Новости    Библиотека    Энциклопедия    Биографии    Ссылки    Карта сайта    О сайте


предыдущая главасодержаниеследующая глава

Где вы, таинственный П. М.?

В этой главе автор сначала рассказывает об одном неизвестном ленинградском музее, затем, оттолкнувшись от рисунка, напоминающего детский, пытается проследить развитие магнитов электрических машин и делает печальный вывод, но потом оказывается, что все дело не так безнадежно, потому что охлаждение магнитов-гигантов постепенно приносит свои плоды; а в конце главы автор ведет разговор о самом миниатюрном магните - величиной с маковое зернышко.

Где вы, таинственный П. М.?
Где вы, таинственный П. М.?

В Ленинграде есть музей, о существовании которого не подозревают даже многие ленинградцы. Расположен он над актовым залом Ленинградского политехнического института в нескольких просторных галереях. Экспонаты музея - электрические машины всех времен и эпох, разнообразнейших размеров, типов и назначений. Некоторым из этих машин около ста лет.

Прохаживаясь по залам музея, трогая бронзовых ангелочков и чугунные цветы на ранних машинах и думая непрерывно о том, что я нахожусь в галерее удивительных магнитов, все время менявших свою форму, проходивших, как шелковичный червь, самые невероятные перипетии развития, я вдруг пришел к странному выводу: начавшееся в 1821 году развитие электрических машин шло после этого бурными темпами лишь несколько десятков лет; потом оно остановилось так резко, как будто кто-то обрезал ножом,- и с тех пор электрическая машина приобрела какой-то "вечный" вид, на который ничто, казалось бы, не могло повлиять, и в результате машины, построенные в конце прошлого века, почти ничем не отличаются от своих ультрасовременных сестер. Размышляя об этом, я начал перебирать в памяти факты, относящиеся ко времени, когда были сделаны первые удивительные открытия, которые были под силу лишь наиболее искусным и чудовищно, невероятно терпеливым...

В канун наступающего 19-го столетия немецкий физик Рит-тер в письме своему бывшему ученику Эрстеду предсказал, что в 1820 году будет сделано выдающееся научное открытие. Иногда такие прогнозы сбываются - в 1820 году Эрстед открыл магнитные свойства электрического тока. Буквально через несколько дней после открытия Эрстеда Араго заметил прилипание железных опилок к проволоке с электрическим током. Еще через несколько дней Ампер и Араго изготовляют первый соленоид. Задача превращения электричества в магнетизм была решена. Встала другая задача - превратить магнетизм в электричество. Решение ее принадлежит великому Фарадею. Для этого человека не существовало ничего, кроме науки. Наука была его всепоглощающей страстью, забиравшей все его внимание и время. Он мог бы стать миллионером, эксплуатируя свои многочисленные открытия,- однако Фарадей сразу охладевал к открытиям, как только ими заинтересовывались промышленники. Он родился, жил и умер в бедности.

Может быть, в таких изощренных конфигурациях магнитного поля - ключ к решению проблемы управляемого термоядерного синтеза
Может быть, в таких изощренных конфигурациях магнитного поля - ключ к решению проблемы управляемого термоядерного синтеза

Занятия наукой были ему лучшей наградой в жизни.

Майкл Фарадей родился в сентябре 1791 года. С тринадцати лет он работал переплетчиком и не в пример многим другим переплетчикам интересовался содержанием книг, которые он переплетал. Особенно он любил "Беседы о химии" Марсе и главы "Британской энциклопедии", посвященные физике. Несколько раз он посетил лекции всемирно известного ученого Гэмфри Дэви и с тех пор стал мечтать работать у него. В декабре 1812 года он расхрабрился и послал Дэви письмо, в котором сообщал, что решил заняться научной деятельностью, и просил места в лаборатории. В качестве приложения Фарадей присовокупил к письму конспекты прослушанных им лекций Дэви, разумеется в отличном переплете.

Дэви, получив письмо, был в нерешительности.

- Вот письмо одного юноши, по имени Фарадей; он слушал мои лекции и просит дать ему место в институте. Что мне с ним делать? - спросил Дэви у своего институтского коллеги Пиписа.

- Что делать? Вели ему мыть бутылки,- если он согласится, то из него будет толк, если же нет, то он ни к чему не годен.

Дэви взял Фарадея своим секретарем, однако несколько месяцев спустя выгнал его и посоветовал снова заняться переплетным делом. Позже Дэви смягчился и взял Фарадея лаборантом.

Сразу после открытия Эрстеда Фарадей стал наблюдать за проволочкой с током. После года попыток он создал устройство, непонятно как работающее (Фарадей изобрел так называемый униполярный двигатель, принцип его действия можно строго объяснить только с позиций открытой Эйнштейном теории относительности).

Факсимильное изображение Фарадеем своего изобретения показано на рисунке.

С этого рисунка, напоминающего детский, ведет свою историю вся электроэнергетика. Этот рисунок - и Братская ГЭС, и двигатели атомохода "Ленин" в самом зародыше. С этого рисунка начинается история электромашиностроения.

Практическая реализация исторического рисунка Фарадея проста - на металлическом крючке укреплена проволочка, которая может совершать вращательное движение. В сосуд залита ртуть, в которую погружен магнитик. Ртуть, являющаяся хорошим проводником, подсоединена к одному полюсу источника тока, крючок - к другому. Когда цепь замкнута, магнитик начинает вращаться. Это происходит вследствие того, что взаимодействие кругового магнитного поля тока проволоки и униполярного поля (поля одного полюса) магнитика приводит к тому, что с одной стороны проволочки поле становится больше, а с другой стороны - меньше, и проволочка выталкивается в область с меньшим полем. Это был по существу первый электродвигатель, построенный человеком. Он, как видно, не слишком-то напоминает привычные нам электромоторы.

На таком же принципе работало и изобретенное П. Барлоу в 1824 году "колесо Барлоу", а также "электромагнитный самовращатель" Аньоша Едлика (1828 год).

В 1827 году Фарадей становится профессором в Королевском институте. Он помнит о задаче, поставленной им сразу после опытов Эрстеда,- превратить магнетизм в электричество. Фарадей ставит множество опытов, ведет педантичные записи. Каждому небольшому исследованию он посвящает параграф в его "Экспериментальных исследованиях по электричеству". О работоспособности Фарадея говорит хотя бы тот факт, что последний параграф "Исследований" помечен под № 16041.

С этого рисунка Фарадея берет свое начало электромашиностроение
С этого рисунка Фарадея берет свое начало электромашиностроение

Блестящее мастерство Фарадея-экспериментатора и его одержимость дали результат - через одиннадцать лет после Эрстеда, 29 августа 1831 года, он, быстро вдвигая железный сердечник в катушку, убедился в том, что в этот краткий момент в цепи катушки возникает ток. Будь прибор Фарадея не на виду у него или у его ассистента в тот самый момент, когда он вставлял сердечник, неизвестно, сколько времени ему пришлось бы биться над своей задачей.

Интересно, что одновременно с Фарадеем абсолютно такие же опыты проводил великий Ампер. Чтобы избежать ошибок, и Фарадей и Ампер поместили измерительный прибор в другую комнату. Разница, казалось бы, была очень небольшой: Ампер сначала вдвигал сердечник, а потом следовал в соседнюю комнату посмотреть, не появился ли ток. Пока Ампер шел из комнаты в комнату, ток, который возникает лишь во время вдвигания, то есть во время изменения магнитного поля во времени, уже успокаивался, и Ампер, придя в соседнюю комнату, убеждался в том, что "никакого эффекта нет", Фарадей же работал с ассистентом, находившимся в соседней комнате. При вдвигании Фарадеем сердечника ассистент заметил отклонение стрелки прибора.

Можно снова и снова повторять за Гельмгольцем: "И от этих случайных обстоятельств зависело великое открытие!"

Через несколько дней после открытия электромагнитной индукции Фарадей набрасывает пером на бумаге и строит первый в мире электрогенератор. Очень интересно, что Фарадей изобрел униполярный генератор, то есть опять-таки наиболее сложный по принципу действия из всех генераторов, известных на сегодняшний день. Еще интересней, что точно такой же по принципу действия генератор Фарадей мог получить девять лет назад - стоило ему самому начать крутить вокруг магнита проволочку своего первого двигателя, а не ждать, пока она закрутится при пропускании тока, и он имел бы электрогенератор! Ведь сейчас каждому школьнику известно, что электродвигатель и электрогенератор обратимы, то есть легко обращаются друг в друга!

Но Фарадей не догадался покрутить проволочку вокруг магнитика...

"И от этой мелочи..." и так далее - по Гельмгольцу.

Итак, Фарадей с интервалом в девять лет сделал два величайших открытия, которые, можно сказать с уверенностью, произвели революцию в жизни человечества,- он изобрел электродвигатель и электрогенератор.

Естественно, на эти открытия нашлось много претендентов. Еще в 1821 году, когда Фарадей опубликовал результаты экспериментов с первым электродвигателем, ему пришлось выдержать бой за приоритет с неким Уолластоном, который заявил, что все эти эксперименты проделаны с его, Уолластона, слов и в соответствии с его идеями. Интересней всего было то, что Уолластон действительно предложил правильную идею эксперимента Фарадею, однако Фарадей его, по-видимому, невнимательно слушал и понял так, будто Уолластон говорил о вращении проволочки вокруг своей оси. Таким образом, если

Фарадей и не был первым в предложении идеи двигателя, то дошел он до нее самостоятельно. Уладить скандал стоило больших трудов, и в конце концов при баллотировке Фарадея профессором в 1824 году Уолластон поддержал его кандидатуру. Однако Дэви голосовал против - трудно сказать, сыграла ли в этом роль тень, брошенная на Фарадея Уолластоном, или обыкновенная зависть.

Ампер тоже претендовал на открытие, опубликовав материал об аналогичной конструкции в 1823 году.

Как только Фарадей опубликовал работы по электромагнитной индукции, скандал разразился снова. На этот раз претендентами на открытие был известный американский электротехник Генри, открывший явление самоиндукции, и итальянец Кавальери Антинори. Однако Фарадей смог доказать, что и Генри и Антинори проводили свои эксперименты уже после того, как они слышали об опытах Фарадея.

Несмотря на то что Фарадей был слабым математиком, он в своих трудах заложил основы теории электромагнетизма, впоследствии описанной в "уравнениях Максвелла".

"Когда я стал углубляться в изучение работ Фарадея,- писал Максвелл,- я заметил, что метод его понимания тоже математичен, хотя и не представлен в условной форме математических символов. Я также нашел, что метод может быть выражен в обычной математической форме и таким образом может быть сопоставлен с методами признанных математиков".

Фарадей первым высказал идею о том, что все пространство, окружающее магнит, заполнено силовыми линиями, которые вполне реальны и наделены упругостью. Кроме магнитных, в пространстве существуют другие силы: электрические, лучевые, тепловые и гравитационные. Линии совершенно однозначно определяют направление и величину силы, действующей на предмет.

Почему сила притяжения у полюсов магнита сильнее, чем в других местах?

Ответ прост - здесь густота, плотность силовых линий (в настоящее время для этой величины имеется особый термин - индукция, с единицами измерения - гаусс и тесла; индукция, выраженная в гауссах, численно равна в вакууме напряженности магнитного поля, выраженной в эрстедах) выше, чем в других местах.

Новым в физических воззрениях Фарадея было то, что вопреки всем предыдущим представлениям, идущим от Лукреция, Фарадей не использовал понятия "магнитных корпускулов", которые производят магнитное действие. Вместо них Фарадей ввел понятие магнитного поля - пространства, в котором действует магнит. Он считал притяжение следствием изменения свойств пространства. Это была глубоко революционная идея, заложившая основы теории поля.

Униполярный генератор, предложенный Фарадеем, был очень красив по принципу действия, но не был удобен для практического использования. В лучшем случае он мог служить изящным украшением физических лабораторий. Никому и в голову не приходило, что явление индукции, открытое Фарадеем,. можно использовать практически.

И тут на сцене появляется таинственный незнакомец П. М. (Р. М.) Через несколько недель после открытия Фарадея он приносит в патентное бюро электрический генератор с постоянными магнитами совершенно необычной и неожиданной конструкции. Интересней всего то, что, как писал впоследствии академик М. П. Костенко, "...основные черты машины П. М. были настолько правильны, что на много лет определили конструкции машин позднейших изобретателей". Как будто бы человек заглянул вперед за несколько десятилетий и избавил человечество от необходимости терять время напрасно. Кто вы, таинственный П. М.?

Концентратор магнитного потока
Концентратор магнитного потока

В ряду людей, поставивших электричество на службу человечеству, мы не смогли проставить вашего имени. Но мы всегда будем вам благодарны, как и многим другим, предшествовавшим вам и следовавшим за вами...

Следующими были машины братьев Пикси (1832 г.) и В. Риччи (1833 г.). Новым в работах Риччи было введение коллектора и указание на то, что вместо магнитов в генераторах можно использовать электромагниты.

Громадными шагами вперед было изобретение А. Пачинотти кольцевого якоря, а затем изобретение Ф. Гефнер-Альтенеком барабанного якоря электрической машины, которые в конечном счете привели машину-генератор к его современному виду. Это было в 1872 году. С тех пор конструкция генераторов практически не изменялась.

Эволюция якоря электрической машины. С течением времени форма магнитов электрических машин непрерывно менялась. Сверху вниз: кольцевой якорь Пачинотти; барабанный якорь Гефнер-Альтенека
Эволюция якоря электрической машины. С течением времени форма магнитов электрических машин непрерывно менялась. Сверху вниз: кольцевой якорь Пачинотти; барабанный якорь Гефнер-Альтенека

С двигателями дело обстояло примерно так же. До тех пор пока люди не понимали, что электродвигатель и электрогенератор - это, по сути дела, одно и то же, они разрабатывали конструкции двигателей отдельно от конструкций генераторов. В разработке двигателей сильно сказалась инерция строителей паровых машин. Двигатели, построенные в 1832 году Д. Генри и в 1846 году У. Пейджем, имели коромысла, золотники, кривошипы и шатуны. Двигатель Пейджа не только напоминал паровой по виду, но и был установлен на локомотив, где, получая электроэнергию от батарей, смог довести скорость локомотива до 30 километров в час.

В 1838 году Б. Якоби создал первую практическую модель двигателя с круговым вращением якоря. Двигатель этот произвел сенсацию, потому что, будучи установлен на катере длиной 8,5 метра и шириной 2,1 метра, двигавшемся с шестнадцатью пассажирами на борту, он смог развивать солидную скорость не только по течению Невы, но и против ее течения.

Мощность его была всего полкиловатта.

В семидесятых годах прошлого века электротехники наконец поняли, что двигатель и генератор - это две стороны одной и той же медали, и, таким образом, разработанная к тому времени конструкция генератора стала и конструкцией двигателя.

И с тех пор основные типы машины практически не изменяются.

Конструкция машин была разработана, оставалось наращивать их мощность. Машины становятся все больше и больше по размерам. Уже в восьмидесятых годах компания "Мозер и Платт" в Манчестере построила для одного генератора магнит весом в 46 тонн. Это колоссальная цифра, потому что современные инженеры, используя такой магнит, могли бы выжать мощность большую, чем мощность Днепрогэса.

Итак, скоро будет сто лет с тех пор, как облик электрических машин установился. С тех пор машина подвергалась лишь непринципиальным конструктивным изменениям. С начала века, как это видно из рисунка, они почти не изменяются.

...И вот стоят в ленинградском музее машины, как две капли воды похожие одна на другую, хотя одна из них построена в 1905, а другая - в 1965 году... За это время парусиновая птица Можайского превратилась сначала в "Илью Муромца", затем- в "Максима Горького", затем в ТУ-104; открыта атомная энергия, взорвана атомная бомба, построены атомные электростанции; Землю опоясали орбиты спутников, и вот уже человек вышел за пределы космического корабля, прокладывая путь к звездам... А электрические машины, как каменные сфинксы, взирают на "всю эту суету" с вершины своего достигнутого совершенства, и кажется, будут такими вечно...

Машины, выпущенные в 1910 году (слева) и в I960 году (справа). Бросается в глаза отсутствие каких-либо принципиальных изменений в конструкции
Машины, выпущенные в 1910 году (слева) и в I960 году (справа). Бросается в глаза отсутствие каких-либо принципиальных изменений в конструкции

Но это впечатление обманчиво. Стоит лишь подойти поближе и посмотреть на заводские щитки, на которых написана номинальная мощность машины, как окажется, что мощности одинаковых по размерам машин несравнимы - они различаются порой в десятки раз. Это происходит потому, что люди с течением времени научились лучше использовать свойства магнитов. Поясню вкратце, в чем тут дело.

Как показал Фарадей, для осуществления электромагнитного взаимодействия в двигателе или генераторе необходимо наличие двух взаимодействующих магнитных полей - поля статора и поля ротора, направленных в общем случае навстречу друг другу. Чем сильнее эти поля, тем сильнее взаимодействие, тем больше мощность.

И магнитное поле ротора, и магнитное поле статора создаются специальными обмотками, заложенными в пазы, проточенные в стальных сердечниках, и поэтому и статор, и ротор представляют собой по существу два электромагнита своеобразной формы.

Для того чтобы увеличить магнитное поле этих электромагнитов, необходимо увеличивать ток в проводниках обмотки. Однако даже если отвлечься от насыщения, увеличивать его безгранично нельзя, поскольку проводники начинают перегреваться и изоляция сгорает. Существует даже специальное "правило восьми градусов", которое гласит: при повышении температуры изоляции на восемь градусов срок службы ее сокращается вдвое.

В свете этого правила становится ясным, какое большое значение приобретает охлаждение проводников. Прежний универсальный способ увеличения мощности - увеличение размеров - больше неприемлем. Машины большей мощности не могут обладать большими размерами, чем те, которыми обладают их предшественники, выполненные в смысле размеров "на пределе".

Что является предельным размером электрической машины? Во-первых, максимальный размер стальной поковки, которую могут изготовить на металлургическом заводе (если ротор турбогенератора выполнить составным, он будет разорван механическими центробежными усилиями).

Во-вторых... высота железнодорожных мостов, ширина и высота железнодорожных тоннелей. Ведь электрические машины изготавливаются обычно в одном месте, а устанавливаются в другом. Их нужно перевозить с места на место и, как правило, по железной дороге. Поэтому требования железнодорожников сильно влияют на конструкцию электрических машин. Некоторые машины, правда, можно разрезать на части (к ним относятся гидрогенераторы), и эти машины продолжают с ростом мощности наращивать размеры и уже сейчас насчитывают десятки метров в диаметре и тысячи тонн по весу (крупнейший в мире гидрогенератор для Красноярской ГЭС мощностью в 500 тысяч киловатт (почти Днепрогэс) весит около двух тысяч тонн). Другие крупнейшие электромашины (турбогенераторы) по ряду соображений нельзя разрезать на куски, и для них железнодорожный габарит - это и есть то прокрустово ложе, в котором они должны разместиться.

Это привело к тому, что, достигнув в начале века максимальных "железнодорожных" пределов, турбогенераторы уже не смогли расти дальше в размерах. Несмотря на это, их мощность увеличилась к 1966 году в двадцать раз!

Значительную роль сыграли в этом и советские ученые-электромашиностроители: академики В. Ф. Миткевич, В. М. Шенфер, М. П. Костенко, члены-корреспонденты АН СССР Г. Н. Петров, Д. А. Завалишин, профессора Е. Я. Казовский, И. Д. Урусов, Р. А. Лютер, кандидаты наук В. В. Титов, Г. И. Дьяченко, Э. Г. Кашарский, Я. Б. Данилович, Г. М. Хуторецкий и многие другие.

Как удалось этого достигнуть?

Примерно теми же способами, с помощью которых можно создать сильные магнитные поля,- то есть в первую очередь эффективным охлаждением.

Сейчас на ленинградском заводе "Электросила", харьковском заводе "Электротяжмаш", на Новосибирском турбогенераторном заводе и во многих зарубежных фирмах разработаны очень эффективные системы охлаждения газообразным водородом, водой и трансформаторным маслом. Одна из таких систем для охлаждения водородом изображена на рисунке (на вклейке). Трубки, видимые на рисунке, служат для подвода газообразного водорода, охлаждающего медные проводники. В других системах по аналогичным трубкам с большой скоростью подается вода. Существует множество других систем охлаждения. Особые перспективы открывает охлаждение проводников машины до температуры кипения жидкого гелия, при которой некоторые вещества обладают сверхпроводимостью.

Только благодаря усиленному охлаждению магнитов удалось в том же объеме машины и при сохранении в неприкосновенности конструктивного принципа повысить ее мощность в два десятка раз. Сейчас речь шла о турбогенераторах и гидрогенераторах - самых больших и самых мощных электрических машинах с размерами, измеряемыми десятками метров, и весом, достигающим тысяч тонн.

Давайте теперь перейдем, так сказать, "на левый фланг" электрических машин - в область электрических машин, где магниты даже неловко называть магнитами, до того они крошечные; для таких магнитов самым подходящим словом будет "магнитики". Это и не мудрено, если даже по сравнению с булавочной головкой некоторые из них не кажутся слишком внушительными.

Целый рой миниатюрных электрических машин, многие из которых были меньше наперстка, появился в двадцатых годах. Одним из первых создателей их был американский часовщик Гомез, да и то по злой нужде. Его отец, желая проверить способности сына, до этого учившегося в электротехнической школе, заставил его самого сделать миниатюрный действующий электромотор. Видимо, полагая задачу неразрешимой, он неосмотрительно посулил сыну в случае выполнения его задания дать деньги на путешествие в Испанию. Однако сын оказался настойчивым и по прошествип двух месяцев представил удрученному папаше миниатюрный мотор, приводящий в движение игрушечный лифт. И лифт, и мотор были по размеру чуть больше наперстка.

Моторчик Гомеза просто гигант по сравнению с моторчиками, появившимися в последние годы.

Первым, кто сделал моторчик меньше наперстка, был японец Мацуи Мисиёма. Он в объеме наперстка сумел разместить два магнита сложной формы - статор и ротор, щетки, клеммы, подшипники. Однако этот моторчик был гораздо крупнее моторчика немецкого инженера Капенки. Модель Капенки имела размеры 4*5*7 миллиметров.

Рекорд Капенки вскоре был побит Михаилом Маслюком, живущим на Украине, получившим за свои ювелирные поделки серебряную медаль ВДНХ. Маслюк изготовил электродвигатель весом 0,06 грамма.

Моторчик Маслюка весит в четыре раза больше и занимает в шесть раз больше места, чем моторчик голландского умельца Йозефа д'Эйнса. Габариты этого моторчика 1,5*2*2,2 миллиметра. Все детали моторчика, за исключением тончайшей проволоки и рубиновых часовых подшипников, изготовленных по специальному заказу в Швейцарии, д'Эйнс сделал сам. Моторчик д'Эйнса так же, как и моторчик Маслюка, может найти себе практическое применение в миниатюрном медицинском зонде для анализа желудочного сока. Моторчик проглатывается вместе с зондом и служит его двигателем при продвижении по желудку и даже по кишкам вдоль нейлоновой нити.

Моторчик д'Эйнса - очень большое достижение. Что же тогда сказать о моторчике Николая Сядристого, который в четыре раза меньше макового зернышка? В этом моторчике 15 деталей. И что сказать о новом электродвигателе Михаила Маслюка, который в пятьдесят раз меньше макового зернышка? Магнитики моторчика М. Маслюка - по-видимому, самые маленькие магниты в мире. (Самые маленькие соленоиды в мире - это криотроны - сверхпроводящие элементы вычислительных машин. Их помещается несколько сотен в наперстке.)

Я рассказал сейчас о наиболее употребительных и знакомых всем магнитах - магнитах электрических машин, наиболее прочных бастионах техники. Повторим опять, что уже чуть не сто лет, как их конструкция практически не меняется, и это кажется необычным в наш бурный век, когда за какие-нибудь годы в корне меняются многие представления. А может быть, просто не пришло время нового незнакомца П. М.?

Где вы, таинственный П. М.?

предыдущая главасодержаниеследующая глава










© Злыгостев Алексей Сергеевич, подборка материалов, оцифровка, статьи, оформление, разработка ПО 2001-2019
При копировании материалов проекта обязательно ставить ссылку на страницу источник:
http://physiclib.ru/ 'Библиотека по физике'

Рейтинг@Mail.ru
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной
1500+ квалифицированных специалистов готовы вам помочь