В середине XIX века ученые не смогли в полной мере осознать всех тонкостей теории Фарадея. Однако, взяв за основу модели Фарадея, исследователи и производители приборов быстро схватили суть его идей и разработали множество генераторов и двигателей. Для прикладных исследователей закон электромагнитной индукции Фарадея сводился к следующему: чтобы создать электрический генератор, нужно перемещать проводник через магнитное поле, и в нем будет индуцироваться ток. Аналогично, чтобы сделать электродвигатель, нужно использовать электрический ток для создания электромагнитного поля, которое заставит магнит или проводник двигаться{85}.
Используя открытия Фарадея об индукции, исследователи вскоре добавили генераторам и двигателям несколько новых характеристик. Во-первых, для выработки электричества они хотели использовать вращательное движение – от заводной рукоятки или парового двигателя. В то же время они искали электродвигатель, который будет использовать электрический ток, чтобы произвести вращательное движение. Во-вторых, исследователи хотели, чтобы электрические машины вырабатывали или потребляли ток, подобный тому, что получали от батареи; они хотели работать с током, который обладал бы устойчивым напряжением, то есть с постоянным током. Это восхищение постоянным током, вероятно, было порождено быстрым развитием в 1840-х и 1850-х годах телеграфных систем, которые отправиляли сигналы с помощью прерывания постоянного тока.
Чтобы обеспечить обе эти функции – вращательное движение и постоянный ток, – исследователи электричества использовали коммутатор. И в генераторах, и в двигателях есть обычно два набора электромагнитных катушек: неподвижные индукторные катушки, или статор, и вращающиеся, или ротор. Коммутатор – просто устройство, с помощью которого электрический ток течет в ротор или из него. Представленный Ипполитом Пикси[12] в Париже в 1832 году, коммутатор стал важной деталью двигателей постоянного тока и генераторов.
Чтобы понять, как работает коммутатор, необходимо изучить внутреннее устройство сначала генератора постоянного тока, а затем – двигателя. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, генератор производит ток, поскольку ротор вращается и пересекает магнитное поле, созданное полевыми катушками. Если мы проследим путь, проделанный одной петлей в катушке ротора, мы увидим, что, когда эта петля вращается вниз, пересекая магнитное поле, это создает ток, который течет в одном направлении. Точно так же, когда петля продолжит свое вращение, она будет поворачиваться наверх, пересекая магнитное поле и вызывая ток, который будет течь в противоположном направлении. Чтобы использовать этот переменный ток, необходимо просто присоединить отдельное токособирательное кольцо к каждому концу петли ротора, чтобы вывести ток из генератора. Однако если мы вслед за изобретателями девятнадцатого века хотим создать постоянный ток, то нужно собрать весь ток, текущий в одном направлении на одном терминале генератора, а весь ток, текущий в противоположном направлении, – на другом терминале. Для этого на стержень ротора помещают коммутатор, состоящий из металлического цилиндра, разделенного на изолированные друг от друга сегменты. Неподвижные контакты, или щетки, размещены на противоположных сторонах цилиндра таким образом, что, когда ток, произведенный в роторе, полностью изменяет свое направление, контакты с щетками также меняют направление вращения, и ток, вырабатываемый генератором, всегда течет в одном направлении.