Как был изобретён трансформатор? Ответ на подобный вопрос найти просто: вбиваешь запрос в строку поиска в браузере и открываешь сайт. Однако в большинстве таких статей очень сухая подача информации: только исторические факты и формулы.
На мой взгляд, в них нет главного: описания того, как думали учёные, как они смогли создать не только трансформатор, но и систему электроснабжения? Ведь для того, чтобы вывести одну формулу, потребовались многие годы экспериментов. С чего же всё началось?
Компас и простая случайность
Примерно две сотни лет назад, было совершено открытие, опровергнувшее представления различных учёных умов о независимости электрических и магнитных полей. Наоборот, датский физик Ханс Кристиан Эрстед в 1820 году, смог экспериментально доказать, что магнитное поле создаётся при прохождении по металлическому проводнику электрического тока.
Кстати, историки приводят два варианта произошедшего. Итак, согласно первого варианта, Эрстед во время лекции, для демонстрации студентам возможности нагрева проволоки электрическим током, получаемым от химического источника тока — вольтова столба, собрал электрическую цепь. В это время на столе рядом с проводом лежал компас. При замыкании электрической цепи, Эрстед заметил, что стрелка компаса отклонилась.
По другой версии, движение стрелки компаса заметил студент. Сам же Эрстед в это время, не мог видеть движения, так как занимался подключением проводов.
Итак, экспериментально было доказано, что при изменении расстояния от проводника с током до стрелки компаса, меняется и угол, на который она может отклониться. Также учёный проверил действие на компас проводников из различных металлов. Ему удалось установить, что металлы, которые не обладали магнитными свойствами, вызывали отклонение стрелки при прохождении через них электрического тока.
Электромагнитная индукция
Если изменение электрического тока может привести к появлению магнитного поля, может ли изменение магнитного поля привести к появлению электрического тока?
Именно такое взаимодействие было открыто в 1831 году английским учёным Майклом Фарадеем. В ходе экспериментов он выявил, что для появления электрического тока в замкнутом проводнике требуется воздействие переменного магнитного поля.
Такое же поле появлялось при замыкании и размыкании электрической цепи постоянного тока, питающей электромагнит или при подаче на электромагнит переменного тока.
Данное явление получило название — электромагнитная индукция.
Трансформатор
Впоследствии электромагнитная индукция легла в основу другого важнейшего изобретения — трансформатора. Хотя схема трансформатора появилась в работе Фарадея ещё в 1831 году, создать первое работающее устройство и получить на него патент, удалось в 1876 году русскому учёному Павлу Яблочкову.
Трансформатор Яблочкова с разомкнутым сердечником, конструктивно представлял собой стержень, на который были намотаны обмотки. Между собой катушки связаны не были. Переменный ток, проходя по первичной обмотке, порождал в ней магнитный поток, который возбуждал ток во вторичной катушке. Катушки имели различное количество витков, следовательно, и напряжение на них было разным.
Разработать трансформатор с замкнутым сердечником удалось английским учёным Джону и Эдуарду Гопкинсон в 1884 году. Впоследствии им удалось также разработать теорию электромагнитных цепей, а в 1886 году — рассчитать магнитные цепи.
Последующие работы учёных позволили повысить эффективность работы трансформатора за счёт улучшения технологии получения стали для изготовления сердечников. Так, американцу Норманну П.Гроссу удалось получить кремнистую сталь, у которой потери на гистререзис уменьшались в 4 раза.
Трёхфазная система тока
Также проводились опыты с многофазными системами переменного тока, например, опыты знаменитого учёного Никола Тесла, которые доказали превосходство таких систем. Однако трёхфазная система переменного тока, впервые предложенная нашим соотечественником, учёным Михаилом Доливо-Добровольским в 1889 году, оказалась самой эффективной. Доливо-Добровольский также разработал первый трёхфазный трансформатор и первый трёхфазный асинхронный электрический двигатель.
В 1891 году для электротехнической выставки в Германии в городе Франкфурте-на-Майне, он спроектировал и построил опытную трёхфазную линию передачи переменного тока с рекордной длиной — примерно 170 км и показавшую, на то время, лучшую эффективность. КПД линии составил 75,2%.
Заключение
Сейчас мы просто пользуемся приборами, работающими на электрическом токе, и не задумываемся о том, как они работают и кто изобрёл тот или иной электроприбор. При этом мы настолько привыкли к комфортной жизни, что любые перебои в электроснабжении воспринимаются как нечто ужасное.
Однако так было не всегда. Было время, когда люди даже не могли думать о применении электричества для бытовых целей. Только благодаря трудам многочисленных учёных, среди которых были наши соотечественники, удалось добиться повсеместного распространения и применения электроприборов. Также благодаря работе многих специалистов удаётся поддерживать бесперебойное снабжение электричеством множества городов и населённых пунктов.