Эдисон и Тесла: ожесточенная «война токов» за будущее электричества

1891 год. На сцену в лекционном зале Колумбийского университета в Нью-Йорке выходит симпатичный высокий темноволосый мужчина. Он берет в каждую руку по медному шарику и касается клемм высоковольтного высокочастотного трансформатора (сегодня известного как катушка Теслы). По поверхности его тела пробегают 250 000 вольт. Как выразился один журналист, экспериментатор предстал перед зрителями «в лучезарной славе мириад языков электрического пламени».

Никола Тесла в своей лаборатории в Колорадо Спрингс делает заметки, пока над его головой бушует искусственно созданная электрическая буря. В этой лаборатории он работал в 1899 году и здесь же построил самую большую катушку Теслы в мире

Через некоторое время он отходит от аппарата, электрическая аура рассеиваются, и зрители видят, что он невредим. Кто же этот человек и зачем так рисковал?

Компания «Профпереклад» подготовила перевод материала.

Перевод от

Этого отчаянного смельчака звали Никола Тесла. Он изобрел двигатель переменного тока и продемонстрировал его безопасность на себе. Последние несколько лет Edison Electric Light Company вела кампанию против него и его изобретений, стремясь удержать свою долю на рынке.

Друзья Теслы в Westinghouse Electric Company выигрывали эту битву. В ответ группа Эдисона попыталась оспорить безопасность систем переменного тока, публикуя сенсационные истории в прессе. Тесла надеялся, что эта демонстрация перебьет черный пиар.

Шел конец 1880-х, электричество было неизведанной территорией вроде Дикого Запада, и никто не знал, какая система в итоге победит.

В 1876 году Эдисон утомился от бесконечных споров с хозяевами помещений в Ньюарке и решил построить собственную лабораторию в поселке Менло-Парк, Нью-Джерси, в 40 км от Нью-Йорка

Очень часто технологические разногласия (то есть сражение двух изобретателей, жаждущих распространить свои изобретения как можно шире) разрешаются рациональным путем. Одно изобретение может стоить дешевле второго, второе может оказаться более безопасным, а третье соответствует стандартам, установленным инженерами или властями, и потому хорошо продается.

Впрочем, время от времени разногласия разрешить не удается. Тесла и Эдисон воевали за будущее электропередач. В этой битве было все: шокирующие демонстрации, переход на личности, достойный школьников, и даже попытки объявить переменный ток вне закона. В итоге победил переменный ток. Рациональная проектировка и дешевизна массового распределения – вот и весь секрет.

Да будет свет

Многие убеждены, что в 1870 году Томас Эдисон самолично изобрел электрическое освещение. Это неправда. Первым электрическим светильником была дуговая лампа авторства Гемфри Дэви (1807 год). Дэви сконструировал в подвале Лондонского Королевского института огромную электрическую батарею, вдохновившись аналогичным изобретением Алессандро Вольты 1800 года.

Дабы продемонстрировать мощность своей батареи, Дэви подсоединил к ее клеммам два угольных стержня. Когда он развел стержни на небольшое расстояние и пустил по ним ток, между ними образовалась яркая световая дуга.

В следующие пятьдесят лет (1810–1860) изобретатели трудились над дуговыми лампами с электромеханическими регуляторами, которые помогали установить точное расстояние между стержнями для создания дуги. Однако все их изыскания ограничивались мощностью батарей. Для дальнейшего продвижения в этой области требовался новый источник электропитания.

Майкл Фарадей, английский химик, физик и изобретатель XIX века

Таким источником стала динамо-машина, она же генератор. В 1831 году у Дэви появился новый лабораторный ассистент, Майкл Фарадей. Он обнаружил, что при введении в магнитное поле проводника под нужным углом к этому полю в проводнике возникал индукционный ток. На основе принципа электромагнитной индукции Фарадея изобретатели проектировали новые генераторы электрического тока. Их надо было заводить вручную или подпитывать от парового двигателя.

Возможность использования дуговых ламп для освещения улиц и крупных зданий вдохновила других электриков на модернизацию генератора. В 1876 году Чарльз Браш из Кливленда спроектировал генератор постоянного тока, питавший четыре дуговые лампы в последовательном контуре. Эта конструкция использовалась в уличном освещении, на фабриках и в магазинах, включая универмаг Уонамейкера в Филадельфии.

Для освещения улиц и домов дуговые лампы подходили идеально. Даже сегодня их применяют в мощных прожекторах, широко используемых на открытии новых магазинов или масштабных кинопремьерах.

Гравюра Уильяма Аллена Роджерса для журнала Harper’s Weekly 1889 года. На ней изображеноэлектрическое освещение ночного Нью-Йорка

Эдисон и лампы накаливания

Если вам требовался более мелкий источник мягкого электрического света, дуговые лампы уже не годились. Эдисон быстро сообразил, что можно продавать маленькие лампочки как замену тогдашних газовых светильников. В 1878 году он бросил работу над телефоном и фонографом и с головой окунулся в мир электрического освещения, о котором он до этого момента ничего не знал.

Лампа 1879 года с углеродной нитью, которая светится при пропускании через нее тока. ФОТО: SSPL, GETTY

Для создания лампы поменьше Эдисон решил обратиться к эффекту накаливания (так называется свечение при нагревании). При достижении критической температуры предмет источает яркий свет. Поначалу Эдисон экспериментировал с платиной. У этого металла высокая точка плавления, поэтому изобретатель предположил, что через платиновую нить можно пропускать ток и заставить ее светиться.

Однако он сразу же обнаружил, что в процессе участвует еще и кислород. Платина почти сразу перегорала. Тогда Эдисон поместил металлическую нить в вакуумную стеклянную колбу. Это решило проблему горения, однако платина стоила слишком дорого и к тому же обладала низким электросопротивлением.

Это означало, что для такой системы освещения потребуются дорогие и очень толстые медные кабели. К счастью, Эдисон решил и эту задачку, всего лишь повысив сопротивление в каждой лампе и замкнув их в параллельные цепи.

Теперь требовалось найти металл с достаточно высоким сопротивлением. Эдисон и его команда несколько месяцев подбирали и испытывали материалы, пока не обнаружили, что лучше всего для этого подходит ламповая сажа, используемая в телефонных передатчиках. Вот как момент открытия был описан в одной из газет:

«Однажды ночью, сидя в своей лаборатории над незаконченным проектом, Эдисон начал бездумно перекатывать в пальцах кусочек спрессованной ламповой сажи, пока не скатал из нее тонкую нить. Один случайный взгляд навел его на мысль, что можно попробовать ее накалить. Через несколько минут он провел вполне успешный эксперимент, хоть результаты его и не удивили. Дальнейшие тесты помогли найти подходящую форму и состав вещества, и результат каждого эксперимента подтверждал, что изобретатель на верном пути».

Иллюстрация из Currier & Ives конца 1800-х. Эдисон (слева) и изобретатель дуговой лампы Чарльз Браш сражаются за освещение Нью-Йорка.

В октябре 1879 года Эдисон и его команда провели первые успешные эксперименты: они поместили углеродную нить в вакуумную колбу и накалили ее так, чтобы она при этом не сгорала. К новогодним праздникам Эдисон уже вовсю демонстрировал новые лампы толпам людей в своей лаборатории в Менло-Парк.

Однако для выхода на потребительский рынок этого было недостаточно. Теперь Эдисону предстояло сконструировать всю электрическую систему для питания своих ламп. Он смоделировал ее на основе систем газового освещения, используемых в крупных городах. Они состояли из центральных станций, подземных коммуникаций, счетчиков и зажимных приспособлений для самих ламп. Эдисон построил первую центральную станцию на Перл-стрит в нижнем Манхеттене в 1882 году. Здесь располагалась знаменитая Уолл-стрит и офисы нью-йоркской прессы. Место было выбрано идеально, теперь у Эдисона был доступ и к финансистам, и к медийщикам.

Перед монтажом станции он отправил своих людей обследовать район и посчитать газовые и керосиновые лампы, которые можно заменить на новое освещение. Чтобы компенсировать дороговизну медной электросети для питания ламп, Эдисон спроектировал систему постоянного тока для плотно населенных центральных городских кварталов. Обслуживание клиентов в радиусе чуть меньше двух километров от центральной станции оказалось довольно выгодным.

КРУПНЫЙ ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИЙ БИЗНЕС

Мужчины позируют у здания компании Эдисона – Edison Machine Works. ФОТО: CORBIS, GETTY

Для производства и выведения на рынок ламп накаливания Эдисону требовалась соответствующая инфраструктура. Он спроектировал целую систему для питания своих ламп, но на этом не остановился. Будучи предприимчивым дельцом, он основал компании для производства ламп, генераторов, кабелей и счетчиков: Edison Lamp Works, позднее переименованная в Edison ElectricLamp Company, Edison Machine Works и так далее.

Несмотря на то, что через несколько лет он проиграл «битву токов», компании Эдисона остались на плаву. В 1889 году они объединились в концерн Edison General Electric, который позднее сменил название на просто General Electric.

Восход переменного тока

Эдисон был прав: для мелких электрических лампочек нашелся подходящий рынок. Многие захотели заменить газовое освещение, так что в следующие несколько лет лампы накаливания приносили ему значительную прибыль. Эдисон был первопроходцем в этой области, но ему не удалось предотвратить выход конкурентов на рынок. Впрочем, главной проблемой Эдисона было то, что его систему могли потянуть только крупные города с густонаселенными центральными районами. Там у него было достаточно клиентов, которые могли покрыть стоимость прокладки медной проводки.

На этой гравюре изображена одна из центральных электростанций Нью-Йорка, построенных компанией Эдисона в 1882 году. ФОТО: AKG, ALBUM

В Америке было множество поселений, которые могли себе позволить электрическое освещение. Однако люди селились слишком хаотично и далеко друг от друга, а это не гарантировало экономность установки системы Эдисона. Любой, кому удастся выйти на этот стремительно расширяющийся рынок, стопроцентно обогатился бы!

Осознав это, Джордж Вестингауз решил спроектировать систему освещения, работающую от переменного тока. Он полагал, что можно уменьшить толщину медной проволоки (и сократить расходы), если поднять напряжение в сети (допустим, до 1000 вольт). Однако подача такого напряжения в жилые дома могла быть опасной.

Для дальнейших опытов Вестингауз позаимствовал в Европе трансформатор, который понижал напряжение с 1000 до 110 вольт. Такие трансформаторы работали только с переменным током, а это означало, что новая сеть Вестингауза станет слишком радикальным отходом от распространенных в то время систем Эдисона на постоянном токе.

Напряжение в них было постоянным (обычно 110 вольт), что делало их относительно безопасными для потребителей. Вдобавок, кабели для этой системы прокладывали линейно, как в телефонных и телеграфных системах, а это было куда проще для прокладчиков.

Предприниматель и изобретатель Джордж Вестингауз родился в Нью-Йорке в 1846 году. Всю свою жизнь он занимался модернизациями железнодорожного транспорта и энергетической промышленности. До своей смерти в 1914 году он зарегистрировал более 360 патентов на свое имя. ФОТО: BIANCHETTI, CORBIS/GETTY

В новой системе Вестингауза, работавшей от переменного тока, напряжение в линиях электропередач колебалось от +1000 до -1000 вольт. Это несло повышенный риск для прокладчиков кабелей, они могли получить смертельный удар током. Повышение напряжения в сети требовало улучшенной изоляции и разработки новых мер безопасности. Но поскольку системы переменного тока были куда дешевле для передачи электроэнергии на большие расстояния, все затраты на решение новых технических задач были вполне обоснованными.

Итак, в 1887 году переменный ток подавал большие надежды. Однако электромеханики вскоре поняли, что у них появилась новая проблема, на сей раз экономическая. В идеале система переменного тока должна охватывать весь город. Но при таких раскладах стоимость электростанции и электросети составляла сотни тысяч долларов.

Чтобы покрыть такую инвестицию, электростанция должна подавать электричество круглосуточно семь дней в неделю. Значит, что-то должно потреблять энергию в течение дня – двигатель, который можно использовать в транспорте, на заводах, в лифтах и бытовых приборах.

Тесла и двигатель переменного тока

На этом распутье и возник тот самый высокий темноволосый мужчина, у которого было подходящее изобретение – двигатель переменного тока. Изобретателя звали Никола Тесла.

Тесла родился в 1856 году в семье сербов, жившей на территории современной Хорватии. Отец Теслы был православным священником и надеялся, что сын последует по его стопам. Юный Никола куда сильнее верил в науку и отправился изучать машиностроение в Университет прикладных наук Йоаннеум в австрийском городе Грац.

Там Тесла увлекся разработками нового электромотора. Во всех моторах есть два комплекта электромагнитов: один стационарный (статор), другой на вращающемся валу (ротор). При подаче переменного тока на каждый комплект можно создать одинаковые магнитные поля в статоре и роторе. Они начинают отталкиваться друг от друга, тем самым заставляя вал мотора крутиться.

Индукционный двигатель Теслы оказался в самом центре «битвы токов». Его новаторская конструкция и эффективность произвели настоящую революцию в сфере энергетики в конце XIXвека. ФОТО: LEBRECH MUSIC, ALBUM

Понаблюдав за искрящим двигателем постоянного тока в классе физики, Тесла предложил убрать коммутатор (вращающийся переключатель, подающий питание на ротор двигателя). Его профессор физики решил, что подобная конструкция попросту нелепа, но Тесла настаивал на своем.

Следующие несколько лет изобретатель ломал голову над созданием безыскрового двигателя. Строить физическую модель он не стал – все конструировал в голове. В 1882 году Тесла переехал в Будапешт. Во время прогулки в городском парке к нему пришла гениальная идея: не надо менять магнитные полюса в роторе. Лучше использовать вращающеесямагнитное поле в двигателе.

До Теслы электродвигатели конструировались с постоянным магнитным полем в статоре, а магнитное поле в роторе менялось с помощью коммутатора. Изобретение Теслы былопротивоположностью стандартной практики. В своем двигателе Тесла получил нужную последовательность, включая и выключая ток в отдельных электромагнитах статора и тем самым создав вращающееся магнитное поле. Это поле, вращаясь, индуцировало противоположное по заряду электрическое поле в роторе и заставляло его вращаться. Тесла предположил, что вращающееся магнитное поле можно создавать с помощью переменного, а не постоянного тока, но на тот момент не знал, как это сделать.

МИРОВОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПЛАН ТЕСЛЫ

Массивная вышка Теслы, построенная в 1901 году, была ранней версией беспроводного телекоммуникационного передатчика. В 1917 году ее снесли. ФОТО: ULLSTEIN BILD, GETTY

Самая известная лаборатория Теслы, Ворденклиф, располагалась на Лонг-Айленде. В 1901 году банкир Джон П. Морган одолжил Тесле $150 тысяч на реализацию плана по передаче энергии по всему миру. Известный архитектор Стэнфорд Уайт спроектировал основное здание, в котором генерировались волны электрического толка и подавались по кабелям в башню и на подземный вал.

Башня функционировала как гигантская катушка Теслы, усиливая ток до миллионов вольт и отправляя его через вал в земную кору. Тесла считал, что потребители могут подключиться к этим подземным потокам и подпитывать от них осветительные системы и двигатели.

Он также верил, что люди смогут носить с собой маленькие передатчики размером «не больше карманных часов» и принимать с их помощью новостные сообщения и телефонные звонки. К сожалению, Тесле не удалось добыть средства, чтобы продолжить эту работу. В 1905 году у него случился нервный срыв. Он был вынужден отдать Ворденклиф своим кредиторам.

Сегодня башню реставрируют при поддержке тысяч поклонников гениальности Теслы, включая Илона Маска.

Следующие пять лет Тесла набирал практический опыт для усовершенствования своего двигателя. Он помог наладить телефонную связь в Будапеште и переехал в Париж, чтобы поработать с Continental Edison Company, проводившей освещение в крупных европейских городах. В 1884 году Тесла перевелся в нью-йоркский филиал Edison Machine Works. Там он немного пообщался с Эдисоном, после чего его приставили к разработке системы дугового освещения. После спора об оплате за свои разработки разъяренный Тесла уволился.

Поработав с командой из Рауэй, Нью-Джерси, Тесла представил собственную систему дугового освещения, но компания вскоре закрылась. Изобретателю пришлось рыть канавы, чтобы свести концы с концами. Невзирая на все жизненные трудности, он все же нашел в себе силы подать патент на термомагнитный двигатель. Его изобретение привлекло внимание Чарльза Ф. Пека и Альфреда С. Брауна, финансистов с Уолл-стрит. Двигатель заинтриговал их, и в 1886 году они арендовали для Теслы лабораторию на Манхеттене.

Тесла занялся усовершенствованием термомагнитного двигателя, но этот вариант все же оказался нерабочим. Пек предложил ему вернуться к работе над двигателем переменного тока. Опираясь на свои будапештские идеи, Тесла экспериментировал с несколькими переменными токами в двигателе. Это было довольно авантюрным решением, поскольку инженеры в Westinghouse Electric (да и вообще везде) использовали в своих системах только один переменный ток.

В 1887 году Тесла обнаружил, что может сгенерировать вращающееся магнитное поле, подавая два разных переменных тока на пару катушек на противоположных сторонах статора. Современные инженеры бы сказали, что двигатель Теслы работал на двухфазном токе. Довольный результатом, Тесла подал патентную заявку на новое изобретение и идею дальней передачи многофазного переменного тока.

Вестингауз мог использовать свои электростанции (на фото), чтобы обслуживать больше людей и охватить более обширные территории. Для передачи электроэнергии на большие расстояния переменный ток был куда дешевле и эффективнее. Системам Эдисона такое и не снилось. ФОТО: BETTMANN, CORBIS/GETTY

Когда стало ясно, что у изобретения Теслы есть многообещающее будущее, его спонсоры задумались над тем, как же продвигать его в массы. Для Пека и Брауна не было смысла производить двигатель Теслы. Нет, они хотели продать патенты подороже.

В качестве рекламы они организовали для Теслы лекцию в Американском университете электротехники в 1888 году. Их план сработал. После лекции Джордж Вестингауз приобрел патенты Теслы за $200 тысяч. В пересчете на сегодняшние деньги эта сделка обошлась бы в $5 миллионов.

Битва токов

Получив в свое распоряжение систему питания для лампочек и двигателей, Вестингауз атаковал своего главного конкурента, Edison Electric Light Company. Он заключал контракты на покрытие всех территорий, которые не могла обслужить система Эдисона, а именно города, где население было разбросано по большой территории.

Пользуясь прибылью от производства пневматических тормозов для железнодорожных составов и сигнальных систем, Вестингауз предлагал цены ниже, чем у Эдисона, и часто строил новые электростанции дешевле их себестоимости.

Такая тактика шокировала Эдисона. Он родился и вырос на Среднем Западе, и его понимание бизнеса было очень простым: с клиента надо брать ровно столько, сколько нужно для создания оборудования плюс скромная прибыль. Намеренная потеря денег, чтобы «подрезать» конкурента, казалась ему несправедливой. В 1888 году, лишившись крупных контрактов на освещение Денвера и Миннеаполиса, один из менеджеров Эдисона, Фрэнсис Гастингс, решил оспорить безопасность электрических систем Вестингауза.

При установке первых систем переменного тока неизбежно происходили несчастные случаи: прокладчиков иногда убивало высокое напряжение в сети. Газеты быстро раздули скандал. Дабы ускорить процесс низвержения соперника, Гастингс заручился поддержкой Гарольда П. Брауна. Инженер-консультант, обманутый компанией Westinghouse Electric, жаждал мести. С одобрения менеджеров Эдисона Браун организовал демонстрации для журналистов в лаборатории Эдисона в Вест-Орандж, Нью-Джерси. На этих демонстрациях с помощью оборудования Westinghouse Electric убивали бродячих собак.

ФОТО: GRANGER, CORDON PRESS

Начиная с XVIII века, законодатели в Европе и Америке решили максимально гуманизировать смертные казни. После неудачных повешений в США в 1880-х реформаторы вынуждены были придумывать новые способы казни. В Буффало, штат Нью-Йорк, дантист Альфред П. Саутвик исследовал напряжение в электросети на бродячих собаках, после чего спроектировал систему для казни преступников. Удар током в голову приводил к потере сознания и смерти мозга. Второй удар наносил летальные повреждения жизненно важным органам. Электрический стул Саутвика впервые был применен для смертной казни в 1890 году.

Наиболее удачным рекламным трюком Брауна было применение переменного тока для смертной казни. В штате Нью-Йорк медики и реформаторы пришли к выводу, что казнь через повешение слишком негуманна, и стали искать новые способы умерщвления преступников.

Браун убедил их в гуманности казни с помощью переменного тока, для чего приобрел подержанный генератор Westinghouse Electric. Его установили в одной из тюрем и использовали для казни Уильяма Кеммлера, осужденного за убийство. Газетные публикации под заголовками «Кеммлер вестингаузирован» были проплаченной антирекламой.

Браун лично бросил вызов Джорджу Вестингаузу, предлагая ему опробовать, насколько силен будет удар током от генератора переменного тока по сравнению с генератором Эдисона. Тесла забеспокоился, что его друг Вестингауз и впрямь может на это согласиться. Во время лекции в 1891 году он решил продемонстрировать безопасность переменного тока, приняв удар напряжением в 250 000 вольт. Благодаря высокой частоте тока, сгенерированного новой катушкой Теслы, ток прошел по поверхности тела экспериментатора, не причинив никакого вреда внутренним органам.

В дополнение к медиакампании Эдисон сражался с Вестингаузом и на законодательном поле. Представители группы Эдисона усиленно лоббировали несколько законов, ограничивающих максимальное напряжение электрических систем до 300 вольт. Им почти удалось протащить эти законы в Вирджинии и Огайо.

Победа переменного тока

Пока Эдисон отстаивал свое изобретение на суде общественного мнения, Вестингауз и Тесла захватывали машиностроение и бизнес. Компания Вестингауза провела зрелищную презентацию своих систем, предоставив осветительную систему на десятки тысяч лампочек для Всемирной выставки в Чикаго в 1893 году. Красота ночной иллюминации впечатлила посетителей, убедив их в том, что будущее все же за переменным током.

Всемирная выставка, посвященная 400-летию открытия Америки, была проведена в Чикаго 1893 года. К берегам озера Мичиган стекалась публика со всей страны, чтобы полюбоваться новейшими изобретениями и трендами США. ФОТО: GRANGER, CORDON PRESS

Затем, параллельно с Всемирной выставкой, Тесла начал вести тайные переговоры со спонсорами строительства гигантской гидроэлектростанции на Ниагарском водопаде. Он убеждал их в том, что для передачи электроэнергии по всему штату Нью-Йорк лучше использовать переменный ток.

После интенсивной корреспонденции и личных встреч ему удалось уговорить банкиров. В то же время Тесла информировал Вестингауза о продвижении проекта на Ниагарском водопаде, чтобы тот мог поучаствовать в тендере на проектирование и оборудование электростанции. Признав заслуги Теслы в этом проекте, банкиры пригласили его произнести речь на банкете в честь открытия электростанции в 1896 году.

ОСВЕЩЕНИЕ БЕЛОГО ГОРОДА

Системы переменного тока Вестингауза и Теслы на Всемирной выставке в Чикаго. ФОТО: BROOKLYN MUSEUM OF ART, NY/BRIDGEMAN/ACI

Всемирная выставка 1893 года была проведена в Чикаго в честь 400-летия прибытия Христофора Колумба в Новый Свет. 200 павильонов собрали 27 миллионов посетителей, и там было что посмотреть: первое колесо обозрения, движущийся тротуар, кинофильмы на кинетоскопе Эдисона и многое другое.

Градостроители со всей Америки вдохновлялись сияющими белыми зданиями, построенными специально для выставки. После этого в городах по всей стране начали строить роскошные ратуши, бульвары и парки, достойные эпохи прогресса. Westinghouse Electric получила контракт на освещение выставки и спроектировала новые светильники для павильонов. Для их питания компания установила 24 генератора мощностью 500 лошадиных сил, трансформаторы и прочее оборудование для демонстрации разнообразия и производительности своих систем.

После постройки электростанции на Ниагарском водопаде основное направление в американской электропромышленности утвердилось окончательно. На протяжении большей части ХХ века частные коммунальные предприятия массово генерировали и передавали переменный ток предпринимателям и простым жителям.

Поскольку постройка новых электростанций обходилась недешево, а предельная прибыль от продажи электроэнергии была низкой, эти предприятия в целом стремились расширять свои сети. Они начали с городов и постепенно охватывали по несколько штатов сразу. При этом они по-прежнему опираются на технологию многофазного переменного тока, изобретенную Теслой и Вестингаузом.