Глава 1 История молнии

Глава 1

История молнии

Рассказ об изобретениях Теслы не может обойтись хотя бы без краткого изложения истории электричества. В старом анекдоте учитель спрашивает нерадивого Васю, что это такое, а тот, наморщив лоб, отвечает: «Знал, но забыл», «Вспомни, несчастный! — вскрикивает преподаватель. — Один во всем мире человек знал, что такое электричество, и тот забыл!»

Анекдот не слишком далек от правды — полностью в явлении «электричество» человечество не разобралось и до сих пор. Использовать умеем, эксплуатируем таинственное явление природы и в хвост и в гриву, жжем киловатты на миллиарды рублей и долларов, во имя электричества губим шахтеров под землей и мирных поселян вокруг атомных электростанций, затапливаем миллионы гектаров водохранилищами ГЭС и отравляем воздух сернистым газом на ГРЭС, а толком объяснить природу явления не можем. Работает, и ладно. (Кстати, все ли могут расшифровать аббревиатуру ГРЭС? Удивительным образом никакого сходства с ГЭС — гидроэлектростанцией. ГРЭС — это государственная районная электростанция, работающая не на энергии падающей воды, а благодаря сжиганию топлива)

Но историю электричества в общих чертах знаем. Считается, что древнегреческий любомудр Фалес Милетский еще в VI веке до н. э. потер янтарь шерстяной тряпкой, и к этой окаменевшей смоле потом притягивались обрывки бумаги. Разумеется, это чепуха. Первым о собственную шкуру потер кусок янтаря неандертальский вождь и естествоиспытатель Йырх Неуловимый, и никакой бумаги в Древней Греции еще не было. Но верно, что само слово «электричество» произошло от греческого «электрон», т. е. янтарь. К легенде о Фалесе приложил руку и Тесла, написавший «Сказание об электричестве» и в поэтической форме пересказавший нам байку о Фаэтоне, Фебе, Гелиаде и прочей древнегреческой шушере. Любопытно, что Фалес так задурил голову древнеримским грекам и прочим народностям Евразии, что до XVII века н. э. никто не пытался поэкспериментировать с другими природными объектами, обладающими свойством наэлектризовываться.

И только в начале того века придворный врач Елизаветы 1 и Якова I англичанин Уильям Гильберт тер шерстью уже три десятка разных драгоценных и полудрагоценных камней, кусков металлов, костей животных (и людей, между прочим) и разделил все исследованные им природные объекты на электризуемые и неэлектризуемые. Черепушки казненных в Тауэре оказались электризуемыми, что навело на мысль Отто фон Герике несколько позже изготовить «голову» из плавленой серы, насаженной, как головы казненных, на медную ось. Если при вращении голова терлась о камзол, то к ней потом притягивалась или от нее отталкивалась всякая мишура.

Далее в течение лет ста никаких особых открытий в области электричества сделано не было, зато в 1729 году профессор Питер ван Мушенбрек из Лейдена подсоединился серебряной цепочкой к такому же шару, но стеклянному, а другой конец опустил в банку с водой, намереваясь получить полезную для здоровья электрическую воду. Сейчас мы понимаем, что он перегнал в банку довольно значительное количество статического электричества, и неудивительно, что когда он отсоединился от шара и сунул в банку руку, как известный грека в реку, то получил изрядный удар током. Такую банку стали называть лейденской, однако потом присвоили это название стеклянному цилиндру, обернутому снаружи и внутри оловянной фольгой. Причем Мушенбрек к этой непростой конструкции никакого отношения не имел, а вот поди ж ты — его считают изобретателем этого сосуда с электричеством. Лейденские банки стали очень модными, ими развлекались при дворах европейских монархов, а алхимики стали использовать банки для получения философского камня. Впрочем, безуспешно. Напомним, что все эти игры проводились со статическим электричеством, до электротока было еще далеко.

Потом за дело взялся великий американец Бенджамин Франклин, известный россиянам больше не как один из основателей США и физик, а как персонаж на стодолларовой банкноте. Франклин разделил статическое электричество на положительное и отрицательное, а также изучал атмосферное электричество. Аналогичные опыты в России, где известно, как все делалось, привели к гибели ученого Рихмана от удара молнии, которую он додумался по проводу завести прямо в лабораторию. Вот ведь, немец, а туда же — так почва влияет на судьбу даже иноземца Первый в мире источник постоянного тока придумал итальянец Алессандро Вольта. До этого другой макаронник Луиджи Гальвани весь 1791 год мучил лягушек, тыкая в них спицами из меди и железа. О появлении электричества он узнавал, облизывая противоположные концы спиц — точно так же, как советские школьники пробовали плоские батарейки на язык. Гальвани решил, что дело в животном электричестве, Вольта же сообразил, что живая лягушка здесь ни при чем, а нужна просто любая электропроводящая жидкость между разнородными металлами, и построил вольтов столб из положенных друг на друга медных и цинковых кружочков, проложенных войлоком. Вся эта колбаска помещалась в кислый раствор (винного уксуса или соляной кислоты), который пропитывал войлок, и с крайних кружков можно было через проволочки снимать настолько большое количество электричества, что вскоре, сближая проволочки, Вольта увидел мощную искру между ними. Несколько усовершенствовав свой столб и воспользовавшись другими электродами, он открыл вольтову дугу, которую в период советской борьбы с космополитизмом (конец 40-х годов прошлого века) справедливо назвали дугой Петрова — петербургского академика, примерно в то же время наблюдавшего дугу между угольными стержнями, но не раззвонившего об этом по всему миру. Алессандро же Вольта не стеснялся демонстрировать свои изобретения перед сильными мира сего и получил от Наполеона графский титул. Да, вот еще — экспериментируя с различными металлами при изготовлении своего столба, Вольта построил их в определенный порядок, названный рядом напряжений. В этом ряду, чем дальше друг от друга стоят металлы, тем ток будет больше.

Ряд напряжений с не очень большими изменениями продолжают использовать и в настоящее время. Именем Вольта названа единица напряжения — вольт. Последнюю «а» зачем-то отбросили. А если бы вовремя подсуетился Петров? Она что, стала бы называться «петро»? Украинцы, ясное дело, были бы довольны, но «сеть на 220 петро» как-то не звучит.

Пафосно говоря, именно вольтов столб возвестил о новой эпохе в истории человечества — эпохе электричества. Дальше дело пошло быстрее, уже в 1820 году Эрстед описал отклонение магнитной стрелки вблизи провода с текущим по нему электрическим током, а немного позднее Био, Савар и Лаплас облекли эти наблюдения в скучные физические формулы. Вскоре свои эксперименты начал Ампер, обнаруживший и доказавший наличие безусловной связи двух явлений — электричества и магнетизма, и предложивший рассматривать их совместно под названием электромагнетизма. Сначала ему как-то не поверили, но потом Майкл Фарадей сумел превратить электрическую и магнитную энергию в механическую, а через лет десять решил и обратную задачу — превратил механическую энергию в электрическую (то самое, что делается на ГЭС, когда водопад крутит ротор генератора). В конце 1831 года Фарадей сообщил об открытии электромагнитной индукции (появление электрического тока в контуре, находящемся в переменном магнитном поле или движущемся в постоянном магнитном поле), которая составляет основу современной электротехники. Тут же были изобретены первые электромагнитные генераторы и электродвигатели.

В литературе имеется рассказ о том, как Фарадей получил по почте письмо с описанием электрического генератора, подписанное только латинскими инициалами R и М. Проект был очень хорош, и благородный Фарадей переправил письмо в научный журнал с собственными хвалебными комментариями. Легенда гласит, что таинственный R. М. так и не пожелал раскрыть свое имя, и мы до сих пор так и не знаем, кто на самом деле был изобретателем первого электромагнитного генератора, причем переменного тока. Историки провели тщательные розыски, но так ничего и не обнаружили.

Это странно. Совершенно ясно, что всю эту мистификацию придумал сам Фарадей, к тому времени слегка запутавшийся в вопросах приоритета на различные электрические прибамбасы со своим бывшим начальником Дэви. Подписываться своим именем ему было тогда неудобно, и если что и стоило бы сделать историкам естествознания, так это выяснить, что именно имел в виду Фарадей под литерой R; что М означает Майкл — это не требует специальных доказательств. На R начинается много английских слов, имеющих отношение к изобретательству. Наша гипотеза — researcher (исследователь). Вполне изящно — исследователь Майкл.

Генератор переменного тока не мог быть использован для изобретенных уже тогда электролиза, телеграфа, в дуговых лампах для освещения. Необходимо было устройство для преобразования переменного тока в постоянный, и вскоре оно появилось под названием коллектора, а по-русски — выпрямителя. В 1870 году Грамм придумал кольцевую обмотку якоря динамо-машины (генератора постоянного тока), и генераторы стали вырабатывать ток определенного напряжения без скачков выше-ниже, а на Венской промышленной выставке в 1873 году (Тесле уже 17 лет, он учится в Карлштадтском Высшем реальном училище) была случайно, одним любопытным посетителем, обнаружена обратимость машины Грамма — при вращении якоря появлялся электрический ток, а при протекании тока через якорь получался электродвигатель, быстро вращавший наколотый на ось коробок шведских спичек.

Вскоре произошло кардинальное улучшение дуговых ламп. Удивительно, но до нашего Яблочкова никто не догадался расположить электроды для получения дуги не горизонтально, друг напротив друга, а вертикально. При горизонтальном расположении постепенно сгорающих электродов их приходилось все время приближать друг к другу с помощью специального приспособления, и в основном вручную. А вертикально расположенные рядом электроды сгорали постепенно сверху вниз, не требуя подкрутки. Необходимо было только догадаться до состава изолятора между электродами, который тоже сгорал бы вместе с электродами, но до того продолжал изолировать электроды друг от друга. Впрочем, возникла и другая проблема — положительный анод сгорал заметно быстрее отрицательного катода, и Яблочков догадался, что в данном случае уместно использовать переменный ток, который будет время от времени изменять знак каждого из электродов на противоположный. И специально для питания «свечей Яблочкова» генератор такого тока был создан. Главной задачей электротехников стало решение проблемы передачи тока на значительные расстояния — ведь электроэнергию производили на ГЭС или вблизи месторождений угля, а потребляли вдали от них в городах.

Передача тока на значительные расстояния стала камнем преткновения для развития электротехники. Электрический ток передавали тогда по довольно тонким проводам и малого напряжения, лишь повышение этого напряжения со 100 вольт до 6000 вольт позволило Марселю Депре передать электроэнергию на почти 60 км, причем с неплохим коэффициентом полезного действия — 40 % Если бы удалось передавать ток с напряжением 20–30 тысяч вольт, задача была бы решена, однако генераторы постоянного тока в принципе не были на это способны. Оставалось лишь производить переменный ток низкого напряжения, затем повышать до требуемой величины, передавать на большие расстояния, а на месте снова снижать до реально используемого. Но как этот ток использовать, если устройств, прежде всего электродвигателей переменного тока, просто не существовало? При этом важно обратить внимание, что именно электродвигатели в те времена были основными потребителями электрического тока, они крутили станки на заводах и колеса различных транспортных средств. Так что задача сформулировалась сама собой — нужен электродвигатель переменного тока.

А не придумали ли что-нибудь похожее ранее? Да, кое-что было. Был знаменитый недооцененный опыт Араго, когда он демонстрировал вращение медного диска, вращая вблизи него магнит. Важно, что медь не является магнитным материалом, а тем не менее крутится. Появляется идея заменить магнит его «эфирным» аналогом — магнитным полем, и попробовать повторить вращение медного диска без вращения самого «материального» магнита. Причем использовать надо обязательно переменный ток. Эту задачу пытались решить и изобретатель передачи постоянного тока на большие расстояния Депре, и менее известные сейчас Брэдли и Йонас Венстрём (последний, кстати, одним из первых придумал трехфазные генераторы).

И тут-то настало время великого, а может быть, и гениального изобретателя Николы Теслы. Во время прогулки по Будапешту и цитирования любимого Гёте его озарило и он с ходу решил проблему и даже нарисовал принципиальную схему электродвигателя на переменном токе палкой на песке. Вращающееся магнитное поле было открыто и сразу же могло начать работать на человечество.