Никто не будет спорить — мы живём в мире, полном электродвигателей. Без этих неутомимых тружеников невозможны были бы лифты, троллейбусы, стиральные машины, пылесосы, дрели, музыкальные центры, компьютеры… всего и не перечислишь. А также автомобили, корабли, самолёты, поскольку на какой тяге они бы ни работали, электродвигатели есть и на всех этих машинах, а также и на многих других. Словом, к электродвигателям, большим и крошечным, относиться надо с должным уважением.
Вот и припомним, как и когда электродвигатель появился на свет и как стал работником на все руки. Наверное, не каждый знает, что помог ему в этом… другой электродвигатель…
Дата его рождения может, пожалуй, удивить: оказывается, электродвигателю-прадедушке уже почти два века. Инженерная мысль вплотную подошла к его созданию в 30-х годах XIX столетия, и появился он в России при императоре Николае I. Но этому, конечно, предшествовал целый ряд последовательных открытий, когда учёные всё дальше и дальше проникали в тайны электричества и магнетизма.
В 1820 году, например, датский физик Ханс Кристиан Эрстед впервые наглядно убедился в том, что между магнитными и электрическими явлениями существует прямая связь. Учёный подметил: если вблизи стрелки компаса протекает электрический ток, получаемый из химического источника (гальванические элементы были известны уже в конце XVIII века), стрелка отклоняется. Вскоре, заинтересовавшись открытием Эрстеда, французский учёный Доминик-Франсуа Араго сделал другое: при помощи электрического тока можно намагничивать сталь. А ещё один француз-исследователь, Андре-Мари Ампер, открыл взаимодействие электрических токов: оказалось, что они способны взаимно притягиваться или, наоборот, отталкиваться.
Все эти открытия позволили изготовить первые в истории электромагниты, которые представляли собой «подковы» из мягкого железа, обмотанные изолированной медной проволокой. Когда через неё пропускали ток, железные «подковы» становились мощными магнитами, способными удерживать груз, почти в сотню раз тяжелее их собственного веса. Однако дело поначалу ограничивалось опытами, и практического применения в технике электромагниты не находили.
Как бы то ни было, человек уже научился превращать электричество в магнетизм. А Майкл Фарадей, знаменитый английский физик, сразу задался вопросом: можно ли наоборот превращать магнетизм в электричество? Поставив множество самых разнообразных опытов, в 1831 году Фарадей сделал важнейшее открытие: если к металлу-проводнику приближать и удалять от него магнит, в проводнике возникает электрический ток. Сам же опыт, позволивший сделать этот вывод, проходил так: Фарадей брал катушку изолированной медной проволоки и быстро воодил внутрь катушки магнитный стержень. При этом движении по проволоке проходил ток. Когда магнит выходил из катушки, вновь возникал ток, но уже обратного направления.
Это удивительное явление получило название «магнитной индукции». Первое, что приходит в голову: на его основе можно построить машину, вырабатывающую, как и химические гальванические элементы, электрический ток. Подобные машины действительно стали появляться одна за другой. Все они были построены по одному типу: между полюсами сильных магнитов с помощью какой-нибудь механической силы — надо понимать, вручную — вращались катушки изолированной проволоки. Возникающие в них токи попеременных направлений специальные устройства — коммутаторы — преобразовывали в постоянный ток одного направления. Но эти первые генераторы были, конечно, очень маломощны и никак не могли заменить гальванические элементы в качестве источника электричества.
Зато учёные стали задумываться и о том, можно ли путём преобразования магнитной энергии в механическую создать двигатель нового типа — электрический. Это привело к созданию машин, которые окрестили «электрическими вертушками». Они состояли из неподвижного электромагнита, над которым помещался магнит, укреплённый на оси. Когда в подковообразный электромагнит поступал прерывающийся ток, магнит, перемещающийся от полюса к полюсу согласно «явлению Эрстеда», начинал вращаться с большой скоростью.
Вот в таких незатейливых «вертушках» и увидел прототип своего будущего электродвигателя русский физик Борис Семёнович Якоби. Он был сконструирован в конце 30-х годов XIX столетия и отличался удивительной простотой и лёгкостью: состоял из двух систем электромагнитов, одна из которых вращалась, а другая была неподвижной.
Сам изобретатель описывал свою конструкцию так: «Аппарат состоит из двух групп по восемь стержней мягкого железа. Обе группы стержней располагаются на двух дисках под прямым к ним углом и симметрично одна по отношению к другой таким образом, чтобы полюса приходились один против другого. Один из дисков вращается вокруг некоторой оси, лагодаря чему группа подвижных стержней проходит мимо группы неподвижных на возможно близком расстоянии от них. Все шестнадцать стержней обмотаны медной проволокой. Концы обмоток соединяются с полюсами гальванической батареи. Масса вращающейся части машины даёт весьма значительную живую силу».
Очень удачно Якоби сконструировал и коммутатор, осуществляющий быструю перемену полюсов. Построенный электродвигатель работал так хорошо, что изобретатель решился предложить его для практического использования — вращения гребного винта небольшого судна.
Однако испытания оказались неудачными. Маломощные гальванические батареи, несмотря на их огромное количество, быстро стали иссякать. Члены специально созданной учёной комиссии пришли к выводу: опыты профессора Якоби хоть и способствуют познанию загадочных явлений электромагнетизма, но для немедленного практического использования построенный им электродвигатель не годится. Правильнее, правда, сказать, что этого не могли обеспечить очень тяжёлые и маломощные гальванические батареи…
И всё-таки электродвигатель профессора Якоби ожидало большое будущее. А самым подходящим источником питания для него, в конце концов, точно такой же электродвигатель.
Дело в том, что уже в 40-х годах XIX столетия другой русский учёный — Э.Х. Ленц установил полное тождество между электродвигателем и электрогенератором. Это означало, что конструкция Якоби, если приводить её в движение какой-нибудь механической силой, хотя бы паровой машиной, превращалась в генератор, источник электрического тока. Причём, неиссякаемый источник, в отличие от гальванических батарей. Таким образом, с помощью электрогенератора системы профессора Якоби можно было вырабатывать ток и по проводам подавать его к электродвигателю системы профессора Якоби.
После этого открытия интерес к электродвигателю снова возрос, и неспроста. Ведь перед царившей тогда повсюду паровой машиной он имел много преимуществ. Тут и простота, и отсутствие многих трущихся частей, отчего двигатель почти не подвергался изнашиванию, и бесшумность, и безопасность…
Многие люди в дальнейшем потрудились над совершенствованием электродвигателя, впервые созданного Якоби. В длинном списке изобретателей немцы Штерер и Сименс, англичанин Уайльд, итальянец Пачинотти. Вернеру Сименсу вдобавок принадлежит заслуга первопроходца в области практического применения электродвигателя.
В 1879 году Сименс продемонстрировал на промышленной выставке в Берлине электровоз, тянувший за собой по узколейке длиной в триста метров три вагончика. Мощность электродвигателя составляла всего 13 лошадиных сил, однако поезд был рассчитан на семьдесят восемь пассажиров и развивал скорость до семи километров в час. Провод для питания электродвигателя был проложен в рельсах. Ток вырабатывал генератор, вращаемый паровым двигателем.
«Электрическая» железная дорога пользовалась на выставке большим успехом. Это убедило Сименса в том, что у неё большое будущее. Через несколько лет он открыл первую электрическую дорогу длиной около трёх километров, соединяющую Берлин с пригородным местечком Лихтерфельде. По ней двигался электрический трамвай. Электродвигатель, размещённый под полом, опять-таки питался током от провода, проложенного в рельсах.
Так, с электровоза и трамвая, началось победное шествие электрического двигателя, который завоёвывал себе всё новые области применения.
