В статье "Тесла" третьего издания Большой советской энциклопедии написано: "В 1888 г. Т. (независимо от Г. Феррари и несколько ранее его) дал строго научное описание явления вращающегося магнитного поля". Что это еще за Г. Феррари, откуда взялась эта птица? И вообще, были ли у Теслы конкуренты, оспаривавшие его приоритет в открытии тех явлений, которые теперь принято связывать только с Теслой?
Как мы уже отмечали, еще в 1824 году Доминик Араго демонстрировал "магнетизм вращения" — немагнитный медный диск увлекался вращающимся магнитом и сам начинал вращаться. Между прочим, сам магнит вращался просто рукой экспериментатора. И вот именно в размышлениях о сути этого явления родилась великая идея Теслы о вращающемся магнитном поле, которую мы не называем гениальной только потому, что, оказывается, эта идея приходила в голову и другим ученым, прежде всего — Галилео Феррарису. Сама идея заключалась в том, что нужно каким-то образом заменить медный диск витками обмотки электродвигателя, а вращающийся магнит — вращающимся магнитным полем. Тесла придумал подавать на обмотки магнитных полюсов два переменных тока, отличающихся друг от друга лишь сдвигом по фазе. Чередование этих токов вызовет попеременное образование северного и южного магнитных полюсов, что, собственно, и означает вращение магнитного поля. Это поле должно заставить затем вращаться ротор двигателя. Оставалось лишь построить источник двухфазного тока (двухфазный генератор) и двухфазный электродвигатель, что Тесла вскоре и сделал, выбрав а качестве величины сдвига фаз 90 градусов. В то время он не догадался до сдвига в 120 градусов и не придумал трехфазных генераторов и электродвигателей.
Вот как сам Тесла описывает свое великое изобретение (2) в патенте № 381 968: "Предлагается двигатель, в котором имеются две или больше независимых цепей, по которым через правильные интервалы проходят, как описано ниже, переменные токи так, чтобы вызвать постепенное перемещение магнетизма или "силовых линий", заставляющее двигатель работать". Через две недели после получения основных патентов на систему многофазных токов Тесла выступил с лекцией на собрании Американского института инженеров-электриков, где и рассказал о вращающемся магнитном поле и революционной системе передачи переменного тока, преимуществах асинхронных двигателей и многофазных трансформаторов. После этой лекции он и стал Великим Теслой, а известный электротехник Беренд даже сравнил его лекцию со знаменитым трудом Майкла Фарадея "Экспериментальные исследования по электричеству".
Обнаруженное Араго явление было абсолютно непонятно ни его автору, ни его коллегам во Французской академии. Лишь через семь лет эксперимент был объяснен Майклом Фарадеем, открывшим электромагнитную индукцию. Именно проявлением ее, как частным случаем, и являлся "магнетизм вращения", как называл его сам Араго. Лишь через много лет, в 1879 году английский физик Уолтер Бейли видоизменил опыт таким образом, что сам оказался на полшага от открытия вращающегося магнитного поля. Он расставил четыре электромагнита вокруг медного диска, насаженного почти без трения на медную же ось, и последовательно, по часовой стрелке, подавал на них напряжение — постоянный ток от гальванических элементов. В сущности, он реализовал прерывистое перемещающееся магнитное поле, и диск исправно вращался. Однако Бейли опубликовал результаты эксперимента в малозаметном издании, видным ученым не демонстрировал, и про этот опыт забыли.
Биограф Николы Теслы, проведший много часов в архивах Грант Цверава, сумел отыскать в "Еженедельных докладах" от 1883 года Парижской академии наук статью тогдашнего лидера французских электротехников Марселя Депре под названием "Об электрическом синхронизме двух относительных движений и о его применении для построения новой электрической буссоли". Буссоль — это такой инструмент для определения угла между магнитным меридианом и направлением на какой-либо объект. Буссоль представляет собой вращающуюся магнитную стрелку и две стойки с прорезями друг напротив друга, укрепленные на диаметрально противоположных сторонах диска, на котором эта стрелка и вращается. На диск нанесены деления (величины углов). Глядишь через зрительно совмещенные стрелки на предмет (например, на экран телевизора с орущим молодым Малаховым или гнусящим с мерзким акцентом пожилым Малаховым) и видишь, на какой градус отклонилась стрелка. Потом спускаешь курок и стреляешь в этих негодяев… нет, это я загнул, никакого курка на буссоли нет, а в данном случае жаль…
Депре доказал возможность создания поворачивающегося магнитного поля путем наложения двух магнитных потоков одинаковой частоты, но сдвинутых по фазе на 90 градусов. Эта схема предназначалась автором для навигационных целей, реализована не была, но применяется сейчас в сельсинных устройствах — специальных электрических машинах. Например, в некоем агрегате вал поворачивается на определенный угол, а нам надо, чтобы вал другого агрегата, стоящий в дальнем углу цеха, повернулся на тот же угол. Можно связать валы железной палкой, но это неудобно, и валы остаются механически несвязанными. Сельсины связывают их "электрическим" путем.
Любопытно, что сам Марсель Депре в следующем, 1884 году заявил на всю Европу, что переменный ток не имеет будущего, хотя сам был так близок к открытию вращающегося магнитного поля. Самое же важное событие в деле уточнения приоритета Николы Теслы произошло весной 1888 года. К несчастью Теслы, на два месяца раньше публикации основных патентов нашего великого изобретателя. В марте того года профессор Промышленного музея Галилео Феррарис выступил перед общим собранием Туринской академии наук с докладом о бесколлекторном (т. е. без выпрямителя) электродвигателе переменного тока, построенном на принципе вращающегося магнитного поля. Феррарис нашел условия, при которых в однофазной цепи возникали два переменных тока, сдвинутых по фазе. Он построил несколько лабораторных моторчиков с искусственной второй фазой, которые развивали ничтожную мощность в три ватта при скорости вращения до 900 оборотов в минуту. В том же году в мае Тесла показывал в сотни раз более мощные двигатели. Любопытно, что эти устройства он придумал для моделирования и демонстрации изначально вовсе не электрических явлений, а эффекта поляризации света.
Феррарис сам не понял сути сделанного им изобретения, посчитав его не более чем игрушкой, не пригодной для какого-нибудь промышленного использования. Кроме того, он неправильно рассчитал предельный КПД своих двигателей, оценив его всего-то в 50 %. Видимо, именно вследствие скептического взгляда на свои моторчики он не взял на них патент и вообще начал подчеркивать свою роль в создании тесловских двигателей лишь через несколько лет. Хотя доклад был сразу же напечатан в миланском "Электрическом журнале", 150 копий доклада разослано теоретикам и практикам электротехники, а в ноябре 1888-го доклад был перепечатан американским "Миром электричества". Касаясь приоритета Теслы, скажем сразу, что если патенты серба были опубликованы действительно на пару месяцев после лекции Феррариса, то заявки-то на патент были поданы еще в октябре 1887 года, Как и сейчас, датой изобретения или открытия является дата получения и регистрации заявки в патентном бюро или получения статьи в научном журнале. Однажды Феррарис заявил, что работы по изучению вращающегося магнитного поля были начаты им еще в 1885 году, но никаких печатных свидетельств об этом нет. Кроме того, Тесла демонстрировал действующую модель своего двигателя еще во время работы в Страсбурге в 1884 году. Да и сам двигатель Феррариса с "расщепленной" фазой был лишь частным случаем многофазных двигателей Теслы.
На авторство открытия вращающегося магнитного поля или по крайней мере на приоритет в изобретении индукционного двигателя претендовали и другие ученые. Так, американец Чарльз Брэдли в 1889 году запатентовал двухфазный асинхронный двигатель (частота вращения которого уменьшается с ростом нагрузки), потом и "Систему распределения электроэнергии" с трехфазной схемой и синхронным генератором. Однако ни в одном из своих патентов, не получивших практического воплощения, Брэдли не упоминает о вращающемся магнитном поле. На авторство многофазной системы и распределение электроэнергии, в основном для применения на транспорте, претендовал и немец Фридрих Хазельвандер, но и он не догадался о необходимости вращения магнитного поля и асинхронного двигателя не изобрел. Правда, он в 1890 году провел трехфазный ток на расстояние около одного километра между своей фабрикой мебели и лесопилкой. Это была первая в мире линия передачи трехфазного тока, но не полноценная и не заслуживающая патента. Гораздо опаснее для приоритета Теслы оказались работы М. О. Доливо-Добровольского, о котором позже.
Михаил Осипович прочел текст туринской лекции Феррариса в английском переводе и, как Он неоднократно подчеркивал, немедленно увлекся проблемой многофазных токов. Еще во время чтения статьи он представил себе принцип действия электродвигателя, основанного на использовании вращающегося магнитного поля. Немедленно, просто в уме он перепроверил расчеты Феррариса и убедился в их ошибочности. И самое главное — он тогда же понял преимущества трехфазного тока перед двухфазным. У Теслы появился опасный соперник.
К 1890 году Доливо-Добровольский уже создал трехфазные электродвигатели и генераторы, разработал чертежи трехфазных трансформаторов. Разработал он и систему связанной трехфазной передачи тока всего по трем проводам вместо шести в несвязанной системе Теслы — это привело к резкому снижению расхода недешевой меди. Вскоре русскоязычному изобретателю удалось продемонстрировать свои изобретения на Всемирной электротехнической выставке, совмещенной со Всемирным конгрессом электриков во Франкфурте-на-Майне в 1891 году.
За год до этого организаторы выставки обратились к фирме AEG с предложением организовать передачу энергии от водопада на реке Неккар до павильонов выставки. Главный инженер этой фирмы Доливо-Добровольский немедленно начал проектировать трехфазный асинхронный двигатель, трехфазные трансформаторы и аппаратуру для линии электропередачи и распределения электроэнергии на выставке. Огромный успех всей системы на выставке, особенно достижение КПД 75 % при напряжении 15 тысяч вольт и 79 % при напряжении 28 тысяч вольт, привел к повсеместному распространению трехфазного тока. И хотя Доливо-Добровольский не раз говорил, что приоритет относительно многофазных машин принадлежит Тесле, его фирма попыталась оспорить патенты последнего, не желая перекупать патенты у Вестингауза.
Ничего не вышло. Приглашенные патентным ведомством эксперты, безусловные авторитеты в электротехнике, Антони и Беренд доказали, что уже в первых патентах Теслы содержится указание на систему многофазных токов, а трехфазный — лишь один из них. В пользу Теслы высказался и знаменитый электротехник, главный консультант "Дженерал электрик" Чарльз Штейнмец. В ответ на предложение признать приоритет Феррариса этот эмигрант из Германии — как и Доливо-Добровольский, он эмигрировал из-за своих социалистических взглядов, — заявил, что Феррарис построил всего лишь маленькую игрушку, а потом публично заявил, что в системе русского изобретателя нет ничего нового по сравнению с результатами Теслы. Известно, что очень многие электротехники были удивлены оценкой Штейнмеца, но со временем, разобравшись в его блестящих, но сложных расчетах, они полностью признали правоту этого маленького человека — Штейнмец имел рост около 125 сантиметров, был почти карликом.
Кстати, про Феррариса фирма AEG вспомнила после неудачи с признанием приоритета Доливо-Добровольского на трехфазное электричество. По-прежнему не желая платить Вестингауэу за тесловские патенты, крючкотворы из юридического отдела фирмы попытались оспорить приоритет Теслы вообще в открытии многофазных переменных токов. Сразу были названы имена предшественников — все того же Феррариса, а также Хазельвандера, Брэдли и уж совсем некстати приплетенных сюда Йонаса Венстрёма и Оливера Шалленбергера. Но опять ничего не вышло. Фирма вела процессы против Вестингауэа в течение 20 лет (!), всего состоялось несколько сотен заседаний по 25 искам, но все они были Вестингаузом выиграны. Хотя величайшей заслугой Доливо-Добровольского следует признать оптимальность связанной трехфазной системы и создание трехфазного асинхронного двигателя.
Для специалистов по психологии людей с физическими недостатками будет интересно следующее обстоятельство. Спустя некоторое время после признания Штейнмецем приоритета Теслы к нему обратилась его родная компания "Дженерал электрик" с предложением усовершенствовать изобретения Теслы таким образом, чтобы затмить великого изобретателя. Штейнмец принял вызов и начал работать над системами передачи и получения переменного тока, что было очень странно, поскольку он лучше других разобрался в вопросе и отлично знал, что в любом случае все основные изобретения сделаны Теслой и вовремя запатентованы. Может быть, он надеялся найти какое-то другое электричество? Как в каком-то анекдоте просят найти другой глобус Земли.
Разумеется, ничего не получилось и в этом предприятии. Даже акт промышленного шпионажа и похищения чертежей Теслы с завода Вестингауза подкупленным дворником не помог "Дженерал электрик", однако Штейнмец все-таки поступился принципами. В своем труде "Теория и расчеты явления переменного тока", вышедшем в 1В97 году, через три года после публикации сочинений Теслы, карлик вообще не упомянул о великом ученом. Более того, он даже не упоминал в списке литературы монографию "Изобретения, исследования и статьи Николы Теслы", которая в те времена стала настольной книгой электротехников всего мира. Через пять лет, в 1902 году, Штейнмец написал книгу "Теоретические основы электротехники", ставшую учебником во множестве университетов и политехнических институтов. Увы, и здесь он ловко уклонился от признания приоритета Теслы, что в данном случае нанесло труднопоправимый вред истории электротехники. Несколько поколений студентов только через значительный промежуток времени после окончания своих высших учебных заведений с изумлением узнали о существовании Николы Теслы и его огромной роли в развитии их науки. Правда, потом, в качестве некоей компенсации, именно этими бывшими студентами авторитет Теслы был поднят на невиданную высоту, а его совершенно фантастические (если не сказать бредовые) идеи последних лет жизни были объявлены гениальными. Именно это обстоятельство во многом предопределило появление мнения о Тесле как об авторе несуществующего геофизического оружия, лучей смерти и прочей чепухи.
Помимо трехфазного двигателя Доливо-Добровольского и моторчиков других якобы предшественников Теслы, у него был и другой, совершенно неожиданный и нелепый конкурент. Некий бывший цирковой гимнаст и фокусник Джон Кили объявил о создании "гидропневматического пульсационного вакуумного двигателя". Приобретенное в цирке мастерство эффектного представления своего "изобретения" позволило Кили стать самым известным из тогдашних мошенников — не в качестве мошенника, а в качестве создателя вечного двигателя. Пресловутая мадам Блаватская объявила, что Кили открыл вриль Бульвер-Литтона (о вриле мы еще расскажем), который сам Кили называет отрицательным притяжением. В 1874 году Кили основал компанию с капиталом 100 тысяч долларов (большие тогда это были деньги!) и вплоть до 1889 года дурачил публику демонстрациями своего мотора. Как и современные жулики от "энергоинформационных свойств воды", Джон Кили использовал около и лженаучную терминологию, завораживающую, как и сегодня, безграмотных обывателей — "биполярные волны эфира", "тройственные потоки силового потока у полюсов", "отражающее воздействие гравитации" и тому подобную чушь. Вот как описывается в "Технологическом журнале" представление Кили: "Мистер Кили начал будить силу, ударяя по большому камертону смычком, а затем дотрагиваясь им до генератора. После двух или трех попыток, которые окончились неудачей, поскольку не удалось затронуть струну массы, он повернул маленький клапан в верхней части генератора. Когда раздалось легкое шипение, его приветствовали громкими криками. Выражение "Кили — ты подобен всемогущему Богу!" было в порядке вещей" (1).
В 1888 году шарлатана все же посадили в тюрьму, но через пару дней освободили под залог. Со временем его даже оправдали, поскольку он продемонстрировал суду принципы действия своего мотоpa с добавленной медной трубкой в форме обруча. Не надо удивляться тупости судей, ведь даже наш заговаривающий воду Чумак продержался на публике лет десять, а не так давно снова был продемонстрирован по телевизору как известный целитель. Кили же не был разоблачен до самой смерти, лишь после которой в подвале его дома были найдены большая железная емкость и трубы, идущие от нее через потолок в "лабораторию". Знаменитая "эфирная сила" Кили оказалась энергией сжатого воздуха, которая высвобождалась после незаметного нажатия скрытой педали.
К сожалению, преждевременные и не всегда выполнимые обещания Николы Теслы поставили его в один ряд с проходимцами вроде Кили. Еще хуже стало дело, когда было опубликовано письмо некоей дуры, мечтавшей, чтобы Тесла прочитал книгу Бульвер-Литтона и сделал бы после этого немало великих открытий. Многие решили, что электричество Теслы — это все та же "сила вриля". И хотя Тесла не перечитывал Бульвер-Литтона уже много лет, "осадок остался" — по старому анекдоту.
То было время по-настоящему великих открытий и изобретений, и неудивительно, что десятки мошенников пытались впарить доверчивым бизнесменам свои таблетки, превращающие воду в бензин, как некий Булмер, источник энергии из гидрораспределителя воды, как еще более некий Хонино, или агрегат, превращающий обычную бумагу в двадцатидолларовые банкноты Люстига. К сожалению, но и по его собственной вине, многие стали причислять к этим шарлатанам и Теслу.
Но вращающееся магнитное поле открыл и придумал все-таки он, и это открытие — возможно, главное в истории электротехники второй половины XIX века.
Еще юношей, еще в Хорватии, Никола Тесла рассматривал фотографии Ниагарского водопада и мечтал о том дне, когда он увидит это чудо природы. Более того, он уже тогда мечтал о покорении водопада и устройстве на нем огромного водяного колеса, которое крутило бы жернова и прочие устройства. Однако мечты мечтами, но примерно в те же годы несколько американских инженеров уже составляли планы по практической эксплуатации гигантской энергии водопада, вначале тоже для вращения жерновов и промышленных агрегатов, а со временем и для устройства электростанции, 8 1886 году соответствующий проект был представлен Томасом Эвершедом, однако в нем предполагались огромные затраты на расчистку территории, пробивку тоннелей и каналов. Кроме того, было еще не очень понятно, куда должна поступать выработанная электроэнергия, — передача постоянного тока в те времена могла осуществляться только на несколько километров. Следовательно, надо было строить рядом с водопадом какой-либо энергопотребляющий завод либо научиться передавать энергию хотя бы в соседний, тогда небольшой, город Буффало. И в 1889 году решение этой второй задачи было предложено Эдисоном, хотя ранее уже был успешный опыт передачи электроэнергии на значительно большее расстояние — 200 километров, которое осуществили Чарльз Браун и наш соотечественник Михаил Доливо-Добровольский, работавший на германскую Объединенную электрическую компанию. Используя сразу несколько изобретений Теслы, они сумели осветить Всемирную электротехническую выставку во Франкфурте-на-Майне, передав трехфазным переменным током энергию с водопада на реке Неккар, притоке Рейна. Однако Тесла за год до этого получил патенты на использование любой многофазной системы передачи такого тока, и трехфазная система являлась лишь частным случаем его изобретений. Компания, в которой работали Браун и Доливо-Добровольский, пыталась оспорить тесловские патенты, но безрезультатно. Об этом мы уже говорили.
Эти патенты в то время были выкуплены дальновидным предпринимателем Джорджем Вестингаузом, который сколотил первоначальное состояние не на бирже или спекуляциях, а на своих собственных изобретениях, что было тогда редкостью. Собственно, и сейчас Билл Гейтс является исключением. Началось все с изобретения знаменитого воздушного тормоза, которое позволило двадцатитрехлетнему сыну владельца завода сельскохозяйственных машин основать собственную фирму (м-да… все-таки сын владельца завода… не совсем Золушка…).
В (2) указывается, что объективную оценку достижений компании Вестингауза можно найти в отчете А. И. Смирнова, которого русское правительство в 1893 году командировало в США для ознакомления с состоянием дел в электротехнической области. Инженер сообщает, что "громадный промышленный успех и быстрое развитие деятельности этой американской фирмы делает ее весьма интересной не только для американских электротехников, но и для нас. Можно с уверенностью сказать, что предприимчивости и энергичной деятельности этой фирмы Америка много обязана своей столь широко развившеюся электротехникой. Развивалась эта фирма с чисто американской быстротой и в какие-нибудь семь лет достигла того, что ее приборы и машины применяются на бесчисленном множестве установок во всех странах света, не говоря уже о том, что нет ни одной отрасли электротехники, которой не коснулась бы предприимчивость этой компании. Объясняется это, конечно, талантливостью ее техников (к числу которых принадлежит известный Тесла), а также очень важным принципом, положенным в основании ее деятельности и строго соблюдаемым во всех случаях. При выделке всех приборов обращают особое внимание на простоту и прочность устройства и на возможно высокое полезное действие".
В начале 80-х годов позапрошлого века будапештская фирма Ганца успешно внедряла однофазный ток для промышленного использования. Схема разводки электропроводов, разработанная инженерами Ганца, демонстрировалась на выставке изобретений в Лондоне, и побывавший на этой выставке сотрудник Вестингауза электротехник Панталеони дал ей высокую оценку и фактически предопределил выбор переменного тока фирмой Вестингауза для ее деятельности. К тому времени главный инженер фирмы Стенли уже сконструировал однофазный трансформатор и построил линию электропередачи однофазного тока высокого напряжения длиной более шести километров в штате Массачусетс. Однако Вестингауз предпочел приобрести лицензии на трансформаторы Голяра — Гиббса, которые, впрочем, впоследствии без обид усовершенствовал все тот же Стенли. К 1888 году фирма построила более ста небольших электростанций однофазного тока, которые работали на частоте 133 герца.
Вернемся немного назад и скажем несколько слов о Михаиле Осиповиче Доливо-Добровольском. Он родился в 1861 году в Гатчине, в семье чиновника, в детском возрасте вместе с семьей переехал в Одессу, где его отец начал издавать газету. Под очень интересным названием — "Правда"! В 1880 году юноша окончил Одесское реальное училище и поступил на химический факультет Рижского политехнического института, но из-за участия в студенческих антиправительственных выступлениях был вынужден покинуть институт и уехать за границу для продолжения образования (вынужден уехать! вот он был какой, кровавый царский режим!). В Германии закончил Дармштадтское техническое училище, но в Россию не вернулся (ищи дураков) и начал работать на немецком отделении эдисоновской компании, которое в 1909 году даже и возглавил. Практически одновременно с Теслой он придумал генератор переменного тока, а потом и систему передачи переменного трехфазного тока. Разумеется, по российской интеллигентской привычке он не устроил рекламного шоу из своих достижений и известен публике значительно меньше, чем Тесла, если не сказать, что вообще неизвестен.
Особенно интересно, что этот адепт переменного тока со временем сообразил и опубликовал по этому поводу обстоятельные теоретические расчеты, что на большие расстояния нужно передавать все-таки постоянный ток с чудовищным напряжением в миллионы вольт, и уж на месте понижать напряжение и переводить постоянный ток в переменный. Потери при такой передаче неизмеримо ниже, чем при использовании переменного тока. Сейчас так и делают, мощные ЛЭП (линии электропередачи) при передаче тока на расстояние от 1,75 тысячи километров устраивают на постоянном токе. Существует даже проект прокладки Трассы энергопередачи постоянного тока свободного рынка электроэнергии России, от Минска до Владивостока, в Сибири приблизительно параллельно Транссибу. К такой трассе мог бы подсоединиться любой производитель электроэнергии и продавать ее потребителям. В случае переменного тока это требует малоосуществимой одновременности работы всех участников рынка, в случае постоянного тока — подключайся когда угодно.
Довольно странно, но достижение Брауна и Доливо-Добровольского довольно долго не смогли повторить, несмотря на то что и генератор Теслы уже был создан, и все физические принципы передачи переменного тока были известны. Например, в том же 1889 году Себастьян Ферранти передал довольно большое напряжение, 11 тысяч вольт, на расстояние всего 10 километров, а компания Вестингауза осуществила в 1893 году передачу аж 60 тысяч вольт на расстояние 6 километров для освещения Чикагской всемирной выставки. Но от Ниагарского водопада даже до Буффало было 30 километров, а от главного из потенциальных потребителей тока Нью-Йорка все 500. Инвесторы и владельцы Ниагарского проекта решили разобраться в проблеме и откомандировали будущего строителя электростанции Эдварда Адамса а Германию для переговоров с Доливо-Добровольским и Брауном. Этот Адамс объездил всю Европу, встречался с массой инженеров и дельцов и понял, что работать необходимо только с переменным током. Будучи в первую очередь все же бизнесменом, он зарегистрировал в Лондоне Международную Ниагарскую комиссию, председательствовать в которой уговорил самого лорда Кельвина (это который про абсолютную шкалу температур и градусы Кельвина). Понятно, что это назначение сродни приглашению свадебного генерала или председательствованию бывшего германского канцлера Герхарда Шредера в консорциуме по строительству Балтийского газопровода.
Ниагарский водопад имеет высоту 48 метров и находится на реке Ниагара, соединяющей два из Великих озер — Эри и Онтарио. Посередине водопада находится остров, который делит водопад на американскую и канадскую части (граница обеих стран проходит по этому острову), причем по канадской части протекает в девять раз больше воды, чем по американской.
Финансист Адаме объявил конкурс на лучший проект электростанции на Ниагаре и получил две дюжины предложений. Сейчас это покажется комичным, но большинство из них тогда были основаны на использовании гидравлики и сжатого воздуха. Т. е. энергией падающей воды предполагалось сжать воздух, передать его по трубе в Буффало, где этот сжатый воздух будет что-то там крутить и долбить, как это делают сейчас с нашим асфальтом гастарбайтеры пневматическими молотками. Только в одном проекте английского профессора Джорджа Форбса предлагалось использовать генераторы и двигатели переменного тока, естественно, выпускаемые компанией "Вестингауз электрик" в соответствии с изобретением и по патенту Николы Теслы. Несмотря на экономический кризис 1893 года и промышленный шпионаж, в результате которого у Вестингауза пропали некоторые чертежи аппаратов на переменном токе, в том же году профессор Форбс с коллегами заключил договор с компанией Вестингауза и работа по Ниагарскому проекту началась. Разумеется, в его основе лежали изобретения Теслы и его двухфазная система. Несмотря на конечный успех предприятия, в данном случае Форбс совершил ошибку. Трехфазная система, примененная на реке Неккар Брауном и Доливо-Добровольским, значительно выгоднее и сейчас применяется почти во всех случаях. Двухфазный генератор Теслы действительно компактнее, а двухфазный переменный ток легче преобразовать в постоянный, применяемый прежде всего для электролиза, однако эти преимущества тают при рассмотрении эффективности выработки трехфазного тока. Впрочем, свою ошибку Форбс совершил вслед за самим Теслой, который тогда не оценил преимущества трехфазности просто из-за неразвитости теории электрического тока.
О роли Теслы в создании проекта гидроэлектростанции и его авторстве генераторов этой станции немедленно прознали газетчики, и можно считать, что именно тогда началось восхождение Теслы на вершину бумажной славы. О нем написали все главные общественные и научно-популярные издания, у него брали интервью лучшие репортеры. Теслу уже не стеснялись называть гением. Однако изобретатель не загордился и не бросил работать, а, наоборот, непрерывно улучшал свои механические и электрические осцилляторы (высокочастотные генераторы) и системы передачи переменного тока. Адамс посетил его в нью-йоркской лаборатории и предложил создать новую компанию, в которую Тесла передаст свои патенты, а Адаме — 100 тысяч долларов. Тесла согласился.
В октябре 1888 года, по настоянию Вестингауза, Тесла переехал из Нью-Йорка в Питтсбург на завод этого магната. Здесь он мог сосредоточиться на производстве электродвигателей переменного тока, освобождая собственную лабораторию в "Большом яблоке" от рутинной сборки агрегатов. Вестингауз положил Тесле более чем приличное месячное вознаграждение в 2000 долларов, но решил использовать талант изобретателя для усовершенствования и серийного выпуска маломощных электродвигателей, которые можно было включать в однофазные осветительные сети, — дело было в том, что хозяин компании уже вложил в эти двигатели изрядный капитал и собирался вернуть деньги с продаж. Но вскоре возникли препятствия технического характера. На питтсбургском заводе было принято использовать частоту 133 герца, обеспечивающую некоторую экономию металла, но Тесла стал настаивать на использовании 60-герцового тока, превосходящего другие по всем параметрам (в России, кстати, используется частота 50 герц, хотя Тесла считал пониженные частоты неэффективными). Ему удалось убедить инженеров фирмы и самого Вестингауза в преимуществах такого тока, и положительное решение было принято. С тех пор и до настоящего времени в США принята частота 60 герц.
После завершения споров о частоте Тесла приступил к изготовлению двухфазных электрических машин. В феврале 1889 года первые в мире индукционные двигатели переменного двухфазного тока, разработанные Николой Теслой, были установлены на газовой станции около Питтсбурга — наконец-то Вестингауз начал зарабатывать на Тесле неплохие деньги. Со временем он понял, что его собственный завод нуждается в аналогичных асинхронных двигателях и в новом цеху установил их сразу 39 штук. Затем Вестингауз начал поставлять двигатели на другие предприятия Питтсбурга в Буффало, Детройт, Денвер и даже в столицу мормонов Солт-Лейк-Сити на горнорудные и железнодорожные предприятия. Успехи Вестингауза были замечены, и о них стали публиковать статьи ведущие электротехнические журналы. К чести магната, он никогда не забывал напоминать о роли Николы Теслы в разработках своей компании.
Осенью 1893 года начались работы по сооружению первой очереди Ниагарской гидроэлектростанции. Стройка велась в сложнейших геологических условиях — река Ниагара протекает по скальным породам. Здесь на глубине 50 метров с использованием взрывчатки сначала был пробит туннель диаметром 5–6 метров для монтажа вертикальных турбин, причем эти турбины были привезены из Европы. В Америке тогда еще не было развито производство таких машин. Первый агрегат был пущен уже в 1895 году, проектная мощность достигнута в 1896 году, а вторая очередь завершена еще через семь лет. Ниагарская гидроэлектростанция стала самым крупным гидротехническим сооружением того времени. Потребителями ее энергии стали построенные рядом с городком Ниагара-Фолс алюминиевый, химический заводы и фабрика по производству карборунда. Как раз к тому времени, в 1886 году был изобретен способ получения алюминия путем электролиза бокситов (оксида алюминия), применяющийся до настоящего времени. Электролиз требует огромных затрат электроэнергии, и до сих пор алюминиевые заводы строят возле гидроэлектростанций, а не около месторождений бокситов. На наши заводы в Сибири оказалось даже выгодным возить бокситы из африканской Гвинеи.
Понимание преимуществ трехфазного тока пришло довольно быстро. Уже в 1896 году была проложена воздушная трехфазная линия длиной 40 км в Буффало, для чего на станции были установлены повышающие трансформаторы для перевода тока в трехфазный. Посещая гидроэлектростанцию, Тесла нисколько не расстроился, увидев это нововведение, названное впоследствии "схемой Скотта" по имени главного электрика компании Вестингауза. Снабдив эту компанию своими изобретениями, убедившись в их работоспособности и деже заработав немало денег (Вестингауз заплатил ему за 40 патентов миллион долларов — огромную по тем временам сумму), Тесла увлекся решением совершенно иных задач. Вообще конкретное, скучное воплощение в жизнь своих изобретений не было сильной стороной ученого. Не проработав на питгсбургском заводе компании Вестингауза и года, он в 1889 году возвращается в Нью-Йорк, хотя и соглашается с настойчивыми уговорами Вестингауза поработать еще год на фирме в качестве консультанта. Сам Тесла был не очень доволен своим пребыванием в Питтсбурге. В своих заметках изобретатель пишет (3): "За год, проведенный в Питтсбурге, я не сделал никакого вклада в электротехнику. Я не чувствовал себя свободным в этом городе, зависимость и обязательства мешали мне работать. Для того, чтобы созидать, я должен быть абсолютно свободен. Когда я освободился от ситуации, создавшейся в Питтсбурге. идеи и изобретения снова хлынули в мою голову, как Ниагара".
А пока на гидроэлектростанции продолжались переделки. Не слишком долго провозившись с трансформаторами для повышения напряжения, их скоро сняли и просто перевели всю станцию на трехфазные генераторы, впрочем, также предусмотренные некоторыми патентами Теслы. Полученные от Вестингауза деньги сделали его весьма не бедным человеком, и он мог вернуться к изучению высокочастотных токов без необходимости заниматься продажей своих изобретений и поисков заработка. Кстати, о деньгах Вестингауэа. Тесла — великий человек, а великие люди часто ухитряются совмещать в себе противоположные качества. Например, Теслу никак нельзя назвать бессребреником, он полжизни положил на поиск инвестиций и уговоры бизнесменов. Одна переписка с Морганом чего стоит, чуть ли не в каждом письме он обещает финансисту золотые горы (с указанием конкретного объема горы в денежных единицах) в обмен на не слишком значительные затраты с его стороны — как же, незначительные! Речь всегда шла о минимум десятках тысяч долларов, а чаще всего о сотнях тысяч. Умножьте это этак на 10–20, и вы поймете, какие объемы инвестиций просил выделить ему Тесла в современных ценах.
Однако мы имеем и прямо противоположные примеры. Уже вскоре после того, как инженеры питтсбургского завода Вестингауза убедились в правоте Теслы и согласились с предлагаемым им переводом электрических машин на переменный ток с частотой 60 герц, разразился экономический кризис 1893 года. Даже крупные фирмы были вынуждены объединяться — Эдисон с Томсоном (появилась знаменитая и сейчас "Дженерал электрик"), Вестингауз с полудюжиной мелких фирм (возникла "Вестингауз электрик"). При этом на Вестингаузе "висели" обязательства по выплате Тесле роялти — процентов от проданного электрооборудования. Считается, что великий изобретатель должен был бы получить не менее 10 миллионов долларов, т. е. просто огромные деньги по тем временам. Да, но денег-то у Вестингауза уже не было! Миллионера Вестингауза тоже финансировали какие-то акулы с Уолл-стрит, и они потребовали расторжения контракта с Николой Теслой. В наше время и в нашей стране все решилось бы гораздо проще, хватило бы одной водопроводной трубы в подъезде, но у них там все не как у людей. И великий Вестингауз пошел на поклон к Тесле.
Хозяин компании объяснил изобретателю, что если Тесла потребует уплаты всей причитающейся ему суммы, то компания перейдет в руки банкиров, которым "до лампочки" открытия великого серба, и они найдут, куда вложить деньги и усилия компании помимо этих открытий. Хоть в те же лампочки Эдисона. Но если Тесла разорвет соглашение, то компания будет спасена и продолжит распространять по миру многофазные системы Теслы. Согласно легенде, великий изобретатель именно так и поступил, а именно буквально разорвал бумагу с текстом соглашения и выбросил обрывки в мусорное ведро. Потрясенный Вестингауз "не находил слов", однако вскоре нашел и что-то такое очень торжественное произнес. А Тесла отказался от 10 миллионов долларов — в конце жизни он, между прочим, жил на небольшое пособие от югославов. Не то что миллионов, даже тысяч долларов у него не было.
После ухода от Вестингауза у Теслы образовалось вполне достаточное количество денег, чтобы поселиться в лучшей гостинице Нью-Йорка, роскошной "Уолдорф-Астории" — сейчас обычай жить в гостиницах переняли российские богачи, а тогда так жили многие не бедные американцы. Тесла арендовал помещение на Гранд-стрит и организовал там лабораторию, посвятив свои исследования высокочастотным токам. Убедившийся и убедивший, в сущности, весь мир в преимуществах, переменного тока, пока еще низкой частоты, изобретатель решил повысить эту частоту до очень больших величин, надеясь в перспективе даже устроить передачу энергии на большие расстояния без использования проводов, одним излучением. Вначале он сконструировал генератор переменного тока со статором из 348 магнитных полюсов, что позволило генерировать ток с частотой 5 тысяч герц, а затем и генератор на 10 тысяч герц. Желание увеличить и эту частоту привело его к пониманию необходимости создания генераторов на иных принципах.
Одним из таких принципов было использование явления резонанса, т. е. резкого возрастания амплитуды колебаний какой-либо механической или электрической системы при наложении на них внешних колебаний с той же частотой. Действие построенного им генератора электромагнитных колебаний, который иногда называли резонанс-трансформатором, основано на резонансе первичного и вторичного контуров. Если в первых образцах своего устройства Тесле удавалось получить ток с частотой до 50 тысяч герц, то в усовершенствованных машинах Штейнмеца и Александерсона, основанных на предложенных Теслой принципах, были получены токи с частотой до 200 тысяч герц. Попутно Тесла решил еще одну задачу, да так, что это решение используют и сейчас, более ста лет спустя после патента Теслы. Для изоляции катушек сверхвысокой частоты он предложил просто помещать катушку в жидкий диэлектрик — масло, которое сейчас называют трансформаторным.
Важным элементом изобретения Теслы было использование в качестве источника электрических колебаний высокой частоты конденсаторов, а том числе простейшего из них — лейденской банки. Колебательный характер разряда банки (через катушку) был обнаружен еще за пятьдесят лет до работ Теслы, а уже совсем незадолго до начала работ изобретателя над высокочастотным генератором Генрих Герц завершил построение классической электродинамики, опираясь не выводы и уравнения теории Максвелла и представление о всемирном эфире. Открытие электромагнитных волн и доказательство того неожиданного факта, что свет также является электромагнитной волной определенной частоты, привело Теслу к решению заняться проблемой беспроводной передачи электричества.
Параллельно с этим он искал способы защиты от токов высокой частоты и первым догадался, что, возможно, особой защиты и не потребуется. Тесла знал, что постоянный ток с напряжением 120 вольт уже опасен для человека, при больших значениях появляется даже угроза для жизни. Но это относится именно к постоянному току. Если свет, т. е. электромагнитные колебания очень высокой частоты (тысяча триллионов герц), совершенно спокойно переносится человеком, то возможно, что и электрические колебания такой частоты — переменный ток — будут неопасны. Как и подобает настоящему изобретателю, Тесла ставил эксперименты на себе. Для этого он сначала пропускал ток только через пальцы одной руки и обнаружил, что действие электрического тока на организм человека складывается из нагрева и возбуждения нервных клеток. Далее он стал увеличивать напряжение и частоту тока, пропуская его уже через обе руки, — вообще это были очень опасные эксперименты, поскольку Тесла заранее результата все-таки не знал, а при пропускании электротока через обе руки ток проходит, в частности, через сердце. Но все обошлось, и ученый убедился, что при частотах тока более 700 герц никаких болезненных ощущений он не испытывает. То же самое происходит со светом; при частоте электромагнитных волн более тысячи триллионов герц глаз более не видит этих колебаний. В некоторых экспериментах Тесла достигал напряжения в миллион вольт и 100 тысяч герц.
В то же время тепловой эффект тока высокой частоты оставался, и именно тогда Тесла придумал использовать этот эффект для терапии. Электротерапевтические устройства, использующие токи высокой частоты, применяют и сейчас. Кстати, эти токи даже называют "токами Теслы". Высокочастотные колебания можно было использовать и совершенно неожиданным образом: однажды изобретатель увидел, как с окрашенного медного диска, случайно оказавшегося вблизи генератора высокой частоты, мгновенно испарилась краска. То же происходило и с рукой самого Теслы, когда он измазал ее типографской краской, — электромагнитное поле, образующееся вокруг проводника с током высокой частоты, по-видимому, вызывало микроскопические частые колебания предмета и счищало частицы краски. Тесла использовал и это явление для очистки кожи лица от мелкой сыпи, очистки пор и дезинфекции — удаления микробов, покрывающих тело человека. Надо отметить, что независимо от Теслы (и позже его) с токами высокой частоты работал француз Д'Арсонваль и в 1891 году предложил метод высокочастотной электротерапии — дарсонвализацию. "Токи Д'Арсонваля" применяются и сейчас.
Первым патентом Теслы в области генерирования высокочастотного переменного тока был патент под названием "Способ эксплуатации дуговых ламп", в котором он описал генератор, способный вырабатывать ток с частотой 5 тысяч герц. Питание дуговых ламп этим током приводило к кардинальному уменьшению шума при их работе. Можно смело предположить, что использование высокочастотного тока для решения такой, прямо скажем, не самой большой, проблемы дуговых ламп вряд ли было основной задачей изобретателя. Он получил патент в 1890 году, и известно, что уже тогда он задумывался над своей главной идеей в отношении таких токов — а именно, все о той же беспроводной передаче энергии.
Первым и самым заметным, причем в буквальном значении слова, успехом Теслы был опыт, который он, как обычно, поставил на самом себе. В противоположных углах лабораторной комнаты он разместил два металлических диска, к которым подключил свой генератор. Встав посередине комнаты и держа в руках две газоразрядные трубки, он приказал помощнику выключить свет и включить генератор. Вскоре трубки с разреженным газом довольно ярко засветились — так было впервые осуществлено освещение электрическим током без проводов. Впоследствии Тесла всегда сопровождал свои выступления демонстрациями свечения таких трубок и больших ламп, держа их просто в руках и зажигая от отделенного генератора тока высокой частоты. Например, на Колумбовой выставке он представил публике трубки, изогнутые в виде латинских букв, составляющих фамилии великих физиков — Франклина, Герца и самого Гельмгольца, который и был тогда президентом Конгресса по электротехнике. А на собрании Национальной ассоциации электрического освещения он показывал, как при пропускании через собственное тело огромных "доз" электричества из его вытянутых пальцев вырываются искры и даже целые молнии, причем никаких болезненных ощущений ученый не испытывал — разве что легкое покалывание в кончиках пальцев.
Добившись большого успеха в создании и использовании токов высокой частоты, Тесла решил отомстить Эдисону за препятствия в работе и обман с премиальными (см. главу 2 части 3). Полем битвы стала лампочка накаливания Эдисона, к тому времени выпускавшаяся в огромных количествах и казавшаяся незаменимой. Демонстрируя свечение газоразрядных трубок под действием своих токов, он прямо заявил, что самым ненужным элементом в электролампе является именно нить накаливания! Эдисон слабо отбивался, уверяя, что Тесла не открыл ничего особо нового (это неправда) и что тесловские трубки не смогут составить конкуренцию его лампочкам, т. к. дают мертвый белый свет, в отличие от красивого желтоватого ламп накаливания. Нельзя не признать, что этот аргумент Эдисона продолжает действовать и сейчас, хотя люминесцентные лампы — а именно люминесцентные лампы изобрел Тесла, работают годами и потребляют ничтожно малое количество электроэнергии. Первые промышленные образцы этих ламп были созданы незадолго до Второй мировой войны во Франции. Но альтернативой лампам накаливания, КПД которых хорошо если достигает 5 %, стали не простые люминесцентные лампы, а с добавлением паров натрия, которые дают уже вполне сносный желтый цвет и КПД которых 25 %. Кроме того, не так давно появились и люминесцентные лампочки, которые можно вворачивать в обычный электрический патрон. Так что время окончательной победы ламп Теслы еще впереди, а что такая победа состоится, можно быть совершенно уверенным.
Тесла является бесспорно признанным создателем отдельного нового направления в электротехнике — применения токов высокой частоты. Его опыты и устройства произвели на мировое сообщество электротехников огромное впечатление. Даже в далекой России показывались опыты Теслы, причем не кем иным, как одним из создателей радиосвязи Александром Поповым. Оказывается, Попов побывал на Колумбовой выставке, разобрался в устройстве тесловских агрегатов и в 1901 году продемонстрировал их действие е Петербурге на Съезде естествоиспытателей и врачей. Грант Цверава (2) цитирует:
"Особенно эффектно А. С. Поповым были показаны опыты Н. Теслы — кисти искр, вырывающиеся из конца вторичного проводника, достигали почти метровой длины, электрическое поле токов высокого напряжения наполнило всю громадную аудиторию, розданные слушателям пустотные трубки двухметровой длины светились в самых отдаленных углах". В Лондоне изобретатель термоса, сосуда для хранения низкотемпературных жидкостей, Дьюар уговорил Теслу выступить на заседании Королевского общества (в сущности, это английская Академия наук), причем Тесле была оказана великая честь расположить свои устройства для показа опытов на столе, где работал великий Фарадей, и сидеть в его кресле. Вообще-то Тесла не собирался читать лекцию в Английской академии и, будучи большим упрямцем, долго не соглашался с аргументами Дьюара. Но после того, как тот достал не допитую самим Фарадеем бутылку виски и угостил его этим драгоценным напитком, Тесла уже не мог отказаться.
Разумеется, английским академикам понравились эффектные демонстрации Теслы. Однако они были все-таки учеными, а не просто зрителями цирковых представлений, и сумели разобраться в специфике работ изобретателя. Так, лорд Рэлей, сам автор нескольких открытий в физике, говорил Тесле, что ему необходимо прекратить разбрасываться, и сосредоточиться на воплощении в жизнь для начала какой-нибудь одной из его великих идей. Как мы знаем, Тесла не воспользовался советом и несколько десятков его изобретений так и были похоронены в архивной пыли.