Электрические мальчики и венская пара

Великое открытие было сделано совершенно случайно, но путь к нему продолжался полтора века

Провода прочно вписались в земной пейзаж всего 170 лет назад. Фото (Creative Commons license): Aaron Gustafson

Люди придумали специальные машины для получения статического электричества и стали исследовать разряды на 50 лет раньше, чем им пришло в голову передать полученное электричество на расстояние.

Великое изобретение, без которого немыслима жизнь ни одного из нас, было сделано на досуге пенсионером, которого приютили в частной богадельне. Это случилось в 1729 году в лондонcком доме престарелых под названием Чартерхаус (его здание сохранилось, сейчас тут (Charterhouse Square) медицинский институт знаменитого госпиталя св. Варфоломея).
[cut]

Провода тоже надо было изобрести, или Как отличился пенсионер

Заведение было создано по завещанию ростовщика Томаса Саттона «для людей, проживших всю жизнь в комфорте, но к старости попавших в трудные обстоятельства». По замыслу ростовщика, это были покалеченные офицеры, потерпевшие крушение капитаны, разорённые пожаром купцы. В Чартерхаусе у них снова были слуги, хороший стол, дорогие врачи. На заведение пошла большая часть состояния Саттона. Наследники пытались было оспорить завещание, но предусмотрительный Саттон назначил распорядителями средств приюта лорд-канцлера и архиепископа Кентерберийского. Эти важные персоны сумели защитить идею Саттона от искателей наследства и претворили её в жизнь.

Чартерхаус был рассчитан на 80 пенсионеров. Поместить кого-то сюда могли только очень влиятельные люди, обычно члены королевской семьи. В 1718 году принц Уэльский, будущий король Георг II (George II, 1683–1760), определил в Чартерхаус пожилого красильщика по имени Стивен Грей (Stephen Grey, 1666–1736).

Отец Грея, тоже производитель красок, преуспевал. Сын оказался в доме престарелых скорее всего потому, что растратил состояние на телескопы. Хотя Грей регулярно писал в научные журналы, большинство учёных не считали его за своего: «он же нигде не учился — так, увлечённый астрономией красильщик».

Опыт, поставленный Греем 8 апреля 1730 года над воспитанником пансиона Чартерхаус. Ноги подвешенного на шелковых шнурах мальчика заряжались статическим электричеством от натертой стеклянной трубки. При этом его руки притягивали бумажки и медные листочки. Так было впервые показано, что человеческое тело прекрасно проводит электричество

Грей был одержим идеей, что притяжение между Землёй и Солнцем на самом деле электрическое. Пытаясь это доказать, он вносил бурное оживление в жизнь своей богадельни. Один за другим ставились опыты, для которых заказывались разные приборы, и в том числе стеклянные трубки. Для получения электричества эти стеклянные трубки натирали мехом или тряпкой, пока на них не скапливался ощутимый статический заряд. Для легкости и экономии стекла трубки делались полые. Чтобы внутрь не забивалась грязь, Грей затыкал их пробками. Однажды он забыл вынуть пробку, натёр трубку и увидел, что пёрышко притягивается к пробке даже сильнее, чем к трубке. Из этого ученый красильщик сделал вывод, что электричество перетекло в пробку.

А как далеко передаётся электричество? Грей просверлил пробку, вставил в неё палочку 15 сантиметров длиной и насадил на конец палочки бильярдный шар из слоновой кости. Оказалось, притягательная сила передалась по палочке, и шарик притягивает пёрышки даже сильнее, чем пробка.

Следующим материалом, связывающим шарик и трубку, была уже металлическая проволока. Это был первый настоящий провод. Правда, работать с проволокой было неудобно, при натирании она дрожала. Проволоку заменили на пеньковую бечёвку, так что вся конструкция напоминала короткую удочку. Наряду с шарами слоновой кости в ход пошли монеты, гири, кочерги, чайники с кипящей водой. Все эти предметы с одинаковой силой проводили электричество.

Максимальная длина, на которую можно было передавать электричество в комнате Грея, — 6 метров. Она была исчерпана, когда Грей насадил на трубку настоящее удилище. Шарик на том конце удилища исправно притягивал бумажки, перья и новый индикатор — тонкий медный листик, который взлетал к шарику с дощечки. Грей понял, что это не предел.

В одно раннее майское утро 1729 года старик отправил во двор пансиона своего ассистента с медным листком. Сам же вышел на балкон с трубкой и удилищем, с которого свисал шарик на восьмиметровой бечёвке. Полный успех! Из окна был виден купол собора святого Павла. «Кажется, — сказал Грей, — можно передать электричество с этого купола вниз».

Но по горизонтали можно передавать его ещё дальше. Грей вбил в потолочные балки гвозди, повесил на них бечёвку и пытался передать электричество по ней. Ничего не добившись, старик высказал правильную мысль, что электричество по гвоздям ушло в балку. Но как с этим бороться, непонятно.

В этой конструкции 1729 года есть все элементы современной линии электропередачи. Опоры, изоляторы, на которых висит провод, и даже натягивающий груз — шарик из слоновой кости

Через месяц начались летние каникулы, и пенсионеры разъехались к родственникам и друзьям. Грея пригласил к себе хозяин усадьбы Оттерден в графстве Кент, молодой священник Томас Уилер, заинтересовавшийся опытами с электричеством. Услышав про замысел опыта с собором святого Павла, Уилер предложил проделать это с местной колокольней — и все прекрасно получилось. Но и такая дистанция, судя по всему, для электричества не предел, а выше колокольни в Оттердене ничего нет. Тогда Уилер предложил передать электричество по горизонтали. Грей возразил, что из этого ничего не вышло. Но кроме того, он вспомнил, как однажды вместо льняной бечёвки взял шёлковую, и по ней электричество почему-то передавалось плохо.

Тогда священник сделал предложение, которое изменило мир. Он придумал подвесить бечёвку на шёлковых шнурах, а конец бечёвки закрепить на стеклянной палочке. «Не уходит же электричество по стеклу в нашу руку».

В этой конструкции 1729 года есть все элементы современной линии электропередачи. Опоры, изоляторы, на которых висит провод, и даже натягивающий груз — шарик из слоновой кости.

За лето Уилер и Грей успели построили и испытать линию передачи, пересекавшую целое поле. Она почему-то имела длину ровно 666 футов (в метрах не такое страшное число — 202). Не хватало в этой линии только одного — источника тока. Но Грей не думал ни о каких практических применениях электричества. Он и без того был счастлив.

Через 56 лет после неудачного опыта Ампера была введена единица измерения силы тока, носящая его имя.. Фото (Creative Commons license): James Cridland

Невезучий Ампер, или Как отличился сержант

Генератор электрического тока должен был изобрести в 1825 году Андре Мари Ампер (Andre Marie Ampere, 1775–1836). Недаром мы измеряем силу тока в единицах его имени. Он первым из людей понял, что магнитное поле должно порождать в проводниках электрический ток.

Чтобы это показать, Ампер сделал электромагнит — подключил к батарее большую катушку. Внутрь этого магнита он поставил катушку поменьше, к которой был подключен гальванометр. Если бы по малой катушке потек ток, гальванометр сразу бы это показал. Так оно и было — и Ампер это открыл, но не увидел своего открытия. Он перестраховался. Опасаясь, что ток от батареи подействует на прибор, великий ученый на всякий случай разместил гальванометр в соседней комнате. Включив ток, Ампер бежал смотреть на стрелку прибора.

Все было сделано правильно. Ток в малой катушке действительно появлялся, и стрелка двигалась. Но пока Ампер добегал до нее, она успевала замереть на нуле. Еще никто не знал, что ток получается только в переменном магнитном поле. Значит, засечь его можно было в момент включения или выключения батареи. Если бы в соседней комнате был помощник, который бы смотрел на гальванометр!

Но этого помощника было негде взять. Когда-то Ампер совсем не нуждался — он ходил в любимцах Наполеона. По забывчивости даже мог опоздать к императору на обед, и ему за это ничего не было. Но Бонапарта давно свергли, и Ампер влачил жалкое существование. Ему пришлось поступить инспектором в департамент образования, ходить по школам, проверять наличие мела у классных досок и тщательность проверки латинских переводов. Жалования хватало только на еду и одежду. И потому Ампер работал в своей квартире на улице Фоссе-де-сен-Виктор один.

Когда шестью годами позже такой же опыт ставил в лаборатории Лондонского Института Королевского общества Майкл Фарадей (Michael Faraday, 1791–1867), ему по штату полагался ассистент — отставной сержант Андерсен. Сержант и заметил, что стрелка гальванометра двигается. 17 сентября 1831 года Фарадей пошел еще дальше. Он получил электрический ток с помощью магнита и катушки. Магнит просто вдвигается в катушку и выдвигается из неё, и при этом по катушке течет ток то в одну сторону, то в другую. Это уже ручной генератор тока.

Фарадей доложил в Королевском обществе о том, как магнитное поле порождает электричество. Это явление он назвал электромагнитной индукцией. После лекции к Фарадею подошел богатый коммерсант, спонсор экспериментов, и сказал: «Все, что вы нам здесь показали, действительно красиво. Но теперь скажите мне, для чего годится эта ваша магнитная индукция?» «А для чего годится только что родившийся ребенок? — отвечал ему Фарадей.

Открытка с изображением австрийского императора Франца-Иосифа I в память о Всемирной выставке 1873 года. Иллюстрация: из архива Библиотеки Конгресса США

Венская пара, или Как отличились рабочие

И 40 лет спустя еще было неочевидно, какое электричество лучше и дешевле — от батареек или от генераторов. К началу Всемирной выставки 1873 года в Вене электроэнергии находили крайне мало применений: телеграф, где было вполне достаточно батарей, гальванопластика и разложение воды на кислород и водород.

На выставке динамо-машины — первые генераторы — соревновались с большими аккумуляторными батареями. Французская компания, которая показывала на выставке динамо-машины конструкции бельгийца Зеноба Грамма (Zenobe-Theophile Gramme, 1826–1901), привезла в Вену два экземпляра. Им была уготована скромная участь — тихо вырабатывать ток для гальванопластики, будучи подсоединенными к валу, который крутила паровая машина. Но безалаберные рабочие, готовившие павильон, совершили чудо, навсегда вписавшее динамо в анналы истории.

Между прочим, несчастья преследовали выставку с самого начала. Открытие было намечено на 1 мая, но Дунай разлился, и павильоны стояли в лужах, как венецианские дома. Из-за потопа началась эпидемия холеры. Рабочие выставки старались туда не заявляться, а кто приходил на работу, трудился спустя рукава. Комиссар русского павильона, художник Алексей Петрович Боголюбов, жаловался, что при развешивании картин наших художников рабочие роняли полотна со стен. А это было главное украшение экспозиции: «Бурлаки на Волге» Репина, «Охотники на привале» Перова, «Петр и царевич Алексей» Ге и «Грачи прилетели» Саврасова!

В зале показа машин рабочие тоже вели себя неважно. В случае с динамо-машинами они перепутали провода. Большая машина была присоединена к валу и давала ток, а малую машину присоединить забыли. Зато к ней присоединили провода от большой машины. К удивлению всех присутствующих, вал маленькой машины стал вертеться. Удивились и представители фирмы-производителя. Они не знали, что динамо-машина может быть электромотором. Решили продемонстрировать это свойство публике. Первым посетителем должен был стать император Франц-Иосиф (Franz Joseph I).

Зал показа машин открылся только 3 июня, через месяц после открытия выставки. И то не все было готово, просто император Франц-Иосиф желал посмотреть, в конце концов, машины.
Большую динамо-машину Грамма подключили к валу, и она исправно давала ток. Маленькая динамо-машина должна была демонстрировать обратимость электрических машин, то есть её собрались превратить в мотор. Планировалось, что она будет работать от аккумуляторов и приводить в движение насос фонтана. Но к вечеру 2 июня, когда вдруг выяснилось, что завтра будет император, беспечные венцы ещё не поставили аккумуляторы. Французы бросились по магазинам сами — слишком поздно. Маленькую динамо-машину было не к чему запитать.

Тогда представитель фирмы решил подключить её к большой машине. Взяли провода, замкнули цепь — и малый мотор заработал так интенсивно, что выбросил из фонтана всю воду. Тогда решили взять провод подлиннее, чтобы сопротивление съёло большую часть электроэнергии. Понадобилось 2 километра проводов, устлавших весь павильон. Но зато теперь насос работал тише.

Государю императору Францу-Иосифу преподнесли это все как большое достижение: вот, генератор может быть и мотором, а электричество мы научились подавать за два километра.
Специалисты оценили эти результаты иначе. Они поняли: это свобода. Теперь энергию можно получать в одном месте, а потреблять в другом, и довольно далеко. Так родилась идея электростанции как завода, делающего только энергию.

Эдисон около своего первого генератора типа «Джамбо». Фото: H.C. White Co. из архива Библиотеки Конгресса США

Взбесившийся генератор, или Конец романтического времени

История с бешеными генераторами повторилась в несколько большем масштабе 4 сентября 1882 года, когда Эдисон (Thomas Alva Edison, 1847–1931) открывал в Нью-Йорке первую настоящую электростанцию. На церемонию включения рубильника явились губернатор штата, мэр города и прочие важные лица. Электричество производили два генератора-динамо собственной конструкции Эдисона. Сначала запустили один генератор. Все было в порядке, хотя изобретатель ужасно боялся, что в присутствии VIP что-то не сработает. Успокоившись, он велел включить второй генератор. От сознания исторического момента электрики так разволновались, что подключили второе динамо параллельно к первому. И тут, по выражению Эдисона, начался такой цирк, какого не было со времен рождения Адама. Генераторы запрыгали с жутким воем и свистом. Помещение заполнили разноцветные искры. Губернатор и мэр со своими чиновниками выскочили из здания и отбежали на два квартала.

Подключенные параллельно генераторы оказались венской парой — один из них заработал как мотор от тока другого. Но Эдисон только посмеялся: явление было хорошо известно, и проблему решили быстро.

Поначалу электричество поставлялось потребителям бесплатно — главный инвестор проекта Джон Пирпонт Морган (John Pierpont Morgan, 1837–1913) считал электрификацию красивым научным экспериментом. Да и как выходить на рынок с товаром, который нельзя взвесить? Это же прямая дорога в суд.

За три месяца лаборатория Эдисона разработала первый счетчик. Он выглядел забавно: две цинковые пластины, опущенные в раствор сульфата цинка. Счетчик подключали к сети потребителя. Количество цинка, которое перешло с одной пластинки на другую за месяц, пропорционально количеству израсходованного за месяц электричества. Когда пора было платить за свет, потребитель относил пластинки в лабораторию, где «электричество» взвешивали и выставляли за него счет.

Впервые это историческое событие произошло 18 января 1883 года, когда одна компания, торгующая медью, заплатила за горение 15 лампочек в течение месяца 50 долларов 40 центов. По покупательной способности эта сумма равна 1050 нынешних долларов. Если вы порой сомневаетесь в общем прогрессе нашей цивилизации, сравните эту цифру со своим последним счетом за электроэнергию.
Михаил Шифрин
Телеграф «Вокруг Света»: Электрические мальчики и венская пара

[/cut]