Никола Тесла - Лекции
Однако такой ток был непригоден для электромоторов до тех пор, пока Никола Тесла не открыл вращающееся магнитное поле и не построил на этой основе свой асинхронный электромотор, а затем и генераторы многофазного переменного тока и трансформаторы для них. Тесла описал свои изобретения в патентах за номерами 381.968, 381.969 и 382.279 (электромагнитные двигатели); 390.414, 390.721, 390.415 (электрические динамо-машины); 555.190 (двигатели переменного тока) и 382.280, 382.281, 381.970, 390.413, 487.796, 511.915, 511.559 (передача и распределение электроэнергии), но перед этим он прочел лекцию в Американском институте электроинженеров (16 мая 1888 г.), которая называлась «Новый принцип устройства двигателей и трансформаторов переменного тока».
После этой лекции стало ясно, что открылась новая эра в производстве, преобразовании и передаче многофазных электрических токов и применении их в электродвигателях. Все научные и профессиональные журналы в Америке и Европе опубликовали эту лекцию целиком или ее наиболее важные моменты. В лекции Тесла рассказал о двух типах асинхронных двигателей: первый тип вращается с постоянной скоростью и любой нагрузкой (синхронные моторы), но имеет низкий пусковой момент; второй тип хорошо работает с любой переменной нагрузкой, пропорционально понижая количество оборотов (от синхронного количества), но имеет значительный пусковой момент. Тесла особо подчеркивал, что оба полезных свойства могут с успехом применяться в одном комбинированном двигателе, при условии правильного построения цепи.
В подтверждение теоретических выкладок в заключительной части лекции многоуважаемый профессор Энтони продемонстрировал два небольших электромотора конструкции Теслы и доказал их простоту и способность бесперебойно работать.
Эти разработки были основаны на вращающемся магнитном поле, о котором Тесла размышлял еще будучи студентом в Будапеште в 1882 году. Именно тогда у него зародилась идея создать такое поле при помощи переменного тока.
В своей лекции Тесла, во-первых, упомянул о бесполезности коллекторов в машинах постоянного тока и потерях, которые они вызывают при неизбежном искровом повреждении во время перегрузок, а также о повреждении изоляции между медными пластинами коллектора.
Когда ротор вращался в постоянном магнитном поле, коллектор преобразовывал фактически возникающий в генераторе переменный ток в постоянный, в то время как мотор преобразовывал постоянный ток, возникающий в генераторе, обратно в переменный, в результате чего ротор вращался в постоянном магнитном поле. Тесла интуитивно уловил эту идею и поделился ею со своим профессором в Граце. Тот убеждал его в несостоятельности этой идеи, но Тесла не отказался от нее совсем, как он позже рассказывал своим друзьям.
Что касается теоретического обоснования идеи вращающегося магнитного поля, которая представляется нам сегодня довольно простой и легкой для понимания, то мы видим, что два переменных тока с синусоидальным изменением во времени, с разницей по фазе в 90 градусов или /4 полного оборота дают две составляющих переменного магнитного поля, приводящих к возникновению магнитного поля постоянной напряженности, которое вращается с постоянной угловой скоростью, пропорциональной частоте этих токов.
После того как знаменитый инженер Джордж Вестингауз посетил лекцию Теслы, он, будучи изобретателем (тормозные системы локомотивов и вагонов) и владельцем электрической компании, за значительную сумму выкупил около 40 патентов Теслы в области производства электроэнергии. А когда компания «Вестингауз электрик» на Всемирной выставке в Чикаго в 1893 году продемонстрировала машины, построенные по чертежам Теслы, а сами павильоны выставки ярко освещались при помощи высокочастотных токов, с которыми работал Тесла, а также после прошедшего вскоре Конгресса электриков, сопротивление защитников постоянного тока сошло на нет. Вслед за этими событиями Комитет по выбору системы преобразования энергии воды на Ниагарском водопаде после долгих и бурных дискуссий одобрил систему Теслы, и именно тогда переменный ток, в который ученый верил, несмотря ни на что, и которому посвятил всё свое время и силы, триумфально победил в «войне двух токов».
Михайло Пупин, заговоривший в своих лекциях о преимуществах переменного тока перед постоянным, столкнулся с неодобрением своих коллег, которые грозили лишить его финансирования для создания лаборатории и подвергли сомнению его соответствие занимаемой должности профессора.
С другой стороны, отдельные личности, специалисты и даже некоторые ученые с готовностью бросились оспаривать приоритет Теслы в открытии вращающегося магнитного поля, асинхронного двигателя и применении многофазного переменного тока в электрических приборах. Начались многочисленные судебные процессы, инициированные профессором Феррари-сом и инженером Шелленбергом. Феррарис опубликовал небольшой труд о возможности создания подобного поля 18 марта 1888 года, тогда как Тесла запатентовал свое открытие 12 октября 1887-го. Феррарис в своей публикации не указывал на возможность применения такого поля в электромоторе и рассматривал свою находку как нечто вроде лабораторной игрушки, и КПД его устройства не превышал 50 %. Пупин написал Тесле письмо касательно этого разбирательства, где, помимо прочего, говорил: «Мой дорогой г-н Тесла… Шарлатанству Феррариса оказали немалую поддержку Ваши оппоненты. Насколько я понимаю вопрос, совершенно нетрудно продемонстрировать гигантскую разницу, которая существует между беспорядочным чередованием полюсов Феррариса и вращением магнитного поля Теслы. Эти две вещи представляются мне абсолютно разными и на этом следует заострить внимание и показать в нужном свете». Что же касается Шел-ленберга, то он обнаружил вращение совершенно случайно, когда работал с трансформатором Голларда и Гиббса, и никак не мог объяснить его. Но все споры закончились после постановления, вынесенного Верховным патентным судьей Таунсендом, который, к своей чести и помимо прочего, заявил: «Именно гению Николы Теслы принадлежит честь обуздать силы природы и заставить их работать в машинах, созданных человеком. Он первым продемонстрировал, как дикая стихия может быть преобразована в машину, дающую нам энергию».
Вообще говоря, инженер Доливо-Добровольски, применивший систему передачи электроэнергии Теслы в Германии (между Франкфуртом и Лауфе-ном), пренебрег тем, что эта система была запатентована Теслой 17 декабря 1889 года в Германии. В свою защиту тот сослался на Феррариса, который ранее ни разу не упоминался в связи с этим изобретением.
Миллионы моторов Теслы работают сегодня по всему миру, а удаленные линии электропередачи проводят трехфазный электрический ток напряжением более 400 000 вольт от электростанций на расстояния более 1 000 км.
Однако в настоящее время постоянный ток высокого напряжения всё же используется благодаря ртутному преобразователю с низкими потерями, хотя очень редко и только при условии, что непосредственно перед конечным потребителем он снова преобразуется в переменный ток напряжением 120, 230 или 400 вольт.
Один известный ученый и современник Николы Теслы сказал: того, что он сделал в области энергетики и электротехники, достаточно, чтобы обеспечить ему всемирную известность и благодарность всего человечества.
Помимо наиболее важных характеристик гмнЪИэфазных токов Тесла определил и их точную частоту. Работая в «Вестингауз электрик» в качестве консультанта над созданием генератора переменного тока, он столкнулся с определенными трудностями, когда пытался убедить своих коллег отказаться от заданной частоты 133 Гц и принять частоту 60 Гц, поскольку низкая частота обеспечивала наименьшие потери в металлических частях оборудования. На сегодняшний день именно эта частота, предложенная в свое время Теслой, применяется во всём мире (в Америке и Японии 60 Гц, в Европе — 50 Гц).
Помимо вышесказанного, Тесла решил и довольно трудную проблему изоляции в высоковольтных трансформаторах. Он первым предложил применять для изоляции обмоток мощных трансформаторов вываренное льняное масло, которое широко используется и по сей день. Таким же образом Тесла предложил охлаждать токопроводящие части в кабелях с высокой силой тока для того, чтобы уменьшить их сопротивление и, соответственно, потери.
Тесла недолго сотрудничал с компанией Вестингауза. Он хотел полностью отдаться изучению переменных токов, но более высокочастотных, а не с промышленной частотой в 50 и 60 Гц. Тесла интуитивно чувствовал, что высокочастотные токи обладают свойствами, открывающими возможности по их применению, о которых нельзя было и мечтать. Поскольку такие токи физиками были совсем не изучены, у Теслы появлялась возможность заняться фундаментальными научными исследованиями. Результаты таких исследований были защищены патентами за номерами 455.069 и 454.622 (электрические лампы и системы электрического освещения) перед выступлением с лекцией в Колумбийском университете 20 мая 1891 года. Тема ее — «Эксперименты с переменными токами очень высокой частоты и их применение в искусственном беспроводном освещении».
