Чудодей
електрики
Ян Шнейберг
до 140-річчя з дня народження Ч. П. Штейнмеца
Зі смертю Штейнмеца ми втратили видатну постать в світі
електрики. У ньому геніально поєднувалися оригінальні ідеї зі здатністю передбачати
їх практичні результати.
Запропоновані ним математичні методи в корені змінили
напрямки розвитку багатьох галузей електротехніки ... З його смертю утворилася
порожнеча, яку не можна заповнити.
З некрологів про Штейнмеца в США
Математик, вчений-електротехнік, інженер і винахідник
Назва Чарльза Протеус Штейнмеца (1865-1923) - видатного
американського вченого-електротехніка, відомо всьому світу. Він був шеф-електриком
найбільшого американського електротехнічного концерну - фірми «Дженерал Електрик
Компані »(GEC), і його по праву називали« самим великим обладнанням »фірми.
Штейнмеца прославився воістину піонерськими дослідженнями
і винаходами у галузі електротехніки та електропромисловості. У ньому гармонійно
поєднувалися видатні якості математика, вченого-електротехніка, інженера і винахідника.
Він увійшов в історію науки і техніки як творець «символічного» методу розрахунку
складних ланцюгів змінного струму, який і в наші дні широко використовується вченими
й інженерами, що працюють в галузі електротехніки та радіотехніки.
У 1903 р. Штейнмеца розробив оригінальний високочастотний
генератор з частотою 10 кілогерців для нової тоді області - радіозв'язку. Їм було
сконструйовано кілька унікальних генераторів імпульсів високої напруги
(ГІН), перший з них (1921 р.) створював напругу до 120 кіловольт при потужності
близько 1 млн кінських сил.
Багато років Штейнмеца був професором Юніон-коледжу, за
його підручниками навчалися сотні відомих американських інженерів-електриків. Він був першим
всесвітньо відомим зарубіжним вченим-електротехніком, із захопленням сприйняли звістку
про розроблений в Росії плані ГОЕЛРО і запропонував свою допомогу в його реалізації.
На жаль, передчасна смерть перешкодила йому здійснити задумані мрії!
Німецький інженер прославляє Америку
10 квітня 1865 в німецькому місті Бреславль (нині місто
Вроцлав - Польща) в бідній робітничій сім'ї народився хлопчик, якого назвали Карлом.
Значно пізніше, після натуралізації в Сполучених Штатах Америки, де Штейнмеца прожив
більшу частину життя, він став називатися Чарльзом. Що стосується його другого імені
- Протеус, то про це трохи пізніше.
У ті роки місто Бреславль ще належав Німеччині. Предки
Карла були робітниками та ремісниками - про це говорить і сама прізвище Steinmetz
(в пер. з нім. - каменяр), деякі з них були німцями, інші - поляками.
Бідність сім'ї супроводжувалася важкою недугою: батько і дядько
Карла хворіли на туберкульоз, а мати померла від холери, коли дитині виповнився всього
один рік, і його виховувала бабуся.
Карл народився кволим, хворою дитиною, вже в дитинстві у нього
виявилася початкова стадія кісткового туберкульозу і великий горб. Дивлячись на нього, льчік
стане знаменитим ученим, прославив династію Штейнмеца.
Стан здоров'я Карла не могло не відбитися на його
спосіб життя, і, будучи дуже розумною дитиною, він рано почав читати, намагався
набути знань, в той час коли його однолітки займалися дитячими іграми. Вже
у класичній гімназії Бреславльской виявилися його неабиякі здібності, він
із захопленням займався природничими науками, математикою та іноземними мовами
і незабаром добре оволодів грецькою і латинською. Не маючи достатніх коштів,
він ще гімназистом займався репетиторством.
Цей горбань з непомірно великою головою користувався повагою
серед однокурсників як дуже освічена, розумна і добра людина. Цікаво
відзначити, що на уроках математики і фізики він часто виступав зі своїми варіантами
вирішення завдань, викликаючи подив і повагу вчителів.
У 1882 р. Штейнмеца з відзнакою закінчив гімназію і без іспитів
був прийнятий на філософський факультет Бреславльского університету. Дуже скоро незвичайно
здібний студент, блискуче виступав перед своїми однокурсниками та професорами,
обирається членом Математичного товариства при університеті. Одночасно він з успіхом
вивчає богословські науки.
Як всі студенти, Штейнмеца був прийнятий в «корпорацію земляків»,
але на відміну від багатьох, захоплювався спортом, гульні і дуелями, він невпинно опановував
знаннями. Корпоранти, за традицією давали прізвиська своїм членам, нарекли Штейнмеца
«Протеом» - на честь спритного міфічного істоти, здатного змінювати свій зовнішній
вид. Штейнмеца з успіхом перетворювався з математика в богослова, з філософа в економіста,
завжди був готовий відповісти на будь-які питання. Пізніше, переїхавши до Америки, він прийняв
корпоративне прізвисько в якості свого другого імені - Протеус.
У 80-і роки в Німеччині помітний вплив серед молоді
набувають соціал-демократичні ідеї, і Штейнмеца стає активним членом нелегального
гуртка соціалістів і редактором соціал-демократичної газети. Йому загрожував арешт,
і він був змушений залишити Німеччину, не дивлячись на те що почав підготовку до захисту
докторської дисертації. Переїхавши до Швейцарії, він вступає до знаменитого Цюріхський
політехнікум для завершення вищої освіти, при цьому йому довелося подолати
чимало труднощів, в тому числі і матеріальних.
У 1889 р. Штейнмеца блискуче закінчує Політехнікум і
за порадою одного з друзів-американців вирішується виїхати до США, де неважко було
знайти роботу, а поліція не мала на соціалістів.
У ті роки, як писав один з біографів, США, завдяки
видатним винаходів Едісона, Белла та інших, стали своєрідною Меккою електротехніки.
Штейнмеца добре знав історію відкриттів у цієї нової прогресивної галузі науки і
техніки.
Але жалюгідний вигляд Штейнмеца, незнання ним англійської мови
і відсутність інженерного досвіду ніяк не сприяли влаштування на роботу. Йому
допоміг знайомий з Німеччини - емігрант, який володів невеликим електротехнічним заводом
поблизу Нью-Йорка.ой шлях на посаді кресляра з дуже невеликим окладом. У той час
основною областю застосування електрики було висвітлення. Виробництво електричних
машин і апаратів постійного струму здійснювалося на основі примітивної емпірики,
наукових методів розрахунку ще не існувало. Незабаром на заводі стали виготовляти
тягові електродвигуни, й надзвичайно освічена кресляр не забарився висловити
пропозиції про поліпшення конструкції цих машин. Його призначають керівником конструкторського
відділу.
Штейнмеца уже вільно володів англійською мовою, почав виробляти
задумані їм розрахунки при проектуванні машин і апаратів і дуже швидко зумів
довести доцільність та ефективність своїх методів. Він починає відвідувати засідання
відомого Американського інституту інженерів-електриків, незабаром стає членом
цього інституту, нерідко виступаючи з змістовними повідомленнями.
Одного разу він публічно спростував висновки одного з видатних інженерів
про «реакцію якоря» в машинах змінного струму. Доповідач не погодився з зауваженнями
і заявив: «Нехай критик покаже, як це зробити!» Штейнмеца прийняв виклик і, зробивши
досить складні розрахунки, в тій же аудиторії довів свою правоту під загальне схвалення
слухачів, у тому числі і доповідача. Цей випадок неймовірно швидко зміцнив авторитет
Штейнмеца серед фахівців.
Першим важливим відкриттям Штейнмеца, що принесли йому світову
популярність, був висновок формули для визначення втрат на перемагнічування в сталевих
магнітопровода машин змінного струму (втрат «на гістерезис»). Показник, що введений
Штейнмеца, отримав назву "коефіцієнт Штейнмеца».
Як це часто буває, спочатку його висновки були сприйняті
скептично, але після доповіді в 1892 р. в Інституті інженерів-електриків були схвалені
і незабаром увійшли в підручники. Методи визначення втрат при розрахунку конструкцій електричних
машин і апаратів зіграли величезну роль у прогресі електромашинобудування. Молодому
вченому і інженеру-конструктору в той час виповнилося лише 27 років!
80-90-ті роки XIX століття в історії електротехніки стали переломними.
До цього часу були розроблені і отримали різноманітне застосування електричні
машини та апарати, створена перша практично придатна лампа розжарювання, побудовані
прості і надійні трифазні двигуни, здійснена унікальна лінія електропередач
змінного струму Лауфен-Франкфурт (Німеччина) на величезну відстань - 170 км при
напрузі 15 кВ. Було покладено початок електрифікації: електрична енергія впроваджувалася
у промисловість, транспорт, побут і зв'язок.
Для створення нових машин і апаратів організуються найбільші
електротехнічні компанії, помітне місце серед них займала американська фірма
General Electric Company (GEC).
в 1893 GEC вирішила придбати підприємства порівняно
невеликої фірми, на якій працював Штейнмеца. Домовитися з главою фірми було неважко,
але як бути з Штейнмеца? «Не можна ж було, - як писав один з керівників
GEC, - внести його в інвентарний список, як цінно було зацікавити відомого
вже фахівця і залучити його до роботи.
Що стосується Штейнмеца, то його насамперед цікавила
можливість реалізувати свої новаторські ідеї з проектування машин і апаратів
змінного струму. У 1893 р. він стає провідним спеціалістом фірми GEC і переїжджає
в місто Лінн, де знаходився головний завод компанії. Пізніше центр був переведений
в що став широко відомим місто Скінектеді (штат Нью-Йорк).
На відміну від багатьох своїх сучасників, серед яких
були й відомі фахівці, Штейнмеца глибоко вірив у майбутнє змінних струмів
і стверджував, що століття постійного струму підходить до кінця.
Але складні процеси, що відбуваються в ланцюгах змінного струму,
зокрема, миттєві і діючі значення, фазові зрушення, реактивності і т.
д., здавалися багатьом вченим і інженерам не піддаються точним розрахункам. Штейнмеца
прагнув дати інженерові «надійне знаряддя» - необхідні знання і вміння застосовувати
їх на практиці.
Щоб оцінити науковий і громадянський подвиг Штейнмеца, варто
трохи розповісти про той час, коли він почав свої піонерські дослідження. У
ті роки з небаченою гостротою розгорнулася боротьба між прихильниками постійного
і змінного струмів. Машини та апарати постійного струму, а також електричне освітлення
вже близько двох десятиліть застосовувалися в промисловості та побуті. Власники електротехнічних
підприємств бачили в змінному струмі загрозу своїм капіталам і побоювалися конкуренції.
Їх підтримували багато вчених і інженери, не вірили в практичне застосування
змінного струму.
Як приклад достатньо привести позицію самого знаменитого
винахідника і підприємця Т. А. Едісона, на підприємствах якого випускалися
машини, апарати і прилади постійного струму. Коли в 1889 р. Едісона запросили
ознайомитися з трифазним двигуном Долив-Добровольського, він не тільки відмовився
від запрошення, але і привселюдно заявив: «Ні, ні, змінний струм - це дурниця,
що не має майбутнього. Я не тільки не хочу оглядати двигун змінного струму,
але і знати про нього! »
За словами одного з біографів Едісона, «король винахідників»,
як його називали, який прожив довге життя (1847-1931) і що став живим свідком
грандіозних успіхів змінного струму, багато віддав би, щоб забрати сказані ним
слова.
Прихильники постійного струму докладали всіх зусиль, щоб
скомпрометувати своїх конкурентів. Так, наприклад, введення страти на електричному
стільці в одному з штатів Америки в 1889 р. наочно підтверджувало небезпека змінного
струму високої напруги для людського життя.
Виступаючи на захист застосування змінного струму, Штейнмеца
вперше переконливо доводив, що аналіз процесів у таких колах можливий тільки
за допомогою вищої математики, якої інженери володіли недостатньо або не знали
зовсім. Він розробляє «символічний» метод розрахунку складних ланцюгів змінного
струму, що приніс йому всесвітню популярність. Учений довів, що використання векторних
діаграм, пріменявшіхло точних результатів. Найбільш ефективним, на його думку,
було застосування комплексних чисел, які давали можливість замінити геометричні операції
над векторами алгебраїчними діями з комплексними числами.
Символічний метод швидко набув поширення, увійшов
до підручників і з успіхом застосовувався інженерами-електриками та радіотехніка. Минуло
більше вже століття, а й у наші дні він є основою для аналізу і розрахунку ланцюгів
змінного струму. Сам Штейнмеца вважав, що розроблений ним метод є самим
великим внеском, зробленим їм в теоретичну електротехніку.
Перший доповідь Штейнмеца під назвою «Комплексні числа
та їх застосування в електротехніці »був зроблений в 1893 р. в Чикаго на Міжнародному
електротехнічному конгресі. Його виступ було названо фахівцями «чудовим
і класичним ». До речі, учасником цього конгресу був молодий талановитий учений,
майбутній винахідник радіо А. С. Попов.
Штейнмеца намагається швидше розробити навчальний посібник
для студентів і в 1897 р. видає свій перший фундаментальну працю «Теорія і розрахунок
явищ змінного струму », незабаром переведений на німецьку та французьку мови,
а до 1916 р. цей праця вже витримав п'ять (!) видань.
Вчений, інженер, конструктор, Людина
Авторитет Штейнмеца стрімко зростає, і він стає
одним з провідних вчених-електротехніків світу. Його називали «фонтаном ідей» і «чудодеем
електротехніки ». Власники GEC говорили, «... що їх головний капітал не в сотнях
мільйонів доларів, а в геніальному мозку доктора Штейнмеца ». Що ж до його
соціал-демократичних переконань, то господарі концерну вважали це «дивацтвом генія».
Діапазон наукових і експериментальних досліджень Штейнмеца
разючий, він охопив практично всі найважливіші напрямки сільноточной електропромисловості.
Серед патентів на його винаходу - генератори й електродвигуни, трансформатори,
розрядники, електротермічні і світлотехнічні пристрої, випрямляючі техніка.
Кожного разу, коли виникала потреба в абсолютно нових
машинах і апаратах, зверталися до Штейнмеца. Так, в 1903 р. відомий американський
винахідник в області високочастотної техніки і радіо, піонер радіолокації Р. О.
Фессенден Штейнмеца попросив допомогти йому в розробці високочастотного генератора,
повідомивши основні параметри машини. Штейнмеца побудував один з перших у світі оригінальних
високочастотних генератор, що виробляє струм з частотою 10 кілогерців. Це був
його помітний внесок в розвиток радіозв'язок. Пізніше на основі його розробок
в США були створені генератори з частотою 75 і 100 кілогерців.
Штейнмеца зацікавився ще однієї, мало вивченою проблемою
- Захистом ліній електропередач та електрозв'язку від ударів блискавки. Електричні розряди
в атмосфері давно привертали увагу вчених різних країн, були створені громовідводи
і громовідводи, але справжня фізична сутність процесів не була встановлена.
Штейнмеца сам був свідком руйнівної дії працював
влітку, буквально було розгромлено, пошкоджені стовбури дерев і великі речі в будинку,
зокрема, вщент було розбито дзеркало. Уважно оглянувши будиночок, Штейнмеца
зібрав шматки дзеркала, розташувавши їх між листами скла, і зумів знайти шлях
розряду. Це був своєрідний «портрет» блискавки - ніхто до нього не створював подібного
«Макета».
Але щоб вивчити фізику атмосферних розрядів, потрібно було
створити генератор імпульсів високої напруги, своєрідною штучної блискавки.
У наш час такі генератори широко використовуються в заводських випробувальних лабораторіях
і в різних установках, відомих під назвою ГІН.
У 1921 р. Штейнмеца спроектував унікальний для того часу
ГІН, виготовлений на одному з заводів фірми, що дозволяв отримувати напругу до
120 кіловольт при потужності близько 1 млн кінських сил. За допомогою такого ГІН'а він
зумів в загальних рисах описати фізичні процеси, що супроводжували удари блискавки. Незабаром
він спроектував і побудував більш потужний ГІН, але нові досліди йому не судилося
здійснити через раптової смерті.
Учні і послідовники Штейнмеца зуміли створити ГІН на
10 тис. кіловольт (такого ще не було), який демонструвався на Всіма?? ної виставці
у Нью-Йорку в 1939 р. Зал, де був встановлений ГІН, називався Steinmetz Hall.
Крім фундаментальних досліджень в галузі теоретичної
електротехніки і величезного числа інженерних рішень в електротехнічної промисловості
Штейнмеца цікавився, як уже зазначалося, і проблемами електрозв'язку, йому належать
оригінальні роботи з термодинаміки, теорії випромінювання, теорії відносності, астрономії
та метеорології. Можна тільки дивуватися з того, що це зроблено однією людиною. Зауважимо
ще раз, що багато його праці були перекладені на інші мови.
Штейнмеца був першим відомим закордонним вченим-електротехніком,
із захопленням сприйняли звістку про план ГОЕЛРО, і опублікував в авторитетному американському
журналі «Электрикал уорлд» велику статтю «Радянський план електрифікації Росії».
Він закликав американські фірми надати Росії фінансову допомогу для реалізації плану.
Про це він написав В.І. Леніну і жалкував, що за станом здоров'я не може відвідати
Росію. Ленін відповів Штейнмеца дуже доброзичливим листом, і вони обмінялися
фотографіями.
Великі заслуги Штейнмеца у підготовці висококваліфікованих
інженерів-електриків в США. З 1903 р. він став професором Юніон-Коледжу в Скінектеді,
був автором багатотомної бібліотеки навчальних посібників, підготував чимало фахівців
для роботи на підприємствах GEC.
У 1902 р. Гарвардський університет надав Штейнмеца вчений
ступінь магістра мистецтв, а Юніон-Коледж - ступінь доктора філософії. Він був президентом
Американського світлотехнічного суспільства. Штейнмеца було всього 36 років, коли він
став президентом Американського інституту інженерів-електриків. Цей інститут нагородив
його почесною золотою медаллю Едісона.
Про разючою скромності Штейнмеца говорить його воістину
спартанський спосіб жізмфорту і розкоші, не мав свого автомобіля, не носив модних
костюмів, їв просту, скромну їжу. Він завжди був захоплений ідеями та творчої
роботою.
Його дачний будиночок, де він любив жити влітку, - це невелика
бідно обставлена кімната з величезним робочим «плотницький» столом, схожим на верстат.
У столі було багато ящиків, де лежали необхідні книги і рукописи, все було зручно
для креслення та листи. У будиночку навіть не було телефону. Широко відкрите вікно виходило
в невеликий садок, звідки доносився спів птахів. Штейнмеца дуже любив природу, птахів,
тварин і зворушливо ставився до дітей, яких завжди щедро пригощав, а вони юрбою
бігали за ним, називаючи його Daddy Steinmetz!
За його потворною зовнішністю ховалася душа доброзичливого
людини, завжди готового допомогти кожному, хто цього потребував. Він мав на фірмі
відкритий рахунок, але ніколи не збирав грошей, роздаючи їх бідним. Після його смерті не
залишилося ніяких заощаджень.
Все життя, незважаючи на слабке здоров'я, Штейнмеца, перемагаючи
недуги, невтомно працював. Незадовго до смерті він прийняв запрошення відвідати Західні
штати і виступити з доповідями. Особливим успіхом користувалися його лекції «Електрика
і цивілізація », які нерідко відвідували до 5 тис. осіб. Цікава, але стомлююча
поїздка різко погіршила стан здоров'я Штейнмеца, і 26 жовтня 1923 р. він помер
у віці 58 років. Як багато він міг би ще зробити, якщо б він жив, як, наприклад,
Едісон і Тесла більше 80 років!
Вся Америка сумує у зв'язку з кончиною Штейнмеца. Коли
труну з його тілом опускали в могилу на цвинтарі в Скінектеді, на підприємствах гігантського
концерну GEC були припинені на 5 хвилин всі роботи.
Список літератури
1. Белькінд Л.Д. Чарльз Протеус Штейнмеца. - М.: Наука,
1965.
2. Шателем М.А. Професор Ч. Штейнмеца// Електрика. 1923. № 12.
3. Шнейберг Я.А. Лист з-за океану// Наука и жизнь.
1980. № 4.
4. Шнейберг Я.А. (співавтор) Історія електротехніки/Под
ред. акад. І.А. Глєбова. - М.: Изд. МЕІ, 1999.
Для підготовки даної роботи були використані матеріали
з сайту http://www.connect.ru/
