История технических инноваций: учебное пособие

Если учесть, что римские воины постоянно воевали или тренировались в искусстве боя и во взаимодействии между подразделениями, то шансы нападавших на них «любителей-ополченцев» – стремились к нулю.

Вершиной развития военной мысли античного мира является онагр. Его действие основано на использовании принципа лука и прагци, скручивающийся жгут заменяет тетиву, а груз на веревке движется подобно праще.

Но с падением Римской империи произошел и упадок в вооружении. В ранние Средние века широко использовался требуше (или требушет), довольно примитивный агрегат, по изяществу намного проигрывающий машинам римлян. Но его преимущество было в простоте устройства и эксплуатации. Принцип действия очень прост. Основу составляет неравно-плечный рычаг, к его короткому плечу привязывают тяжелый груз, а к длинному – веревку на конце которой находится метательный снаряд в мешочке. Тяжелый груз поднимают вверх, рычаг закрепляют – требушет заряжен. Затем рычаг освобождают, груз под действием силы тяжести начинает опускаться вниз, снаряд на другом конце поднимается, разгоняется и вылетает.

Древнегреческий ученый Архимед, большинству из нас известный по открытому им закону и по истории купания в ванной, был еще и величайшим военным инженером. Изобретенные им механические устройства позволяли крошечной армии города Сиракузы долгое время выдерживать осаду римской армии – самой большой и оснащенной армии того времени. По легендам, Архимед применял систему зеркал для сожжения римских кораблей на подступах к городу и даже изобрел пушку, в которой водяной пар выстреливал каменные ядра. Если это так, то Архимед опередил свое время даже не на века, а на целое тысячелетие!

Как примерно выглядело взятие Сиракуз, мы можем увидеть в фильме… «Властелин Колец»! В нем действие разворачивается в несуществующем мире-фэнтези, но при показе штурма крепостей очень красочно изображены вполне реальные военные приспособления древности. В этом фильме можно наблюдать действия требушетов, баллист, таранов, арбалетов и онагров.

Дальнейшее развитие получил миниатюрный вариант баллисты, который стали называть арбалетом. Специальный механизм натяжения тетивы позволял стрелять с очень большой скоростью короткими стрелами – болтами. Пробивная способность этого оружия сводила к нулю преимущества рыцарской защиты. Городские ополчения стали мощной силой, способной противостоять профессиональным отрядам рыцарей. Типичная ситуация, когда дилетант, вооруженный новым техническим средством, оказывается значительно сильнее профессионала с устаревшим вооружением.

Время карманных арбалетов и гигантских деревянных монстров закончилось с появлением огнестрельного оружия. Но и сегодня, глядя на все эти баллисты, мы восхищаемся древними конструкторами, сумевшими довести до совершенства практическое воплощение идеи действия лука и пращи.

1. Архимед – величайший военный инженер древности.

2. Техническое оснащение римской армии.

3. Боевые машины древности в современных фантастических фильмах (на примере фильма «Властелин Колец»).

4. Законы физики в метательных машинах.

5. Техническое обеспечение древнеримского Колизея.

6. Устройство древней китайской мельницы.

7. Современные простые механизмы в арсенале альпиниста.

1. Виргинский В. С., Хотеенков В.Ф. Очерки истории науки и техники с древнейших времен до середины XV века: кн. для учителя. – М.: Просвещение, 1993.

2. Военно-исторический портал античности и средних веков – www.xlegio.ru.

3. Официальный сайт журнала «Наука и жизнь». – www.nkj.ru

2.2. Тепловые двигатели

Век машин: заменить цель скоростью.

Карел Чапек

«Ничто не может сравниться с коляской, запряженной лошадью», – настаивал Чонси Депью, президент Центральной железнодорожной компании Нью-Йорка, отговаривая своего племянника от вложения денег в новую компанию Генри Форда. И было это чуть больше 100 лет назад…

Облик нашего современного мира уже немыслим без вездесущих автомобилей, так же невозможно представить, каким бы был наш мир без самолетов, теплоходов, железнодорожного транспорта, чем бы мы занимались вечерами, если бы не было электричества.

Все это оказалось бы невозможным, если бы не был изобретен двигатель внутреннего сгорания (ДВС).

Трудно сказать, с чего начинается история его воцарения. Как и всякое техническое изобретение, своим появлением ДВС обязан множеству различных предпосылок: разным изобретениям, созданию новых конструкционных материалов и видов топлива.

Справедливым будет начать историю с 1705 г., когда английский изобретатель Томас Ньюкомен построил пароатмосферную машину для откачки воды из шахт. Это, конечно, был не двигатель внутреннего сгорания в классическом понимании, но в нем присутствовали главные элементы будущего ДВС – поршни. Нагретый пар под давлением поступал в цилиндр и совершал работу, толкая поршень. Также там использовался кривошипношатунный механизм и маховик. Все эти детали присутствуют и в современных двигателях.

Двигатель Ньюкомена имел чрезвычайно низкий КПД и важен был только потому, что наглядно демонстрировал принцип, который можно использовать для превращения внутренней энергии топлива в кинетическую энергию для совершения работы. Ползунову и Уатту удалось повысить КПД паровой машины.

Ползунов использовал два цилиндра, соединенных кривошипно-шатунным механизмом. Пар в цилиндры подавался попеременно, он толкал каждый из цилиндров вниз. В первом двигателе Ньюкомена пар подавался в один цилиндр попеременно по разные стороны поршня. В ходе технической эволюции победил вариант, впервые использованный Ползуновым.

В 1785 г. один из первых двигателей Уатта был установлен на пивоваренном заводе в Лондоне. Машина имела мощность в 24 лошадиных силы, диаметр цилиндра 63 см, ход поршня 1,83 м (!) и маховик диаметром 4,27 м. Но по тем временам это был компактный двигатель. При таких размерах отдельные детали также были немаленькими. Неудивительно, что этот двигатель сохранился в рабочем состоянии до сих пор. Его можно увидеть и даже привести в действие в музее «Пауэрхаус» в Австралии.

Иван Иванович Ползунов умер в 38 лет и не дожил до пуска своего изобретения, который состоялся в июне 1766 г. на Барнаульском медеплавильном заводе. Машина проработала всего 43 дня, но дала прибыль в 12418 рублей, (огромные деньги по тем временам). Затем она была разрушена, а идея – забыта.

Следующий важный шаг был сделан в 1801 г.: Филипп Лебон взял патент на конструкцию газового двигателя. Действия этой машины основывалось на том же принципе, что и у паровых машин. Но разница заключалась в том, что в качестве рабочего тела использовался не водяной пар, а смесь светильного газа с воздухом. В двигателе Лебона были предусмотрены два компрессора и камера смешения. Один компрессор накачивал в камеру сжатый воздух, а другой – сжатый светильный газ. Газовоздушная смесь поступала потом в рабочий цилиндр, где воспламенялась. Двигатель был двойного действия, т. е. попеременно действовавшие рабочие камеры находились по обе стороны поршня. В этом устройстве уже можно увидеть прообраз современного двигателя. В 1804 г. Лебон погиб, так и не успев довести свою идею до практического применения. Паровая машина пока оставалась вне конкуренции.

Бельгийский инженер Жан Этьен Ленуар создал первый коммерчески успешный ДВС. Основная идея заключалась в том, чтобы воспламенять смесь непосредственно в цилиндре с помощью электрической искры. Для успешной работы своего двигателя Ленуар создал систему водяного охлаждения и смазку. Так родились системы и механизмы, узнаваемые и в современном двигателе.

В 1877 г. немецкий изобретатель Август Отто усовершенствовал двигатель Ленуара, доработал кривошипно-шатунный механизм и создал первый четырехтактный двигатель, резко увеличив тем самым его КПД. Топливом для двигателей по-прежнему служил светильный газ.

Еще в 1872 г. американец Брайтон в качестве топлива пытался использовать смесь керосина с воздухом, затем смесь бензина с воздухом. Для получения смеси им был создан один из первых «испарительных» карбюраторов, но он оказался неудачным.

Немецкий инженер Готлиб Даймлер вместе со своим другом Вильгельмом Майбахом в 1883 г. создали двигатель без газогенератора, очень легкий, компактный и мощный. Увеличение мощности было достигнуто за счет увеличения частоты вращения вала с зажиганием смеси от раскаленной полой трубки.

Завершением формирования современного облика ДВС мы обязаны венгерскому инженеру Донату Банки, запатентовавшему в 1893 г. карбюратор, принцип действия которого используется и поныне. Бензин в нем не испаряется, а мелко распыляется. Для этого воздух продувается вдоль поверхности бензина, поддерживаемой на постоянном уровне.

В том же 1893 г. 23 февраля Рудольф Дизель получил патент на свой «экономичный термический двигатель». Экономичность в этом двигателе достигалась за счет большей степени сжатия топлива. При таком сжатии происходит адиабатное нагревание и самовоспламенение горючей смеси, впрыскиваемой через специальную форсунку. Первый работающий образец был построен Дизелем в 1897 г.

Карбюраторные и дизельные двигатели получились наиболее удачными из всех. Развитие и конкуренция этих двигателей продолжается до сих пор с переменным успехом.

Одноцилиндровые двигатели сменились многоцилиндровыми, надежность, мощность, отношение мощности к массе бензиновых двигателей стали недосягаемыми для паровых машин. Появилась возможность поставить двигатель на аэроплан. Началась эпоха моторов…

Конкурентом двигателей внутреннего сгорания являются двигатели внешнего сгорания. Наиболее известен двигатель, изобретенный Робертом Стирлингом, запатентованный им в 1816 г. Двигатель внешнего сгорания является старшим братом более удачливого двигателя внутреннего сгорания. В 1845 г. на литейном заводе в Дании была пущена машина Стирлинга мощностью 50 лошадиных сил, проработавшая в течение трех лет. Но «младший брат» оказался на редкость проворным, и изобретенная Стирлингом машина была совершенно забыта.

Принцип действия этой машины заключается в том, что циклические процессы сжатия и расширения происходят при различных уровнях температур: сжатие при низкой температуре, а расширение – при высокой. Это приводит к разности давлений и, в конечном итоге, дает выигрыш в работе за один цикл. Нагрев в двигателе Стирлинга происходит не внутри цилиндра путем воспламенения смеси, а снаружи. Тепло к газу подводится извне, через стенку цилиндра. Поэтому это устройство и называется «двигатель внешнего сгорания». Принципиальное устройство его показано на рис. 4.

1 – вытеснительный поршень (далее – вытеснитель);

2 – поршень;

3 – регенератор;

верхняя нагревательная область цилиндра находится при постоянной высокой температуре;

нижняя охладительная область цилиндра находится при постоянной низкой температуре.

Рис. 4

Двигатель работает следующим образом.

I. В начальный момент вытеснитель находится в верхнем положении. Весь газ находится в области низкой температуры между поршнем и вытеснителем, поэтому он имеет низкое давление.

II. Вытеснитель остается в верхнем положении. Поршень сжимает газ при низкой температуре и при этом совершает работу.

III. Поршень остается в крайнем верхнем положении. Вытеснитель переталкивает газ из холодной полости в горячую. При этом газ, проходя через регенератор, получает от него запасенное в предыдущем цикле тепло и нагревается.

VI. Нагретый газ расширился. При этом он толкает вытеснитель с поршнем и совершает полезную работу. Это и есть рабочий такт двигателя. Так как давление в верхней части газа больше его давления в нижней части, то полезная работа перекрывает энергетические затраты на сжатие холодного газа в начальном такте.

I. Вытеснитель поднимается вверх и перемещает рабочий газ в нижнюю холодную часть цилиндра. При этом газ, проходя через регенератор, отдает ему тепло, которое будет возвращено в следующем цикле.

Затем цикл повторяется.

Движения поршня и вытеснителя в двигателе практически непрерывны, что обеспечивается посредством кривошипношатунного механизма. Таким образом, двигатель Стирлинга представляет собой поршневую машину с внешним подводом тепла, в которой рабочее тело постоянно находится в замкнутом пространстве и во время работы не заменяется.

Двигатель Стирлинга имеет неоспоримые преимущества, важность которых с ростом количества автомобилей все более повышается.

Во-первых, для подвода тепловой энергии можно использовать любой источник тепла: солнечную энергию, биотопливо, ядерную энергию, электроэнергию и проч. Поэтому для двигателя Стирлинга можно использовать и низкокачественное топливо, например, попутный газ, сжигаемый впустую в атмосфере при транспортировке нефти.

Во-вторых, в качестве рабочего тела в двигателе Стирлинга обычно функционирует воздух, гелий или водород, который используется в замкнутом цикле и не попадает в атмосферу. Поэтому выбросов отработанного газа двигатель не дает. При использовании в нагревателе экологически чистой энергии (например, солнечной) двигатель становится идеально экологичным.

В-третьих, термодинамический цикл двигателя Стирлинга обладает термическим КПД, равным максимально возможному теоретическому и составляет 30–40 %.

В-четвертых, отсутствие клапанов в основном корпусе двигателя Стирлинга и работа без периодических взрывов в цилиндрах существенно снижают, а по сравнению с двигателем внутреннего сгорания он является практически бесшумным.

В-пятых, опять же в сравнении с двигателем внутреннего сгорания, незначительны траты смазочных материалов и низка стоимость его текущей эксплуатации.

Эти достоинства позволяют прогнозировать дальнейший успех двигателя внешнего сгорания в самых разных сферах: его можно использовать для регенерации (утилизации) тепла, при получении электроэнергии. Интересны перспективы применения этого двигателя для создания искусственного сердца.

1. Устройство и принцип действия пароатмосферной машины Ивана Ползунова.

2. Устройство и принцип действия паровоза.

3. Влияние паровых двигателей на экономическое развитие стран Европы.

4. Первые автомобили.

5. История отечественного автомобилестроения.

6. Железное «сердце» танка (устройство двигателей танков со времен Второй мировой войны и до наших дней).

7. История становления автомобильной империи Фордов.

8. Перспективы использования водородных двигателей.

9. Двигатель Стирлинга – двигатель будущего.

10. Рекорды скорости.

11. «Формула-1» – полигон технических инноваций.

12. Устройство современной автомобильной магистрали.

13. Перспективы использования электромобилей.

14. Автомобиль – компьютер с колесами.

15. Обеспечение безопасности в современном автомобиле.

16. Мировые автогиганты.

17. Влияние автомобильной промышленности на национальную и мировую экономику.

1. Есть ли будущее у двигателей внутреннего сгорания?

1. Ваганов А. От хомута до автомобиля. Инновации как самый древний способ управления обществом // Независимая газета. – 2006. -№ Ц-14.

2. Официальный сайт журнала «Наука и жизнь». – www.nkj.ru

2.3. Электричество

Выключили электричество, и в городе воцарилась полная тишина. Оказывается, звуки исходят не от людей.

Михаил Жванецкий

Началом истории развития электричества можно считать 1600 г., когда Уильям Гильберт, исследуя магнитные явления, описывает и другой вид взаимодействия тел. Именно он и назвал притягивающиеся в результате электризации тела «электрическими». В те суровые времена практическое применение научных изысканий связывалось разве что с поиском философского камня, сочинением туманных астрологических прогнозов и построением метательных машин. Поэтому изыскания Гильберта можно смело отнести к достижениям «фундаментальной» науки, мало кому понятным из современников, с весьма сомнительной перспективой практического использования.

В 1663 г. немецкий физик Отто фон Герике, известный школьникам по описаниям театрализованных опытов по разделению магдебургских полушарий дюжиной лошадей, создал первый генератор, позволяющий вырабатывать электричество. Стеклянный шар, покрытый серой, раскручивали и прикасались к нему рукой. При трении между пальцами и шаром накапливалось статическое электричество, проскакивала искра.

Чтобы научиться запасать это электричество, понадобилось еще каких-то 80 лет. В 1745 г. в городе Лейдене Питер ван Мушенбрук изобрел первый электрический конденсатор, вошедший в историю как Лейденская банка. Устройство ее довольно просто: банка оклеивается проводящими листами олова (а сейчас фольги) снаружи и внутри, которые и стали прообразами обкладок будущих конденсаторов. Всем известная школьная электрофорная машина представляет, в некотором роде, совмещение двух вышеназванных изобретений: с помощью трения дисков создается статическое электричество, а накапливается оно в двух Лейденских банках.

Лейденские банки получили большую популярность при дворах европейских монархов. Использовали их для развлечения: ничего не подозревающему новичку предлагали взять банку на ладонь, а другой рукой ухватиться за стержень. Когда неведомая сила выбивала у испытуемого искры из глаз, всем остальным становилось весело. Естественно, что эти искры никоим образом не могли составить конкуренцию свету тысяч свечей в роскошных королевских люстрах.

Но были и серьезные последствия: стали искусственно получать электрическую искру, выяснили высокую электропроводность металлов. Удивительное действие электрического тока на человека привлекло внимание не только придворных бездельников, но и врачей. В конце XVIII в. стали активно использовать электричество для лечения от самых разных болезней. Сегодня попытки лечения эпилепсии или оспы с помощью электрических разрядов представляются наивными и смешными, но они все же не стоят в одном ряду с гороскопами, заклинаниями и заговорами. Современные электрокардиостимуляторы спасли и поддерживают жизни тысяч людей, имеющих проблемы с сердцем.

Первым достаточно значимым с практической точки зрения изобретением в области электричества можно назвать создание Алессандро Вольта химического источника тока в 1800 г. До этого электричество можно было получить только через электростатическую машину. Вольтов столб имеет достаточно простое устройство: два металлических электрода – медный и цинковый, между которыми помещают пропитанную раствором соли или кислоты прокладку. Окислительно-восстановительная реакция создает разность потенциалов между электродами.

За прошедшие 200 лет принципиальное устройство химических элементов ничуть не изменилось, различие заключается только в изменении материалов и в конструкционных особенностях. Но при этом, естественно, качество работы современных химических источников несравнимо выше, чем у самых первых «батареек». Современный аккумулятор является незаменимым элементом любого механизма, имеющего двигатель внутреннего сгорания. Вот самый яркий пример технического симбиоза.

Появление ноутбуков, DVD-проигрывателей, цифровых фотоаппаратов и, конечно, сотовых телефонов привело к ужесточению требований к химическим элементам питания, что стимулировало исследования в этой области. Но пока практически все используемые источники – те же элементы Вольта. Из других можно назвать попытку создания элемента питания на основе радиоактивных элементов. Основное его достоинство в том, что он может непрерывно работать до десятка и более лет, а это совершенно недостижимо для химических источников. Но высокая стоимость таких источников и проблемы безопасности эксплуатации и утилизации не позволяют им составить конкуренцию традиционным «батарейкам».

Если изобретение Вольта изначально создавалось с практическими целями, то в открытии Майклом Фарадеем явления электромагнитной индукции в 1831 г. (возникновения электродвижущей силы при изменении магнитного потока) никто практической выгоды не увидел, в том числе и сам изобретатель.

Сегодня мы можем сказать, что мало какое открытие может сравниться по практической значимости с этим. Современный мир, в котором были бы только химические источники электричества, невозможно представить. Явление электромагнитной индукции используется в счетчиках электроэнергии, в трансформаторах. Магнитная запись звука, микрофон, динамик – все это следствия открытия Майкла Фарадея. Но, пожалуй, самое значимое техническое изобретение, созданное на основе открытия Фарадея – индукционный генератор. Он представляет главный элемент всех электростанций, на конечном этапе превращающий механическую энергию в электрическую. Эти генераторы дают нам практически всю потребляемую электроэнергию.

Приоритет в постройке первой электростанции установить сложно. Одна из первых станций в несколько сотен ватт была построена в Германии в 1876 и в 1881 гг. Для вращения генератора использовали энергию реки Неккер. В этом же 1881 г. в английском городе Грейсаде тоже была пущена гидроэлектростанция. Американец Роджерс для нужд своей бумажной фабрики запустил гидроэлектростанцию в 1882 г.

В 1881 г. Эдисон строит тепловую электростанцию, а 1883 г. тепловая электростанция конструкции Эдисона вводится и в Петербурге.

В 1888 г. легендарный Никола Тесла изобретает индукционный двигатель переменного тока.

Разгорается «война» между переменным и постоянным током.

За переменный ток – компания «Вестингауз электрик», за постоянный – неутомимый Томас Эдисон. Дошло до того, что Эдисон с целью дискредитации переменного тока предложил для казни использовать электрический ток, причем только переменный, как наиболее опасный для жизни, а саму казнь назвать «вестингаузацией». Самое печальное то, что эта идея была воплощена в жизнь, и в 1890 г. состоялась первая казнь на электрическом стуле. Но технические преимущества получения и передачи переменного тока оказались важнее, чем его дурная слава. В 1891 г. немецким инженером Оскаром фон Мюллером была построена и запущена первая высоковольтная линия электропередач. Длина линии составляла 157 км, по ней передавали трехфазный ток напряжением 16 кВ. Линия соединяла одну из первых электростанций на реке Неккер с павильоном электротехнической выставки во Франкфурте-на-Майне, где работал первый в мире трехфазный двигатель Михаила Осиповича Доливо-Добровольского. Наличие переменного тока стало неотъемлемым условием любого современного здания для жилья, работы или развлечений.

Сама по себе электрическая энергия, в общем-то, не нужна. Нужны другие виды энергии, в которые она может преобразовываться. Прежде всего, человеку нужна механическая энергия, которую он раньше получал от животных и собственных мускулов, а позже от энергии рек и ветров. Поэтому изобретение электродвигателя – важный и необходимый этап использования электричества.

Прародитель электродвигателя появился еще до открытия явления электромагнитной индукции. В 1823 г. П. Барлоу описал устройство, известное как «колесо Барлоу»: подвешенный проводник одним концом опускался во ртуть, из которой выступал магнит. При пропускании тока через ртуть проводник начинал крутиться. А еще до этого Эрстед заставлял вращаться накоротко замкнутую батарейку, для чего он подвешивал ее на проволоке и подносил к ней постоянный магнит.

Но устройство, не только демонстрирующее движение проводника с током в магнитном поле, но используемое с практической целью совершения механической работы, было создано русским ученым Борисом Семеновичем Якоби в 1834 г. Он первым построил двигатель не с поступательно-возвратным движением, как было до него, а с вращательным. Его двигатель поднимал груз около 5 кг на высоту 30 см за одну секунду. Нетрудно подсчитать (Р = mgh/t), что мощность при этом будет около 15 Вт. В 1838 г. в Петербурге изобретатель показывает лодку, приводимую в движение электродвигателем.

Эра электродвигателей неумолимо приближалась, хотя на тот момент стоимость работы электродвигателя была на порядок выше (примерно в 20 раз), чем у его заслуженного парового конкурента. Если бы электродвигатели использовали непосредственно там, где производят электроэнергию, то может быть, стиральные машины и пылесосы сегодня работали бы на гальванических элементах или (о ужас!) на двигателях внутреннего сгорания. Основное достоинство электрической энергии – удобство ее транспортировки: электродвигатель качает воду где-то в Подмосковье, а использует энергию, производимую Белоярской АЭС на Урале или Шушенской ГЭС в Сибири. Но для этого было необходимо изобретение скромного и незаметного устройства-труженика – трансформатора, без которого немыслимы все современные электрокоммуникации.

Трансформатор представляет для инженеров-электриков инструмент, аналогичный рычагу в механике, но вместо преобразований силы и перемещения трансформатор преобразует напряжение и ток. Вместо отношения плеч силы количественной характеристикой трансформатора является отношение между числом витков в его обмотках.

Трансформатор (от лат. transformo – преобразовывать) – статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

Трансформатор можно считать одним из самых совершенных технических изобретений: простота устройства, отсутствие движущихся и трущихся частей, очень высокий, близкий к стопроцентному КПД делают трансформатор образцом воплощения технической мысли. Двигателю внутреннего сгорания с его заслонками, пружинками, жиклерами и прочими многочисленными и регулярно ломающимися детальками до этого идеала не добраться никогда… Но простота трансформатора только кажущаяся, современный трансформатор – результат долгой технической эволюции, трудов множества талантливых физиков и инженеров.

Своим появлением трансформатор обязан двум важнейшим последовательно сделанным и взаимосвязанным открытиям: сначала в 1820 г. Ханс Кристиан Эрстед обнаружил магнитное поле вокруг проводника с током, а затем Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции.

Он не стал разрабатывать практическое применение своего открытия, думая, что это быстро сделают другие. А жаль, потому что к идее трансформатора, использующего явление электромагнитной индукции, так сказать «во все свои катушки», вернулись только тогда, когда столкнулись с проблемами освещения. И произошло это намного позже, почти через полвека.

Появление первого трансформатора «во плоти» можно отнести к 1848 г., когда французский механик Г. Румкорф изобрел индукционную катушку, вошедшую в историю как «катушка Румкорфа» – устройство для получения импульсов высокого напряжения. Она состоит из железного стержня, на который намотана первичная обмотка из толстой проволоки, а затем поверх ее наматывается несколько тысяч витков вторичной обмотки из очень тонкой проволоки. Первичная обмотка подсоединена к батарее химических элементов и конденсатору. Такое нехитрое устройство позволило ученым получать электрические искры длиной до 50 см!

Эти искры стали предметом изучения ученых-физиков всего мира. А Генрих Герц занялся изучением не самих искр, а окружающего их пространства и открыл и описал свойства электромагнитных волн. На основе работ Герца и было изобретено радио. Так что первый вариант скромного трансформатора произвел немалые последствия, изменившие в дальнейшем само человечество.

Датой рождения трансформатора можно считать 30 ноября 1876 г., когда Павел Николаевич Яблочков получил патент на трансформатор с разомкнутым сердечником.

Процесс совершенствования трансформатора значительно ускорился после того, как Эдисон изобрел лампы накаливания с угольной нитью, высокое сопротивление которых позволило осуществлять параллельное соединение проводников. В 1882 г. он запустил в Нью-Йорке первую промышленную систему электрического освещения. Стали требоваться надежные и экономичные устройства, повышающие и понижающие напряжение.

Создание трансформаторов с замкнутыми сердечниками братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсонами в 1884 г. позволило значительно повысить их КПД. В дальнейшем выяснилось, что и в сердечниках присутствует значительное рассеяние энергии, связанное с вихревыми поперечными токами. Для предотвращения подобных явлений сердечники стали делать непроводящими в направлении, перпендикулярном магнитным силовым линиям трансформатора. Для этого сердечники составляли из ряда плоских изолированных железных пластин.

Уже в мае 1885 г. В. Дери, Блажи и Циперновски на национальной выставке в Будапеште представили осветительную систему, состоявшую из 75 параллельно соединенных трансформаторов, подводивших питание к 1067 лампам накаливания Эдисона от генератора переменного тока с напряжением 1350 В. Трансформаторы имели тороидальные железные сердечники. Это была осветительная система, заложившая основу построения всех современных осветительных сетей.

Вестингауз, Уильям Стенли, Шелленберг и Альберт Шмид (США) в конце 1885 г. приступили к усовершенствованию трансформатора. Главная цель заключалась в удешевлении его промышленной сборки, так как сборка венгерского тороидального трансформатора была делом непростым и затратным. В итоге Стэнли предложил изготавливать железные пластины в форме буквы Ш, чтобы центральный стержень можно было легко вставлять в заранее намотанную катушку. Ш-образные пластины укладывались в чередующихся противоположных направлениях, а на концы пластин укладывались прямые железные полоски для замыкания магнитной цепи. Такая конструкция трансформатора оказалась удачной и применяется до сих пор.