Россия — родина электричества
В 1875 году русский инженер Павел Яблочков открыл так называемую «электрическую свечу» (в которой две угольные пластинки, разделенные фарфоровой вставкой, служили проводником электричества, накалявшего дугу), служившую источником света. Это изобретение он сделал еще в России, в московской лаборатории, созданной на собственные средства. Но на родине он не нашел ни поддержки, ни понимания.
Вскоре Яблочков оказался в Париже, где и завершил разработку конструкции электрической свечи. «Электрическая свеча» стала первым электрическим источником света. 23 марта 1876 года русский электротехник получил французский патент № 112024 на ее изобретение, содержащий краткое описание свечи в её первоначальных формах и изображение этих форм.
Свое детище Яблочков представил на выставке физических приборов, проходившей 15 апреля 1876 года в Лондоне. На невысоких металлических постаментах Яблочков поставил четыре свои свечи, обёрнутые в асбест и расположенные на большом расстоянии друг от друга. К светильникам подвёл по проводам ток от динамо-машины, находившейся в соседнем помещении. Поворотом рукоятки ток был включен в сеть, и тотчас обширное помещение залил очень яркий, чуть голубоватый электрический свет.
Успех свечи Яблочкова превзошел все ожидания. Мировая печать пестрела заголовками: «Изобретение русского отставного военного инженера Яблочкова — новая эра в технике»; «Северный свет, русский свет — чудо нашего времени»; «Россия — родина электричества» и т.д.
Во многих странах мира были основаны компании по коммерческой эксплуатации «свечи Яблочкова». Они появились в продаже и начали расходиться в громадном количестве. Каждая свеча стоила около 20 копеек и горела 1,5 часа. По истечении этого времени приходилось вставлять в фонарь новую. Впоследствии были придуманы фонари с автоматической заменой свечей.
В феврале 1877 года электрическим светом были освещены фешенебельные магазины Лувра в Париже. Двадцать две дуговые угольные лампы переменного тока – «свечи Яблочкова» – заменили двести газовых рожков. Это была настоящая сенсация. Затем свечи Яблочкова вспыхнули и на площади перед зданием оперного театра. А в мае 1877 года они впервые осветили одну из красивейших магистралей французской столицы — Avenue de l’Opera.
Вскоре «русский свет» озарил городские улицы, магазины и театры многих стран. Это изобретение положило начало практическому использованию электрического заряда для целей освещения.
Однако питание «свечей» постоянным током было неудобным. Уголь положительного электрода сгорал быстрее, ведь при образовании дуги анод, бомбардируемый электронами, разогревается до высоких температур. Анод делали массивным, но и это усложнение светильника не давало желаемого результата. Именно тогда, стараясь «уравнять в правах» электроды, Яблочков и предложил использовать переменный ток. Пожалуй, это решение по своей значимости было гениальным. Оно сразу позволило решить две проблемы: сделать «свечу» удобной и экономичной и во многом улучшить конструкцию генератора. Ведь становился ненужным коллектор — механическое устройство для превращения переменного тока, получаемого в любом генераторе, в постоянный. В дальнейшем это позволило поменять местами ротор и статор, что еще упростило конструкцию.
Второй шаг в создании современной электропередачи был снова сделан Яблочковым и его помощником Иваном Филипповичем Усагиным. И связан он с созданием электрического трансформатора. Трансформаторы позволяли увеличивать напряжение линий электропередачи, уменьшая при этом ток и, следовательно, потери. Так открылся путь к передаче энергии на большие расстояния.
Казалось бы, все хорошо, но следующая загвоздка: не существовало надежных двигателей переменного тока. Они плохо раскручивались, при перегрузке останавливались и не могли составить конкуренции двигателям постоянного тока.
В 1885 году итальянский профессор Галилео Феррарис развил теорию, по которой два переменных тока, сдвинутые по фазе на 90°, с помощью катушек, соответственно расположенных, создают постоянное по интенсивности вращающееся магнитное поле, которое можно использовать при создании электродвигателя переменного тока. Используя эту идею, в 1888 году Михаил Осипович Доливо-Добровольский начал работу над двигателем своей конструкции. Он установил, что при наличии только двух пар полюсов невозможно образовать постоянное по величине вращающееся магнитное поле, и начал увеличивать число полюсов или фаз. Характеристики двигателей улучшались, но… каждая фаза требовала для питания два провода, что в эксплуатации сводило на нет все преимущества двигателя—ведь каков расход меди! Остановившись на трехфазной системе, Доливо-Добровольский разработал схему, в которой для питания использовалось всего три провода:
Применив короткозамкнутый ротор в двигателе, изобретатель убрал из него коллекторно-шеточный аппарат, сделав машину весьма удобной и простой в обращении. Это произошло в 1889 году, то есть всего лишь за год он разработал конструкцию, которая используется до сих пор!
Триумф трехфазной системы электропередачи пришел в 1891 году, когда были произведены испытания системы Доливо-Добровольского на линии длиной 170 км — КПД передачи составил 79% при напряжении в 28 300 В.
А в 1893 году в Новороссийске была построена трехфазная электростанция мощностью 1200 кВт. Строил электростанцию русский инженер-путеец А. Шенснович.
Вот уже сто лет, как в мировой энергетике доминируют передачи трехфазного тока, но это не значит, что они не имеют недостатков. Дело в том, что для переменного электрического тока в принципе не существует идеальных изоляторов. Такой электротехнический прибор, как конденсатор, состоящий из пластин, переложенных диэлектриком, для переменного тока — сопротивление, а не накопитель энергии. Если себе представить воздушную линию электропередачи, как конденсатор, где обкладками являются провода, а диэлектрик — окружающий воздух, то можно понять, что с увеличением расстояния передачи емкость самой системы будет увеличиваться, а с ней и потери. И чем выше напряжение — тем больше. В каких-то пределах передача трехфазными токами оказывается неэкономичной.
Автор трехфазной системы Доливо-Добровольский это прекрасно понимал и уже в 1919 году говорил, что со временем следует перейти для сверхдальних электропередач к линиям постоянного тока высокого напряжения. С развитием полупроводниковой техники это стало возможным.