Первый в мире электродвигатель

Электроход профессора Якоби

Кратчайшая история электромагнетизма

Электродинамика в своей совокупности теории и практического применения является относительно молодой по историческим меркам отраслью науки и техники. В 1800 году итальянец Алессандро Вольта создал первую батарею – химический источник электричества, а двадцать лет спустя датчанин Ханс Эрстед обнаружил на опыте отклоняющее действие тока на магнитную стрелку.

В 1821 году титан электрофизики Майкл Фарадей описал, как заставить намагниченную стрелку непрерывно вращаться вокруг одного из полюсов стороннего магнита, реализовав преобразование электрической энергии в движение. И хотя электродвигатель Фарадея был первым в истории, все прекрасно понимали, что практического применения у него нет. Маленькая стрелка в компактном кабинетном устройстве не способна была помочь поднять груз или сдвинуть с места железнодорожный состав.

Дальше все пошло быстро. Андре Ампер в 1822 году первым запитал электромагниты постоянным током, а Уильям Стёрджен в 1825-м познакомил мир с обмоткой из толстой медной проволоки, по сути, первой магнитной катушкой. Еще через два года венгр Аньош Иштван Йедлик изобрел генератор постоянного тока, после чего Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию, то есть возникновение электрического тока при движении проводника через магнитное поле.

Первый практический

В 1834 году родившийся в Пруссии русский физик Борис Якоби, с детства интересовавшийся электротехникой, переехал в Кенигсберг (современный Калининград), поближе к местному университету. Его интересовала работа электродвигателей, и университетские библиотеки явно не были лишними в его исследованиях.

В ходе ученых исканий Якоби пришел к выводу, что все существующие двигатели, основанные на качании маятника или возвратно-поступательном движении якоря, были не более чем «забавной игрушкой для кабинетов физики». Сам же ученый хотел создать двигатель, который можно было бы применять на производстве.

«Я с самого начала был проникнут этими мыслями, еще когда я не представлял себе, каким образом мне удастся осуществить свою машину. Я тогда имел в виду практическое ее применение, и задача представлялась мне настолько важной, что я не хотел тратить силы на выдумывание игрушек с возвратно-поступательным движением, которые удостоились бы чести быть поставленными в один ряд с электрическим звонком в отношении их эффекта». Б. С. Якоби

Изначальной идеей Якоби было создать некий аналог парового двигателя, но питающегося от электричества. После ряда опытов он принял решение, что создание подобного невозможно, и переключился на «магнитный аппарат». В 1834 году этот аппарат обрел жизнь.

Первый в мире практически применимый электродвигатель вращал роторный вал мощностью 15 Ватт и мог использоваться для поднятия грузов в 4-6 килограммов на скорости до 30 сантиметров в секунду. По сути, это был первый в истории электрический лифт. Конечно, по сравнению с современными подъемными механизмами его характеристики не кажутся впечатляющими, но нужно учесть, что до изобретения Якоби таких технологий не существовало вовсе.

Электродвигатель Якоби работал на силе притяжения и отталкивания между магнитами. Одни крепились на неподвижную раму статора (1), а другие – на диск вращающегося ротора (3). Электропитание двигатель получал от гальванических батарей (2), а завершал конструкцию коммутатор (4), который менял полярность магнитов на роторе, заставляя их то притягиваться к магнитам статора, то отталкиваться от них. Таким образом подвижные магниты все время находились во вращательном движении. Кстати, принцип работы коммутатора Якоби и по сей день используют при разработке электродвигателей для локомотивов.

Результаты трудов Якоби тут же опубликовали в Парижской академии наук. Его изобретение положительно оценили всемирно известные физики Андре-Мари Ампер и Антуан Беккерель.

Ходовое электричество

После своего первого успеха Якоби получил степень доктора наук и был приглашен профессором в университет Дерпта, входившего тогда в состав Российской империи (ныне это город Тарту в Эстонии). Профессор этого университета астроном Василий Струве вместе со знаменитым электротехником академиком Павлом Шиллингом (создателем первого электромагнитного телеграфа и другом Пушкина) обратили внимание российского правительства на полезность такого двигателя для судостроения. Тогда император Николай I приказал пригласить молодого инженера для работы над электроходом. Якоби переехал в Петербург. Чтобы совместно с силами Академии наук продолжить поиски прикладного применения электродвигателей, русская казна выделила на опыты грант в 50 тысяч рублей. По тем меркам это были немыслимые деньги.

Электроход должен был представлять собой судно, двигающееся за счет электромагнитной силы. Для этого ученому выделили шлюпку, которая была слишком велика для уже существующей модели двигателя. Тогда конструкция была усовершенствована, ее габариты существенно увеличились, а итоговая мощность была в восемь раз выше и составила уже 120 ватт. Увы, этого не хватило, и Якоби пришлось фактически изобрести новый двигатель, применяя лишь некоторые базовые принципы постройки старого.

Четыре десятка таких аппаратов были соединены с винтами электрохода с помощью параллельных валов, и уже в 1838 году стартовали полноценные испытания первого в мире электрохода. Питали двигатели триста двадцать цинко-платиновых гальванических элементов весом в две сотни килограмм. Общая мощность привода составила 550 Ватт. Четырнадцать пассажиров со скоростью чуть больше 3 км/ч барражировали по Неве в общей сложности 1 час и прошли против ветра и течения реки около 7 километров.

Результат испытаний был признан феноменальным успехом во всем мировом научном сообществе. Сам Майкл Фарадей прислал письмо, в котором поблагодарил русских ученых за изобретение электродвигателя и выразил надежду на то, что скоро аналогичные аппараты можно будет установить на океанских лайнерах.

Вскоре аналогичный электродвигатель был применен в качестве привода для рельсовой тележки. Это открытие стало прообразом будущих трамваев, троллейбусов, электропоездов и электромобилей. Позже, уже в XX веке, появились мощные гребные электроустановки, способные приводить в движение большие судна. Мечта Фарадея все же исполнилась благодаря усилиям русских физиков.

Привычная фантастика

Создав первые в мире практико-применимый электродвигатель и электроход, русские ученые задали невиданные темпы развития технологий по всему миру. Их исключительный гений повлиял на десятки ученых по всей планете и прославил Россию как страну с самой передовой наукой. Якоби и его коллеги первыми рассмотрели применение электродвигателя с точки зрения инженеров-практиков, при его создании воплотив три ключевые идеи, получившие дальнейшее развитие во всемирной электротехнике: вращательное движение якоря в электродвигателе, наличие коммутатора с трущимися контактами и использование магнитов в подвижной и неподвижной частях электродвигателя. Спустя 50 лет с появлением в мире более простых и дешевых электробатарей паровые машины окончательно ушли в прошлое, уступив место электрическим.

Сегодня электродвигатели отправляют в плавание лайнеры и баржи водоизмещением в тысячи тонн и разгоняют автомобили до 100 км/ч менее чем за 3 секунды. Они применяются в тяжелой промышленности и в приводах роботов, исследующих поверхность Марса.

Удивительно и то, как много приборов, без которых мы совершенно не можем обойтись в жизни, окружают нас сегодня. Но давайте попробуем представить нашу жизнь без них. Что если в наших домах вдруг не станет миксеров и дрелей, фенов и пылесосов, систем вентиляции и вытяжки на кухнях, стиральных и посудомоечных машин, без холодильников и кондиционеров, работающих благодаря элетрокомпрессорам. Что если у улиц пропадут трамваи, троллейбусы и ставшие уже почти привычными электромобили и электробусы? Как вариант, еще можно представить огромные неподъемные аналоги этих устройств и транспорта, работающие на паровой тяге. Этакое погружение в мир стимпанка среди остальных технологий, сообразных современности.

К счастью, место этим фантазиям – на страницах научно-фантастических романов. Актуальная же реальность восхитительно удобна, компактна и во многом безопасна благодаря открытиям российских инженеров – физиков, работавших не покладая рук с конца позапрошлого века и до наших дней.