Статья: Генератор электрических искр – генератор новых идей

Для опытов Дагеру на помощь должен был прийти не оптик, а электрик. Эта роль, по всей видимости, и выпала на долю Г.Д. Румкорфа, иначе трудно объяснить, как сотрудник оптической мастерской, выйдя на самостоятельную работу, начинает принимать заказы на изготовление электрических приборов. Скорее всего, он, выполняя изобретательские фантазии Дагера, поднаторел в этом деле.

Индукционная катушка № 1

В Королевском институте Лондона установлен памятник М. Фарадею. Великий ученый увековечен в полный рост, он держит в левой руке предмет, напоминающий большой бублик. Этот тор и есть то знаменитое устройство, с помощью которого была открыта электромагнитная индукция – венец творческой деятельности Фарадея.

И все-таки тор не был первым устройством, использованным для этой цели ученым. Первое устройство представляло собой деревянный чурбак, на который были намотаны две не соединенные между собой проволочные катушки. Когда одну из них подсоединяли к гальваническому элементу, гальванометр, подключенный в цепь второй катушки, давал отклонение стрелки. Фарадей назвал ток во второй катушке индукционным, т. е. наведенным током. В дальнейших опытах исследователь обнаружил, что если использовать вместо дерева железный стержень, то эффект многократно возрастает. Фарадей делает для опытов другое устройство, где обе катушки наматываются на откованное кольцо из мягкого железа.

При опытах обнаруживается следующая закономерность. Отклонение стрелки гальванометра происходит толика и в момент выключения. Все остальное время, даже если по первой катушке продолжает идти электрический ток, стрелка остается неподвижной. Была еще одна странность. При включении стрелка гальванометра отклонялась в одну сторону, при выключении – в противоположную. Экспериментатор смог получать при таких манипуляциях даже искры, когда вместо гальванометра очень близко подводил друг к другу выводы второй катушки.

Ученый предположил, что наведение электрического тока во второй катушке происходит только в момент изменения магнитного состояния железного стержня. Как это проверить?

На прямой железный стержень Фарадей наматывает только одну катушку, в цепь которой включает гальванометр, и быстро этим стержнем замыкает полюса подковообразного магнита. Происходит то же самое. При приближении стержня к магниту стрелка отклоняется, при удалении тоже, но опять в другую сторону. Предположение подтверждается. Кстати, эта установка является моделью первого электромагнитного генератора [7].

Тор Фарадея был первым устройством, позволяющим преобразовывать постоянный электрический ток химического источника в переменный ток другого напряжения, т. е. первым электромагнитным индуктором. Правда, прерывание электрического тока приходилось делать вручную, но все остальные части устройства были налицо – магнитопровод, первичная и вторичная обмотки.

Магнитопровод состоял из мягкого железа диаметром 22 мм; согнутый в кольцо, он имел наружный диаметр 150 мм. Обмотки выполнялись медным проводом сечением 1,25 м2. Число витков катушек никто тогда не думал считать, но длина проволоки первичной составляла 7 м, вторичной – 18 м.

Описываемые события происходили в 1831 г., но уже в следующем году оказалось, что можно построить индуктор с такими же свойствами на несколько иных принципах. Любопытна история ознакомления первооткрывателя электромагнитной индукции с этими принципами.

Изучая термоэлектрические явления Зеебека, Фарадей никак не мог получить от термопары обыкновенной электрической искры. На одном из таких опытов присутствовал прибывший в Европу американский ученый Дж. Генри.

Экспериментатору он объяснил, что может вызвать искру. Не откажем себе в удовольствии процитировать А.М. Уилсона, американского физика и писателя, бывшего ассистента Э. Ферми, – настолько красочен этот рассказ: «Американец стал наматывать на палец проволоку плотной спиралью. Затем он просто присоединил эту спираль, надетую на небольшой железный стержень, к одному из проводов термопары. На этот раз при разъединении концов проволоки можно было совершенно отчетливо видеть искру. Фарадей восхищенно зааплодировал и воскликнул:

– Ура эксперименту янки! Но что же вы такое сделали?

И Джозефу Генри пришлось объяснять самоиндукцию ученому, который был известен на весь мир как человек, открывший индукцию» [8].

Действительно, все оказалось не таким уж и сложным. Обмотка, навитая на железный сердечник, нржня резко падала, что и наводило в этой же катушке значительный электрический потенциал, в сотни раз превышавший напряжение питания. Этот электрический импульс и пробивал воздушный промежуток между выводами. Возникала искра.

Как ни странно, но именно открытие Генри сразу же нашло практическое применение. Еще в 1815 г. Г. Дэви изобрел безопасную рудничную осветительную лампу. Широко известно, что открытый огонь под землей часто вызывает взрывы присутствующего там метана. Чтобы этого не случалось, Дэви оградил огонь светильника металлической сеткой. Этого оказалось достаточно для решения вопроса. Но зажигать такой светильник все равно надо было на поверхности.

С изобретением индукционной катушки устройство для зажигания такой лампы можно было легко поместить также под защитной сеткой и в нужный момент зажечь (рис. 1). Кнопку для зажигания можно вывести из-под сетки. Интересно отметить, что в настоящее время, когда существуют взрывобезопасные шахтерские электрические светильники, лампа Дэви продолжает нести свою охранную службу. Правда, в несколько иной роли. Электрический фонарь в канализационном колодце будет гореть, даже если колодец напрочь наполнен углекислым газом, что тоже смертельно опасно. А вот керосиновая лампа Дэви потухнет и этим даст сигнал о прекращении работ.

Сегодня мы завершаем публикацию очерка об истории создания и усовершенствования индукционной катушки, о ее практическом применении, а также о судьбах ученых, внесших свой вклад в становление и развитие электротехники.

Первые усовершенствования

Сотни ученых и энтузиастов электричества по обе стороны Атлантики повторяют опыты Фарадея. Каждому из них приходится самостоятельно изготавливать магнитопроводы и катушки. Ведь никаких специалистов по электротехнике нет, как не существует и самой электротехники. Катушки делаются из подручных материалов.

Трудно найти металлическое кольцо, да и на такое, как у Фарадея, не совсем удобно навивать провод. Поэтому сейчас сложно точно сказать, кто первым начал навивать витки катушек на прямой железный сердечник. Говорят, что это был английский пастор Галлан, одновременно предложивший наматывать первичную обмотку толстым проводом, а вторичную – тонким (как в воду глядел!), хотя трудно сказать, чем он при этом руководствовался.

Но, оказывается, и такую конструкцию можно улучшить. Немецкий профессор Буххофнер делает свою катушку, наматывая обмотки на пакет простых обрезков железной проволоки. Эта катушка работает даже лучше, чем с массивным сердечником. Выясняется, что так и надо делать, ибо в цельном магнитопроводе при изменении магнитного потока тоже наводятся токи, которые, ухудшая работу катушки, только нагревают стержень. Этим явлениям вскоре посвятит свои исследования Ж. Фуко и научно обоснует причину этого (токи Фуко). В дальнейшем магнитопроводы будут делать составными (шихтоваными) [9]. Короче говоря, улучшение параметров индукционной катушки идет методом проб и ошибок.

Американский физик Чарльз Пейдж предложил конструкцию катушки, в которой используется одна обмотка, но с питанием, подводимым только к части витков, где, по современной технологии, используется принцип автотрансформации (рис. 1).

Катушки индуктивности начинают использовать в лечебной практике врачи-физиотерапевты. Ведь переменный ток действует на организм человека при прочих равных условиях гораздо эффективней. Самым первым в этом списке следует назвать Антуана Массона (1806–1868), профессора из Парижа. Он пытается механизировать процесс замыкания и размыкания цепи питания первичной обмотки. Ведь никаких выключателей еще не существует. В лучшем случае, это чашечки со ртутью и опущенными в них проводниками.

Его прерыватель цепи представляет собой металлическую шестеренку, зубья которой при вращении шестерни периодически контактируют со специальным токопроводящим лепестком. Вращать шестеренку приходится вручную. Несмотря на примитивизм такой конструкции, Массон подмечает очень важную закономерность. Чем с большей скоростью вращать прерыватель, тем длиннее искру можно получить. Следовательно, пациент получает большее электрическое воздействие.

Но очень уж утомительно крутить прерыватель. Неужели нельзя как-то исключидурах? Оказывается можно, и сделать это сравнительно легко. 25 февраля 1837 г. на докладе Франкфуртскому физическому обществу некий Иоганн Филипп Вагнер (1799–1879), бухгалтер по торговле железом, представил конструкцию электромагнитного молоточка. Поскольку это устройство, известное как самопрерыватель Вагнера, сыграло громаднейшую роль в развитии электротехники, уделим ему особое внимание (рис. 2).

Подковообразный электромагнит при прохождении по нему электрического тока притягивает якорь. Якорь токопроводен, имеет специально устроенное контактное устройство, которое размыкается, когда якорь притягивается. Пружина возвращает якорь в исходное состояние, потому что обесточивается электромагнит, питаемый через контактное устройство, и цикл повторяется. Частота повторений циклов зависит от жесткости пружины и, в первую очередь, от контактного промежутка, который регулируется. Схема такого самопрерывателя до сих пор применяется в электрических звонках.

У конструкторов катушки возникла идея использовать этот принцип, применяя первичную обмотку, которая, конечно, образовывала магнитное поле и вполне могла притянуть небольшой якорек с контактом. Эта гениальная идея быстро была воплощена в жизнь. Такая катушка индуктивности завоевала признание и у врачей, и у исследователей не только электричества, но и иных областей физики. Но…

Катушка прекрасно работала только считанные минуты. Сложилась парадоксальная ситуация, когда устройство, предназначенное для генерирования искр, само выходило из строя из-за искр в прерывателе. Явление самоиндукции в первичной обмотке (вспомним опыт Генри) губило контакты прерывателя. Зачастую они полностью сгорали, хотя только из каких металлов их не пытались делать. Тупиковая ситуация. Это был именно тот случай, когда электрикам могла помочь только наука.