Еще накануне приезда в Россию Якоби в 1834 г. послал в Парижскую академию наук сообщение об изобретенной им «магнитной машине». Первый электродвигатель Якоби работал по принципу притяжения и отталкивания двух комплектов электромагнитов, один из них располагался на неподвижной деревянной раме, другой – на подвижной (рис. 5.4). Источником питания служила батарея гальванических элементов.
Направление тока, а следовательно, полярность неподвижных электромагнитов не изменялась, а для изменения полярности подвижных электромагнитов Якоби создал оригинальный коммутатор.
С помощью коммутатора полярность подвижных электромагнитов изменялась 8 раз за один оборот вала, и они поочередно притягивались и отталкивались неподвижными электромагнитами. Мощность электродвигателя составляла примерно 15 Вт, и Якоби, конечно, понимал, что нужно найти пути для увеличения мощности, чтобы – как он писал в записке президенту Академии наук и министру просвещения – «…Нева раньше Темзы или Тибра покрылась судами с магнитными двигателями».
Рис. 5.4. Внешний вид двигателя Якоби
Сначала он пошел по пути увеличения числа электромагнитов, но это только делало машину более громоздкой. Непрерывно работая над совершенствованием двигателя, Якоби узнал, что в 1837 г. американский техник Т. Девенпорт также построил электродвигатель, в котором взаимодействовали подвижные электромагниты с неподвижными постоянными магнитами. Двигатель Девенпорта был более компактным благодаря расположению подвижных и неподвижных частей в одной горизонтальной плоскости.
Талант инженера и ученого помог Якоби найти наиболее рациональную конструкцию двигателя, чтобы при увеличении его мощности размеры машины возрастали в вертикальном направлении. Якоби отказался от неподвижных постоянных магнитов – громоздких и ненадежных.
Модель нового элементарного электродвигателя (рис. 5.5, а) представляла собой два неподвижных электромагнита, расположенных на деревянном кольце, и четырех крестообразных электромагнитов (роторов), которые могли вращаться внутри неподвижных полукруглых электромагнитов (статоров).
В 1838 г. на Ижорском заводе был изготовлен новый электродвигатель совершенно оригинальной конструкции: на двух вертикальных осях укреплялись 40 (по 20 на каждой из них) крестообразных подвижных электромагнитов, а неподвижные полукруглые укреплялись на деревянной станине с помощью скоб из немагнитного материала. Общая высота двигателя составляла 1,2 м, а основание 0,7x0,77 м, т.е. двигатель занимал на судне – восьмивесельном катере – сравнительно небольшую площадь (рис. 5.5, б). Электрический ток для двигателя обеспечивали 320 (!) гальванических батарей. Мощность электродвигателя составляла около 1/4 лошадиной силы.
а)
б)
Рис. 5.5. Модель одного элемента двигателя Якоби (а), чертеж электрического двигателя Якоби (1838 г.) (б):
1, 2 – зажимы обмоток двух неподвижных электромагнитов; 3 – зажим коммутирующего устройства; 4 – вращающаяся часть двигателя
Во время первых испытаний катер двигался по Неве со скоростью 2 км/ч на расстояние 7 км по течению и против течения. Это был первый в мире опыт практического применения электродвигателя для движения судна. Комиссия, учрежденная для испытания «электрического бота» Якоби, признала успех сенсационным и рекомендовала «увеличить мощность» гальванических батарей.
Публичные испытания «электрического бота» состоялись в августе 1839 г. и вызвали восторженные отклики зрителей и статьи в двух номерах петербургской газеты «Северная пчела» (сентябрь 1839 г.). В статье с весьма оптимистическим заголовком «Новые успехи на поприще электромагнетических опытов и радостные надежды в будущем» газета писала: «Человек до. шестидесяти ученых, литераторов и любителей наук (в том числе несколько высших сановников) собрались на Петровском Острове, чтобы быть свидетелями новых опытов над применением электромагнетической силы к судоходству. Катер с 12 человеками, движимый электромагнетической силой (в 3/4 силы лошади), ходил несколько часов против течения при сильном противном ветре. Этот опыт в области науки то же, что открытие письмен. Нет еще эпопеи, но мысль уже выражена. Что бы ни было впоследствии, но важный шаг уже сделан, и России принадлежит слава применения теории к практике». Новый более мощный двигатель быстрее вращал гребные колеса, и скорость движения катера увеличилась до 4 км/ч.
Испытания двигателя показали, что он превосходит все другие зарубежные двигатели. Результаты испытаний давали надежду на реальную возможность использования двигателя в судоходстве. Особые надежды возлагали представители Военно-морского ведомства, видевшие его неоспоримые преимущества перед паровым двигателем, особенно на военных кораблях – ведь достаточно было одного вражеского ядра, чтобы парализовать движение корабля. Вместо огромного груза угля и паровой установки можно было увеличить число артиллерийских орудий, а штат команды сократить. А электрический ток от батарей можно использовать для освещения.
Успехи испытаний широко освещались в мировой печати. Великий Фарадей прислал Якоби восторженное письмо, надеясь на использование электродвигателя на крупных морских кораблях: «Какое это было бы славное дело», – воскликнул ученый.
Рис. 5.6. Электродвигатель Пачинотти
Британская ассоциация содействию науки, где в 1840 г. выступал с докладом Якоби, избрала его своим почетным членом.
Но попытки Якоби увеличить мощность электродвигателя и последующие испытания показали, что экономическая эффективность нового электродвигателя была явно недостаточна: одна лошадиная сила обходилась в 12 раз дороже, чем в случае применения паровой машины. И в 1842 г. Якоби в докладе Академии наук, подведя итоги четырехлетней работы над «попыткой применения электромагнетизма в качестве движущей силы признал питание электродвигателя от гальванических батарей нерентабельным».
Необходимо было создать легкий экономичный генератор электрической энергии нового типа для практического использования электродвигателя на корабле. Как удивился бы Якоби, если бы узнал, что более чем 160 лет после его экспериментов, несмотря на фантастические успехи электромеханики, океанские просторы будут бороздить не корабли-электроходы, а турбоэлектроходы, дизельэлектроходы, атомоходы. И можно только надеяться, что в будущем будут реализованы мечты нашего выдающегося ученого.
Но работы Якоби над созданием электродвигателя сыграли огромную прогрессивную роль в развитии электротехники и стимулировали изобретение электромашинных генераторов электрической энергии, получивших широчайшее практическое применение.
В течение трех десятилетий до изобретения самовозбужда- ющегося промышленного генератора постоянного тока Грамма, а также и электродвигателей (на основе принципа обратимости электрических машин) в разных странах были созданы несколько типов двигателей постоянного тока, не получивших широкого практического применения.
Среди них следует отметить оригинальный электродвигатель 19-летнего итальянского студента (впоследствии профессора) Пизанского университета Антонио Пачинотти (1860). Этот электродвигатель (рис. 5.6) состоял из якоря кольцеобразной формы, вращающегося в магнитном поле электромагнитов. В нижней части вала укреплялся коллектор, к пластинам которого подводились концы обмотки якоря. Пачинотти был сделан важнейший шаг на пути создания современной машины постоянного тока: неявнополюсный якорь, удобная схема возбуждения и коллектор, приближавшийся к современному.
Открытие явления электромагнитной индукции и создание первого электромашинного генератора
Как уже отмечалось, практическое применение электродвигателей оказалось невозможным из-за неэкономичности источников электрического тока – гальванических батарей. Поэтому во многих развитых странах начинаются интенсивные исследования с целью решения этой актуальной проблемы.
Первый электромашинный генератор, знаменитый «диск Фарадея», был создан в 1831 г. выдающимся ученым Майклом Фарадеем – сыном бедного лондонского кузнеца, не имевшим возможности даже окончить начальную школу. Но благодаря природному таланту, огромной тяге к знаниям и гигантской работоспособности он стал всемирно известным ученым, членом 68 академий и научных обществ, в том числе и почетным членом Петербургской академии наук. Нелегкий жизненный путь Фарадея, много лет работавшего в качестве лаборанта и лакея известного ученого X. Дэви, достойный пример для подражания миллионам молодых людей, стремящихся к овладению знаниям.
