Чудодей электричества
Ян Шнейберг
К 140-Летию со дня рождения Ч. П. Штейнмеца
Со смертью Штейнмеца мы потеряли выдающуюся фигуру в мире электричества. В нем гениально сочетались оригинальные идеи со способностью предвидеть их практические результаты.
Предложенные им математические методы в корне изменили направления развития многих отраслей электротехники... С его смертью образовалась пустота, которую нельзя заполнить.
Из некрологов о Штейнмеце в США
Математик, ученый-электротехник, инженер и изобретатель
Имя Чарльза Протеуса Штейнмеца (1865–1923) – выдающегося американского ученого-электротехника, известно всему миру. Он был шеф-электриком крупнейшего американского электротехнического концерна — фирмы «Дженерал Электрик Компани» (GEC), и его по праву называли «самым крупным оборудованием» фирмы.
Штейнмец прославился поистине пионерскими исследованиями и изобретениями в области электротехники и электропромышленности. В нем гармонично сочетались выдающиеся качества математика, ученого-электротехника, инженера и изобретателя. Он вошел в историю науки и техники как создатель «символического» метода расчета сложных цепей переменного тока, который и в наши дни широко используется учеными и инженерами, работающими в области электротехники и радиотехники.
В 1903 г. Штейнмец разработал оригинальный высокочастотный генератор с частотой 10 килогерц для новой в то время области – радиосвязи. Им было сконструировано несколько уникальных генераторов импульсов высокого напряжения (ГИН), первый из них (1921 г.) создавал напряжение до 120 киловольт при мощности около 1 млн лошадиных сил.
Многие годы Штейнмец был профессором Юнион-Колледжа, по его учебникам учились сотни видных американских инженеров-электриков. Он был первым всемирно известным зарубежным ученым-электротехником, с восторгом воспринявшим известие о разработанном в России плане ГОЭЛРО и предложившим свою помощь в его реализации. К сожалению, преждевременная смерть помешала ему осуществить задуманные мечты!
Немецкий инженер прославляет Америку
10 апреля 1865 г. в немецком городе Бреславле (ныне город Вроцлав – Польша) в бедной рабочей семье родился мальчик, которого назвали Карлом. Много позднее, после натурализации в Соединенных Штатах Америки, где Штейнмец прожил большую часть жизни, он стал называться Чарльзом. Что касается его второго имени – Протеус, то об этом несколько позднее.
В те годы город Бреславль еще принадлежал Германии. Предки Карла были рабочими и ремесленниками – об этом говорит и сама фамилия Steinmetz (в пер. с нем. – каменотес), некоторые из них были немцами, другие – поляками.
Бедность семьи сопровождалась тяжелым недугом: отец и дядя Карла болели туберкулезом, а мать умерла от холеры, когда малышу исполнился всего один год, и его воспитывала бабушка.
Карл родился хилым, больным ребенком, уже в детстве у него обнаружилась начальная стадия костного туберкулеза и большой горб. Глядя на него,льчик станет знаменитым ученым, прославившим династию Штейнмецов.
Состояние здоровья Карла не могло не отразиться на его образе жизни, и, будучи очень смышленым ребенком, он рано начал читать, старался приобрести знания, в то время когда его сверстники занимались детскими играми. Уже в классической Бреславльской гимназии проявились его незаурядные способности, он с увлечением занимался естественными науками, математикой и иностранными языками и вскоре хорошо овладел греческим и латинским. Не имея достаточных денежных средств, он еще гимназистом занимался репетиторством.
Этот горбун с непомерно большой головой пользовался уважением среди сокурсников как очень образованный, умный и добрый человек. Небезынтересно отметить, что на уроках математики и физики он часто выступал со своими вариантами решения задач, вызывая удивление и уважение учителей.
В 1882 г. Штейнмец с отличием окончил гимназию и без экзаменов был принят на философский факультет Бреславльского университета. Очень скоро необычайно способный студент, блестяще выступавший перед своими однокурсниками и профессорами, избирается членом Математического общества при университете. Одновременно он с успехом изучает богословские науки.
Как все студенты, Штейнмец был принят в «корпорацию земляков», но в отличие от многих, увлекавшихся спортом, кутежами и дуэлями, он неустанно овладевал знаниями. Корпоранты, по традиции дававшие прозвища своим членам, нарекли Штейнмеца «Протеем» – в честь изворотливого мифического существа, способного менять свой внешний вид. Штейнмец с успехом превращался из математика в богослова, из философа в экономиста, всегда был готов ответить на любые вопросы. Позднее, переехав в Америку, он принял корпоративное прозвище в качестве своего второго имени – Протеус.
В 80-е годы в Германии заметное влияние среди молодежи приобретают социал-демократические идеи, и Штейнмец становится активным членом нелегального кружка социалистов и редактором социал-демократической газеты. Ему угрожал арест, и он был вынужден покинуть Германию, несмотря на то что начал подготовку к защите докторской диссертации. Переехав в Швейцарию, он поступает в знаменитый Цюрихский политехникум для завершения высшего образования, при этом ему пришлось преодолеть немало трудностей, в том числе и материальных.
В 1889 г. Штейнмец блестяще заканчивает Политехникум и по совету одного из друзей-американцев решается уехать в США, где нетрудно было найти работу, а полиция не преследовала социалистов.
В те годы, как писал один из биографов, США, благодаря выдающимся изобретениям Эдисона, Белла и других, стали своеобразной Меккой электротехники. Штейнмец хорошо знал историю открытий в этой новой прогрессивной области науки и техники.
Но неказистый вид Штейнмеца, незнание им английского языка и отсутствие инженерного опыта никак не способствовали устройству на работу. Ему помог знакомый по Германии – эмигрант, владевший небольшим электротехническим заводом близ Нью-Йорка.ой путь в должности чертежника с очень небольшим окладом. В то время основной областью применения электричества было освещение. Производство электрических машин и аппаратов постоянного тока осуществлялось на основе примитивной эмпирики, научных методов расчета еще не существовало. Вскоре на заводе стали изготавливать тяговые электродвигатели, и необычайно образованный чертежник не замедлил высказать предложения об улучшении конструкции этих машин. Его назначают руководителем конструкторского отдела.
Штейнмец уже свободно владел английским языком, начал производить задуманные им расчеты при проектировании машин и аппаратов и очень быстро сумел доказать целесообразность и эффективность своих методов. Он начинает посещать заседания известного Американского института инженеров-электриков, вскоре становится членом этого института, нередко выступая с содержательными сообщениями.
Однажды он публично опроверг выводы одного из видных инженеров о «реакции якоря» в машинах переменного тока. Докладчик не согласился с замечаниями и заявил: «Пусть критик покажет, как это сделать!» Штейнмец принял вызов и, произведя весьма сложные расчеты, в той же аудитории доказал свою правоту под общее одобрение слушателей, в том числе и докладчика. Этот случай невероятно быстро укрепил авторитет Штейнмеца среди специалистов.
Первым важным открытием Штейнмеца, принесшим ему мировую известность, был вывод формулы для определения потерь на перемагничивание в стальных магнитопроводах машин переменного тока (потерь «на гистерезис»). Показатель, введенный Штейнмецем, получил название «коэффициент Штейнмеца».
Как это часто бывает, вначале его выводы были восприняты скептически, но после доклада в 1892 г. в Институте инженеров-электриков были одобрены и вскоре вошли в учебники. Методы определения потерь при расчете конструкций электрических машин и аппаратов сыграли огромную роль в прогрессе электромашиностроения. Молодому ученому и инженеру-конструктору в то время исполнилось лишь 27 лет!
80–90-е годы XIX века в истории электротехники стали переломными. К этому времени были разработаны и получили разнообразное применение электрические машины и аппараты, создана первая практически пригодная лампа накаливания, построены простые и надежные трехфазные двигатели, осуществлена уникальная линия электропередач переменного тока Лауфен–Франкфурт (Германия) на огромное расстояние – 170 км при напряжении 15 кВ. Было положено начало электрификации: электрическая энергия внедрялась в промышленность, транспорт, быт и связь.
Для создания новых машин и аппаратов организуются крупнейшие электротехнические компании, заметное место среди них занимала американская фирма General Electric Company (GEC).
В 1893 г. GEC решила приобрести предприятия сравнительно небольшой фирмы, на которой работал Штейнмец. Договориться с главой фирмы было нетрудно, но как быть со Штейнмецем? «Нельзя же было, – как писал один из руководителей GEC, – внести его в инвентарный список как ценно было заинтересовать известного уже специалиста и привлечь его к работе.
Что касается Штейнмеца, то его прежде всего интересовала возможность реализовать свои новаторские идеи по проектированию машин и аппаратов переменного тока. В 1893 г. он становится ведущим специалистом фирмы GEC и переезжает в город Линн, где находился головной завод компании. Позднее центр был переведен в ставший широко известным город Скинектеди (штат Нью-Йорк).
В отличие от многих своих современников, среди которых были и известные специалисты, Штейнмец глубоко верил в будущее переменных токов и утверждал, что век постоянного тока подходит к концу.
Но сложные процессы, происходящие в цепях переменного тока, в частности, мгновенные и действующие значения, фазовые сдвиги, реактивности и т. д., казались многим ученым и инженерам не поддающимися точным расчетам. Штейнмец стремился дать инженеру «надежное орудие» – необходимые знания и умение применять их н
Чтобы оценить научный и гражданский подвиг Штейнмеца, стоит немного рассказать о том времени, когда он начал свои пионерские исследования. В те годы с невиданной остротой развернулась борьба между сторонниками постоянного и переменного токов. Машины и аппараты постоянного тока, а также электрическое освещение уже около двух десятилетий применялись в промышленности и быту. Владельцы электротехнических предприятий видели в переменном токе угрозу своим капиталам и опасались конкуренции. Их поддерживали многие ученые и инженеры, не верившие в практическое применение переменного тока.
В качестве примера достаточно привести позицию самого знаменитого изобретателя и предпринимателя Т. А. Эдисона, на предприятиях которого выпускались машины, аппараты и приборы постоянного тока. Когда в 1889 г. Эдисона пригласили ознакомиться с трехфазным двигателем Доливо-Добровольского, он не только отказался от приглашения, но и во всеуслышание заявил: «Нет, нет, переменный ток – это вздор, не имеющий будущего. Я не только не хочу осматривать двигатель переменного тока, но и знать о нем!»
По словам одного из биографов Эдисона, «король изобретателей», как его называли, проживший долгую жизнь (1847–1931) и ставший живым свидетелем грандиозных успехов переменного тока, много отдал бы, чтобы забрать сказанные им слова.
Сторонники постоянного тока прилагали все усилия, чтобы скомпрометировать своих конкурентов. Так, например, введение смертной казни на электрическом стуле в одном из штатов Америки в 1889 г. наглядно подтверждало опасность переменного тока высокого напряжения для человеческой жизни.
Выступая в защиту применения переменного тока, Штейнмец впервые убедительно доказывал, что анализ процессов в таких цепях возможен только с помощью высшей математики, которой инженеры владели недостаточно или не знали вовсе. Он разрабатывает «символический» метод расчета сложных цепей переменного тока, принесший ему всемирную известность. Ученый доказал, что использование векторных диаграмм, применявшихло точных результатов. Наиболее эффективным, по его мнению, было применение комплексных чисел, позволявших заменить геометрические операции над векторами алгебраическими действиями с комплексными числами.
Символический метод быстро получил распространение, вошел в учебники и с успехом применялся инженерами-электриками и радиотехниками. Прошло уже более века, но и в наши дни он является основой для анализа и расчета цепей переменного тока. Сам Штейнмец считал, что разработанный им метод является самым крупным вкладом, сделанным им в теоретическую электротехнику.
Первый доклад Штейнмеца под названием «Комплексные числа и их применение в электротехнике» был сделан в 1893 г. в Чикаго на Международном электротехническом конгрессе. Его выступление было названо специалистами «замечательным и классическим». Кстати, участником этого конгресса был молодой талантливый ученый, будущий изобретатель радиоприемника А. С. Попов.
Штейнмец старается быстрее разработать учебное руководство для студентов и в 1897 г. издает свой первый фундаментальный труд «Теория и расчет явлений переменного тока», вскоре переведенный на немецкий и французский языки, а к 1916 г. этот труд уже выдержал пять (!) изданий.
Ученый, инженер, конструктор, Человек
Авторитет Штейнмеца стремительно возрастает, и он становится одним из ведущих ученых-электротехников мира. Его называли «фонтаном идей» и «чудодеем электротехники». Владельцы GEC говорили, «...что их главный капитал не в сотнях миллионов долларов, а в гениальном мозгу доктора Штейнмеца». Что же касается его социал-демократических убеждений, то хозяева концерна считали это «чудачеством гения».
Диапазон научных и экспериментальных исследований Штейнмеца поразителен, он практически охватил все важнейшие направления сильноточной электропромышленности. Среди патентов на его изобретения – генераторы и электродвигатели, трансформаторы, разрядники, электротермические и светотехнические устройства, выпрямительная техника.
Каждый раз, когда возникала потребность в совершенно новых машинах и аппаратах, обращались к Штейнмецу. Так, в 1903 г. известный американский изобретатель в области высокочастотной техники и радио, пионер радиолокации Р. О. Фессенден попросил Штейнмеца помочь ему в разработке высокочастотного генератора, сообщив основные параметры машины. Штейнмец построил один из первых в мире оригинальных высокочастотных генераторов, вырабатывавший ток с частотой 10 килогерц. Это был его заметный вклад в развивавшуюся радиосвязь. Позднее на основе его разработок в США были созданы генераторы с частотой 75 и 100 килогерц.
Штейнмец заинтересовался еще одной, мало изученной проблемой – защитой линий электропередач и электросвязи от ударов молнии. Электрические разряды в атмосфере давно привлекали внимание ученых разных стран, были созданы молниеотводы и громоотводы, но подлинная физическая сущность процессов не была установлена.
Штейнмец сам был свидетелем разрушительного действия работал летом, буквально был разгромлен, повреждены стволы деревьев и крупные вещи в доме, в частности, вдребезги было разбито зеркало. Внимательно осмотрев домик, Штейнмец собрал куски зеркала, расположив их между листами стекла, и сумел обнаружить путь разряда. Это был своеобразный «портрет» молнии – никто до него не создавал подобного «макета».
Но чтобы изучить физику атмосферных разрядов, нужно было создать генератор импульсов высокого напряжения, своеобразной искусственной молнии. В наше время такие генераторы широко используются в заводских испытательных лабораториях и в различных установках, известных под названием ГИН.
В 1921 г. Штейнмец спроектировал уникальный для того времени ГИН, изготовленный на одном из заводов фирмы, позволявший получать напряжение до 120 киловольт при мощности около 1 млн лошадиных сил. С помощью такого ГИН’а он сумел в общих чертах описать физические процессы, сопровождавшие удары молнии. Вскоре он спроектировал и построил более мощный ГИН, но новые опыты ему не суждено было осуществить из-за внезапной кончины.
Ученики и последователи Штейнмеца сумели создать ГИН на 10 тыс. киловольт (такого еще не было), который демонстрировался на Всемирной выставке в Нью-Йорке в 1939 г. Зал, где был установлен ГИН, назывался Steinmetz Hall.
Кроме фундаментальных исследований в области теоретической электротехники и огромного числа инженерных решений в электротехнической промышленности Штейнмец интересовался, как уже отмечалось, и проблемами электросвязи, ему принадлежат оригинальные труды по термодинамике, теории излучения, теории относительности, астрономии и метеорологии. Можно только удивляться тому, что это сделано одним человеком. Заметим еще раз, что многие его труды были переведены на другие языки.
Штейнмец был первым известным зарубежным ученым-электротехником, с восторгом воспринявшим известие о плане ГОЭЛРО, и опубликовал в авторитетном американском журнале «Электрикал уорлд» большую статью «Советский план электрификации России». Он призывал американские фирмы оказать России финансовую помощь для реализации плана. Об этом он написал В.И. Ленину и сожалел, что по состоянию здоровья не может посетить Россию. Ленин ответил Штейнмецу очень доброжелательным письмом, и они обменялись фотографиями.
Велики заслуги Штейнмеца в подготовке высококвалифицированных инженеров-электриков в США. С 1903 г. он стал профессором Юнион-Колледжа в Скинектеди, был автором многотомной библиотеки учебных пособий, подготовил немало специалистов для работы на предприятиях GEC.
В 1902 г. Гарвардский университет присвоил Штейнмецу ученую степень магистра искусств, а Юнион-Колледж – степень доктора философии. Он был президентом Американского светотехнического общества. Штейнмецу было всего 36 лет, когда он стал президентом Американского института инженеров-электриков. Этот институт наградил его почетной золотой медалью Эдисона.
О поразительной скромности Штейнмеца говорит его поистине спартанский образ жизмфорту и роскоши, не имел своего автомобиля, не носил модных костюмов, ел простую, скромную пищу. Он всегда был поглощен идеями и творческой работой.
Его дачный домик, где он любил жить летом, – это небольшая бедно обставленная комната с огромным рабочим «плотницким» столом, похожим на верстак. В столе было много ящиков, где лежали необходимые книги и рукописи, все было удобно для черчения и письма. В домике даже не было телефона. Широко открытое окно выходило в небольшой садик, откуда доносилось пение птиц. Штейнмец очень любил природу, птиц, животных и трогательно относился к детям, которых всегда щедро угощал, а они гурьбой бегали за ним, называя его Daddy Steinmetz!
За его уродливой внешностью скрывалась душа доброжелательного человека, всегда готового помочь каждому, кто в этом нуждался. Он имел на фирме открытый счет, но никогда не копил денег, раздавая их бедным. После его смерти не осталось никаких сбережений.
Всю жизнь, несмотря на слабое здоровье, Штейнмец, превозмогая недуги, неустанно трудился. Незадолго до смерти он принял приглашение посетить Западные штаты и выступить с докладами. Особым успехом пользовались его лекции «Электричество и цивилизация», которые нередко посещали до 5 тыс. человек. Интересная, но утомительная поездка резко ухудшила состояние здоровья Штейнмеца, и 26 октября 1923 г. он скончался в возрасте 58 лет. Как много он мог еще сделать, если бы прожил, как, например, Эдисон и Тесла более 80 лет!
Вся Америка скорбила в связи с кончиной Штейнмеца. Когда гроб с его телом опускали в могилу на кладбище в Скинектеди, на предприятиях гигантского концерна GEC были прекращены на 5 минут все работы.
Список литературы
1. Белькинд Л.Д. Чарльз Протеус Штейнмец. – М.: Наука, 1965.
2. Шателен М.А. Профессор Ч. Штейнмец // Электричество. 1923. № 12.
3. Шнейберг Я.А. Письмо из-за океана // Наука и жизнь. 1980. № 4.
4. Шнейберг Я.А. (соавтор) История электротехники / Под ред. акад. И.А. Глебова. – М.: Изд. МЭИ, 1999.