Никола Тесла. Изобретатель будущего

Карлсон Бернард

Тесла начал с усовершенствования в своей лаборатории динамо постоянного тока Уэстона так, чтобы оно производило два, три или четыре отдельных переменных токов {206} . Для своих первых экспериментов он использовал большое пластинчатое кольцо для статора, подобное тому, что было в его страсбургском двигателе. Вместо того чтобы сделать на кольцо одну намотку, как в Страсбурге, Тесла разделил обмотку на четыре отдельных катушки, по одной в каждом секторе. Тесла добился того, чтобы генератор переменного тока подавал на катушки на противоположных сторонах кольца два отдельных тока. В качестве ротора двигателя он подвесил банку гуталина на булавке в центре кольца. К восторгу Теслы, вращающееся магнитное поле заставило консервную банку крутиться {207} .

206

Тесла, вероятно, использовал динамо постоянного тока, разработанное Уэстоном для гальваники, имевшего ротор с шестью выступающими лопастями. Заменив коммутатор постоянного тока на контактные кольца переменного тока, Тесла мог получать два или три отдельных тока от этого динамо. См.: NT, Motor Testimony, 200-201, 210, as well as Thompson, Dynamo-Electric Machinery, 280.

207

NT 78, p. 21. Defendant’s Brief, Derivation Electric Motor, in Westinghouse Electric and Manufacturing Company vs. Dayton Fan and Motor Company, 1900, Item 78, NTM, Belgrade, Serbia.

Работая

над этим двигателем, Тесла наконец выяснил, как объединить переменные токи, чтобы создать вращающееся магнитное поле в статоре двигателя. Для этого токи, подаваемые на каждую пару катушек, не должны были совпадать друг с другом. В случае с двумя токами, когда один ток имел максимальное положительное значение, другой имел максимальное отрицательное значение. Если представить переменные токи как синусоиду, то можно сказать, что эти два тока сдвинуты по фазе на 180°. Теперь, понимая важность наличия противофазных токов, Тесла мог построить полномасштабный электродвигатель с помощью вращающегося магнитного поля, который он задумал в Будапеште.

Расцвет переменного тока в конце 1880-х годов

Взволнованный этим прорывным двигателем, Тесла пригласил Брауна, своего покровителя с техническим складом ума, на демонстрацию работы двигателя в конце лета 1887 года. Но когда Браун наблюдал за вращением консервной банки в прототипе двигателя, Тесла столкнулся с проблемой. Убедить своих покровителей, что его вращающееся магнитное поле могло использоваться в качестве основы для создания практического, коммерческого двигателя переменного тока, было непросто. Почему они должны вложить деньги во вращающуюся консервную банку? В то время как для нас создание двигателя переменного тока может казаться делом само собой разумеющимся, для экспертов по электричеству в 1887 году это было не так. Чтобы понять причину этого, необходимо рассмотреть ситуацию в электротехнической промышленности в середине 1880-х годов.

С одной стороны, Пек и Браун были, вероятно, довольны исследованием двигателей из-за нарастающего интереса к возможностям использования двигателей на центральных электростанциях в экспертном кругу. В середине 1880-х годов в связи с ростом количества центральных электростанций выросла и конкуренция в сфере их эксплуатации, системные операторы центральных электростанций заинтересовались расширением своей клиентской базы, добавив моторное обслуживание. В то время как они продолжали обеспечивать электричество для освещения ночью, системные операторы рассматривали двигатели как средства, с помощью которых они могли продать электроэнергию фабрикам и трамвайным линиям в дневное время. В ответ производители электрооборудования добавили двигатели к своим производственным линиям, и к 1887 году в отрасли существовало пятнадцать фирм, чье совокупное производство составляло десять тысяч двигателей {208} . И если центральные электростанции могли использовать двигатели, чтобы распределить электроэнергию фабрикам, то, возможно, новый эффективный двигатель позволил бы Пеку и Брауну распределять электроэнергию из их амбициозной схемы получения океанского пара {209} .

208

Louis C. Hunter and Lynwood Bryant, A History of Industrial Power in the United States (Cambridge, MA: MIT Press, 1991), 3:210.

209

Как сообщал Тесла много лет спустя, Пек и Браун смогли связать схему получения океанского пара с его двигателями: «Они полагали, что, если с помощью моей системы можно будет экономно передавать энергию в отдаленные места и стоимость строительства океанического завода будет значительно снижена, этот неиссякаемый источника [пара] может быть успешно использован» (NT, «Our Future Motive Power», 78). Воодушевленный Пеком и Брауном, Тесла, по всей вероятности, изучал термодинамику и впоследствии разработал свою собственную систему, использующую тепло земной коры, а не перепад температур в океане.

С другой стороны, Пек и Браун с большим подозрением относились к идеям Теслы о развитии двигателя переменного тока, так как почти все центральные электростанции в Соединенных Штатах в середине 1880-х годов использовали постоянный ток, не переменный {210} . В конце 1870-х годов несколько изобретателей-электротехников во Франции, а также Элиу Томсон в Америке экспериментировали с использованием переменного тока в своих системах дугового освещения. Переменный ток был привлекателен для этих изобретателей, так как он позволил им использовать элементарный трансформатор, чтобы решить основную проблему того, как заставить единственное динамо приводить в действие несколько дуговых ламп одновременно; в 1870-х это называлось «подразделением электрического освещения». Однако, как только Чарльз Браш из Кливленда представил свою систему дугового освещения постоянного тока с улучшенными динамо и регулятором, американские инженеры переключились на развитие систем постоянного тока. Используя постоянный ток, предприниматели установили центральные электростанции для систем дугового освещения и освещения лампами накаливания в десятках американских городов {211} .

210

«Tesla’s Egg of Columbus», Electrical Experimenter 6 (March 1919): 774–75ff., on 775.

211

Carlson, Innovation as a Social Process, 81-82, 87–108.

В Европе, однако, не забыли о переменном токе, там изобретатели усовершенствовали трансформатор; намотав две разных катушки на один железный сердечник, они обнаружили, что возможно повышать или понижать напряжение переменного тока, и они начали широко использовать это новое устройство. Например, в Лондоне в 1883 году Люсьен Голард и Джон Гиббс использовали один из первых трансформаторов, чтобы подсоединить и дуговые лампы, и различные виды ламп накаливания последовательно к единому большому генератору {212} .

В то же самое время в Будапеште инженеры, с которыми Тесла познакомился в Ganz and Company – Циперновский, Блати, и Дери, – рассматривали переменный ток как способ развивать систему освещения лампами накаливания, которая могла бы применяться в более широкой области. Они выяснили, что если их генератор будет вырабатывать высоковольтный переменный ток, то можно распределять электроэнергию на более длинные расстояния по тонким медным проводам. Чтобы защитить клиентов от высокого напряжения, они использовали трансформатор, чтобы понизить напряжение, прежде чем ток поступал в дома и магазины. В течение нескольких лет система Циперновского, Блати и Дери использовалась для освещения нескольких европейских городов. Как система Голарда и Гиббса, так и система Циперновского, Блати и Дери, обе использовали однофазный переменный ток, так как этого было достаточно, чтобы обеспечить желаемое изменение напряжения {213} .

212

Hughes, Networks of Power, 87–91.

213

Там же, 95–97.

Работу европейцев над трансформаторами переменного тока быстро оценили проницательные американскими предприниматели. Во время поездки за границу в 1885 году Чарльз Коффин из компании Thomson-Houston узнал о системе Циперновского, Блати и Дери и по возвращении убедил Томсона возобновить работу над переменным током. В 1886 году европейские агенты предупредили Эдисона, что они вынуждены конкурировать с Ganz и Company за контракты на освещение, и убедили компанию Эдисона приобрести опцион на регистрацию в США патента на систему Циперновского, Блати и Дери {214} .

214

Carlson, Innovation as a Social Process, 251-52; Passer, The Electrical Manufacturers, 172.

Но больше всех трансформатором переменного тока заинтересовался американский предприниматель Джордж Вестингауз (1846–1914). Получив знания в машинном цехе своего отца в Скенектади, Нью-Йорк, Вестингауз обладал уникальным соединением технического гения и деловой хватки. Помимо того что Вестингауз сам разрабатывал пневматические тормоза и улучшенные сигнальные системы для железных дорог, он обладал столь же квалифицированными управленческими навыками, необходимыми для крупномасштабного производства и продажи этих инноваций. В 1884 году Вестингауз заинтересовался электрическим освещением, первоначально рассматривая его как способ диверсифицировать деятельность его компании Union Switch and Signal Company. Первым делом Вестингауз нанял Уильяма Стэнли-младшего, который запатентовал лампу накаливания и автономное динамо.

Вначале Вестингауз намеревался разработать систему постоянного тока, подобную эдисоновской, но весной 1885 года заинтересовался системой преобразования переменного тока Голарда и Гиббса, прочитав о ней в журнале Engineering {215} . Почувствовав, что разработка еще одной системы постоянного тока принесет мало прибыли, Вестингауз решил двигаться в совершенно новом направлении. В частности, он предполагал, что переменный ток мог использоваться для установки центральных электростанций в муниципалитетах, которые не могла обслуживать компания Edison. Из-за высокой стоимости ее генераторов и медной распределительной сети компания Edison могла продать системы только густонаселенным городам; чтобы эдисоновская центральная станция приносила прибыль, она должна была располагаться так, чтобы обслуживать десятки домов и компаний. Вестингауз полагал, что в случае с переменным током можно было достигнуть экономии за счет роста производства; используя преобразователи, можно было повысить напряжение, распределив мощность на более широкую область, и, следовательно, обслужить больше клиентов. Его система переменного тока была бы разработана с расчетом на прибыль в местностях с рассеянным населением.

215

«Electric Lighting at the Inventions Exhibition», Engineering (London) 39 (1 May 1885): 454–60.

Разглядев потенциал переменного тока, Вестингауз начал действовать решительно. Он отправил партнера, Гуидо Панталеони, в Европу, для покупки опциона на систему Голарда и Гиббса. Летом 1885 года Вестингауз заказал несколько трансформаторов Голарда и Гиббса для своего завода в Питтсбурге и попросил, чтобы Стэнли спроектировал систему освещения лампами накаливания от переменного тока {216} . Работая в небольшой лаборатории в Грейт-Баррингтоне, Массачусетс, Стэнли разработал практический дизайн для трансформатора и подтвердил мысль, что трансформаторы должны быть связаны с генератором параллельно, а не последовательно, как у Голарда и Гиббса. Чтобы продемонстрировать ценность своего трансформатора, Стэнли натянул провода на деревьях вдоль улиц Грейт-Баррингтона, чтобы поставить переменный ток к домам и на предприятия в марте 1886 года {217} . Взяв за основу демонстрационную систему Стэнли, Вестингауз установил свою первую коммерческую систему переменного тока в Буффало, Нью-Йорк, в ноябре следующего года. Полная решимости не отставать от Вестингауза, компания Thomson-Houston установила систему переменного тока в Lynn Electric Light Company в мае 1887 года, а к концу того же года Thomson-Houston установила еще двадцать две таких системы {218} .

216

Passer, The Electrical Manufacturers, 131–32.

217

George Wise, «William Stanley’s Search for Immortality», American Heritage of Invention & Technology 4 (Spring – Summer 1988): 42-49; Bernard A. Drew and Gerard Chapman, «William Stanley Lighted a Town and Powered an Industry», Berkshire History 6 (Fall 1985): 1–40; Laurence A. Hawkins, William Stanley (1858–1916): His Life and Work (New York: Newcomen Society, 1951).

218

Carlson, Innovation as a Social Process, 259.