В 1819 году Ганс Христиан Эрстед (1777–1851) открыл магнитный эффект электрического тока (в эрстедах сейчас измеряют напряженность магнитного поля), и в 1820-х Андре-Мари Ампер (1755–1836) сформулировал концепцию замкнутой цепи и дал количественную оценку магнитному эффекту электрического тока (ампер – единица силы тока). Но самое важное открытие начала XIX века было сделано Майклом Фарадеем (1791–1867), который обнаружил электромагнитную индукцию (рис. 5.9). Фарадей решил ответить на простой вопрос – если, как показал Эрстед, электричество порождает магнетизм, то может ли магнетизм порождать электричество? – и у нас есть точная дата и его детальный отчет о том, как он получил ответ (примечание 5.9).
Рисунок 5.9. Майкл Фарадей. Фотография Wellcome Library, Лондон
Опыт Фарадея показал, что механическую энергию можно превратить в электричество (чтобы сгенерировать переменный ток), и наоборот, и это открыло путь практическому производству и конверсии энергии, которая не зависела бы и не была ограничена тяжелыми батареями, имеющими низкую плотность энергии. Но потребовались десятилетия работы многих людей, чтобы эта возможность превратилась в коммерческую реальность. Когда Жюль Верн (1828–1905) опубликовал свой роман «Двадцать тысяч лье под водой», он заставил капитана Немо объяснить профессору Аронаксу: «Есть могущественная, послушная сила, простая в обращении, которой принадлежит первое место на моем корабле. Все делается ею: она меня освещает, согревает, очень быстро приводит в действие машины. Эта сила – электричество!
[14]» – но в 1870 году это оставалось еще научной фантастикой, поскольку электричество нельзя было получать в больших объемах, и мощность электромоторов ограничивали батареи малой емкости.
Примечание 5.9. Открытие Фарадеем электромагнитной индукции
Фарадей был самоучкой и работал ассистентом в Королевском институте, где помогал в основном Хэмфри Дэви (1778–1829), первому ученому, который описал электрическую дугу, каковая возникает, если развести на небольшое расстояние два углеродных электрода. Первую значимую работу об электричестве (об электромагнитном вращении) он опубликовал в 1821 году, где обрисовал принципы работы электромотора. Новую серию экспериментов Фарадей начал в 1831-м, и она в конечном итоге привела к открытию электромагнитной индукции 17 октября 1831 года. Беспокоясь, что его результаты могут быть искажением, которое породила экспериментальная установка, он провел финальный эксперимент, используя отличную технику, получая постоянный ток. Результаты он представил на лекции в Королевском обществе 24 ноября 1831 года. Вот как он описал их в «Экспериментальных исследованиях по электричеству» (Faraday 1832,128):
«В предыдущих экспериментах провода размещались рядом друг с другом, и контакт индуцирующего с батареей возникал, когда требовался индуктивный эффект; но поскольку некоторые отдельные действия могли быть восприняты как причина воздействия в моменты возникновения и разрыва контакта, индукция была получена другим путем. Несколько футов медного провода были вытянуты в форме широкого зигзага, представляя букву W, на поверхности широкой доски; второй провод был расположен точно таким же образом на второй доске, так что когда его подносили к первому, они должны были совпасть, если бы между ними не находился слой толстой бумаги. Один из этих проводов был присоединен к гальванометру, другой – к вольтовой батарее. Первый провод затем двигался по направлению ко второму, и когда он приближался, стрелка отклонялась. Когда провод удаляли, стрелка отклонялась в обратном направлении. Сначала сближая провода, а затем удаляя их друг от друга, удавалось получить все более мощные колебания стрелки, но когда же провода прекращали двигать, то стрелка гальванометра вскоре возвращалась к обычной позиции.
По мере того, как провода сближались, индуцируемый ток шел в направлении, противоположном индуцирующему. Когда провода расходились, индуцированный ток шел в том же направлении, что и индуцирующий. Когда провода не двигались, индуцируемого тока не возникало».
Эта задержка не так уж удивительна, поскольку генерация электричества, его передача и превращение в тепло, свет, движение и химический потенциал является крайне сложным достижением в ряду энергетических инноваций. Ранее новые источники энергии и первичные движители конструировали, чтобы быстрее и дешевле выполнять определенные задачи, или получать больше мощности, и их можно было без труда использовать в рамках существовавших производственных отношений (например, жернова стали вращать мельничные колеса вместо животных). По контрасту, освоение электричества потребовало изобретения, развития и установки целой новой системы, необходимой для надежной генерации, безопасной передачи на большие расстояния и удобной доставки к конкретным пользователям, а также эффективной конверсии в различные формы энергии, нужные этим самым пользователям.
Коммерциализация электричества началась с поиском источников лучшего освещения. Как уже отмечалось, Дэви продемонстрировал эффект дуги в 1808 году, но первые лампы, где он использовался, загорелись на площади Согласия (Париж) в декабре 1844-го, и затем в Лондонской Национальной галерее в ноябре 1848-го. В 1871 году Зеноб Грамм (1826–1901) представил первую динамо-машину, которую он назвал machine magneto-electrique produisant de courant continu, Академии наук в Париже (Chauvois 1967). Его конструкция в конечном итоге открыла дорогу к дуговой лампе, питаемой с помощью динамо: с 1877 года они освещали некоторые известные общественные места в Париже и Лондоне, а к середине 1880-х распространились по многим европейским и американским городам (Figuier 1888; Bowers 1998). Но дуговые лампы требовали контроля, чтобы поддерживать постоянную дугу в то время как ток сжигал положительный электрод, и они не подходили для использования внутри домов, а замена электродов представляла собой значительную логистическую проблему: для лампы в 500 Вт на каждые 50 м километр городской дороги потребовал бы в год 3,6 км толстых (15 и 9 мм) углеродных электродов (Garcke 1911).
Разработка системы домового освещения с помощью раскаленных нитей растянулась на шесть десятилетий – от экспериментов Уильяма де ла Ру с платиновой спиралью в 1820-х до 1879 года, когда Эдисон представил свою первую надежную лампу с угольной нитью (Edison 1880). В процессе оказались задействованы почти две дюжины выдающихся (и забытых) изобретателей из Великобритании, Франции, Германии, России, Канады и США (Pope 1894; Garcke 1911; Howell and Schroeder 1927; Friedel and Israel 1986; Bowers 1998). Необходимо отметить по меньшей мере Германа Шпрен-геля, который изобрел ртутный насос, позволивший получить вакуум, в 1865 году; Джозефа Уилсона Свана (1818–1914), начавшего работу в 1850-м и в конечном итоге получившего патент Великобритании на лампу с угольной нитью в 1880 году; канадцев Генри Вудворда и Мэтью Эванса, чей патент 1875 года послужил основой работы Эдисона. Почему достижения самого Эдисона намного превзошли то, чего сумели добиться его многочисленные предшественники и конкуренты?
