Первый такой прибор был построен Фарадеем в 1821 г. С его помощью ученый установил, что электрический ток, проходящий по проводнику, может заставить этот проводник совершать вращение вокруг магнита или, наоборот, вызывать вращение магнита вокруг проводника. Важнейшее значение этого опыта заключалось в том, что он наглядно показал принципиальную возможность построения электродвигателя.
В 1824 г. П. Барлоу также наглядно с помощью другого прибора продемонстрировал возможность превращения электрической энергии в механическую. Он расположил горизонтально два П-образных постоянных магнита и под ними поместил два медных зубчатых колесика, сидящих на одной оси.
Когда через колесики пропускался ток, они начинали вращаться в одном и том же направлении. Ученый при этом заметил, что перемена полярности контактов или перемена полюсов магнитов изменяла направление вращения колесиков. Этот прибор вошел в науку под названием «колеса Барлоу». В настоящее время он используется только в качестве демонстрационного прибора. Практического значения колесо Барлоу не имело. Однако в 20-х гг. XIX в. прибор сыграл свою роль, направив поиски экспериментаторов на создание практически пригодного электродвигателя.
Интересная модель электродвигателя в 1831 г. была предложена Д. Генри в статье «О качательном движении, производимом магнитным притяжением и отталкиванием». Конструктивно форма, предложенная Генри, интересна тем, что в ней впервые была сделана попытка использовать притяжение разноименных и отталкивание одноименных магнитных полюсов для получения качательного движения. В модели, построенной ученым, электромагнит совершал 75 качаний в минуту, а мощность двигателя была равна 0,044 Вт. Поэтому о его практическом применении не могло быть и речи.
В том же 1831 г. электродвигатель с качательным движением якоря между полюсами магнита .был предложен С. Даль-Негро.
В моделях электродвигателей Генри и Даль-Негро был использован принцип возвратно-поступательного движения. На этом же принципе работал паровой двигатель. Об исключительной живучести этой идеи говорят и такие факты: первые изобретатели парохода предлагали использовать паровой двигатель для приведения в движение весел с тем, чтобы заменить гребцов, а первые изобретатели паровоза хотели создать передвигающийся механизм, подражающий движению ног лошади.
3. Создание первого электродвигателя
Идея Генри и Даль-Негро вначале довлела и над Борисом Семеновичем
Якоби(1801-1874) , петербургским академиком . «В мае 1834 г. пишет ученый,-
я построил свой первый магнитный аппарат, дающий постоянное круговое
движение... Но я не мог сначала отказаться от идеи получить возвратно-
поступательное движение, производимое последовательным притягивающим и
отталкивающим действием магнитных стержней, а затем уже превратить это
возвратно-поступательное движение в постоянное круговое известным в технике
способом».
Но было бы неверным считать, что идея создания электродвигателя с вращательным движением впервые была выдвинута Якоби. Ее высказал в 1833 г. английский ученый В. Риччи в своей статье «Опытные исследования по электромагнетизму и магнитоэлектричеству». Для изучения и иллюстрации свойств магнита Риччи создал прибор, в котором ему с помощью магнита удалось получить вращательное движение железной полосы, обвитой проволокой, по которой протекал ток. «Самый поразительный результат,- писал он который мною был получен при перемене полюсов электромагнита, заключается в сообщении магниту вращательного движения вокруг его центра».
Неизвестно, знал Якоби о модели электродвигателей Риччи или нет, но
вполне вероятно, что он независимо пришел к выводу о необходимости создания
двигателя с вращательным движением. Он правильно оценил все преимущества
такого двигателя. В отличие от своих предшественников Якоби сразу же решил
создать не очередную физическую игрушку, а такой двигатель, который был бы
пригоден для практики, «для нужд промышленности и жизни». «Я уже не говорю
о крайней простоте магнитной Машины писал ученый с круговым беспрерывным
движением, о конструктивных ее преимуществах и легкости превращения
кругового движения во всякое другое, какого требует данная рабочая машина.
Я с самого начала был проникнут этими мыслями, еще когда я не представлял
себе, каким образом мне удастся осуществить свою машину; я тогда имел в
виду практическое ее применение, и задача представлялась мне настолько
важной, что я не хотел тратить силы на выдумывание игрушек с возвратно-
поступательным движением, которые удостоились бы чести быть поставленными в
один ряд с электрическим звонком в отношении их эффекта».
Историческая заслуга Якоби заключается в том, что он руководствовался не
отвлеченными научными рассуждениями, а как инженер исходил из практических
запросов производства, которые и побудили его серьезно и вдумчиво заняться
созданием необходимого для промышленности и транспорта двигателя. О своем
изобретении Якоби впервые сообщил в конце 1834 г. в «Заметке о магнитной
машине, в которой магнетизм используется как двигательная сила». Она была
напечатана в трудах Парижской Академии наук.
Подробное описание своего электромагнитного двигателя Якоби дает в двух
частях. Первую из них он печатает в 1835 г. в Потсдаме - городе, где
родился, под названием «Мемуары о применении электромагнитной силы к
движению машин», а вторую - в качестве продолжения первой под тем же
названием в 1837 г. в трудах Петербургской Академии наук. Интерес к
изобретению Якоби был всеобщим. У него сразу же нашлись и подражатели. В
Петербурге о его двигателе стало известно уже в 1834 г. из статьи,
напечатанной в № 10 «Журнала мануфактур и торговли» и в газете, издаваемой
в столице на немецком языке «St-Petersburg Zeitung».
Что же представлял собой первый образец электродвигателя Якоби? Ученый
кратко описал его так: «Аппарат состоит из двух групп по 8 стержней мягкого
железа, длиной по 7 дюймов (177,8 мм.) и толщиной 1 дюйм (25,4 мм..). Обе
группы стержней располагаются на двух дисках под прямым углом и симметрично
одна по отношению к другой таким образом, чтобы полюсы приходились один
против другого. Один из дисков неподвижен, а другой вращается вокруг
некоторой оси, благодаря чему группа подвижных стержней проходит мимо
неподвижных на возможно более близком расстоянии от них. Все 16 стержней
обмотаны 320 футами (96 м..) медной проволоки толщиной в одну с четвертью
линии (3,17 мм.); концы обмоток соединяются с полюсами гальванической
батареи... Успешная работа этой машины обусловлена удачной конструкцией...
коммутатора, осуществляющего перемену полюсов восемь раз за один оборот».
Двигатель мог поднимать груз массой примерно 4- б кг на высоту около 30 см
в секунду, что составляло мощность около 15 Вт. Он давал 80-120 оборотов в
минуту. Окружная скорость подвижного диска была равна 1,8 м/с. Величина
зазора между полюсами магнита равнялась 12,7 мм. Подвижной диск с
электромагнитами имел массу 20 кг. В качестве изоляции сердечника
электромагнитов использовалась шелковая материя. Для питания
электромагнитов применялась гальваническая батарея (рис.1)
[pic] рис. 1.
Такими были главные конструктивные элементы и параметры электродвигателя
Якоби, построенного им в 1834 г. Но не они характеризовали принципиально
новые физические принципы, положенные ученым в основу своего выдающегося
изобретения. Главное, чего удалось добиться Якоби в результате его
напряженных творческих поисков, заключалось в том, что он обеспечил в своем
двигателе вращательное движение подвижного диска, которое основывалось на
взаимодействии полюсов электромагнитов подвижного диска и электромагнитов
неподвижной рамы. Это новшество ученый считал одним из главных достоинств
своего двигателя. Он с гордостью отмечал, что в его двигателе для движения
диска применялись «новые силы», не использованные еще в практике. «Машина,
-писал он, -дает непосредственное круговое движение, которое гораздо легче
преобразовать в другие виды движения». Как это было им осуществлено
практически, можно без труда понять из рассмотрения следующих двух основных
схем.
Двигатель Якоби состоял из двух групп П-образных электромагнитов. Восемь
из них, установленных на неподвижной раме, были соединены последовательно и
питались током непосредственно от батареи гальванических элементов, причем
направление тока в этих; электромагнитах оставалось постоянным. Восемь
электромагнитов, установленных на подвижном диске, были подключены к
батарее через коммутатор, с помощью которого направление тока в каждом из
них изменялось 8 раз за один оборот диска. N1, S1, и N2 полюсы
электромагнитов подвижного диска, N’1, S’1 и N'2 -полюсы электромагнитов
неподвижной рамы (рис 2.) .Обмотка электромагнитов, чтобы не усложнять
схем, не показана.
[pic] рис.2
Перед запуском двигателя одноименные полюсы устанавливаются друг против
друга . После начального толчка при включении батареи электромагнит N 1
будет отталкиваться от одноименного полюса N’1 и притягиваться полюсом S‘1
В результате такого взаимодействия полюс электромагнита N1 станет против
полюса электромагнита S’1 и по инерции пройдет несколько дальше. В этот
момент коммутатор (действие его будет рассмотрено позднее) произведет
переключение полюсов батареи, и по обмотке электромагнитов подвижного диска
будет проходить ток обратного направления. Вследствие этого полярность
полюсов электромагнитов подвижного диска изменится и полюс N1, ставший
теперь полюсом, одноименным с полюсом S’1 , будет от него отталкиваться.
Аналогичный процесс будет происходить и при взаимодействии остальных
полюсов электромагнитов, расположенных на подвижном диске и на неподвижной
раме. Такое периодическое изменение полюсов электромагнитов в подвижном
диске 8 раз за один оборот при наличии инерции будет поддерживать
непрерывное вращение как подвижного диска, так и вмонтированного в его
центр рабочего вала электродвигателя.
Талантливый инженер так остроумно решил вопрос о вращательном движении рабочего вала. Якоби первым в науке об электричестве обосновал все важнейшие преимущества такого движения для всех электродвигателей и убедительно показал нецелесообразность использования в них возвратно- поступательного движения. История полностью подтвердила исключительную плодотворность этой идеи. Все электрические машины со времени Якоби стали строиться с вращательным движением якоря двигателя.
[pic] рис. 3
