- На сцену в лекционный зал Колумбийского университета в Нью-Йорке выходит симпатичный высокий темноволосый мужчина. Он берет в каждую руку медный шар и прикасается к клеммам высоковольтного высокочастотного трансформатора (теперь известного как катушка Тесла). Поверхность его тела работает на 250 000 вольт. Как выразился один журналист, экспериментатор предстал перед аудиторией "в лучезарной славе мириады языков электрического пламени".
Никола Тесла в своей лаборатории в Колорадо-Спрингс делает заметки в то время как искусственная электрическая буря бушует над его головой. Он работал в этой лаборатории в 1899 году и построил самую большую катушку Тесла в мире.
Спустя некоторое время, он отходит от машины, электрическая аура рассеивается, и зрители видят, что он цел и невредим. Так кто же этот человек и почему он так рискнул?
Компания "Профпереклад" подготовила перевод материала.
Перевод с
.
этого отчаянного смельчака звали Никола Тесла. Он изобрел двигатель переменного тока и продемонстрировал его безопасность на себе. В течение последних нескольких лет компания Edison Electric LightCompany проводила кампанию против него и его изобретений, стремясь сохранить свою долю на рынке.
Друзья Теслы из компании Westinghouse Electric Company выиграли эту битву. В ответ группа Edison попыталась бросить вызов безопасности систем кондиционирования, опубликовав сенсационные истории в прессе. Тесла надеялся, что эта демонстрация прервет черный пиар.
Это был конец 1880-х годов, электричество было неисследованной территорией на манер Дикого Запада, и никто не знал, какая система в конечном итоге победит.
В 1876 году Эдисон устал от бесконечных споров с владельцами помещений в Ньюарке и решил построить свою собственную лабораторию в Менло-Парк, Нью-Джерси, в 40 км от Нью-Йорка.
Очень часто технологические разногласия (борьба между двумя изобретателями, которые хотят распространять свои изобретения как можно шире) решаются рациональным образом. Одно изобретение может быть дешевле другого, второе — безопаснее, а третье соответствует стандартам, установленным инженерами или властями, и поэтому хорошо продается.
Однако время от времени разногласия не могут быть разрешены. Тесла и Эдисон боролись за будущее передачи электроэнергии. В этой битве было все: шокирующие демонстрации, переход к человеку, достойному школьников, и даже попытки объявить вне закона переменное течение. В конце концов, переменный ток победил. Рациональный дизайн и дешевизна массового распространения — это весь секрет.
Пусть будет свет
Многие убеждены, что в 1870 году Томас Эдисон сам изобрел электрическое освещение. Это неправда. Первым электрическим освещением стала дуговая лампа Гамфри Дэви (1807 г.). Дэви спроектировал в подвале Лондонского королевского института огромную электрическую батарею, вдохновившись аналогичным изобретением Алессандро Вольта 1800 года. Чтобы продемонстрировать мощность своей батареи, Davy подключил к ее клеммам два углеродных стержня. Когда он рассеял стержни на короткое расстояние и пропустил через них ток, между ними образовалась яркая световая дуга. В течение следующих пятидесяти лет (1810-1860) изобретатели работали над дуговыми лампами с электромеханическими регуляторами, которые помогли установить точное расстояние между стержнями для создания дуги. Однако все их исследования ограничивались только батарейным питанием. Дальнейший прогресс в этой области потребовал нового источника питания.
Майкл Фарадей, английский химик, физик и изобретатель XIX века.
таким источником был динамо-машина, генератор. В 1831 году у Дэви появился новый лаборант, Майкл Фарадей. Он обнаружил, что при введении проводника в магнитное поле под прямым углом к этому полю в проводнике генерировался наведенный ток. Основываясь на принципе электромагнитной индукции Фарадея, изобретатели разработали новые генераторы электрического тока. Они должны были запускаться вручную или питаться от парового двигателя.
Возможность использования дуговых ламп для освещения улиц и больших зданий вдохновила других электриков на модернизацию генератора. В 1876 году Чарльз Кисть из Кливленда разработал генератор постоянного тока, который питал четыре дуговые лампы в последовательной схеме. Эта конструкция была использована в уличном освещении, на фабриках и в магазинах, в том числе в универмаге Wonamaker в Филадельфии.
Для уличного и домашнего освещения дуговые лампы были идеальны. Даже сегодня они используются в мощных прожекторах, которые широко применяются на открытиях новых магазинов или на премьерах крупномасштабных фильмов.
Гравюра Уильяма Аллена Роджерса для Harper’s Weekly 1889. На ней показано электрическое освещение ночного Нью-Йорка.
Эдисон и лампы накаливания———-
Если вам нужен был меньший источник мягкого электрического света, то дуговые лампы больше не подходили. Эдисон быстро понял, что вы можете продавать маленькие лампочки как замену газовым лампам того времени. В 1878 году он перестал работать над своим телефоном и фонографом и погрузился в мир электрического света, о котором до тех пор он ничего не знал.
Лампа 1879 года с углеродной нитью, которая светилась при прохождении через нее тока. ФОТО: SSPL, GETTY
Чтобы создать лампу поменьше, Эдисон решил обратиться к эффекту лампы накаливания (так называемому нагреванию). При достижении критической температуры объект излучает яркий свет. Сначала Эдисон экспериментировал с платиной. Этот металл имеет высокую температуру плавления, поэтому изобретатель предположил, что через платиновую нить можно пропустить ток и заставить ее светиться.
Однако, он сразу же обнаружил, что кислород тоже участвует. Платина почти сразу перегорела. Затем Эдисон поместил металлическую нить в вакуумную стеклянную колбу. Это решило проблему сгорания, но платина была слишком дорогой и имела низкое электрическое сопротивление.
Это означало, что для такой системы освещения потребовались бы дорогие и очень толстые медные кабели. К счастью, Эдисон решил и эту проблему, просто увеличив сопротивление в каждой лампе и зафиксировав их в параллельных цепях.
Теперь нам пришлось найти металл с достаточно высоким сопротивлением. Эдисон и его команда подбирали и тестировали материалы в течение нескольких месяцев, пока не обнаружили, что сажа, используемая в телефонных передатчиках, является лучшим выбором. Вот как был описан момент открытия в одной из газет:
"Однажды ночью, сидя в своей лаборатории на незаконченном проекте, Эдисон начал бездумно катить кусок ламповой сажи в пальцы, пока он не выкатил из него тонкую нить. Один случайный взгляд привел его к мысли, что он может попытаться разогреть его. Через несколько минут он провел довольно успешный эксперимент, хотя результаты его не удивили. Дальнейшие испытания помогли ему найти подходящую форму и состав вещества, а результаты каждого эксперимента подтверждали, что изобретатель находится на правильном пути.
Иллюстрация из "Курьера и Айвса" конца 1800-х годов. Эдисон (слева) и изобретатель дуговой лампы Чарльз Круш сражаются за нью-йоркское освещение.
В октябре 1879 года Эдисон и его команда провели свои первые успешные эксперименты: поместили углеродную нить в вакуумную колбу и нагрели ее так, чтобы она не горела. К Новому году Эдисон уже демонстрировал новые лампы толпам в своей лаборатории в Менло-Парке.
Однако этого было недостаточно для выхода на потребительский рынок. Теперь Эдисону приходилось проектировать всю электрическую систему для питания своих ламп. Он смоделировал ее на основе газовых систем освещения, используемых в больших городах. Они состояли из центральных станций, подземных коммуникаций, счетчиков и зажимов для самих ламп. В 1882 году Эдисон построил первую центральную станцию на Перл-стрит в Нижнем Манхэттене. Здесь располагались знаменитая Уолл-стрит и офисы нью-йоркской прессы. Место было выбрано идеально, и теперь Эдисон имел доступ как к финансистам, так и к представителям СМИ.
Перед установкой станции он послал своих людей для осмотра территории и подсчета газа и керосиновых ламп, которые можно было заменить новым освещением. Чтобы компенсировать стоимость медной электросети для питания ламп, Эдисон разработал систему постоянного тока для густонаселенных центральных районов города. Обслуживание клиентов в радиусе чуть менее двух километров от центральной станции оказалось весьма выгодным.
БИЗНЕС
Мужчины позируют возле станков Эдисона. ФОТО: CORBIS, GETTY
Эдисон нуждался в правильной инфраструктуре для производства и продажи ламп накаливания. Он разработал целую систему для питания своих ламп, но не остановился на этом. Как предприниматель, он основал компании по производству ламп, генераторов, кабелей и счетчиков: Завод по производству ламп, позднее переименованный в "Эдисон ЭлектрикЛампа"Эдисон Машиностроительный завод" и др.
Несмотря на то, что через несколько лет он проиграл "битву токов", компании Эдисона остались на плаву. В 1889 г. они объединились в концерн Edison General Electric, который позже изменил свое название на General Electric.
AC Rise
Эдисон был прав: существовал подходящий рынок для маленьких ламп накаливания. Многие хотели заменить газовое освещение, поэтому в ближайшие несколько лет лампы накаливания принесли ему значительную прибыль. Эдисон был прав: был подходящий рынок для маленьких ламп накаливанияПервопроходец в этой области, но ему не удалось помешать конкурентам выйти на рынок. Тем не менее, главной проблемой Эдисона было то, что его система.могут быть тянуты только большими городами с густонаселенными центральными районами. Там у него было достаточно клиентов, чтобы покрыть расходы на медную проводку.
На этой гравюре изображена одна из центральных электростанций в Нью-Йорке, построенная Эдисоном в 1882 году. ФОТО: AKG, ALBUM
В Америке было много поселений, которые могли позволить себе электрическое освещение. Однако люди поселились слишком хаотично и далеко друг от друга, и это не гарантировало экономию на установке систем Эдисона. Любой, кому удалось выйти на этот стремительно развивающийся рынок, был бы на 100% обогащен!
Осознав это, Джордж Вестингхаус решил разработать систему освещения с питанием от переменного тока. Он считал, что можно уменьшить толщину медной проволоки (и снизить затраты), подняв напряжение в сети (скажем, до 1000 вольт). Однако подача такого напряжения в жилые здания могла быть опасной.
Для дальнейших экспериментов Вестингхаус позаимствовал в Европе трансформатор, который снизил напряжение с 1000 до 110 вольт. Такие трансформаторы работали только на переменном токе, что означало, что новая сеть Westinghouse была бы слишком радикальным отходом от тогдашних широко распространенных систем постоянного тока Edison.
Их напряжение было постоянным (обычно 110 вольт), что делало их относительно безопасными для потребителей. Кроме того, кабели для этой системы прокладывались линейно, как в телефонных и телеграфных системах, и это было гораздо проще для монтажников.
Предприниматель и изобретатель Джордж Вестингхаус родился в Нью-Йорке в 1846 году. Всю свою жизнь он занимался модернизацией железнодорожного транспорта и энергетики. До своей смерти в 1914 году он зарегистрировал более 360 патентов на свое имя. ФОТО: БИАНЧЕТТИ, КОРБИС/ГЕТТИ
В новой системе Вестингхауса, работающей на переменном токе, напряжение линии электропередач варьировалось от +1 000 до -1 000 вольт. Это было повышенным риском для специалистов по прокладке кабелей, они могли получить смертельный удар электрическим током. Повышение сетевого напряжения требовало лучшей изоляции и разработки новых мер безопасности. Но так как системы переменного тока были намного дешевле для передачи энергии на большие расстояния, все затраты на новые технические задачи были вполне оправданы.
Итак, в 1887 году переменный ток дал большие надежды. Тем не менее, электромеханики вскоре поняли, что у них появилась новая проблема, на этот раз экономическая. В идеале, система переменного тока должна охватывать весь город. Но при таком сценарии, стоимость электростанции и электрической сети была сотни тысяч долларов.
Чтобы покрыть такие инвестиции, электростанция должна снабжать электроэнергией 24 часа в сутки, семь дней в неделю. Это значит, что что-то должно потреблять энергию в течение дня — двигатель, который можно использовать в транспорте, на заводах, в лифтах и бытовой технике.
Тесла и двигатель переменного тока
На этом перекрестке появился тот же высокий темноволосый человек, у которого было подходящее изобретение — двигатель переменного тока. Имя изобретателя — Никола Тесла.
Тесла родился в 1856 году в семье сербов, которые жили на территории современной Хорватии. Отец Теслы был православным священником и надеялся, что его сын пойдет по его стопам. Молодой Никола гораздо сильнее верил в науку и отправился изучать инженерное дело в Университет прикладных наук Иоаннеума в Граце (Австрия).
Там Тесла любил разрабатывать новый электрический двигатель. Все двигатели имеют два набора электромагнитов: один стационарный (статор), другой на вращающемся валу (ротор). При применении переменного тока к каждому комплекту можно создавать одинаковые магнитные поля в статоре и роторе. Они начинают отскакивать друг от друга, вызывая вращение вала электродвигателя.
Тесла асинхронный двигатель находится в самом центре "текущей битвы". Его инновационный дизайн и эффективность произвели настоящую революцию в области энергетики в конце XIX века. ФОТО: LEBRECH MUSIC, ALBUM
После просмотра сверкающего двигателя постоянного тока в классе физики, Тесла предложил убрать переключатель (поворотный переключатель, который подает питание на ротор двигателя). Его профессор физики посчитал эту конструкцию просто смешной, но Тесла настоял на этом.
Следующие несколько лет изобретатель ломал голову над созданием безискрового двигателя. Он не строил физическую модель — все было спроектировано в его голове. В 1882 году Тесла переехал в Будапешт. Во время прогулки по городскому парку он придумал блестящую идею: не нужно менять моторно-машинные полюса в роторе. Лучше использовать вращающееся магнитное поле в двигателе.
До Теслы двигатели были сконструированы с постоянным магнитным полем в статоре, а магнитное поле в роторе было изменено переключателем. Инвена Теслыион был в отличие от стандартной практики. В своем двигателе Тесла получил правильную последовательность, включив и выключив ток в отдельных соленоидов статора, создав таким образом вращающееся магнитное поле. Это поле, вращаясь, вызывало противоположное электрическое поле в роторе и заставляло его вращаться. Тесла предположил, что вращающееся магнитное поле может быть создано с помощью переменного, а не постоянного тока, но в то время он не знал, как это сделать.
ВСЕМИРНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ПЛАНА Тесла
Массивная башня Тесла, построенная в 1901 году, была ранней версией беспроводного телекоммуникационного передатчика. В 1917 году она была снесена. ФОТО: ULLSTEIN BILD, GETTY
Самая известная лаборатория Теслы, Wordencliff, была расположена на Лонг-Айленде. В 1901 году банкир Джон П. Морган одолжил Тесле 150 тысяч долларов на реализацию плана по передаче энергии по всему миру. Знаменитый архитектор Стэнфорд Уайт спроектировал главное здание, которое генерировало волны электроэнергии и подавалось по кабелям к башне и подземному стволу.
Башня функционировала как гигантская катушка Тесла, усиливая ток до миллионов вольт и посылая его через шахту в земную кору. Tesla верил, что потребители могли подключиться к этим подземным токам и питать системы освещения и двигатели от них.
Он также верил, что люди смогут носить с собой небольшие передатчики размером "не больше карманных часов" и с их помощью получать новостные сообщения и телефонные звонки. К сожалению, Тесла не смог собрать средства для продолжения этой работы. В 1905 году у него случился нервный срыв. Ему пришлось отдать Ворденклиф своим кредиторам.
Сегодня башня восстановлена при поддержке тысяч поклонников гения Теслы, в том числе Илоны Маска.
В течение следующих пяти лет Тесла набирался практического опыта для улучшения своего двигателя. Он помог организовать телефонную связь в Будапеште и переехал в Париж для работы с компанией Continental Edison, которая занималась освещением в крупных европейских городах. В 1884 году Тесла переехал в нью-йоркский филиал Машиностроительного завода Эдисона. Там он провел небольшой разговор с Эдисоном, после чего был вынужден разработать систему дугового освещения. После спора об оплате его проектов, разгневанный Тесла уволился.
После работы с командой из Raway, Нью-Джерси, Тесла представил свою собственную систему дугового освещения, но компания вскоре закрылась. Изобретателю пришлось копать канавы, чтобы свести концы с концами. Несмотря на все трудности жизни, он все же нашел в себе силы подать заявку на патент на термомагнитный двигатель. Его изобретение привлекло внимание Чарльза Ф. Пека и Альфреда С. Брауна, финансистов с Уолл-стрит. Двигатель заинтриговал их, и в 1886 году они арендовали манхэттенскую лабораторию для Теслы.
Тесла начал улучшать термомагнитный двигатель, но этот вариант все еще не работает. Пек предложил ему вернуться к работе над двигателем переменного тока. Основываясь на своих будапештских идеях, Тесла экспериментировал с несколькими переменными токами в двигателе. Это было довольно авантюрное решение, потому что инженеры компании Westinghouse Electric (и везде) использовали в своих системах только один переменный ток.
В 1887 году Тесла обнаружил, что он может генерировать вращающееся магнитное поле, питая два различных переменных тока на пару катушек на противоположных сторонах статора. Современные инженеры могли бы сказать, что двигатель Теслы питался двухфазным током. Удовлетворенный результатом, Tesla подал патентную заявку на новое изобретение и идею многофазной передачи переменного тока.
Вестингхаус может использовать свои электростанции (на фото) для обслуживания большего количества людей и охвата большего количества территорий. Для передачи электроэнергии на большие расстояния, переменный ток был намного дешевле и эффективнее. Системы Эдисона никогда не мечтали об этом. ФОТО: БЕТТМАНН, КОРБИС/ГЕТТИ
Когда выяснилось, что изобретение Теслы имеет многообещающее будущее, его спонсоры подумали о том, как продвигать его в массы. Для Пек и Брауна не было смысла производить двигатель Теслы. Нет, они хотели продать свои патенты по более высокой цене.
В качестве рекламы они организовали лекцию для Теслы в Американском университете электротехники в 1888 году. Их план сработал. После лекции Джордж Вестингхаус купил патенты Теслы за 200 000 долларов. С точки зрения сегодняшних денег, эта сделка стоила бы 5 миллионов.
Битва токов
Получив в своей гоночной системе питания лампочки и моторы, Вестингхаус напал на своего главного конкурента, компанию "Эдисон Электрик Лайт". Он заключил контракт, чтобы охватить все области, которые Эдисон»Система не могла обслуживать, а именно город, где население было рассеяно по большой площади.
Пользуясь прибылью от производства пневматических тормозов для железнодорожных поездов и сигнальных систем, Westinghouse предлагал цены ниже, чем у Эдисона, и часто строил новые электростанции дешевле, чем их стоимость.
Такая тактика шокировала Эдисона. Он родился и вырос на Среднем Западе, и его понимание бизнеса было очень простым: нужно брать у клиента именно то, что нужно для постройки оборудования, плюс скромная прибыль. Намеренная потеря денег, чтобы "отрезать" конкурента, казалась ему несправедливой. В 1888 году, проиграв крупные контракты на освещение для Денвера и Миннеаполиса, один из менеджеров Эдисона, Фрэнсис Хастингс, решил бросить вызов безопасности электрических систем Вестингхауса.
При установке первых систем переменного тока аварии были неизбежны: прокладки иногда погибали от высокого напряжения в сети. Газеты быстро разожгли скандал. Чтобы ускорить процесс свержения противника, Гастингс заручился поддержкой Гарольда П. Брауна. Инженер-консультант, обманутый Westinghouse Electric, хотел отомстить. С одобрения менеджеров Эдисона Браун организовал демонстрации для журналистов в лаборатории Эдисона в Уэст-Оранже, Нью-Джерси. На этих демонстрациях бродячие собаки были убиты с помощью оборудования Westinghouse Electric.
ФОТО: ГРАНГЕР, КОРДОН ПРЕСС
С XVIII века законодатели Европы и Америки решили максимально гуманизировать смертную казнь. После неудачных повешений в США в 1880-х годах реформаторам пришлось изобретать новые методы казни. В Буффало, штат Нью-Йорк, стоматолог Альфред П. Саутвик изучал напряжение в электросети на бродячих собаках, а затем разработал систему казни преступников. Электрический удар по голове привел к потере сознания и смерти мозга. Второй удар привел к смертельному повреждению жизненно важных органов. Впервые электрический стул Саутвика был использован для вынесения смертного приговора в 1890 году. Самым успешным рекламным трюком Брауна было использование переменного тока для вынесения смертного приговора. В штате Нью-Йорк врачи и реформаторы пришли к выводу, что казнь через повешение слишком бесчеловечна, и начали искать новые способы убийства преступников.
Браун убедил их в гуманности казни с переменным током, для которого он приобрел подержанный генератор Westinghouse Electric. Он был установлен в тюрьме и использовался для казни Уильяма Кеммлера, осужденного за убийство. Газетные публикации под заголовками "Кемлер Вестингхаус" были антирекламой.
Браун лично бросил вызов Джорджу Вестингхаусу, попросив его попробовать, насколько сильным будет шок от генератора переменного тока по сравнению с генератором Эдисона. Тесла беспокоился, что его друг Вестингхаус действительно согласится. Во время лекции в 1891 году он решил продемонстрировать безопасность переменного тока, приняв удар 250 000 вольт. Благодаря высокой частоте тока, генерируемого новой катушкой Теслы, ток прошел через поверхность тела экспериментатора, не причинив вреда внутренним органам.
В дополнение к кампании в СМИ, Эдисон боролся против Вестингхауса и на законодательном поле. Представители группы Эдисона интенсивно лоббировали несколько законов, ограничивающих максимальное напряжение электрических систем до 300 вольт. Им почти удалось получить эти законы в Вирджинии и Огайо.
Победа AC
Пока Эдисон защищал свое изобретение в суде общественного мнения, Вестингхаус и Тесла занимались инжинирингом и бизнесом. Вестингхаус провел впечатляющую презентацию своих систем, предоставив десятки тысяч ламп накаливания для Всемирной выставки в Чикаго в 1893 году. Красота ночного освещения впечатлила посетителей, убедив их в том, что будущее по-прежнему в кондиционерах.
Всемирная выставка, посвященная 400-летию открытия Америки, состоялась в Чикаго в 1893 году. Публика со всей страны стекалась к берегам озера Мичиган, чтобы полюбоваться последними изобретениями и тенденциями в США. ФОТО: ГРАНГЕР, КОРДОН ПРЕСС
Затем, параллельно с Всемирной выставкой, Тесла начал тайные переговоры со спонсорами гигантской гидроэлектростанции на Ниагарском водопаде. Он убедил их, что лучше использовать переменный ток для передачи электроэнергии по всему штату Нью-Йорк.
После интенсивной переписки и личных встреч, ему удалось убедить банкиров. В то же время, Тесла держал Вестинга в курсе соглашения о продвижении проекта на Ниагарском водопаде, так что последний мог бы принять участие втендер на проектирование и оборудование электростанции. Признавая заслуги Теслы в этом проекте, банкиры пригласили его выступить с речью на банкете в честь открытия электростанции в 1896 году.
БЕЛЫЙ ГОРОД
Вестингхаус и Tesla AC Systems на Всемирной выставке в Чикаго. ФОТО: BROOKLYN MUSEUM OF ART, NY/BRIDGEMAN/ACI
Всемирная выставка 1893 года состоялась в Чикаго, чтобы отметить 400-летие прибытия Христофора Колумба в Новый Свет. 200 павильонов привлекли 27 миллионов посетителей, и было на что посмотреть: первое колесо обозрения, движущийся тротуар, фильмы в кинотеатре Edison Cinetoscope и многое другое.
Градостроители со всей Америки были вдохновлены блестящими белыми зданиями, построенными специально для шоу. После этого в городах по всей стране стали строиться роскошные ратуши, бульвары и парки, достойные эпохи прогресса. Компания Westinghouse Electric заключила контракт на освещение выставки и спроектировала новые светильники для павильонов. Для их питания компания установила 24 генератора мощностью 500 лошадиных сил, трансформаторы и другое оборудование, чтобы продемонстрировать разнообразие и производительность своих систем.
После строительства электростанции на Ниагарском водопаде, основным направлением в американской электротехнической промышленности, наконец, утвердился. На протяжении большей части 20-го века частные коммунальные предприятия генерировали и передавали переменный ток в массовом масштабе предпринимателям и простым людям.
Поскольку строительство новых электростанций было дорогостоящим, а маржинальная прибыль от продажи электроэнергии была низкой, эти предприятия в целом стремились к расширению своих сетей. Они начали с городов и постепенно охватили сразу несколько штатов. Однако они все еще полагались на технологию многофазного кондиционирования, изобретенную Теслой и Вестингхаусом
