Создание первого электродвигателя

1. Введение.
XX век - это мир техники. Могучие машины добывают из недр земли миллионы тонн угля , руды , нефти .Мощные электростанции вырабатывают миллиарды киловатт-часов электроэнергии .Тысячи фабрик и заводов изготавливают одежду , радиоприемники , телевизоры , велосипеды , автомобили , часы и другую необходимую продукцию . Телеграф , телефон и радио соединяет нас со всем миром . Поезда , теплоходы , самолеты с большой скоростью переносят нас через материки и океаны .А высоко над нами , за пределами земной атмосферы , летают ракеты и искусственные Спутники Земли. Все это действует не без помощи электричества.
Человек начал свое развитие с присвоения готовых продуктов природы . Уже на первом этапе развития он стал применять искусственные орудия труда.
С развитием производства начинают складываться условия для возникновения и развития машин. Сначала машины , как и орудия труда лишь помогали человеку в его труде .Затем они стали постепенно заменять его .
В феодальный период истории впервые в качестве источника энергии была использована сила водяного потока. Движение воды вращало водяное колесо , которое в свою очередь приводило в действие различные механизмы .В этот период появилось множество разнообразных технологических машин. Однако широкое распространение этих машин часто тормозилось из-за отсутствия рядом водяного потока .Нужно было искать новые источники энергии , чтобы приводить в действие машины в любой точке земной поверхности . Пробовали энергию ветра , но это оказалось малоэффективным .
Стали искать другой источник энергии . Долго трудились изобретатели , много машин испытали - и вот , наконец , новый двигатель был построен . Это был паровой двигатель. Он приводил в движение многочисленные машины и станки на фабриках и заводах .В начале XIX века были изобретены первые сухопутные паровые транспортные средства -паровозы .
Но паровые машины были сложными , громоздкими и дорогими установками . Бурно развивающемуся механическому транспорту нужен был другой двигатель - небольшой и дешевый . В 1860 г. француз Ленуар , использовав конструктивные элементы паровой машины , газовое топливо и электрическую искру для зажигания, сконструировал первый нашедший практическое применение двигатель внутреннего сгорания .
Все эти двигатели требовали топлива , и ученые в то же время работали над изобретением двигателя , работающего на электричестве - электродвигателя - бесшумного и небольшого . Первый электродвигатель сконструировал русский ученый Б.С. Якоби .
В настоящее время жизнь человечества без электродвигателя трудно представляется . Он используется в поездах , троллейбусах ,трамваях .На заводах и фабриках стоят мощные электрические станки .Электромясорубки , кухонные комбайны , кофемолки ,пылесосы - все это используется в быту и оснащено электродвигателями.
На мой взгляд изобретение электродвигателя - есть одно из важнейших достижений естествознания XIX столетия . К тому же , эта заслуга принадлежит русскому ученому .Важность этого открытия очевидна : электроэнергия стала в наше время доступной и дешевой . Благодаря сети электропроводов , ее можно подвести фактически в любую точку земного шара.
Если в конце прошлого века самая распространенная сейчас электроэнергия -электрическая - играла ,в общем, вспомогательную и незначительную в мировом балансе роль , то уже в 1930 г. в мире было произведено около 300 млрд. киловатт-часов электроэнергии .Вполне реален прогноз , по которому в 2000 г. будет произведено 30 тыс. млрд. киловатт-часов.
Процессу открытия электродвигателя я и посвящаю мою работу.
2. Предыстория электродвигателя.
Сложный и трудный путь прошла наука о гальваническом электричестве, прежде чем был создан первый практически пригодный электродвигатель. В нем как в фокусе зеркала сконцентрировались все важнейшие открытия и изобретения многих ученых разных стран 20-х и 30-х гг. XIX в. Все началось с создания первого источника постоянного электрического тока - вольтова столба, с изучения химических, тепловых и магнитных действий тока и с установления законов электрической цепи. Важное значение для всей электротехники, для предыстории электродвигателя имело изучение магнитных действий тока. Впервые факт действия электрического тока на магнитную стрелку твердо был установлен Г. X. Эрстедом.
Интеpеcнa история этого открытия . Идею о cвязи между электрическими и магнитными явлениями Эpcтед высказал еще в первом десятилетии X1X в. Oн полагал, что в явлениях природы, несмотря на все их многообразие , имеются сходство, что все они связаны между собой. Pyкoвoдcтвyяcь этой идеей, он поставил перед собой задачу выяснить на опыте, в чем эта связь проявляется.
Эрстед открыл , что если над проводником , направленным вдоль земного меридиана , поместить магнитную стрелку , которая показывает на север , и по проводнику пропустить электрический ток , то стрелка отклоняется на некоторый угол .
После того , как Эрстед опубликовал свои открытия , многие физики занялись исследованием этого явления .Французские ученые Био и Савар постарались установить закон действия тока на магнитную стрелку , т.е. определить , как и от чего зависит сила , действующая на магнитную стрелку , когда она помещена около электрического тока .Они установили , что сила действующая на магнитный полюс ( на конец длинного магнита) со стороны прямолинейного проводника с током направлена перпендикулярно к кратчайшему расстоянию от полюса до проводника , и модуль ее обратно пропорционален этому расстоянию.
Познакомившись с работой Био и Савара можно было заметить , что для расчета «магнитной» силы , т.е. , говоря современным языком , напряженности магнитного поля , полезно рассматривать действие очень малых отрезков с током на магнитный полюс. Из измерений Био и Савара следовало, что если ввести понятие элемента проводника (l , то сила (F , действующая со стороны этого элемента на полюс магнита , будет пропорциональна (F ~ ((l/r2)*Sin (, где ( l - элемент проводника , ( - угол , образованным этим элементом и прямой , проведенной из элемента (l в точку , в которой определяется сила , а r - кратчайшее расстояние от магнитного полюса до линии , являющееся продолжением элемента проводника .
После того , как было введено понятие силы тока и напряженности магнитного поля , этот закон стали записывать так :
?H = k*(I ?l/r2)*sin(, где ?H - напряженность магнитного поля , I – сила тока , а k – коэффициент , зависящий от выбора единиц , в которых измеряются эти величины .В международной системе единиц СИ этот коэффициент равен 1/4(.
[pic] Рис. А. Oпыт Aмпepa по взаимодействию токов,
Hoвый важнейший шаг в исследовании электромагнетизма был сделан французским ученым Ампером (1775— 1836) в 1820 г, Paздyмывaя над открытием Эpcтeдa, Aмпep пришел к coвepшенно новым идеям, Oн предположил, что магнитные явления вызывaютcя взаимодействием электрических токов. Kaждый магнит представляет собой систему замкнутых электpичеcкиx токов, плоскости кoтopыx перпендикулярны ocи магнита, Bзaимoдeйcтвиe магнитов ,их притяжение и oттaлкивaние объясняются пpитяжeниeм и отталкиванием, cyщecтвyющими между токами. Зeмнoй магнетизм также обусловлен электрическими токами, которые протекают в земном шape. Этa гепoтизa требовала, конечно, опытного пoдтвеpждeния. И Aмпep проделал целyю cepию oпытoв для ее oбocнoвaния.
Пepвыe oпыты Aмпepa заключались в обнаружении сил, действующих между проводниками, по которым течет электрический ток. Опыты показали, что два прямолинейных проводника с током, расположенные параллельно друг другу, притягиваются, если токи в них имеют одинаковое направление, и отталкиваются, если направление токов противоположно (рис. А). Ампep пoкaзaл тaкже, чтo витoк c тoкoм и cпиpaлевидный пpoвoдник c тoкoм (coленoид) ведyт ceбя кaк мaгниты. Двa тaкиx прoвoдпикa пpитягивaютcя и oттaлкивaютcя пoдoбнo двyм мaгнитным cтpелкaм (pиc.Б ).
[pic] Рис Б. Рамка с током (слева) и соленоид с током (справа) В опытах Ампера
Свои первые сообщения о результатах опытов Ампер сделал на заседаниях Пapижcкoй академии наук осенью 1820 г. Пocлe этого он занялся разработкой теории взaимoдейcтвия проводников, по которым течет электрический ток.
Ампер решил в основу теории взаимодействия токов положить закон взaимoдейcтвия между элементaми токов. Нужно отметить, что Ампер говорил уже не просто о взаимодействии элементов проводников, как Био и Савар, а о взаимодействии элементов токов, так как к тому времени уже возникло понятие силы тока. И это понятие ввел сам Aмпep. следуя взглядам того времени о подобии элементарных сил силам тяготения, Ампер пpeдпoлoжил, что сила взаимодействия между элементами двух токов будет зависеть от расстояния между ними и должна быть направлена по прямой, соединяющей эти два элемента. проведя большое число опытов по определению взаимодействия токов в проводниках различной формы и пo-paзнoмy расположенных друг относительно друга, Aмпep в конце концов определил искомую силу. подобно силе тяготения она оказалась обратно пропорциональной квадрату расстояния между элeментaми электрических токов. В отличие от силы тяготения ее значение зависело еще и от относительной ориентации элементов токов. формулу, которую получил Ампер, мы приводить не будем. она оказалась неверной, потому что он заранее предположил, что сила взauмoдейcтвия между элементами токов должна быть направлена по прямой, соединяющей эти элементы. Ha самом же деле эта сила направлена под углом к этой прямой. однако вследствие того что Aмпep проводил опыты с замкнутыми постоянными токами, он получал при расчетах по своей формуле правильные результаты. Оказывается, что для замкнутых проводников формула Ампера приводит к тем же результатам, что и исправленная впоследствии формула, выражающая силу взаимодействия между элементами токов, которая по-npежнeмy носит название закона Ампера.
Огромную роль в науке об электричестве сыграл созданный У. Стердженом в 1825 г. первый электромагнит. Его устройство было простым. Он представлял собой стержень из мягкого железа, покрытого для изоляции лаком, на который была намотана проволока. По сравнению с распространенными тогда постоянными магнитами этот электромагнит обладал значительными преимуществами, так как давал более сильный эффект.
Новый этап в развитии электротехники неразрывно был связан с именем М. Фарадея. Электрический ток вызывал магнитные действия, и вполне естественно было предположить, что и магнитные явления могут вызвать появление электрического тока. В 1831 г. в результате многолетних опытов М. Фарадею удалось осуществить «превращение магнетизма в электричество». Так было сделано одно из великих открытий XIX в. открытие электромагнитной индукции, оказавшее огромное воздействие на все последующее развитие электротехники. Опытами Фарадея было установлено, что электромагнитная индукция возникает как в неподвижном проводнике, находящемся в изменяющемся магнитном поле, так и в проводнике, который перемещается в неизменном магнитном поле. Введя понятие о магнитных силовых линиях, образующих магнитное поле, ученый доказал, что наведение тока в проводнике будет происходить только тогда, когда изменяется магнитный поток через контур. Открытие электромагнитной индукции дало возможность Фарадею понять и причину вращения магнитной стрелки при вращении диска, т. е. причину явления, открытого Араго. Он объяснил это взаимодействием наводимых в диске токов с магнитным полем. На основе изучения опыта Араго зародилась идея создания нового источника электрической энергии, которая практически была реализована только во 2-й половине XIX в. В 1834 г. электротехника обогатилась новым фундаментальным законом, открытым Э. X. Ленцем. Обобщая опыты Фарадея по электромагнитной индукции, он в результате своих исследований сформулировал закон, дававший возможность точно определить направление индуцированного тока. Так впервые в науке был сформулирован фундаментальный принцип обратимости. Ленц не только теоретически, но и экспериментально доказал, что, если вращать катушку между полюсами магнита, она будет генерировать электрический ток, и наоборот, если в нее послать ток, она будет вращаться. Это обстоятельство значительно позднее сыграло решающую роль в развитии всего электромашиностроения.
В 30-50-х гг. XIX в. одновременно с разработкой теоретических предпосылок, необходимых для создания первых электродвигателей и первых генераторов электрического тока, в ряде стран ученые и изобретатели настойчиво пытались практически реализовать эти предпосылки. Началось с создания физических приборов, с помощью которых можно было только опытным путем демонстрировать преобразование электрической энергии в механическую. Первый такой прибор был построен Фарадеем в 1821 г. С его помощью ученый установил, что электрический ток, проходящий по проводнику, может заставить этот проводник совершать вращение вокруг магнита или, наоборот, вызывать вращение магнита вокруг проводника. Важнейшее значение этого опыта заключалось в том, что он наглядно показал принципиальную возможность построения электродвигателя. В 1824 г. П. Барлоу также наглядно с помощью другого прибора продемонстрировал возможность превращения электрической энергии в механическую. Он расположил горизонтально два П-образных постоянных магнита и под ними поместил два медных зубчатых колесика, сидящих на одной оси. Когда через колесики пропускался ток, они начинали вращаться в одном и том же направлении. Ученый при этом заметил, что перемена полярности контактов или перемена полюсов магнитов изменяла направление вращения колесиков. Этот прибор вошел в науку под названием «колеса Барлоу». В настоящее время он используется только в качестве демонстрационного прибора. Практического значения колесо Барлоу не имело. Однако в 20-х гг. XIX в. прибор сыграл свою роль, направив поиски экспериментаторов на создание практически пригодного электродвигателя.
Интересная модель электродвигателя в 1831 г. была предложена Д. Генри в статье «О качательном движении, производимом магнитным притяжением и отталкиванием». Конструктивно форма, предложенная Генри, интересна тем, что в ней впервые была сделана попытка использовать притяжение разноименных и отталкивание одноименных магнитных полюсов для получения качательного движения. В модели, построенной ученым, электромагнит совершал 75 качаний в минуту, а мощность двигателя была равна 0,044 Вт. Поэтому о его практическом применении не могло быть и речи.
В том же 1831 г. электродвигатель с качательным движением якоря между полюсами магнита .был предложен С. Даль-Негро.
В моделях электродвигателей Генри и Даль-Негро был использован принцип возвратно-поступательного движения. На этом же принципе работал паровой двигатель. Об исключительной живучести этой идеи говорят и такие факты: первые изобретатели парохода предлагали использовать паровой двигатель для приведения в движение весел с тем, чтобы заменить гребцов, а первые изобретатели паровоза хотели создать передвигающийся механизм, подражающий движению ног лошади.
3. Создание первого электродвигателя
Идея Генри и Даль-Негро вначале довлела и над Борисом Семеновичем Якоби(1801-1874) , петербургским академиком . «В мае 1834 г. пишет ученый,- я построил свой первый магнитный аппарат, дающий постоянное круговое движение... Но я не мог сначала отказаться от идеи получить возвратно- поступательное движение, производимое последовательным притягивающим и отталкивающим действием магнитных стержней, а затем уже превратить это возвратно-поступательное движение в постоянное круговое известным в технике способом».
Но было бы неверным считать, что идея создания электродвигателя с вращательным движением впервые была выдвинута Якоби. Ее высказал в 1833 г. английский ученый В. Риччи в своей статье «Опытные исследования по электромагнетизму и магнитоэлектричеству». Для изучения и иллюстрации свойств магнита Риччи создал прибор, в котором ему с помощью магнита удалось получить вращательное движение железной полосы, обвитой проволокой, по которой протекал ток. «Самый поразительный результат,- писал он который мною был получен при перемене полюсов электромагнита, заключается в сообщении магниту вращательного движения вокруг его центра».
Неизвестно, знал Якоби о модели электродвигателей Риччи или нет, но вполне вероятно, что он независимо пришел к выводу о необходимости создания двигателя с вращательным движением. Он правильно оценил все преимущества такого двигателя. В отличие от своих предшественников Якоби сразу же решил создать не очередную физическую игрушку, а такой двигатель, который был бы пригоден для практики, «для нужд промышленности и жизни». «Я уже не говорю о крайней простоте магнитной Машины писал ученый с круговым беспрерывным движением, о конструктивных ее преимуществах и легкости превращения кругового движения во всякое другое, какого требует данная рабочая машина. Я с самого начала был проникнут этими мыслями, еще когда я не представлял себе, каким образом мне удастся осуществить свою машину; я тогда имел в виду практическое ее применение, и задача представлялась мне настолько важной, что я не хотел тратить силы на выдумывание игрушек с возвратно- поступательным движением, которые удостоились бы чести быть поставленными в один ряд с электрическим звонком в отношении их эффекта». Историческая заслуга Якоби заключается в том, что он руководствовался не отвлеченными научными рассуждениями, а как инженер исходил из практических запросов производства, которые и побудили его серьезно и вдумчиво заняться созданием необходимого для промышленности и транспорта двигателя. О своем изобретении Якоби впервые сообщил в конце 1834 г. в «Заметке о магнитной машине, в которой магнетизм используется как двигательная сила». Она была напечатана в трудах Парижской Академии наук.
Подробное описание своего электромагнитного двигателя Якоби дает в двух частях. Первую из них он печатает в 1835 г. в Потсдаме - городе, где родился, под названием «Мемуары о применении электромагнитной силы к движению машин», а вторую - в качестве продолжения первой под тем же названием в 1837 г. в трудах Петербургской Академии наук. Интерес к изобретению Якоби был всеобщим. У него сразу же нашлись и подражатели. В Петербурге о его двигателе стало известно уже в 1834 г. из статьи, напечатанной в № 10 «Журнала мануфактур и торговли» и в газете, издаваемой в столице на немецком языке «St-Petersburg Zeitung».
Что же представлял собой первый образец электродвигателя Якоби? Ученый кратко описал его так: «Аппарат состоит из двух групп по 8 стержней мягкого железа, длиной по 7 дюймов (177,8 мм.) и толщиной 1 дюйм (25,4 мм..). Обе группы стержней располагаются на двух дисках под прямым углом и симметрично одна по отношению к другой таким образом, чтобы полюсы приходились один против другого. Один из дисков неподвижен, а другой вращается вокруг некоторой оси, благодаря чему группа подвижных стержней проходит мимо неподвижных на возможно более близком расстоянии от них. Все 16 стержней обмотаны 320 футами (96 м..) медной проволоки толщиной в одну с четвертью линии (3,17 мм.); концы обмоток соединяются с полюсами гальванической батареи... Успешная работа этой машины обусловлена удачной конструкцией... коммутатора, осуществляющего перемену полюсов восемь раз за один оборот». Двигатель мог поднимать груз массой примерно 4- б кг на высоту около 30 см в секунду, что составляло мощность около 15 Вт. Он давал 80-120 оборотов в минуту. Окружная скорость подвижного диска была равна 1,8 м/с. Величина зазора между полюсами магнита равнялась 12,7 мм. Подвижной диск с электромагнитами имел массу 20 кг. В качестве изоляции сердечника электромагнитов использовалась шелковая материя. Для питания электромагнитов применялась гальваническая батарея (рис.1)
[pic] рис. 1.
Такими были главные конструктивные элементы и параметры электродвигателя Якоби, построенного им в 1834 г. Но не они характеризовали принципиально новые физические принципы, положенные ученым в основу своего выдающегося изобретения. Главное, чего удалось добиться Якоби в результате его напряженных творческих поисков, заключалось в том, что он обеспечил в своем двигателе вращательное движение подвижного диска, которое основывалось на взаимодействии полюсов электромагнитов подвижного диска и электромагнитов неподвижной рамы. Это новшество ученый считал одним из главных достоинств своего двигателя. Он с гордостью отмечал, что в его двигателе для движения диска применялись «новые силы», не использованные еще в практике. «Машина, -писал он, -дает непосредственное круговое движение, которое гораздо легче преобразовать в другие виды движения». Как это было им осуществлено практически, можно без труда понять из рассмотрения следующих двух основных схем.
Двигатель Якоби состоял из двух групп П-образных электромагнитов. Восемь из них, установленных на неподвижной раме, были соединены последовательно и питались током непосредственно от батареи гальванических элементов, причем направление тока в этих; электромагнитах оставалось постоянным. Восемь электромагнитов, установленных на подвижном диске, были подключены к батарее через коммутатор, с помощью которого направление тока в каждом из них изменялось 8 раз за один оборот диска. N1, S1, и N2 полюсы электромагнитов подвижного диска, N’1, S’1 и N'2 -полюсы электромагнитов неподвижной рамы (рис 2.) .Обмотка электромагнитов, чтобы не усложнять схем, не показана. [pic] рис.2
Перед запуском двигателя одноименные полюсы устанавливаются друг против друга . После начального толчка при включении батареи электромагнит N 1 будет отталкиваться от одноименного полюса N’1 и притягиваться полюсом S‘1 В результате такого взаимодействия полюс электромагнита N1 станет против полюса электромагнита S’1 и по инерции пройдет несколько дальше. В этот момент коммутатор (действие его будет рассмотрено позднее) произведет переключение полюсов батареи, и по обмотке электромагнитов подвижного диска будет проходить ток обратного направления. Вследствие этого полярность полюсов электромагнитов подвижного диска изменится и полюс N1, ставший теперь полюсом, одноименным с полюсом S’1 , будет от него отталкиваться. Аналогичный процесс будет происходить и при взаимодействии остальных полюсов электромагнитов, расположенных на подвижном диске и на неподвижной раме. Такое периодическое изменение полюсов электромагнитов в подвижном диске 8 раз за один оборот при наличии инерции будет поддерживать непрерывное вращение как подвижного диска, так и вмонтированного в его центр рабочего вала электродвигателя.
Талантливый инженер так остроумно решил вопрос о вращательном движении рабочего вала. Якоби первым в науке об электричестве обосновал все важнейшие преимущества такого движения для всех электродвигателей и убедительно показал нецелесообразность использования в них возвратно- поступательного движения. История полностью подтвердила исключительную плодотворность этой идеи. Все электрические машины со времени Якоби стали строиться с вращательным движением якоря двигателя.
[pic] рис. 3
Новой, чрезвычайно важной, технически целесообразной глубоко продуманной частью электродвигателя Якоби был коммутатор, созданный им специально для того, чтобы периодически изменять полярность подвижных электромагнитов. Технически эта идея была осуществлена так. Коммутатор, схема которого показана на рисунке 3, состоял из четырех медных колец 1-4, насажанных на рабочий вал электродвигателя. Кольца попарно соединялись медными трубками ff. на оси вала, закреплялись трубкой g из изолирующего материала и вращались вместе с валом. Каждое из колец, смещенных на 45° по отношению к предыдущему, имело 4 выреза, которые заполнялись вкладками из изолятора h. Поверхность колец была хорошо отполированной и ровной. По этой поверхности при вращении колец скользил контактный рычаг г, представлявший собой своеобразную щетку. Другой конец рычага опускался в чашечку со ртутью k, которая соединялась проводником с батареей. Металлические кольца были соединены с электромагнитами вращающегося диска. При его вращении металлические рычаги, попадая на непроводящие части колец, прерывали цепь, а при соприкосновении с металлом замыкали ее. Когда рычаг переходил с непроводящей части на металл, т. е. в тот момент, когда встречались разноименные полюсы, в обмотках электромагнитов, установленных на подвижном диске и последовательно соединенных, менялось направление тока.
Коммутатор был сконструирован Якоби так, что полярность электромагнитов изменялась 8 раз за один оборот рабочего вала. Именно поэтому электромагниты подвижного диска поочередно притягивались и отталкивались электромагнитами неподвижной рамы и этим самым обеспечивали вращательное движение рабочего вала или якоря двигателя. «Перемена полюсов писал ученый, -имеет чрезвычайно большое значение. Перемена эта должна осуществляться мгновенно и как раз в том месте, где полюсы располагаются один против другого. Механизм, производящий перемену полюсов, должен приводиться во вращение самим прибором».
Таковы были устройство и принцип действия коммутатора, созданного Якоби для своего первого электродвигателя. Коммутатор сразу же стали применять в конструкциях электродвигателей. В 1840 г. его использовал в одной из электрических машин Э. X. Ленц. Дальнейшее развитие электротехники полностью подтвердило необходимость наличия в конструкции каждого электродвигателя коммутирующего устройства.
Важной для развития электротехники явилась также впервые выдвинутая Якоби идея применения в электродвигателях только одних электромагнитов. Он первый отказался от использования в них постоянных магнитов, во-первых, потому, что они давали меньшую силу притяжения по сравнению с электромагнитами, и, во-вторых, потому, что они при сотрясениях и ударах размагничивались.
Из изложенного выше видно, что в своем электродвигателе Якоби впервые в истории электротехники удачно воплотил три новые прогрессивные идеи, которые в XIX и XX вв. получили дальнейшее развитие: вращательное движение якоря электродвигателя; наличие коммутатора с трущимися контактами, без которого невозможно обеспечить вращательное движение якоря, и, наконец, использование электромагнитов в подвижной и неподвижной частях электродвигателя или в его якоре и в его статоре. Отмечая преимущества и выгоды электродвигателя перед паровой машиной, Якоби писал: «В моем двигателе отсутствуют все управляющие и регулирующие механизмы, как-то: клапаны, вентили, поршни, полые цилиндры и др., которые в паровой машине дорого стоят и- быстро изнашиваются при работе. Благодаря этой простоте стоимость двигателя уменьшается и со временем может быть доведена до четверти стоимости паровой машины». Далее он отмечал: «Вследствие отсутствия трущихся частей двигатель почти не подвергается изнашиванию - в нем вращается в подшипниках только один вал, несущий на себе систему подвижных магнитов. В лучших паровых машинах изнашивание выражается по меньшей мере ежегодно в 10% стоимости... Магнитная машина обладает почти бесшумным действием благодаря тому, что в ней отсутствуют неизбежные в паровой машине сотрясения и удары, столь вредно действующие, в особенности в локомотивах». В электродвигателях полностью гарантирована также «абсолютная безопасность от высоких труб и дыма, которые в паровых машинах являются существенным недостатком». И наконец, весьма важным является простота его обслуживания. «Двигатель не требует постоянного наблюдения за собой, он может быть на целые часы и даже дни предоставлен самому себе, его действие остается ровным и спокойным». В то же время свой первый двигатель конструкции 1834 г. Якоби считал далеко не совершенным. Основным его недостатком была очень слабая мощность. Она составляла примерно 15 Вт. Такой двигатель не мог быть использован даже для приведения в движение обычной лодки. Ученый прекрасно понимал, что для создания практически пригодного двигателя предстояло решить еще немало и теоретических и экспериментальных вопросов. Он писал, что для того чтобы его электродвигатель мог получить «практическое применение», необходимо определить наибольшую величину «магнетизма», которую можно возбудить в мягком железе, установить, каких размеров должны быть «электромагниты» и как «должны быть устроены его обмотки». Необходимо было также научиться определять зависимость .мощности двигателя от силы гальванической батареи, ее конструкции и размеров. В связи с этим очень важно было найти, какими параметрами вообще определяется мощность двигателя и как должен быть произведен этот расчет. Все это было делом совершенно новым и неизученным.
4. Работы над улучшением свойств электродвигателя.
Теперь с созданием специальной комиссии и выделением для проведения опытов необходимых средств решение намеченных вопросов стало вполне реальным делом. Переехав в августе 1837 г. в Петербург, Якоби целиком отдает всю свою энергию, весь свой талант инженера и ученого выполнению возложенной на него огромной и ответственной задачи - созданию пригодного для практики, более мощного и более экономичного электродвигателя.
Для проведения необходимых исследований Якоби прежде всего потребовал выделения помещения, помощников и приобретения нужного ему оборудования. Требования ученого были быстро удовлетворены: помещение было выделено; механическая мастерская была оборудована необходимыми станками и инструментами; в качестве помощников для работы в мастерской были найдены достаточно квалифицированные мастер, слесарь и столяр. Необходимыми приборами была укомплектована и лаборатория. К концу 1837 г. по заданию комиссии, которая собиралась каждый месяц, Якоби построил три двигателя: один модели 1834 г., но большего размера, второй по его «совершеннейшей» конструкции и третий «по описанию подобного аппарата, сделанного в Америке». Все двигатели испытывались в лаборатории. Их мощность определялась по работе, совершаемой в точно установленное время при поднятии груза на определенную высоту. Мощность оказалась недостаточной для приведения в движение катера. Поэтому по предложению Якоби было решено строить двигатель больших размеров и главное - значительно большей мощности, примерно на 368- 760 Вт, с тем чтобы испытать его применимость для движения катера.
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.
[pic]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». [pic] 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».
Полученные результаты в изучении электродвигателей Якоби изложил в работах «О принципах электромагнитных машин» (1840) и «О теории электромагнитных машин» (1850). В своих изысканиях Якоби исходил прежде всего из особенностей конструкции своего двигателя, хотя и подчеркивал, что полученные им результаты приложимы к электромагнитному двигателю любой конструкции. Прежде всего он изучил параметры электродвигателя, которые, по его убеждению, определяли действие электрических машин и были наиболее важными для их характеристики. Такими параметрами он считал: скорость вращения ротора, величину действующих электромагнитных сил, мощность машин и, главное, их коэффициент полезного действия, или, как он писал, их «экономический эффект». Очень важно отметить, что при анализе работы электрических машин Якоби исходил из передовых научных представлений, т. е. из закона сохранения энергии, закона электромагнитной индукции, закона Ома и из установленных им совместно с Ленцем закономерностей для электромагнитов. Его труды были первой попыткой теоретического анализа работы электрического двигателя. Ученый писал их в то время, когда еще не были изучены процессы, происходящие во вращающихся двигателях, когда ученые ничего не знали о существовании петель гистерезиса и когда совсем не были изучены свойства ферромагнитных материалов. Поэтому совершенно не случайно формулы, выведенные Якоби для тормозного режима двигателя, не учитывали процессов, происходящих во вращающемся двигателе. Правда, ученый понимал, что сила притяжения электромагнитов при движении машин не оставалась постоянной и что при изменении направления тока в обмотке электромагнитов намагничивание сердечника происходило не мгновенно. А это означало, что «магнетизм» не сразу достигал своего максимального значения. Не зная магнитных характеристик железа, Якоби не мог понять причину такого несоответствия, хотя и предполагал, что это явление связано с особенностями поведения железного сердечника в магнитном поле. Он руководствовался законом пропорциональности между силой тока и намагничиванием железа. Но для областей, близких к насыщению железа, этот закон не мог быть применен. Поэтому и получалось расхождение вычисленных и опытных данных.
Ценные расчеты были проведены им и по определению мощности электродвигателя. Пользуясь современными обозначениями (Р - мощность, U - напряжение, R - сопротивление), формулу, по которой Якоби определял мощность электродвигателя, можно записать так:
P=U2/R
Формула имела глубокий энергетический смысл. Она наглядно доказала, что определенная механическая мощность на валу двигателя может быть получена только путем затраты пропорционального количества электрической энергии. В результате исследований по этому вопросу Якоби убедился в ошибочности своего первоначального предположения, сделанного им в 1834 г. Тогда он утверждал, что «новый двигатель не подчинен имевшему до сего времени силу закону пропорциональности между эффектом и затратами». Ему тогда казалось, что «в электрической машине скорость не стоит денег». После тщательных экспериментальных изысканий Якоби пришел к выводу, что дело обстоит далеко не так. Его иллюзии, как и иллюзии многих ученых и изобретателей относительно даровой механической работы, которую, якобы, можно было получить от электродвигателя, были глубоко ошибочными. Опыт показал, и это Якоби было неопровержимо доказано, что существует прямая пропорциональность между затратами на питание электродвигателя и получаемым от него эффектом. Двигатель, питаемый электрической энергией от гальванической батареи, не может развить большой мощности. Отсюда становилась очевидной задача начать поиски нового источника дешевого электрического тока для питания электродвигателя.
Изобретатели середины XIX в. слишком долго все надежды возлагали на гальванические элементы и аккумуляторы. Они были наиболее распространенными источниками тока примерно до 1870 г. Первый патент на самовозбуждающийся электрический генератор с кольцевым якорем был получен 3. Граммом в 1870 г. Этот генератор положил начало широкому практическому применению в промышленности и судоходстве электрических генераторов.
8. Заключение.
В середине XIX в. один из важнейших принципов электротехники - принцип обратимости электрических машин был еще не понят современниками Ленца и Фарадея. Не понял его и Якоби, хотя этот принцип был ему известен. Ученые, инженеры и изобретатели в то время обращали внимание прежде всего на возможность использования электромагнитных машин в качестве двигателей, а не в качестве источников электрического тока. Электродвигатель на первых порах своей эволюции рассматривался ими как нечто самодовлеющее и внутренне не связанное с электромагнитным генератором электрического тока. И только позднее после глубокого познания принципа обратимости и выяснения единой сущности двух казавшихся ранее независимыми электромагнитных процессов - генераторного и двигательного - динамо-машина и электродвигатель стали рассматриваться как одна и та же машина, различным образом используемая лишь в зависимости от преследуемых целей.
Список использованной литературы:
1. «Концепции современного естествознания».Степан Харланович Карпенков.
«Культура и спорт» , «Юнити». Москва, 1997.
2. «Б.С. Якоби». Москва, « Просвещение», 1978
3. «Физика в ее развитии ». Б.А. Спасский .Москва «Просвещение» ,1979.