История создания первого электродвигателя

Напряженной работой  по созданию такого двигателя ученый был занят с января по август 1838 г. Было проведено много экспериментов и расчетов, в результате которых Якоби спроектировал и построил новый вариант более мощного электродвигателя. При его создании он пошел по пути конструктивного объединения нескольких двигателей в один агрегат. Это была типичная для середины XIX в. тенденция в деле создания мощных электродвигателей, необходимых для потребностей практики. Никаких качественно новых решений никто из ученых и конструкторов, в том числе и Якоби, придумать тогда не смог. Он использовал идею, выдвинутую Т. Девенпортом, располагать неподвижные и вращающиеся электромагниты в одной плоскости на вертикально установленном валу высотой 1,2 м (рис. 4). Это увеличивало размеры двигателя в вертикальном направлении, и в то же время сокращало занимаемую им площадь. Она была равна 0,7 м², т. е. 0,9 м в длину и 0,77 м в ширину.

Двигатель представлял  собой комбинацию из 40 небольших  двигателей, по 20 двигателей на каждом вертикальном валу. Таким образом, оба  вертикальных вала 2 с двигателями занимали в катере площадь 1,4 м. Каждый из небольших двигателей по своему устройству был очень простым. Неподвижная его часть состояла из двух электромагнитов 3, которые были изогнуты по дуге окружности. Каждый из них занимал четвертую часть окружности кольца. Между собой эти электромагниты были скреплены скобами 4 из немагнитного материала. Для придания стойкости скобы привинчивались к вертикально расположенной деревянной станине.

Подвижная часть  каждого из малых двигателей составлялась из четырех электромагнитов 1, расположенных крестообразно на специальной втулке. Для питания током обмоток электромагнитов на катере было установлено 320 гальванических элементов. Изменение направления тока в обмотках подвижных электромагнитов осуществлялось с помощью конструктивно измененного коммутатора 5, Для приведения в движение катера вращение с вертикальных валов с помощью конических шестерен 6, 7 передавалось на горизонтальную ось 8, на которой по его обоим бортам были укреплены гребные колеса.

рис.4.Чертеж электродвигателя Б.С. Якоби конструкции 1838 г.

Мощность нового электродвигателя была равна примерно 550-736 Вт. Его испытания были проведены 13 сентября 1838 г. на Неве. Катер, вмещавший без «стеснения 12 пассажиров, двигался посредством магнетизма» в течение 7 ч со скоростью 2 км/ч как по течению на расстояние 7 км, так и против течения на такое же расстояние. Испытания продолжались несколько дней и на Неве и на каналах города. Это был первый в мире случай практического применения электродвигателя для судоходства. Катер работал безотказно. Он превзошел возлагавшиеся на него надежды. «В противоположность первоначальному плану, - указывалось в заключении комиссии по которому предположено было производить опыты на тихой воде, удалось совершить плавание на самой Неве и даже против течения». Успех был поистине сенсационным.

Тщательный анализ итогов испытаний позволил комиссии дать им высокую положительную оценку.

5. НЕДОСТАТКИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ  ЯКОБИ

В то же время были установлены и некоторые существенные недостатки. Было отмечено, что Якоби напрасно применил новую конструкцию коммутатора. Необходимо было сохранить конструкцию 1834 г. Неудовлетворительной оказалась и шелковая изоляция проводов. При использовании гальванических- элементов не был учтен доказанный ранее Якоби и Ленцем вывод, что количество применяемых в батарее электродов не играет большой роли, важна их площадь. Значит, можно было вместо 320 гальванических элементов использовать значительно меньшее их число, например 10 или 20, но с большей площадью электродов. Оказалось также, что вместо перепонок, разделяющих в элементах различные кислоты, можно было применить пористые глиняные перегородки. Это значительно повысило бы качество каждого элемента и всей батареи.

Надеясь, что отмеченные недостатки могут быть устранены, комиссия решила продолжить практическое испытание электродвигателя в 1839 г. Особенно горячо на этом настаивал представитель Морского ведомства в комиссии капитан корпуса корабельных инженеров С. А. Бурачек. Он заявил, что результаты испытаний электродвигателя дают возможность надеяться на применение его «к военному кораблю и к целому флоту». Парусный флот с военной точки зрения, по его мнению, не выдерживал никакой критики. Стоило вражеской артиллерии разбить паруса, и корабль, потеряв управление, лишался маневренности, а следовательно, и боеспособности. Применение же паровой машины в военном флоте, «несмотря на все ее совершенство», также создавало ряд трудностей. «Котел машины и уголь заявлял Бурачек, вытеснят артиллерию. Одного ядра достаточно, чтобы прострелить паровой котел, цилиндр, дымовую трубу, сбить гребные колеса и оставить корабль без всякого движения». Ему как моряку представлялось, что применение электродвигателя приведет не только к устранению этих недостатков, но и преобразит военный флот. Расположенный на дне корабля электродвигатель будет «скрыт и безопасен от ядер», что является «первейшим условием для всякого движителя» любого военного корабля. Он освободит его от огромного груза и тем самым даст возможность лучше оснастить его необходимой артиллерией. Электрический ток от батарей может быть использован для освещения и взрывного дела. Применение электродвигателя даст возможность сократить штат команды корабля на 200-300 матросов.

Готовясь к новым  испытаниям, Якоби выполнил огромную работу прежде всего по усовершенствованию гальванической батареи. Им были созданы для этой цели новые элементы с платиновыми и цинковыми электродами. Извещая об этом важном нововведении, петербургская печать сообщала, что теперь гальваническая батарея Якоби доведена «до высшего совершенства и может действовать целые сутки с одинаковой силой».

Рис. 5. Судовой электродвигатель Б. С. Якоби конструкции 1838 г.

В гальванических элементах  были установлены электроды со значительно  большей поверхностью, что дало возможность сократить их число и тем самым уменьшить площадь всей батареи. В электродвигателе был заменен коммутатор, а также изоляция проводников. По своему устройству двигатель 1839 г. почти ничем не отличался от двигателя 1838 г. И тот и другой были одной и той же модели (рис. 5). Однако внесенные усовершенствования существенно повысили его мощность, которая увеличилась в 3-4 раза по сравнению с двигателями 1838 г.

Испытания катера с  усовершенствованным двигателем, «лучшим, чем все доселе изготовленные для опыта одели», началось на Неве 8 августа 1839 г. в присутствии многих высокопоставленных должностных лиц. Они продолжались и в сентябре 1839 г. На электроходе плавало от 10 до 14 человек. Более мощный двигатель быстрее вращал гребные колеса и тем самым обеспечивал большую скорость катера . Его скорость превышала вдвое скорость, достигнутую в 1838 г., и составляла 4 км/ч.

Результаты испытаний  превосходили все то, что было достигнуто за рубежом, где многие ученые, «поддерживаемые значительными денежными пожертвованиями и обширными техническими средствами», также проводили работы, связанные с практическим применением электродвигателя. Это значительное событие в технике того времени стало известно всему миру. Оно широко освещалось в мировой печати и повсеместно вселяло надежду, что проблема использования электродвигателя в судоходстве будет успешно решена в ближайшее время. «Я душевнейшим образом желаю, писал М. Фарадей Якоби, чтобы Ваши большие труды получили высокую награду, которую они заслуживают». Ему уже казалось возможным надеяться на применение электродвигателей на крупнейших в то время судах, связывающих Англию с Америкой и Ост-Индией. Свое письмо Фарадей заканчивает восклицанием: «Какое это было бы славное дело!» Газета «Северная пчела», издававшаяся в Петербурге, писала 27 сентября 1839 г.: «В средние века фанатики сожгли бы г. Якоби, а поэты и сказочники выдумали о нем легенду, как о Фаусте. В наше время мы не сожжем его, а согреем чувством признательности за его полезные труды и вместо легенды скажем правду, а именно, что г. Якоби, сверх учености, отличный человек во всех отношениях и что наука вправе от него надеяться на многое, потому что в нем нет педантства, а (есть) истинная пламенная страсть к наукам и столь же пламенное желание быть полезным гостеприимной и благодарной России.

В 1840 г. Якоби выступил с докладом об итогах испытания на съезде Британской ассоциации естествоиспытателей, где присутствовали ученые всего мира, работавшие над важнейшими научными проблемами. Однако ничего нового и полезного для себя по вопросам практического применения электродвигателя он за границей не нашел. В письме к жене в Петербург он писал: «Когда увидишь Ленца, много раз поклонись ему от меня и сообщи следующее. Пока я еще не видел и не слышал ничего нового и думаю, что мы и в теоретическом и практическом отношении еще стоим на шаг впереди. Говоря без лишней гордости, нам приходится скорее учить, чем учиться. Мы оба здесь в большом почете, наши работы распространяются здесь в оттисках».

Вернувшись в  Петербург, Якоби, убежденный в важности начатого им дела, прилагает максимум усилий, чтобы добиться практического  применения электродвигателя в судоходстве. Но решить эту проблему он не смог. Не решил ее и никто из ученых Европы и Америки, несмотря на огромные усилия, которые они прилагали к «практической стороне электромагнетизма». Электродвигатель можно было использовать только для прогулок на катере. О применении его во флоте для приведения в движение больших кораблей по причине его незначительной мощности не могло быть и речи. Не удалась попытка применения его и для движения повозки по рельсам.

6. ТРУДНОСТИ В  ПРАКТИЧЕСКОМ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Основная непреодолимая  трудность заключалась в отсутствии достаточно мощного источника электрического тока. Батареи из гальванических элементов, используемые для питания более  мощных двигателей, имели значительный вес, занимали большую площадь и, главное, стоили очень дорого. Якоби убедился, что получение механической энергии от таких батарей обходилось в 12 раз дороже, чем от паровой машины. В своей работе «О магнитоэлектрических машинах»,: напечатанной в 1847 г., он писал: «Их (электродвигателей) внедрению в промышленность препятствуют не технические и конструктивные трудности, которые всегда преодолимы, а следующий простой факт: химическая энергия в настоящее время дороже механической».

Единственные тогда  источники электрической энергии - гальванические элементы, на которые ученые всего мира, в том числе и Якоби, возлагали такие большие надежды, не могли удовлетворить предъявляемых к ним требований. И это несмотря на то, что было сделано максимум возможного для их усовершенствования. Необходим был достаточно легкий и экономичный генератор электрической энергии нового типа, который можно было бы установить на корабле для питания электродвигателя. Но такого генератора в то время еще не было. Учитывая, что желаемых результатов от гальванических батарей получить невозможно, комиссия в 1842 г. решила «прекратить временно действия свои впредь до открытия какого-либо нового пути, могущего вести к усовершенствованию приложения электромагнитной силы к движению судов».

7. ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ  ЭЛЕКТРОМАГНИТА

Создание первого  электродвигателя, а также итоги  проведенных с ним испытаний сыграли важную роль в развитии электротехники. Они явились толчком для целого ряда работ, и в первую очередь для классических исследований Э. X. Ленца и Б. С. Якоби по изучению электромагнитов и по теории электрических машин, имевших существенное значение для дальнейшего развития электромашиностроения. Тщательные экспериментальные теоретические изыскания по изучению законов электромагнитов были проведены учеными в 1838-1844 гг. Хотя электромагнит был изобретен в 1835 г., его законы до этого времени не были изучены. Ученые, занимавшиеся исследованием электромагнитов, делали совершенно неверные выводы. Так, например, В. Риччи в 1836 г. утверждал, что электромагниты в принципе обладают меньшей силой притяжения, чем постоянные магниты. Неверным был и установленный Даль-Негро закон, согласно которому сила намагничивающего тока прямо пропорциональна периметру пластин гальванического элемента. Уже в своих первых работах Якоби показал ошибочность такого вывода. Электромагниты составляли основную часть его двигателя, и вполне естественно, что он был крайне заинтересован в строго научном их изучении.

Живой интерес к  этому проявил и Э. X. Ленц. В результате многолетних исследований оба ученых пришли к важному фундаментальному выводу: магнитный поток, создаваемый в железном стержне электромагнита, пропорционален силе намагничивающего тока и числу витков обмотки и не зависит от диаметра проволоки и диаметра витков. Ими было также доказано, что сила возбуждаемого «магнетизма» в электромагнитах не зависит от формы сечения проволоки и от материала, из которого она сделана.

Выводы были правильными, но только для толстых железных стержней и для слабых токов, т. е. для областей, весьма далеких от области насыщения. Это обстоятельство и дало возможность сделать им правильное заключение о пропорциональности магнитного потока и намагничивающего электрического тока. Такая пропорциональность действительно существует в достаточно широких границах, и поэтому она применима во многих практических случаях. Позднее наукой было установлено, что для тонких железных стержней и для сильных намагничивающих токов намагничивание очень быстро перестает быть пропорциональным силе тока. Впервые зависимость намагничивания мягкого железа от напряженности магнитного поля была исследована в 1872 г. русским физиком А. Г. Столетовым в его докторской диссертации, носившей название «Исследование о функции намагничивания мягкого железа». Эта работа и послужила в дальнейшем основой для разработки расчетов электрических машин.

Установленные Ленцем и Якоби закономерности позволяли правильно определить число пар в батарее и конструкцию обмотки электромагнита для получения максимального намагничивания железных стержней электромагнита. При этом обязательно должно было соблюдаться равенство внутреннего и внешнего сопротивления цепи. Это существенно облегчало выбор рациональной конструкции электромагнитов, что имело важное значение для дальнейшего развития электромашиностроения. Были исследованы многие частные случаи получения максимального намагничивания железных стержней. Этого можно достигнуть, писали ученые, «бесчисленным множеством способов, если толщину проволоки выбирать в определенном соотношении с устройством цепи; но каким бы способом мы ни достигли этого максимума, расход цинка за определенное время в точности одинаков». Этот важный вывод давал возможность правильно учитывать энергетическую сторону в работе с электромагнитами.

Ценные исследования были проведены Ленцем и Якоби и по изучению зависимости «магнетизма» от размеров железных стержней, их длины и диаметра. Учеными были получены самые точные результаты, каких могла добиться наука того времени. Оценивая эти результаты в 1875 г., русский академик Г. И. Вильд писал: «Исследования обоих ученых по этому вопросу (т. е. по изучению электромагнитов..) могут быть названы образцовыми, а результаты их до сих пор остаются главными законами электромагнитов, несмотря на некоторые добавления и небольшие изменения, внесенные в них усовершенствованием инструментов и методов».