Pod napięciem - elektryczność zaprzęgnięta do pracy

Trwające w wieku XVIII zabawy i eksperymenty z ładunkami elektrostatycznymi, o których pisaliśmy w jednym z poprzednich tekstów zakończyły się skonstruowaniem przez Alessandro Voltę stosu elektrycznego. I choć prąd mógł już popłynąć wartkim strumieniem elektronów brakowało wciąż pomysłów (z wyjątkiem elektrochemii) na jego szersze wykorzystanie. Na początku XIX wieku wciąż skurcze łapały martwe żaby, jeżyły się włosy i bezproduktywnie skakały iskry. Niewidoczne procesy elektryczne nie przekładały się na pożyteczne zjawiska o charakterze mechanicznym odbierane zmysłowo przez człowieka. W 1820 roku nastąpił jednak przełom - igła magnetyczna znajdująca się w pobliżu przewodu pod napięciem nagle drgnęła!

Anegdota głosi, iż Hans Christian Oersted próbował dowieść coś zgoła przeciwnego niż udało się wykazać. Prąd ruchomych ładunków nie miał mieć nic wspólnego z magnetyzmem. Tymczasem igła magnetyczna umieszczona eksperymentalnie w pobliżu przewodu podłączonego do ogniwa Volty niespodziewanie odchyliła się. Zupełnie niechcący Oersted wykazał możliwość wytworzenia pola magnetycznego za pomocą prądu elektrycznego, innymi słowy powiązał zjawiska o charakterze magnetycznym oraz elektrycznym. Świat jawił się zatem jako holistyczna całość, co było zresztą zgodne z duchem panujących czasów i nadziejami romantycznych myślicieli. Dla potomności istotniejsze chyba było jednak to, iż odkrycie Oersteda stanowiło podstawę działania wszystkich późniejszych silników elektrycznych.

Elektromagnes Oersteda

Zjawisko zauważone przez Oersteda jako pierwszy wykorzystał William Sturgeon, inżynier, śmiało można to powiedzieć - elektryk (Robert Graves na swej płycie nagrobnej ma wyryte tylko jedno słowo - poeta, napis nagrobny Sturgeon’a głosi - elektryk). Był on autorem m.in. elektromagnesu (1825), komutatora (1832) i galwanometru (1836). Jego elektromagnes posiadał żelazny rdzeń izolowany lakiem z nawiniętym miedzianym drutem i mógł wykonać pracę mechaniczną - był zdolny do utrzymania ciężaru przewyższającego jego własny. Ważniejsze jest jednak to, iż szlak do skonstruowania różnych urządzeń, w tym telegrafu i silnika elektrycznego został wytyczony. A na świecie pojawili się pierwsi “elektrycy”.

Eksperymentalne prace Faradaya i Barlowa

PIerwsze eksperymenty na drodze do powstania silnika elektrycznego wykonali pracując niezależnie Michael Faraday (1821) i Peter Barlow (1822) jeszcze przed pojawieniem się  elektromagnesu Oersteda. Eksperymentalny “silnik” zaprezentowany przez Faradaya był niezwykle prostą konstrukcją - magnes leżący na dnie naczynia z rtęcią i drucik zanurzony jednym końcem w rtęci. Gdy układ drucik-rtęć znajdował się pod napięciem, drucik obracał się wokół leżącego magnesu. Powstał w ten sposób pierwszy silnik homopolarny (jednobiegunowy) napędzany tzw. siłą Lorentza. Choć może termin “silnik” należałoby ująć w cudzysłów.

Innym tego rodzaju pomysłem była koncepcja nazywana kołem Barlowa - pomysłodawca uzyskał ruch obrotowy zębatej metalowej tarczy umieszczonej w polu magnetycznym. Oba “silniki” były konstrukcjami laboratoryjnymi i trudno w ich przypadku mówić o możliwości jakiegokolwiek praktycznego wykorzystania. Były jednak znakomitą inspiracją, a w przypadku samego Faradaya początkiem dłuższej przygody z silnikiem elektrycznym. W 1831 przedstawił bowiem maszynę, która mogła działać zarówno jako silnik, jak i prądnica, oczywiście prądu stałego. Miedziany dysk umieszczony między biegunami magnesu w kształcie podkowy po zakręceniu korbą był prądnicą, po przyłożeniu napięcia stawał się silnikiem. Sprawność tego układu była jednak niewielka, bardziej istotny był tu opis teoretyczny indukcji elektromagnetycznej. 

Kolejni eksperymentatorzy

W tym miejscu wypada także wspomnieć o dokonaniach węgierskiego wynalazcy Ányosa Jedlika, który w roku 1829 skonstruował swój prototyp silnika elektrycznego (rotor elektromagnetyczny lub piorunowo-elektryczny samowirnik). Jego urządzenie składało się z trzech podstawowych elementów nowoczesnego silnika: wirnika, stojana i komutatora (części nieruchome, jak i obrotowe były tutaj elektromagnetyczne). Niestety brak zainteresowania silnikiem ze strony samego konstruktora, albo jego niewielka siła przebicia, spowodowały, że wynalazek ujrzał światło dzienne dopiero kilkadziesiąt lat później, i dziś Jedlik uważany jest za niedocenionego ojca silników elektrycznych. Innym jego wynalazkiem “do szuflady” było dynamo, o którym usłyszano dopiero w 1858 roku (figuruje ono w uczelnianym spisie inwentarzowym z roku 1863). Z tego powodu to nie Jedlik tylko Siemens jest dziś uznawany za twórcę nowoczesnej prądnicy. 

Pierwsza konstrukcja silnika powstała z myślą o wykorzystaniu przemysłowym należała do Amerykanina Josepha Henry'ego. Najpierw w 1831 usprawnił elektromagnes stosując izolowany drut (osiągając udźwig 1040 kg), a rok później zbudował własny silnik elektryczny.

Swój wkład w rozwój silników miał także Amerykanin Thomas Davenport, którego bezpośrednią inspiracją był poruszający się tłok maszyny parowej - jego konstrukcja (1834) posiadała ruchomy magnes znajdujący się wewnątrz cewki z prądem. Silniczek zasilał model kolejki elektrycznej, ale także podobno różne narzędzia będące na wyposażeniu warsztatu Davenporta. Swoje trzy grosze wtrącił także Edison. W 1880 roku w jego warsztacie powstaje pierwszy mikrosilnik napędzający elektryczne pióro do sporządzania kropkowanych matryc powielaczowych.

Przedstawione urządzenia nie prezentowały jednak przemysłowej mocy i nie bardzo można było liczyć na ich zastosowanie w ówczesnych halach pełnych potężnych maszyn zasilanych parą. Czyniono jednak liczne próby. Moritz Jacobi opracowuje własny projekt (1835) pierwszego komutatorowego silnika elektrycznego zasilanego z baterii elektrycznej (moc 15 W, 60-130 obrotów/minutę) - testowany jako napęd łodzi. William Taylor konstruuje silnik reluktancyjny podejmując próby zasilania lokomotywy (1840). Dwa lata później Robert Davidson wykorzystuje dwa silniki tego typu do napędzania każdej z osi lokomotywy - projekt, jako zbyt kosztowny, nie znalazł inwestorów i nie był rozwijany. W roku 1873 pojawił się silnik Gramme’a, efektywne urządzenie zasilane prądem stałym. Przełom nastąpił, jak to często bywa, przypadkowo. Gramme opracował udoskonaloną wersją prądnicy, a podczas pokazu mylnie podłączone przewody stworzyły wyjątkowo sprawny silnik.

W latach 1879-81 Werner Siemens na bazie samowzbudnej prądnicy prądu stałego tworzy konstrukcję elektrycznego tramwaju. Powstają i rozwijają się trójfazowe silniki synchroniczne. Michał Doliwo-Dobrowolski, opracowuje silnik trójfazowy z wirnikiem klatkowym. Wspomnieć wypada także Francuza Gastona Plante, który w roku 1859 tworzy akumulator ołowiowy, zasobnik prądu stałego wykorzystywany nieprzerwanie po dziś dzień.

Prąd na odległość

Bardzo istotna w kontekście popularyzacji i wykorzystania była jednak inna właściwość prądu elektrycznego - możliwość przesyłania energii na duże odległości. Gramme od razu wpadł na pomysł zasilenia swym silnikiem odległej pompy kaskady wodnej, zaś w latach dziewięćdziesiątych, powstała w efekcie “wojny prądów”, sieć energetyczna George’a Westinghouse’a zelektryfikowała Stany Zjednoczone. Oczywiście konieczne było wcześniejsze wynalezienie prądnicy prądu przemiennego przez Teslę oraz, rzecz jasna, żarówki, która miała rozświetlać nocny mrok w miejscu gazowych ogników. Wiara w zwycięstwo prądu przemiennego motywuje Teslę także m.in. do budowy silnika zasilanego tym rodzajem prądu (1887).

W 1885 roku powstaje maszyna dwufazowa prądu przemiennego Galileo Ferrarisa. Włoski konstruktor tworzy swoje projekty równolegle do poczynań Tesli. Od tego momentu obserwujemy rozwój maszyn i urządzeń elektrycznych prądu przemiennego.

Przesyłanie energii na odległość okazało się także kluczem do rozwoju telekomunikacji. Bardzo szybko zorientowano się, że informacja (impuls) wygenerowana na jednym końcu przewodu pojawiała się niemal natychmiast na drugim. Ten atrybut jako pierwszy został wykorzystany przez telegraf Samuela Morse'a, wynaleziony już w 1833 roku. Działanie telegrafu jest proste jak drut (nomen omen). Na jednym końcu znajduje się źródło prądu z tzw. “kluczem” czyli po prostu włącznikiem, drugi koniec przewodu wieńczy elektromagnes załączający zworę w momencie pojawiania się impulsów elektrycznych. Do zwory przymocowany był pisak zaznaczający kropki (zwora zamknięta na krótko) i kreski (zwora zamknięta na dłużej). Kropki i kreski to oczywiście litery alfabetu stworzonego przez Morse’a. Sprzęt działał i sprawdzał się nawet pomimo niewielkiej mocy jaką posiadały stosowane wówczas źródła energii. Telegraf odniósł spektakularny sukces, o czym świadczy ogromne przedsięwzięcie jakim było ułożenie kabla na dnie Atlantyku. Pierwszy telegram transatlantycki przesłano 6 sierpnia 1858 roku, łącząc na trwale oba kontynenty.

Cywilizacja = prąd elektryczny

Energia elektryczna popłynęła szerokim strumieniem. Powstawały kolejne pomysły wykorzystujące ruchy elektronów. Z prób udoskonalenia telegrafu narodził się telefon. Modernizowane silniki elektryczne zaczynały zasilać elektronarzędzia (wiertarka elektryczna Feina). Pojawiło się radio. Prąd stawał się coraz bardziej powszechny i niezbędny. Cywilizacja bez prądu? Taki obraz wypełnia dziś jedynie postapokaliptyczne wizje świata.