Павел Николаевич Яблочков — замечательный изобретатель, конструктор и учёный — оказал громадное влияние на развитие мировой электротехники.
В очень насыщенной изобретениями и открытиями жизни Яблочкова был сравнительно короткий период блестящих успехов, которые сменились затем крупными неудачами. Кратковременные радости уступили место глубоким огорчениям, которые преследовали его в течение последних 15 лет жизни. А ведь прожил Яблочков всего 47 лет...
Павел Николаевич Яблочков родился 14 сентября 1847 г. в родовом имении своего отца на хуторе Байки около села Петропавловского Сердобского уезда Саратовской губернии. Отец его слыл человеком очень требовательным и строгим. Небольшое поместье было в хорошем состоянии, и семья Яблочковых, не будучи богатой, жила в достатке; для хорошего воспитания и образования детей были все возможности. Сохранилось очень мало сведений о детских и отроческих годах Яблочкова. Известно лишь, что мальчик с детства отличался пытливым умом, хорошими способностями и любил строить и конструировать. В 12-летнем возрасте он придумал, например, особый угломерный инструмент, оказавшийся очень простым и удобным для землемерных работ (окрестные крестьяне охотно им пользовались при земельных переделах), а также устройство для отсчёта пути, пройденного телегой или другим колёсным экипажем.
Домашнее обучение сменилось скоро гимназическими занятиями в Саратове. В 1859 г. родители определяют его во 2-й класс Саратовской гимназии, но в конце 1862 г. он уходит из пятого класса гимназии, чтобы готовиться к поступлению в Инженерное училище в Петербурге, в подготовительном пансионе, руководимом известным впоследствии военным инженером и композитором Цезарем Антоновичем Кюи. Несомненно, что в этом решении Павла Яблочкова значительную роль сыграла его склонность к технике.
В 1863—1866 гг. он обучался в Военно-инженерном училище. Но военная школа с её усиленными строевыми занятиями, с общим уклоном в сторону обучения фортификации и строительству разных военно-инженерных сооружений не была в состоянии удовлетворить разнообразные технические интересы пытливого юноши. Лишь наличие в числе преподавателей таких выдающихся русских учёных, как Остроградский, Паукер, Вышнеградский и другие, сглаживало многие недостатки обучения.
В 1866 г. Павел Яблочков окончил училище и в чине подпоручика был зачислен в 5-й саперный батальон. Свою офицерскую службу он начал в Киевском крепостном гарнизоне.
Полученное образование значительно расширило его технический кругозор и повысило интерес к изобретательству, особенно в области электротехники. В это время появлялись первые генераторы с самовозбуждением — весьма совершенные источники тока, способные обеспечить практическое использование электричества. Однако Яблочков, офицер Киевской крепости, был лишён условий и возможности работать в этой интересовавшей его области.
Прослужив 15 месяцев на действительной службе, Яблочков по болезни вышел в отставку, надеясь заняться различными электротехническими опытами. Однако осуществить это намерение было не так-то легко; теоретическая подготовка Яблочкова в области электричества оказалась недостаточной, а практический опыт ограниченным.
В России и других странах к этому времени в области электротехники было сделано много открытий и изобретений — электромагнитный телеграф П. Л. Шиллинга; успешные опыты петербургского профессора и академика Б. С. Якоби по применению электродвигателя для движения судна и гальванопластики; Уитстон и Сименс открыли принцип самоиндукции и положили начало созданию динамо-машины.
Единственной школой в России, где можно было изучать электротехнику, были в то время Офицерские гальванические классы. И в 1868 г. можно было вновь увидеть Павла Яблочкова в офицерской форме в качестве слушателя этой школы, которая в годичный срок обучала военно-минному делу, подрывной технике, устройству и применению гальванических элементов и военной телеграфии.
В начале 1869 г. Павел Яблочков, по окончании гальванических классов, был вновь зачислен в свой батальон, где стал во главе гальванической команды, исполняя одновременно обязанности батальонного адъютанта.
Обучаясь в гальванических классах, Яблочков понял, какие громадные перспективы имеет электричество в военном деле и в обыденной жизни. Но атмосфера консерватизма, ограниченности и застоя на действительной военной службе вновь дала себя чувствовать. Поэтому Яблочков решил уйти с военной службы по истечении обязательного годичного срока. В 1870 г. он вышел в отставку.
Единственная область, в которой электричество имело уже прочное применение в эти годы, был телеграф, и Павел Яблочков сейчас же по выходе в отставку поступает на должность начальника телеграфной службы Московско-Курской железной дороги.
В Москве в это время уже многие интересовались электротехникой. В Обществе любителей естествознания широко дебатировались важнейшие вопросы, связанные с применением электричества. Незадолго до этого созданный Политехнический музей был местом, где собирались московские новаторы электротехники. Здесь же для Яблочкова открылась возможность заняться опытами.
В конце 1873 г. ему удалось познакомиться с выдающимся электротехником В. Н. Чиколевым. От него Павел Николаевич узнал об удачных работах А. Н. Лодыгина по конструированию и применению ламп накаливания.
Яблочкова интересовала проблема применения электрического тока для целей освещения, и к концу 1874 г. он настолько погрузился в свои эксперименты, что служба в качестве начальника телефафа Московско-Курской железной дороги, с её мелочными ежедневными заботами, стала для него мало интересной и обременительной. Яблочков оставляет её и полностью отдаётся своим научным занятиям и опытам.
Вместе с другим изобретателем, Н. Г. Глуховым, он организовал в Москве мастерскую физических приборов, где оба они могли заняться осуществлением своих замыслов. Здесь Яблочкову удалось построить электромагнит оригинальной конструкции — его первое изобретение, здесь же он начал и другие свои работы. Однако дела мастерской и магазина при ней шли плохо и не могли обеспечить нужными средствами ни самого Яблочкова, ни его работы. Наоборот, мастерская поглотила значительные личные средства Павла Николаевича, и он был вынужден прервать на некоторое время свои опыты и зарабатывать на жизнь выполнением некоторых заказов, как, например, устройством электрического освещения железнодорожного полотна с паровоза для обеспечения безопасного следования царской семьи в Крым. Это был первый в мировой практике случай электрического освещения на железных дорогах.
Создав эту установку, Яблочков убедился в несовершенстве существовавших в то время дуговых электрических ламп с регуляторами и поставил себе задачу усовершенствования этого источника света.
В своей мастерской Павел Николаевич проделал много опытов, регулируя расстояние между углями, что имело решающее значение для электрического освещения.
О работах П. Н. Яблочкова и Н. Г. Глухова в организованной ими мастерской физических приборов К. А. Чернышев писал:
«Это был центр смелых и остроумных электротехнических мероприятий, блестевших новизной и опередивших на 20 лет течение времени. Здесь, одновременно с Граммом, разрабатывались детали динамо-машины... совершенствовались аккумуляторы Планте, изобретались остроумные системы регуляторов электрического света, делались опыты с грандиозными прожекторами... Здесь работы направлялись широкими взглядами, далёкими перспективами, благом человечества... Здесь перебывал весь цвет основателей электротехники. Здесь было всё, кроме практичности...»
Яблочков проводил опыты для получения необходимых для отбелки ткани хлористых веществ путём электролиза поваренной соли. Во время этих опытов произошло, как пишет К. А. Чернышев, следующее: «При электролизе соли пары углей в последовательных приборах для разложения устанавливались параллельно, и притом так, чтобы их можно было приближать, сохраняя параллельность, один к другому внутри жидкости для отыскания наивыгоднейшего расстояния между ними. Случилось, что при излишнем сближении они коснулись нижними концами; так как ток был высокого напряжения, то между ними образовалась вольтова дуга...»
Дуга не прерывалась, пока оба электрода не выгорели. Так осенью 1875 г. в Москве Яблочковым был найден принцип построения дуговой лампы без регулятора, позднее названной «электрической свечой».
К осени 1875 г. финансовые дела мастерской оказались совершенно расстроенными, а принятые мастерской заказы просроченными. Все свои средства изобретатель израсходовал на опыты, а надежд на применение в России достигнутых результатов у него не было, так как страна лишь недавно вышла на путь промышленного развития и экономика была очень отсталой.
Все эти обстоятельства привели к тому, что Яблочков в октябре 1875 г. уехал в Париж. Здесь он встретился с известным французским специалистом по телеграфии академиком Л. Ф. К. Бреге, надеясь при его посредстве ближе познакомиться с состоянием электротехники за рубежом.
Бреге не мог не заметить выдающихся конструкторских способностей Яблочкова и пригласил его на работу в свои мастерские, в которых в это время производились главным образом телеграфные аппараты и электрические машины.
В свободное время Яблочкову представлялась возможность изобретать. Вскоре он получил патент на электромагнит, построенный им по идее А. X. Репмана, а к началу 1876 г. ему удалось завершить разработку конструкции электрической дуговой лампы без регулятора, принцип которой был установлен им ещё в Москве.
23 марта 1876 г. — формальная дата рождения свечи Яблочкова: в этот день во Франции ему была выдана первая привилегия, за которой последовал ряд других привилегий во Франции и других странах на новый источник света и его усовершенствования.
Этот источник света сразу же нашёл применение и произвёл полный переворот в технике электрического освещения, а также сделал возможным практическое массовое применение электричества.
Электрическая свеча Яблочкова отличалась исключительной простотой и работала без регулятора. В окончательном виде свеча имела следующее устройство: два параллельно поставленных угольных стержня имели между собой по всей длине изоляционную прокладку из гипса или каолина. Каждый из углей зажимался своим нижним концом в отдельную клемму подсвечника. Эти клеммы соединялись с полюсами батареи или присоединялись к электрической сети. На оба верхних конца угольных стержней накладывалась угольная пластинка, «запал»; при пропускании тока через угольные стержни запал сгорал, и между их концами образовывалась электрическая дуга. Пламя дуги ярко светило, и, постепенно сжигая угли и испаряя изоляционный материал между угольными стержнями, оно снижалось до основания стержней.
Так как при постоянном токе угли сгорали с различной скоростью, приходилось брать стержни различной толщины.
В конце 1876 г. Яблочков решил применить свои изобретения на родине и поехал в Россию. Но его предложения были встречены совершенно равнодушно, и ему, по существу, ничего не удалось сделать. Он, правда, получил разрешение на устройство опытного электрического освещения железнодорожной станции Бирзула, где и произвёл удачные опыты освещения в декабре 1876 г. Но и эти опыты не привлекли внимания, и Яблочков вынужден был вновь уехать в Париж, тяжело потрясённый таким отношением к его изобретениям.
Однако его как подлинного патриота своей родины никогда не оставляла мысль видеть свои изобретения осуществлёнными в России.
Успех свечи Яблочкова за границей превзошёл самые смелые ожидания. В апреле 1876 г. на выставке физических приборов в Лондоне электрическая свеча была «гвоздём» выставки. Мировая пресса и технические журналы разных стран писали о новом источнике света: у всех появилась уверенность в том, что начинается новая эпоха в области техники освещения. Было совершенно ясно, что электрическая свеча Яблочкова — самый простой, пригодный для массового применения источник света. Но для широкого использования свечи нужно было решить ещё много довольно сложных технических задач.
Всё это было сделано Яблочковым, которого справедливость требует считать основоположником не только техники электрического освещения, но и основоположником практической электротехники, начавшей своё бурное развитие на основе его работ.
При питании любой дуговой лампы постоянным током происходило, как уже было сказано выше, неодинаковое сгорание угольных стержней (электродов): положительный уголь сгорал примерно вдвое быстрее отрицательного. Для того чтобы избежать разрыва электрической дуги и потухания электрической свечи при такой неравномерности сгорания, целесообразно было производить питание её переменным током.
Однако переменный ток тогда совершенно не применялся на практике: он не был пригоден ни для телефафии, ни для гальванопластики, ни для военной электротехники, то есть для существовавших тогда применений электричества.
Закономерности, которым подчиняются цепи и устройства переменного тока, были ещё очень мало изучены. Тем не менее Яблочков смело начал внедрять переменный ток для осветительных установок. Нужно было налаживать производство генераторов переменного тока.
Яблочков разработал рациональные конструкции таких генераторов, а электромашиностроительные заводы начали их строить. Неожиданно возникший спрос на эти машины был очень велик.
Внедрение переменного тока в практику — крупная заслуга Ябочкова. Оно стимулировало исследования в области теории переменного тока в разных странах.
Необходимо было технически решить вопрос о «разделении электрического тока», то есть указать способ включения произвольного числа электрических свечей в цепь, питаемую одним генератором. В то время применялось только последовательное включение дуговых источников света. Однако из-за особенностей работы регуляторов дуговых ламп того времени в одной цепи могла гореть только одна такая лампа.
Это положение изменилось с изобретением В. Н. Чиколевым дифференциального регулятора. Что касается электрических свечей, то их можно было включать по 2—3 штуки в одну цепь последовательно, но при потухании любой из них, вследствие разрыва электрической цепи, сразу потухали и все остальные.
П. Н. Яблочков решил проблему разделения электрического тока применительно к электрическим свечам. Он получил патенты на систему распределения тока (1876—1877 гг.) при помощи индукционных катушек (с последовательным включением двух или трёх электрических свечей во вторичные обмотки этих катушек) и при помощи конденсаторов (с параллельным включением электрических свечей в цепь).
Оба эти патента заключали в себе новые важные идеи: индукционные катушки Яблочкова представляли собою первый в мире трансформатор, применённый для эксплуатации в действующей установке переменного тока, а в системе разделения тока были впервые использованы конденсаторы.
В период 1876—1878 гг. П. Н. Яблочков внёс много усовершенствований в свою свечу. Эти работы привели его к созданию ещё одного нового источника света — каолиновой лампы накаливания, принцип которой был впоследствии полностью заимствован у П. Н. Яблочкова В. Нернстом в конструкции его лампы, появившейся в последние годы прошлого века.
В каолиновой лампе Яблочкова электрические искры от индукционной катушки разогревали каолин, делали его токопроводяшим и способным светиться при дальнейшем прохождении тока.
В этот период Яблочков построил ряд электрических машин, занимался устройством крупнейших для своего времени электрических осветительных установок. Ему удалось осветить электричеством большие магазины, театры, вокзалы, улицы.
С 1878 г. за границей началось широкое применение свечей Яблочкова. Был создан синдикат, который в январе 1878 г. превратился в общество по эксплуатации патентов Яблочкова. В течение 1,5—2 лет его изобретения обошли весь свет. После первых установок 1876 г. в Париже (универсальный магазин Лувр, театр Шатле, площадь Оперы и др.) устройства освещения свечами Яблочкова появились буквально во всех странах мира.
«Из Парижа электрическое освещение распространилось по всему миру, дойдя до дворца шаха персидского и короля Камбоджи», — писал Павел Николаевич. Однако сам он стоял в стороне от коммерческих дел этой компании и непрерывно трудился над дальнейшим усовершенствованием электрического освещения, возглавляя техническую часть этой компании.
Трудно передать тот восторг, с которым было встречено во всём мире освещение электрическими свечами. Павел Николаевич стал одним из самых популярных людей Франции и всего света. Новый способ освещения называли «русским светом», «северным светом». Общество по эксплуатации патентов Яблочкова получало колоссальные прибыли и не справлялось с нахлынувшей массой заказов.
Достигнув блестящих успехов за границей, Яблочков вновь возвратился к мысли стать полезным своей родине, но ему не удалось добиться, чтобы военное министерство Александра П приняло у него в эксплуатацию русскую привилегию, заявленную им в 1877 г. Он был вынужден продать её Французскому обществу.
В 1878 г. на Всемирной выставке в Париже широко демонстрировалось действие его электрических свечей. «Русский свет» привёл в восторг многочисленных посетителей выставки. В Петербурге на публичной лекции об электрическом освещении, прочитанной 16 апреля 1879 г. по поручению Русского технического общества, он первый высказал мысль о необходимости централизованного производства электроэнергии.
Вскоре после этого возникли первые электрические станции общественного пользования, что способствовало распространению электрического освещения и обеспечило решительную победу его над газовым.
Павлу Николаевичу Яблочкову удалось создать электротехнический отдел Русского технического общества. При его энергичном участии в 1880 г. в Петербурге была организована и с большим успехом проведена Всероссийская электротехническая выставка. Это была вообще первая в мире выставка, специально посвящённая электротехнике.
Во многих странах разрабатывались дуговые лампы с регуляторами, так как электрическая свеча была мало пригодна для прожекторных и тому подобных установок интенсивного освещения. В это же время Лодыгину в России, а несколько позже Лейн-Фоксу и Свану в Англии, Максиму и Эдисону в Америке удалось создать лампу накаливания, которые стали не только серьёзным конкурентом свечи, но и вытеснили её в довольно короткий срок.
В 1878 г., когда свеча была ещё в блестящем периоде своего применения, Яблочков решается ещё раз поехать на родину, чтобы внедрить там своё изобретение...
Но это было связано с большими жертвами: Яблочков должен был выкупить у Французского общества русскую привилегию и за это уплатить около миллиона франков. Он решился на это и приехал в Россию без средств, но полный энергии и надежд.
В России на этот раз к его изобретению отнеслись с большим интересом. Нашлись средства для финансирования предприятия. Ему пришлось заново создавать мастерские, вести многочисленные финансовые и коммерческие дела.
С 1879 г. в столице появилось много установок со свечами Яблочкова, из которых первая осветила Литейный мост. Отдавая дань времени, Яблочков в своих мастерских наладил также небольшое производство ламп накаливания. Однако ни коммерческая деятельность, ни успешно подвигавшееся конструирование электрической машины, ни создание им электротехнического отдела при Русском техническом обществе, вице-председателем которого Павел Николаевич был избран, не приносили ему удовлетворения.
Много сил он приложил для основания первого русского электротехнического журнала «Электричество», который стал выходить с 1880 года. 21 марта 1879 г. он сделал в Русском техническом обществе доклад об электрическом освещении. Общественность почтила его присуждением золотой медали Общества за то, что «он первый достиг удовлетворительного разрешения на практике вопроса об электрическом освещении»”.
Однако эти внешние знаки внимания были недостаточны для того, чтобы создать Яблочкову хорошие условия работы. Павел Николаевич видел, что в отсталой России начала 1880-х гг. слишком мало возможностей для реализации его технических идей, в частности для производства построенных им электрических машин.
Его вновь потянуло в Париж, где ещё так недавно счастье ему улыбнулось. Вернувшись в Париж в 1880 г., Яблочков вновь поступил на службу в Общество по эксплуатации его изобретений, продал Обществу свой патент на динамо-машину и стал готовиться к участию в первой Всемирной электротехнической выставке, намеченной к открытию в Париже в 1881 г.
В начале 1881 г. Яблочков оставляет службу в Обществе и полностью отдаётся конструкторской работе.
На электротехнической выставке в Париже 1881 г. изобретения Яблочкова получили высшую награду: они были признаны вне конкурса. Павел Николаевич был назначен членом международного жюри по рассмотрению экспонатов и присуждению наград.
Во время этой выставки Яблочкову представилась возможность убедиться, что американскому изобретателю Т. Эдисону удалось настолько удачно усовершенствовать лампу накаливания, что её можно было применять для массового использования. Не оставалось у Яблочкова и сомнений, что электрическая свеча должна уступить место лампе накаливания.
Сама же выставка 1881 г. была триумфом новой лампы накаливания: электрическая свеча стала клониться к своему закату.
С этого времени Яблочков посвятил себя работам над генераторами электрического тока — динамо-машинами и гальваническими элементами. К источникам света он больше никогда не возвращался.
Действительно, с этого времени лампа накаливания начала всё больше и больше применяться для освещения и через несколько лет совершенно вытеснила электрическую свечу.
В последующие годы Яблочков получил ряд патентов на электрические машины, как, например: усовершенствованный электродвигатель; магнитоэлектрическая машина переменного тока без вращательного движения; «клиптическая» машина переменного тока, ротор которой совершал сложное качательное движение; машина переменного тока с вращающимся индуктором, полюсы которого расположены по винтовой линии, и др.
Хотя большая часть электрических машин Яблочкова не нашла практического применения, в основу их конструкции были положены весьма интересные идеи. Так, в магнитоэлектрической машине переменных токов (французский патент № 115829) не было вращающихся частей, отсутствовали щетки, устройство со скользящими контактами в коллекторе. Способ получения переменного тока посредством такой машины был прост, но для получения электродвижущей силы большой величины число витков провода на катушках должно быть очень большим, так как скорость перемещения обмоток в магнитном поле ограничена самой конструкцией машины.
Поэтому Яблочков переходит к другой конструкции (французский Патент № 119702). Эта машина, названная магнитодинамоэлектрической, представляет большой интерес и характеризует прогресс идей Яблочкова в области электромашиностроения.
Эта машина имеет все черты современного индукторного генератоа, широко применяемого для получения токов высокой частоты. Таким образом, Яблочков в 1877 г. изобрёл индукторную машину, нашедшую применение в технике примерно 35 лет спустя.
Работы Яблочкова в области гальванических элементов и аккумуляторов обнаруживают оригинальность и прогрессивность его замыслов. Главная цель, которую он ставил перед собой в работах над электрохимическими источниками тока, заключалась в том, чтобы создать мощный и экономичный источник электроэнергии. Яблочков разработал несколько систем таких источников тока. Построенные им элементы с отрицательным электродом из угля, положительным из железа или платины и с электролитом из расплавленной селитры представляют собою первые разновидности так называемых топливных элементов.
В своей статье «Гальванический элемент, в котором расходуемый электрод состоит из угля» П. И. Яблочков описал направление, в котором он будет развивать поиски:
«Уголь, сжигаемый в паровой машине, производит работу, которая, будучи превращена в электричество с помощью магнитоэлектрических машин, даёт электричество по гораздо более дешёвой цене, чем все химические источники тока, существовавшие до нашего времени. Это соображение толкнуло меня на мысль получать электричество, химически действуя непосредственно на уголь. Но уголь, как каждому известно, не подвергается химическому действию какой-либо жидкости при обыкновенной температуре. Мне пришлось поэтому построить электрохимический элемент с горячей жидкостью».
Так он изложил идею одного из типов — первого в технике — топливного элемента. Другая значительная группа элементов обладает отрицательным электродом из натрия или калия. В этих элементах использована способность упомянутых металлов окисляться на открытом воздухе. В результате может быть получен гальванический элемент без жидкости.
Работы Яблочкова по натриевому элементу положили начало новому направлению в создании электрохимических источников тока высокой удельной мощности.
Несколько работ Яблочкова посвящены так называемым автоаккумуляторам. Это наименование было дано трёхэлектродному элементу, в котором были применены легко окисляемый металл (например, цинк, железо, натрий) и тело из менее окисляемого и способного собирать водород вещества (например, свинец, уголь). В плоский сосуд из свинца или парафинированного угля помещались кусочки окисляемого металла; сосуд заполнялся до краёв древесными опилками или другой пористой массой. В качестве электролита служила щелочь (в случае натрия) или раствор хлористого кальция. При действии пары натрий-уголь промежуточный электрод заряжается местными токами и покрывается водородом. Этот водородный электрод вместе с третьим телом, играющим роль кислородного электрода, образуют вторую электрическую пару, также дающую электрический ток.
Итак, Яблочков последовательно изыскивал возможности применения химической энергии для цепей электротехники сильных токов. Путь, которым он шёл, — революционный не только для своего времени.
В период 1881—1893 гг., находясь в тяжёлых материальных условиях, Яблочков продолжал свои опыты. Но непрерывный труд и прогрессировавшая сердечная болезнь подтачивали силы изобретателя Он решился вновь поехать на родину.
В июле 1893 г. он выехал в Россию, но сразу же по приезде сильно заболел. В своём имении он застал настолько запущенное хозяйство, что никаких надежд на улучшение материальных условий у него не осталось. Павел Николаевич с женой и сыном поселился в Саратове в гостинице. Больной, прикованный к дивану тяжёлой водянкой, лишённый почти всяких средств к существованию, он всё же продолжал вести опыты.
31 марта 1894 г. перестало биться сердце талантливого русского изобретателя, конструктора и учёного, одного из блестящих первопроходцев электротехники.