Первые электрические генераторы и электродвигатели

Первая половина XIX века отмечается также первыми попытками практического применения электричества в качестве движущей силы. В 1822 году англичанин Барлоу построил прототип электродвигателя — «звездное колесо» или «колесо Барлоу». Прибор Барлоу состоял из звездообразного металлического колеса с горизонтальной осью, край которого погружен в ванночку с ртутью и помещенного между полюсами подковообразного железного магнита. Если от оси колеса к его периферии и далее через ртуть течет ток, колесо вращалось.

В 1831 году Сальваторе даль Негро (1768—1839) построил первый электромотор, а в 1832 году Ипполит Пиксий, парижский конструктор физических инструментов, построил небольшую электромагнитную машину, в которой подковообразный магнит вращался перед электромагнитом в виде U-образного куска железа, обвитого длинным (30 м) медным проводом в шелковой изоляции. Концы провода шли в две чашечки, с которых начиналась внешняя цепьпеременного тока. Машина Пиксия имеет историческое значение, поскольку показала, что получающийся за счет нового явления электромагнитной индукции ток обладает значительной силой, о чем свидетельствовали опыты с химическим разложением и образованием искр. Но то, что ток во внешней цепи все время менял свое направление, казалось недостатком этой машины, поэтому Пиксий сразу же стал работать над тем, чтобы получить однонаправленный ток, и подсоединил к машине известный коммутатор Ампера, который автоматически менял соединения концов внешней цепи при каждой перемене направления тока.

В 1834 году Якоби описал электродвигатель, состоящий из системы железных стержней с проволочными обмотками на неподвижных и вращающихся частях мотора. Электродвигатель Якоби был использован в 1838 году для приведения в движение лодки на Неве. Источником питания в двигателе Якоби служили батареи гальванических элементов.

Одновременно с появлением электродвигателя возникает задача конструирования электромагнитных генераторов электрического тока. Первый генератор тока был построен самим Фарадеем. Фарадей был первым физиком, которому удалось получить вращение проводника с током в магнитном поле, был Фарадей. В 1821 году он сконструировал очень простое приспособление: конец подвешенного проводника был опущен в резервуар с ртутью, в который снизу входил слегка выступающий над поверхностью ртути вертикальный магнит. При пропускании тока через ртуть и проводник последний начинал вращаться вокруг магнита. Опыт Фарадея, блестяще модифицированный Ампером, бесчисленными способами варьировался затем на протяжении всего XIX века.

Прототип генератора электрического тока был построен и описан Фарадеем вместе с первыми опытами по электромагнитной индукции. Этот генератор состоял из медного диска, вращающегося между полюсами постоянного магнита; при этом в диске индуцировалась э. д. с. Полюсами генератора служили ось диска и неподвижная щетка, имеющая скользящий контакт с краем диска.

Говоря о первых попытках применения электричества на практике, следует упомянуть изобретенную Якоби гальванопластику. В 1837 г. Якоби сообщил о своем изобретении, а в 1839 г. в России применяли гальванопластинку при печатании кредитных билетов.

В 1844 году появилось описание «земно-электрической машины» (или «круга») Луиджи Пальмьери (1807—1896) как генератора переменного тока.

Конструкция генератора Пиксия была улучшена Кларком, Пэйджем, Молле и другими, после чего этот генератор получил практическое применение в гальванопластике, а с 1862 году в Англии стал использоваться для электрического освещения маяков.

Индукционные машины с прерыванием тока нуждались в быстром прерывателе тока, первая модель которого была изобретена в 1837 году Антуаном Массоном (1806—1860). В 1851 году Генрих Даниил Румкорф (1803—1877), известный парижский конструктор физических аппаратов, усовершенствовал аппарат Массона Так возникла «индукционная катушка», названная в честь Румкорфа его именем. Начиная с 1838 г. американец Чарльз Пэйдж (1812 — 1868) постепенно совершенствовал конструкцию индукционных катушек, но в Европе о его работах ничего не было известно.

Применение генераторов было весьма ограничено, особенно из-за несовершенства коммутаторов. Устранение этих несовершенств стало одной из главных задач электротехники того времени. В 1860 году Антонио Пачинотти (1841 — 1912) дал гениальное решение этой задачи, применив свою «машинку», представлявшую собой мотор постоянного тока с коллектором. Эта машинка описана в статье в 1864 года, где указывается также возможность превращения мотора в динамомашину постоянного тока.

Современная электротехника начинается с изобретения Пачинотти. Начиная с 1871 года его изобретение получило широкое распространение после внесения практических изменений Зиновием Граммом (1826—1901), а также с введения трансформатора, который был предложен Гояаром в 1882 году. В 1888 году Галилео Феррарисом (1847—1897) изобрел мотор с вращающимся магнитным полем.

Остановимся теперь кратко на развитии экспериментальной техники. Первыми измерительными приборами была гальванометры, которые появились уже в начале 20-х годов. Одним из первых был гальванометр немецкого физика Поггендорфа. Он состоял из проволочной катушки, внутри которой помещалась магнитная стрелка. Прибор был снабжен шкалой для количественных отсчетов.

В 1825 году итальянец Нобили сконструировал более совершенный прибор, применив астатическую систему из двух магнитных стрелок с противоположно направленными полюсами. Гальванометр быстро совершенствовался. Для более точных измерений стали применять зеркальный отсчет.

В 1848 году Вебер построил электродинамометр — прибор для измерения силы тока, состоящий из двух катушек, соединенных последовательно, одна из которых помещалась внутри другой и могла вращаться относительно первой. При протекании тока внутренняя катушка поворачивалась и по углу поворота определялась сила тока. Электродинамометр применялся для измерения силы постоянного и переменного тока.

В первой половине XIX века разрабатывают методы измерения сопротивления. В начале 40-х годов были построены первые переменные реостаты с отсчетом (в произвольных единицах). Якоби предложил единицу сопротивления, изготовил эталон сопротивления и разослал его ряду ученых. Исследованиями в области измерения сопротивления много занимался английский физик Чарльз Уитстон. Как отмечалось в предыдущем разделе, он изобрел так называемый мостик Уитстона, ставший основным прибором для измерения сопротивлений.

Несмотря на совершенствование измерительной техники, постоянной системы единиц для электрических и магнитных величин не было. Правда, уже в 30-х годах Гаусс, занимаясь исследованием земного магнетизма, предложил «абсолютную систему» единиц. Однако общепризнанные единицы для электрических и магнитных величин входят в практику только во второй половине XIX века.

Краткого упоминания заслуживает еще одно применение явления электромагнитной индукции — телефон, о приоритете на изобретение которого велись ожесточенные споры и даже судебные процессы. Теперь уже представляется несомненным, что первым изобрел телефон Антонио Меуччи (1808—1889) в 1849 году, но первый телефонный аппарат был показан лишь в 1876 году на Филадельфийской выставке Александром Грехемом Беллом (1847—1922). Приемная часть телефона Белла осталась без изменений до наших дней, передающая же была очень несовершенной. Ее усовершенствовал Эдисон в том же 1876 году, введя угольный передатчик, но существенное улучшение в 1878 году внес Дэвид Юз (1831—1900), изобретя микрофон, в основных чертах сходный с тем, который применяется в наше время. Первый, кто применил телефон при физических исследованиях, был, пожалуй, Кольрауш, использовавший его в своих работах по измерению сопротивления электролитов.

Широкое применение телеграфной и телефонной связи имело большое значение для развития электродинамики. Под влиянием практических потребностей телеграфной, а затем и телефонной связи развивались теория квазистационарных токов, и теории электрических колебаний. Известно, например, что работы Уильяма Томсона (1824-1907), относящиеся к теории электрических колебаний, были непосредственно связаны с его практической деятельностью научного консультанта компании, которая вела работы по прокладке трансатлантического кабеля.