Сидней Уитингтон - История инженерного дела. Важнейшие технические достижения с древних времен до ХХ столетия

Пример тесной взаимосвязи между чистой наукой и инженерией – радиоастрономия. Астрономы XVII века могли использовать тогда появившиеся технические знания о шлифовке стеклянных линз и металлургии, чтобы создавать оптические телескопы, с помощью которых они делали важные открытия. В точности так же астрономы 1940-х годов, используя знания радиотехники применительно к астрономическим радиотелескопам, смогли наблюдать астрономические явления, которые невозможно было обнаружить даже с помощью самых мощных оптических телескопов, настраиваясь на ультракороткие радиоволны, испускаемые разными астрономическими объектами. Электронный микроскоп – другой пример взаимосвязи между чистой наукой и инженерией. Сначала электроника и радиотехника были чистой наукой. А в 1940-х годах микроскописты и астрономы начали использовать открытия в электронике и радиотехнике для создания инструментов, с помощью которых они делали удивительные открытия в чистой науке.

Электродвигатель, если он не снабжен электрической батареей, строго говоря, не является первичным двигателем, поскольку ему нужна энергия из искусственного, а не природного источника. Электричество, форма энергии, или преобразуется механически из природной энергии источника с помощью первичного двигателя, приводящего в действие генератор, или вырабатывается в батарее при посредстве химической реакции. Основные первичные двигатели, сегодня производящие электричество, – это водяные колеса, паровые турбины и двигатели внутреннего сгорания. Атомная энергия – способ заменить топливо.

Важность электрической энергии в ее экономичности и гибкости. Больше нет необходимости, как это было несколько столетий назад, размещать фабрику или промышленный город рядом с рекой, где доступна энергия воды, или вблизи гавани или реки, чтобы иметь воду для конденсаторов. Высоковольтные линии теперь переносят энергию от электростанции на любые расстояния. Электроэнергия передается не только в самые удаленные регионы, но и с гидроэлектростанций, расположенных в труднодоступных местах, в центры населения. Электричество есть в каждом доме и используется для самых разных целей – отопления, вентиляции, охлаждения, снабжения водой, освещения, а также для отдыха и развлечения.

Батарея, сконструированная Алессандро Вольта в 1800 году, являлась главным источником электричества до начала 1870-х годов. Она давала электричество для таких проектов, как ранний телеграф, телефон, железнодорожных сигналов, нанесения гальванических покрытий. Майкл Фарадей открыл фундаментальный принцип электрического генератора в 1831 году, когда обнаружил, что может производить электрический ток, двигая проводник в магнитном поле. В отличие от постоянного тока с проводящего диска вращающаяся проволочная обмотка, двигаясь в магнитном поле, производит только переменный ток. Поскольку в то время не существовало способа использования переменного тока, ученые и изобретатели сконцентрировались на создании генератора постоянного тока. В 1832 году, когда Фарадей опубликовал свое открытие тока, возникающего в медном диске, вращающемся в магнитном поле, француз Ипполит Пикси сконструировал генератор переменного тока, основанный на принципе магнитной индукции Фарадея. Он вращал постоянный магнит в форме подковы в поле электромагнита. В следующем году по предложению Ампера он добавил единичный переключатель – коммутатор для изменения тока, который изменялся при каждом обороте на постоянный ток, текущий всегда в одном направлении. Переключатель находился в контакте со щетками, которые собирали ток, сгенерированный вращением обмотки в магнитном поле.

Рис. 11.3. Генератор Пачинотти, 1863 г.

В Лондоне в 1833–1835 годах три человека сконструировали генераторы с коммутационными устройствами. Это Уильям Ричи, ранее занимавшийся телеграфом, Джозеф Сэкстон и Эдуард М. Кларк. Поколением позже, в 1863 году, молодой итальянский профессор в Пизе Антонио Пачинотти (1841–1912) построил генератор (рис. 11.3), обладавший значительными усовершенствованиями в сравнении с машинами 1830-х годов. Его основной вклад – увеличение количества коммутаторов с двух брусков до множества отдельных брусков, каждый из которых соединен с обмоткой, вращающейся в магнитном поле. Коммутатор Пачинотти дал возможность увеличить количество тока и мощность генератора. Одна черта в проекте Пачинотти была общей с более ранними генераторами: он использовал постоянный магнит для производства магнитного поля. В 1866 году не меньше пяти изобретателей заменили постоянный магнит электромагнитом, состоящим из железного сердечника в обмотке, через которую пропускается ток. Это воистину удивительный пример одновременного изобретения. В Англии Генри Уайлд из Манчестера, очевидно, был первым, кто использовал возбуждение поля. Он получил патент на генератор с отдельным маломощным возбудителем на постоянном магните, установленном на общем валу с генератором. Мозес Г. Фармер из Салема, Массачусетс, и братья Сименс из Берлина в 1866 году также построили самовозбуждающиеся генераторы. То же самое сделали Кромвель Флитвуд Варли из Лондона и Чарльз Уитстоун. Теперь настало время создания практичного генератора для коммерческого использования.

В том же десятилетии, когда начал усовершенствоваться генератор, получили развитие и электродвигатели – благодаря открытиям Фарадея. В 1821 году Фарадей продемонстрировал, что динамическое – или текущее – электричество в проводнике в магнитном поле может создавать продолжительное движение, но только в 1835 году Фрэнсис Уоткинс из Лондона собрал модель первого работающего двигателя. Модель двигателя Уоткинса состояла из стационарных обмоток, окружавших ось, на которой установлен магнитный брусок. Ось имела набор замыкателей, которые направляли ток батареи через последовательные обмотки, заставляя магнит и ось вращаться. В 1837 году Томас Дэвенпорт (1802–1851) из Вермонта построил первый электродвигатель, выполнявший промышленную работу. Первый двигатель Дэвенпорта имел постоянный магнит для создания поля, но последующие он оснастил электромагнитами. Дэвенпорт использовал электродвигатели для сверления железа и стали, а также для обработки древесины в своей мастерской. Его первые двигатели были роторными, но в 1938 году он начал разрабатывать поршневой двигатель, приняв за основу более ранний проект Джозефа Генри. В 1839 году немецкий и русский физик Мориц Герман Якоби (1801–1875) построил и испытал на лодке батарею из 128 элементов, имеющую платиновый и цинковый электроды, чтобы давать энергию двигателю. Лодка Якоби имела гребные колеса, спроектированные Уильямом Робертом Гроувом (1811–1896) из Лондона. Несмотря на щедрую помощь русского царя, испытания показали, что мощность, поставляемая батареей, слишком дорогостоящая даже для экспериментов, и Якоби не стал их продолжать. Большинство изобретателей первых двигателей понимали, что стоимость операции слишком высока, а количество энергии, получаемое от батареи, чрезвычайно ограничено. Высокая стоимость электричества задерживала развитие электродвигателей. Люди не понимали, что двигатели и генераторы могут быть взаимозаменяемыми, пока Пачинотти в 1863 году не построил машину, одинаково эффективную для обеих целей.