Тесла вращающееся магнитное поле – Исследовательская работа по теме «Катушка Тесла и демонстрация невероятных свойств электромагнитного поля катушки Тесла «

Содержание

Гений электричества и пиара | Наука и жизнь

Выдающийся изобретатель Никола Тесла, в честь которого, как признание его заслуг, названа единица магнитной индукции, в последние годы сделался объектом весьма странных фантазий и откровенных мистификаций. Чего стоит, например, прошедший не так давно на российском телевизионном экране фильм «Никола Тесла — властелин мира». Интерес к Тесле в России и российская «тесламания» неслучайны. Никола Тесла — славянин, серб, да ещё и православный, по этой причине у нас его почему-то считают практически «своим». Хотя родился изобретатель на территории будущей Хорватии, входившей в состав Австро-Венгрии, а две трети жизни провёл в США, где и сделал свои основные открытия. В особых пристрастиях к православию он отмечен не был и с бὁльшим основанием может считаться всё-таки просто американцем.

Никола Тесла (1856 — 1943)

Высоковольтные трансформаторы на испытательной станции. Фото Алексея Флоринского.

Трансформатор Теслы — устройство, позволившее получать токи высокого напряжения и высокой частоты. Напряжение на выходе могло достигать нескольких миллионов вольт.

Башня Теслы на Лонг-Айленде просуществовала до 1917 года, после чего была разрушена из опасений, что её могут использовать германские шпионы.

Из Австро-Венгрии к электричеству

Никола появился на свет в 1856 году, причём, согласно его мемуарам и к вящему удовольствию мистиков, в ночь полнолуния. Всякие странные истории (рассказанные им самим) приключались с ним и позже. Например, после нелепой смерти обожаемого старшего брата (он упал с лошади) мальчик убежал в горы и провёл ночь в чьём-то склепе на кладбище. В 1875 году он поступил в техническое училище, а до того, согласно всё тем же мемуарам, поучаствовал в войне против турок — ещё одна странность, поскольку в те годы Австро-Венгрия с Турцией не воевала. Через три года он покинул Высшее техническое училище в Граце, причём слову «покинул» разные биографы Теслы придают совершенно различный смысл: «закончил», «отчислен за аморальное поведение» и «кончились деньги на обучение». Впрочем, Билл Гейтс тоже окончил только два курса Гарварда.

Потом та же история произошла с пражским Карловым университетом, где Тесла проучился всего год. Собственно, отсутствием фундаментального образования и объясняются все причуды и неудачи Теслы в будущем XX веке. А пока он устроился работать электриком, проводил телефонные кабели в Будапеште и в 1882 году совершил (пока только в уме) своё самое главное открытие — придумал вращающееся магнитное поле. В сущности, он изобрёл, хотя ещё и не изготовил, электродвигатель переменного тока и соответственно обратные устройства — генераторы, которые потом будут исправно выдавать переменный электрический ток на Ниагарской ГЭС. Но это произойдёт уже в Америке, куда Тесла в 1884 году уедет без гроша в кармане.

В тогдашних Северо-Американских Соединённых Штатах изобретатель работает у самого Эдисона, настойчиво убеждая его в преимуществах переменного тока перед постоянным, который только и использует Эдисон в своих изобретениях. Неминуемая ссора, как пишут биографы, из-за невыплаченных ему Эдисоном денег заставила Теслу уволиться от скаредного американца и открыть своё дело. Впрочем, бизнес не пошёл, и лишь в 1888 году Тесла продал промышленнику Вестингаузу два десятка своих патентов. В том же году разразилась так называемая война токов между Теслой с его переменным током и Эдисоном с его постоянным. Победил, как известно, Никола Тесла, и с тех пор все основные устройства используют именно этот вид тока. На долю Эдисона достались лишь аккумуляторы для автомобилей и подводных лодок да ещё карманные фонарики.

Великое вращение

Тесла неслучайно добивался признания преимуществ переменного тока — ведь именно на нём должен был работать придуманный им электродвигатель, а вырабатывать переменный ток должен был его же генератор. В 1882 году он только додумался до идеи вращающегося магнитного поля, первый патент был получен шестью годами позже. Вот как описывает это событие третье издание Большой советской энциклопедии: «В 1888 г. Т. (независимо от Г. Феррари и несколько ранее его) дал строгое научное описание явления вращающегося магнитного поля». Кто же такой этот Феррари? И вообще, были ли у Теслы конкуренты, оспаривавшие его приоритет в открытии тех явлений, которые теперь принято связывать только с именем Теслы?

Были и много. Причём практически в те же годы, когда он создавал, а потом и запатентовал своё открытие. Подобно Эдисону, Теслу скорее следует называть изобретателем, а не учёным — никакого нового физического явления он не открыл, хотя и придумал, как можно использовать уже известное и «дал строгое научное описание» этого явления. Открыл же «магнетизм вращения» Доминик Араго ещё в 1824 году, когда обнаружил, что немагнитный медный диск под воздействием вращающегося магнита начинает вращаться. Между прочим, сам магнит вращался просто рукой экспериментатора.

И вот именно в размышлениях о сути этого явления родилась великая идея Теслы о вращающемся магнитном поле, которая заключалась в том, что нужно заменить медный диск витками обмотки электродвигателя, а вращающийся магнит — вращающимся магнитным полем. Тесла придумал подавать на обмотки магнитных полюсов переменный ток со сдвигом по фазе. Чередование фаз вызывает в обмотке попеременное образование северного и южного магнитного полюсов, что, собственно, и означает вращение магнитного поля. Это поле заставляет вращаться ротор двигателя. Оставалось лишь построить источник двухфазного тока (двухфазный генератор) и двухфазный электродвигатель, что Тесла вскоре и сделал, выбрав в качестве величины сдвига фаз 90 градусов. В то время ему не пришла мысль о сдвиге в 120 градусов. Трёхфазных генераторов и электродвигателей он не создал.

Опыт Араго был объяснён в 1831 году Майклом Фарадеем, открывшим электромагнитную индукцию. В 1879 году английский физик Уолтер Бейли видоизменил опыт таким образом, что сам оказался на полшага от открытия вращающегося магнитного поля. Он расставил четыре электромагнита вокруг медного диска, насаженного почти без трения на медную же ось, и последовательно, по часовой стрелке подавал на них напряжение — постоянный ток от гальванических элементов. В сущности, он создавал прерывистое перемещающееся магнитное поле, и диск исправно вращался. Однако Бейли опубликовал результаты эксперимента в малоизвестном издании, видным учёным не демонстрировал, и этот опыт остался незамеченным.

Были и другие. Лидер французских электротехников Марсель Депре в 1883 году доказал возможность создания поворачивающегося магнитного поля путём наложения двух магнитных потоков одинаковой частоты, но сдвинутых по фазе на 90 градусов. Эта схема предназначалась автором для навигационных целей. Реализована она тогда не была, но сейчас применяется в сельсинных устройствах, передающих крутящий момент без механического контакта непосредственно магнитным потоком.

Но самое важное событие в деле уточнения приоритета Никола Теслы произошло весной 1888 года, на два месяца раньше публикации основных патентов изобретателя. В марте профессор Промышленного музея Галилео Феррарис (именно так, с «с» на конце писали его фамилию, ориентируясь на итальянское написание Ferraris) выступил перед общим собранием Туринской академии наук с докладом о бесколлекторном (то есть без выпрямителя) электродвигателе переменного тока, построенном на принципе вращающегося магнитного поля. Феррарис нашёл условия, при которых в однофазной цепи возникали два переменных тока, сдвинутых по фазе. Он построил несколько лабораторных моторчиков с искусственной второй фазой, которые развивали ничтожную мощность в 3 ватта при скорости вращения до 900 оборотов в минуту. В том же году в мае Тесла показывал в сотни раз более мощные двигатели. Справедливости ради нужно сказать, что если патенты серба были опубликованы через два месяца после лекции Феррариса, то заявки на них были поданы ещё в октябре 1887 года.

Не обошлось и без участия российских учёных. Текст лекции Феррариса прочёл Михаил Осипович Доливо-Добровольский, работавший в немецкой компании AEG (как видим, утечка умов за рубеж происходила и тогда), и тут же придумал трёхфазный электродвигатель и генератор, передачу тока по трём, а не шести проводам из дорогой меди. Кстати, сам Доливо-Добровольский всегда признавал приоритет Теслы.

Настоящие изобретения

Следующим замечательным изобретением, хотя вновь не открытием, было использование свечения различных объектов в высокочастотном электрическом поле. Само явление известно ещё с конца XVIII века, но Тесла поставил его «на поток» и в 1891 году демонстрировал яркое свечение вакуумированных колб и трубок в поле, создаваемом тесловским же трансформатором. В числе первых он описал свечение биологических объектов в высокочастотном поле, причём в качестве одного из таких объектов выступал он сам. Впоследствии этот эффект использовали некие отечественные «супруги Кирлиан», которые всерьёз были уверены — и об этом до сих пор талдычат множество эзотериков, — что обнаружили «ауру», испускаемую исключительно живыми объектами. Тесла не виноват в широком распространении этого безграмотного бреда.

Никола Тесла является и автором, пусть не единственным, ещё нескольких выдающихся изобретений. Так, он самостоятельно открыл радиосвязь, хотя и неизвестно, раньше или позже Попова и Маркони. Впрочем, радиосвязь представляет собой практическое применение электромагнитных волн, открытых Герцем, а кому первому в голову пришла идея использовать эти волны для передачи информации, сейчас выяснить невозможно. Зато точно известно, что мачтовую антенну Тесла придумал раньше других. Хотя самый революционный эпизод в истории радио — передачу сигнала из Европы в Америку через Атлантический океан — осуществил всё же Маркони. Причём неумышленно подложил при этом Тесле свинью: Тесла принял этот сигнал, но, будучи уверенным, что через километровый горб воды между Европой и Америкой (из-за кривизны Земли) радиоволны пройти не могут, решил, что получил сигнал от обитателей Марса. К сожалению, он многократно и многословно рассказывал об этом журналистам, давая повод коллегам к серьёзной печали о состоянии его рассудка.

Радиоуправляемые лодки и даже подлодки также придумал, сконструировал, запатентовал и демонстрировал Тесла. И даже предлагал использовать их для диверсий на море. Однако через несколько месяцев после демонстраций не он, а некий вице-адмирал Фиску сумел запатентовать собственную радиоуправляемую торпеду. Некоторые биографы приписывают Тесле и создание механического осциллятора — генератора механических колебаний ультразвуковой частоты. Попутно он предложил идею эхолота, но, как это уже неоднократно случалось, здесь он был не единственным, да и идею не реализовал.

Тесламания

Теперь самое время рассказать о якобы реализованных, но законспирированных изобретениях великого сербо-американца, о которых до сих пор пишутся десятки статей и книг. Чего стоят одни названия — «Повелитель Вселенной», «Повелитель молний», «Безумец, опередивший своё время», «Никола Тесла. Человек из будущего», «Никола Тесла и его дьявольское оружие», «Тесла и сверхсекретные проекты Пентагона». Не скрою, автор этой статьи тоже написал книжку про великого Теслу, точнее, про тесламанию — «Никола Тесла. Ложь и правда о великом изобретателе» (Яуза, ЭКСМО, 2009).

Самой выдающейся в мистическом отношении конструкцией изобретателя тесламаны считают так называемую башню в местечке Уорденклиф на острове Лонг-Айленд (сейчас это пригород Нью-Йорка). Надо сказать, что эта башня была действительно построена Теслой, причём на деньги всем известной «акулы капитализма» Дж. П. Моргана. У «акулы» было хобби: он увлекался парусным спортом и обожал следить за яхтенными соревнованиями, которые проводились неподалёку от Лонг-Айленда в Атлантическом океане. Но не настолько близко, чтобы за участниками можно было наблюдать хотя бы в бинокль. Поэтому он захотел получать информацию о ходе соревнований по радио, заказав Тесле построить радиомачту для радиообмена с яхтами. Тесле были выданы умопомрачительные по тем временам деньги — 100 тысяч долларов, что соответствует сегодняшним примерно 2 миллионам. Честно говоря, простецкую радиоантенну можно было бы построить и подешевле.

Но не таков Тесла, чтобы развлекаться гонками корабликов. Он решил превратить башню в беспроволочный передатчик энергии через земной шар. Никола почему-то считал, что электричество находится где-то внутри земного шара и стоит только как-то его подтолкнуть, и оно «рванёт» в нужную точку. В данном случае — вырвется наружу около острова Амстердам в Индийском океане. Ох и дорого же стоили Тесле и его авторитету эти странные представления! Для начала Морган, узнав о замысле Теслы, обозлился и категорически отказал ему в дополнительном финансировании, прикрыл весь проект и в дальнейшем на все униженные просьбы Теслы отвечал с высокомерным негодованием. Пару раз башня, похожая больше всего на юный подосиновик чудовищных размеров: маленькая круглая шляпка на конусообразной толстой ножке высотой 60 метров, — всё же поработала, но просто в качестве источника электрических разрядов. После чего была законсервирована. Её начинку в 1903 году описали за долги. В 1917 году башню и вовсе снесли из-за опасений передачи сообщений с неё на немецкие подводные лодки. Шла Первая мировая война, а Тесла, будучи не от мира сего, неоднократно и неосторожно рассказывал о своих деловых контактах с Германией.

Обратим внимание на год прекращения строительства и консервации уорденклифской башни — 1903-й. Это очень важно, потому что следующим великим экспериментом, который приписывают Тесле, является падение Тунгусского метеорита (сейчас-то мы знаем, что это была ледяная комета). Так вот, говорят нам тесламаны, ничто никуда не падало, а просто Тесла с этой самой башни стрельнул для проверки своих теорий электричеством в район Подкаменной Тунгуски. По другой версии, Тесла собирался осветить небосвод Роберту Пири, пробиравшемуся в арктической темноте к Северному полюсу.

Чтобы закрыть эту тему, напомним, что падение тунгусского тела произошло 30 июня 1908 года, а Роберт Пири отправился на полюс 20 февраля 1909 года. Сам Никола Тесла в это время занимался проектированием паровых и газовых турбин — тоже, кстати, безрезультатно. И время от времени грустно бродил вокруг недоступной ему башни, запертой на большой амбарный замок.

Мы уже упоминали про приём Теслой сигналов с Марса, которые оказались впоследствии передачей Маркони радиосигнала «точка-точка-точка» из Европы в Америку. Тесла принял этот сигнал, находясь в своей лаборатории в Колорадо-Спрингс. Это было ещё до Уорденклифа, но и там Тесла занимался электрическими разрядами с целью образования стоячих волн в теле Земли и передачи энергии на расстояние. В результате сжёг генератор местной электростанции, из Колорадо-Спрингc уехал, оставив напоследок местным интеллектуалам статью «Говоря с планетами» о своих переговорах с марсианами. Надо отметить, что «Аэлита» Алексея Толстого в этом смысле гораздо увлекательнее.

Ещё одно мифическое изобретение Теслы — механический осциллятор, или генератор механических колебаний. Тесла действительно соорудил такой несложный приборчик и заметил, что при его работе начинают дрожать в резонанс некоторые конструкции в лаборатории. Подобные генераторы ультразвуковых колебаний широко используются и сейчас, например для резки металлов и очистки изделий от коррозии. Существуют даже миниатюрные ультразвуковые стиральные машинки, правда, видимо, из-за малой мощности они не способны отстирать даже носовой платок. А вот Тесла, имея под рукой генератор примерно такого же размера и явно ненамного большей эффективности, уверял, что запросто может разрушить Бруклинский мост. И с помощью журналистов распространил слухи, что однажды он случайно разгромил таким образом собственную лабораторию и едва не всё здание. Но знаем мы об этом только с его слов — подтверждения со стороны полиции отсутствуют. Тесла, вероятно, первый в современной истории гений пиара среди учёных, он даже утверждал, что запросто может расколоть Землю, попав в резонанс с собственными колебаниями земной коры с периодичностью 1 час 49 минут, и все тесламаны в это верят. Увы, изобретатель с незаконченным высшим ничего не знал ни про мощность колебаний, ни про их так называемую добротность, ни про то, что у Земли не один период собственных колебаний, а множество, целый спектр. Разумеется, ничего Тесла не сломал и сломать не мог.

Дьявол таится в деталях

Больше всего тесламаны пугают мирное население «дьявольским оружием» Теслы. Это вот что такое. В начале XX века, а потом в начале 40-х в возрасте 84 лет изобретатель стращал журналистов своим новым изобретением. Он обещал направить в ионосферу тонкий, но жутко мощный пучок неких частиц или волн, которые эту ионосферу нагреют так, что она испепелит находящегося под ней противника. Вообще-то такого рода установки существуют, их называют нагревными стендами, но никогда не используют на полную мощность, во-первых, из-за непредсказуемости последствий для самих экспериментаторов и, во-вторых, из-за полной бессмысленности таких экспериментов. В России, разумеется, нашлось доброе количество депутатов Госдумы, которые уличили в использовании дьявольского оружия гадкую Америку и потребовали разобраться с американской метео-станцией на Аляске под названием «Арфа». Разбираться никто, конечно, не стал, но депутатский пиар состоялся, и депутаты вернулись к повседневной работе — созданию законов, которые невозможно исполнять.

И уж совсем напрасно Тесле приписывают авторство «Филадельфийского эксперимента». Якобы в 1943 году хитроумные установки на эсминце «Элдридж» создали такие электромагнитные поля, что всю эту конструкцию световые волны огибали и эсминец стал невидимым. Затем почему-то мгновенно переместился вместе со всеми членами экипажа на пару сотен километров. «Произошло» это вскоре после смерти Теслы, бумаги которого якобы были присвоены ЦРУ (созданным, правда, лишь через четыре года после смерти изобретателя) и использованы в военных целях. Давным-давно доказано, что никакого эксперимента не было (и быть не могло). Эсминец «Элдридж» был тогда не в том месте, и, вообще, всё это придумано одним полуграмотным моряком, который увидел, как корабль обматывают медной проволокой — вполне реальный способ размагничивания корпуса, чтобы не взорваться на магнитной мине.

А насчёт бумаг Теслы… Сейчас все они находятся в белградском Музее Теслы, сотрудники которого время от время публикуют эти записки и дневники, но благоразумно, не сразу все, иначе после окончательного крушения мифа о дьявольских, опередивших время изобретениях НиколыТеслы могут остаться без работы.

3.5. ОТКРЫТИЕ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ И СОЗДАНИЕ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

3.5. ОТКРЫТИЕ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ И СОЗДАНИЕ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Начало современного этапа в развитии электротехники относится к 90-м годам XIX столетия, когда решение комплексной энергетической проблемы вызвало к жизни электропередачу и электропривод. Электрификация началась тогда, когда оказалось возможным строить крупные электрические станции в местах, богатых первичными ресурсами, объединять их работу на общую сеть и снабжать электроэнергией любые центры и объекты электропотребления.

Техническая сторона электрификации заключалась в разработке многофазных систем, из которых практика сделала выбор в пользу системы трехфазной. Наиболее важными и во всяком случае новыми элементами трехфазной системы были электродвигатели, действие которых основано на использовании явления вращающегося магнитного поля.

Ранее упоминался опыт Д.Ф. Араго, в котором диск и вращающийся магнит отражали только возможность осуществления асинхронного электродвигателя с вращающимся магнитным полем. Однако это поле создавалось не неподвижным устройством, каким в современных машинах является статор, а вращающимся магнитом.

Рис. 3.9. Прибор Бейли 

Долгое время явление, открытое Д.Ф. Араго, не находило практического применения. Только в 1879 г. английский ученый Уолтер Бейли сконструировал прибор (рис. 3.9), в котором пространственное перемещение магнитного поля осуществлялось с помощью неподвижного устройства —: путем поочередного намагничивания четырех расположенных по периферии круга электромагнитов. Намагничивание производилось импульсами постоянного тока, посылаемыми в обмотки электромагнитов специально приспособленным для этого коммутатором. Полярность верхних концов стержней изменялась в определенной последовательности так, что через восемь переключений коммутатора магнитный поток изменял свое направление в пространстве на 360°. Над полюсами электромагнитов, как и в опытах Д.Ф. Араго, был подвешен медный диск. У. Бейли указывал, что при бесконечно большом числе электромагнитов можно было бы обеспечить равномерное вращение магнитного поля. Прибор У. Бейли не нашел никакого применения. Тем не менее он был некоторым связующим звеном между опытом Д.Ф. Араго и более поздними исследованиями. С позиций сегодняшнего дня представляется крайне простым осуществление вращающегося магнитного поля в установке У. Бейли или в подобном приборе иной конструкции путем питания электромагнитов синусоидальными токами с различными начальными фазами. Однако в 80-х годах XIX столетия на это ушло несколько лет работы и поисков многих ученых, среди которых были Марсель Депре, разработавший в 1883 г. систему синхронной связи двух движений, изобретатель репульсионного двигателя американский ученый Илайю Томсон (1853–1937 гг.), американский электротехник Чарльз Бредли, немецкий инженер Фредерик Хазельвандер (1859–1932 гг.) и др. В связи с этим интересно привести фразу И. Томсона: «Трудно составить такую комбинацию из магнитов переменного тока и кусков меди, которая не имела бы тенденции к вращению». История открытия вращающегося магнитного поля и многофазных систем до крайности запутана. В 90-е годы XIX в. прошли многие судебные процессы, на которых разные фирмы, скупившие патенты изобретателей, пытались утвердить свои права на многофазные системы. Только американская фирма «Вестингауз» провела более 25 судебных процессов.

Рис. 3.10. К пояснению открытия Феррариса 

Однако исчерпывающие и получившие наибольшую известность экспериментальные и теоретические исследования вращающегося магнитного поля выполнили независимо друг от друга выдающиеся ученые итальянец Галилео Феррарис (1847–1897 гг.) и серб Никола Тесла (1856–1943 гг.) [1.6; 3.6; 3.7].

Г. Феррарис утверждал, что суть явления вращающегося магнитного поля он осознал еще в 1885 г., но доклад «Электродинамическое вращение, произведенное с помощью переменных токов» он сделал в Туринской академии (членом которой он состоял с 1880 г.) 18 марта 1888 г.

Н. Тесла в своей автобиографии рассказывал, что идея двухфазного асинхронного двигателя родилась у него еще в 1882 г., когда он работал в Будапештской телеграфной компании. Гуляя в парке с другом, он, осененный идеей, тростью сделал на песке набросок принципа, который изложил шесть лет спустя на конференции в американском Институте электроинженеров. Доклад в этом институте состоялся 16 мая 1888 г., т.е. на два месяца позднее доклада Г. Феррариса. Но первую заявку на получение патента на многофазные системы Н. Тесла подал еще 12 октября 1887 г, т.е. ранее выступления Г. Феррариса.

Остановимся сначала на работе Г. Феррариса, исходя не из приоритетных соображений, а из того, что в его работе дан более обстоятельный теоретический анализ, и еще потому, что именно перевод доклада Г. Феррариса в английском журнале попал в свое время в руки М.О. Доливо-Добровольскому и вызвал первый импульс в серии последующих замечательных изобретений.

Рис. 3.11. Модель двигателя Феррариса 

Г. Феррарис умел в очень ясной форме объяснять трудные физические процессы. Вот как им было объяснено явление вращающегося магнитного поля. Рассмотрим показанную на рис. 3.10 пространственную диаграмму, на которой ось х представляет собой положительное направление вектора магнитной индукции, создаваемой одной из катушек, а ось у — положительное направление поля другой катушки. Для момента времени, когда одна магнитная индукция в точке О изображается отрезком ОА, а другая — ОБ, суммарная результирующая магнитная индукция изобразится отрезком OR. При изменении ОА и OB точка R перемещается по кривой, форма которой определяется законами изменений во времени двух полей. Если две напряженности магнитного поля имеют одинаковые амплитуды и сдвинуты по фазе на четверть периода, то геометрическим местом точки R станет окружность. Налицо вращение магнитного поля. Если фазу одной из напряженностей магнитного поля или возбуждающего его тока изменить на 180°, то изменится и направление вращения результирующего магнитного поля. Если поместить в это магнитное поле снабженный валом и подшипниками медный цилиндр, то он будет вращаться. Позднее асинхронные двигатели с полым ротором в виде медного стакана получили название двигателей Феррариса.

Но как получить два переменных тока, сдвинутых один относительно другого по фазе? Г. Феррарис предложил метод «расщепления фаз», при котором искусственным путем создавался сдвиг по фазе при включении в цепь двух взаимно перпендикулярно расположенных катушек фазосмещающих устройств. На рис. 3.11 показан внешний вид модели двухфазного асинхронного двигателя, хранящейся в музее г. Турина, директором которого до конца жизни был Г. Феррарис.

Г. Феррарисом был сделан существенный вклад в теорию переменных токов. В 1886 г. в своем труде «О разности фаз у токов, о запаздывании вследствие индукции и о потерях в трансформаторе» он впервые рассматривает разность фаз токов в первичной и вторичной обмотках трансформаторов, а также дает методы расчета потерь на гистерезис и вихревые токи. В 1898 г. был опубликован его фундаментальный труд «Научные основания электротехники», вскоре переведенный на русский язык.

Н. Тесла, один из самых известных и плодовитых ученых в области электротехники, начинавший свою научную карьеру в 80-х годах XIX в., получил только в области многофазных систем 41 патент. Некоторое время Н. Тесла работал в Эдисоновской компании в Париже (1882–1884 гг.), а затем переехал в США. В 1888 г. все свои патенты по многофазным системам Н. Тесла продал главе известной фирмы Д. Вестингаузу, который в своих планах развития техники переменного тока сделал ставку на работы Н. Теслы. Впоследствии Н. Тесла много внимания уделял технике высоких частот (трансформатор Теслы) и идее передачи электроэнергии без проводов. Интересная деталь: при решении вопроса о стандартизации промышленной частоты, а диапазон предложений был от 25 до 133 Гц, Н. Тесла решительно высказался за принятую им для своих опытных установок частоту 60 Гц. Тогда отказ инженеров Вестингауза от предложения Н. Теслы послужил начальным импульсом для ученого, решившего расстаться с Вестингаузом. Но вскоре именно эта частота была принята в США в качестве стандартной.

В патентах Н. Теслы были описаны различные варианты многофазных систем. В отличие от Г. Феррариса Н. Тесла полагал, что токи следует получать от многофазных источников, а не пользоваться фазосмещающими устройствами. Утверждая, что двухфазная система, являясь минимальным вариантом системы многофазной, окажется и наиболее экономичной, Н. Тесла, а вслед за ним и фирма «Вестингауз», основное внимание сосредоточили именно на этой системе.

Схематически система Н. Теслы в ее наиболее характерной форме представлена на рис. 3.12, слева изображен синхронный генератор, справа — асинхронный двигатель. В генераторе между полюсами вращались две взаимно перпендикулярные катушки в которых генерировались два тока, сдвинутые по фазе на 90°. Концы каждой катушки были выведены на кольца, расположенные на валу генератора (на чертеже для ясности эти кольца имеют различные диаметры). Ротор двигателя имел обмотку в виде двух расположенных под прямым углом одна к другой замкнутых на себя катушек.

Основным недостатком двигателя Н. Тесла, который впоследствии сделал его неконкурентоспособным, было наличие выступающих полюсов с сосредоточенной обмоткой. Эти двигатели имели большое магнитное сопротивление и крайне неблагоприятное распределение намагничивающей силы вдоль воздушного зазора, что приводило к ухудшению характеристик машины. Таковы были следствия механического переноса в технику переменного тока конструктивных схем машины постоянного тока.

Конструкция обмотки ротора, как выяснилось позднее, тоже оказалась неудачной. Действительно, выполнение обмоток сосредоточенными (а не распределенными по всей окружности ротора) при выступающих полюсах на статоре приводило к ухудшению пусковых условий двигателя (зависимость пускового момента от начального положения ротора), а то обстоятельство, что обмотки ротора имели сравнительно большое сопротивление, ухудшало рабочие характеристики.

Рис. 3.12. Конструктивные схемы генератора и двигателя Тесла 

Неудачным оказался и выбор двухфазной системы токов из всех возможных многофазных систем. Известно, что значительную долю стоимости установки для передачи электроэнергии составляют затраты на линейные сооружения и, в частности, на линейные провода. В связи с этим казалось очевидным, что чем меньше принятое число фаз, тем меньше будет число проводов и тем, следовательно, экономичнее устройство электропередачи. Двухфазная система требовала применения четырех проводов, а удвоение числа проводов по сравнению с установками постоянного или однофазного переменного токов представлялось нежелательным. Поэтому Н. Тесла предлагал в некоторых случаях применять в двухфазной системе трехпроводную линию, т.е. делать один провод общим. В этом случае число проводов уменьшалось до трех. Однако расход металла на провода при этом снижался меньше, чем можно было ожидать, так как сечение общего провода должно было быть примерно в 1,5 раза (точнее, в ?2 раз) больше сечения каждого из двух других проводов.

Встретившиеся экономические и технические трудности задерживали внедрение двухфазной системы в практику. Фирма «Вестингауз» построила несколько станций по этой системе, из которых наибольшей по масштабам была Ниагарская гидроэлектростанция.

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

Лабораторная работа №4 (часть 2) История развития электротехники.

Изобретение и становление многофазных систем.

Цель работы: знакомство с историей изобретения многофазных систем, с творческим путем наиболее выдающихся ученых и инженеров, внесших вклад в открытие вращающегося магнитного поля, изобретение асинхронного двигателя, способов получения многофазных систем.

Основные этапы изучения электрических и магнитных явлений, разработки

электротехнических устройств

Ученые, исследовавшие электричество и магнетизм, электротехники, изобретатели, конструкторы электротехнических устройств

Контрольные вопросы

Использованная литература

Завершение работы

Основные этапы изучения электрических и магнитных явлений, разработки электротехнических устройств

1. Открытие вращающегося магнитного поля

5. Первая трехфазная сеть

и создание асинхронного электродвигателя

 

2. Разработка

 

трехфазной системы

6. Становление трехфазных систем

и трехфазных асинхронных двигателей

 

3. Развитие электрического привода

7. Возникновение районных электростанций

4. Начало применения

8. Появление энергетических систем

электроэнергии на транспорте

 

1.Открытие вращающегося магнитного поля

исоздание асинхронного электродвигателя

Над созданием двигателя переменного тока несколько лет работали ряд ученых. В 1879 г. английский ученый Уолтер Бейли сконструировал прибор, в котором пространственное перемещение магнитного поля осуществлялось с помощью неподвижного устройства — путем поочередного намагничивания четырех расположенных по окружности электромагнитов. Намагничивание производилось импульсами постоянного тока, посылаемыми в обмотки электромагнитов специально приспособленным для этого коммутатором. Полярность верхних концов стержней изменялась в определенной последовательности так, что магнитный поток изменял свое направление в пространстве на 360°. Над полюсами электромагнита, как и в опытах Д.Ф. Араго, был подвешен медный диск. У. Бейли указывал, что при бесконечно большом числе электромагнитов можно было бы обеспечить равномерное вращение магнитного поля.

Прибор У. Бейли не нашел никакого применения, но был связующим звеном между опытом Д.Ф. Араго и более поздними исследованиями

Прибор Бейли

1.Открытие вращающегося магнитного поля

исоздание асинхронного электродвигателя

Первым этапом в создании двигателя переменного тока стало открытие вращающегося магнитного поля. Над этим работали Марсель Депре, американский ученый Илайю Томсон (1853—1937 гг.), американский электротехник Чарльз Бредли, немецкий инженер Фредерик Хазельвандер (1859—1932 гг ) и др.

Исчерпывающие и получившие наибольшую известность экспериментальные и теоретические исследования вращающегося магнитного поля выполнили независимо друг от друга выдающиеся ученые итальянец Галилео Феррарис (1847—1897 гг ) и серб Никола Тесла (1856—1943 гг.).

Г. Феррарис утверждал, что суть явления вращающегося магнитного поля он осознал еще в 1885 г , но доклад «Электродинамическое вращение, произведенное с помощью переменных токов» он сделал в Туринской академии (членом которой он состоял с 1880 г.) 18 марта 1888 г. Перевод доклада Г. Феррариса в английском журнале попал в свое время в руки М.О. Доливо-Добровольскому и вызвал первый импульс в серии последующих замечательных изобретений.

Н. Тесла в своей автобиографии рассказывал, что идея двухфазного асинхронного двигателя родилась у него еще в 1882 г., когда он работал в Будапештской телеграфной компании. Шесть лет спустя, 16 мая 1888 г. на конференции в американском Институте электроинженеров он сделал доклад, т.е. на два месяца позднее доклада Г. Феррариса, но первую заявку на получение патента на многофазные системы Н. Тесла подал еще 12 октября 1887 г , т.е. ранее выступления Г. Феррариса. Н. Тесла, один из самых известных и плодовитых ученых в области электротехники, начинавший свою научную карьеру в 80-х годах XIX в., получил только в области многофазных систем 41 патент. Некоторое время Н. Тесла работал в Эдисоновской компании в Париже (1882—1884 гг.), а затем переехал в США. В 1888 г все свои патенты по многофазным системам Н. Тесла продал главе известной фирмы Д. Вестингаузу, который в своих планах развития техники переменного тока сделал ставку на работы Н. Теслы. Впоследствии Н. Тесла много внимания уделял технике высоких частот (трансформатор Теслы) и идее передачи электроэнергии без проводов. Интересная деталь: при решении вопроса о стандартизации промышленной частоты, а диапазон предложений был oт 25 до 133 Гц, Н. Тесла решительно высказался за принятую им для своих опытных установок частоту 60 Гц. Первоначально инженеры Вестингауза от предложения Н. Теслы отказались, но вскоре именно эта частота была принята в США в качестве стандартной.

В патентах Н. Теслы были описаны различные варианты многофазных систем. В отличие от Г. Феррариса Н. Тесла полагал, что токи следует получать от многофазных источников, а не пользоваться фазосмещающими устройствами. Утверждая, что двухфазная система, являясь минимальным вариантом системы многофазной, окажется и наиболее экономичной, Н. Тесла, а вслед за ним и фирма «Вестингауз», основное внимание сосредоточили именно на этой системе. Однако встретившиеся экономические и технические трудности задерживали внедрение двухфазной системы в практику. Фирма «Вестингауз» построила несколько станций по этой системе, из которых наибольшей по масштабам была Ниагарская гидроэлектростанция.

1.Открытие вращающегося магнитного поля

исоздание асинхронного электродвигателя

Установка для демонстрации образования вращающегося магнитного поля по системе Тесла. Дар Николы Теслы Политехническому музею

Открытие вращающегося магнитного поля Феррарисом. Двигатель Феррариса (дополнительная информация)

Г.Феррарис умел в очень ясной форме объяснять трудные физические процессы. Вот как им было объяснено явление вращающегося магнитного поля. Рассмотрим показанную на пространственную диаграмму, на которой ось

хпредставляет собой положительное направление вектора магнитной индукции, создаваемой одной из катушек, а ось у — положительное

направление поля другой катушки. Для момента времени, когда одна магнитная индукция в точке О изображается отрезком ОА, а другая — ОВ, суммарная результирующая магнитная индукция изобразится отрезком OR. При изменении ОА и ОВ точка R перемещается по кривой, форма которой определяется законами изменений во времени двух полей. Если две

напряженности магнитного поля имеют одинаковые амплитуды и сдвинуты по фазе на четверть периода, то геометрическим местом точки R станет окружность. Налицо вращение магнитного поля. Если фазу одной из напряженностей магнитного поля или возбуждающего его тока изменить на 180°, то изменится и направление вращения результирующего магнитного поля. Если поместить в это магнитное поле снабженный валом и подшипниками медный цилиндр, то он будет вращаться. Позднее асинхронные двигатели с полым ротором в виде медного стакана получили название двигателей Феррариса.

Но как получить два переменных тока, сдвинутых один относительно другого по фазе? Г. Феррарис предложил метод «расщепления фаз», при котором искусственным путем создавался сдвиг по фазе при включении в цепь двух взаимно перпендикулярно расположенных катушек фазосмещающих устройств. На рис. показан внешний вид модели двухфазного асинхронного двигателя, хранящейся в музее г. Турина, директором которого до конца жизни был Г. Феррарис.

Г.Феррарисом был сделан существенный вклад в теорию переменных токов. В 1886 г в своем труде «О разности фаз у токов, о запаздывании вследствие индукции и о потерях в трансформаторе» он впервые рассматривает разность фаз токов в первичной и вторичной обмотках трансформаторов, а также дает методы расчета потерь на гистерезис и вихревые токи. В 1898 г был опубликован его фундаментальный труд «Научные основания электротехники», вскоре переведенный на русский язык.

К пояснению открытия Феррариса

Модель двигателя Феррариса

Двухфазная система и асинхронный двигатель Н. Тесла. (дополнительная информация)

Схематически система Н. Теслы представлена на рис. слева изображен синхронный генератор, справа — асинхронный двигатель. В генераторе между полюсами вращались две взаимно перпендикулярные катушки в которых генерировались два тока, сдвинутые по фазе на 90°. Концы каждой катушки были выведены на кольца, расположенные на валу генератора (на чертеже для ясности эти кольца имеют различные диаметры). Ротор двигателя имел обмотку в виде двух расположенных под прямым углом одна к другой замкнутых на себя катушек.

Конструкция двигателя оказалась неудачной, что сказалось на его характеристиках и пусковых свойствах. Неудачным оказался и выбор двухфазной системы токов из всех возможных многофазных систем. Известно, что значительную долю стоимости установки для передачи электроэнергии составляют затраты на линейные сооружения и, в частности, на линейные провода. В связи с этим казалось очевидным, что чем меньше принятое число фаз, тем меньше будет число проводов и тем, следовательно, экономичнее устройство электропередачи. Двухфазная система требовала применения четырех проводов, а удвоение числа проводов по сравнению с установками постоянного или однофазного переменного токов представлялось нежелательным. Поэтому Н. Тесла предлагал в некоторых случаях применять в двухфазной системе трехпроводную линию, т.е. делать один провод общим. В этом случае число проводов уменьшалось до трех. Однако расход металла на провода при этом снижался меньше, чем можно было ожидать, так как сечение общего провода должно было быть примерно в 1,5 раза (точнее, в раз) больше сечения каждого из д2вух других проводов.

Конструктивные схемы генератора и двигателя Н.Тесла

2. Разработка трехфазной системы и трехфазных асинхронных двигателей

В то время как Н. Тесла и его сотрудники пытались усовершенствовать двухфазную систему, в Европе была разработана более совершенная электрическая система — трехфазная.

Наибольших успехов в развитии многофазных систем добился Михаил Осипович Доливо-Добровольский, который сумел придать своим работам практический характер. Поэтому он по праву считается основоположником техники трехфазных систем.

М.О. Доливо-Добровольский изобрел трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым и фазным ротором, трехфазный трансформатор, предложил способ получения трехфазной системы и обосновал преимущества трехфазной системы по сравнению с двухфазной

В 80—90-х годах XIX в. значительное место в электропотреблении занимала осветительная нагрузка, которая часто вносила существенную несимметрию в систему. Кроме того, иногда потребителю было желательно иметь в своем распоряжении не одно, а два напряжения: одно — для осветительной нагрузки, другое, повышенное,

— для силовой.

Чтобы можно было регулировать напряжение в отдельных фазах и располагать двумя напряжениями в системе (фазным и линейным), М.О. Доливо-Добровольский разработал в 1890 г четырехпроводную схему трехфазной цепи, или, иначе, систему с нейтральным проводом. Одновременно он указал, что вместо нейтрального, или нулевого, провода можно использовать землю.

Таким образом, в течение 2—3 лет были конструктивно разработаны все основные элементы трехфазной системы электроснабжения; трансформатор, трехпроводная и четырехпроводная линии передачи и асинхронный двигатель в двух его основных модификациях (с фазным и короткозамкнугым ротором). Из всех возможных конструкций многофазных синхронных генераторов, принцип построения которых был уже известен, получили широкое применение только трехфазные машины. Так зародилась и подучила свое начальное развитие трехфазная система электрического тока. Решающую роль в ее зарождении и развитии сыграли труды М.О. Доливо-Добровольского.

М.О. Доливо-Добровольский рекомендовал принять в качестве основной формы кривой тока синусоиду. В отношении частоты тока он высказался за 30—40 Гц. Позднее в результате критического отбора получили применение лишь две частоты промышленного тока: 60 Гц в США и 50 Гц в других странах. Эти частоты оказались оптимальными, ибо повышение частоты ведет к чрезмерному возрастанию частоты вращения электрических машин (при том же числе полюсов), а ее снижение неблагоприятно сказывается на равномерности освещения.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором М.О. Доливо-Добровольского (дополнительная информация)

Осенью 1888 г М.О. Доливо-Добровольский прочел доклад Г. Феррариса о вращающемся магнитном поле и был крайне удивлен его выводом о практической непригодности «индукционного» электродвигателя.. «Я тотчас же сказал себе, — вспоминал позднее М.О. Доливо-Добровольский, — что если сделать вращающееся магнитное поле по методу Г. Феррариса и поместить в него короткозамкнутый якорь малого сопротивления, то этот якорь скорее сам сгорит, чем будет вращаться с небольшим числом оборотов. Мысленно я прямо представил себе электродвигатель многофазного тока». Так М.О. Доливо- Добровольский пришел к выводу о целесообразности изготовления обмотки ротора с малым сопротивлением.

Усиленная деятельность в этом направлении привела к разработке трехфазной электрической системы и совершенной, в принципе не изменившейся до настоящего времени, конструкции асинхронного электродвигателя.

Первым важным шагом, который сделал М.О. Доливо- Добровольский, было изобретение ротора с обмоткой в виде беличьего колеса. Для уменьшения сопротивления обмотки ротора лучшим конструктивным решением мог быть ротор в виде медного цилиндра, как в двигателе Г. Феррариса. Но медь является плохим проводником для магнитного поля статора, и КПД такого двигателя был бы очень низким. Если же медный цилиндр заменить стальным, то магнитный поток резко возрастает. Однако электрическая проводимость у стали меньше, чем у меди. М.О. Доливо-Добровольский нашел блестящее решение — выполнить ротор в виде стального цилиндра (что уменьшало магнитное сопротивление ротора) и в просверленные по периферии последнего каналы закладывать медные стержни (что уменьшает электрическое сопротивление ротора). На лобовых частях ротора эти стержни должны быть хорошо электрически соединены.

Варианты ротора с обмоткой в виде беличьего колеса (из патента

Доливо-Добровольскою): 1 — стальной цилиндр; 2 — медные стержни;

3 — медные пластины или кольца

ТОП-5 научных открытий Николы Теслы — Рамблер/новости

В день рождения великого изобретателя, 10 июля, «ВМ» вспомнила его достижения, без которых современная наука была бы немыслима. Николу Теслу называют «человеком, который изобрёл XX век». Его личность рождала множество мифов и легенд.

Ученый широко известен благодаря своему вкладу в создание устройств, работающих на переменном токе, многофазных систем и электродвигателя, позволивших совершить так называемый второй этап промышленной революции. Также он известен как сторонник существования эфира.

— Радио

За 10 лет до того, как Маркони получил патент на радио, Тесла показал принципы работы радиоприемника. В 1943 году, когда умер Тесла, верховный суд принял решение о том, что патент на радио не принадлежит Маркони. Но несмотря на это, большая часть источников намеренно не упоминает имя Теслы вместе с радио. Нужно заметить, что радио Маркони не передавало звук, а только сигналы. А Тесла намного раньше продемонстрировал передачу звука.

В 1891 году на публичной лекции Тесла описал и продемонстрировал принципы радиосвязи. В 1893 году вплотную занялся вопросами беспроволочной связи и изобрёл мачтовую антенну.

— Способ хранения и передачи света

В 1893 году Никола Тесла на всемирной выставке, проходившей в 1893 году в Чикаго, продемонстрировал беспроводное освещение люминесцентными лампами. В 1894 году Никола Тесла зажёг без проводов фосфорную лампу накаливания в лаборатории на Пятой авеню, а позже в лаборатории на Хаустон-стрит в Нью-Йорке с помощью «электродинамической индукции», то есть посредством беспроводной резонансной взаимоиндукции.

— Теория полей (вращающееся магнитное поле)

В 1888 году Тесла дал строгое научное описание сути явления вращающегося магнитного поля. В том же году Тесла получил свои основные патенты на изобретение многофазных электрических машин (в том числе асинхронного электродвигателя) и системы передачи электроэнергии посредством многофазного переменного тока.

Вращающееся магнитное поле — поле, вектор магнитной индукции которого, не изменяясь по модулю, вращается с постоянной угловой скоростью.

Вращающееся магнитное поле создаётся двумя или более пульсирующими магнитными полями одинаковой частоты, но сдвинутыми друг относительно друга по фазе и в пространстве.

Применяется в синхронных и асинхронных машинах.

Видео дня. Как маленькой москвичке удалось сбежать от маньяка

Читайте также

Никола Тесла — гений электричества и пиара ≪ Scisne?

Никола Тесла (1856-1943)

Никола Тесла (1856-1943)

Выдающийся изобретатель Никола Тесла, в честь которого, как признание его заслуг, названа единица магнитной индукции, в последние годы сделался объектом весьма странных фантазий и откровенных мистификаций. Чего стоит, например, прошедший не так давно на российском телевизионном экране фильм «Никола Тесла — властелин мира». Интерес к Тесле в России и российская «тесламания» неслучайны. Никола Тесла — славянин, серб, да ещё и православный, по этой причине у нас его почему-то считают практически «своим». Хотя родился изобретатель на территории будущей Хорватии, входившей в состав Австро-Венгрии, а две трети жизни провёл в США, где и сделал свои основные открытия. В особых пристрастиях к православию он отмечен не был и с бὁльшим основанием может считаться всё-таки просто американцем.

Из Австро-Венгрии к электричеству


Никола появился на свет в 1856 году, причём, согласно его мемуарам и к вящему удовольствию мистиков, в ночь полнолуния. Всякие странные истории (рассказанные им самим) приключались с ним и позже. Например, после нелепой смерти обожаемого старшего брата (он упал с лошади) мальчик убежал в горы и провёл ночь в чьём-то склепе на кладбище. В 1875 году он поступил в техническое училище, а до того, согласно всё тем же мемуарам, поучаствовал в войне против турок — ещё одна странность, поскольку в те годы Австро-Венгрия с Турцией не воевала. Через три года он покинул Высшее техническое училище в Граце, причём слову «покинул» разные биографы Теслы придают совершенно различный смысл: «закончил», «отчислен за аморальное поведение» и «кончились деньги на обучение». Впрочем, Билл Гейтс тоже окончил только два курса Гарварда.

Потом та же история произошла с пражским Карловым университетом, где Тесла проучился всего год. Собственно, отсутствием фундаментального образования и объясняются все причуды и неудачи Теслы в будущем XX веке. А пока он устроился работать электриком, проводил телефонные кабели в Будапеште и в 1882 году совершил (пока только в уме) своё самое главное открытие — придумал вращающееся магнитное поле. В сущности, он изобрёл, хотя ещё и не изготовил, электродвигатель переменного тока и соответственно обратные устройства — генераторы, которые потом будут исправно выдавать переменный электрический ток на Ниагарской ГЭС. Но это произойдёт уже в Америке, куда Тесла в 1884 году уедет без гроша в кармане.

В тогдашних Северо-Американских Соединённых Штатах изобретатель работает у самого Эдисона, настойчиво убеждая его в преимуществах переменного тока перед постоянным, который только и использует Эдисон в своих изобретениях. Неминуемая ссора, как пишут биографы, из-за невыплаченных ему Эдисоном денег заставила Теслу уволиться от скаредного американца и открыть своё дело. Впрочем, бизнес не пошёл, и лишь в 1888 году Тесла продал промышленнику Вестингаузу два десятка своих патентов. В том же году разразилась так называемая война токов между Теслой с его переменным током и Эдисоном с его постоянным. Победил, как известно, Никола Тесла, и с тех пор все основные устройства используют именно этот вид тока. На долю Эдисона достались лишь аккумуляторы для автомобилей и подводных лодок да ещё карманные фонарики.

Великое вращение


Тесла неслучайно добивался признания преимуществ переменного тока — ведь именно на нём должен был работать придуманный им электродвигатель, а вырабатывать переменный ток должен был его же генератор. В 1882 году он только додумался до идеи вращающегося магнитного поля, первый патент был получен шестью годами позже. Вот как описывает это событие третье издание Большой советской энциклопедии: «В 1888 г. Т. (независимо от Г. Феррари и несколько ранее его) дал строгое научное описание явления вращающегося магнитного поля». Кто же такой этот Феррари? И вообще, были ли у Теслы конкуренты, оспаривавшие его приоритет в открытии тех явлений, которые теперь принято связывать только с именем Теслы?

Были и много. Причём практически в те же годы, когда он создавал, а потом и запатентовал своё открытие. Подобно Эдисону, Теслу скорее следует называть изобретателем, а не учёным — никакого нового физического явления он не открыл, хотя и придумал, как можно использовать уже известное и «дал строгое научное описание» этого явления. Открыл же «магнетизм вращения» Доминик Араго ещё в 1824 году, когда обнаружил, что немагнитный медный диск под воздействием вращающегося магнита начинает вращаться. Между прочим, сам магнит вращался просто рукой экспериментатора.

Высоковольтные трансформаторы на испытательной станции. Фото Алексея Флоринского.

Высоковольтные трансформаторы на испытательной станции. Фото Алексея Флоринского.


И вот именно в размышлениях о сути этого явления родилась великая идея Теслы о вращающемся магнитном поле, которая заключалась в том, что нужно заменить медный диск витками обмотки электродвигателя, а вращающийся магнит — вращающимся магнитным полем. Тесла придумал подавать на обмотки магнитных полюсов переменный ток со сдвигом по фазе. Чередование фаз вызывает в обмотке попеременное образование северного и южного магнитного полюсов, что, собственно, и означает вращение магнитного поля. Это поле заставляет вращаться ротор двигателя. Оставалось лишь построить источник двухфазного тока (двухфазный генератор) и двухфазный электродвигатель, что Тесла вскоре и сделал, выбрав в качестве величины сдвига фаз 90 градусов. В то время ему не пришла мысль о сдвиге в 120 градусов. Трёхфазных генераторов и электродвигателей он не создал.

Опыт Араго был объяснён в 1831 году Майклом Фарадеем, открывшим электромагнитную индукцию. В 1879 году английский физик Уолтер Бейли видоизменил опыт таким образом, что сам оказался на полшага от открытия вращающегося магнитного поля. Он расставил четыре электромагнита вокруг медного диска, насаженного почти без трения на медную же ось, и последовательно, по часовой стрелке подавал на них напряжение — постоянный ток от гальванических элементов. В сущности, он создавал прерывистое перемещающееся магнитное поле, и диск исправно вращался. Однако Бейли опубликовал результаты эксперимента в малоизвестном издании, видным учёным не демонстрировал, и этот опыт остался незамеченным.

Были и другие. Лидер французских электротехников Марсель Депре в 1883 году доказал возможность создания поворачивающегося магнитного поля путём наложения двух магнитных потоков одинаковой частоты, но сдвинутых по фазе на 90 градусов. Эта схема предназначалась автором для навигационных целей. Реализована она тогда не была, но сейчас применяется в сельсинных устройствах, передающих крутящий момент без механического контакта непосредственно магнитным потоком.

Трансформатор Теслы — устройство, позволившее получать токи высокого напряжения и высокой частоты. Напряжение на выходе могло достигать нескольких миллионов вольт.

Трансформатор Теслы — устройство, позволившее получать токи высокого напряжения и высокой частоты. Напряжение на выходе могло достигать нескольких миллионов вольт.


Но самое важное событие в деле уточнения приоритета Никола Теслы произошло весной 1888 года, на два месяца раньше публикации основных патентов изобретателя. В марте профессор Промышленного музея Галилео Феррарис (именно так, с «с» на конце писали его фамилию, ориентируясь на итальянское написание Ferraris) выступил перед общим собранием Туринской академии наук с докладом о бесколлекторном (то есть без выпрямителя) электродвигателе переменного тока, построенном на принципе вращающегося магнитного поля. Феррарис нашёл условия, при которых в однофазной цепи возникали два переменных тока, сдвинутых по фазе. Он построил несколько лабораторных моторчиков с искусственной второй фазой, которые развивали ничтожную мощность в 3 ватта при скорости вращения до 900 оборотов в минуту. В том же году в мае Тесла показывал в сотни раз более мощные двигатели. Справедливости ради нужно сказать, что если патенты серба были опубликованы через два месяца после лекции Феррариса, то заявки на них были поданы ещё в октябре 1887 года.

Не обошлось и без участия российских учёных. Текст лекции Феррариса прочёл Михаил Осипович Доливо-Добровольский, работавший в немецкой компании AEG (как видим, утечка умов за рубеж происходила и тогда), и тут же придумал трёхфазный электродвигатель и генератор, передачу тока по трём, а не шести проводам из дорогой меди. Кстати, сам Доливо-Добровольский всегда признавал приоритет Теслы.

Настоящие изобретения


Следующим замечательным изобретением, хотя вновь не открытием, было использование свечения различных объектов в высокочастотном электрическом поле. Само явление известно ещё с конца XVIII века, но Тесла поставил его «на поток» и в 1891 году демонстрировал яркое свечение вакуумированных колб и трубок в поле, создаваемом тесловским же трансформатором. В числе первых он описал свечение биологических объектов в высокочастотном поле, причём в качестве одного из таких объектов выступал он сам. Впоследствии этот эффект использовали некие отечественные «супруги Кирлиан», которые всерьёз были уверены — и об этом до сих пор талдычат множество эзотериков, — что обнаружили «ауру», испускаемую исключительно живыми объектами. Тесла не виноват в широком распространении этого безграмотного бреда.

Никола Тесла является и автором, пусть не единственным, ещё нескольких выдающихся изобретений. Так, он самостоятельно открыл радиосвязь, хотя и неизвестно, раньше или позже Попова и Маркони. Впрочем, радиосвязь представляет собой практическое применение электромагнитных волн, открытых Герцем, а кому первому в голову пришла идея использовать эти волны для передачи информации, сейчас выяснить невозможно. Зато точно известно, что мачтовую антенну Тесла придумал раньше других. Хотя самый революционный эпизод в истории радио — передачу сигнала из Европы в Америку через Атлантический океан — осуществил всё же Маркони. Причём неумышленно подложил при этом Тесле свинью: Тесла принял этот сигнал, но, будучи уверенным, что через километровый горб воды между Европой и Америкой (из-за кривизны Земли) радиоволны пройти не могут, решил, что получил сигнал от обитателей Марса. К сожалению, он многократно и многословно рассказывал об этом журналистам, давая повод коллегам к серьёзной печали о состоянии его рассудка.

Радиоуправляемые лодки и даже подлодки также придумал, сконструировал, запатентовал и демонстрировал Тесла. И даже предлагал использовать их для диверсий на море. Однако через несколько месяцев после демонстраций не он, а некий вице-адмирал Фиску сумел запатентовать собственную радиоуправляемую торпеду. Некоторые биографы приписывают Тесле и создание механического осциллятора — генератора механических колебаний ультразвуковой частоты. Попутно он предложил идею эхолота, но, как это уже неоднократно случалось, здесь он был не единственным, да и идею не реализовал.

Тесламания


Теперь самое время рассказать о якобы реализованных, но законспирированных изобретениях великого сербо-американца, о которых до сих пор пишутся десятки статей и книг. Чего стоят одни названия — «Повелитель Вселенной», «Повелитель молний», «Безумец, опередивший своё время», «Никола Тесла. Человек из будущего», «Никола Тесла и его дьявольское оружие», «Тесла и сверхсекретные проекты Пентагона». Не скрою, автор этой статьи тоже написал книжку про великого Теслу, точнее, про тесламанию — «Никола Тесла. Ложь и правда о великом изобретателе» (Яуза, ЭКСМО, 2009).

Самой выдающейся в мистическом отношении конструкцией изобретателя тесламаны считают так называемую башню в местечке Уорденклиф на острове Лонг-Айленд (сейчас это пригород Нью-Йорка). Надо сказать, что эта башня была действительно построена Теслой, причём на деньги всем известной «акулы капитализма» Дж. П. Моргана. У «акулы» было хобби: он увлекался парусным спортом и обожал следить за яхтенными соревнованиями, которые проводились неподалёку от Лонг-Айленда в Атлантическом океане. Но не настолько близко, чтобы за участниками можно было наблюдать хотя бы в бинокль. Поэтому он захотел получать информацию о ходе соревнований по радио, заказав Тесле построить радиомачту для радиообмена с яхтами. Тесле были выданы умопомрачительные по тем временам деньги — 100 тысяч долларов, что соответствует сегодняшним примерно 2 миллионам. Честно говоря, простецкую радиоантенну можно было бы построить и подешевле.

Башня Теслы на Лонг-Айленде просуществовала до 1917 года, после чего была разрушена из опасений, что её могут использовать германские шпионы.

Башня Теслы на Лонг-Айленде просуществовала до 1917 года, после чего была разрушена из опасений, что её могут использовать германские шпионы.


Но не таков Тесла, чтобы развлекаться гонками корабликов. Он решил превратить башню в беспроволочный передатчик энергии через земной шар. Никола почему-то считал, что электричество находится где-то внутри земного шара и стоит только как-то его подтолкнуть, и оно «рванёт» в нужную точку. В данном случае — вырвется наружу около острова Амстердам в Индийском океане. Ох и дорого же стоили Тесле и его авторитету эти странные представления! Для начала Морган, узнав о замысле Теслы, обозлился и категорически отказал ему в дополнительном финансировании, прикрыл весь проект и в дальнейшем на все униженные просьбы Теслы отвечал с высокомерным негодованием. Пару раз башня, похожая больше всего на юный подосиновик чудовищных размеров: маленькая круглая шляпка на конусообразной толстой ножке высотой 60 метров, — всё же поработала, но просто в качестве источника электрических разрядов. После чего была законсервирована. Её начинку в 1903 году описали за долги. В 1917 году башню и вовсе снесли из-за опасений передачи сообщений с неё на немецкие подводные лодки. Шла Первая мировая война, а Тесла, будучи не от мира сего, неоднократно и неосторожно рассказывал о своих деловых контактах с Германией.

Обратим внимание на год прекращения строительства и консервации уорденклифской башни — 1903-й. Это очень важно, потому что следующим великим экспериментом, который приписывают Тесле, является падение Тунгусского метеорита (сейчас-то мы знаем, что это была ледяная комета). Так вот, говорят нам тесламаны, ничто никуда не падало, а просто Тесла с этой самой башни стрельнул для проверки своих теорий электричеством в район Подкаменной Тунгуски. По другой версии, Тесла собирался осветить небосвод Роберту Пири, пробиравшемуся в арктической темноте к Северному полюсу.

Чтобы закрыть эту тему, напомним, что падение тунгусского тела произошло 30 июня 1908 года, а Роберт Пири отправился на полюс 20 февраля 1909 года. Сам Никола Тесла в это время занимался проектированием паровых и газовых турбин — тоже, кстати, безрезультатно. И время от времени грустно бродил вокруг недоступной ему башни, запертой на большой амбарный замок.

Мы уже упоминали про приём Теслой сигналов с Марса, которые оказались впоследствии передачей Маркони радиосигнала «точка-точка-точка» из Европы в Америку. Тесла принял этот сигнал, находясь в своей лаборатории в Колорадо-Спрингс. Это было ещё до Уорденклифа, но и там Тесла занимался электрическими разрядами с целью образования стоячих волн в теле Земли и передачи энергии на расстояние. В результате сжёг генератор местной электростанции, из Колорадо-Спрингc уехал, оставив напоследок местным интеллектуалам статью «Говоря с планетами» о своих переговорах с марсианами. Надо отметить, что «Аэлита» Алексея Толстого в этом смысле гораздо увлекательнее.

Ещё одно мифическое изобретение Теслы — механический осциллятор, или генератор механических колебаний. Тесла действительно соорудил такой несложный приборчик и заметил, что при его работе начинают дрожать в резонанс некоторые конструкции в лаборатории. Подобные генераторы ультразвуковых колебаний широко используются и сейчас, например для резки металлов и очистки изделий от коррозии. Существуют даже миниатюрные ультразвуковые стиральные машинки, правда, видимо, из-за малой мощности они не способны отстирать даже носовой платок. А вот Тесла, имея под рукой генератор примерно такого же размера и явно ненамного большей эффективности, уверял, что запросто может разрушить Бруклинский мост. И с помощью журналистов распространил слухи, что однажды он случайно разгромил таким образом собственную лабораторию и едва не всё здание. Но знаем мы об этом только с его слов — подтверждения со стороны полиции отсутствуют. Тесла, вероятно, первый в современной истории гений пиара среди учёных, он даже утверждал, что запросто может расколоть Землю, попав в резонанс с собственными колебаниями земной коры с периодичностью 1 час 49 минут, и все тесламаны в это верят. Увы, изобретатель с незаконченным высшим ничего не знал ни про мощность колебаний, ни про их так называемую добротность, ни про то, что у Земли не один период собственных колебаний, а множество, целый спектр. Разумеется, ничего Тесла не сломал и сломать не мог.

Дьявол таится в деталях


Больше всего тесламаны пугают мирное население «дьявольским оружием» Теслы. Это вот что такое. В начале XX века, а потом в начале 40-х в возрасте 84 лет изобретатель стращал журналистов своим новым изобретением. Он обещал направить в ионосферу тонкий, но жутко мощный пучок неких частиц или волн, которые эту ионосферу нагреют так, что она испепелит находящегося под ней противника. Вообще-то такого рода установки существуют, их называют нагревными стендами, но никогда не используют на полную мощность, во-первых, из-за непредсказуемости последствий для самих экспериментаторов и, во-вторых, из-за полной бессмысленности таких экспериментов. В России, разумеется, нашлось доброе количество депутатов Госдумы, которые уличили в использовании дьявольского оружия гадкую Америку и потребовали разобраться с американской метео-станцией на Аляске под названием «Арфа». Разбираться никто, конечно, не стал, но депутатский пиар состоялся, и депутаты вернулись к повседневной работе — созданию законов, которые невозможно исполнять.

И уж совсем напрасно Тесле приписывают авторство «Филадельфийского эксперимента». Якобы в 1943 году хитроумные установки на эсминце «Элдридж» создали такие электромагнитные поля, что всю эту конструкцию световые волны огибали и эсминец стал невидимым. Затем почему-то мгновенно переместился вместе со всеми членами экипажа на пару сотен километров. «Произошло» это вскоре после смерти Теслы, бумаги которого якобы были присвоены ЦРУ (созданным, правда, лишь через четыре года после смерти изобретателя) и использованы в военных целях. Давным-давно доказано, что никакого эксперимента не было (и быть не могло). Эсминец «Элдридж» был тогда не в том месте, и, вообще, всё это придумано одним полуграмотным моряком, который увидел, как корабль обматывают медной проволокой — вполне реальный способ размагничивания корпуса, чтобы не взорваться на магнитной мине.

А насчёт бумаг Теслы… Сейчас все они находятся в белградском Музее Теслы, сотрудники которого время от время публикуют эти записки и дневники, но благоразумно, не сразу все, иначе после окончательного крушения мифа о дьявольских, опередивших время изобретениях НиколыТеслы могут остаться без работы.

Появление электродвигателей переменного тока — Control Engineering Russia

АЛЕКСАНДР МИКЕРОВ, д. т. н., проф. каф. систем автоматического управления СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

АЛЕКСАНДР МИКЕРОВ, д. т. н., проф. каф. систем автоматического управления СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

В предыдущих статьях [1, 2] описывались первые электрические двигатели с питанием от гальванических батарей. Однако во второй половине XIX века в связи с развитием электрического освещения и дальней передачи электроэнергии появились сети однофазного переменного тока [3]. Это и дало толчок к изобретению электродвигателей переменного тока.

Двигатель Уитстона

Рис. 1. Двигатель Уитстона

Первый однофазный двигатель был предложен в 1841 г. английским физиком Чарльзом Уитстоном (Charles Wheatstone), известным также своими изобретениями в области электрогенераторов и измерительной техники. Такой двигатель подключается к источнику переменного тока и содержит (рис. 1) статор с шестью электромагнитами (1) и ротор (2) в виде медного диска с тремя подково­образными магнитами (3) полярностью N и S.

Все электромагниты включены последовательно так, что при любой полярности питающего напряжения в промежутках между ними формируются магнитные потоки или полюса чередующейся полярности n и s, показанные на рис. 1 в начальный момент времени t1 для положительного полупериода питающего напряжения. Предположим, что ротор вращается против часовой стрелки, и рассмотрим силы, действующие на верхний магнит ротора (аналогично работают и остальные магниты). Поскольку разноименные полюса магнитов притягиваются, а одноименные отталкиваются, вращающий момент ротора будет направлен против часовой стрелки, поддерживая его вращение. Если ротор двигателя успеет за полупериод напряжения повернуться на 60°, то в следующий полупериод все полюса статора поменяют полярность и ротор повернется еще на 60°. Таким образом, ротор будет поворачиваться синхронно с частотой перемагничивания электромагнитов (частотой сети), отчего подобные двигатели по предложению Чарльза Штейнмеца и получили название синхронных.

Двигатель Уитстона

Рис. 2. Векторная диаграмма двигателя

Магнитное поле статора такого двигателя можно изобразить в виде вектора (рис. 2), где Ф1, Ф2,… Ф6 — магнитные потоки статора, взаимодействующие с ротором в последовательные моменты времени t1, t2, … t6, когда питающее напряжение меняет свой знак. Получается, что вектор магнитного потока статора шагает по окружности синхронно с ротором, поэтому такое магнитное поле можно назвать шагающим.

При реальных частотах сети 50–60 Гц такой двигатель, конечно, запуститься не сможет, но если его ротор раскрутить, например, вручную или другим двигателем до синхронной скорости, то он будет устойчиво работать с частотой вращения, пропорциональной частоте сети. При электрификации Лондона посредством однофазного напряжения в 1889 г. в качестве такого «раскруточного» двигателя применили так называемый универсальный двигатель (рис. 3) с обмотками якоря (1) и возбуждения (2). Его конструкция была разработана в 1884–85 гг. независимо друг от друга Вернером Сименсом и соавторами трансформатора, венгерскими инженерами Микша Дери и Отто Блати [4–6].

Двигатель Уитстона

Рис. 3. Универсальный двигатель

Универсальные двигатели до сих пор широко применяются при мощности до нескольких киловатт, особенно в бытовой технике. Они привлекают производителей легкостью изменения скорости с помощью регулирования напряжения, как в обычном двигателе постоянного тока. Однако для мощных приводов такое регулирование было в то время затруднительным. Поэтому для электрической тяги на железных дорогах и в лифтах с питанием от сети переменного тока стали применять так называемый репульсионный двигатель, изобретенный в 1885 г. знаменитым американским электротехником Илайю Томсоном (Elihu Thomson) и усовершенствованный позднее Микша Дери [3, 5, 6].

Репульсионный двигатель

Рис. 4. Репульсионный двигатель

Илайю Томсон (1853–1937), родом из Англии, соединял в себе таланты блестящего университетского профессора, крупного инженера, плодовитого изобретателя (696 патентов) и успешного предпринимателя [7]. Он разработал различные системы электрического освещения, высокочастотные генератор и трансформатор, самопишущий ваттметр, один из способов электросварки, а также, например, улучшил рентгеновские трубки. Томсон основал электротехнические компании в Англии, Франции и США. В 1892 г. его компания Thomson–Houston слилась с компанией Эдисона, образовав крупнейшую электротехническую компанию мира — General Electric.

По конструкции репульсионный двигатель, схема которого показана на рис. 4, похож на универсальный двигатель с якорем (1) и возбуждением в виде электромагнита (2). Отличие состоит в том, что щетки двигателя (3) закорочены и могут вручную поворачиваться [8]. При питании переменным напряжением в закороченной обмотке якоря наводится ЭДС и идет ток, направление которого, в соответствии с законом Ленца, таково, что создаваемый им поток противодействует магнитному потоку статора.

Тогда, если в некоторый полупериод питающего напряжения электромагнит (2) имеет полюс N внизу, то якорь (1) — такой же полюс наверху, как показано на рис. 4, что приведет к их взаимному отталкиванию и вращению ротора по часовой стрелке. Это и объясняет название двигателя, которое в дословном переводе означает «отталкивающийся». При этом величина наводимой ЭДС, а значит, и вращающего момента определяются положением щеток. Когда они горизонтальны, ЭДС и момент максимальны (режим пуска). Далее при повороте щеток против часовой стрелки момент будет падать, а скорость нарастать. Таким образом, пуск и скорость репульсионного двигателя легко регулируются разворотом щеток без изменения напряжения питания.

Тем не менее проблемы всех коллекторных двигателей, связанные с искрением, помехами и быстрым износом, были решены лишь после создания асинхронного двигателя. По своему устройству он гораздо проще любого двигателя постоянного тока, поэтому удивительно, что он был изобретен почти на полстолетия позже, несмотря на то, что, как отмечал Илайю Томсон: «Трудно составить такую комбинацию из магнитов переменного тока и кусков меди, которая не имела бы тенденции к вращению» [5].

Галилео Феррарис (1847–1897)

Рис. 5. Галилео Феррарис (1847–1897)

Асинхронный двигатель базируется на концепции вращающегося магнитного поля, выдвинутой практически одновременно в середине 1880-х гг. двумя выдающимися учеными — Николой Теслой [3] и итальянским профессором физики Галилео Феррарисом (Galileo Ferraris) (рис. 5). Последний родился на севере Италии в семье фармацевта и после окончания Туринского университета стал профессором Музея индустрии, где изучал трансформаторы, многофазные цепи, линии передачи переменного тока, а также оптические приборы. Он прожил короткую жизнь, но успел заслужить в Европе звание «отца трехфазного тока» [5, 9, 10].

Если вернуться к концепции, то во вращающемся магнитном поле вектор магнитного потока статора постоянен по величине, но, в отличие от шагающего поля (рис. 2), непрерывно (равномерно) вращается с синхронной скоростью. Тогда очевидно, что ротор в виде магнита, помещенный внутри такого поля, будет вовлекаться им в синхронное вращение, что и происходит в рассмотренном выше двигателе Уитстона. Однако выяснилось, что аналогично будет вращаться и немагнитный ротор из любого проводящего металла. Еще в 1824 г. известный французский физик академик Доминик Араго (Dominique Arago) продемонстрировал опыт, названный им «магнетизмом вращения» [5] и показанный на рис. 6.

Опыт Араго

Рис. 6. Опыт Араго

Диск (1) из меди или стали на стеклянной пластине (2) вращался в том же направлении, что и вращающийся магнит (3). Объяснение этому загадочному явлению нашел Майкл Фарадей в 1831 г. после открытия закона электромагнитной индукции (закона Фарадея). Согласно ему, вращающееся магнитное поле магнита индуцирует в диске вихревые токи, создающие собственное магнитное поле, взаимодействующее с вращающимся.

Опыт Бейли

Рис. 7. Опыт Бейли

Этот принцип и лежит в основе современных асинхронных двигателей (в английской литературе — индукционных), имеющих металлический ротор и отличающихся только тем, что в них вращающееся магнитное поле образуется неподвижной обмоткой статора. Первый шаг к созданию такого двигателя был сделан английским физиком Уолтером Бейли (Walter Bailey) в 1879 г., заменившим в опыте Араго вращающийся магнит на четыре электромагнита (2–5), токи в которых переключались последовательно вручную (рис. 7) [5, 10]. Но такое устройство создавало шагающее через 90o магнитное поле. А как получить непрерывно (равномерно) вращающееся магнитное поле?

На этот вопрос ответил вышеупомянутый Феррарис в 1888 г. в докладе Туринской академии наук, математически сформулировав два условия [5, 10]:

  1. Обмотка двигателя должна содержать две независимые части (называемые теперь фазами), магнитные потоки которых геометрически взаимно перпендикулярны.
  2. Фазы должны быть запитаны двумя гармоническими напряжениями, сдвинутыми на четверть периода (синус и косинус).

Позднее Михаил Осипович Доливо-Добровольский предложил называть такую систему токов Drehstrom, что в дословном переводе с немецкого означает «вращательный ток» [6].

Двухфазный двигатель Феррариса

Рис. 8. Двухфазный двигатель Феррариса

Свою теорию Феррарис блестяще подтвердил макетом двигателя мощностью 3 Вт (рис. 8), имеющего ротор (1) в виде полого медного стаканчика и статор (2) с фазами A и B. Фазы разделены на две секции с разным числом витков, намотанных проводом разного диаметра так, чтобы создавать индуктивный сдвиг фаз токов в 90° при питании от однофазной сети.

В 1890 г. французские инженеры Морис Хитин (Maurice Hutin) и Морис Леблан (Maurice Leblanc) предложили использовать для сдвига фаз токов конденсатор [6]. В таком виде двухфазный двигатель дожил до наших дней под названием конденсаторного двигателя. При этом габариты конденсатора соизмеримы с размерами самого двигателя, поэтому данное техническое решение пригодно только для маломощных двигателей.

Сам Феррарис также заявлял, что «…аппарат, основанный на исследованном нами принципе, не может иметь никакого промышленного значения как двигатель» [10]. Поэтому он его не запатентовал (как, впрочем, и остальные свои открытия) и отклонил, в отличие от Теслы, предложение Вестингауза о сотрудничестве. Тем не менее его работы дали впоследствии повод оспаривать патенты Теслы в некоторых из 25 судебных процессов компании Вестингауза [5, 9]. Пессимистический вывод о перспективах своего двигателя Феррарис сделал, оценив величину его КПД в точке максимума мощности на валу — ниже 50%. Однако в данной точке это справедливо и для двигателей постоянного тока. Поэтому в дальнейшем рабочие точки стали выбирать ближе к скорости холостого хода, где в идеале КПД любого электродвигателя стремится к 100%.

Двигатель Теслы

Рис. 9. Двигатель Теслы

Совершенно по другому пути пошел Тесла, предложив в 1887 г. многофазные системы, где сдвинутые напряжения питания фаз вырабатывались питающим генератором, как показано, например, на рис. 9, где: 1 — генератор, 2 — двухфазный двигатель, 3 — контактные кольца генератора, 4 — обмотка ротора (кольца двигателя не показаны) [5, 10].

При положении переключателя ON ротор запитывается постоянным напряжением, и это двухфазный синхронный двигатель с электромагнитным возбуждением. В положении OFF обмотка ротора закорачивается, и получается асинхронный двигатель, названный Теслой индукционным. Эксперт патентного ведомства поначалу не поверил в работоспособность такого странного двигателя, пока Тесла не продемонстрировал ему действующий макет (рис. 10).

Макет двигателя Теслы

Рис. 10. Макет двигателя Теслы

Двигатели Теслы и Феррариса легко запускались от питающей сети, однако с увеличением нагрузки их скорость падала, что подтверждается принципиальным отличием асинхронного двигателя от синхронного. Действительно, асинхронный двигатель развивает вращающий момент лишь при наличии тока, а следовательно, и ЭДС, индуцируемой в роторе. А, по закону Фарадея, это возможно лишь тогда, когда ротор пересекает силовые линии поля статора, т. е. когда скорости их вращения не одинаковы (не синхронны).

Как описано в статье [3], Тесла вместе с Вестингаузом начали активно внедрять асинхронные двигатели в жизнь, однако они были доведены до совершенства и приняли современный вид лишь благодаря трудам нашего соотечественника Михаила Осиповича Доливо-Добровольского, которые будут рассмотрены в следующих статьях.

Что касается многофазных синхронных двигателей, то они нашли широкое применение там, где требуется стабильная скорость вращения, например в компрессорах, приводах генераторов и т. д. Синхронные двигатели с постоянными магнитами входят в состав современных вентильных двигателей, создающих все большую конкуренцию пока еще наиболее распространенным электродвигателям постоянного тока.

  • Потребность в двигателях переменного тока возникла при внедрении однофазных осветительных сетей. Первым стал синхронный двигатель Уитстона с постоянными магнитами (1841 г.).

  • Однако такие двигатели не имели пускового момента, поэтому на практике применялись универсальные двигатели Сименса и репульсионные двигатели Томсона (1884-5 гг).

  • Достаточно мощные двигатели для промышленности были созданы только в середине 1880-х гг., после того как концепция вращающегося магнитного поля была математически сформулирована Феррарисом и реализована в многофазных синхронных и асинхронных двигателях Теслы, запущенных в производство на заводах Вестингауза.

Facebook

Twitter

Вконтакте

Google+

История о выдающемся Николе Тесле

Выдающийся изобретатель Никола Тесла, в честь которого, как признание его заслуг, названа единица магнитной индукции, в последние годы сделался объектом весьма странных фантазий и откровенных мистификаций.

Никола Тесла — славянин, серб, православный. Родился изобретатель на территории будущей Хорватии, входившей в состав Австро-Венгрии, а две трети жизни провёл в США, где и сделал свои основные открытия. В особых пристрастиях к православию он отмечен не был и с бὁльшим основанием может считаться всё-таки просто американцем.

Из Австро-Венгрии к электричеству

Никола появился на свет в 1856 году, причём, согласно его мемуарам и к вящему удовольствию мистиков, в ночь полнолуния.

Всякие странные истории (рассказанные им самим) приключались с ним и позже. Например, после нелепой смерти обожаемого старшего брата (он упал с лошади) мальчик убежал в горы и провёл ночь в чьём-то склепе на кладбище.

В 1875 году он поступил в техническое училище, а до того, согласно всё тем же мемуарам, поучаствовал в войне против турок — ещё одна странность, поскольку в те годы Австро-Венгрия с Турцией не воевала.

Через три года он покинул Высшее техническое училище в Граце, причём слову «покинул» разные биографы Теслы придают совершенно различный смысл: «закончил», «отчислен за аморальное поведение» и «кончились деньги на обучение». Впрочем, Билл Гейтс тоже окончил только два курса Гарварда.

Потом та же история произошла с пражским Карловым университетом, где Тесла проучился всего год. Собственно, отсутствием фундаментального образования и объясняются все причуды и неудачи Теслы в будущем XX веке.

А пока он устроился работать электриком, проводил телефонные кабели в Будапеште и в 1882 году совершил (пока только в уме) своё самое главное открытие — придумал вращающееся магнитное поле.

В сущности, он изобрёл, хотя ещё и не изготовил, электродвигатель переменного тока и соответственно обратные устройства — генераторы, которые потом будут исправно выдавать переменный электрический ток на Ниагарской ГЭС. Но это произойдёт уже в Америке, куда Тесла в 1884 году уедет без гроша в кармане.


Высоковольтные трансформаторы на испытательной станции.

В тогдашних Северо-Американских Соединённых Штатах изобретатель работает у самого Эдисона, настойчиво убеждая его в преимуществах переменного тока перед постоянным, который только и использует Эдисон в своих изобретениях.

Неминуемая ссора, как пишут биографы, из-за невыплаченных ему Эдисоном денег заставила Теслу уволиться от скаредного американца и открыть своё дело.

Впрочем, бизнес не пошёл, и лишь в 1888 году Тесла продал промышленнику Вестингаузу два десятка своих патентов. В том же году разразилась так называемая война токов между Теслой с его переменным током и Эдисоном с его постоянным.

Победил, как известно, Никола Тесла, и с тех пор все основные устройства используют именно этот вид тока. На долю Эдисона достались лишь аккумуляторы для автомобилей и подводных лодок да ещё карманные фонарики.

Великое вращение

Тесла неслучайно добивался признания преимуществ переменного тока — ведь именно на нём должен был работать придуманный им электродвигатель, а вырабатывать переменный ток должен был его же генератор.


Трансформатор Теслы — устройство, позволившее получать токи высокого напряжения и высокой частоты. Напряжение на выходе могло достигать нескольких миллионов вольт.

В 1882 году он только додумался до идеи вращающегося магнитного поля, первый патент был получен шестью годами позже. Вот как описывает это событие третье издание Большой советской энциклопедии: «В 1888 г. Т. (независимо от Г. Феррари и несколько ранее его) дал строгое научное описание явления вращающегося магнитного поля».

Кто же такой этот Феррари? И вообще, были ли у Теслы конкуренты, оспаривавшие его приоритет в открытии тех явлений, которые теперь принято связывать только с именем Теслы?

Были и много. Причём практически в те же годы, когда он создавал, а потом и запатентовал своё открытие. Подобно Эдисону, Теслу скорее следует называть изобретателем, а не учёным — никакого нового физического явления он не открыл, хотя и придумал, как можно использовать уже известное и «дал строгое научное описание» этого явления.

Открыл же «магнетизм вращения» Доминик Араго ещё в 1824 году, когда обнаружил, что немагнитный медный диск под воздействием вращающегося магнита начинает вращаться.

Между прочим, сам магнит вращался просто рукой экспериментатора. И вот именно в размышлениях о сути этого явления родилась великая идея Теслы о вращающемся магнитном поле, которая заключалась в том, что нужно заменить медный диск витками обмотки электродвигателя, а вращающийся магнит — вращающимся магнитным полем.

Тесла придумал подавать на обмотки магнитных полюсов переменный ток со сдвигом по фазе. Чередование фаз вызывает в обмотке попеременное образование северного и южного магнитного полюсов, что, собственно, и означает вращение магнитного поля.

Это поле заставляет вращаться ротор двигателя. Оставалось лишь построить источник двухфазного тока (двухфазный генератор) и двухфазный электродвигатель, что Тесла вскоре и сделал, выбрав в качестве величины сдвига фаз 90 градусов.

В то время ему не пришла мысль о сдвиге в 120 градусов. Трёхфазных генераторов и электродвигателей он не создал. Опыт Араго был объяснён в 1831 году Майклом Фарадеем, открывшим электромагнитную индукцию. В 1879 году английский физик Уолтер Бейли видоизменил опыт таким образом, что сам оказался на полшага от открытия вращающегося магнитного поля.

Он расставил четыре электромагнита вокруг медного диска, насаженного почти без трения на медную же ось, и последовательно, по часовой стрелке подавал на них напряжение — постоянный ток от гальванических элементов.

В сущности, он создавал прерывистое перемещающееся магнитное поле, и диск исправно вращался. Однако Бейли опубликовал результаты эксперимента в малоизвестном издании, видным учёным не демонстрировал, и этот опыт остался незамеченным.

Были и другие. Лидер французских электротехников Марсель Депре в 1883 году доказал возможность создания поворачивающегося магнитного поля путём наложения двух магнитных потоков одинаковой частоты, но сдвинутых по фазе на 90 градусов.

Эта схема предназначалась автором для навигационных целей. Реализована она тогда не была, но сейчас применяется в сельсинных устройствах, передающих крутящий момент без механического контакта непосредственно магнитным потоком. Но самое важное событие в деле уточнения приоритета Никола Теслы произошло весной 1888 года, на два месяца раньше публикации основных патентов изобретателя.

В марте профессор Промышленного музея Галилео Феррарис (именно так, с «с» на конце писали его фамилию, ориентируясь на итальянское написание Ferraris) выступил перед общим собранием Туринской академии наук с докладом о бесколлекторном (то есть без выпрямителя) электродвигателе переменного тока, построенном на принципе вращающегося магнитного поля.


Башня Теслы на Лонг-Айленде просуществовала до 1917 года, после чего была разрушена из опасений, что её могут использовать германские шпионы.

Феррарис нашёл условия, при которых в однофазной цепи возникали два переменных тока, сдвинутых по фазе. Он построил несколько лабораторных моторчиков с искусственной второй фазой, которые развивали ничтожную мощность в 3 ватта при скорости вращения до 900 оборотов в минуту.

В том же году в мае Тесла показывал в сотни раз более мощные двигатели. Справедливости ради нужно сказать, что если патенты серба были опубликованы через два месяца после лекции Феррариса, то заявки на них были поданы ещё в октябре 1887 года. Не обошлось и без участия российских учёных.

Текст лекции Феррариса прочёл Михаил Осипович Доливо-Добровольский, работавший в немецкой компании AEG (как видим, утечка умов за рубеж происходила и тогда), и тут же придумал трёхфазный электродвигатель и генератор, передачу тока по трём, а не шести проводам из дорогой меди. Кстати, сам Доливо-Добровольский всегда признавал приоритет Теслы.

Настоящие изобретения

Следующим замечательным изобретением, хотя вновь не открытием, было использование свечения различных объектов в высокочастотном электрическом поле.

Само явление известно ещё с конца XVIII века, но Тесла поставил его «на поток» и в 1891 году демонстрировал яркое свечение вакуумированных колб и трубок в поле, создаваемом тесловским же трансформатором.

В числе первых он описал свечение биологических объектов в высокочастотном поле, причём в качестве одного из таких объектов выступал он сам.

Впоследствии этот эффект использовали некие отечественные «супруги Кирлиан», которые всерьёз были уверены — и об этом до сих пор талдычат множество эзотериков, — что обнаружили «ауру», испускаемую исключительно живыми объектами.

Тесла не виноват в широком распространении этого безграмотного бреда. Никола Тесла является и автором, пусть не единственным, ещё нескольких выдающихся изобретений. Так, он самостоятельно открыл радиосвязь, хотя и неизвестно, раньше или позже Попова и Маркони.

Впрочем, радиосвязь представляет собой практическое применение электромагнитных волн, открытых Герцем, а кому первому в голову пришла идея использовать эти волны для передачи информации, сейчас выяснить невозможно.

Зато точно известно, что мачтовую антенну Тесла придумал раньше других. Хотя самый революционный эпизод в истории радио — передачу сигнала из Европы в Америку через Атлантический океан — осуществил всё же Маркони.

Причём неумышленно подложил при этом Тесле свинью: Тесла принял этот сигнал, но, будучи уверенным, что через километровый горб воды между Европой и Америкой (из-за кривизны Земли) радиоволны пройти не могут, решил, что получил сигнал от обитателей Марса.

К сожалению, он многократно и многословно рассказывал об этом журналистам, давая повод коллегам к серьёзной печали о состоянии его рассудка. Радиоуправляемые лодки и даже подлодки также придумал, сконструировал, запатентовал и демонстрировал Тесла. И даже предлагал использовать их для диверсий на море. Однако через несколько месяцев после демонстраций не он, а некий вице-адмирал Фиску сумел запатентовать собственную радиоуправляемую торпеду.

Некоторые биографы приписывают Тесле и создание механического осциллятора — генератора механических колебаний ультразвуковой частоты. Попутно он предложил идею эхолота, но, как это уже неоднократно случалось, здесь он был не единственным, да и идею не реализовал.

Тесламания

Теперь самое время рассказать о якобы реализованных, но законспирированных изобретениях великого сербо-американца, о которых до сих пор пишутся десятки статей и книг.

Чего стоят одни названия — «Повелитель Вселенной», «Повелитель молний», «Безумец, опередивший своё время», «Никола Тесла. Человек из будущего», «Никола Тесла и его дьявольское оружие», «Тесла и сверхсекретные проекты Пентагона», «Никола Тесла. Ложь и правда о великом изобретателе».

Самой выдающейся в мистическом отношении конструкцией изобретателя тесламаны считают так называемую башню в местечке Уорденклиф на острове Лонг-Айленд (сейчас это пригород Нью-Йорка).

Надо сказать, что эта башня была действительно построена Теслой, причём на деньги всем известной «акулы капитализма» Дж. П. Моргана.

У «акулы» было хобби: он увлекался парусным спортом и обожал следить за яхтенными соревнованиями, которые проводились неподалёку от Лонг-Айленда в Атлантическом океане. Но не настолько близко, чтобы за участниками можно было наблюдать хотя бы в бинокль.

Поэтому он захотел получать информацию о ходе соревнований по радио, заказав Тесле построить радиомачту для радиообмена с яхтами. Тесле были выданы умопомрачительные по тем временам деньги — 100 тысяч долларов, что соответствует сегодняшним примерно 2 миллионам.

Честно говоря, простецкую радиоантенну можно было бы построить и подешевле. Но не таков Тесла, чтобы развлекаться гонками корабликов. Он решил превратить башню в беспроволочный передатчик энергии через земной шар.

Никола почему-то считал, что электричество находится где-то внутри земного шара и стоит только как-то его подтолкнуть, и оно «рванёт» в нужную точку.

В данном случае — вырвется наружу около острова Амстердам в Индийском океане. Ох и дорого же стоили Тесле и его авторитету эти странные представления!

Для начала Морган, узнав о замысле Теслы, обозлился и категорически отказал ему в дополнительном финансировании, прикрыл весь проект и в дальнейшем на все униженные просьбы Теслы отвечал с высокомерным негодованием.

Пару раз башня, похожая больше всего на юный подосиновик чудовищных размеров: маленькая круглая шляпка на конусообразной толстой ножке высотой 60 метров, — всё же поработала, но просто в качестве источника электрических разрядов.

После чего была законсервирована. Её начинку в 1903 году описали за долги. В 1917 году башню и вовсе снесли из-за опасений передачи сообщений с неё на немецкие подводные лодки. Шла Первая мировая война, а Тесла, будучи не от мира сего, неоднократно и неосторожно рассказывал о своих деловых контактах с Германией.

Обратим внимание на год прекращения строительства и консервации уорденклифской башни — 1903-й. Это очень важно, потому что следующим великим экспериментом, который приписывают Тесле, является падение Тунгусского метеорита (сейчас-то мы знаем, что это была ледяная комета).

Так вот, говорят нам тесламаны, ничто никуда не падало, а просто Тесла с этой самой башни стрельнул для проверки своих теорий электричеством в район Подкаменной Тунгуски. По другой версии, Тесла собирался осветить небосвод Роберту Пири, пробиравшемуся в арктической темноте к Северному полюсу.

Чтобы закрыть эту тему, напомним, что падение тунгусского тела произошло 30 июня 1908 года, а Роберт Пири отправился на полюс 20 февраля 1909 года. Сам Никола Тесла в это время занимался проектированием паровых и газовых турбин — тоже, кстати, безрезультатно.

И время от времени грустно бродил вокруг недоступной ему башни, запертой на большой амбарный замок. Уже упоминали про приём Теслой сигналов с Марса, которые оказались впоследствии передачей Маркони радиосигнала «точка-точка-точка» из Европы в Америку.

Тесла принял этот сигнал, находясь в своей лаборатории в Колорадо-Спрингс. Это было ещё до Уорденклифа, но и там Тесла занимался электрическими разрядами с целью образования стоячих волн в теле Земли и передачи энергии на расстояние.

В результате сжёг генератор местной электростанции, из Колорадо-Спрингc уехал, оставив напоследок местным интеллектуалам статью «Говоря с планетами» о своих переговорах с марсианами.

Ещё одно мифическое изобретение Теслы — механический осциллятор, или генератор механических колебаний. Тесла действительно соорудил такой несложный приборчик и заметил, что при его работе начинают дрожать в резонанс некоторые конструкции в лаборатории.

Подобные генераторы ультразвуковых колебаний широко используются и сейчас, например для резки металлов и очистки изделий от коррозии. Существуют даже миниатюрные ультразвуковые стиральные машинки, правда, видимо, из-за малой мощности они не способны отстирать даже носовой платок.

А вот Тесла, имея под рукой генератор примерно такого же размера и явно ненамного большей эффективности, уверял, что запросто может разрушить Бруклинский мост. И с помощью журналистов распространил слухи, что однажды он случайно разгромил таким образом собственную лабораторию и едва не всё здание.

Но знаем мы об этом только с его слов — подтверждения со стороны полиции отсутствуют. Тесла, вероятно, первый в современной истории гений пиара среди учёных, он даже утверждал, что запросто может расколоть Землю, попав в резонанс с собственными колебаниями земной коры с периодичностью 1 час 49 минут, и все тесламаны в это верят.

Увы, изобретатель с незаконченным высшим ничего не знал ни про мощность колебаний, ни про их так называемую добротность, ни про то, что у Земли не один период собственных колебаний, а множество, целый спектр. Разумеется, ничего Тесла не сломал и сломать не мог.

Дьявол таится в деталях

Больше всего тесламаны пугают мирное население «дьявольским оружием» Теслы. Это вот что такое.

В начале XX века, а потом в начале 40-х в возрасте 84 лет изобретатель стращал журналистов своим новым изобретением. Он обещал направить в ионосферу тонкий, но жутко мощный пучок неких частиц или волн, которые эту ионосферу нагреют так, что она испепелит находящегося под ней противника.

Вообще-то такого рода установки существуют, их называют нагревными стендами, но никогда не используют на полную мощность, во-первых, из-за непредсказуемости последствий для самих экспериментаторов и, во-вторых, из-за полной бессмысленности таких экспериментов.

В России, разумеется, нашлось доброе количество депутатов Госдумы, которые уличили в использовании дьявольского оружия гадкую Америку и потребовали разобраться с американской метео-станцией на Аляске под названием «Арфа».

Разбираться никто, конечно, не стал, но депутатский пиар состоялся, и депутаты вернулись к повседневной работе — созданию законов, которые невозможно исполнять.

И уж совсем напрасно Тесле приписывают авторство «Филадельфийского эксперимента». Якобы в 1943 году хитроумные установки на эсминце «Элдридж» создали такие электромагнитные поля, что всю эту конструкцию световые волны огибали и эсминец стал невидимым.

Затем почему-то мгновенно переместился вместе со всеми членами экипажа на пару сотен километров. «Произошло» это вскоре после смерти Теслы, бумаги которого якобы были присвоены ЦРУ (созданным, правда, лишь через четыре года после смерти изобретателя) и использованы в военных целях.

Давным-давно доказано, что никакого эксперимента не было (и быть не могло). Эсминец «Элдридж» был тогда не в том месте, и, вообще, всё это придумано одним полуграмотным моряком, который увидел, как корабль обматывают медной проволокой — вполне реальный способ размагничивания корпуса, чтобы не взорваться на магнитной мине.

А насчёт бумаг Теслы… Сейчас все они находятся в белградском Музее Теслы, сотрудники которого время от время публикуют эти записки и дневники, но благоразумно, не сразу все, иначе после окончательного крушения мифа о дьявольских, опередивших время изобретениях Николы Теслы могут остаться без работы.

Поделитесь этим постом с друзьями!

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.