Тесла. Человек-электричество

«Сумрачный гений», «человек-электричество», «повелитель тока» - все эти слова в полной мере подходят к описанию Николы Теслы, гения от мира науки. Сегодня наследием этого изобретателя пользуются люди во всем мире. И мало кто задумывается, что это исключительно его заслуги: без Теслы у нас не было бы электромобилей, Интернета, сотовых телефонов, телевизоров, компьютеров, радио и доступной электрической энергии. Только представь себе его заслуги перед человечеством! Не родилось на Земле более известного физика, за исключением Эйнштейна и Ньютона.
Теслу не слишком интересовало, что происходит в обычной жизни, он не любил быт. Никола был одинок до конца дней, а найти родственную душу для него было невозможно. Однако физика означала для него абсолютно всё, это был идол, которого он любил, и которому он поклонялся. Будучи совсем маленьким, Никола спрашивал у отца о природе природной грозы, а тот отвечал ему цитатами из Библии. И тогда Тесла поклялся себе, что разгадает загадку неведомой ему энергии. В своей родной стране, Сербии, которая входила в 19 веке в состав Австро-Венгерской империи, он усвоил несколько языков во время учёбы в школе и позднее с жадностью читал всё, что можно было найти об электротехнике.
Отец Николы был священником, он ждал, что сын пойдёт по той же линии судьбы. Но тот внезапно тяжело заболел холерой. Во время очередного страшного приступа болезни Никола потребовал отца поклясться, что если он выздоровеет, то отец разрешит ему изучать инженерию в городе Граце. Клятва была выполнена, и Тесла поступил студентом в местный университет. В это время все образованные люди говорили об электричестве, это была тема для разговоров в любом обществе. Многие чувствовали грядущие изменения, кто-то был знаком с научной литературой, где утверждалось, что изобретения в электричестве перевернут мир.
Тесла хотел получать дополнительное образование (он учился также в Чехии), узнать как можно больше о загадочном явлении. Он связывал электричество с мистикой: верил в предназначение, тайные знаки, переселение душ, путешествия на другие планеты. Наличие путеводной звезды – часто упоминаемый мотив, он постоянно встречается в записях ученого. Интересно, но эта убежденность помогла Тесле в самые сложные моменты, когда не было надежд на блестящее будущее.
Давай ещё раз пройдёмся с тобой по основным понятиям электротехники. Электрический заряд – это упорядоченное движение заряженных частиц, следующих в одном направлении. Под упорядоченным движением понимают движение частиц одной природы, одной частоты, которые движутся по физическим законам. При появлении тока в одном направлении движутся отрицательные частицы – ионы, и при этом возникает электрическое и магнитное поле. Почему происходит их движение? Всё дело в том, что частицы с одним знаком притягиваются друг к другу. Это похоже на то, как маленькие гвоздики тянутся к магниту.
Для передачи тока применяют проводники – это провода, сделанные преимущественно из меди (иногда из алюминия) – нити этих металлов хорошо проводят ток. Сверху проводники покрывают диэлектриком – это такие вещества, которые имеют очень малую токовую проводимость, от них нельзя получить удар током. В наше время диэлектриком служат разные виды пластмасс. Проводники нужны, чтобы довести ток до конечного потребителя – компьютера, телевизора, холодильника, чайника, до электрооборудования и деталей техники. Электричество вырабатывают генераторы на электростанциях – они передают его через повышающие трансформаторы – это такое оборудование, которое значительно повышает величину напряжения при передаче тока на большие расстояния. До того, как ток дойдет до потребителя, до потребителя на подстанциях ставятся уже понижающие трансформаторы – они понижают напряжение на нужную величину, поскольку большое напряжение может сжечь технику или тот же телевизор. Ток на большие расстояния передаётся при помощи линий электропередач – это открытые проводники большого сечения из стали на опорах, которые находятся высоко над землёй. Иногда ток передаётся от электростанции до потребителей на многие сотни километров! Потери тока при передаче есть, но они не слишком велики (около 8 процентов).
В физике есть понятие силы тока и напряжения. Сила тока зависит от сечения проводника и от времени, за которое ток проходит по проводнику. Линии электропередач строятся таким образом, чтобы это время уменьшить, а сечение провода на них максимально увеличивается. В результате сила тока большая, а вместе с высоким напряжением это позволяет потери тока значительно уменьшить. Напряжение – это разница потенциала между двумя конечными точками электрической цепи. Например, это может быть разница потенциала от точки установки повышающего трансформатора до подстанции, где стоит понижающий трансформатор. Потенциалом в физике называют потенциальную (возможную) энергию, которая есть в определённой точки цепи. Электрическая цепь – это линия с различными устройствами, которые нужны для протекания и передачи тока. Помимо трансформаторов, в электрической цепи может стоять генератор – он вырабатывает ток, двигатель – изменяет электроэнергию в энергию механическую (например, крутит сверло на станке, заставляет двигаться ленту на конвейере), конденсатор – он накапливает энергию, реле – это устройство, которое размыкает цепь с током – включает и выключает цепь. Простые примеры электрических реле – выключатель, телевизор или чайник. Также в электрической цепи нередко используют лампочки.
Ток бывает постоянным и переменным. В то время, когда Тесла как талантливый молодой учёный приехал в США, в этой стране была борьба между сторонниками постоянного и переменного тока. Тесла поддерживал применение переменного тока, он построил во Франции целую электростанцию для работы большого железнодорожного вокзала, где использовал только переменный ток и асинхронные двигатели. Так он впервые стал работать на компанию Томаса Альвы Эдисона. Эдисон также был известным учёным, жившим в США. Эдисон смог улучшить строение лампы накаливания (электрической лампочки), сделал несколько других важных изобретений, создал свою компанию, которая повсюду продвигала постоянный ток. Так происходило большое противостояние, которое называли «войной токов». Переменный ток рекламировал другой бизнесмен и промышленник – его звали Вестингауз. Эти два человека постоянно враждовали и недолюбливали друг друга. Постоянный ток был безопаснее для человека, с ним было проще работать, он был более предсказуем. В мире, где при строительстве зданий, при благоустройстве улиц применяется много дерева и других горючих материалов, безопасность очень важна. Но переменный ток более дешёвый, а при передаче на большое расстояние потеря тока меньше. Получается, что борьба велась за использование схемы передачи тока во всём мире.
Эдисон взял на работу Николу Теслу, когда он приехал в США. Тесла постоянно говорил о преимуществах переменного тока, но Эдисон был упрям. Себя он считал непревзойдённым учёным, а Теслу – молодым выскочкой. Но воспользоваться его изобретениями и его идеями он был не против. И Тесла работал с оборудованием и схемами передачи постоянного тока, которые использовала компания Эдисона – он улучшал и видоизменял их, чтобы снизить затраты и снизить потери тока. Эдисон над молодым человеком только посмеивался и считал многие его предложения бесполезными. Мол, работать нужно только там, где предлагают. Ничего лишнего.
Теслу такое отношение не устраивало, разработки Эдисона он постоянно встречал с иронией. Схема передачи постоянного тока происходила на небольшие расстояния – электростанции нужно было строить в самом городе. Электрический ток возникал при работе динамо-машины. Динамо-машина состояла из статора и ротора. Статором в 19 веке был магнит в виде подковы, а вокруг магнита крутился медный диск, по краям его были щётки с токовыми проводами. Диск вращался, и при взаимодействии с магнитом на выходе создавался электрический ток.
Сегодня ток возникает благодаря работе асинхронных генераторов на электростанциях – на выходе получается переменный ток, в таком виде передаётся на линии электропередач, на подстанции, к потребителю – и дальше применяется по назначению. Электростанции бывают солнечными, ветряными, они работают благодаря сжиганию топлива, движению воды в реках или при проведении химических реакций – при распаде атомов химических элементов.
Основная разница между двигателем и генератором – генератор преобразует механическую или иного вида энергию в электрическую энергию, а двигатель - делает наоборот. Двигатели ставятся на производстве, в частном хозяйстве или в квартире. Пример техники с двигателем – кондиционер, стиральная или моющая машина. Асинхронный двигатель работает на принципе вращающегося магнитного поля. Скорость вращения магнитного поля ротора и статора в таких устройствах разная, она не совпадает. Такой двигатель работает от обычной сети, прост и надёжен в использовании. В некоторых случаях могут применяться синхронные двигатели, но для их работы нужно преобразовывать переменный ток в постоянный при помощи выпрямителей. Примеры – при работе мельниц, компрессоров, насосов.
Вернёмся к Эдисону и Тесле. Отношения их были непростыми. Когда Эдисон придумал использовать бамбуковую нить для лампочек (нити были очень непрочными, лампочки быстро сгорали), он потратил очень много времени, перепробовал несколько тысяч материалов, стремясь найти лучший. Тесла сказал, что Эдисону нужно поручить задачу по поиску иголки в стоге сена – он бы легко справился с этой задачей. Это была явная ирония, указание непозволительно долгого поиска решения задачи. Но этот случай верно передаёт характер каждого учёного. Эдисон – это экспериментатор, трудоголик, человек, добивающийся результата во многом благодаря постоянной кропотливой работе. Тесла – более талантлив от природы, ему больше дано от рождения, он буквально искрит идеями. Однако владелец компании Эдисон, а Тесла – всего лишь сотрудник.
Тесла возмущён холодным к себе отношением – он уважает Эдисона, но хочет доказать свою исключительность. Однажды Тесла предложил Эдисону заключить пари: он брался улучшить работу его машины постоянного тока, а Эдисон должен был за это выплатить Николе огромную премию в 50 тысяч долларов. Тесла долго работает, делает чертежи более 20 вариантов новой машины. Эдисон хвалит своего сотрудника, а денег на даёт! Шутит, что Тесла плохо понимает английский язык, а потому и юмор, который в нём есть, тоже не понимает. Тесла страшно на Эдисона обиделся и ушёл к конкуренту – Вестингаузу. Обида эта была с ним всю жизнь.
Вестингауз очень обрадовался такому уходу и позвал Теслу к себе. Но случилось это не сразу – больше полугода в 1886 году Тесла рыл канавы, работал подсобным рабочим и спал, где придётся. Но тяжёлый труд его не расхолаживал, а укреплял в мысли – нужно развалить империю Эдисона, нанести врагу ответный удар. Когда Тесла стал инженером в компании Вестингауза, он предложил начальнику большое количество изобретений – электрические сети, дуговые лампы, электрические двигатели и генераторы, работающие на переменном токе. Именно эти изобретения позволили выиграть «войну токов» и разорить компанию Эдисона. Именно они сделали мир электричества таким, каким мы знаем его сегодня. Сети с переменным током стали распространяться по США и Европе, а у компании Эдисона со временем появлялось всё меньше заказов. Эдисон делал всё, что только возможно: подкупал газеты, чтобы они пугали людей громкими заголовками; давал интервью, где утверждал, что переменный ток самый губительный. Он кричал, что провода с переменным током опасны для жизни (провода в то время были непрочными, как и крепёж для них), а потому нужно пользоваться только сетями с постоянным током. Но ничего не помогало. Все его доводы бились об экономику – что дешевле, то выгоднее. Великий Томас Альва Эдисон безнадёжно проигрывал «войну токов», и чем дальше, тем большим было его поражение (Интересный факт: американский город Нью-Йорк полностью перешёл от постоянного к переменному току только в 2007 году).
К 1892 году компания «Эдисон Дженерал Электрик Компани» была вынуждена объединиться с конкурентом, а Эдисону предложили уйти из бизнеса. Интересно, что и сегодня эта организация с чуть другим названием (без слова «Эдисон») - одна из основных на рынке электричества США. Так Тесла победил Эдисона, ученик победил учителя (Тесла читал научные труды Эдисона, и в юности ими восхищался). Однако радости это сербскому ученому не принесло. Вестингауз выкупил самые прибыльные и доходные патенты – проекты изобретений у Теслы за приличные деньги, однако заработал на них во много раз больше. Тесла лишился прав на изобретения, он больше ничего для практического применения изобретать не хотел, а хотел быть «свободным художником» - проводить время в лаборатории, писать свои работы по физике. А потому Вестингауз его уволил, и оставил без дохода.
А дальше у Теслы получилось заниматься тем, чем он мечтал – теоретической физикой. Он нашел себе новых спонсоров, построил лабораторию в малонаселённом городе Колорадо-Спрингс, где создавал искусственные молнии, воображая себя их повелителем. Очевидцы утверждали, что всполохи от молний над круглым куполом лаборатории были видны за десятки километров вокруг. Это было дикое электричество, свободное от проводов и электрических цепей, и разряды его были особенно эффектны. Тесла несколько раз фотографировался на фоне этих высоковольтных разрядов – на подобных фото он выглядел гением, проникшим в тайну молний и электричества – отталкивающим и привлекательным одновременно. В городке построили башню Теслы – высокое здание с круглым куполом. Тесла верил в возможность передачи электроэнергии без проводов в воздухе – подобно тому, как молния проходит путь из высокой сферы до земли без проводника. Мол, нужно было построить несколько десятков башен по всему миру и передавать электричество от одной к другой, и тогда люди смогли бы пользоваться этой энергией в любой точке планеты. Тесла выразил мнение, что энергию можно выделить из любого вещества, из любого пространства. К сожалению, это мнение учёного так и не нашло подтверждения сегодня. Другие его мысли – о возможности без проводов передавать звук, изображение и текст и видеозапись. Многие годы спустя появились радио, телеграф, телевидение и Интернет. Тесла изобрёл первый электродвигатель для автомобилей – сегодня появились электромобили, которые могут ездить без бензина.
Тесла писал о возможности создания гидроэлектростанций, солнечных электростанций, ветряных электростанций – и они изобретены, они дают энергию в наше время, зажигают лампочки, включают электроприборы. Тесла предложил использовать неоновые лампы – вы легко их найдёте в любом городе – в рекламном, уличном освещении, при проведении праздников и торжеств, в метро, на автовокзалах и много ещё где. Его идея о дистанционном управлении также была реализована – на дистанционном управлении сегодня применяется такая техника, как бульдозеры, грейдеры, автомобили, трамваи, катера и беспилотные аппараты.
Конечно, были у сербского учёного и свои просчёты – так, не была подтверждена его гипотеза о передаче электроэнергии по воздуху; не изобретён фотоаппарат для фиксации мыслей человека, не придумана машина, способная вызывать землетрясения, не разработано оружие, способное выстреливать лучом сжатой энергии. Любой талант способен ошибаться – свои ошибки были и у Ньютона, и у Франклина, и даже у Эйнштейна. А потому Тесла в данном плане не исключение. Он – очевидец своего времени, который смог сделать нашу жизнь удобнее и комфортнее, чем прежде.
Я надеюсь, что теперь ты будешь знать больше об электричестве, о великих изобретателях прошлого – Николе Тесле и Томасе Эдисоне. А если тебе, мой дорогой друг, захочется прочитать о других важных изобретениях в физике и химии, биологии и технике, ты всегда можешь прочитать одну из моих статей.