Развитие электротехники в XIX веке

Первое практическое применение открытия в электродинамике нашли в технике связи. Идея Ампера о возможности построения телеграфа, высказанная им в 1820 году, впервые была воплощена в жизнь в 1829 году русским изобретателем Павлом Львовичем Шиллингом (1786-1837), в 1832 году — К.Ф. Гауссом и в 1833 году — В.Э. Вебером.

Приемная часть телеграфа Шиллинга состояла из шести «мультипликаторов» — устройств, представляющих собой системы из двух подвешенных на тонкой нити магнитных стрелок, одна из которых помещалась внутри проволочной катушки. На нити имелся кружок, одна сторона которого была окрашена в белый цвет, а другая — в черный. Был еще седьмой мультипликатор для вызова. К приемному аппарату от передающей станции шло восемь проводов: шесть из них были соединены с первыми шестью мультипликаторами, один был предназначен для обратного тока и один был соединен с вызывным мультипликатором

При нажатии на передающей станции соответствующей клавиши электрический ток поступал в катушку определенного мультипликатора, под его действием поворачивалась магнитная стрелка, а вместе с ней поворачивался то белой, то черной стороной и кружок на нити. Каждой букве алфавита соответствовала определенная комбинация из черных и белых кружков. Телеграф Шиллинга был применен для связи между Зимним дворцом и зданием Министерства путей сообщения в Петербурге.

Через год Гаусс и Вебер построили электромагнитный телеграф другой конструкции, соединявший астрономическую обсерваторию и физическую лабораторию в Геттингене.

Американский физик Джозеф Генри (1797-1878) использовал для приема сигналов электромагнит, изобретенный 1825 году Уильямом Стёрдженом (1783-1850). Электромагнит при пропускании электрического тока притягивал специальный рычажок. Используя это устройство, Генри построил телеграф, который действовал на территории Принстонского университета.

Этим же принципом приема воспользовался Сэмюэл Финли Бриз Морзе (1791-1872), которому в 1832 году пришла удачная мысль создать телеграфный алфавит, состоящий всего из двух знаков.

В телеграфе Морзе при замыкании ключа электрический ток поступал в обмотки электромагнита, который притягивал висящий маятник с закрепленным на конце карандашом. При этом карандаш касался бумажной ленты, непрерывно передвигающейся (с помощью часового механизма) в горизонтальном направлении перпендикулярно плоскости качания маятника. Замыкание ключа на короткое время давало изображение точки на бумажной полосе, а на более длительное время — тире.

После многочисленных попыток Морзе в 1835 году наконец удалось построить частным образом первую грубую модель телеграфа в Нью-Йоркском университете. В 1839 году была проведена экспериментальная линия между Вашингтоном и Балтимором, а в 1844 году возникла организованная Морзе первая американская компания по коммерческой эксплуатации нового изобретения «Магнитная телеграфная компания». Это было также первое практическое применение результатов научных изысканий в области электричества.

Помимо телеграфа Морзе в первое время употреблялись и другие конструкции телеграфов. Например, в Европе в 40-х годах применялся так называемый стрелочный телеграф, изобретенный петербургским академиком Борисом Семеновичем Якоби (1801 — 1874), который впоследствии изобрел буквопечатающий аппарат.

В Англии изучением и усовершенствованием телеграфа занялся Чарльз Уитстон (1802—1875), бывший мастер по изготовлению музыкальных инструментов. в 1840 году Уитстон нашел способ измерения сопротивления независимо от постоянства электродвижущей силы и показал свое устройство Якоби. Однако статья, в которой это устройство описано и которую вполне можно назвать первой работой в области электротехники, появилась лишь в 1843 году В этой статье дано описание знаменитого «мостика», названного затем в честь Уитстона. Фактически такое устройство было описано еще в 1833 году Гюнтером Кристи и независимо от него в 1840 году Марианини; оба они предлагали метод сведения к нулю, но их теоретические объяснения, при которых не учитывался закон Ома, оставляли желать лучшего.

Уитстон же был поклонником Ома и очень хорошо знал его закон, так что данная им теория «мостика Уитстона» ничем не отличается от приводимой сейчас в учебниках. Кроме того, Уитстон, чтобы можно было быстро и удобно изменять сопротивление одной стороны мостика для получения нулевой силы тока в гальванометре, включенном в диагональное плечо мостика, сконструировал три типа реостатов (само это слово было предложено им по аналогии с «реофором», введенным Ампером, в подражание которому Пекле ввел также термин «реометр»). Первый тип реостата с подвижной скобкой, применяемый и сейчас, был создан Уитстоном по аналогии со схожим приспособлением, применявшимся Якоби в 1841 году. Второй тип реостата имел вид деревянного цилиндра, вокруг которого была намотана часть подключенного в цепь провода, который легко перематывался с деревянного цилиндра на бронзовый. Третий тип реостата был похож на «магазин сопротивлений», который Эрнст Вернер Сименс (1816—1892), ученый и промышленник, в 1860 году улучшил и широко распространил. «Мостик Уитстона» дал возможность измерять электродвижущие силы и сопротивления.

Создание подводного телеграфа, пожалуй, еще более, нежели воздушного телеграфа, потребовало разработки методов электрических измерений. Опыты с подводным телеграфом начались еще в 1837 году, и одной из первых проблем, которую предстояло разрешить, было определение скорости распространения тока. Еще в 1834 году Уитстон с помощью вращающихся зеркал произвел первые измерения этой скорости, но полученные им результаты противоречили результатам Латимера Кларка, а последние в свою очередь не соответствовали более поздним исследованиям других ученых.

В 1855 году Уильям Томсон (получивший впоследствии титул лорда Кельвина) объяснил причину всех этих расхождений. Согласно Томсону, скорость тока в проводнике не имеет определенной величины. Подобно тому как скорость распространения тепла в стержне зависит от материала, так и скорость тока в проводнике зависит от произведения его сопротивления на электрическую емкость. Следуя этой своей теории, которая в его времена подверглась ожесточенной критике, Томсон занялся проблемами, связанными с подводным телеграфом.

Первый трансатлантический кабель, соединивший Англию и Америку, функционировал около месяца, но затем испортился. Томсон рассчитал новый кабель, провел многочисленные измерения сопротивления и емкости, придумал новые передающие аппараты, из коих следует упомянуть астатический отражательный гальванометр, замененный «сифонным регистратором» его же изобретения. Наконец, в 1866 году новый трансатлантический кабель успешно вступил в действие. Созданию этого первого большого электротехнического сооружения сопутствовала разработка системы единиц электрических и магнитных измерений.