§ 48. Некоторые особенности развития техники второй половины XIX в.
Наибольшее значение для развития физики во второй половине XIX в. имели теплотехника и электротехника. Паровая машина, ставшая универсальным двигателем как в промышленности, так и на транспорте, непрерывно совершенствовалась. Усовершенствовался способ парораспределения, в практику стали внедрять машины двойного и тройного расширения и т. д. Во второй половине XIX в. появляется двигатель внутреннего сгорания. Еще в XVII и XVIII вв. существовала идея построения порохового двигателя (т. е. двигателя, работающего за счет использования энергии взрыва пороха).
Рис. 1. Двигатель внутреннего сгорания В начале XIX в. были предприняты первые попытки построить двигатель внутреннего сгорания с применением в качестве топлива светильного газа. Однако первая удачная конструкция двигателя на светильном газе была создана только в 1860 г. французом Ленуаром. В 1867 г. немецкие изобретатели Отто и Ланген построили атмосферную машину внутреннего сгорания. В этой машине подъем тяжелого поршня осуществлялся в результате взрыва горючей смеси в цилиндре, а последующее опускание его происходило под действием веса поршня и атмосферного давления. В 1878 г. появляется четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, построенный Отто (рис. 1). Он оказался удобным в эксплуатации и получил широкое распространение. Наконец, в 90-х годах немецкий инженер Дизель сконструировал новый тип двигателя внутреннего сгорания, в котором происходило самовозгорание горючей смеси в результате ее сжатия. В 80-х годах XIX в. начинает внедряться в практику и третий вид теплового двигателя — паровая турбина. Первая удачная конструкция паровой турбины принадлежала швейцарскому инженеру Лавалю (рис. 2) и английскому изобретателю Парсонсу, построившим почти одновременно пригодные для эксплуатации паровые турбины. 
Рис. 2. Паровая турбина Лаваля Развитие теплотехники играло решающую роль для развития термодинамики. Мы уже видели, что первые исследования в области термодинамики были непосредственно связаны с задачей повышения коэффициента полезного действия паровой машины. В дальнейшем развитие термодинамики также стимулировалось техническими задачами конструирования тепловых машин. В свою очередь успехи термодинамики оказывали прямое влияние на развитие теплотехники. Теперь уже конструктор тепловых машин, будь то паровая машина, двигатель внутреннего сгорания или паровая турбина, В своей работе непосредственно опирался на теоретические положения термодинамики. Важную роль в развитии физики рассматриваемого периода играла электротехника. Эта область техники, зародившаяся еще в первой половине XIX в., начинает приобретать все большее и большее значение. Уже в 50-е годы Марке отметил: «... его величество пар (der Konig Dampf), который в прошлом столетии все на свете перевернул вверх дном, сходит теперь со сцены (habe ausregiert) и уступает свое место несравненно более сильному революционеру — электрической искре»1. Важное практическое применение электричества — электрический телеграф — был изобретен уже в первой половине XIX в. Во второй половине XIX в. телеграф вступает в новую фазу своего развития.» создается международная и трансконтинентальная связь. В 1851 г. прокладывается первый подводный кабель между Англией и Францией. А уже в 1857 г. начинаются работы по прокладке кабеля через Атлантический океан; в 1866 г. устанавливается постоянно действующая телеграфная линия между Америкой и Европой. С 60-х годов изобретательская мысль работает над изобретением телефонной связи. Начиная с 70-х годов наряду с телеграфом в практику входит и телефон, который получает все большее и большее распространение. 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 В. Томсона, относящиеся к теории электрических колебаний, были непосредственно связаны с его практической деятельностью научного консультанта компании, которая вела работы по прокладке трансатлантического кабеля. Развитие техники связи в значительной степени стимулировало конструирование электрических измерительных приборов, что в свою очередь сыграло важную роль в дальнейшем развитии электродинамики. В 1873 г. английский профессор Смит указывал: 
Павел Николаевич Яблочков «...большое практическое значение телеграфии способствовало быстрому усовершенствованию методов электрических измерений до таких пределов, которые сделали возможным сравнение их точности с точностью астрономических наблюдений»2. Второй широкой практической областью применения электричества было электрическое освещение. Открытие электрической дуги направило изобретательскую мысль на использование ее для освещения. Техническое выполнение этой идеи было связано с решением проблемы регулирования расстояния между электродами дуги по мере их сгорания. С середины 40-х годов появляются различные проекты таких автоматически действующих регуляторов, основанных на различных принципах. Но конструкции их были несовершенны и дуговые лампы получили весьма ограниченное применение для практических целей. Начало более широкому использованию электричества для освещения положило изобретение Павлом Николаевичем Яблочковым (1847—1894) оригинальной конструкции дуговой лампы (свечи Яблочкова), на которую он взял патент в 1876 г. Вместо обычного до этого времени расположения электродов в дуговой лампе, при котором расстояние между ними менялось по мере их сгорания, Яблочков расположил электроды параллельно, а между ними поместил изолирующую прокладку, которая сгорала вместе с ними (рис. 3). Конструкция оказалась удачной, и свеча Яблочкова получила распространение. «Русский свет» — так называли это изобретение — засиял на улицах, площадях, в помещениях ряда городов Европы, Америки и даже Азии. «... из Парижа,— писал Яблочков,— электрическое освещение распространилось по всеми миру, дойдя до дворца шаха Персидского и до дворца Короля Камбоджи»3. С начала 80-х годов свечу Яблочкова начинает вытеснять лампа накаливания. Еще в первой половине XIX в. пытались использовать для освещения раскаленные проводники, по которым проходил электрический ток. Однако в то время не были достигнуты положительные результаты. 
Рис. 3. Свеча Яблочкова Впервые пригодную для практических целей электрическую лампу накаливания сконструировал русский изобретатель Александр Николаевич Лодыгин (1847—1923). В 1873 г. он уже демонстрировал освещение лампами накаливания одной из улиц Петербурга. Лодыгин создал несколько конструкций ламп накаливания. Одна из ламп представляла собой стеклянный баллон, внутри которого в вакууме между двумя массивными медными стержнями помещался угольный стерженек (рис. 4). В 1874 г. Лодыгин получил за свое изобретение Ломоносовскую премию Академии наук и продолжал работать над усовершенствованием изобретения. Из-за финансовых затруднений он вскоре уехал за границу, где, однако, не бросил работать над более совершенными моделями ламп. Американский изобретатель Томас Альва Эдисон (1847—1931), также занимавшийся проблемой электрического освещения, создал в 1879 г. удачную конструкцию лампы накаливания, которая вскоре получила широкое распространение (рис. 5). Развитие электроламповой промышленности сыграло большую роль в развитии электродинамики и физики вообще. Необходимость создания хорошего вакуума вызвало появление вакуумной техники, без которой невозможны были бы последующие открытия, приведшие к развитию электронной теории и теории строения вещества. Известный английский физик Дж. Дж. Томсон, которому физика обязана открытием электрона писал: «Если наука помогает промышленности, то и в свою очередь промышленность помогает науке. Иллюстрацией может служить то, что потребность в высоком вакууме для электрических и электронных ламп привела к тому, что получение высокого вакуума стало делом коммерческой выгоды, а в результате физик имеет в своем распоряжении насосы настолько большой мощности, что они могут поддерживать высокий вакуум, несмотря на то, что в сосуд, где получается этот вакуум, непрерывно втекает поток тех частиц, которые мы желаем изучать. Это исключительно важно при изучении заряженных частиц и электронов»4. Наконец, электричество начинают широко применять в промышленности как двигательную силу; вместе с этим появляется пригодный для практической цели генератор электрического тока. 
Мы уже отмечали, что в первой половине XIX в. над изобретением электрического двигателя работали и ученые, и изобретатели. Однако в то время электродвигатели не получили практического значения. Одной из причин этого было то, что для их питания использовали гальванические батареи. Это было и дорого и неудобно. Для широкого применения электрических двигателей нужно было создать более совершенный источник электрического тока. Им мог быть только электрический генератор — динамомашина. Первые генераторы электрического тока, которые также появились еще в первой половине XIX в., были генераторами постоянного тока с постоянными магнитами. Несмотря на свое несовершенство, они получают практическое применение с самого начала второй половины XIX в. В основном такие генераторы использовали в гальванопластике и для питания дуговых ламп, устанавливаемых, в частности, на маяках (первые дуговые лампы были установлены на маяке в Англии в 1852 г.). В качестве примера можно привести довольно распространенный в 50—60-х годах электрогенератор, выпускаемый компанией «Альянс» в Париже и применявшийся в гальванопластике, а также для питания дуговых ламп (рис. 6). 
Генераторов, в которых вместо постоянных магнитов использовались электромагниты, питаемые током, который вырабатывался самим генератором, — так называемые генераторы с самовозбуждением. Генераторы с самовозбуждением, сконструированные Граммом (рис. 7), начали выпускаться промышленностью в 70-х годах и после дальнейшего усовершенствования получили широкое применение. Вместе с тем в практике начинают широко использовать и электродвигатели постоянного тока. Электродвигатели стали применяться на заводах для приведения в движение станков, на транспорте и т. д. В 80-х годах в связи со все более и более широким практическим применением электричества возникает новая техническая проблема — проблема распределения и передачи электроэнергии на далекие расстояния. Экономически более выгодной была система, когда электроэнергия производится на мощных электростанциях и снабжает большое количество потребителей, расположенных на значительном пространстве вокруг них. Но применение постоянного тока не позволяло перейти к такой системе электроснабжения. Для производства и потребления электроэнергии экономически был выгоден ток невысокого напряжения, но его невыгодно передавать на большие расстояния вследствие значительных потерь на джоулево тепло. Решить проблему централизованного снабжения электроэнергией можно было, применив переменный ток, напряжение которого легко менять с помощью трансформатора. 
Рис. 7. Магнитоэлектрический генератор Грамма Впервые для практических целей переменный ток начал использовать Яблочков. Питание изобретенных им свечей постоянным током было сопряжено с определенным неудобством. Положительный угольный электрод сгорал быстрее, нежели отрицательный. Чтобы избавиться от этого, Яблочков решил использовать переменный ток. Одновременно он решил проблему «дробления электричества», т.е. питания нескольких свечей или групп свечей от одного источника тока. При этом использовались индукционные катушки, играющие роль трансформаторов (рис. 8), которые начиная с 80-х годов в результате работы ряда изобретателей входят в практику. Применение переменного тока в электротехнике встретило сопротивление со стороны электротехнических компаний, производивших оборудование для постоянного тока. Разгорелась борьба, которая кончилась «победой» переменного тока. Важную роль в этом сыграло изобретение итальянцем Феррарисом и югославом Тесла так называемого вращающегося магнитного поля. Это изобретение позволило использовать асинхронные электродвигатели, которые решили задачу практического применения переменного тока как двигательной силы. 
Александр Григорьевич Столетов Развитие электромашиностроения также оказало существенное влияние на электродинамику во второй половине XIX в. Усовершенствование генераторов и электродвигателей требовало изучения свойств магнитных материалов, а вместе с тем создания их теории. Одной из первых фундаментальных работ в этом направлении была работа профессора Московского университета Александра Григорьевича Столетова (1839—1896) «Исследование функции намагничивания мягкого железа» (1871). Столетов применил метод намагничивания замкнутого железного кольца током, ставший затем одним из основных методов изучения свойств магнитных материалов (рис. 9), и установил целый ряд важных закономерностей, связанных о намагничиванием мягкого железа. Он писал: 
Рис. 8. Схема «дробления света» по Яблочкову «... изучение функции намагничения железа может иметь практическую важность при устройстве и употреблении как электромагнитных двигателей, так и тех магнитоэлектрических машин нового рода, в которых временное намагничение железа играет главную роль (снаряды Н. Уайльда, Сименса, Ладда и др.). Знание свойств железа относительно временного намагничения так же необходимо здесь, как необходимо знакомство со свойствами пара для теории паровых машин. Только при таком знании мы получим возможность обсудить a'priori наивыгоднейшую конструкцию подобного снаряда и наперед рассчитать его полезное действие»5. Особенно быстрое развитие исследований свойств магнитных материалов началось с 80-х годов, что было, несомненно, связано с успехами в конструировании электрогенераторов, электрических двигателей и трансформаторов. В начале 80-х годов было обнаружено явление гистерезиса; английские инженеры братья Гопкинсоны разработали так называемую теорию магнитных цепей. В 1895 г. П. Кюри исследовал зависимость магнитных свойств диамагнитных, парамагнитных и ферромагнитных материалов от температуры и установил существование точки Кюри у ферромагнетиков. Изучение свойств магнитных материалов также оказало влияние на исследование магнитооптических явлений, которое имело значение в развитии электронной теории. 
Рис. 9. Схема установки Столетова Применение электричества для связи, освещения, в качестве двигательной силы и т. д. оказало существенное влияние на развитие техники электрических измерений. Электроизмерительные приборы, появившиеся в первой половине XIX в., уже к 80-м годамдостигли большой степени совершенства. Электрические компании Европы и Америки изготовляли гальванометры, амперметры, вольтметры, магазины сопротивлений, эталонные конденсаторы и т. д. различных конструкций и различной чувствительности. В 1881 г.. в Париже под председательством министра почт и телеграфов Франции собрался первый международный конгресс электриков и была организована большая выставка электрооборудования. На выставке большое место было уделено электроизмерительной аппаратуре, выпускаемой различными электрическими компаниями и лабораториями. Были выставлены гальванометры, амперметры и миллиамперметры различных конструкций и различной чувствительности. Наряду с гальванометрами, способными обнаруживать ток силой 10-9 и даже 10-10 А, демонстрировались приборы, рассчитанные на измерение тока силой в десятки ампер. Здесь также имелись конструкции амперметров и вольтметров для переменного тока, эталоны и магазины сопротивлений, реостататы, мостики для измерения сопротивлений и емкостей. Большое внимание уделил конгресс вопросу об электрических единицах. Специальной комиссии было поручено разработать единую систему единиц. В нее вошли крупнейшие ученые различных стран, такие, как В. Томсон, Гельмгольц, Клаузиус, Кирхгоф и др., из русских ученых в комиссию вошел А. Г. Столетов. Комиссия подробно изучила вопрос об электрических единицах и разработала систему электрических единиц. 1Электродвигатель в его историческом развитии. — Документы и материалы. М.—Л., Изд-во АН СССР 1936, с. V. 2) Из предыстории радио. — Сборник статей и материалов. Вып. I. М.—Л., Изд-во АН СССР, 1948, с. 220. 3Шателен М. А. Русские электротехнике второй половины XIX в. М.—Л., Госэнергоиэдат, 1950, с. 116 4Тимирязев А. К. Жизнь и труды Дж. Дж. Томсона (1856—1940).— «Успехи химии», т. 10, 1941, № 1, с. 109—110. 5Столетов А. Г. Собр. соч. Т. I. М.—Л., Гостехиздат, 1939, с. 150. |
загрузка...