электромеханических приборов- электрический генератор и электрический трансформатор, которые в дальнейшем только совершенствовались и приспособлялись к определенным условиям работы. Диск Фарадея и кольцо Фарадея с двумя обмотками и были прообразами современных генераторов и трансформаторов.

Электрические генераторы, основанные на принципе электромагнитной индукции, решали основную задачу — задачу получения электрической энергии в достаточных количествах и в приемлемых, с экономической точки зрения, условиях, позволяя применять для своего вращения любые двигатели — паровые, водяные, газовые, нефтяные, ветряные и всякие другие, допуская использование и превращение в электрическую энергию всех видов энергии, получаемых от природных энергетических ресурсов. Нужно было только найти для первичных двигателей и для электрических генераторов рациональную конструкцию. Поисками этих конструкций занимались инженеры и изобретатели второй половины XIX в. и продолжатели их дела в XX в. Совершенствование конструкций как электрических генераторов, так и паровых, водяных и других двигателей, нужных для вращения генераторов, пошло быстро. Этому способствовали и научные достижения как в области физики, так и в области техники, полученные в те же периоды времени.

Громадные достижения в конструкции тепловых и гидравлических двигателей и их регулирования, а также их высокая экономичность, приведшие к возможности сооружать, например, быстроходные паровые турбины с высоким давлением пара, мощностью в 100 000 квт и более или строить мощнейшие гидравлические турбины для всяких напоров, достигнуты, главным образом, благодаря требованиям электротехники и прогрессу в области сооружения электрических генераторов.

Первые, появившиеся после диска Фарадея, генераторы были машины небольшой мощности, разнообразной конструкции, магнитное поле которых создавалось постоянными магнитами. Коэффициент полезного действия их был весьма невелик. Как общее правило, эти генераторы давали переменный или «волнообразный» ток. Но эти генераторы стали быстро совершенствоваться. Постоянные стальные магниты были заменены электромагнитами, был открыт принцип самовозбуждения, были придуманы разные способы включения намагничивающих обмоток (последовательное и параллельное), отвечавшие требованиям различных условий работы генераторов, и, наконец. Пачинотти и Граммом, независимо друг от друга, был изобретен якорь с коллектором, позволивший получать от генераторов, основанных на принципе электромагнитной индукции, постоянный ток. Изобретение коллектора имело исключительно большое значение, так как позволило получать от машин тот ток, который давали гальванические батареи и с которым умели уже обращаться.

Со времени изобретения вольтова столба и затем постепенного усовершенствования гальванических элементов, дававших постоянный ток, все применения электричества были применениями постоянного тока. Для него были установлены законы, его научились измерять и т. д. Между тем, все электрические машины до изобретения Грамма давали ток переменный или, в лучшем случае, «волнообразный». Это обстоятельство сильно препятствовало распространению применения электрической энергии. Изобретение коллектора Грамма устранило это затруднение и распространение применения электрического тока стало быстро расти. Этому способствовало и то, что был открыт принцип обратимости динамомашин постоянного тока, т. е. был изобретен электродвигатель постоянного тока, весьма простой и удобный по своим свойствам для всякого рода применений. Это дало возможность широко расширить область применения электрического тока, т. е. развить электротехнику.

Однако, правильному развитию электрического машиностроения сильно мешал недостаток сведений о магнитных свойствах магнитных материалов разного рода (железо, сталь, чугун) и, в частности, зависимости этих свойств от степени намагничения, а также недостаток сведений о влиянии остаточного магнетизма на свойства машин (гистерезис). Понятие о магнитном потоке было уже установлено Фарадеем, но рассчитывать величину потока в зависимости от применяемого для намагничения тока, от размеров магнитных сердечников, от свойств примененного магнитного материала не умели. Все эти вопросы были решены после целого ряда исследований, произведенных физиками — проф. А. Г. Столетовым, Роуландом, Гопкинсом, Юингом и др. над магнитными свойствами железа в разных видах и способами измерений этих свойств, и, особенно, после установления «закона магнитной цепи», введения понятий о магнитодвижущей силе и магнитном сопротивлении. Для теории электрических машин установление этого закона имело громаднейшее значение. Можно сказать, что лишь после установления этого закона началось создание той теории машин, которая позволила начать рационализацию конструкций электрических машин и двигателей. До установления этого закона изобретатели работали ощупью, после него у них открылись глаза. Это можно видеть по быстрым успехам электрического машиностроения, последовавшим за установлением закона магнитной цепи [3].

Те особенности конструкций динамомашин, которые выставлялись их изобретателями как особенно полезные, на деле оказывались часто наиболее неудачными. Так, например, тонкие высокие сердечники первых машин Эдисона, которые этот изобретатель считал за особое из достоинств своих машин, в действительности оказались самой неудачной частью этих машин. Знание закона магнитной цепи позволило в дальнейшем избегнуть таких ошибок. Над изобретением генераторов и электродвигателей трудился целый ряд изобретателей, ученых и техников, среди них из русских изобретателей надо отметить академиков Ленца и Якоби, построивших первый электродвигатель, который, питаясь от гальванической батареи, мог двигать лодку по Неве, даже против течения, с относительно большой скоростью.

Трудами Ленца и Якоби внесено много ясности в теорию электрических машин и был установлен целый ряд их свойств. Этими же учеными был впервые установлен принцип «обратимости машин», т. е. способность машин работать в качестве как генераторов, так и электродвигателей. В дальнейшем над электрическими машинами работал из русских изобретателей П. Н. Яблочков, предложивший оригинальную конструкцию машин постоянного и переменного тока и участвовавший в создании на заводе Грамма в Париже первого генератора переменного тока, специально сооруженного для питания «свечей Яблочкова». Конечно, были у нас и другие изобретатели электрических машин (Полешко, Клименко, Лачинов и др.), но состояние электропромышленности в России в то время не было таково, чтобы их изобретения могли осуществляться.

Появление генераторов электрического тока, превращавших механическую энергию в электрическую и дававших возможность, утилизируя естественные энергетические ресурсы, получать достаточно дешевый электрический ток, создало необходимые предпосылки для развития практических применений электрического тока.

Первое из них применение для освещения, как было уже сказано, возникло сначала на основе использования, открытого академиком Петровым светового явления, получившего впоследствии название «вольтовой дуги». а затем на основе изученного акад. Ленцем и Джоулем явления нагревания проводника проходящим по нему током. Таким образом, оба явления, базируясь на которых возникла осветительная техника XIX в., были или открыты, или изучены русскими учеными. Русскими же изобретателями были найдены и реальные способы использования этих явлений для устройства электрических источников света — П. Н. Яблочковым для устройства дуговой лампы, получившей название «свечи Яблочкова», и А. Н. Лодыгиным для устройства лампы с накаливаемым светящимся проводником, получившей название «лампы накаливания».

До появления свечи Яблочкова и лампы накаливания Лодыгина делались многочисленные попытки создания электрических источников света, но все они кончались неудачей. Пути развития электрической светотехники показали русские пионеры и, идя по указанному ими пути, светотехника в руках талантливых изобретателей всего мира, в том числе русских изобретателей — Репьева, Доброхотова-Майкова, Тихомирова, Чиколева и ряда других, быстро достигла большого совершенства. Рост числа применений свечи Яблочкова и возникшая отсюда необходимость питать возможно большее число свечей от одного общего генератора электрического тока привели П. П. Яблочкова к изобретению прибора (1877 г.), который он назвал индукционной катушкой и который впоследствии получил название трансформатора переменного тока. Этот же трансформатор несколько времени спустя был вторично изобретен сотрудником проф. Столетова по Московскому университету Усагиным (1882 г.) и затем еще раз в 1885 г. построен французским электриком Голардом и венгерскими инженерами Циперновским, Дери и Блати, работавшими на заводе Ганца в Будапеште. Трансформаторы Яблочкова и Усагина не получили распространения, и только позже, когда начало развиваться применение переменного тока высокого напряжения, трансформаторы нашли свое место в электротехнике. Это уже были трансформаторы Голарда и Гиббса и трансформаторы Циперновского, распространявшиеся в Европе фирмой Ганц. В США трансформаторы Голарда и Гиббса строила фирма Вестингауз, трансформаторы Циперновского — Генеральная Электрическая Компания.

Об изобретателе первого трансформатора П. Н. Яблочкове как будто совсем забыли и об его изобретении вспомнили только тогда, когда между американскими и европейскими фирмами начались споры о патентах. Только тогда был установлен приоритет Яблочкова.

Начало широкого применения переменного тока относится уже к последней четверти XIX в., в середине же века господствовал ток постоянный, и попытки применять ток переменный встречали ряд возражений. Первое сколько-нибудь широкое применение получил переменный ток для питания свечей Яблочкова и хотя результаты были хороши, но дальнейшего распространения в то время переменный ток не получил. Причины ясны: тогда как постоянный ток был хорошо изучен, законы его хорошо известны, сведения о переменном токе были очень ограничены. При его применениях встречались с явлениями в то время необъяснимыми (индукционные и емкостные явления, резонанс, влияние частоты и пр.), представлявшими для эксплоатации много затруднений. Кроме того, и что очень было важно, в то время не было сколько-нибудь применимых электродвигателей переменного тока, тогда как имелись отличные двигатели постоянного тока. Поэтому, когда на смену свечам Яблочкова появились лампы накаливания и дуговые регуляторы постоянного тока, переменный ток был совсем оставлен. Однако, в дальнейшем в связи с расширением электрических сетей, потребовавшим повышения напряжения, и в связи с появлением трансформаторов, позволявших легко получить токи высоких напряжений, вновь стали делать попытки перейти к применению переменного тока. Вначале эти попытки встречали жестокую критику и большую оппозицию. Во главе возражавших против применения переменного тока, в особенности, высокого напряжения, стояли такие люди, как Эдисон, авторитет которого в электротехническом мире стоял недосягаемо высоко. Эдисон писал, что прокладка по улицам кабелей переменного тока высокого напряжения эквивалентна закладке под мостовую динамитных мин. Даже такой авторитет, как В. Томсон (Кельвин), опасался применения переменного тока и, например, при обсуждении вопроса о выборе рода тока для Ниагарской установки высказался за постоянный ток.

Споры о применении переменного тока длились долго и окончились в пользу переменного тока лишь после изобретения так называемых «трехфазных токов», т. е. после введения русским электротехником Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским в жизнь трехфазного тока, позволившего блестящим образом решить вопрос о двигателе переменного тока. За постоянным током осталось, однако, одно преимущество, именно, что он мог применяться и для разного рода электрохимических процессов.

Из электрохимических процессов наибольшее распространение в этот период имели покрытие одних металлов другими (золочение, серебрение) и гальванопластика. Последняя была изобретена акад. Якоби в 1838 г. и сразу получила широкое применение. Свое открытие Якоби описывает таким образом: «Оный способ состоит в употреблении гальванического действия по определенным и свойственным опыту правилам, по которым медь, без содействия огня, растворением в кислотах, превращается снова в крепкую и прочную массу самого лучшего качества. Сей раствор из меди, оседая на каком-нибудь другом металле или металлических составах, принимает все виды, изображенные на сих последних с резкостью и удивительной точностью, так что получается точная копия оного. Сие изобретение принадлежит России и не может быть оспоримо никаким другим изобретением вне оной».

Потребности снабжения гальванопластических ванн током вызвали ряд весьма интересных работ Якоби, некоторые из которых касались не только техники генерирования тока, но и экономики снабжения электрохимических устройств. В дальнейшем электролиз получил широкое применение и в металлургии, особенно металлургии цветных металлов.

Сильно развившаяся во второй половине XIX в. промышленность требовала все большее и большее количество энергии. Практиковавшиеся в первые три четверти века методы снабжения энергией заводов и фабрик и т. п. от небольших паровых или гидравлических двигателей, большей частью через посредство ременных или канатных передач, уже не удовлетворяли потребностям новой промышленности. Отличные свойства электродвигателей вызвали стремление широко применять этот род двигателей, число и мощность которых стали очень быстро расти. Для питания все увеличивавшихся установок нужно было располагать значительным количеством электрической энергии. Эту энергию во многих случаях оказывалось выгодно получать от электрических генераторов, расположенных не у самих мест потребления энергии, а на более или менее далеких расстояниях от этих мест, например, от генераторов, установленных на паровых электрических станциях, расположенных вблизи угольных или торфяных месторождений, что позволяет избежать перевозки топлива, или на мощных водяных потоках, которые можно утилизировать через посредство гидравлических турбин для вращения электрических генераторов. Способы распределения электрической энергии между рядом потребителей были уже разработаны, требовалось лишь найти способы достаточно экономичной передачи более или менее значительных мощностей на большие расстояния.

В России первые опыты электрической передачи достаточно большой мощности были произведены в 1874 г., задолго до того, как они были сделаны в Европе. Именно в этом году в Петербурге военный инженер Пироцкий устроил электропередачу в 6 лошадиных сил на расстояние свыше 1 км.

Главная трудность для решения этого вопроса заключалась в том, что для передачи больших мощностей, да притом на большие расстояния, необходимо применять токи высокого напряжения, так как чем ниже напряжение, тем толще требовались провода, и при нормально применявшихся в то время напряжениях порядка 100 В передача даже небольших мощностей на сравнительно небольшие расстояния требовала для проводов такого количества меди, которое делало подобную передачу экономически невыполнимой. Необходимо было пойти на повышение напряжений, что при получении тока от генераторов постоянного тока представляло немало затруднений. Эти затруднения преодолел частично известный французский ученый-изобретатель Марсель Депре, построивший первые динамомашины сравнительно высокого напряжения. Известно, какую оценку получили работы Депре со стороны Маркса и Энгельса. Передав сначала из Миссбаха в Мюнхен, а затем из Крейля в Париж и обратно хотя и небольшую мощность по обычным телеграфным проводам, Депре, действительно, практически решил вопрос о возможности передачи электрической энергии на расстояние. Построенные им для этой цели генераторы и двигатели постоянного тока высокого напряжения (порядка 6000 В) были, конечно, далеки от совершенства, но все-таки они работали удовлетворительно и передача была осуществлена.

После М. Депре по указанному им пути повышения напряжений постоянного тока для передачи пошли и другие изобретатели, в частности, Фонтен, инженер завода Грамма, долго оспаривавший у Депре приоритет, швейцарский инженер Тюри и др.

Их работы имели громадное значение в истории электротехники, но практическое применение, и то в весьма ограниченном объеме, получила лишь система Тюри, предложившего и на генераторном и на приемном концах соединять по нескольку установленных генераторов и двигателей последовательно и, таким образом, получить достаточно высокие напряжения. По системе Тюри было построено несколько электропередач напряжением до 100 000 В, но появление трехфазного тока, давшего гораздо более удовлетворительные с технической и экономической стороны результаты, положило на долгое время конец изысканиям методов передачи энергии постоянным током высокого напряжения. Лишь во второй четверти XX в. в связи с крупными успехами, достигнутыми в конструкции ионных и электронных приборов, эти изыскания снова возобновились и уже приводят к некоторым положительным результатам.

В России, как было сказано, вопросам электрической передачи энергии отдавали много внимания уже в 70-х годах прошлого века. Разработке теоретических вопросов электропередачи был посвящен ряд работ петербургского физика Д. А. Лачинова, внесшего много ясности в существовавшие тогда (конец 70-х и начало 80-х годов) взгляды на технику и экономику электрической передачи энергии.

Интересно отметить, что и практически в России была осуществлена одна из первых по времени установок передачи энергии постоянным током высокого напряжения. Это была установка для питания медного рудника вблизи Батуми. В качестве первичных двигателей были применены гидравлические турбины, установленные на горном потоке.

Изобретение трансформаторов переменного тока, давших возможность менять напряжение тока в самых широких пределах, повышая его до сотен тысяч вольт и понижая до нескольких вольт, а затем и изобретение трехфазных двигателей направили исследовательскую мысль по новому пути и в сравнительно короткое время электрическая передача энергии трехфазным током получила широчайшее применение.

К концу первой четверти XX в. стали передавать уже мощности в сотни тысяч киловатт на расстояния нескольких сотен километров и довели напряжение передач до 250 000 В и даже в дальнейшем почти до 400 000 В. Громадное значение во всем этом прогрессе имели работы и изобретения русского электрика М. О. Доливо-Добровольского, изобретателя трехфазного тока.

С получением возможности выгодно использовать естественные энергетические ресурсы, где бы они ни были расположены, значительно расширилась область применения электрической энергии. В настоящее время нет области техники, в которой бы она так или иначе не применялась. Она получила широчайшее применение в химических производствах, в металлургии, в горном деле, в металлообрабатывающей промышленности, в рельсовом и безрельсовом транспорте и т. п.

Нужно отметить одну отрасль техники, где, как и в деле электрического освещения, инициаторами и пионерами были наши русские электрики. Это — область электрической сварки, в которой вольтова дуга, открытая русским ученым Петровым, получила практическое применение для сварки в руках русских же изобретателей — Бенардоса и Славянова. В конце 70-х годов электрическая сварка была изобретена Николаем Николаевичем Бенардосом и затем усовершенствована Николаем Гавриловичем Славяновым. Долгие годы способы дуговой сварки Бенардоса и Славянова были единственными, применявшимися на практике. Да и до настоящего времени все нововведения в этой области являются лишь отдельными, правда часто весьма существенными, усовершенствованиями способов Бенардоса и Славянова.

Таким образом, к концу XIX в. электротехника сильных токов достигла весьма высокого уровня, и участие русских ученых и изобретателей в достижениях в этой области электротехники было очень значительно. Не меньшее значение имели работы русских ученых изобретателей и в области электротехники слабых токов, т. е. электротехники, имеющей дело с задачей передачи всякого рода сигналов, особенно телеграфных. Можно утверждать, что начало проволочной телеграфии положили работы русских ученых Шиллинга (1786–1837 гг.) и акад. Якоби, выполненные в Петербурге в первой половине XIX в., а начало беспроволочной телеграфии (радиотелеграфии) — труды проф. Александра Степановича Попова, выполненные также в Петербурге в конце того же века.

Имена русских электриков — Петрова, Якоби, Яблочкова, Лодыгина, Чиколева, Доливо-Добровольского, Бенардоса, Славянова, Попова и многих других — вошли в историю электротехники и оставили в ней глубокий след.

Конечно, эти передовики электротехники не были одиноки, их окружал ряд других ученых и изобретателей, работавших также в области электротехники. Большинство из них, так или иначе, было связано с двумя центрами, объединявшими русских электротехников и образовавшимися в Петербурге на заре электротехники, именно, с Электротехническим (VI) отделом Русского технического общества и с журналом «Электричество». Электротехнический отдел был организован в конце 70-х годов в составе Русского технического общества пионерами мировой электротехники: Лодыгиным, Яблочковым, Скржинским, Флоренсовым, Лачиновым, Чиколевым и многими другими при активной помощи выдающихся ученых физиков того времени профессоров И. И. Боргмана, О. Д. Хвольсона, Н. Г. Егорова и ряда других работников науки и техники. О деятельности этого отдела и его значении в истории электротехники и, в частности, русской говорится далее в главе, посвященной специально этому замечательному объединению электротехников.

Журнал «Электричество» был создан уже Электротехническим отделом Русского технического общества немедленно после его оформления в специальный отдел в 1880 г. «Электричество» является одним из старейших в мире специальных электротехнических журналов. С 1880 г. он служит главнейшим печатным органом наших электротехников. Редакция «Электричества», особенно в последнее десятилетие XIX в., была местом встреч наиболее активных работников Электротехнического отдела Русского технического общества и вообще наиболее активных, старых и молодых электриков, вне зависимости от того, где, в каком ведомстве или в какой фирме они работали. В редакции можно было встретить и почтенных электриков, моряков и военных инженеров, и электриков-практиков, сотрудников Яблочкова и Лодыгина, и молодых, начинающих электриков, лаборантов физических и электротехнических лабораторий. Из сотрудников редакции «Электричества» вышло много выдающихся ученых и крупных инженеров, создававших русскую электротехнику.

После Великой Октябрьской социалистической революции в связи с началом плановой электрификации развитие электротехники в нашей стране пошло исключительно быстрыми шагами. Изменилось и состояние электропромышленности и электростроительства и вместе с этим изменилось положение изобретателей.

Советский Союз по электрификации с одного из самых последних мест, каким он был в 1921 г., быстро перешел на первое место в Европе и на второе в мире. Появился ряд электротехнических лабораторий и научно-исследовательских институтов, в которых наши изобретатели получили возможность выполнять свои исследования. В Академии наук СССР образовано специальное Отделение технических наук, организован Энергетический институт, в стране развилась электротехническая промышленность, появились крупнейшие электромашиностроительные, кабельные и тому подобные заводы. Начали строиться мощнейшие электрические станции и высоковольтные линии электропередач. Во многих случаях Советский Союз являлся инициатором, как, например, в деле плановой электрификации. Телеграфы, телефоны и особенно радио связали между собой все самые отдаленные уголки страны, обеспечили культурную связь города с деревней. Начало всем этим мировым достижениям электротехники было положено электротехниками второй половины XIX в. Среди них русские изобретатели и ученые играли выдающуюся роль. В отдельных очерках, посвященных деятельности этих ученых и изобретателей, будет сделана попытка показать, в каких условиях они работали и каких результатов они достигали.

Примечания:

3

См. Ефремов и Радовский, Динамомашина в ее историческом развитии. Изд. Академии наук СССР, 1936 г.