Рычаг, блок и наклонная плоскость 14 страница

Электрогенератор прерывистого постоянного тока в полной мере имел возможность заменить неудобную во многих отношениях гальваническую батарею, и потому позвал громадной интерес у предпринимателей и тогдашних физиков. Во второй половине 50-ых годов девятнадцатого века французская компания «Альянс» кроме того наладила серийный выпуск громадных динамо?автомобилей, приводившихся в воздействие от парового двигателя.

В этих генераторах чугунная станина несла на себе без движений укрепленные в пара последовательностей подковообразные постоянные магниты, расположенные равномерно по окружности и радиально по отношению к валу. В промежутках между последовательностями магнитов на валу были установлены несущие колеса с солидным числом катушек. Кроме этого на валу был укреплен коллектор с 16?ю железными пластинами, изолированными друг от друга и от вала автомобили.

Ток, наводимый в катушках при вращении вала, снимался с коллектора при помощи роликов. Одна такая машина потребовала для собственного привода паровой двигатель мощностью 6?10 л.с. Серьёзным недочётом генераторов «Альянс» было то, что в них употреблялись постоянные магниты.

Так как магнитное воздействие металлических магнитов относительно мало, то для получения сильных токов необходимо было брать громадные магниты и в солидном числе. Под действием вибрации сила этих магнитов скоро ослабевала. Благодаря всех этих обстоятельств КПД автомобили постоянно оставался низким.

Но кроме того с этими недочётами генераторы «Альянса» взяли большое распространение и господствовали на рынке в течение десяти лет, пока их не вытеснили более идеальные автомобили.

В первую очередь германский изобретатель Сименс усовершенствовал движущиеся катушки и их металлические сердечники. (Эти катушки с железом в стали называться «якоря» либо «арматуры».) Якорь Сименса в форме «двойного Т» складывался из металлического цилиндра, в котором были прорезаны с противоположных сторон два продольных желоба. В желобах помещалась изолированная проволока, которая накладывалась по направлению оси цилиндра. Таковой якорь вращался между полюсами магнита, каковые тесно его обхватывали.

Если сравнивать с прошлыми новый якорь воображал громадные удобства. В первую очередь, разумеется, что катушка в виде цилиндра, вращающегося около собственной оси, в механическом отношении удачнее катушки, насаженной на вал и вращавшейся вместе с ним. По отношению к магнитным действиям якорь Сименса имел ту пользу, что давал возможность весьма просто повысить колличество действующих магнитов (для этого достаточно было удлинить якорь и прибавить пара новых магнитов).

Машина с таким якорем давала значительно более равномерный ток, поскольку цилиндр был хорошо окружен полюсами магнитов.

Но эти преимущества не компенсировали главного недочёта всех магнитоэлектрических автомобилей — магнитное поле по?прошлому создавалось в генераторе посредством постоянных магнитов. Перед многими изобретателями в середине XIX века поднимался вопрос: запрещено ли заменить неудобные железные магниты электрическими?

Неприятность заключалась в том, что электромагниты сами потребляли электрическую энергию и для их возбуждения требовалась отдельная батарея либо, по крайней мере, отдельная магнитоэлектрическая машина. Первое время казалось, что без них нереально обойтись.

Во второй половине 60-ых годов XIX века Вильде создал успешную модель генератора, в котором железные магниты были заменены электромагнитами, а их возбуждение вызывала магнитоэлектрическая машина с постоянными магнитами, соединенная с тем же паровым двигателем, что приводил в перемещение громадную машину. Из этого оставался лишь один ход к фактически динамо?машине, которая возбуждает электромагниты своим собственным током.

В том же 1866 году Вернер Сименс открыл принцип самовозбуждения. (В один момент с ним то же открытие сделали кое-какие другие изобретатели.) В январе 1867 году он выступил в Берлинской академии с докладом «О превращении рабочей силы в электрический ток без применения постоянных магнитов». В общем его открытие заключалось в следующем.

Сименс установил, что в каждом электромагните, по окончании того как намагничивающий ток прекратил функционировать, постоянно оставались маленькие следы магнетизма, каковые были способны привести к слабым индукционным индукционным в катушке, снабженной сердечником из мягкого магнитного железа и вращавшейся между полюсами магнита. Применяя эти не сильный токи, возможно было привести генератор в воздействие без помощи извне.

Первая динамо?машина, трудившаяся по принципу самовозбуждения, была создана во второй половине 60-ых годов XIX века британцем Леддом, но в ней еще предусматривалась отдельная катушка для возбуждения электромагнитов. Машина Ледда складывалась из двух плоских электромагнитов, между финишами которых вращались два якоря Сименса. Один из якорей давал ток для питания электромагнитов, а второй — для внешней цепи.

не сильный остаточный магнетизм сердечников электромагнитов сперва возбуждал весьма не сильный ток в арматуре первого якоря; данный ток обегал электромагниты и усиливал уже имеющееся в них магнитное состояние. Благодаря этого усиливался со своей стороны ток в арматуре, а последний еще более увеличивал силу электромагнитов. Мало помалу такое обоюдное усиление шло , пока электромагниты не получали полной собственной силы.

Тогда возможно было привести в перемещение вторую арматуру и получить от нее ток для внешней цепи.

Следующий ход в совершенствовании динамо?автомобили был сделан в том направлении, что совсем устранили одну из арматур и воспользовались второй не только для возбуждения электромагнитов, но и чтобы получить ток во внешней цепи. Для этого необходимо было лишь совершить ток из арматуры в обмотку электромагнита, вычислив все так, дабы последний имел возможность достигнуть полной собственной силы и направить тот же ток во внешнюю цепь.

Но при таком упрощении конструкции якорь Сименса появился негодным, поскольку при стремительной перемене полярностей, в якоре возбуждались сильные паразитические токи, железо сердечников скоро разогревалось, и это имело возможность при громадных токах привести к порче всей автомобили. Нужна была вторая форма якоря, более соответствовавшая новому режиму работы.

Успешное решение проблемы было скоро отыскано бельгийским изобретателем Зиновием Теофилем Граммом. Он жил во Франции и служил в кампании «Альянс» столярным мастером. Тут он познакомился с электричеством.

Думая над усовершенствованием электрогенератора, Грамм в итоге пришел к мысли заменить якорь Сименса вторым, имеющим кольцевую форму. Ответственное отличие кольцевого якоря (как будет продемонстрировано ниже) пребывает в том, что он не перемагничивается и имеет постоянные полюса (Грамм пришел к собственному открытию самостоятельно, но нужно заявить, что еще в 1860 г. итальянский изобретатель Пачинотти во Флоренции выстроил электрический двигатель с кольцеобразным якорем; но, это открытие скоро было забыто.)

Итак, исходная точка поисков Грамма заключалась в том, дабы вынудить вращаться в проволочной катушки металлическое кольцо, на котором наведены магнитные полюсы и так взять равномерный ток постоянного направления.

Дабы представить устройство генератора Грамма, разглядим сперва следующее приспособление. В магнитном поле, образуемом полюсами N и S, вращаются восемь замкнутых железных колец, каковые прикреплены на равном расстоянии друг от друга к оси при помощи спиц. Обозначим самое верхнее кольцо № 1 и будем вычислять по направлению хода часовой стрелки.

Разглядим вначале кольца 1?5. Мы видим, что кольцо 1 охватывает наибольшее число силовых линий магнитного поля, поскольку его плоскость перпендикулярна им. Кольцо 2 охватывает уже меньшее их число, поскольку оно наклонено к направлению линий, а через кольцо 3 линии вовсе не проходят, поскольку его плоскость сходится с их направлением.

В кольце 4 число пересекаемых линий возрастает, но, как легко подметить, они вступают в него уже с противоположной стороны, поскольку кольцо 4 обращено к полюсу магнита второй собственной стороной если сравнивать с кольцом 2. Пятое кольцо охватывает столько же линий, сколько первое, но входят они с противоположной стороны. В случае если мы будем вращать ось, к которой прикреплены кольца, то каждое кольцо будет последовательно проходить через положения 1?5.

Наряду с этим, при переходе из 1?го положения в 3?е в кольце появляется ток. На пути из положения 3 к 5, если бы силовые линии пересекали кольцо с той же самой стороны, в нем оказался бы ток противоположный тому, что в положении 1?3, но так как наряду с этим кольцо изменяет собственный положение относительно полюса, другими словами поворачивается к нему второй стороной, ток в кольце сохраняет то же направление. Но в то время, когда кольцо проходит из положения 5 через 6 и 7 снова к 1, в нем индуцируется ток, противоположный первому.

Заменив сейчас отечественные мнимые кольца витками вращающейся катушки, хорошо намотанной на металлическое кольцо, мы возьмём кольцо Грамма, в котором ток будет индуцироваться совершенно верно так же, как обрисовано выше. Предположим, что проволока обмотки не имеет изоляции, но металлический сердечник покрыт изолирующей оболочкой и ток, индуцируемый в витках проводника, неимеетвозможности проходить в него.

Тогда любой виток спирали будет подобен тому кольцу, что мы разглядывали выше, и витки в каждой половине кольца будут воображать собой последовательно соединенные кольцевые проводники. Но обе половинки кольца соединены противоположно друг к другу. Значит, токи с обеих сторон направляются к верхней половине кольца, и в том месте, следовательно, получается хороший полюс.

Подобным же образом в нижней точке, откуда берут собственный направление токи, будет пребывать отрицательный полюс.

Возможно, следовательно, сравнить кольцо с батареей, составленной из двух частей, каковые соединены между собой противоположно.

В случае если сейчас соединить противоположные финиши кольца, то окажется замкнутая цепь постоянного тока. В отечественном мнимом устройстве этого возможно легко достигнуть, укрепив скользящие контакты в виде пружины так, дабы они касались верхней и нижней части вращающегося кольца и снимали с их помощью электрический ток.

Но в конечном итоге генератор Грамма имел более сложное устройство, потому, что тут было налицо пара технических затруднений: с одной стороны, чтобы снимать ток с кольца, витки обмотки должны быть обнажены, с другой — для получения сильных токов обмотка должна быть намотана хорошо и в пара слоев. Каким же образом изолировать нижние слои от верхних?

На практике кольцо Грамма дополняло особенное, сверхсложное устройство, именуемое коллектором, которое и служило для отвода токов из обмотки. Коллектор складывался из железных пластин, прикрепленных к оси кольца и имевших форму секторов цилиндра. Любая пластина шепетильно изолировалась от соседних секторов и от оси кольца.

Финиши каждого сектора обмотки были соединены с одной из железных пластин, а скользящие пружины помещались так, что постоянно пребывали в соединении с самым верхним и самым нижним секторами обмотки. Из обеих половин обмотки получался постоянный ток, направленный к той пружине, которая была соединена с верхним сектором. Ток обходил верхнюю цепь и возвращался в кольцо через нижнюю пружину.

Так, полюса с поверхности самого кольца переместились на его ось, откуда ток было снимать существенно проще.

В таком виде воплотилась начальная модель электрогенератора. Но она была неработоспособной. Как писал Грамм в воспоминаниях о собственном изобретении, тут явилась новая сложность: кольцо, на которое был намотан проводник, очень сильно разогревалось потому, что тут также при стремительном вращении генератора индуцировались токи.

В следствии перегрева изоляция то и дело выходила из строя.

Ломая голову над тем, как избежать данной неприятности, Грамм осознал, что металлический сердечник якоря нельзя делать целым, поскольку в этом случае вредные токи оказываются через чур громадными. Но разбив сердечник на части так, дабы появились разрывы на пути появляющихся токов, возможно было очень сильно уменьшить их вредное воздействие. Этого возможно было добиться, изготовив сердечник не из цельного куска, а из проволоки, налагая ее в виде кольца и шепетильно изолируя один слой от другого.

На это проволочное кольцо после этого навивалась обмотка. Любой сектор якоря воображал собой катушку из многих оборотов (слоев). Отдельные катушки соединялись так, что проволока непрерывно обегала металлическое кольцо и притом в одном и том же направлении.

От мест соединения каждой пары катушек шел проводник к соответствующей пластине коллектора. Чем больше было число оборотов катушки, тем большей силы ток возможно было снять с кольца.

Изготовленный так якорь устанавливался на ось генератора. Для этого металлическое кольцо с внутренней стороны снабжалось металлическими спицами, каковые скреплялись с коллектором массивным кольцом, насаженным на ось автомобили. Коллектор, как уже говорилось, складывался из отдельных железных пластин однообразной ширины.

Отдельные слои коллектора были изолированы друг от друга и от оси генератора.

Для снятия тока помогали коллекторные щетки, представлявшие собой упругие латунные пластины, хорошо прилегавшие к коллектору в надлежащих местах. Они соединялись с зажимами автомобили, откуда постоянный ток поступал во внешнюю цепь. Провод, идущий к одному из зажимов, помимо этого, образовывал обмотку электромагнитов.

Простейшее соединение генератора с обмотками электромагнита возможно было взять, соединив один финиш обмотки электромагнита с одной из щеток коллектора, к примеру отрицательной. Второй финиш обмотки электромагнита подключался к хорошей щетке. При таком соединении целый ток генератора проходил через электромагниты.

В целом первая динамо?машина Грамма представляла собой две металлические вертикальные стойки, соединенные сверху и снизу стержнями двух электромагнитов. Полюсы этих электромагнитов пребывали в их середине, так что любой из них был как бы составлен из двух, однообразные полюса которых были обращены друг к другу.

Возможно разглядывать это устройство в противном случае и вычислять, что две половины, прилегающие к каждой стойке и соединенные ею, образовывали два отдельных электромагнита, каковые соединялись одноименными полюсами сверху и снизу. В тех местах, где образовывался полюс, к электромагнитам были присоединены особенной формы металлические насадки, каковые входили в пространство между электромагнитами и обхватывали кольцеобразный якорь автомобили. Две стойки, связывающие оба электромагнита и составлявшие базу всей автомобили, помогали кроме этого чтобы держать шкивы машины и ось якоря.

В первой половине 70-ых годов девятнадцатого века, взяв патент на собственный изобретение, Грамм образовал «Общество производства магнитоэлектрических автомобилей». Скоро было налажено серийное производство его генераторов, каковые произвели настоящую революцию в электроэнергетике. Владея всеми преимуществами самовозбуждающихся автомобилей, они вместе с тем были экономичны, имели большой КПД и снабжали фактически неизменный по величине ток.

Исходя из этого автомобили Грамма скоро вытеснили другие электрогенераторы и стали широко распространены в самых различных отраслях. Тогда лишь стало возмможно легко и скоро преобразовывать механическую энергию в электричество.

Как уже говорилось, Грамм создавал собственный генератор, как динамо?машину постоянного тока. Но в то время, когда в конце 70?х — начале 80?х годов XIX века быстро возрос интерес к переменному току, ему не стоило громадного труда переделать его для производства переменного тока. В действительности, для этого нужно было лишь заменить коллектор двумя кольцами, по которым скользят пружины.

Сперва генераторами переменного тока пользовались лишь при освещении, но с развитием электрификации они начали получать все большее использование и неспешно вытеснили автомобили постоянного тока. Начальная конструкция генератора кроме этого былаизменена.

Первая машина Грамма была двухполюсной, но в будущем стали применять многополюсные генераторы, в которых обмотка якоря проходила при каждом обороте мимо четырех, шести и более попеременно установленных полюсов электромагнита. В этом случае ток возбуждался не с двух сторон колеса, как раньше, но в каждой части колеса, обращенной к полюсу, и из этого отводился во внешнюю цепь. Таких мест (а соответственно и щеток) было столько, сколько магнитных полюсов.

После этого все щетки хороших полюсов связывались совместно, другими словами соединялись параллельно. Совершенно верно так же поступали и с отрицательными щетками.

По мере повышения мощности генераторов появилась новая неприятность — как именно снять ток с вращающегося якоря с мельчайшими утратами. Дело в том, что при громадных токах щетки начинали искрить. Не считая громадных потери электричества, это оказывало вредное действие на работу генератора.

Тогда Грамм посчитал рациональным возвратиться к самой ранней конструкции электрогенератора, примененной в машине Пиксии: он сделал арматуру неподвижной, а вращаться вынудил электромагниты, поскольку снять ток с неподвижной обмотки было несложнее. Он поместил катушки якоря на металлическом неподвижном кольце и вынудил электромагниты вращаться в него.

Отдельные катушки он связал между собой так, дабы все те катушки, каковые сейчас подвергались однообразному действию электромагнитов, были соединены последовательно. Так Грамм разбил все катушки на пара групп и каждую группу употребил для доставления тока в отдельную независимую цепь. Но возбуждающие ток электромагниты нужно было питать постоянным током, поскольку переменный ток не имел возможности позвать в них неизменной полярности.

Исходя из этого при каждом генераторе переменного тока нужно было иметь маленький генератор постоянного тока, откуда ток подводился к электромагнитам при помощи скользящих контактов.

ТЕЛЕФОН

С изобретением телеграфа была решена задача передачи сообщений на громадные расстояния. Но телеграф имел возможность переслать лишь письменные депеши. В это же время многие изобретатели грезили о более совершенном и коммуникабельном методе связи, благодаря которому возможно было бы передавать на каждые расстояния живой звук людской речи либо музыку.

Первые опыты в этом направлении предпринял во второй половине 30-ых годов девятнадцатого века американский физик Пейдж. Сущность опытов Пейджа была весьма несложна.

Он собрал электрическую цепь, в которую входили камертон, гальванические элементы и электромагнит. На протяжении собственных колебаний камертон скоро размыкал и замыкал цепь. Данный прерывистый ток передавался на электромагнит, что так же скоро притягивал и отпускал узкий металлический стержень.

В следствии этих колебаний стержень создавал поющий звук, подобный тому, что издавал камертон.

Так, Пейдж продемонстрировал, что передавать звук посредством электрического тока в принципе быть может, нужно лишь создать более идеальные передающее и принимающее устройства.

Следующий ответственный этап в развитии телефонии связан с именем британского изобретателя Рейса. Еще в студенческие годы Рейс заинтересовался проблемой передачи звука на расстояние при помощи электрического тока. К 1860 году он сконструировал до десятка разных устройств.

самоё совершенное из них имело следующий вид.

Передатчик воображал собой полый ящик, снабженный спереди звуковым отверстием A и имевший в собственной верхней части отверстие, закрытое узкой, туго натянутой перепонкой. На данной перепонке лежала узкая платиновая пластина p, а сверху пребывало острие упругой платиновой иглы n, которая была приспособлена так, что касалась пластины p, в то время, когда перепонка пребывала в покое. Касание это прерывалось при колебании перепонки.

Благодаря этих поперечных касаний замыкался и размыкался ток, идущий от батареи B через зажим a в платиновую пластинку p и через иглу n во второй зажим, от последнего провод шел к приемнику, проходил через спираль CC и возвращался в батарею через зажим d и соединенную с ним проволоку e. В спирали помещалась узкая металлическая спица, которая двумя собственными финишами прикреплялась к двум покоившимся на резонаторной доске gg стойкам ff. Части hi и ki образовывали на обеих станциях приспособления, имевшие целью дать знать отдаленному слушателю о начале переговоров.

Воспроизведение звука, спетого в раструбе A, было основано на том, что металлическая спица, намагничиваясь и размагничиваясь проходящим по спирали электрическим током, начинала выполнять колебательные перемещения; они ощущались как звук, соответствовавший тому звуку, что воспринимался колебаниями и приёмником которого приводилась в перемещение перепонка. Резонансная доска служила для усиления звука.

Посредством телефона Рейса уже возможно было передавать не только отдельные звуки, но и сложные музыкальные фразы а также частично людскую обращение. Но уровень качества передачи оставалось таким низким, что довольно часто было совсем нереально что?нибудь разобрать. Побочные шумы, создаваемые размыканием и замыканием цепи, заглушали передачу, а звуки, воспроизводимые металлической иглой, были весьма далеки от модуляций людской голоса.

Для отчетливой передачи звука нужно было добиться того, дабы пластинки как отправителя, так и приемника выводились из собственного положения спокойствия в крайнее положение током, сила которого увеличивалась бы неспешно, и дабы при убывании ток снова проходил через начальное положение спокойствия. Все эти плавные колебания тембра звука, составляющие достаток людской речи, были совсем недоступны телефону Рейса — притяжение тут наступало быстро и оставалось неизменным в течение некоего времени, а после этого совсем прекращалось.

Решить проблему передачи звука лишь размыканием и замыканием цепи выяснилось нереально. Прошло еще 15 лет, перед тем как шотландский изобретатель Александр Белл отыскал более идеальный метод преобразования звуков в электрические сигналы. По профессии Белл был преподавателем глухонемых детей.

С детства он большое количество занимался акустикой, учением о звуке, и грезил изобрести телефон. В первой половине 70-ых годов девятнадцатого века Белл переехал в Канаду, а в первой половине 70-ых годов XIX века — в Соединенных Штатах. Поселившись в Бостоне, он ввел в тамошней школе для глухонемых детей созданную им совокупность «видимой речи».

Она имела громадной успех, и скоро Белл сделался доктором наук Бостонского университета.

Сейчас у него была лаборатория и хватает средств чтобы посвятить себя работе над изобретением телефона. Забывая о сне, Белл целыми ночами просиживал над собственными опытами. Первые его опыты повторяли работы Пейджа.

Летом 1875 года Белл и его ассистент Томас Ватсон сделали установку, складывавшуюся из магнитов с подвижными язычками, каковые приводились в воздействие колебаниями тока. В цепь с магнитами включались разные устройства. Ватсон и Белл пребывали в соседних помещениях.

Ватсон передавал, а Белл принимал.

в один раз, в то время, когда Ватсон надавил на кнопку в конце провода, дабы привести в воздействие звонок, испортился контакт, и электромагнит притянул к себе молоточек звонка. Ватсон постарался оттянуть его, благодаря чего около магнита появились колебания. Перемещение пружины, произведенной Ватсоном, поменяло интенсивность тока и привело к колебательным движениям в пружине противоположной станции в помещении Белла, и провод передал совсем не сильный звук первого телефона.

Так, совсем случайно, Белл понял, что магнит с легким якорем возможно и приёмником и передатчиком сигнала. Затем осуществить воспроизведение и передачу звука посредством электрического тока уже не воображало громадного труда.

Чтобы выяснить как это происходит, представим себе постоянный магнит и поблизости от него эластичную металлическую пластину, которая колеблется под действием звуковых волн. Приближаясь к полюсу магнита, она будет усиливать его магнитное поле, а удаляясь от него — ослаблять. (Не вдаваясь в подробности, увидим, что обстоятельством этому будет то же явление электромагнитной индукции, о котором говорилось в прошлой главе: ясно, что в пластине, которая движется в магнитном поле, будет появляться электрический ток; данный ток будет создавать около пластины собственное магнитное поле, которое и будет налагаться на магнитное поле магнита, то усиливая, то ослабляя его.) Сейчас поместим на отечественный мнимый магнит катушку с проволокой.

При колебаниях магнитного поля в катушке будет появляться переменный электрический ток, причем то в одну, то в другую сторону. Пропуская полученный ток через обмотки другого магнита, мы будем оказывать влияние на его магнитное поле, которое также будет то возрастать, то убывать, причем в точности повторяя все трансформации, происходящие в магнитном поле первого магнита.

В случае если у полюса этого второго, принимающего магнита поместить металлическую пластинку, она будет то притягиваться к этому магниту под действием усиливающегося магнитного поля, то удаляться от него под влиянием собственной упругости и наряду с этим порождать звуковые волны, во всем подобные тем, что привели в колебание первую пластинку. Фактически, это и случилось при обрисованных выше событиях. Роль металлической пластины тут сыграл эластичный якорь магнита.

Но это было через чур неотёсанное приспособление, не талантливое передать многих нюансов звука. Белл начал искать, чем возможно его заменить.

Один привычный доктор внес предложение ему воспользоваться для опытов людской ухом и раздобыл ему ухо от трупа. Пристально изучая его строение, Белл установил, что звуковые волны приводят в колебание барабанную перепонку, от которой они передаются на слуховые косточки. Это навело его на идея сделать узкую железную мембрану, поместить ее рядом с постоянным магнитом и, так, перевоплотить звуковые колебания в электрические.

Прошло пара месяцев напряженного труда, перед тем как телефон заговорил. Лишь 10 марта 1876 года Ватсон четко услышал на приемной станции слова Белла: «Господин Ватсон, прошу вас, придите ко мне, мне необходимо с вами поболтать». Еще раньше, 14 февраля, Белл сделал патентную заявку на собственный изобретение.

Всего через два часа по окончании него такую же заявку на аналогичный аппарат подал второй изобретатель — Илайша Грей. Но патент был выдан в марте Беллу, потому, что