Połowa XIX wieku to był prawdziwie złoty okres rozwoju podstaw wiedzy o elektryczności. Ponieważ dostępne było już źródło, z którego można było czerpać dowolne ilości prądu (stos elektryczny Aleksandra Volty opisany w 1800 r. w liście do Królewskiej Akademii Nauk w Londynie), więc w pierwszej połowie wspomnianego stulecia dokonano dalszych odkryć w zakresie magnetyzmu, elektryczności i elektrodynamiki.
Zostały wytłumaczone podstawy fizyczne zjawisk elektrycznych i została opracowana teoria ich dotycząca. Jednocześnie z prostej aparatury laboratoryjnej zaczęły powstawać użyteczne urządzenia, w których wykorzystano odkryte prawa. Mniej więcej w tym samym czasie przypadała połowa życia Ampera, Oersteda, Gaussa, Ohma, Faradaya, Henry’ego, Webera, Lenza, Kirchhoffa i Maxwella, których nazwiska zostały później wybrane jako nazwy jednostek elektrycznych, magnetycznych lub praw dotyczących elektrotechniki.
Obok odkryć otwierających nowe rozdziały wiedzy o elektryczności w połowie XIX wieku zmienił się także sposób nauczania owej wiedzy. Początkowo wiedza o elektryczności była nauczana na uniwersytetach w ramach fizyki (wraz z mechaniką, nauką o cieple i optyką). Jeśli wspominano przy tym o zastosowaniach, to praktycznie mówiono wyłącznie o elektrochemii. Jednak rozwój wiedzy o możliwościach wykorzystania elektryczności do wykonywania pracy mechanicznej spowodował, że zaczęto nauczać elektrotechniki także na politechnikach. Pierwsze wykłady dotyczyły techniki telegraficznej, bo ona rozwinęła się najwcześniej. Potem doszła do tego telefonia i teoria sygnałów, a na koniec elektrotechnika silnych prądów z uwzględnieniem silników elektrycznych i prądnic, nauczana w ramach wydziałów budowy maszyn. W ślad za tym zaczęły powstawać fabryki produkujące różne urządzenia elektryczne, przy czym ze względu na potrzeby praktyki najwcześniej rozwinęły się przedsiębiorstwa budujące urządzenia telegraficzne i linie telegraficzne. Jako ciekawostkę można tu przytoczyć fakt, że sławny potem konstruktor maszyn elektrycznych i pojazdów elektrycznych Werner Siemens pierwszą swoją fabrykę nazwał Zakład Budowy Telegrafów (Telegraphen-Bau-Anstalt). Ale o telegrafach pisałem w poprzednim felietonie.
Natomiast prawdziwy rozwój elektrotechniki zaczął się wtedy, gdy zaczęto budować prądnice pozwalające dostarczać dużo prądu przez dowolnie długi okres czasu (baterie elektryczne trzeba było wymieniać). Na początku zapotrzebowanie na takie źródła energii elektrycznej głównie wiązały się z potrzebami elektrycznego oświetlenia. O rozwoju urządzeń elektrycznych generujących światło napiszę w następnym felietonie, natomiast teraz opowiem o początkach budowy prądnic.
Pierwsze doświadczenia związane z mechaniczną produkcją energii elektrycznej wykonał w 1831 r. Michał Faraday, ale zbudowany przez niego dysk nie mógł dostarczać dużej ilości prądu. Jednak pokazanie, że ruch przewodnika w polu magnetycznym zainspirowało Hippolite Pixiego do zbudowania urządzenia złożonego z nieruchomej cewki i wirującego pod nią magnesu podkowiastego. Działało!
Prądnica Pixiego dostarczała prądu zmiennego, podczas do większości zastosowań wiązała się z elektrochemią, a tam potrzebny był prąd stały. Dlatego ważnym uzupełnieniem tego wynalazku był komutator wynaleziony przez André-Marie Ampèra.
Prądnicę o większej mocy zbudował w 1842 r. Stephen Woolrich i zastosował ją w galwanizerni. Uzyskał na to patent, ale nie uruchomił produkcji. Kolejną próbę podjął Belg Floris Nollet. Zbudował on dużą prądnicę napędzaną maszyną parową, którą opatentował w Anglii w 1850 r. Jego prądnice obok wykorzystania w galwanizerni została zastosowana do zasilania lamp łukowych – najwcześniejszych form oświetlenia elektrycznego.
Produkcję zestawów prądnica – lampa podjął na szerszą skalę w 1878 r. August de Méritens, który swoje urządzenia sprzedawał między innymi na latarnie morskie. Jednocześnie zauważywszy, że łuk elektryczny w lampie ma bardzo wysoką temperaturę – de Méritens opracował i opatentował w 1881 r. technologię spawania elektrycznego.
Na tym etapie wszyscy już wiedzieli, że aby uzyskać prąd z mechanicznie napędzanej prądnicy trzeba było zapewnić wirowanie odpowiednio ukształtowanych cewek (tworzących wirnik maszyny) w silnym polu magnetycznym. Konstrukcji różnych prądnic powstało bardzo dużo, więc niepodobna je tu wszystkie wymieniać, trudno jednak było uzyskać dobrą sprawność tych maszyn. Przyczyna była jedna: brak było magnesów trwałych mogących wytworzyć wystraczająco silne pole magnetyczne. Rozwiązanie znalazł Werner Siemens, który wytworzył silne pole magnetyczne za pomocą elektromagnesów zasilanych prądem z wirnika. To rozwiązanie (nazywane dynamo) świetnie zdało egzamin, a dodatkowo okazało się, że maszyna jest samowzbudna ze względu na remanencję magnetyczną. To był klucz do nowoczesnych prądnic!
Prąd już umiano wytwarzać, ale początkowo osobna prądnica musiała być związana z każdym odbiornikiem energii elektrycznej (w praktyce – z każdą lampą), co było oczywiście niewygodne i generowało dodatkowe koszty. Powstała więc idea, żeby jedna prądnica mogła zasilać wiele odbiorników energii. Pierwszy zastosował to Belg Zénobe Théophile Gramme. W 1873 r. na wystawie wiedeńskiej pokazał on, że możliwe jest przesyłanie energii elektrycznej na odległość 2 km, co było wtedy ogromnym osiągnięciem. Rozwiązanie to wraz z prądnicą konstrukcji Gramme, udoskonaloną na skutek układania uzwojeń używanych cewek w specjalnych rowkach (co jest stosowane do dzisiaj) zostało przyjęte przez przemysł i powielane w setkach egzemplarzy.
Pojawił się natomiast inny problem. Coraz szerzej stosowane oświetlenie elektryczne (o czym szerzej napiszę w następnym felietonie tego cyklu) powodowało konieczność lokowania w obrębie miast licznych „stacji zasilających” napędzanych maszynami parowymi lub silnikami spalinowymi. Generowały one hałas oraz spaliny, co powodowało krytykę ze strony mieszkańców. Nie ulegało wątpliwości, że rozwiązaniem byłyby duże elektrownie lokowane poza obszarami miejskimi – ale przesyłanie prądu stałego na duże odległości powodowało ogromne straty. O rozwiązaniu tego problemu napiszę w jednym z dalszych felietonów.
Ryszard Tadeusiewicz, prof. AGH
