Карл Август Штейнмец: ученый, инженер, конструктор, изобретатель, педагог

Опубликовано в номере:
PDF версия
Карл Август Штейнмец — ученый, инженер, конструктор, изобретатель, педагог

Страницы жизни

Рис. 1. Карл Август Штейнмец (1865-1923)

Рис. 1. Карл Август Штейнмец (1865-1923)

Сто пятьдесят лет назад, 9 апреля 1865 г. в городе Бреслау (Силезия) в семье немецкого рабочего–литографа родился Карл Август Штейнмец (рис. 1). Из-за серьезных проблем со здоровьем как врожденного, так и приобретенного характера (Карл был маленького роста и имел горб), он рано начал читать, стремился получить максимум разнообразных знаний. Уже в гимназии проявились его незаурядные способности к естественным наукам, математике и иностранным языкам. Семья жила бедно и, не имея достаточных денежных средств, Карл стал подрабатывать репетиторством. Несмотря на физические недостатки, он пользовался большим уважением среди сокурсников как образованный, умный и очень добрый человек.

В 1882 г. Штейнмец с отличием окончил гимназию и без экзаменов был зачислен на философский факультет Бреславского университета. Блестящие знания, трудолюбие, общительность Карла снискали ему большое уважение студентов и профессоров. Уже на первом курсе он становится членом математического общества при университете. В соответствии с традициями того времени, Карл был принят в «Корпорацию студентов», где, в отличие от многих, увлекавшихся спортом, кутежами и дуэлями, все свое время он тратил на учение. Корпоранты, по традиции дававшие прозвища своим членам, нарекли Штейнмеца «Протеем» — в честь изворотливого мифического существа, способного менять свой вид. И действительно, Штейнмец легко превращался из математика в богослова, из философа в экономиста, с успехом находил ответы на многие сложные вопросы в жизни и науке. Позднее, легализовавшись в Америке под именем Чарлз, он прибавил к этому имени корпоративное прозвище «Протеус». Так в науке появилось одно из блестящих имен — Чарлз Протеус Штейнмец.

В 80-е годы в Германии умами молодежи завладевают социал-демократические идеи. Штейнмец становится активным членом нелегального кружка социалистов и редактором социал-демократической газеты. Под угрозой ареста с помощью друзей он бежит из Германии в Швецарию, где поступает в Цюрихский политехникум для завершения высшего образования. В годы своего вынужденного пребывания в Цюрихе Штейнмец проникается твердой уверенностью в том, что электротехника является самым прогрессивным направлением развития промышленности и общества в целом, что в полной мере соответствовало его социал-демократическим убеждениям. Видимо, в этот период он и решил посвятить свою жизнь служению этой новой науке.

Рис. 2. 23 апреля 1921 г., день приезда Эйнштейна и специалистов из GEC на радиостанцию Маркони

Рис. 2. 23 апреля 1921 г., день приезда Эйнштейна и специалистов из GEC на радиостанцию Маркони

В 1889 г. Штейнмец с блеском заканчивает политехникум и решается перебраться в США, где полиция не преследовала социалистов. Дальнейшая жизнь и научная работа Штейнмеца проходила в Америке. После нескольких лет мытарств, в 1893 г. он становится ведущим специалистом фирмы General Electric Company (GEC), в которой и проработал всю жизнь (рис. 2), живя в небольшом, но ставшем благодаря ему широко известным городе Скинектади (шт. Нью-Йорк).

Штейнмец любил природу, птиц, животных и трогательно относился к детям, которые также тянулись к нему. За его непривлекательной внешностью скрывалась душа очень доброго человека, всегда готового помочь каждому, кто в этом нуждался. Он имел на фирме открытый счет, но никогда не копил денег, раздавая их бедным. Вся его жизнь — это сплошной труд. В результате утомительной поездки по западным штатам с циклом лекций по электричеству, подорвавшем его и без того слабое здоровье, в возрасте 58 лет Штейнмец умер (26 октября 1923 г.). Вся Америка скорбила в связи с его кончиной. Когда гроб с его телом опускали в могилу на кладбище в Скинектади, на предприятии гигантского концерна General Eleсtric на пять минут были прекращены все работы.

До конца своих дней Штейнмец оставался верен социал-демократическим взглядам. Он был первым зарубежным ученым–электротехником, с восторгом воспринявшим известие о плане ГОЭРЛО и сразу опубликовавшим в авторитетном американском журнале Electrical World статью, в которой призывал американские фирмы оказать России финансовую помощь для реализации этого плана. Об этом он писал В. И. Ленину и сожалел, что по состоянию здоровья не может посетить Россию и оказать ей посильную помощь. Ленин ответил Штейнмецу очень доброжелательным письмом, они обменялись фотографиями.

Научная деятельность

Рис. 3. Алессандро Вольта (1745-1827)

Рис. 3. Алессандро Вольта (1745-1827)

Рассказ о научной деятельности Штейнмеца следует начать с 1881 г.: с Международного Электротехнического конгресса в Париже, где были установлены основные электрические единицы измерения. В названиях этих единиц прослеживаются предшествующие достижения творцов новой науки. Отдавая должное великим умам и самоотверженным труженикам, создавшим базу современной цивилизации, проследим хронологию развития электротехники до момента появления Чарлза Протеуса Штейнмеца.

Выдающийся итальянский физик Алессандро Вольта (рис. 3) в ряде своих работ 1778-1782 гг. сформулировал количественные зависимости между электрическим зарядом, емкостью и напряжением. В 1799 г. А. Вольта создал первый источник непрерывного электрического тока, который впоследствии получил название «вольтов столб».
В честь А. Вольта названа единица напряжения в Международной системе единиц (СИ) — «Вольт».

Рис. 4. Шарль Огюстен Кулон (1736-1806)

Рис. 4. Шарль Огюстен Кулон (1736-1806)

Не меньших успехов сумел достичь и французский военный инженер Ш. О. Кулон (рис. 4), французский физик, член Парижской АН (1781). Он изобрел крутильные весы, которые в дальнейшем применил для измерения электрических и магнитных сил взаимодействия. В 1785-1789 гг. опубликовал семь мемуаров, где дан закон взаимодействия электрических зарядов и магнитных полюсов (Кулона закон), показано, что электрические заряды всегда располагаются на поверхности проводника, введены понятия магнитного момента и поляризации зарядов.

В честь Ш. Кулона названа единица заряда в СИ — «Кулон».

Рис. 5. Джозеф Генри (1797-1878)

Рис. 5. Джозеф Генри (1797-1878)

Джозеф Генри — американский физик, первый секретарь Смитсоновского института. Генри (рис. 5) считался одним из величайших американских ученых со времен Бенджамина Франклина. Изучая магниты, Генри открыл новое явление в электромагнетизме — самоиндукцию — независимо от Фарадея. Обнаружил и описал явление взаимоиндукции. Генри входил в число первых 50 выдающихся ученых, включенных президентом Линкольном в состав Национальной Академии наук США (1863), и с 1868 г. до конца жизни был ее бессменным президентом. В честь Джозефа Генри названа единица индуктивности в СИ — «Генри».

Рис. 6. Андре-Мари Ампер (1775-1836)

Рис. 6. Андре-Мари Ампер (1775-1836)

Андре-Мари Ампер — знаменитый французский физик, математик и естествоиспытатель, член Парижской Академии наук (1814), почетный член Петербургской Академии наук. Ампер (рис. 6) создал первую теорию, которая связала электрические и магнитные явления. Также Амперу принадлежит гипотеза о природе магнетизма, он ввел в физику понятие «электрический ток». Джеймс Максвелл назвал Ампера «Ньютоном электричества». В 1826 г. Андре-Мари Ампер выдвинул объяснение электромагнетизма с помощью молекулярных токов. В честь Ампера названа единица тока в СИ — «Ампер».

Рис. 7. Георг Ом (1789-1854)

Рис. 7. Георг Ом (1789-1854)

Георг Симон Ом — знаменитый немецкий физик. В 1827 г. он вывел теоретически и подтвердил на опыте закон, отразивший связь между силой тока в цепи, напряжением и сопротивлением – «закон Ома». С 1842 г. член Лондонского королевского общества. В 1849 г. Ом (рис. 7), уже весьма известный ученый, был приглашен профессором физики в Мюнхен и назначен там же консерватором физико-математических коллекций Академии Наук. В 1892 г. в Мюнхене воздвигли памятник Ому, а в 1881 г. на международном конгрессе электриков в Париже его именем было решено назвать теперь общепринятую единицу электрического сопротивления — «Ом».

Майкл Фарадей — английский химик и физик-экспериментатор. Член Лондонского королевского общества (1824) и множества других научных организаций, в том числе иностранный почетный член Петербургской академии наук (1830).

В 1831 г. открыл электромагнитную индукцию, лежащую в основе современного промышленного производства электричества и многих его применений. Создал первую модель электродвигателя. Среди других его открытий — первый трансформатор, химическое действие тока, законы электролиза, действие магнитного поля на свет, диамагнетизм. Первым предсказал существование электромагнитных волн. Фарадей ввел в научный обиход термины «ион», «катод», «анод», «электролит», «диэлектрик», «диамагнетизм», «парамагнетизм» и др.

Рис. 8. Майкл Фарадей (1791-1867)

Рис. 8. Майкл Фарадей (1791-1867)

Фарадей (рис. 8) — основоположник учения об электромагнитном поле, которое затем математически оформил и развил Максвелл. Основной идейный вклад Фарадея в физику электромагнитных явлений заключался в отказе от ньютонова принципа дальнодействия и во введении понятия физического поля — непрерывной области пространства, сплошь заполненной силовыми линиями. В честь М. Фарадея названа единица емкости в СИ — «Фарада».

Эмилий Христианович Ленц — российский физик, один из основоположников электротехники. С его именем связаны открытия закона теплового действия тока, и закона, определяющего направление индукционного тока.

Рис. 9. Эмилий Ленц (1804-1865)

Рис. 9. Эмилий Ленц (1804-1865)

В 1833 г. Э. X. Ленц (рис. 9) обобщил опыты Фарадея по электромагнитной индукции, сформулировал «Законы Ленца», теоретически установил обратимость генераторного и двигательного режимов работы электрических машин.

Густав Кирхгоф родился в Кенигсберге. С 1842 по 1846 г. изучал математику и физику в Кенигсбергском университете, а в 1847 г. уже выступил в качестве приват-доцента в Берлине; в 1850-1854 гг. в качестве экстраординарного профессора читал лекции в Бреславле, затем до 1874 г. исполнял должность ординарного профессора в Гейдельберге, откуда в 1875 г. переехал в Берлин. В 1875 г. избран членом Берлинской академии наук, с 1862 г. состоял членом-корреспондентом Санкт-Петербургской академии наук.

Рис. 10. Густав Кирхгоф (1824-1887)

Рис. 10. Густав Кирхгоф (1824-1887)

В 1845 г. Густав Кирхгоф (рис. 10) установил законы протекания тока, названные его именем.

Джеймс Клерк Максвелл — британский физик, математик и механик. Член Лондонского королевского общества (1861). Максвелл (рис. 11) заложил основы современной классической электродинамики (уравнения Максвелла), ввел в физику понятия тока смещения и электромагнитного поля, извлек несколько следствий из своей теории (предсказание электромагнитных волн, электромагнитная природа света, давление света и др.). Показал статистическую природу второго начала термодинамики («демон Максвелла»), получил ряд важных результатов в молекулярной физике и термодинамике (термодинамические соотношения Максвелла, правило Максвелла для фазового перехода жидкость-газ и т.д.). Пионер количественной теории цветов, автор принципа цветной фотографии. Среди других работ Максвелла — исследования по механике (фотоупругость, теорема Максвелла в теории упругости, работы в области теории устойчивости движения, анализ устойчивости колец Сатурна), оптике, математике. Сконструировал ряд научных приборов.

Рис. 11. Джеймс Максвелл (1831-1879)

Рис. 11. Джеймс Максвелл (1831-1879)

В 1873 г. Максвелл опубликовал «Трактат об электричестве и магнетизме», где изложил свою электромагнитную теорию света.

Термин электротехника впервые употребил в 1879 г. Вернер фон Сименс.

Таким образом, к началу научной и практической деятельности Штейнмеца основные законы электротехники были сформулированы. Кроме того, были достигнуты значительные успехи в производстве, передаче и использовании электрической энергии.

Однако именно в это время развернулась, как это водится, борьба между двумя научными школами. Первая из них, базирующаяся на идеях «короля изобретателей» Эдисона, разрабатывала и довольно успешно внедряла генерирующие, передающие и нагрузочные установки постоянного тока. Вторая сосредоточила все свои силы на разработке и внедрении устройств переменного тока.

Рис. 12. М. Доливо-Добровольский (1862-1919)

Рис. 12. М. Доливо-Добровольский (1862-1919)

Итог этому спору подвел русский ученый М. О. Доливо-Добровольский (рис. 12), который разработал все элементы трехфазных цепей переменного тока: первый трехфазный генератор переменного тока с вращающимся магнитным полем (1881), асинхронный двигатель трехфазного переменного тока с ротором типа «беличьего колеса» (1889), трансформаторы трехфазного тока (1890), пусковые реостаты, измерительные приборы (например, фазометр, 1894), схемы включения генераторов и двигателей звездой и треугольником и.т.д.

Штейнмец с самого начала был сторонником второй школы, его первые теоретические работы явились фундаментом практических разработок и широких внедрений электрических машин переменного тока, чем он и занимался, проработав до конца жизни в компании General Electric.

Первым важным открытием К. Штейнмеца, принесшим ему мировую известность, был вывод уравнения для определения потерь на перемагничивание в ферромагнитных магнитопроводах машин переменного тока (потерь на гистерезис). В то время электрические машины и трансформаторы строились на основе грубых эмпирических соображений. Электрики обладали некоторыми знаниями (а скорее, чутьем) о качественных свойствах процессов при электромагнитных и электромеханических преобразованиях.

Рис. 13. Генератор импульсов в лаборатории Штейнмеца

Рис. 13. Генератор импульсов в лаборатории Штейнмеца

Закон гистерезиса Штейнмеца впервые позволил дать количественную оценку этим процессам и, тем самым, по выражению Кельвина, стал основой науки электромеханики. Методы определения потерь при проектировании электрических машин сыграли огромную роль в прогрессе электромашиностроения. Молодому ученому и инженеру-конструктору в то время исполнилось 27 лет. Он начинает посещать заседания известного американского института инженеров–электриков и вскоре становится его членом. Выступления ученого пользуются большим спросом и собирают значительные аудитории. Уже в 36 лет Штейнмец становится президентом этого института, который в последствии наградил его почетной золотой медалью Эдисона.

Диапазон научных и экспериментальных исследований Штейнмеца охватывает практически все важнейшие направления сильноточной электропромышленности. Предметом патентов на его изобретения становятся генераторы, электродвигатели, трансформаторы, разрядники, электротермические и светотехнические устройства, выпрямительная техника. В 1903 г. Штейнмец построил один из первых высокочастотных индукторных генераторов, вырабатывающий напряжение с частотой 10 кГц.

Для изучения физических процессов, сопровождающих удары молнии, в 1921 г. Штейнмец спроектировал и построил генератор импульсов напряжением 120 кВ и мощностью около 1 МВт (рис. 13).

Символический метод расчета цепей переменного тока

Конец XIX–начало XX в. ознаменовались значительными достижениями в области построения однофазных и трехфазных цепей переменного тока. Становится предельно ясным, что дальнейшее развитие электроэнергетики будет опираться главным образом на применение трехфазных переменных токов. Их использование открывает широкие возможности по концентрации производства электроэнергии, передаче, распределению и использованию ее для промышленного производства. Главным препятствием по освоению уже разработанных устройств переменного тока, их осмыслению и дальнейшему совершенствованию являлось отсутствие теории и базирующихся на этой теории методов их расчета.

Такая теория и методы расчета были разработаны Штейнмецем, за них в 1902 г. Гарвардский Университет присвоил ему ученую степень магистра искусств, а Юнион-Коледж — степень доктора философии.

Первый доклад Штейнмеца под названием «Комплексные числа и их применение в электротехнике» был сделан в 1893 г. в Чикаго на Международном электротехническом конгрессе. В 1897 г. выходит его первый фундаментальный труд «Теория и расчет явлений переменного тока», вскоре переведенный на немецкий и французский языки (к 1916 г. этот труд уже выдержал пять изданий).

Штейнмец убедительно доказал, что анализ процессов в цепях переменного тока возможен только с помощью высшей математики. Разработанный им символический метод расчета сложных цепей переменного тока принес ученому всемирную известность. Этот метод позволил тригонометрические операции над векторными изображениями синусоидальных функций времени заменить алгебраическими операциями над комплексными числами. Оказалось к тому же, что интегрально-дифференциальные уравнения для мгновенных значений в стационарных процессах могут быть заменены алгебраическими уравнениями для комплексных изображений. Метод, разработанный Штейнмецом, быстро получил распространение, вошел в учебники и с успехом применялся инженерами-электриками и радиотехниками. Символический метод расчета электрических цепей переменного тока следует считать одной из величайших заслуг Штейнмеца: на протяжении более чем ста лет он входит в курсы электротехники всех Университетов мира. Этот метод также называют «методом комплексных амплитуд», хотя справедливей было бы называть его преобразованием Штейнмеца по аналогии с преобразованиями Хевисайда, Фурье, Лапласа.

В наши дни продолжением и дальнейшим развитием этого метода следует считать «метод результирующего вектора», широко используемый при анализе асинхронных электрических машин и синтезе современных систем управления, базирующихся на применении силовой электроники и микропроцессорной техники. В последние годы идеи Штейнмеца нашли свое отражение в теории «мгновенной мощности». Эта теория легла в основу синтеза систем управления активными фильтрами, позволившими компенсировать все неактивные составляющие полной мощности в электроэнергетических передающих и распределяющих сетях.

 

Литература

• Белкинд Л. Д. Чарлз Протеус Штеймнец. М.: Изд-во «Наука». 1965.
• Шателен М. А. Профессор Ч. Штейнмец // Электричество. 1923. № 12.
• Штейберг Я. А. Письмо из-за океана // Наука и Жизнь. 1980. № 4.
• История электротехники. Под ред. Акад. И.А. Глебова. М.:Изд. МЭИ. 1999.
• История электротехники и электроэнергетики. [Электронный ресурс] : электрон. учеб. пособие / Т. А. Боякова, С. А. Бояков. Красноярск : ИПК СФУ. 2008.
• Надеев А. И. Лекции по истории электротехники. Уч. пособие для студентов вузов. Астрахань. 2004.
• Ковалев В. З., Щербаков А. Г., Хамитов Р. Н. История электротехники. Уч. пособие. Омск. 2006.
• Ковач К. П., Рац И. Переходные процессы в машинах переменного тока. М–Л.: Госэнергоиздат. 1963.
• Ботвинник М. М., Шакарян Ю. Г. Управляемая машина переменного тока. М.: Наука. 1969.
• Akagi H. et al.: Generalized theory of instantaneous reactive power in three-phase circuits // Conf. Rec. IPEC’83. Tokyo. 1993.

• Strzelecki R., Supronowicz H. Filtracja harmonicznych w sieciach zasilaj?cych pr?du przemennego. Wydawnictwo «Adam Marsza?ek». Toru?. 1998.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *