У истоков электроэнергетики

Оглядываясь назад, мы всегда можем решить, как следовало бы в данном конкретном случае лучше всего поступать. Имея на вооружении все то, что открыли или изобрели предки, несложно подсказать им оптимальное решение по большинству проблем, с которыми они сталкивались. В этом плане полезно попробовать найти практическое решение по новой проблеме, еще не решенной сегодня. Лишь тогда, причем весьма приближенно, можно ощутить те сложности, с которыми сталкивались предшественники.

В 30-х годах ХIХ века электромагнитные явления все прочнее стали использоваться для связи и передачи сигналов. Постепенно сформировалась электрическая телеграфная служба с материальной базой, которая просуществовала почти полтора века. Развитие этого направления связано с именами Павла Львовича Шиллинга, Сэмюэля Морзе, Сайруса Филда и многих других. В 1832 году был проложен кабель по дну Финского залива. Уже в 1850 году был успешно проложен кабель через Ла-Манш. Задачу удалось решить только после подбора надежной изоляции. Это было первое значительное предложение впоследствии известного немецкого инженера Вернера Сименса. Он предложил изолировать кабель гуттаперчей. Эта изоляция была применена впоследствии и в трансатлантическом телеграфном кабеле в 1866 году.

Электрический телеграф стал бурно развиваться. Он стал серьезным потребителем электрического тока. Существующие до середины ХIХ века источники тока включали в себя только разного рода гальванические элементы и батареи. Они обладали ограниченными возможностями, быстро вырабатывали ресурс, требовали трудоемкого обслуживания.

Мы уже знаем теперь, что все гальванические элементы основаны на превращении химической энергии в электрическую. Изобретатели таких источников со временем сообразили, что энергия в них выделяется при образовании химических соединений, и поглощается при химическом разложении этих соединений. Проще всего условия для такого процесса можно создать, погрузив металлический стержень или пластину в химическую агрессивную жидкость.

Если поместить цинковый стержень в разбавленную серную кислоту, а затем проволочкой из другого металла соединить выступающий из жидкости конец стержня с этой кислотой, то в проволочке можно наблюдать протекание постоянного тока. Электрическая энергия появляется в результате химической реакции образования соли – сернокислого цинка. Лучше всего взять проволочку из меди, с которой слабая серная кислота практически не будет взаимодействовать. Это – простейшее средство получения постоянного тока. Именно этот принцип был заложен и в знаменитых вольтовых столбах. Подобные элементы выполнялись с различными конструктивными решениями, соединялись последовательно и параллельно. Все это позволяло выявить новые свойства гальванической батареи.

Но все эти источники электрической энергии имели много недостатков. Главные из них – малая мощность, недолговечность. При подключении потребителя электрического тока такой источник в течение нескольких минут слабеет.

Развитие телеграфа подтолкнуло к поиску путей совершенствования гальванических элементов. В 1828 году некто Кэмп обнаружил, что качество элемента заметно возрастает, если цинковую пластину покрыть слоем цинковой амальгамы (раствора цинка в ртути). Это позволило существенно повысить ресурс элемента.

Однако скоро было обнаружено, что выделяемый в реакции водород в виде мелких пузырьков скапливается на медной пластине, что затрудняло прохождение тока. В результате в элементе даже возникал ток противоположного направления. Это явление получило название “поляризации” элемента.

Устранить это явление удалось Даниэлю, который поместил пластины в разные жидкости: цинк – в разбавленную кислоту,

медь – в раствор медного купороса.

Чтобы жидкости не смешивались, Даниэль разделил их пористой (керамической) перегородкой. Таким образом удалось избежать контакта меди с кислотой и пузырьки водорода на пластине исчезли.

Было обнаружено, что в элементе Даниэля быстро вырабатывается медный купорос. Поэтому для продления срока службы достаточно было в раствор купороса подсыпать несколько отмерок твердых кристаллов медного купороса.

Элемент Даниэля получил существенное развитие, был реализован множеством модификаций. Однако вскоре было выяснено, что часть вырабатываемой им энергии тратится на нейтрализацию водорода с образованием металлической меди. Последняя откладывалась на медной пластине:

H₂ + Cu SO₄ = H₂ SO₄ + Cu (7)

Это обстоятельство вынудило изобретателей искать другой путь окисления водорода. Англичанин Грове предложил для этой цели азотную кислоту. При этом пришлось заменить медную пластину на золотую или платиновую. Азотная кислота в элементе Грове окисляет водород с отдачей своего кислорода. Что это дало? Электродвижущую силу одного элемента удалось поднять с 1 в. (элемент Даниэля) до 1,55 в (элемент Грове).

В элементе Бунзена дорогостоящая платина заменена углем. Это решение предложил немецкий химик Бунзен. Он научился изготовлять особо плотный уголь, обратив внимание на так называемый «ретортный уголь», которого в избытке было у любого химика тех времен. Аршеро усовершенствовал элемент Бунзена. Он поместил угольный электрод в глиняный, а цинковый цилиндр – разместил вокруг глиняного цилиндра. Поменял местами и растворы. Полученный элемент очень скоро получил широкое распространение. При этом приходилось мириться с вредными и неприятными испарениями азотной кислоты. Немецкий физик Поггендорф предложил заменить азотную кислоту хромовой. Элементы перестали давать тяжелый неприятный и вредный запах. В этом элементе удалось вообще устранить глиняный цилиндр. Сосуд заполнялся раствором двухромового калия с добавлением небольшого количества серной кислоты. В результате их взаимодействия выделяется хромовая кислота, которая обеспечивает окисление водорода.

Неудобство эксплуатации элемента состояло лишь в том, что хромовая кислота разрушала цинк и при отсутствии тока в цепи. Поэтому отключение элемента приходилось выполнять тем, что цинковая пластина извлекалась из элемента.

Далее химический элемент постоянного тока совершенствовался такими инженерами и учеными: Мейдингер (профессор из Карлсруэ), француз Лекланше, Грене, Калло, Де-ла-Рив, Флейшер и др. Однако все эти элементы содержали жидкую фракцию. Их невозможно было использовать на судах, других передвижных объектах. Была поставлена задача создания так называемого “сухого элемента”. Лекланше первый попытался решить эту задачу: он наполнил сосуд опилками, пропитанными раствором нашатыря. Сверху элемент герметично запечатывали варом. Однако опилки впитывали раствор плохо. Выделяющиеся газы вздували и срывали заливку из вара. Радикальное решение принял д-р Гесснер. Он наполнил элемент мягким тестом, состоящим из нашатыря, окиси цинка, воды и некоторых нейтральных веществ. Гесснер заменил стеклянный сосуд цинковым электродом в виде цилиндрического стакана. Сверху была устроена оболочка из папье-маше.

Таким образом, уже в 60-х годах ХIХ века сухой элемент вполне сформировался и содержал основные элементы современной батарейки.

Одновременно параллельно велись исследования по созданию газовых элементов. Существенных успехов в этом вопросе добился тот же Грове, газовый элемент которого использовал прямое окисление водорода в кислородной среде. Проблема прямого получения электрического тока из окисления веществ и сегодня находится под пристальным вниманием ученых. Вершиной успеха здесь является электрохимический генератор (ЭХГ), созданный в США и в Институте тока в СССР в 70-х годах ХХ века. В рассматриваемый период ведутся также настойчивые исследования термоэлектрических элементов.

Однако потребности в электрической энергии опережали ее выработку. Даже лучшие конструкции гальванических элементов не могли обеспечить постоянно расширяющегося электропотребления. Особенно потребность в электрической энергии возросла с изобретением новых осветительных приборов, так называемых “свечей Яблочкова”. К сожалению, объем курса не позволяет отдать должное внимание этому гениальному изобретению русского инженера, история которого и трагична и поучительна.

Все острее стояла проблема получения мощного источника электрического тока. Причем, очень долго под электрическим током понимали только постоянный, "гальванический” ток. Поэтому и на другие средства получения электрического тока автоматически накладывалось такое же требование. Необходимость решения задачи усугублялась также тем, что уже получили развитие и другие способы использования электрической энергии. Среди них нужно назвать гальванотехнику - солидного потребителя постоянного электрического тока.

В решении этой задачи историческую роль сыграли открытия и эксперименты М. Фарадея, и в частности – явление электромагнитной индукции. Из лабораторной установки, с помощью которой он наблюдал появление тока в замкнутом проводнике при перемещении магнита, мало помалу развилась электромагнитная машина. Она явилась предшественницей динамо-машины и представляла собой катушку, которая вращалась в поле постоянного магнита. Увеличение числа витков приводило к увеличению электродвижущей силы машины. Было замечено, что электрическая сила, возникающая в витках катушки, складывается. Механизм этого явления удалось разгадать. Было также замечено, что электрическая сила катушки зависит от скорости ее движения в магнитном поле.

То же самое происходило, если магнит приближался к движущейся катушке. Пришли к выводу, что по мере приближения к полюсам магнита силовые линии становятся гуще. Затем катушку снабдили железным сердечником, и это существенно увеличило ее электрическую силу.

Следующим шагом было изобретение токосъемного устройства. Ведь вращающуюся катушку нужно было соединить с неподвижным в пространстве потребителем. Такое устройство было выполнено в виде скользящих контактов, состоящих из вращающихся вместе с катушкой колец и прижатых к ним неподвижных пружинящих пластин. Такой механизм и сегодня присутствует во многих конструкциях электрических генераторов и двигателей. Однако вскоре выяснилось, что полученный от такой машины ток был не похож на привычный уже постоянный ток от гальванического элемента. Ток от такой машины постоянно менял свое направление. Он был переменным.

Инженер Пиксии уже в 1837 году построил машину без скользящих контактов. В этой машине вращался магнит. Катушки же были неподвижными. Однако эта машина тоже давала переменный ток. Она стала прообразом нынешнего синхронного генератора.

Потребители же электрической энергии не были готовы для использования переменного тока. Они требовали ток постоянный. Задачу решил все тот же Вернер Сименс – талантливый немецкий инженер. Он изобрел коммутатор – прообраз современного коллектора. Коммутатор Сименса состоял из двух медных полуколец и щеток. Полукольца вращались вместе с катушкой, концы которой были с ними соединены.

Получилась модель, с которой и сегодня школьники и студенты начинают осваивать устройство и принцип работы динамо-машины – электрического генератора постоянного тока.

Однако Сименс не ограничился изобретением коммутатора, который превращал переменный ток катушки в постоянный ток внешней цепи. В. Сименс заменил постоянные магниты железными сердечниками с катушками – электромагнитами. Это была идея Г.Вильде из Манчестера (1866 год), Сименс осуществил её «в металле», как сейчас нередко говорят, и добился положительного результата. Именно эти электромагниты стали прообразом главных полюсов, которые присутствуют сегодня почти в каждом генераторе постоянного тока.

Машина В. Сименса получила название “динамо” и стала пригодной для практического использования. Вращающаяся часть машины получила название “арматура” или “якорь”. Первое название дали англичане, ведь в переводе с английского «armature» - это “вооружение”.

Вращающийся якорь динамо-машины состоял из железного сердечника, катушки и полуколец коммутатора. Все это было размещено на общем вращающемся валу.

В.Сименс решил еще одну важную задачу. Он применил “самовозбуждение” динамо-машины, то есть ток для катушек полюсов получал от вращения якоря.

Первая промышленная динамо-машина, пригодная для выработки электрической энергии в виде постоянного тока с приличной мощностью, была построена в 1867 году англичанином Леддом. И хотя принцип самовозбуждения в ней еще не использовался, машина очень скоро получила распространение.

Что же касается судьбы изобретений В. Сименса, то от них пошли сегодня все генераторы постоянного тока. Фирма Сименса очень скоро превратилась в мощное предприятие, изделия которого к концу ХIХ века можно было встретить во всех концах Европы и Северной Америки.