Эдисон. Электрическое освещение

ГЛАВА 5 Чудо столетия: электрический свет

Когда Эдисон увидел лабораторную модель сети электрического освещения, он понял, что стоит на пороге будущего, и начал работать над усовершенствованием ламп. Труды по созданию функциональной лампы накаливания вовлекли его в длительное исследование материалов и заставили бороться с недоверием инвесторов. В конце концов он вложил в дело собственное состояние и добился успеха: разработал систему электрического освещения, создав таким образом один из фундаментальных столпов современного мира.

В 1878 году Томасу Альве Эдисону исполнился 31 год, а за спиной у него были уже три великих изобретения, которые оказали огромное влияние на общество того времени: многоканальный телеграф, доработанная версия телефона и фонограф. Мировая печать признала его успехи, окрестив изобретателя «волшебником из Менло-Парка», а имя Эдисона было столь же известно среди финансистов Уолл-Стрит, сколь и среди любителей науки и техники.

К концу весны того же года изобретатель чувствовал себя измотанным. Воспользовавшись приглашением принять участие в научной экспедиции, собиравшейся наблюдать полное солнечное затмение в Скалистых горах, он решил взять паузу впервые за десять лет. Несколько недель Эдисон прожил среди некоторых из самых выдающихся ученых США, и общение с ними пробудило в нем интерес к электрическому освещению.

После возвращения он, по рекомендациям, посетил фабрику «Уоллес энд Санс» — крупное предприятие, занимавшееся литьем из меди и латуни. Оно было особенно известно благодаря выпуску проводов и другой продукции в области связи, а его хозяин, Уильям Уоллес (1825-1904), провел десяток лет за экспериментами с электричеством и с 1874 года производил динамо-машину собственной конструкции. Незадолго до визита Эдисона он начал работать над системой освещения, основанной на дуговой лампе, питаемой от мощного электрического генератора. Лаборатория Уоллеса в Ансонии (штат Коннектикут) служила лучшим примером того, что могли предложить США в области использования электрической энергии.

Первый шаг — это найти идею... А вот дальше начинаются сложности.

Томас Альва Эдисон

Когда Эдисон увидел, как при включении генератора разом загорелись все лампочки Уоллеса, это показалось ему чудом. Его ум сразу принялся за подсчеты мощности, стоимости за час и прочего. Перед ним раскрывались самые манящие коммерческие возможности из всех, которые когда-нибудь встречались ему на пути. Даже начальные инвестиции, необходимые для разрешения всех возможных технических проблем и создания электрической сети, не должны были быть слишком значительными. На следующий день изобретатель усадил всю команду Менло-Парка, включая и себя самого, работать исключительно над созданием электрического освещения.

Хотя эта область и была новой для Эдисона, электричество уже являлось частью истории науки. В 1808 году британский химик Гемфри Дэви (1778-1829), считающийся одним из основателей электрохимии наряду с Вольтой и Фарадеем, использовал мощную электрическую батарею, чтобы продемонстрировать в Королевском институте, что электричество может производить свет двумя основными способами: создавая искру в форме дуги между двумя раздельными проводниками или нагревая тугоплавкий металл до раскаленного состояния. С тех пор возможность создания эффективной электрической лампы занимала многих исследователей и изобретателей, но ограниченная доступность и огромная цена электрического тока до начала 1860-х годов мешали какому-либо прогрессу в их деле. Хотя патенты на дуговые лампы и лампы накаливания выдавались начиная с 1840-х годов, никто так и не смог разработать функциональную модель лампочки, пригодную для использования на практике.

По большей части исследования концентрировались на дуговых лампах. Дэви использовал два куска угля, чтобы продемонстрировать: мощный электрический ток может производить постоянную электрическую дугу, испускающую очень яркий свет (см. рисунок 1). Эффективность работы лампы, то есть яркость света, зависела от зазора между кусками угля. Несмотря на простоту устройства, дуговая лампа не была лишена серьезных проблем. Прежде всего оставалось непонятным, как сделать так, чтобы сильный жар от дуги не расплавлял кончики угольных электродов при каждом включении источника питания. Кроме того, требовалось найти метод сохранения постоянного расстояния между электродами при их износе, происходящем в процессе испускания света.

РИС. 1

В 1878 году ученые уже хорошо знали основные технологические принципы дуговой лампы, и в ее конструкции был достигнут прогресс, позволявший использовать ее на практике. Уильям Уоллес рассказал Эдисону про самую последнюю новинку в этой области: электромагнитный регулятор, удерживающий угольные электроды на постоянном расстоянии друг от друга, благодаря чему при пропускании тока получался ровный яркий свет. В то время встречались дуговые лампы, освещающие общественные здания и магазины, но они не подходили для домашнего использования, потому что были слишком мощными. Для освещения частных домов, нуждавшихся в гораздо меньшей интенсивности света, вполне удовлетворительным вариантом считались газовые лампы.

По сравнению с дуговой лампой развитие технологии ламп накаливания сильно отставало. Дэви показал: электрический ток может нагреть вещество до такой температуры, что оно начнет светиться. Но основная проблема состояла в том, что рабочая температура должна быть достаточно высока, чтобы вызвать свечение, и в то же время она не должна вызвать окисление и сгорание вещества. Исключение представлял собой уголь, который не плавился при высоких температурах, однако благодаря своим свойствам мог легко вспыхнуть, из-за чего эксперименты с ним слишком далеко не продвинулись. Платина, обладающая высокой сопротивляемостью окислению, являлась еще одним материалом с приемлемыми качествами. Но она дорогая, и, что особенно важно, ее трудно довести до температуры свечения, которая очень близка к температуре плавления (около 1770 °С).

Во второй четверти XIX века многие исследователи изучали проблему лампы накаливания, разрабатывая нити из различных комбинаций платины или иридия и угольных прутков, заключенных в стеклянные сосуды с откачанным или частично откачанным воздухом.

Согласно определению, свет можно рассматривать как электромагнитную волну либо как поток фотонов (элементарных частиц). Он всегда служил одним из главных объектов физических исследований, в которых отметились такие известные ученые, как Ньютон, Гюйгенс, Френель, Юнг, Милликен, Эйнштейн и много других. Изучение световых явлений показывает, что свет обладает двойственной природой: волновой (то есть ведет себя как волна), когда он распространяется, и корпускулярной (то есть ведет себя как поток частиц), когда взаимодействует с материей. Этот постулат — один из базовых принципов квантовой механики. С одной точки зрения, основанной на корпускулярной природе света, фотоны определяются как сгустки энергии, обладающие импульсом, но не имеющие массы. Такие частицы могут испускаться атомом. Чтобы понять процесс, благодаря которому это становится возможным, необходимо ввести понятие атомных орбит. Электроны в атоме связаны с атомным ядром. В расширенном смысле можно сказать, что они занимают определенные области вокруг ядра, электронные орбиты, в зависимости от их уровня энергии. В целом электроны, расположенные на более высоких энергетических уровнях, движутся по орбитам, более удаленным от ядра. Процессы испускания фотонов (света) объясняются следующим образом: когда электрон принимает или получает энергию, например из-за столкновения с другими частицами (1), он может перескакивать на орбиту с более высоким энергетическим уровнем (2). Эта ситуация называется «возбужденное состояние» и длится мельчайшие доли секунды (переходное состояние). Почти сразу электроны стремятся к базовому энергетическому уровню (с меньшей энергией), возвращаясь на свою первоначальную орбиту. При этом энергия, соответствующая разнице между энергетическими уровнями, высвобождается в виде фотона (3).

Первый патент на такое устройство получил в 1841 году английский изобретатель Фредерик де Молейнс (1804-1854) со своим комбинированным проектом, где были задействованы уголь и платина в вакууме, созданном в стеклянной колбе. В 1845 году американский изобретатель Джон Старр (1822-1846) запатентовал две лампочки, в которых использовались, соответственно, два разных материала, и устроил их демонстрацию. К сожалению, вскоре он умер, не дожив и до 25 лет и не дождавшись подтверждения, что его лампы совершенно функциональны. За три десятилетия из лабораторий изобретателей всего мира вышли разнообразные осветительные устройства, но никто из них не смог разрешить фундаментальную проблему лампы накаливания, то есть понять, как довести материал до белого каления, чтобы это не привело к его разрушению.

После того как Эдисон поставил перед своей командой задачу найти светоиспускающий материал для производства рабочей лампы накаливания, успешные, как казалось, результаты не заставили себя ждать. Это убедило изобретателя в том, что цель будет достигнута очень скоро. Первые эксперименты проводились с целью выяснить причины неудач предыдущих изобретателей. Уголь представлялся наиболее простым и экономичным решением, но благодаря своей хрупкости он оказался явно непригодным в качестве элемента накаливания. Эдисон решил, что вместо того чтобы искать способ защиты его от сгорания, проще найти метод автоматической регулировки температуры нагрева металла.

В течение нескольких дней он представил в патентное бюро caveat, содержащий 44 разных способа саморегуляции температуры металлов при накаливании в зависимости от пропускаемого через них тока. Главной идеей Эдисона было использовать температурное расширение металлов, чтобы выключить или снизить подаваемый ток при приближении к точке плавления. Он предлагал сделать это либо в самой накаливаемой спирали либо с помощью дополнительной металлической детали.

История создания фонографа дала ему большой опыт в области рекламы и продвижения своей продукции. Так что, как только у него в руках оказалась лампочка, работавшая всего несколько минут и совершенно неприменимая на практике, он, тем не менее, тут же разместил эту новость в газетах, сопроводив ее описаниями грандиозного будущего электрического освещения. На фабрике Уильяма Уоллеса генератор смог питать электричеством десяток лампочек. Эдисон уверял, что он разрабатывает настолько экономичную и эффективную лампу, что в сети один генератор сможет обеспечить током «тысячи, а может, и десяток тысяч» ламп. Печать и рынок уже привыкли серьезно реагировать на заявления Эдисона, ожидая каждое новое его изобретение как эпохальное событие. Его слова сразу же вызвали широкую волну энтузиазма, и акции компаний, производящих светильный газ, на нью-йоркской и лондонской биржах резко пошли вниз. Финансисты с Уолл-Стрит, связанные с телеграфией, газом и другими стратегическими секторами, среди которых были и управляющие «Вестерн Юнион», и члены семьи Вандербильтов, начали наперебой предлагать Эдисону основать совместное акционерное общество. В итоге появилась «Эдисон Электрик Лайт Компани», целью которой стало поддержать опытные разработки электрического освещения, проводимые Эдисоном в Менло-Парке, и получить соответственные патенты.

Накаливанием называется явление испускания света из-за нагревания материала. Все тела испускают тепловое излучение, которое распространяется в виде электромагнитных волн. Некоторые материалы, когда их температура значительно возрастает, достигают так называемого состояния накала, краснея или белея под воздействием тепла и испуская излучение, которое воспринимается человеческим глазом. То же самое происходит в лампочке накаливания. Тепловое излучение, возникшее в результате нагрева спирали под действием тока, испускается в виде электромагнитных волн, воспринимаемых нами в том числе и как тепло. Спектр света зависит напрямую от температуры нагрева тела: при температуре около 1600 °С оно испускает красно-оранжевый свет, при 5000 °С — белый, переходящий затем даже в светло-голубой (8000-9000 °С).

Изначальный подход, предложенный изобретателем,— идея применения нитей или спиралей из платины с системами регуляции мощности на основе теплового расширения нагреваемого металла — начал сталкиваться со все возраставшими проблемами. Через несколько месяцев уже было ясно, что одно дело — сформулировать концепцию электрического света в рамках системы освещения и энергопитания, и совсем другое — должным образом решить все технические трудности при воплощении такой системы.

В Менло-Парке начался период интенсивных экспериментов. К саморегулирующимся спиралям из платины добавились регуляторы дуговых ламп, карбидные и калильные лампы (использовавшиеся в театре); были перепробованы все типы механической саморегуляции, как, например, диафрагмы в качестве выключателей, оказавшиеся слишком сложными, чтобы быть рентабельными. Список материалов, испробованных Эдисоном по отдельности или в сочетании друг с другом, весьма обширен: иридий, рутений, хром, алюминий, кремний, вольфрам, молибден, палладий, бор, титан, марганец... Никакой из них не показал приемлемых результатов. Были перепробованы все виды металлов и регуляторов температуры, а также всех прочих механических компонентов, во всех возможных вариантах. Понимание, что задача оказалась куда сложнее, чем они представляли себе поначалу, заставляло акционеров нервничать, и они оказывали на Эдисона давление, желая поскорей увидеть результаты.

В 1879 году изобретатель полностью отдавал себе отчет в том, что дело, захватившее его, требует значительно более серьезных ресурсов, чем те, которыми он располагает. Кроме того, поиск материалов стал сложным мероприятием и с точки зрения предпринимательской стратегии, когда Эдисон старался успокоить акционеров, предоставляя им доказательства своих успехов. В то же время для достижения прогресса ему необходимо было привлекать все больше средств для все более сложных и изощренных исследований.

В апреле акционеры компании Эдисона настояли, чтобы он устроил демонстрацию лампочки с платиновой нитью. В итоге демонстрация потерпела полное фиаско. Лампочка потребляла огромное количество электроэнергии, ее производство являлось слишком дорогим, и она очень быстро перегорала. Акции «Эдисон Электрик Лайт Компани» тут же упали, а вверх снова пошли акции компаний по производству светильного газа, которые с весны проводили в печати кампанию по шельмованию Эдисона, открыто называя его шарлатаном.

Одна из первых лампочек Эдисона.

Эдисон с моделью своей динамо-машины •Мэри Энн» в 1906 году, Оранж, штат Нью-Джерси.

Фотография 1880 года, изображающая первую в мире фабрику по производству электрических ламп, изобретенных Эдисоном, которая располагалась в Менло-Парке.

Однако сам изобретатель, совершенно не смущаясь вышеперечисленными обстоятельствами, вложил собственные средства в развитие лампы накаливания. Менло-Парк серьезно расширили, там были достроены еще три здания: офис с библиотекой и приемной, машинный зал с двумя паровыми машинами по 80 л.с. каждая и стеклодувная мастерская. Штат сотрудников также качественно улучшился, в него были включены ученые и инженеры с высшими академическими званиями, среди которых находились химик Эдвард Ачесон (1856-1931), впоследствии открывший карбид кремния, и Фрэнк Спрейг (1857-1934), считающийся одним из главных изобретателей электромотора. По настоятельному требованию совета директоров компании «Эдисон Электрик Лайт» в качестве начальника научного отдела Эдисон взял физика и математика Фрэнсиса Эптона (1852-1921), с которым у него, несмотря на его недоверие к теоретикам, впоследствии сложилась крепкая дружба. Вскоре Эптон стал ключевой фигурой в исследованиях, особенно потому, что он производил расчет электрического сопротивления волокон и проводов электрической сети.

В истории лампы накаливания не случилось эпического момента прозрения, когда Эдисон ясно увидел перед собой правильный путь. Он возник в результате суммирования знаний, полученных в ходе систематических экспериментов. Исследовательская работа постепенно привела команду Менло-Парка к осознанию, что нужно отойти от подхода, который использовался большинством изобретателей, то есть от поиска накаливаемого тела с высокой точкой плавления и малым сопротивлением следует перейти к исследованию материалов с высоким электрическим сопротивлением и низким потреблением энергии. Это понимание пришло с усовершенствованием вакуумных насосов, позволявшим теперь создавать лучший вакуум во внутреннем пространстве лампы, и обнаружением новых веществ, например осмия.

Вакуум обычно понимают как полное отсутствие вещества в определенном пространстве, но когда в науке и технике говорят об искусственно созданном вакууме, имеют в виду просто объем, где плотность частиц очень низкая, или, иными словами, замкнутое пространство, где давление воздуха или другого газа значительно ниже атмосферного. Эдисон взял на работу немецкого стеклодува Людвига Карла Бёма (1859-1907), который ранее сотрудничал с физиком Генрихом Гейслером (1814-1879), создателем вакуумных трубок, носящих его имя.

С помощью Бёма команда Менло-Парка интенсивно работала над максимально возможным увеличением уровня вакуума в лампе, то есть максимально возможным снижением давления внутри нее, и им удалось разработать подходящие для этой цели инструменты.

Ошибка большинства изобретателей состоит в том, что они сунутся пару раз туда-сюда и сразу отступают. Я же, наоборот, никогда не сдаюсь, пока не получу то, чего хочу.

Томас Альва Эдисон

После неудачи с металлами Эдисон снова вспомнил про ранее забракованные элементы накаливания из чистого угля с температурой плавления около 3500 °С. У них было более высокое электрическое сопротивление, чем у платиновых, и эксперименты с ними возобновились. Согласно расчетам Эдисона и Эптона, эти элементы должны были иметь диаметр максимум 0,4 мм и длину около 15 см. Задача заключалась в полной изоляции их от воздуха, чтобы они не могли окисляться. Образцы помещались в запечатанный сосуд и нагревались снаружи. Днем и ночью шло изучение зависимости между формой угольных элементов накаливания, их механической прочностью, электрическим сопротивлением и излучением тепла. И тем не менее пока такие элементы могли работать всего лишь один-два часа.

Два дня, 21 и 22 октября 1879 года, обугленная хлопковая нить накаливания светилась в течение 40 часов в вакуумной стеклянной колбе, давление в которой составляло одну миллионную долю атмосферы (нормальное атмосферное давление, 1 атмосфера, — это давление воздуха на высоте уровня моря, эквивалентное 760 мм ртутного столба). Впоследствии удалось довести время свечения обугленной хлопковой нити до целых 70 часов. Четвертого ноября Эдисон зарегистрировал патент на лампу с угольным элементом накаливания, патентная документация занимала две страницы. В последнюю ночь года, 31 декабря 1979-го, в Менло-Парке состоялась публичная презентация: Эдисон триумфально зажег 60 лампочек в лаборатории, а также на некоторых улицах и в окрестных домах. Система работала несколько дней, за которые ее посмотрели более 3000 человек, так что Пенсильванская железнодорожная компания вынуждена была пустить дополнительные поезда в этот небольшой городок. Эдисон не изобретал первой лампы накаливания, но благодаря сочетанию уже известных элементов он создал значительно улучшенный источник света, который можно было производить в промышленных масштабах и который мог быть доступен каждому.

Однако создателю новой лампочки накаливания предстояло справиться с последним препятствием. Как только все технические подробности этого устройства стали общественным достоянием, американский изобретатель Уильям Сойер (1850-1883) подал жалобу в федеральное патентное бюро, утверждая свое первенство в использовании обугленного хлопкового волокна в качестве элемента накаливания. Эдисону пришлось искать новый материал, который в результате оказался гораздо лучше.

Он открыл, что нити из бамбука — древесного материала с почти параллельными геометрически волокнами и без сердцевины — имеют время свечения, достигающее 1200 часов, что намного больше, чем у всех известных на тот момент нитей накаливания. Со свойственной ему склонностью к рекламе Эдисон в 1884 году на свои средства отправил группу экспертов в Японию, Китай, Индокитай, а также в Центральную и Южную Америку. Приключение, широко освещаемое прессой, оказалось невероятно дорогим предприятием и не привело к находке лучшего растительного волокна, но позволило завязать в Японии контакты с одним из производителей бамбука и договориться о широкомасштабных поставках.

В патенте от 27 января 1880 года Эдисон лаконично объяснял, что его изобретение состоит в применении светящегося тела в виде угольной нити, скрученной или иным способом расположенной для того, чтобы оказывать большое сопротивление проходящему через нее току и в то же время иметь меньшую поверхность для излучения как можно меньшего количества тепла. Отсутствие воздуха в содержащей нить стеклянной колбе позволяло предотвратить ее окисление. Ток проводился внутрь колбы с вакуумом через изолированные провода (см. рисунок 2).

РИС. 2

РИС. 3

В 1850 году английский физик и химик Джозеф Уилсон Сван начал работать над лампой, в которой он использовал нити из обугленного хлопчатобумажного волокна, помещенные в стеклянную колбу с созданным в ней вакуумом. В 1860 году он произвел демонстрацию своего прибора и получил на него британский патент. Тем не менее ему удалось создать в своей лампе лишь частичный вакуум, к тому же в то время не существовало подходящих источников электроэнергии, поэтому его лампочка имела очень небольшой срок службы. В 1875 году Сван вновь устроил презентацию своей лампы уже с более совершенным вакуумом и с нитью из обугленного волокна. В улучшенной лампе Свана небольшое количество кислорода, остававшееся в вакуумной трубке, использовалось, чтобы зажечь волокна, что позволяло устройству светить очень ярко, практически белым светом, не вспыхивая при этом пламенем. Сван получил британский патент на свое изобретение в 1878-м, за год до Эдисона. В 1881 году Эдисон вынужден был заключить со Сваном соглашение: британец, более заинтересованный в развитии своего изобретения, чем в получении денег, удовольствовался английским рынком. Как бы то ни было, для преодоления проблем, все еще затруднявших разворачивание электрических сетей, в 1883 году на свет появилась совместная компания «Эдисон энд Сван Юнайтед Электрик Лайт». Это предприятие, более известное под названием «Эдисван», продавало усовершенствованную лампочку Свана, которую тот разработал в 1881 году, с нитью из целлюлозы. Различные варианты целлюлозной нити стали стандартом в этой области, но не для «Эдисон Компани». Эдисон продолжил использовать нити из бамбукового волокна вплоть до слияния в 1892 году крупных американских электрических компаний и основания «Дженерал Электрик», когда целлюлоза использовалась уже повсеместно.

Кроме того, в патенте описывался способ изготовления лампы, который подразумевал создание в ней нужного уровня вакуума, что было одним из фундаментальных факторов для получения необходимого результата. Прежде всего изготавливалось внутреннее устройство (см. рисунок 3). Нити придавалась форма спирали (я), ее концы покрывались смесью гудрона и сажи (с' с), защищающей место контакта с двумя платиновыми проводами (d'd). При обугливании нить и ее покрытие отвердевали, превращаясь в результате в композитный материал с прекрасным электрическим контактом. Затем надевалась колба. Платиновые провода находились внутри, закрепленные двумя зажимами (х' х), под которыми платина соединялась с двумя медными проводами (е' е), выходившими из колбы и соединявшими лампу с электрической цепью. В верхней части создавался вакуум с помощью усовершенствованного ртутного насоса, затем стекло обрезалось, и внутренность герметично запечатывалась. В первых лампах была заметна характерная маленькая «ножка» в верхней части, которая оставалась от стеклодувной трубки.

Эдисону удалось сделать свою рабочую модель лампочки, но ему еще многое нужно было прояснить для решения задачи создания системы распределения света. Без усовершенствования динамо-машин, распределительной сети, переключателей, предохранителей, контактов, розеток и других компонентов лампа накаливания оставалась технической игрушкой. Таким образом, на повестке дня встала проблема создания работающей системы электрического освещения.

С того самого момента, как у Эдисона сложилось его видение будущего мира, озаренного системой электрического освещения, и когда он начал работать над этим, в голове его возникла концепция распределительной сети. Он отталкивался от уже существующей схемы поставки газа, которым в то время освещали улицы и дома. Его система строилась вокруг центрального распределительного пункта, который снабжал улицы и дома, а также других точек распределения энергии. Как заявлял в печати Эдисон, данная система могла бы полностью обеспечить освещение нижней части Манхэттена, питаясь от одного генератора мощностью 500 л.с., с помощью подземных кабелей, которые передавали бы электричество в здания, используя для этого уже существующую газовую инфраструктуру. Первые проекты распределительных сетей включали сложные сочетания электромагнитов, переключателей, сопротивлений и рычагов, то есть элементов, оставшихся в наследство от телеграфных технологий, так хорошо знакомых Эдисону.

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.

В том же году железнодорожный магнат Генри Виллард (1835-1900), акционер «Эдисон Электрик Лайт Компани», выдал Эдисону подряд на установку автономной системы освещения на пароходе «Колумбия», самом быстром корабле того времени длиной 110 м и водоизмещением 3200 тонн. Цепь, включающая 115 лампочек, питалась группой из четырех генераторов типа «Мэри Энн». В тесных корабельных помещениях электрический свет был удобнее газового. Несмотря на небольшие размеры, можно считать, что это была первая коммерческая электростанция, так как впервые система Эдисона была установлена за пределами Менло-Парка.

Инвесторы «Эдисон Электрик Лайт», однако, отказались вкладывать в дело те несколько миллионов долларов, которые запрашивал Эдисон для начала массового производства и продажи на рынке электрических установок и аксессуаров к ним. Они хотели продавать лицензии третьим лицам и получать с таких сделок проценты, а не решать сами разнообразные проблемы при запуске производства. Инвесторы знали, что нужно еще разработать огромное количество компонентов, например новые паровые и динамо-машины, и, кроме того, множество видов дополнительных элементов, включая изоляторы.

Эдисон отдавал себе отчет: он сможет воплотить свою мечту и остаться на лидирующих позициях в том секторе, куда уже стали проникать сильные конкуренты, только если спроектирует и построит сам все необходимые элементы для установки домашнего освещения, вплоть до самой мелкой детали. И вот в 1880 году, в возрасте 33 лет, он рискнул поставить на это все свои деньги. Эдисон, со своими сотрудниками Джонсоном, Бэчлором и Эптоном, выступавшими в качестве миноритарных акционеров, превратил старый сарай поблизости от Менло-Парка в фабрику по производству электрических лампочек. Вместе они основали в Нью-Йорке компанию «Эдисон Машин Воркс» для производства ламповых патронов, выключателей, предохранителей, цоколей и, уже во вторую очередь, динамо-машин. Впоследствии была создана компания «Эдисон Электрик Иллюминейтинг», которая специализировалась на освещении домов и улиц Нью-Йорка от большой электростанции. Увидев определенные успехи изобретателя, главные банковские финансисты, а также железнодорожные и телеграфные инвесторы на сей раз согласились вложить в фирму свои капиталы. Полный энтузиазма и энергии, Эдисон переехал в Нью-Йорк, чтобы приняться за трудную задачу электрификации города.

В феврале 1881 года Эдисон приобрел роскошную виллу в четырех остановках от Пятой Авеню (одного из самых престижных районов Нью-Йорка), собираясь устроить там свою штаб-квартиру и выставочный зал для презентаций своих новых изобретений. Электрическая система освещения этого здания в дальнейшем стала образцом тех, которые устанавливались в жилых помещениях, начиная с резиденций самых могущественных семейств Вандербильтов и Морганов.

В 1883 году Эдисон совершил открытие физического эффекта, который считается его единственным собственно научным достижением. Несколькими годами ранее он заметил, что внутренняя поверхность стеклянной колбы лампочки накаливания чернеет и что это явно происходит из-за осаждения на ней угольных частиц нити накаливания. Поскольку срок службы и яркость свечения лампочек под воздействием данного явления снижались, изобретатель попытался найти объяснение такому перемещению частиц с нити накаливания на внутреннюю поверхность колбы. Обнаружив, что частицы улетают только с части нити, подсоединенной к отрицательному полюсу лампы, Эдисон в 1882 году разработал лампу со встроенным в нее электродом, который должен был притягивать летящие частицы. Модель очень напоминала вакуумные трубки с двумя электродами (диоды), появившиеся значительно позже. В 1883 году Эдисон открыл, что электричество стабильно течет через вакуум внутри лампы, и отметил: интенсивность движения тока пропорциональна температуре раскаленного проводника, или, иными словами, световой отдаче лампы. Воспользовавшись данным явлением, изобретатель запатентовал устройство, которое могло регулировать напряжение, и предположил, что с помощью такой регуляции можно создать звуковой телеграф. Ни Эдисон, ни его современники не знали: в этой примитивной вакуумной трубке освобождаются электроны раскаленного катода и через вакуум текут к положительному электроду (аноду), замыкая тем самым цепь. Об электронах вообще никто не знал до 1897 года, когда британский физик Дж. Дж. Томсон (1856-1940) ввел это понятие и доказал их существование, изучая как раз так называемый «эффект Эдисона». В то время результаты Эдисона были с интересом восприняты научным сообществом, удивленным тем фактом, что ток может проходить через вакуум. Этот первый «электронный» прибор в дальнейшем обеспечил возможность появления таких аппаратов, как вакуумные лампы, телевидение, радары и многие другие устройства новой технологической эры.

Придуманное Эдисоном устройство, позднее названное диодом.

Эдисон выбрал район, представлявший собой квадрат стороной 800 м, ограниченный Уолл-Стрит и Ист-Ривер. Там проживали многие финансисты и предприниматели. Чтобы приобрести клиентуру, он предлагал им заменить газ электричеством по цене газа и, опираясь на расход газа, регистрировавшийся в каждом доме, рассчитывал потребность в электроэнергии.

В муниципальных строениях 104 и 106 по Герк-Стрит, недалеко от порта, была организована фабрика тяжелого машиностроения, где началось производство нового поколения динамо-машин, над которыми работала сотня рабочих. До этого времени генераторы Эдисона могли обеспечить энергией 60 лампочек, то есть вырабатывали в современных терминах по 6 кВт — слишком мало для планируемой им электростанции.

Эдисон хотел разработать генератор, способный соединяться с паровой машиной напрямую, без необходимости использовать ременную или другую передачу. Однако чтобы обеспечить напряжение 110 вольт, машинам следовало работать с большой скоростью, около 1000 оборотов в минуту, что далеко превосходило возможности паровой машины. Эдисону нужно было сконструировать паровую машину мощностью от 120 л.с., которая вращалась бы со скоростью 350 об/мин, приводя в движение новые генераторы, способные питать 1200 ламп.

Электрическая станция должна была располагаться в центре городской сети. Эдисон выбрал два здания — 255 и 257 по Перл-Стрит, — чтобы установить там первую электростанцию в США. На верхнем этаже, на железном каркасе, можно было расположить до шести новых динамо-машин разного веса и мощностью вплоть до 147 кВт (200 л.с.). За свои гигантские размеры они получили имя «Джамбо» в честь знаменитого слона (см. рисунок 8).

Котлы паровых машин, которые двигали генераторы, располагались этажом ниже. По соображениям безопасности Эдисон проложил под землей 25 км электрических проводов, использовав для этого трубы по 6,8 м длиной.

Первый запуск двух из динамо-машин в июле 1882 года закончился фиаско: скорость вращения не поддавалась нужной регулировке, из-за чего эти машины мешали друг другу.

РИС. 8

Схема динамо-машины электростанции. А: чугунное основание; В: электромагнит; С: высокоскоростной двигатель; F: ось индуктора; а, b: опоры оси индуктора; G: ось двигателя; с, d: опоры оси двигателя; М: маховик; Н: соединение осей; E: верхняя опора двигателя; X: щетки; е: ремень; f штанга; g: кривошип; h: шатун.

Данная проблема была решена позже с помощью центробежного регулятора. В сентябре, из предосторожности, в преддверии официального открытия станции, была введена в строй только одна машина: вместо того чтобы, как задумывалось изначально, подавать электричество в тысячи домов, она смогла зажечь только 400 лампочек у 85 клиентов. Дооборудование станции Эдисоном проходило медленно и осложнялось различными инцидентами, в частности пожарами, вызванными коротким замыканием.

Пройдет еще немало лет, прежде чем электричество станет доступным во многих населенных пунктах. Система, спроектированная Эдисоном и работающая на постоянном токе, нормально функционировала в крупных городах и на изолированных предприятиях, где достаточно было подавать электричество в одно здание — на фабриках или в магазинах. Проблема состояла в том, что при протяженности линии примерно больше одного километра потери тока делали ее неэффективной. Эдисон увеличил расстояние, на которое можно было передавать энергию, добавив третий нейтральный провод, но даже тогда он в 1885 году вынужден был столкнуться с конкуренцией со стороны переменного тока. Переменный ток был более экономичен при передаче на большие расстояния, так как его напряжение очень легко увеличить с помощью трансформатора, что позволяет уменьшить потери при транспортировке, а затем его напряжение так же легко понизить, чтобы сделать ток пригодным для домашнего использования. На самом деле динамо-машина Эдисона производила переменный ток, но щетки превращали его в постоянный. Однако изобретатель упрямо отказывался разрабатывать системы на переменном токе. На самом деле он вложил слишком много денег в установку текущей системы и не мог просто так сдаться. Битва, которую изобретатель повел против адептов переменного тока — питтсбургского магната Джорджа Вестингауза (1846-1914) и изобретателя и инженера Николы Тесла (1856-1943), — вошла в историю как «война токов». Когда акционеры его электрической компании обязали Эдисона применить при создании самоходного экипажа технологии переменного тока (в 1891 году), было уже поздно. В феврале 1892 года финансисты электрического сектора промышленности принудили «Эдисон Электрик Лайт Компани» к слиянию с другой компанией, «Дженерал Электрик», в результате чего Эдисона отодвинули на второй план.