Как был изобретен электрогенератор: история создания

Электричество в современном мире играет колоссальную роль. Трудно представить нашу жизнь без электрического освещения, бытовой техники, компьютеров и других приборов, работающих от электрической сети. Но ещё полтора века назад об электрификации в таких масштабах не могло быть и речи. В то время единственным источником электроэнергии были химические батареи, которые давали очень слабый ток и быстро разряжались.

Прорыв произошёл в 1870-х годах, когда был изобретен электрогенератор, или динамо-машина. Это устройство позволило впервые получать электроэнергию в сколь угодно больших количествах за счёт преобразования механической энергии вращения в электрическую. Изобретение электрогенератора стало технологической основой для электрификации промышленности и быта.

В этой статье мы кратко рассмотрим историю создания электрогенератора, основные этапы его усовершенствования, а также принцип действия этого важнейшего устройства.

Предпосылки создания электрогенератора

Путь к практической реализации идеи электрогенератора был долгим и трудным. Концептуально возможность преобразования механической энергии в электрическую была обоснована ещё в начале XIX века благодаря фундаментальным открытиям в области электромагнетизма.

Первый важнейший вклад внёс в 1820 году датский физик Ганс Христиан Эрстед. Проводя опыты с электрическим током, он обнаружил, что протекание тока по проводнику вызывает отклонение стрелки компаса. Это наблюдение продемонстрировало связь между электричеством и магнетизмом: движущиеся электрические заряды создают вокруг себя магнитное поле.

Ещё дальше продвинулся в понимании электромагнитных явлений английский учёный Майкл Фарадей. В 1831 году он экспериментально открыл явление электромагнитной индукции – возникновение электрического тока в проводнике при его движении в магнитном поле.

В своих многочисленных опытах Фарадей установил, что ток индуцируется при:

• Движении магнита относительно катушки.
• Изменении силы тока в одной катушке (наводится ток в другой катушке).
• Замыкании и размыкании электрической цепи с катушкой.

Таким образом, Фарадей доказал принципиальную возможность преобразования механической энергии в электрическую с помощью электромагнитной индукции. Это было фундаментальное открытие, открывшее путь к созданию электрогенераторов.

Уже вскоре после опытов Фарадея начались попытки создать работающую магнитоэлектрическую машину. В 1832 году французский изобретатель Ипполит Пикси построил первый электрогенератор, использовавший вращающиеся постоянные магниты.

Однако примитивные конструкции Пикси и последователей имели очень низкий КПД и не получили распространения. Требовались новые технические решения, чтобы воплотить принцип электромагнитной индукции в эффективном и надёжном устройстве. Их поиск шёл несколько десятилетий. Но к середине XIX века уже были открыты все базовые закономерности, позволявшие создать работающий электрогенератор.

Первые электрогенераторы

Несмотря на очевидные недостатки, в середине XIX века активно велись работы по усовершенствованию первых магнитоэлектрических машин. Главными направлениями развития были:

Генераторы компании «Альянс»

В 1856 году французская компания «Альянс» (Compagnie L’Alliance) наладила промышленное производство крупных магнитоэлектрических генераторов. В них использовалось множество подковообразных постоянных магнитов, установленных по окружности. Между рядами магнитов на вращающемся валу располагались многочисленные катушки обмотки. Для съёма тока применялся коммутатор с металлическими контактными пластинами.

Генераторы «Альянс» активно применялись и выпускались серийно на протяжении примерно 10 лет. Однако у них сохранялись существенные недостатки из-за использования слабых постоянных магнитов: низкий КПД, большие габариты и вес.

Усовершенствования В. Сименса

В 1860-х годах немецкий инженер Вернер Сименс предложил новую конструкцию якоря электрогенератора. Вместо отдельных катушек он использовал цилиндрический якорь с двумя продольными канавками для обмотки. Это повысило равномерность магнитного поля и надёжность конструкции. Однако проблема малой мощности из-за постоянных магнитов по-прежнему не была решена.

Другие конструкции

Велись эксперименты и с альтернативными схемами магнитоэлектрических генераторов. Например, в 1863 году бельгиец Ван Малдерен предложил генератор с неподвижными электромагнитами и вращающейся стальной пластиной. Однако на практике такая конструкция также показала низкую эффективность.

Таким образом, несмотря на усилия изобретателей, к середине 1860-х годов так и не удалось преодолеть основные недостатки магнитоэлектрических генераторов, связанные с применением постоянных магнитов. Требовалось принципиально новое решение для качественного прорыва в развитии электрогенераторов.

Изобретение динамо-машины

Решающий прорыв в создании эффективного электрогенератора был сделан благодаря двум важнейшим нововведениям:

Принцип самовозбуждения

Ключевая проблема прежних конструкций заключалась в использовании постоянных магнитов. В 1866 году немецкий инженер Вернер Сименс предложил революционную идею — заменить их на электромагниты, создавая магнитное поле при помощи электричества от самой же машины.

Сименс обнаружил, что даже в выключенном электромагните остаётся слабый остаточный магнетизм. Этого достаточно, чтобы запустить процесс самовозбуждения:

• Остаточный магнетизм создаёт слабый ток во вращающейся обмотке.
• Этот ток усиливает магнитное поле электромагнитов.
• Усиленное поле вызывает бóльший ток в обмотке.
• Процесс нарастает лавинообразно.

Так электрогенератор мог «заводить сам себя» без внешних источников энергии. Это позволило резко повысить мощность и эффективность.

Кольцевой якорь Грамма

В 1870 году бельгийский изобретатель Зенобий Теофил Грамм запатентовал электрогенератор с якорем кольцевой формы. По сравнению с цилиндрическим якорем Сименса это имело ряд преимуществ:

• Проще и дешевле в изготовлении.
• Позволяет получать постоянный ток без коммутатора.
• Меньше паразитных токов и потерь.

Благодаря этим достоинствам, генераторы Грамма быстро вытеснили предшественников и заложили фундамент промышленного производства электроэнергии.

Принцип самовозбуждения и кольцевой якорь стали тем прорывом, который позволил на практике воплотить идею эффективного электромеханического генератора. Это послужило началом широкого применения электричества.

Усовершенствование конструкции электрогенератора

Первоначальная конструкция генератора Грамма со временем претерпела изменения:

• Увеличение числа полюсов.

Первая машина Грамма была двухполюсной. Затем стали использовать многополюсные генераторы (4, 6, 8 и более полюсов). При каждом обороте якорь проходил мимо всех полюсов, что повышало количество импульсов тока.

• Система съёма тока.

По мере увеличения мощности генераторов возникла новая проблема — каким образом снять ток с вращающегося якоря с наименьшими потерями. Дело в том, что при больших токах щетки начинали искрить. Кроме больших потерь электроэнергии, это оказывало вредное воздействие на работу генератора. Тогда Грамм посчитал рациональным вернуться к самой ранней конструкции электрогенератора, применённой в машине Пиксии: он сделал арматуру неподвижной, а вращаться заставил электромагниты, ведь снять ток с неподвижной обмотки было проще.

• Переход к переменному току.

Первоначально Грамм создавал генераторы постоянного тока. Но в 1870-1880-х годах возрос интерес к переменному току. Грамм легко переделал свои машины для выработки переменного тока, заменив коллектор двумя кольцами, по которым скользят пружины.

• Соединение катушек неподвижного якоря.

При неподвижном якоре катушки соединяли в группы по очереди попадавшие под воздействие вращающихся электромагнитов.

• Использование генератора постоянного тока.

Для питания вращающихся электромагнитов применяли отдельный генератор постоянного тока.

Конструкция генератора постепенно совершенствовалась, повышая его мощность и надёжность.

Заключение

Таким образом, путь к созданию эффективного электрогенератора был долгим. Начавшись с открытий Эрстеда и Фарадея, он прошёл через множество попыток и неудач. Лишь спустя полвека после первых экспериментов с магнитоэлектрическими машинами появилась принципиально новая конструкция — динамо-машина Грамма.

Изобретение Грамма стало подлинной революцией, открывшей дорогу для широкого практического использования электричества в промышленности и быту. Динамо-машина обеспечила возможность получать электроэнергию в неограниченных количествах из механической энергии и заложила фундамент электрификации произвФодства и городов.

В дальнейшем конструкция генератора постоянно совершенствовалась: увеличивалась мощность, КПД, переходили на переменный ток. Но принцип действия, предложенный Граммом, остаётся основополагающим для современных генераторов. История электрогенератора ярко демонстрирует роль изобретателей в создании основ современной цивилизации.

Магнитное поле: источники, свойства, характеристики и применение

Что такое ЭДС индукции и когда возникает?

Что такое магнитный двигатель и как его сделать своими руками?

Кто изобрел лампочку первым?

Как устроен генератор переменного тока — назначение и принцип действия

Определение направления вектора магнитной индукции с помощью правила буравчика и правила правой руки