Od elektrycznej lampy łukowej do prądnicy Siemensa

17 stycznia 1867 roku Pruska Akademia Nauk poznała sprawozdanie Wernera von Siemensa dotyczące zastosowania zasady dynamoelektrycznej. Był to początek ery energii elektrycznej dostępnej dla mas.

Angielski fizyk Humphry Davy w 1808 roku stworzył pierwszy łuk elektryczny do oświetlania i udowodnił w ten sposób, że wynalazek, który nazwał elektryczną lampą łukową, może wytworzyć o wiele jaśniejsze i intensywniejsze światło niż wykorzystywane wówczas urządzenia. Z tego względu lampy łukowe doskonale nadawały się do oświetlania placów budowy lub innych miejsc publicznych, a znajdujące się wzdłuż wybrzeży latarnie morskie były lepiej widoczne.

Urządzenie, na którym w 1866 roku Werner  von Siemens zademonstrował zasadę dynamo- elektryczną

Jednak tuż obok miejsca wymagającego oświetlenia musiał znajdować się budynek przemysłowy, w którym znajdowały się wirujące dynama, które zasilały lampy łukowe. Takie prądnice – nazywane wówczas maszynami magnetoelektrycznymi – pomimo znacznego ciężaru nie dysponowały dużą mocą i wykorzystywały magnesy trwałe. Urządzenia wytwarzały zaledwie 700 watów, chociaż ważyły prawie 2 tysiące kilogramów. Ponadto możliwość wytwarzania energii była ściśle ograniczona, ponieważ używane w nich trwałe magnesy stalowe wytwarzały bardzo słabe pole magnetyczne.

Po kilku tygodniach testów inżynier Werner von Siemens był pewien, że jego nowa maszyna dynamoelektryczna ma ogromny potencjał. W porównaniu do prądnic wykorzystujących trwałe magnesy pozwalała ona zmniejszyć: ciężar napędu o 85%, wymaganą moc napędu o 35%, a koszt urządzenia o 75% – a jednocześnie zapewniała taką samą moc. Stanowiło to niesamowity postęp technologiczny! Wreszcie produkowanie energii elektrycznej mogło odbywać się o wiele taniej i znacznie wydajniej. Po raz pierwszy możliwe i opłacalne stało się wykorzystanie silników elektrycznych w zastosowaniach technicznych. Był to pierwszy krok na drodze do obecnego wykorzystywania energii elektrycznej we wszystkich dziedzinach życia.

W 1864 Anglik Henry Wilde jako pierwszy usiłował zastąpić słabe stalowe magnesy wykorzystywane w prądnicach elektromagnesami, które były wytworzone za pomocą konwencjonalnych prądnic wykorzystywanych w tym okresie. Jednakże to niedoskonałe pod względem technicznym rozwiązanie nie satysfakcjonowało Wernera von Siemensa. We wrześniu 1866 roku połączył on szeregowo wirnik generatora z elektromagnesem, co pozwoliło mu na zbadanie zjawiska samoindukcji. Po ręcznym uruchomieniu wirnika niewielkie siły magnetyczne Ziemi wystarczyły do wytworzenia początkowego, niewielkiego poziomu energii elektrycznej (poprzez samoindukcję), a po kilku obrotach wirnik uzyskał pełną moc. W efekcie elektroskop podłączony do urządzenia w celach pomiarowych natychmiast przepalił się, a metrowej długości żelazny drut zabezpieczony między zaciskami generatora uległ stopieniu. Magnesy również szybko traciły swoje właściwości z powodu wibracji, które powstawały w trakcie pracy generatora. Tak właśnie wyglądała sytuacja w czasach, gdy Werner von Siemens rozpoczynał swoje badania. Zwiększenie prędkości obrotowej wirnika oraz wytworzenie silniejszych pól elektromagnetycznych zadecydowały o sukcesie opracowanych przez niego maszyn magnetoelektrycznych. Stworzony przez Wernera von Siemensa pionierski projekt wirnika o kształcie podwójnego T, który powstał podczas prac nad telegrafem wskazówkowym, zapewniał wystarczającą wytrzymałość mechaniczną, a tym samym umożliwił osiągniecie znacznie wyższej prędkości obrotowej w generatorze.

Na początku grudnia 1866 roku Werner von Siemens poinformował o swoich eksperymentach z nową prądnicą swego brata, Wilhelma. Rozważał on wówczas komercyjne zastosowania nowego wynalazku: „O ile projekt jest poprawny, efekty powinny być niesamowite. Ten pomysł można rozwinąć i może on zapoczątkować nową erę w dziedzinie elektromagnetyzmu. Magnetyczna elektryczność będzie niedroga, a oświetlenie galwanometalurgia itd., a nawet małe urządzenia elektromagnetyczne pobierające energię z większych urządzeń mogą stać się całkiem realne i użyteczne”.

W tym samym czasie Werner von Siemens przygotowywał swoje sprawozdanie „O przetwarzaniu energii mechanicznej na prąd elektrycznych bez zastosowania trwałych magnesów”, które 17 stycznia 1867 roku zostało zaprezentowane przed Pruską Akademią Nauk przez jego przyjaciela, Heinricha Gustava Magnusa. Pozwoliło to zainteresować specjalistów z tej dziedziny niesamowitym odkryciem Wernera von Siemensa.

Struktura prądnicy Siemensa (w przekroju poprzecznym) 

Źródło: Siemens