Фауст электротехники
Борис Семенович Якоби (Moritz Hermann Jakobi), выдающийся ученый-физик, создатель технологии гальванопластики, электродвигателя и современного телеграфа, родился 21 сентября 1801 года в зажиточной семье преуспевающего банкира Якоби, личного банкира короля Фридриха Вильгельма. У Морица было два младших брата, Карл и Эдуард, и сестра Тереза.
Дети в семье Якоби дома получили хорошее классическое образование. Карл впоследствии стал выдающимся математиком, увековечив свое имя в терминах «матрица Якоби», «уравнение Гамильтона—Якоби», «многочлены Якоби» «эллиптические функции Якоби», «Якобиан отображения».
Положение евреев в Пруссии регламентировалось в то время «Эдиктом 1812 года об эмансипации», однако, несмотря на провозглашенное равноправие, существовали и серьезные ограничения их прав. Например, вплоть до 1847 года евреям не разрешалось занимать доцентские должности в университетах. Чтобы избежать этих ограничений, многие молодые евреи переходили в протестантство. Возможно, самые знаменитые их них — Маркс и Гейне. Сделали это и братья Якоби. В крещении Мориц Герман и стал Борисом, а впоследствии, живя в России, стал именоваться Борисом Семеновичем.
Свою учебу он начал в Берлинском университете, но потом перевелся в Геттингенский, где по настоянию родителей изучал архитектуру и строительное дело. Получив диплом, молодой архитектор несколько лет работает в родном Потсдаме, а затем переезжает в Кенигсберг. Там он устраивается в местный университет — Альбертину, где к тому времени одним из самых уважаемых профессоров уже был его младший брат Карл. Вначале новый сотрудник занимался архитектурой, но затем всерьез увлекся зарождавшейся в то время электротехникой. И на этом пути его ждали замечательные достижения.
Его трудами в области «чистой и прикладной электрологии» заинтересовались в Петербурге, в Академии наук, и в 1837 году Якоби был командирован туда. Он принял русское подданство и считал Россию вторым отечеством
В 1835 году он стал профессором гражданской архитектуры в Дерптском университете. Однако в Дерпте пробыл недолго. Его трудами в области «чистой и прикладной электрологии» заинтересовались в Петербурге, в Академии наук, и в 1837 году Якоби был командирован туда. Он принял русское подданство и считал Россию «вторым отечеством». Якоби всегда подчеркивал, что его изобретения принадлежат России.
В 1839 году Борис Семенович Якоби получил в академии место адъюнкта, в 1842-м — место экстраординарного члена Академии наук и, наконец, в 1847-м — ординарного. В 1872 году, когда Борис Семеновчи вернулся из Парижа, где активно участвовал в качестве русского делегата в работе Международной комиссии по установлению однообразной международной системы мер и весов, у него начались сердечные припадки, первые симптомы которых были отмечены еще в 1870-м. Он слег. Припадки стали повторяться, и в ночь с 10 на 11 марта 1874 года Борис Семенович Якоби скончался. Такова история его жизни. Но главное в ней — его разнообразная, выдающаяся научная деятельность.
Изобретение и развитие гальванопластики
Еще в 1836 году, будучи профессором гражданской архитектуры Дерптского университета, Якоби активно проводил электрические исследования. Результатом стала разработка оригинальной конструкции медно-цинкового гальванического элемента. Он представлял собой медный цилиндр (катод) с раствором медного купороса и цинк (анод), опущенный в раствор хлористого натрия или аммония, причем растворы были разделены полупроницаемой перегородкой из бычьего пузыря. При действии такого элемента цинк переходил в раствор, образуя соответствующие соли, а медь выделялась в металлическом состоянии (восстанавливалась на катоде) в виде плотных листов медного осадка, которые легко отделялись от цилиндра (катода). Первоначально Якоби подумал, что «это происходит потому, что медь, из которой был сделан цилиндр, была, быть может, плохо сплющена или что служитель, не имея достаточно толстых листов меди, сдвоил их». «Движимый первым побуждением, — писал Якоби, — я призвал служителя и велел ему сказать мне правду, упрекая в том, что он мне плохо служит. Его горячий протест навел меня на мысль решить вопрос о происхождении этих кусочков, сравнивая их внутреннюю поверхность с внешней поверхностью цилиндра. Начав это исследование, я тотчас же увидел несколько почти микроскопических царапин напильника на обеих поверхностях, точно соответствующих друг другу: вогнутые на поверхности цилиндра и рельефные на поверхности отдельного листка». «Гальванопластика, — заключает Якоби, — явилась следствием этого тщательного исследования». 3 февраля 1837 года Якоби написал известному физику академику Ленцу, что им замечено отложение меди при пропускании электрического тока.
4 октября 1838 года Якоби официально сообщил о своем изобретении в письме к секретарю Санкт-Петербургской Академии наук Фуссу. На следующий день об изобретении было доложено на заседании Академии наук. К письму была приложена гальванопластическая копия гравировальной доски, на которой был изображен двуглавый орел. Под орлом помещалась надпись, составленная женой ученого: «Великое великим парит и осеняет».
25 октября 1839 года Якоби представил на заседании Академии наук выполненную им гальванопластическим способом копию барельефа «Великомученица Екатерина» итальянского скульптора Бернини. Копия вызвала «величайшее восхищение всех членов академии», ее совершенство окончательно убедило академиков в художественной ценности нового метода. В конце 1839 года в библиотеке Пулковской обсерватории Якоби устроил выставку гальванопластических изделий и установок для их производства.
Якоби просил Мануфактурный совет России выдать ему исключительную привилегию на изобретение гальванопластики сроком на десять лет. Однако ему рекомендовали опубликовать описание изобретения, «чтобы всякий желающий мог им воспользоваться», и выдали вознаграждение 25 тысяч рублей серебром «за оказанные наукам, художествам и вообще художественной промышленности услуги». Якоби выполнил эту рекомендацию, и его книга «Гальванопластика, или Способ по данным образцам производить медные изделия из медных растворов с помощью гальванизма» вышла в свет уже в 1840 году. Она пользовалась исключительным успехом. В том же году в Петербурге было выпущено издание на немецком языке, а в 1841-м книгу перевели и опубликовали в Англии.
Впервые в широких масштабах в России гальванопластика была применена в Гальванопластическом отделении «Экспедиции заготовления государственных бумаг» (ЭЗГБ) в мае 1839 года. В том году в экспедиции была создана первая в мире производственная гальванопластическая мастерская для размножения медных стереотипов. Внедрение гальванопластики в производство происходило здесь в государственном масштабе. Применение гальванопластических медных стереотипов позволило за короткий срок осуществить в России денежную реформу. Уже 2 января 1840 года были выпущены в обращение новые депозитные билеты, печатавшиеся при помощи этих стереотипов. В ЭЗГБ гальванопластика применялась не только в полиграфии, но и для изготовления художественных изделий. Только за первые двадцать лет работы в ЭЗГБ было осаждено около 10 тонн меди.
Одним из первых последователей Якоби в России стал герцог Максимилиан Лейхтенбергский, муж дочери царя Николая I Марии Николаевны. В начале 1840 года он при участии Якоби организовал в Зимнем дворце хорошо оборудованную гальваническую лабораторию, в которой проводил исследования. В 1844-м герцог, при ближайшем участии Якоби, открыл «Гальванопластическое, литейное и художественной бронзы механическое заведение» — один из первых гальванических заводов в России. В нем гальванопластическим способом с применением медно-чеканной техники были выполнены статуи, гирлянды цветов и плоды, фигуры апостолов и ангелов, барельефы и головки херувимов для Исаакиевского собора в Петербурге, медные кони для Большого театра в Москве, которые и сейчас его украшают, статуи и барельефы Эрмитажа и Зимнего дворца в Петербурге.
Гальванопластика применялась и при строительстве храма Христа Спасителя. Купола и крыша храма были покрыты гальваническим золотом в гальваническом цехе Лейхтенбергского. Всего было покрыто около 4600 квадратных метров поверхности, израсходовано около 426 килограммов золота. Ванны, в которых производилось золочение, вмещали до 5800 литров цианидного электролита каждая.
В распространении практических знаний и в подготовке специалистов по гальванопластике и гальванотехнике особенно заметная роль в ту пору принадлежала первому в своем роде учебному заведению — гальванопластическому классу при Рисовальной школе в Петербурге, организованному при активном участии Якоби.
Создание электродвигателя
Развитие электротехники было неразрывно связано с именем Майкла Фарадея. В 1831 году в результате многолетних опытов ему удалось осуществить «превращение магнетизма в электричество». Так было сделано открытие электромагнитной индукции, оказавшее огромное воздействие на все последующее развитие электротехники.
В 1834 году Эмилий Ленц, обобщая опыты Фарадея по электромагнитной индукции, не только теоретически, но и экспериментально доказал, что, если вращать катушку между полюсами магнита, она будет генерировать электрический ток, и наоборот, если в нее послать ток, она будет вращаться.
В 1830–1850-х годах одновременно с разработкой теоретических предпосылок создания первых электродвигателей и первых генераторов электрического тока, начались попытки создания физических приборов, с помощью которых можно было демонстрировать преобразование электрической энергии в механическую. В 1824 году это продемонстрировал Питер Барлоу. Он расположил горизонтально два П-образных постоянных магнита и под ними поместил два медных зубчатых колесика, сидящих на одной оси. Когда через колесики пропускался ток, они начинали вращаться в одном и том же направлении. Этот прибор вошел в науку под названием «колеса Барлоу».
В 1831 году предложил свою модель электродвигателя Джозеф Генри. В ней впервые была сделана попытка использовать притяжение разноименных и отталкивание одноименных магнитных полюсов для получения качательного движения. В том же году электродвигатель с качательным движением якоря между полюсами магнита был предложен Сальваторе даль Негро.
Идеи Генри и даль Негро вначале разделял и Якоби. «В мае 1834 года, — писал он, — я построил свой первый магнитный аппарат, дающий постоянное круговое движение… Но я не мог сначала отказаться от идеи получить возвратно-поступательное движение, производимое последовательным притягивающим и отталкивающим действием магнитных стержней, а затем уже превратить это возвратно-поступательное движение в постоянное круговое известным в технике способом».
Якоби правильно оценил все преимущества такого двигателя. В отличие от своих предшественников он сразу же решил создать такой двигатель, который был бы пригоден для практики, «для нужд промышленности и жизни». «Еще когда я не представлял себе, каким образом мне удастся осуществить свою машину, я и тогда имел в виду практическое ее применение. Задача представлялась мне настолько важной, что я не хотел тратить силы на выдумывание игрушек с возвратно-поступательным движением, которые удостоились бы чести быть поставленными в один ряд с электрическим звонком в отношении их эффекта».
О своем изобретении Якоби впервые сообщил в конце 1834 года в «Заметке о магнитной машине, в которой магнетизм используется как двигательная сила». Она была напечатана в трудах Парижской академии наук.
Новой, чрезвычайно важной частью электродвигателя Якоби был коммутатор, созданный им специально для того, чтобы периодически изменять полярность подвижных электромагнитов.
Важной для развития электротехники стала и впервые выдвинутая Якоби идея применения в электродвигателях одних только электромагнитов. Он первым отказался от использования в них постоянных магнитов, которые, во-первых, давали меньшую силу притяжения по сравнению с электромагнитами, и, во-вторых, при сотрясениях и ударах размагничивались.
Как отмечают историки электротехники, в своем электродвигателе Якоби впервые удачно воплотил три новые прогрессивные идеи, которые в XIX и XX веках получили дальнейшее развитие: вращательное движение якоря электродвигателя; наличие коммутатора с трущимися контактами, без которого невозможно обеспечить вращательное движение якоря, и, наконец, использование электромагнитов в подвижной и неподвижной частях электродвигателя или в его якоре и в его статоре.
По рекомендации известных ученых Петербургской академии наук, знакомых с работами Якоби, он составил докладную записку с предложением о практическом применении электродвигателя «для приведения в действие мельницы, лодки или локомотива» и обратился с этим к президенту Академии наук и министру просвещения графу Сергею Семеновичу Уварову.
Предложение Якоби было поддержано и доведено до сведения Николая I. Обращая внимание императора на первенство работ Якоби в области создания электродвигателя, Уваров писал, что двигатель мог бы с успехом заменить паровую машину: «…маленькое судно, к которому будет приделан этот двигатель, было бы удобнейшим средством испытания. Впрочем, можно было бы произвести опыт на карете по железной дороге».
Николай I дал указание создать комиссию из числа академиков по руководству опытами, на проведение которых были отпущены большие по тому времени деньги — 50 тысяч рублей. Перед Якоби и учреждаемой комиссией была поставлена задача направить все усилия на применение электродвигателя в судоходстве. Возглавил эту государственную комиссию по проведению первых натурных испытаний тягового электродвигателя с учетом водной специфики выдающийся мореплаватель, адмирал Иван Федорович Крузенштерн. В комиссию входили известные ученые — Ленц, Остроградский и другие.
Якоби переезжает из Дерпта в Петербург и на первом заседании комиссии 9 июля 1837 года демонстрирует модель своего электродвигателя. Комиссия одобрила модель и предложила перейти к натурным испытаниям. В Петербурге под руководством Якоби была создана специальная мастерская, где он за короткий срок выполнил огромный объем работ по изготовлению электродвигателя, усовершенствованию источника питания — гальванической батареи и созданию специальных электроизмерительных приборов.
13 сентября 1838 года были проведены первые натурные испытания электродвигателя. Сохранился текст донесения Крузенштерна графу Уварову: «13 сентября 1838 г. на Неве был произведен опыт плавания судна, приводимого в движение электромагнитной силой, — опыт, впоследствии многократно повторенный… Время не позволило устроить для этих опытов особое судно, и пришлось довольствоваться обыкновенным восьмивесельным катером… На нем была устроена двигательная машина с гальваническим прибором. Сама машина занимает на катере пространство 1,4 м в ширину и 0,8 м в длину. Батареи, состоявшие из 320 пластинок, удобно устроены вдоль боковых стенок так, что на судне разместилось без стеснения до 12 человек. В одном опыте лодка проплыла семь верст кряду по Неве и каналам, совершив свой путь в течение трех часов». Одновременно комиссия отметила некоторые недостатки тяговой установки и вынесла решение продолжать опыты, а в случае их успешного результата — приступить к сооружению большого судна с электрической тягой 10 л. с.
После года напряженной работы, 8 августа 1839-го, было проведено испытание электрохода с усовершенствованной конструкцией электродвигателя и батареи. Электроход развивал мощность порядка 0,5 л. с. и скорость около четырех верст в час с 11 пассажирами. Объем батареи уменьшился более чем в шесть раз. Опыты продолжались до 1842 г., за это время электроход проплыл по Неве около 40 верст, имея временами на борту до 14 пассажиров.
Представитель Морского ведомства в комиссии капитан корпуса корабельных инженеров С. А. Бурачек заявил, что результаты испытаний электродвигателя дают возможность надеяться на применение его «к военному кораблю и к целому флоту».
Результаты испытаний широко освещалось в мировой печати и повсеместно вселяли надежду, что проблема использования электродвигателя в судоходстве будет успешно решена в ближайшее время. «Я душевнейшим образом желаю, Якоби, чтобы Ваши большие труды получили высокую награду, которую они заслуживают, — писал Фарадей». Ему уже казалось возможным надеяться на применение электродвигателей на крупнейших в то время судах, связывающих Англию с Америкой и Ост-Индией. Свое письмо Фарадей заканчивает восклицанием: «Какое это было бы славное дело!».
Газета «Северная пчела», издававшаяся в Петербурге, 27 сентября 1839 года писала: «В средние века фанатики сожгли бы г. Якоби, а поэты и сказочники выдумали о нем легенду, как о Фаусте. В наше время мы не сожжем его, а согреем чувством признательности за его полезные труды и вместо легенды скажем правду, а именно, что г. Якоби, сверх учености, отличный человек во всех отношениях и что наука вправе от него надеяться на многое, потому что в нем нет педантства, а есть истинная, пламенная страсть к наукам и столь же пламенное желание быть полезным гостеприимной и благодарной России».
Труды Якоби стали важной вехой в истории развития электрического транспорта и вызвали целую серию работ по применению электродвигателей на транспорте. Однако все попытки изобретателей до создания в 1871 году динамо-машины не выдерживали конкуренции с паровой машиной из-за дороговизны и несовершенства гальванических батарей, их значительного веса и эксплуатационных расходов. Якоби надеялся на изобретение в недалеком будущем нового, более мощного источника электроэнергии. Вот что он писал об этом: «Но на одном пункте необходимо стоять твердо и неуклонно — я имею в виду дальнейшее развитие науки. Дайте нам только время. Однако, к сожалению, мы находимся в том же положении, как и астрономы, которые воздвигают себе научные памятники на отдаленное будущее с той разницей, что мы стоим перед необходимостью “жертвовать” своими детьми, едва они покинут материнское лоно».
Секретный телеграф
Якоби известен не только как исследователь теории электромагнетизма, гальванопластики, но и как создатель ряда телеграфных аппаратов, каждый из которых был шагом вперед в развитии электротелеграфии.
К тому времени, когда Якоби начал заниматься телеграфией, она уже прошла долгий путь развития. Но проблема создания надежной и быстрой связи решена не была. В Европе получил широкое распространение электромагнитный телеграф Сэмюэла Морзе, а Россия тратила огромные деньги на сооружение оптического семафорного телеграфа. Поэтому правительство предложило Якоби построить «электротелеграфическое соединение» между Петербургом и Царским Селом.
Борис Семенович начал с критического изучения предшествующих работ по телеграфии, в том числе своего друга Павла Львовича Шиллинга, учел слабые стороны имеющихся телеграфных аппаратов и пришел к убеждению, что вполне реально создать новый, надежный, быстродействующий и легко управляемый электромагнитный аппарат.
Первый пишущий аппарат Якоби сконструировал в 1839 году. Его особенностью было то, что вместо мультипликатора использовался электромагнит, приводивший при помощи системы рычагов в действие карандаш. Запись сигналов производилась на фарфоровой доске, которая двигалась на каретке под действием часового механизма. Телеграфный аппарат Якоби в течение нескольких лет успешно работал на «царских» линиях: Зимний дворец — Главный штаб — Царское Село. Однако ученый не был доволен его работой. Зигзагообразные записи принятых депеш трудно поддавались расшифровке, мало удобным было также устройство каретки с экраном.
В течение многих лет Якоби продолжал совершенствовать свое изобретение. В 1845 году он создал абсолютно новую конструкцию стрелочного синхронного аппарата с горизонтальным циферблатом, электромагнитным приводом и прямой клавиатурой. Этот аппарат получил практическое применение в России, в Европе и стал основой для многих других синхронных телеграфных аппаратов. А в 1850 г. Якоби изобрел первый в мире буквопечатающий телеграфный аппарат, работающий по принципу синхронного движения. Это изобретение было одним из крупнейших достижений электротехники середины XIX века.
Принципы телеграфии, разработанные Якоби, были впоследствии положены в основу телеграфных аппаратов Дэвида Юза, Вернера Сименса и Жана Бодо.
Однако правительство считало изобретение Якоби военным секретом и не разрешало ученому публиковать его описание. О нем даже в России знали немногие, до тех пор пока в Берлине Якоби не показал чертежи своим «давнишним друзьям». Этим воспользовался Сименс, внесший в конструкцию устройства Якоби некоторые изменения, и совместно с механиком Иоганном Гальске организовавший серийное производство таких телефонных аппаратов. Так было положено начало деятельности всемирно известной электротехнической фирмы «Сименс и Гальске». А Якоби в 1851 году писал, что «та же самая система, которую я впервые ввел, принята в настоящее время в Америке и в большинстве стран Европы».
Последняя работа Бориса Якоби в области аппаратостроения относится к 1854 году, когда он создал новый телеграфный аппарат для связи на больших пароходах между каютой капитана и машинным отделением. Но аппаратостроением не ограничивалась деятельность Якоби в области телеграфии. Он внес выдающийся вклад в строительство линий электромагнитного телеграфа и в решение проблемы устойчивости и надежности телеграфирования. Еще одно замечательное изобретение Якоби — прототип современного подземного кабеля. Позднее оно было использовано при прокладке кабеля из Европы в Америку.