Текст книги "История выдающихся открытий и изобретений"

Автор книги: Ян Шнейберг

Ян Абрамович Шнейберг
История выдающихся открытий и изобретений (электротехника, электроэнергетика, радиоэлектроника)

Научно-популярное издание

М.: Издательский дом МЭИ, 2009. – 118 с.: ил.

ISBN 978-5-383-00328-2

Редактор М.П. Соколова

Художественный редактор Ю.А. Землеруб

Технический редактор ТА. Дворецкова

Корректор В. В. Сомова

Компьютерная верстка В.В. Пак

Книга посвящена истории выдающихся открытий и изобретений в области электротехники, электроэнергетики и радиоэлектроники. Наиболее подробно изложена история электротехники – от первых наблюдений электрических и магнитных явлений еще до нашей эры до создания устройств, машин и приборов современного типа. Более кратко рассмотрено зарождение радиоэлектроники – от открытия термоэлектронной эмиссии до создания первых радиоприемников, радиоламп и зарождения техники СВЧ.

Книга может быть полезной молодым людям, вступающим на путь творчества, – школьникам старших классов, студентам, аспирантам, молодым инженерам и научным работникам, а также начинающим преподавателям физики и электротехники.

Предисловие

Эта книга для тех, кто со школьной скамьи интересуется техникой, кто с увлечением проводит свободное время в физическом кабинете, кто участвует в проведении экспериментов с физическими и электротехническими приборами и кто в будущем мечтает стать изобретателем, создателем новых технических устройств.

В современном мире, благодаря гигантским усилиям многих тысяч выдающихся деятелей науки и техники разных стран, достигнуты невиданные успехи в открытии и изучении законов природы и их использования на благо человечества.

Как известно, одним из магистральных направлений научно– технического прогресса является электротехника. По мере ее развития во второй половине XIX в. были созданы условия для возникновения и бурного развития электрификации. Под электрификацией понимается широкое внедрение электрической энергии во все сферы народного хозяйства. Она проникла во все отрасли современной промышленности, транспорта, сельского хозяйства, быта, обеспечила автоматизацию производственных процессов, получение и передачу сигналов и информации. Сегодня нет такой области техники, где бы ни использовалась электрическая энергия. Вне зависимости от того, в какой отрасли техники будет работать будущий специалист, он должен знать основы электротехники.

Поэтому автор настоящей книги стремился на конкретных примерах наиболее выдающихся открытий и изобретений в области электротехники и радиоэлектроники показать молодому читателю, мечтающему вступить на путь технического творчества, не только роль знания истории создания того или иного технического устройства, но и помочь ему в будущем сделать свой вклад в развитие науки и техники.

Но как показывает многовековой опыт человечества, каждому, кто вступает на тернистый путь служения науке и технике, нужно, прежде всего, научиться овладевать знаниями и неустанно стремиться к самообразованию и его непрерывному пополнению. Молодые люди должны проявить настойчивость и целеустремленность, умение преодолевать неизбежные трудности в процессе творческого труда и добиваться реализации своих идей и их внедрения в практику.

Рассказывая о выдающихся ученых и инженерах, создателях многих электротехнических устройств, автор стремился увлечь читателя своеобразной романтикой инженерного поиска, логикой творческой мысли и методологией изобретателя. И, наконец, возбудить желание молодого инженера или ученого попробовать свои силы в решении пусть пока несложных конкретных технических задач. Автор также старался кратко показать жизненные пути выдающихся деятелей науки и техники, как яркий пример служения человечеству и завидное умение предвидеть цветущее «древо» науки и техники, выросшее из пока еще мало заметных ростков будущего.

В заключение автор благодарит Издательский дом МЭИ за внимание и помощь в издании этой книги, а также АЯ. Шней– берг, Н.В. Голощапову и С. И. Кондакова за большую работу по подготовке рукописи к печати. Автор сознает, что книга не лишена недостатков и заранее благодарит читателей за их замечания и пожелания.

Автор

ГЛАВА 1 Знать прошлое, чтобы ориентироваться в настоящем и предвидеть будущее

Для строительства будущего нужны не только кирпичи настоящего, но и будущего!

Г.М. Кржижановский (1872-1959) – выдающийся отечественный ученый-энергетик, академик

Молодость – пора творческих свершений

Многие из будущих читателей книги свободно владеют компьютером, широко пользуются Интернетом, не говоря уже о сотовых телефонах. Но многолетний опыт успешной творческой деятельности выдающихся ученых и инженеров убедительно показывает, что указанных знаний совершенно недостаточно.

В современном взаимосвязанном и бурно развивающемся мире развитие науки и техники тесно связано с социальными, экономическими, историческими и экологическими процессами. Чтобы творчески решать актуальные научно-технические проблемы молодому специалисту нужно научиться глубоко осмысливать все эти сложные взаимосвязи научно-технического прогресса.

При этом нельзя забывать о невиданных темпах общественного развития, быстрой смене техники и технологии, сокращении пути от момента совершения открытия до его внедрения в производство. Так, например, для практической реализации принципа телефонной связи потребовалось более 25 лет (1850-1876), для радио почти 20 лет (1875-1895), для транзистора – 5 лет (1948-1953), а для интегральных схем всего 3 года (1958-1961), не говоря уже о самых последних открытиях в области микроэлектроники и информатики.

И если сравнительно не так давно время изменения технических средств превышало длительность жизни человека, и специалист учился своей профессии один раз на всю жизнь, то сегодня ему приходится переучиваться, и не один раз! Но этому еще надо научиться! При этом необходимо выработать систему навыков и стремление к постоянному самообразованию, творческому овладению новейшими достижениями науки и техники.

Изучение истории выдающихся открытий и изобретений, а также жизненного пути корифеев науки и техники убедительно показывает достойные примеры для подражания. Если, в частности, говорить о титанах электротехники, таких, как Фарадей, Генри, Ом, Эдисон, то они с юных лет проявили удивительное стремление к самообразованию и овладению знаниями, настойчивость и целеустремленность в достижении цели.

Многие из выдающихся ученых уже в юные годы поражали своими знаниями и способностями. Тринадцатилетний Ампер направил в Лионскую академию наук несколько мемуаров, в одном из которых высказал серьезные замечания по поводу одного из трудов всемирно известного математика Л. Эйлера. Девятнадцатилетний студент Высшей технической школы Никола Тесла высказал профессору свою идею о возможности создания электродвигателя переменного тока, и профессор перед всем курсом заявил, что «Тесла, несомненно, совершит великие дела, но осуществить высказанную им идею ему никогда не удастся». Как глубоко ошибался профессор!

Когда спрашивали одного из крупнейших английских физиков Д.Г. Стокса, почему он любит задавать студентам вопросы, на которые не мог ответить сам, он отвечал, что верит в то, что среди молодых людей, сидящих в аудитории, может найтись такой, который ответит на поставленный вопрос. И таким студентом оказался впоследствии известный ученый Д.К. Максвелл, который в 14 лет написал первую научную статью, а в 22 года уже начал «браконьерствовать» в области электричества, получив напутствие великого У. Томсона (Кельвина). А сам Томсон в 10-летнем возрасте стал студентом университета в Глазго, а в 22 – профессором этого университета. Создателем первого генератора с кольцевым якорем был 19-летний студент (позднее профессор Пизанского университета) А. Пачинотти.

Подобные примеры можно было бы продолжить.

Автор, конечно, неслучайно рассказывает об изобретениях и открытиях в области электротехники, именно им посвящена настоящая книга.

Электротехника – одна из магистральных направлений или отраслей современной науки и техники. Как известно, решающая роль в развитии научно-технического прогресса принадлежит электрификации – широкому внедрению электрической энергии в народное хозяйство и быт, и сегодня нет такой области техники, где в том или ином виде не использовалась бы электрическая энергия. Она может передаваться на огромнейшие расстояния с большим КПД, легко трансформироваться и превращаться в другие виды энергии – тепловую, механическую, химическую и др. В наши дни знание основ электротехники необходимо любому инженеру – будь он металлург или строитель, теплоэнергетик или создатель автоматических устройств.

Основные закономерности развития науки и техники

Успешная творческая деятельность инженера невозможна без знания основных закономерностей развития техники, которые можно убедительно показать на примерах электротехники.

Прежде всего, как уже отмечалось, развитие техники происходит все более убыстренно на основе знаний и опыта, приобретенных предшествующими поколениями.

Далее – качественный уровень техники определяется степенью познания законов природы. Поэтому электрический двигатель или трансформатор, изготовленные на российском или американском заводах, в принципе не отличаются друг от друга. Однако на темпы и направления развития техники заметное влияние оказывают общественно-экономические структуры.

Одной из важнейших закономерностей развития техники является историческая обусловленность важнейших открытий и изобретений, они, как правило, возможны только тогда, когда создаются объективные предпосылки, потребность общества в том или ином техническом объекте с одной стороны, и возможность его создания, определяемая достижениями науки и техники. Именно поэтому, как убедится читатель, в последующих главах будет показано, как крупнейшие открытия и изобретения делались почти одновременно многими изобретателями и учеными в разных странах и независимо друг от друга.

Отсюда следует одна из важнейших закономерностей развития науки и техники – интернациональный характер выдающихся открытий и изобретений.

Роль личности в развитии науки и техники

Если все важнейшие открытия и изобретения вызваны объективной необходимостью, то успешная деятельность выдающейся личности определяется тем, насколько она овладела достижениями современной науки и техники, насколько она умеет видеть ростки нового и правильно оценивать старое. Но для этого, как уже отмечалось, необходимо знать историю важнейших открытий и изобретений. Только на конкретных примерах зарождения, развития и совершенствования каких– либо технических устройств можно познать диалектику научно-технического прогресса.

Можно встретить утверждения молодых инженеров или научных работников о том, нужно ли ему знать историю электротехники, если современную электротехнику он знает достаточно хорошо?

А автору хотелось бы задать встречный вопрос: можно ли представить хорошего музыканта, не знающего истории музыки, или художника (тоже, конечно, хорошего), не знающего истории живописи? Наверное, читатель согласится, что такого музыканта или художника представить трудно. А вот инженера или аспиранта, не знающего истории своей специальности, представить можно. Поверьте – это глубокое заблуждение.

Но важно понимать, что история электротехники есть только часть всеобщей истории цивилизации, которая впитала в себя весь накопленный человечеством опыт. Изучая историю, современный специалист – в какой бы области он не работал – неизбежно возвращается в минувшие столетия, мысленно встречается с выдающимися людьми, жившими ранее. «Мы можем, – как писалось в одной из монографий [Л. 1.3], – приобрести их опыт и мудрость, на что самостоятельно потребовались бы столетия. Время и пространство как бы расширяются».

Творческой личности нужно знать, что хотя большинство открытий и изобретений было обусловлено требованиями развивающегося производства, история науки и техники сохранила имена гениальных ученых и инженеров, которые своими идеями и изобретениями на все века опередили свое время. Достаточно вспомнить гениального Леонардо да Винчи (1452– 1519). Он мечтал, чтобы человек летал подобно птице. Сохранились его рисунки полета птиц, за которыми он мог наблюдать часами (рис. 1.1). И он создал летательный аппарат с машущими крыльями, приводимый в движение ногами и руками человека. Для его времени это было фантастическим изобретением.

Также поразительными были попытки Николы Теслы создать «летающий аппарат, управляемый по радио… на расстоянии тысячи миль» (1900). Управляемые по радио корабли им уже были созданы. Но Тесла мечтал создать «автомат, обладавший каким-либо элементом, аналогичным человеческому мозгу», который бы осуществлял действие, как будто «имел знания, рассудок, суждения и опыт». Он даже демонстрировал свой аппарат в лаборатории, который «…вызвал сенсационные отклики. Но истинное значение этой новой техники было не понято большинством и не оценено громадное значение его основного принципа». Это было поистине фантастическое изобретение, и понадобилось целое столетие, чтобы появились самонастраивающиеся, самообучающиеся быстродействующие интегральные логические микросхемы, электронные автоматы с памятью, микропроцессоры, осуществляющие мгновенную обработку и передачу информации. Уже созданы суперкомпьютеры, способные выполнять до шести триллионов(!) операций в секунду.

Рис. 1.1. Полеты птиц. Рисунок Леонардо да Винчи

История науки и техники сохранила немало гениальных идей, высказанных выдающимися деятелями разных стран, намного опередивших свое время и нереализованных до сих пор.

Например, в 1893 г. Тесла, выступая во Франклиновском институте в Филадельфии заявил, что он рассматривает проект передачи «электрической энергии на любые расстояния вовсе без помощи проводов… мое убеждение… так прочно, что я рассматриваю этот проект… уже не просто как теоретическую возможность, а как серьезную проблему электротехники, которая должна быть решена со дня на день». Но прожив долгую жизнь (Тесла умер в 1943 г.), он сам стал свидетелем несбыточности своей мечты. Да и в наши дни, несмотря на грандиозные успехи науки и техники, передача больших потоков электроэнергии без проводов пока еще не осуществлена. Как будет показано далее, многие отрасли современной электротехники выросли и развились из его работ, но неосуществленные идеи этого гениального ученого и инженера «продолжают волновать исследователей, звать их к новым поискам», – как писал известный электротехник и популяризатор науки Г.И. Бабат. Автор убежден, что молодые ученые и инженеры-электротехники могут стать пионерами в этих «новых поисках», но они должны знать и думать над тем, что предсказывал Тесла.

Хотелось бы высказать замечание о роли книг в процессе овладения знаниями. В современных условиях распространенности компьютеров и Интернета книги стали более доступны. Но на наш взгляд, книги содержат гигантский кладезь знаний, накопленный веками. И хороший специалист должен накапливать и хранить фундаментальные знания в собственной голове. И как говорил английский философ Ф. Бэкон: «Знания – сила. Мы можем столько, сколько знаем»!

Роль случайности в процессе открытий и изобретений

Способный ученый иди инженер-новатор отличаются еще и тем, что они умеют увидеть и осуществить то, что не по силам другому. Нередко в литературе можно встретить утверждение о случайном открытии или изобретении. Философы указывают, что случайность – это форма проявления необходимости.

Случайных открытий, как правило, не бывает: совершивший его человек, подготовлен к нему многолетней, упорной творческой деятельностью. Как писал знаменитый французский ученый Б. Паскаль: «Случайные открытия совершают только подготовленные умы».

По поводу изобретения англичанином Дж. Уаттом паровой машины существует несколько легенд. По одной из них идея машины возникла у него, когда он увидел сильно подпрыгивающую крышку кипящего чайника.

В связи с этим много лет назад были написаны несколько строк:

 
Когда, нахмурив лба морщины,
Кипящий чайник увидал Уатт,
Прообраз паровой машины
Он разглядел в нем, говорят.
Я много лет смотрю на чайник,
Я инженер и эрудит,
Но никаких необычайных
Во мне он мыслей не родит!
 

Можно встретить утверждения о «случайном» открытии М. Фарадеем явления электромагнитной индукции, или принципа двухфазного двигателя Н. Теслой, или звонкового реле в радиоприемнике А. С. Попова, или, наконец, создании электрической «свечи» П.Н. Яблочковым. В последующих главах читатель узнает подробно, как были сделаны эти открытия, сколько лет, бессонных ночей и тысяч экспериментов было затрачено выдающимися деятелями науки и техники.

У А.С. Пушкина есть удивительные поэтические строки, посвященные «чудным» открытиям:

 
О, сколько нам открытий чудных
Готовят просвещенья дух,
И опыт, сын ошибок трудных,
И гений, парадоксов друг,
И случай, бог изобретатель!
 

Поразительно, насколько всесторонне и образно сумел великий поэт (не «технарь»!) раскрыть процесс творчества! Эти строки были написаны, когда поэту едва исполнилось 29 лет.

Известно, что созданию разнообразных электрических машин, приборов и устройств предшествовали многочисленные теоретические изыскания и эксперименты, осуществленные выдающимися учеными разных стран. Очень полезной и интересной для молодых специалистов является книга видного ученого в области теории информации и радиосистем, а также истории электросвязи академика Международной академии информации М.А. Быховского «Круги памяти». (Серия изданий «История электросвязи и радиотехники». М.: МЦНТУ, 2001. Вып. 1.)

Рассказывая о значении знаменитых уравнений электромагнитного поля гениального английского физика Д.К. Максвелла (1831-1878), М.А. Быховский подчеркивает, что теория Максвелла, намного опередившая свое время, «не встретила при его жизни понимания и признания ни на его родине, в Англии, ни на континенте». Вместе с тем «немного можно назвать таких теоретических работ, которые оказали столь глубокое влияние на развитие многих направлений науки и техники и в итоге привели к изменению образа жизни уже нескольких поколений людей на Земле, как работы Д.К. Максвелла». Например, достаточно вспомнить, что эти уравнения привели Г. Герца к открытию радиоволн, а Н. Теслу, А. С. Попова и Г. Маркони к изобретению радио. «На этих уравнениях основывается современная радиотехника и радиоэлектроника с их многочисленными приложениями».

Профессор М.А. Быховский очень интересно, поучительно и в увлекательной форме рассказывает о выдающихся ученых и инженерах, сделавших немеркнущий вклад в развитие радиотехники, радиоэлектроники и электросвязи. На конкретных примерах их жизни и творчества он раскрывает закономерности развития науки и техники, и интернациональный характер важнейших открытий и изобретений, и роль личности в процессе раскрытия тайн природы. И хотя об этом уже рассказывалось в начале главы, хотелось бы привести несколько ярких и образных положений, изложенных в книге «Круги памяти».

М.А. Быховский подчеркивает, что «Познание человечеством Истины… приходит через конкретные личности, через ученых, наделенных творческим созидательным даром… Истина получает самостоятельную жизнь, оказывая влияние на ход материально реальной жизни…» и формирует духовный и интеллектуальный облик человечества. Большой ученый, обладающий от рождения талантом и даром интуиции, способен «…увидеть и понять то, что скрыто от его современников. Разумеется, в этих поисках он опирается на те идеи, на тот духовный багаж, которые накоплены человечеством». Новые теории дают направление научной мысли, в этом направлении начинают работать многие ученые и инженеры, «развивая эту теорию и применяя ее к актуальным практическим задачам».

Молодому специалисту следует знать и о том, что, как пишет М.А. Быховский, «…далеко не всегда стимулом к творчеству являются запросы практики. Весьма часто это внутренние стимулы, присущие творческой личности, которая по своей природе стремится к неизведанному. Только так можно объяснить появление идей и изобретений, на десятилетия опережающих запросы практики».

Очень образно это выражено в стихах мудрого всемирно известного дагестанского поэта Расула Гамзатова:

 
Мы все б тусклей гораздо жили
Или не жили бы давно,
Когда б на миг предположили,
Что все уже совершено.
Что за далекими горами
Не блещет новая гора,…
Что завтра повторим мы с вами
Лишь то, что сказано вчера.
 

Книга М.А. Быховского содержит более 200 страниц, и молодой читатель, несомненно, найдет в ней многое ему еще неизвестное в истории развития одной из важнейших областей современной науки и техники.

В заключение главы хотелось бы еще раз подчеркнуть, что «добывание» знаний и опыта – это гигантский труд. Многие ученые и инженеры, занимающиеся экспериментами, утверждают: безрезультатных опытов не бывает. Если 999 экспериментов из 1000 ничего не дали, то последний может оказаться тем, о котором вы мечтали. В науке один шанс из тысячи котируется выше, чем где бы то ни было, иначе сколько бы великих открытий, безумных с точки зрения так называемого «здравого смысла», до сих пор принадлежали бы неизвестности.

Жизнь и творчество многих талантливых ученых и инженеров схожа с восхождением на горную вершину, и у каждого свои вершины. Есть счастливцы, которые всю жизнь успешно штурмуют одну вершину за другой. Это богато одаренные от природы люди, обладатели могучего и неуемного таланта, не знающие старости.

Вот и молодой специалист, стремящийся к овладению знаниями, опираясь на труды выдающихся ученых и инженеров, подобно альпинисту, поднимается на свою вершину, с которой открываются горизонты неизведанного.

Это неизведанное иногда кажется неправдоподобным. Но, как писал известный австрийский писатель XX в. Стефан Цвейг в своем знаменитом «Письме незнакомки», – «Нет ничего прекрасней правды, кажущейся неправдоподобной»!