Изобретение переменного тока кратко

Обновлено: 05.07.2024

Конец XIX в. отмечен появлением многофазных систем передачи и распределения электроэнергии на базе синхронных генераторов и асинхронных двигателей, предложенных великим изобретателем Николой Тесла, который также исследовал беспроводные методы передачи энергии и информации.

Почти весь XIX век в практических применениях безраздельно господствовал постоянный ток. Главным препятствием широкой электрификации в то время была невозможность передачи электроэнергии на большие расстояния, а переходу на переменные токи мешало отсутствие эффективных электродвигателей переменного тока. Решение было найдено в новаторских работах гениального электротехника Николы Тесла.

Причин популярности постоянного тока тогда было несколько. Прежде всего, источниками тока служили гальванические батареи, и все производимые генераторы и моторы также были постоянного тока. Инженеры мыслили электрогидравлическими аналогиями, в которые не укладывалась идея потоков, меняющих свое направление, поэтому, например, приверженность Эдисона постоянным токам казалась вполне оправданной. Между тем недостатки устройств постоянного тока становились все более очевидными в связи с плохой работой коллектора электрических машин (искрением и износом), проблемами освещения и, главное, невозможностью передачи электроэнергии на большие расстояния.

Освещение по системе Эдисона имело низкое напряжение, 110 В, поэтому в каждом районе требовалось строить свою электростанцию. Например, в Петербурге из-за дороговизны земли такие электростанции ставились на баржах, стоящих в реках Мойке и Фонтанке [2]. Было ясно, что крупные генерирующие станции выгоднее строить вблизи рек и угольных бассейнов, вдали от городов. Но тогда для дальней передачи нужно или увеличивать сечение подводящих проводов, или повышать напряжение. Для проверки первого подхода на практике русский изобретатель Федор Апполонович Пироцкий предлагал использовать железнодорожные рельсы. Второй путь (повышение напряжения) был испробован французским инженером, впоследствии академиком Марселем Депре (Marcel Deprez), построившим несколько линий передачи постоянного тока с напряжением до 6 кВ. Первая из них, с напряжением 2 кВ, имела длину 57 км и питала двигатель постоянного тока с насосом для искусственного водопада на Мюнхенской электротехнической выставке 1882 г. [2, 4]. Однако для систем освещения такое высокое напряжение было непригодно.

Во многом наш электрический мир своим нынешним технологическим состоянием обязан ученому из Сербии. За годы своей бурной изобретательской деятельности он получил более 300 патентов, разработал двигатели переменного тока, подтолкнувшие промышленную революцию, и немного не дожил до признания своего вклада в открытие радио. Onliner.by рассказывает о человеке, который изобрел 21-й век.

Никола Тесла родился 10 июля 1856 года в деревушке Смилян (приграничный район тогдашней Австрийской империи) в семье местного приходского священника. Отец надеялся, что парень продолжит его трудовую карьеру, однако с самого детства Николу интересовало совсем другое. Сперва он мастерил рогатки и занимался всеми шалостями, присущими детям. Тесла был левшой, но в школе его, конечно же, переучили. Однако гений впоследствии одинаково хорошо управлялся обеими руками.

Сказать, что Тесла был странным — не сказать ничего. Он терпеть не мог женские серьги, один вид жемчужины был для него оскорбительным, а при взгляде на персик его бросало в жар. Со временем во взрослом возрасте к этим странностям добавлялись новые. Взглянув однажды на микробов под микроскопом, Никола приобрел привычку заказывать в ресторанах по 18 салфеток, чтобы лично протирать все приборы. Муха, севшая в процессе обеда на стол, могла вынудить Теслу и его спутников пересесть за новый.

Схема на песке

Снимок носит иллюстративный характер. Скорее всего, на нем изображен не Тесла, а любвеобильный инструктор по плаванию

Во время одной из таких прогулок Николу в буквальном смысле озарило. В одно мгновение он понял, как будет работать его двигатель, и принялся чертить прямо на песке схему. Она изменила и судьбу самого Теслы, и мир, в котором мы живем.

В те годы улицы городов освещали газовыми фонарями либо электрическими дуговыми лампами. Ни первый, ни второй способ не подходил для света в замкнутых жилищах простых обывателей. Электрический свет пришел в дома только в 1879 году, когда Томас Эдисон усовершенствовал лампочку до коммерчески выгодных параметров.

Здесь стоит объяснить, что в США тех лет электростанции Томаса Эдисона передавали постоянный ток (DC) низкого напряжения. Но эффективной передача была только на короткие расстояние. Точнее, на очень короткие расстояния — до двух километров от генератора. Чем дальше шли провода, тем больше энергии терялось по пути, что с коммерческой стороны было крайне невыгодно.

Тесла же ратовал за переменный электрический ток (AC), который особо не зависел от протяженности проводов. Проблема была только в модулировании напряжения на входе и выходе с электрических проводов для подачи безопасного тока в жилища. Эту задачу решил инженер Уильям Стенли: генератор производит переменный ток низкого напряжения, трансформатор повышает напряжение до нужной величины, ток передают на огромное расстояние, а другой трансформатор уже понижает его.

Адепты переменного тока упирались в одну важную деталь — отсутствие надежных электродвигателей, которые могли бы крутить на заводах и фабриках различные станки. Лампочки в домах потребителей в данном случае выступали скорее как PR-компания всего электричества вместе взятого.

Изобретатель работал над всей системой оборудования для передачи переменного тока сразу: генераторы, счетчики, трансформаторы. И над двигателями переменного тока. Мотор Теслы как раз использовал вращение электромагнитного поля. На полюса электродвигателя подавались два различных переменных тока, отличавшихся друг от друга сдвигом по фазе. Это и вызывало вращение магнитного поля. Оно увлекало за собой обмотку ротора. Никола принялся развивать идею двухфазного тока, отметив при этом, что количество фаз может быть и большим. В 1888 году он получил первые патенты на двигатели переменного тока.

Пожар

Разбогатев, Тесла перебрался в собственную лабораторию, где продолжал работать над самыми различными изобретениями. Так, в начале 90-х годов он демонстрировал изумленной публике лампу без нити накаливания, которая не была подсоединена ни к одному проводу, но все равно светилась. Это было подобие гейслеровской газоразрядной лампы, внесенной в переменное электромагнитное поле высокой частоты. Позже Тесла наполнит эти лампы люминоформами, сделав прообраз современных люминесцентных ламп. Эдисону конкурент его ламп накаливания не понравился. Он называл его мертвым белым светом, опасным для глаз.

13 марта 1895 года изобретателя постиг серьезный удар. Его лаборатория в Нью-Йорке на Пятой авеню полностью сгорела. Видимо, из-за короткого замыкания в здании начался пожар, который за несколько часов полностью уничтожил труды всей жизни Теслы: приборы, все экспериментальные установки, чертежи и документы, записи в дневниках инженера. Под натиском репортеров Никола держался достойно. Он заявил, что все удастся восстановить, кроме писем его близких.

Несмотря на феноменальную память Теслы, эти слова звучали скорее как бравада для журналистов. Частично восстановить наработки удалось бы, вот только для этого нужна была новая лаборатория. Сгоревшая же оценивалась в $250 тыс. И где достать такие деньги, Тесла не знал. Газеты называли пожар не личной потерей ученого, а трагедией для целого мира.

Но Никола к тому времени был уже всемирно знаменит и получил меценатскую помощь от американского предпринимателя. Ему предлагали создать совместную компанию, доработать то же изобретение радио до коммерческого образца, однако изобретатель видел перспективы в работе над высокочастотным током. Биографы ученого называют это главной ошибкой Теслы, негативно повлиявшей на его жизнь.

Рентген

Тесла вполне мог претендовать и на открытие X-лучей, впервые о которых рассказал Вильгельм Конрад Рентген в 1895 году. Еще в 1887-м серб проводил опыты с электровакуумными трубками. Внося их в поле токов высокой частоты, Никола регистрировал два вида излучения: видимый свет и ультрафиолетовое излучение. Но были и совершенно особые лучи, которые оставляли на металлических экранах странные отпечатки.

Спустя шесть лет во время публичной лекции Тесла вернулся к этим лучам, отметив их свойство проникать через предметы, что позволяло узреть находящиеся в ящиках объекты. Но из-за крайней занятости и распыленности ученого на различные объекты изучение лучей дальше не продвинулось. Только открытие Рентгена раскрыло глаза Николе, который, впрочем, не претендовал на первенство. Однако он крепко вцепился в тему, выпустил десяток научных статей о природе лучей и усовершенствовал рентгеновскую установку.

Тесла сканировал все и всех подряд: собак, своих коллег и самого себя. При этом для получения некоторых снимков приходилось сидеть под установкой по часу, во время чего исследователь частенько засыпал. Сперва он считал, что излучение совершенно безвредно: облучал голову, глаза, руки. Пока у него не появились первые ожоги.

Машина землетрясений Теслы

Позже Тесла потерял интерес к излучению и приступил к работе с ультразвуком, о чем соседи его лаборатории узнали самым неприятным образом — ученый буквально вызвал землетрясение в Нью-Йорке. По крайней мере, он, а позже его биографы рассказывали об этом происшествии.

С лабораторией Николы соседствовали полицейский участок, различные фабрики и жилые дома итальянцев. Весенним утром 1898 года полицейский участок начал ходить ходуном: тряслась мебель, ставни и двери сами собой открывались и хлопали. В панике население района выбежало на улицу, предполагая разрушительные толчки землетрясения. Полицейские же бросились прямиком к Тесле, которого считали виновником всех громких событий.

Ученого они нашли в лаборатории с кувалдой в руках. Ею он лупил по некому прибору, прикрепленному к опоре здания. Последний удар, и прибор рассыпался, землетрясение прекратилось. Это был осциллятор Теслы — генератор механических колебаний сверхвысокой частоты, вырабатывавший ультразвук. Эти колебания вызывали внутренний резонанс в предметах, когда совпадали с частотой их собственных колебаний. В этих принципах Никола видел огромную разрушительную силу. При достаточном объеме динамита изобретатель обещал расколоть Землю надвое.

Конечно, эти рассказы для репортеров оказались всего лишь рассказами. Позднейшие эксперименты с машиной поставили под сомнение ее всемогущие способности.

Радио Теслы

Радиоуправление

О первенстве Теслы говорит хотя бы тот факт, что в 1893 году он приступил к разработке дистанционно управляемых машин. Ученый писал, что упорно работал над ними пару лет и даже создал несколько механизмов, но приснопамятный пожар отбросил его далеко назад. Первая публичная демонстрация состоялась в 1898 году на выставке, где свои дистанционные мины представлял ненавистный Николе Маркони.

Гвоздем мероприятия стал показ изобретения Теслы — радиоуправляемой лодки, посреди которой торчал металлический стержень, а на носу и корме находились лампочки. У серба же в руках был дистанционный пульт управления. Меняя сигналы с пульта, Никола заставлял лодку двигаться вперед и назад, выполнять различные маневры.

Угасание гения

Но Теслу мало волновало мнение военных. Он был уверен, что в ближайшее время сможет передавать энергию без проводов. Идея фикс поразила ученого, и он отправился в Колорадо-Спрингс ставить эксперименты. Биографы Николы отмечают, что с этой поездкой наступил третий — заключительный и бесславный — период в жизни инженера. Великие изобретения остались позади, Тесла вошел в историю, и оставшаяся половина его жизни представляет собой медленный закат, о котором ученый пока не догадывается.

В Колорадо-Спрингс по заказу изобретателя построили 60-метровую антенну, с помощью которой Никола собирался экспериментировать с беспроводной передачей электричества. Но пока его башня, на которую с подозрением и опаской смотрели местные, только генерировала молнии — толщиной в руку и длиной более четырех метров.

Фотография из Колорадо-Спрингс, выполненная приемом двойной экспозиции. Сперва снимали молнии, а затем самого Теслу

На этой же станции Тесла, по его утверждению, зарегистрировал странные сигналы, которые могли быть радиопередачей с Марса или Венеры. Репортеры, естественно, выдали это за сенсацию. Никаких доказательств связи Николы с инопланетянами так и не было представлено. Ученого подняли на смех и за этот прокол, и за его дикую концепцию передачи электричества без проводов — он так и не смог объяснить, как же этого добиться на практике. Пока же выходили только молнии.

Несмотря на весь негатив, Тесла получил инвестиции под проект глобальной сети радио, хотя планировал заниматься энергией. На выделенные бизнесменом Морганом деньги Никола построил новую лабораторию и башню в Уорденклифе, которая стала известной на весь мир. Ее строительство, начавшееся в 1901 году, тут же вызвало претензии со стороны инвестора: он не понимал, зачем тратить деньги на башню, без которой Маркони сумел передать сигнал практически через всю Атлантику. Морган стал что-то подозревать и урезал финансирование.

Тесла раскрыл перед ним все карты. Бизнесмен планировал занять лидирующие позиции на рынке радио, но по факту выбросил огромную сумму денег на фантастические планы серба. Ученый на протяжении года писал ему письма отчаяния, однако после пары отказов его уже попросту игнорировали. Кредиторы осаждали Николу, участок вокруг башни пришлось продавать по кусочкам, а здание буквально по кирпичикам разбирали мародеры.

Крушение последних надежд Теслы повлияло на его характер. Он стал больше работать языком, а не головой, рассказывая о своих новых изобретениях, которые вскоре перевернут мир. Именно эти мистификации от самого серба поспособствовали созданию вокруг него ореола таинственности: космические лучи, загадка тунгусского метеорита, шпионские следы СССР и Германии. В биографии инженера осталось много таинственных пятен, которые напрямую не относятся к его настоящим изобретениям.

Наследие Николы Теслы

Сначала рассмотрим важные с научной точки зрения изобретения, но редко встречающиеся в повседневной жизни современного человека.

Катушка Теслы

Речь пойдёт об одном из самых известных и зрелищных изобретений Николы. Катушка Теслы является разновидностью резонансной трансформаторной схемы. Использовалось это приспособление для производства высокого напряжения высокой частоты.

Тесла задействовал катушки во время проведения инновационных экспериментов в области:

электрического освещения;
фосфоресценции;
рентгеновской генерации;
высокочастотного переменного тока;
электротерапии;
радиотехники;
передачи электрической энергии без проводов.

Кстати, Никола Тесла был одним из тех людей, кто предсказал появление Интернета и современных гаджетов.

Катушка Теслы является ранним предшественником (наряду с индукционной катушкой) более современного устройства, называемого трансформатором обратного хода. Он обеспечивает напряжение, необходимое для питания электронно-лучевой трубки телевизоров и компьютерных мониторов. Версии этой катушки широко используются сегодня в радио, телевидении и другом электронном оборудовании.

В всей красе катушку можно увидеть в научных музеях или на специальных шоу.

Катушка Теслы в действии – это всегда зрелище:

Башня Ворденклиф

Эта конструкция, известная также как Башня Теслы, была построена с целью осуществления беспроводной телекоммуникации и демонстрации возможности передачи электроэнергии без проводов.

Проект Ворденклиф требовал больших капиталовложений и на начальных этапах получил поддержку влиятельных инвесторов. Однако, когда работа над строительством башни была практически завершена, Тесла лишился финансирования и оказался на гране банкротства. А всё потому, что Ворденклиф могла быть предпосылкой к бесплатным поставкам электричества по всему миру, а это могло разорить некоторых инвесторов, чей бизнес был завязан на продаже электроэнергии.

Любители различных теорий заговоров связывают падение Тунгусского метеорита в Сибири и эксперименты Теслы с Башней.

Рентгеновские лучи

Однако Тесла продолжал исследования в этом направлении и даже провел несколько экспериментов до открытия Вильгема Рентгена, включая фотографирование костей его руки.

К сожалению, в марте 1895 года в лаборатории Теслы произошёл пожар, и записи об этих исследованиях были утрачены. После открытия Рентгена, Никола, используя устройство с вакуумными трубками, сделал снимок своей ноги и отправил коллеге вместе с поздравлениями. Рентген похвалил Теслу за качественную фотографию.

Вопреки расхожему мнению, Вильгем Рентген не был знаком с работами Теслы и к своему открытию пришёл самостоятельно, чего не скажешь о Гульельмо Маркони…

Радио и дистанционное управление

Инженеры разных стран работали над технологией радиосвязи, при этом исследования были независимыми друг от друга. Самый яркий пример: советский физик Александр Попов и итальянский инженер Гульельмо Маркони, которые в своих странах считаются изобретателями радио. Однако Маркони получил большую мировую известность, впервые установив радиосвязь между двумя материками (1901 г.) и получив патент на изобретение (1905 г.). Поэтому считается, что он в развитие радиосвязи внёс наибольший вклад. Но причём тут Тесла?

Как выяснилось, первым природу радиосигналов выявил именно он и в 1897 году запатентовал передатчик и приёмник. Маркони взял за основу технологию Теслы и совершил свою знаменитую демонстрацию в 1901 году. Уже в 1904 году Патентное бюро лишает патента на радио Николу, а через год присуждает его Маркони. Судя по всему, тут не обошлось без финансового влияния Томаса Эдисона и Эндрю Карнеги, которые были в конфронтации с Теслой.

В 1943 году, уже после смерти Николы Теслы, Верховный суд США разобрался в ситуации и признал более значительный вклад этого учёного в качестве изобретателя радиотехнологий.

Никола Тесла на деле показал возможности использования технологии передачи радиоволн. Сегодня дистанционное управление сплошь и рядом, начиная от телевизионного пульта и заканчивая полётами беспилотников.

Асинхронный двигатель и электромобиль Теслы

В 1888 году Тесла получил патент на электрическую машину, в которой под воздействием переменного тока создаётся вращение.

Не будем вдаваться в технические особенности работы асинхронного двигателя – те, кому это интересно, могут ознакомиться с соответствующим материалом на Википедии. О чём нужно знать, так это о том, что двигатель имеет простую конструкцию, не требует высоких затрат на изготовление и надёжен в эксплуатации.

Тесла намеревался использовать своё изобретение как альтернативу двигателям внутреннего сгорания. Но так уж случилось, что в этот период никто в подобных инновациях не был заинтересован, да и финансовое положение самого учёного не позволяло ему особо разгуляться.

Интересный факт! В Силиконовой долине великому изобретателю установлен памятник. Символично, что он раздаёт бесплатный Wi-Fi.

Нельзя не упомянуть и об окутанном тайной электромобиле Теслы. Именно из-за сомнительности этой истории не будем выводить её отдельным пунктом. Тем более, что тут не обошлось без электродвигателя.

1931 год, Нью-Йорк. Никола Тесла провёл демонстрацию работы автомобиля, в котором якобы вместо двигателя внутреннего сгорания был установлен двигатель переменного тока мощностью 80 л.с. Учёный колесил на нём около недели, разгоняясь до 150 км/ч. А загвоздка в следующем: двигатель работал без видимого источника питания, да и на подзарядку машина якобы никогда не ставилась. Единственное, к чему мотор был подключён, это коробочка, собранная из лампочек и транзисторов, которые Тесла купил в ближайшем магазине радиоэлектроники.

На все расспросы Никола отвечал, что энергия берётся из эфира. Газетные скептики начали обвинять его чуть ли не в чёрной магии, и раздосадованный гений, забрав свою коробочку, вообще отказался что-либо комментировать и объяснять.

Как бы там ни было, сегодня существует компания, в каком-то смысле реализующая эту идею Теслы. Названа она именем изобретателя.

Переменный ток

Так или иначе, перечисленные выше изобретения Николы Теслы связанны с переменным током – типом эклектического тока, способного изменять направление и величину в определённые промежутки времени. Подробнее об отличиях постоянного тока от переменного можете почитать в учебнике по физике.

В нашем случае нужно знать, что при передаче переменного тока от станции к потребителю энергопотери значительно ниже, да и трансформировать его гораздо проще. Таким образом, переменный ток можно назвать более практичным в плане распространения. На этом и настаивал Тесла.

Томас Эдисон как сторонник постоянного тока и как человек, зарабатывающий на этом деньги, всячески очернял идею использования переменного тока. Он говорил об опасности этого решения и даже убивал животных переменным током. Но справедливость восторжествовала, и сегодня по проводам вашего города проходит переменный ток.

Эпилог

Изначально задумывалось, что в этой статье будут кратко освещены важнейшие изобретения Николы Теслы. Но в ходе её написания выяснилось, что весь гений этого человека невозможно раскрыть в двух словах. Тесла действительно имел прогрессивные взгляды и удивлял мир своими открытиями. К сожалению, у него не всегда получалось доносить до общественности значимость его идей, особенно в условиях давления со стороны недоброжелателей.

Для использования электричества на практике, в производстве, необходимо передавать электроэнергию на некоторые расстояния, однако постоянный ток мало для этого подходил. Например, французский электротехник Марсель Депре пытался передать электроэнергию постоянного тока на расстояние 57 км., напряжение 2000 В (для передачи энергии на расстояние требуется значительное повышение напряжения), однако получил всего КПД 22%.

Открытие Николой Теслой переменного тока не очень-то жаловали некоторые прогрессивные умы того времени — утверждали о его непригодности для использования и опасности для человека. Этому способствовала и рыночная конъюнктура США, и видный ученый того времени — Эдиссон, который нажил состояние на постоянном токе, они всеми правдами и неправдами стремился сохранить его господство. Пиар кампания против переменного тока привела к ужасным последствиям - появлению казни на электрическом стуле. А именно Эдиссон первым убивал током животных, демонстрируя его опасность. (но и действительно при небольших значениях напряжения постоянный ток безопаснее, собака оставалась жива при 1000 В постоянного тока, и умирала — при 380 — переменного).

Преимущества переменного тока:
1) значительно более дешевое производство генераторов;
2) также и электродвигатели в изготовлении дешевле и проще;
2) более удобная передача на большие расстояния;
3) возможность легко менять напряжение;
4) возможность преобразовывать его в постоянный

Данный тип электроэнергии можно было гораздо проще передавать на дальние расстояния, с более высоким КПД, а трансформатор позволяет регулировать напряжение. Трансформатор — устройство для изменения переменного тока одного напряжения в другое (обычно, более низкое) при этом частота остается постоянной (стандартная частота для России 50 Гц), также более распространены синусоидальные колебания.

Прочая и полезная информация

Читайте также: