Поистине светлая идея. Эдисон. Электрическое освещение - [34]
РИС. 4
РИС. 5
РИС. 6
Вплоть до 1878 года единственным известным способом распределения электрического тока по сети являлась последовательная схема (см. рисунок 4), где все элементы были подключены друг за другом и для электротока существовал единственный возможный путь. Сопротивление такой цепи — это арифметическая сумма сопротивлений всех ее элементов, а напряжение в ней равно сумме напряжений на всех клеммах ее компонентов. Ток в такой цепи неизменен в любой ее точке.
В последовательном контуре генератор напрямую соединяет индуктор с внешней цепью. Индуктор — это вращающаяся часть машины, где производится превращение механической энергии в электрическую путем электромагнитной индукции. Катушки данного генератора состоят из нескольких витков твердого железного провода низкого сопротивления. Это нестабильно работающая система, в которой напряжение плавает при изменении нагрузки, так что добавление или исключение из цепи ламп вызывает изменение света в остальных. Поскольку электрическое освещение имело практическое значение в местах поселения множества людей, Эдисон знал, что должно быть возможным зажигать и тушить каждую лампу независимо, не влияя на остальные компоненты цепи.
Изобретатель спроектировал параллельную цепь (см. рисунок 5), в которой конфигурация компонентов строилась таким образом, чтобы ток делился между ними. Если в последовательном контуре сила тока являлась величиной постоянной, а напряжение зависело от нагрузки, то в параллельном постоянным было напряжение, а сила тока, который подводился к каждому конкретному прибору, изменялась при подключении или выключении дополнительных элементов цепи или параллельного ответвления.
Главным элементом схемы Эдисона являлся генератор, мощность которого должна была удовлетворять потребности системы. Недовольный существующими конструкциями генераторов, Эдисон поставил задачу команде Менло-Парка разработать устраивающую его динамо-машину. Первая машина Эдисона имела неповторимый вид (см. рисунок 6). Ее катушки располагались вертикально почти на длину человеческого роста, поэтому она заработала прозвище «длинноногая Мэри Энн». Принцип работы аппарата был таким же, как и у любого двухполюсного генератора постоянного тока. Однако его схема обеспечивала исключительно низкое сопротивление, и если поддерживать постоянную скорость вращения, то напряжение генератора оставалось (с небольшими колебаниями) на уровне 110 вольт — величина, рассчитанная Эптоном для системы электрического освещения.
Согласно Эдисону, «Мэри Энн» могла работать на максимальной мощности без перегрева, превращая до 90 % механической энергии в электрическую. Иными словами, КПД генератора составлял 90%. Несмотря на это, многие ученые критиковали его расчеты, находя их ошибочными. В то время считалось доказанным, что отношение между внутренним сопротивлением динамо-машины и сопротивлением нагрузки не позволяет генератору достичь эффективности более 50%.
РИС. 7
Схема трехпроводной системы, включающей два провода под нагрузкой и один нулевой.
Скоро стало ясно: «вопрос экономии», как называл его сам Эдисон, вовсе не второстепенен. Простая цепь с определенным количеством лампочек нуждалась в электрическом токе большой силы, для чего требовалось огромное количество меди. Акционеры Эдисона торопили его, желая получить конструкцию всей системы освещения нужных масштабов, с целью оценить ее рентабельность и возможные слабые стороны. С зимы 1879 года команда из 100 специалистов работала над монтажом электрической распределительной сети в окрестностях Менло-Парка. Ей предназначалось служить моделью будущих сетей, гораздо больших по масштабу. В 1880 году появилась система, включающая одну электростанцию и 425 лампочек, работающих с той же рентабельностью, что и прежние газовые лампы, поскольку употребление меди было снижено в восемь раз по сравнению с первоначальным. Впоследствии его удалось снизить еще на 64 % за счет так называемой трехпроводной распределительной системы, которая удваивала пропускную способность цепи без необходимости в четыре раза увеличивать объем проводов, так как в нее добавили «нулевой» провод (см. рисунок 7).
Весной 1880 года Эдисон велел построить короткую железнодорожную линию длиной 350 м, на которой опробовал первый электрический локомотив длиной 1,90 м, шириной 1,20 м и мощностью 8,1 кВт (11 л.с.). Таким образом, встал вопрос о первом электровозе больших размеров. Генри Виллард, король железных дорог, был так впечатлен демонстрацией, что выделил 40 тысяч долларов на разработку более мощного и быстрого локомотива. Эдисон не замедлил представить поезд, достигавший скорости 65 км/ч и снабженный электрической тормозной системой. Тем не менее консервативно настроенные железнодорожные магнаты не верили в возможность заменить паровозы локомотивами на электрической тяге, и идея электрического поезда не получила развития. Несколько лет спустя Эдисон потерял интерес к этой теме: патенты не окупались, а поддержка Генри Вилларда исчезла с крахом его компании «Норзен Пасифик Рейлроуд». И все-таки проект не оказался заброшенным полностью: пока Эдисон занимался освещением, он поручил Фрэнку Спрагу продолжить работу над электродвигателем для городского трамвая, и в данной области были достигнуты значительные успехи.
