Ян Шнейберг
До 140-річчя від дня народження Ч. П. Штейнмеца
Зі смертю Штейнмеца ми втратили визначну постать у світі електрики. У ньому геніально поєднувалися оригінальні ідеї зі здатністю передбачати їх практичні результати.
Запропоновані ним математичні методи докорінно змінили напрямки розвитку багатьох галузей електротехніки ... З його смертю утворилася порожнеча, яку не можна заповнити.
З некрологів про Штейнмеце в США
Математик, вчений-електротехнік, інженер і винахідник
Ім'я 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 «найбільшим обладнанням» фірми.
Штейнмец прославився воістину піонерськими дослідженнями і винаходами в області електротехніки і 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 науковцями та інженерами, що працюють в області електротехніки і радіотехніки.
У 1903 р. Штейнмец розробив оригінальний високочастотний генератор з частотою 10 кілогерц для нової в той час 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 Штейнмец 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 у 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 Бреславле (нині місто Вроцлав - Польща) в бідній робітничій сім'ї народився хлопчик, якого назвали Карлом. Багато пізніше, після натуралізації в Сполучених Штатах Америки, де Штейнмец 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 і ремісниками - про це говорить і сама прізвище Steinmetz (в пер.. - 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 маляті виповнився лише 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, який прославив династію Штейнмецов.
Стан здоров'я Карла не могло не відбитися на його спосіб життя, і, будучи дуже розумною дитиною, він рано почав читати, намагався придбати знання, в той час коли його однолітки займалися дитячими іграми. Вже в класичній Бреславльской гімназії проявилися його неабиякі здібності, він із захопленням займався природничими науками, математикою та іноземними мовами і незабаром добре опанував грецьку і латинську. Не маючи достатніх грошових коштів, він ще гімназистом займався репетиторством.
Цей горбань з непомірно великою головою користувався повагою серед однокурсників як дуже освічений, розумний і добрий чоловік. Цікаво відзначити, що на уроках математики і фізики він часто виступав зі своїми варіантами вирішення завдань, викликаючи подив і повагу вчителів.
У 1882 р. Штейнмец з відзнакою закінчив гімназію і без іспитів був прийнятий на філософський факультет Бреславльского університету. Дуже скоро надзвичайно здатний студент, блискуче виступав перед своїми однокурсниками і професорами, обирається членом Математичного товариства при університеті. Одночасно він з успіхом вивчає богословські науки.
Як всі студенти, Штейнмец був прийнятий у "корпорацію земляків», але на відміну від багатьох, що захоплювався спортом, гульні і дуелями, він невпинно опановував знаннями. Корпорант, за традицією давали прізвиська своїм членам, нарекли Штейнмеца «Протеєм» - на честь виверткого міфічної істоти, здатного змінювати свій зовнішній вигляд. Штейнмец 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-ті роки в Німеччині помітний вплив серед молоді набувають соціал-демократичні ідеї, і Штейнмец стає активним членом нелегального гуртка соціалістів і редактором соціал-демократичної газети. Йому загрожував арешт, і він був змушений залишити Німеччину, незважаючи на те що почав підготовку до захисту докторської дисертації. Переїхавши до Швейцарії, він надходить в знаменитий Цюріхський політехнікум для завершення вищої освіти, при цьому йому довелося подолати чимало труднощів, у тому числі і матеріальних.
У 1889 р. Штейнмец 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 винаходам Едісона, Белла та інших, стали своєрідною Меккою електротехніки. Штейнмец добре знав історію відкриттів у цій нової прогресивної галузі науки і техніки.
Але непоказний вигляд Штейнмеца, незнання ним англійської мови та відсутність інженерного досвіду ніяк не сприяли влаштуванню на роботу. Йому допоміг знайомий по Німеччині - 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 та апаратів постійного струму здійснювалося на основі примітивної емпірики, наукових методів розрахунку ще не існувало. Незабаром на заводі стали виготовляти тягові електродвигуни, і надзвичайно освічений кресляр не забарився висловити пропозиції про поліпшення конструкції цих машин. Його призначають керівником конструкторського відділу.
Штейнмец вже вільно володів англійською мовою, почав виробляти задумані ним 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 видних інженерів про «реакції якоря» в машинах змінного струму. Доповідач не погодився із зауваженнями і заявив: «Нехай критик покаже, як це зробити!» Штейнмец прийняв виклик і, зробивши вельми 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 приніс йому світову популярність, був висновок формули для визначення втрат на перемагнічування в сталевих магнитопроводах машин змінного струму (втрат «на гістерезис»). Показник, введений Штейнмецем, 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 до підручників. Методи визначення втрат при розрахунку конструкцій електричних машин та 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 та 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 в 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).
У 1893 р. GEC вирішила придбати підприємства порівняно невеликої фірми, на якій працював Штейнмец. Домовитися з головою фірми було неважко, але як бути зі Штейнмецем? «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 та апаратів змінного струму. У 1893 р. він стає провідним спеціалістом фірми GEC і переїжджає в місто Лінн, де знаходився головний завод компанії. Пізніше центр було переведено у який став широко відомим місто Скінектеді (штат Нью-Йорк).
На відміну від багатьох своїх сучасників, серед яких були і відомі фахівці, Штейнмец 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. Штейнмец прагнув дати інженеру «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 у 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 та прилади постійного струму. Коли в 1889 р. Едісона запросили ознайомитися з трифазним двигуном Доліво-Добровольського, він не тільки відмовився від запрошення, а й привселюдно заявив: «Ні, ні, змінний струм - це дурниця, не має майбутнього. Я не тільки не хочу оглядати двигун змінного струму, а й знати про нього! »
За словами одного з біографів Едісона, «король винахідників», як його називали, прожив довге життя (1847-1931) і 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 смертної кари 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, Штейнмец вперше переконливо доводив, що аналіз процесів у таких ланцюгах можливий тільки з 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 в підручники і з успіхом застосовувався інженерами-електриками та радіотехніка. Минуло вже понад століття, а й у наші дні він є основою для аналізу і розрахунку ланцюгів змінного струму. Сам Штейнмец вважав, що розроблений ним метод є самим великим внеском, зробленим їм у теоретичну електротехніку.
Перша 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 радіоприймача А. С. Попов.
Штейнмец 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. ця 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 стосується його соціал-демократичних переконань, то господарі концерну вважали це «дивацтвом генія».
Діапазон наукових і експериментальних досліджень Штейнмеца вражаючий, він практично охопив всі найважливіші напрямки потужнострумової електропромисловості. Серед патентів на його винаходу - генератори та електродвигуни, трансформатори, розрядники, електротермічні і світлотехнічні пристрої, випрямна техніка.
Кожен раз, коли виникала потреба в зовсім нових машинах і апаратах, зверталися до Штейнмецу. Так, в 1903 р. відомий американський винахідник в області високочастотної техніки і радіо, піонер радіолокації Р. О. Фессенден попросив Штейнмеца допомогти йому в розробці високочастотного генератора, повідомивши основні параметри машини. Штейнмец побудував один з перших у світі оригінальних високочастотних генераторів, що виробляє струм з частотою 10 кілогерц. Це був його помітний внесок у развивавшуюся радіозв'язок. Пізніше на основі його розробок у США були створені генератори з частотою 75 і 100 кілогерц.
Штейнмец 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.
Штейнмец сам був свідком руйнівної дії працював влітку, буквально був розгромлений, пошкоджені стовбури дерев і великі речі в будинку, зокрема, вщент розбили дзеркало. Уважно оглянувши будиночок, Штейнмец зібрав шматки дзеркала, розташувавши їх між листами скла, і зумів виявити 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. Штейнмец спроектував унікальний для того часу ГІН, виготовлений на одному з заводів фірми, що дозволяє одержувати напругу до 120 кіловольт при потужності близько 1 млн кінських сил. За допомогою такого ГІН'а він зумів у 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 кончини.
Учні і послідовники Штейнмеца зуміли створити ГІН на 10 тис. кіловольт (такого ще не було), який демонструвався на Всесвітній виставці в 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 електротехнічній промисловості Штейнмец цікавився, як уже зазначалося, і проблемами електрозв'язку, йому належать оригінальні праці з термодинаміки, теорії випромінювання, теорії відносності, астрономії та метеорології. Можна тільки дивуватися тому, що це зроблено однією людиною. Зауважимо ще раз, що багато його праці були переведені на інші мови.
Штейнмец був першим відомим закордонним вченим-електротехніком, із захопленням сприйняли звістку про план ГОЕЛРО, і опублікував в авторитетному американському журналі «Електрікал 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 шкодував, що за станом здоров'я не може відвідати Росію. Ленін відповів Штейнмецу 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 Штейнмецу вчений ступінь магістра мистецтв, а Юніон-Коледж - ступінь доктора філософії. Він був президентом Американського світлотехнічного суспільства. Штейнмецу 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 поглинений ідеями і творчою роботою.
Його дачний будиночок, де він любив жити влітку, - це невелика бідно обставлена кімната з величезним робочим «теслярською» 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 долинало спів птахів. Штейнмец 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 доброзичливої 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, Штейнмец, 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. чоловік. Цікава, але втомлива поїздка різко погіршила стан здоров'я Штейнмеца, і 26 жовтня 1923 р. він помер у віці 58 років. Як багато він міг ще зробити, якщо б він жив, як, наприклад, Едісон і Тесла більше 80 років!
Вся Америка тужила у зв'язку з кончиною Штейнмеца. Коли труну з його тілом опускали в могилу на кладовищі в Скінектеді, на підприємствах гігантського концерну GEC були припинені на 5 хвилин всі роботи.
Список літератури
1. Белькінд Л.Д. Чарльз Протеус Штейнмец. - М.: Наука, 1965.
2. Шателен М.А. Професор Ч. Штейнмец / / Електрика. 1923. № 12.
3. Шнейберг Я.А. Лист з-за океану / / Наука і життя. 1980. № 4.
4. Шнейберг Я.А. (Співавтор) Історія електротехніки / Під ред. акад. І.А. Глєбова. - М.: Изд. МЕІ, 1999.