Двустороннее движение электричества. Тесла. Переменный ток

РИС. 1

РИС. 2

РИС.З

РИС. 4

Двигатель Генри можно было перевозить с достаточной легкостью из-за компактного размера; кроме того, он мог работать с большей скоростью, чем паровая машина Джеймса Ватта (1736-1819). Последней, прежде чем начать работать, требовалось достаточно много времени для создания необходимого давления пара. С другой стороны, двигатель Генри создавал очевидную проблему: электричество для него должно было поступать с генераторной станции. Вопрос снабжения, то есть доставки энергии удобным способом, стал новым вызовом для исследователей электричества.

Таким образом, электричество не выходило на сцену во время первого этапа промышленной революции, но сыграло главную роль во втором этапе. Фарадей не смог математически изложить свои теории о силовых линиях, поэтому его не могли понять до середины 1870-х годов — именно тогда шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) представил их в математическом виде. Максвелл свел все электрические и магнитные явления к четырем уравнениям, осуществив важнейшую в истории физики операцию по синтезу данных.

Джеймс Клерк Максвелл опубликовал свои уравнения в 1873 году. В то время молодой Никола Тесла боролся с холерой за свою жизнь. Два года спустя, когда он приехал в Грац, работа шотландского ученого «Трактат об электричестве и магнетизме» еще считалась достаточно свежей, но ее важность уже не так сильно ощущалась. В университете Никола с большим энтузиазмом читал объяснения Максвелла, хотя в это время и был погружен в лихорадочную гонку за знаниями. Полученная им стипендия покрывала только первый год обучения. Зная об этом, Тесла не отрывался от книг и практически не спал — чтобы сдать два курса за один год. На первом курсе он не пропустил ни одного занятия, получил высшие оценки, основал клуб сербской культуры, добавил к своим занятиям физикой и математикой инженерную механику.

Динамо-машина, разработанная Зенобом Граммом: первый электрический генератор для промышленного применения.

На уроках по теоретической и экспериментальной физике Никола исследовал динамомашину, разработанную бельгийским инженером Зенобом Граммом (1826-1901), — первый электрический генератор для промышленного применения, который можно было также использовать как двигатель. Первые динамо-машины, приводимые в действие вручную, вызывали перепады напряжения и неизбежный переменный ток. Но постепенно они эволюционировали: появлялись новые элементы, среди которых — устройство для превращения тока в постоянный. Испытав машину Грамма на занятии, Тесла заметил, что от преобразователя переменного тока в постоянный летят искры, и однажды он даже взорвался. Преподаватель объяснил, что такое неизбежно у данных устройств. Проблемы можно было уменьшить, но использование подобных приспособлений не позволяло окончательно их устранить. Приборы используют постоянный ток, а динамо-машина вырабатывает ток переменный, поэтому преобразователь — неотъемлемая часть устройства. Тесла заявил: это происходит потому, что его действие ограничено используемым током, и работа устройства была бы более эффективной, если бы можно было использовать переменный ток. Согласно большей части биографических исследований, преподаватель ответил, что такую идею мог породить только фантазер: «Господин Тесла, безусловно, сможет совершить великие деяния, но осуществить именно это у него не получится». С тех пор в голове у Теслы поселилась навязчивая идея доказать, что его преподаватель ошибался.

Следующий курс обучения уже не был столь идиллическим. В конце второго года стало понятно, что скудного жалованья священника Милутина Теслы не хватит, чтобы оплатить образование сына. Никола начал играть сначала в шахматы, затем в бильярд, а потом в карты, раскрыв в себе — к собственному удивлению — хорошие способности к игре. В конце третьего года он перестал посещать занятия, а на следующий год оставил учебу. Это было началом периода в его жизни, о котором ему не нравилось вспоминать. Наиболее романтически настроенные биографы Теслы пишут, что он стал игроком, стремясь найти средства к существованию; другие, напротив, указывают на тот факт, что его исключили из университета за распутное поведение, что вызвало гнев отца, вероятно позабывшего о собственном исключении из военной академии за нарушение дисциплины. Сам Тесла признавался Джону О’Ниллу (автору книги Prodigal genius («Блудный гений») и единственному биографу, который был с ним знаком при жизни), что начал играть, желая расслабиться и смягчить давление от той кипучей деятельности, которую он сам себе навязывал.

Как бы то ни было, Никола отдалился от семьи — возможно, из-за стыда. Он перебрался в город Марибор в Словении, где нашел свою первую работу инженером на одном предприятии, а в свободное время продолжал играть в карты и шахматы в местной таверне. Милутин отправился на поиски сына и умолял его вернуться домой, но Никола отказался. Однако довольно скоро словенская полиция депортировала его из-за отсутствия вида на жительство, и Николе пришлось вернуться. Не прошло и месяца, как из-за скоротечной болезни в возрасте 60 лет умер его отец. Неожиданный удар положил конец юношеским метаниям Николы, он бросил игру, а вместе с ней табак, кофе и даже чай, без каких-либо уступок и оговорок (что было ему свойственно).

Для того чтобы объяснить свою идею вращающегося магнитного поля неспециализированной публике, Тесла часто прибегал к аналогии в гидравлике, а именно к движению лопастей мельничного колеса под действием текущей воды: в данном примере эквивалентом воды был электрический ток. Так в его автобиографии появилась глава «Мои изобретения» (1919).

Вращающееся магнитное поле основано на последовательном действии нескольких катушек. Для трехфазного вращающегося магнитного поля (см. рисунок) необходимо расположить три катушки под углом 120° друг к другу. К каждой из них подводится переменный ток со сдвигом по фазе соответственно смещению катушек. Каждая катушка образует в пространстве статическое магнитное поле. Амплитуда этого поля направлена на магнитную ось катушки и изменяется стечением времени по синусоиде. Комбинация пульсирующих полей, производимых тремя токами с разной фазой по времени, циркулирующих по трем катушкам с разной фазой в пространстве, переходит в магнитное поле, распространяющееся в пространстве по синусоиде и вращающееся со скоростью изменения токов во времени.

После смерти отца Никола получил место преподавателя в школе в Госпиче, где учился сам. Эту работу помог ему найти бывший одноклассник, сам теперь преподававший в школе. Тесле нравилось прививать юношам любовь к науке, но он чувствовал, что не сможет долго оставаться в таком качестве. И тогда ему помогли его дяди, Петар и Павел: они дали племяннику денег, чтобы он продолжил свою учебу в Праге.

Никола прибыл в Пражский университет в январе 1880 года, посередине курса, слишком поздно, чтобы быть зачисленным. Однако даже если бы Тесла приехал вовремя, его все равно не приняли бы, потому что он не изучал греческий и не говорил на чешском. Никола начал посещать занятия как вольный слушатель и заниматься в университетской библиотеке. Бывая в Cafe Popular, он лично познакомился с австрийским физиком Эрнстом Махом (1838-1916) и увлекся его работами. (Важнейшие открытия Маха в области термодинамики впоследствии повлияли на другого молодого студента по имени Альберт Эйнштейн.) Тем не менее, несмотря на прикладываемые усилия, Николе Тесле так и не удалось получить никакого академического звания.