Сверхпроводимость и сверхпроводники

Мы давно уже привыкли, что по проводам в наших домах течет переменный ток, подразумевающий регулярную смену направления движения электронов и их заряда, а значит — скачки напряжения в цепи. Между тем еще в позапрошлом столетии ученые сомневались, стоит ли использовать переменный ток или же лучше выбрать постоянный.

В начале 1830-х английский физик Майкл Фарадей сообщил об открытии электромагнитной индукции, на которой и основано действие переменного тока, а год спустя ему пришло письмо от некого Р. М. с проектом синхронного генератора — механизма по превращению энергии вращательного движения в энергию переменного тока. Фарадею проект понравился, и он переслал письмо со своими комментариями в научный журнал, где некогда публиковалась и его статья: авось анонимный инженер читает издание регулярно и найдет там материал о генераторе. Судя по всему, Р. М. публикацию увидел, поскольку через несколько месяцев выслал уточнения к проекту и более детальное описание механизма, в котором, впрочем, не предусматривалось схемы для преобразования переменного тока в постоянный, однонаправленный и ровный по уровню напряжения. Потому для связи, освещения и химических реакций такой генератор не подходил.

Французский мастер Ипполит Пикси устранил этот недочет, собрав динамо-машину на основе идеи Р. М. (то есть вращающегося магнита, возбуждающего ток в двух неподвижных катушках проволоки) и добавив соединенный с магнитом щеточный коммутатор, призванный выпрямлять переменный ток. За последующие 40 лет были созданы разные вариации генераторов. Изобретатели увеличивали количество природных магнитов и катушек, даже использовали мощные электромагниты — железные стержни в проволочной обмотке, работавшие от обычного магнита.

В 1870 г. бельгиец Зеноб Грамм сконструировал самовозбуждающийся генератор, который представлял собой кольцо-якорь между двух электромагнитов. Обмотки магнитов одна за другой соединялись с обмоткой кольца, а кольцо — с валом, движимым паровой машиной. На выходе щетки коммутатора сглаживали переменный ток, и в пункт назначения он поступал без заметных скачков напряжения. На Венской всемирной выставке 1873 г. случайно обнаружилось, что динамо Грамма может служить не только генератором, вырабатывающим ток посредством якоря, но и двигателем — если пропускать ток через якорь. Впоследствии генераторы Грамма использовались для питания «свечей Яблочкова» — усовершенствованных дуговых ламп, где электродами служили угольные стержни, разделенные диэлектриком (глиной или гипсом с примесью металла). Постоянный ток для таких ламп не годился: из-за него один электрод сгорал быстрее другого, — а вот переменный то и дело менял местами катод и анод, так что стержни «таяли» одновременно. Поскольку от одного генератора работало сразу несколько ламп, Грамм оснастил электрическую сеть дополнительными индукционными катушками — трансформаторами, которые могли менять напряжение там, где это нужно.

С начала 1880-х перед изобретателями была поставлена сложная задача — придумать, как передавать электричество на длинные дистанции. Между городскими улицами и электростанциями, которые возводились вблизи источников воды и угля, пролегали десятки, а то и сотни километров — однако постоянный ток низкого напряжения, который тогда использовался, мог пройти по проводам всего пару километров, поскольку по пути расходовал массу энергии на борьбу с сопротивлением. Физики и электротехники пробовали повышать напряжение: например, Марсель Депре увеличил разность потенциалов со 100 до 2000 вольт и передал электроэнергию сначала на 57 км, а затем и на все 100 км. В конечном итоге ему удалось добиться напряжения в 6000 вольт, но на большее генераторы постоянного тока были не способны.

В 1882 г. решением задачи занялся сербский изобретатель Никола Тесла (1856—1943). Никола знал, что генератор переменного тока мог бы выдавать низкое напряжение, потом трансформатором увеличивать его до необходимого уровня и в таком виде передавать на любые расстояния, а уже в пункте назначения опять-таки с помощью трансформатора сбавлять обороты. Надо было только сделать такой генератор. Работая в телефонной компании Будапешта, Тесла много над этим размышлял — и в один прекрасный день его озарило. Вспомнив о давнем опыте Ф. Араго с медным кругом, вращающимся вслед за магнитом, изобретатель подумал: а что, если возбудить переменный ток в обмотках полюсов магнита, да так, чтобы эти токи шли со сдвигом по фазе — то есть чтобы колебания их напряжения и силы совершались с некоторой разницей во времени? Сдвиг заставил бы магнитное поле вращаться, и за ним крутился бы ротор генератора.

Одержимый этой идеей, Тесла быстро собрал двухфазный переменный генератор, предусматривавший небольшое расхождение (в 90°) между временем начала колебаний, и тут же показал его профессору Пражского университета Г. Пешлю. Увы, тот лишь посмеялся. Тогда Никола подался во Францию, где устроился в филиал компании Томаса Эдисона, а затем — в Америку, чтобы встретиться с великим изобретателем лично. Никола верил, что Эдисон уж точно заинтересуется его находкой.

Эдисон не заинтересовался. К тому времени у него уже было множество собственных разработок, в том числе лампа накаливания, генератор постоянного тока и система передачи, включающая три провода с разным напряжением. Система уже обслуживала часть Манхэттена, однако Эдисон хотел усовершенствовать свой генератор, о чем и попросил Теслу. Никола вместо этого предложил Томасу свой переменный генератор, Эдисон не заплатил ему за работу, и Тесла уволился. Вскоре, однако, ему улыбнулась удача: крупный промышленник Дж. Вестингауз выкупил патенты на все его разработки и начал генерировать переменный ток на Ниагарской ГЭС.

В ответ Эдисон объявил Тесле войну. Чтобы показать, насколько опасен переменный ток, «король патентов» прилюдно убивал им кошек и собак, а однажды устроил расправу над слоном. Более того, именно Эдисон сконструировал электрический стул, и с его подачи состоялась первая казнь электротоком (разумеется, переменным). «Топором было бы лучше», — саркастично прокомментировал это событие Вестингауз.

Впрочем, Тесла в долгу не остался, вот только его шоу были более безобидными. «Безумный» изобретатель жонглировал шаровыми молниями, подключал себя к трансформатору и пропускал через собственное тело электричество напряжением два миллиона вольт, вдобавок зажигал трубки, колбы и лампочки Эдисона в электрическом поле высокой частоты. Все удивлялись, как ему это удается, но Тесла прекрасно знал, что убить может высокая сила тока, а не напряжение, — высокочастотные волны лишь огибают тело, зато в их поле объекты светятся.

В итоге победителем войны токов стал Тесла, а Эдисон сдался и купил лицензию на использование электрооборудования компании Вестингауза.

Примерно в то же время с переменными токами экспериментировал итальянский физик Галилео Феррарис (1847—1897). Для одной из своих лекций он соорудил конструкцию из медного цилиндра, подвешенного на нитке, и двух электромагнитов, установленных по разные стороны цилиндра. Когда в обмотки магнитов подавался ток со сдвигом фаз в 90°, поочередно возникали магнитные поля, кружащие и приподнимающие цилиндр. В последующих опытах ученый повысил силу тока настолько, что цилиндр стал оборачиваться со скоростью 900 раз в минуту, но дальше дело не пошло. На этом основании в 1888 г. Феррарис заявил, что для практических целей переменный ток бесполезен, но, к счастью, Тесла первым сделал доклад о своем изобретении, чем доказал: многофазный ток можно и нужно использовать как в промышленности, так и в быту.

Тем не менее Фераррис тоже внес свой вклад в развитие электронной техники. В 1888 г. его статью прочитал русский инженер М. Доливо-Добровольский, которому уже давно хотелось переоборудовать двигатель Грамма, работавший на постоянном токе, в мотор на переменном токе. То, что итальянский ученый рассчитал КПД переменного двигателя не выше 50 %, инженера ничуть не смутило. Он сразу понял, что Феррарис ошибся, и принялся за создание трехфазного устройства. От якоря машины к магнитам было отведено не два, а три провода, а вся система настроена так, чтобы колебания в них начинались со сдвигом в 120°.

Вскоре двигатель Доливо-Добровольского показал, что трехфазный ток может быть достойным конкурентом двухфазного, более того — что он имеет множество весомых преимуществ.