Штейнмец — символический метод

В истории электротехники 80–90-е годы XIX века стали переломными: к этому времени уже применялись различные машины и аппараты, построены трёхфазные двигатели, создана лампа накаливания, осуществлена первая передача переменного тока на огромное расстояние — 170 км при напряжении 15 кВ. Было положено начало электрификации промышленности, транспорта, связи и быта.

Практика опережала теорию, но в 1897 г. ведущий специалист американской компании General Electric Чарльз Протеус Штейнмец создал «символический» метод расчёта цепей переменного тока.

Карл Стейнмец родился в 1865 г. в Германии, был болезнен, горбат — но умён, настойчив и незлобив. Блестяще учился в Бреславльском университете, и однокашниками был прозван Протеем за способность, подобно мифологическому существу, менявшему внешность, легко превращаться из математика в богослова, из философа в экономиста. Увлёкся социал-демократическими идеями, из-за угрозы ареста бежал в Швейцарию.

В Цюрихе окончил знаменитый политехникум и перебрался в США — нелегально, в трюме парохода, где натурализовался как Штейнмец, Чарльз Протеус.

Устроился чертёжником в электротехническую компанию Экмейера с очень небольшим окладом, но уже через год был назначен руководителем научно-исследовательского и конструкторского отдела.

Занялся проблемой, казавшейся неразрешимой: потерями в магнитопроводах трансформаторов и электромоторов. Их изготавливали из стали, имевшей высокую проводимость для тока — поэтому в них возникали сильные вихревые токи Фуко, в результате они значительно грелись, КПД был небольшим. Это серьёзно мешало развитию техники переменного тока, которую внедряла фирма. Штейнмец предложил во-первых, ввести в сталь примесь — кремний, чтобы уменьшить проводимость, во-вторых, магнитопроводы изготавливать из тонких, изолированных друг от друга пластин. Одновременно исследовал явление гистерезиса при перемагничивании стальных сердечников. Его доклад в 1892 г. сначала восприняли скептически, но вскоре выведенная им эмпирическая формула определения потерь при расчёте конструкций электрических машин вошла в учебники и используется поныне. Показатель, введенный им, получил название «коэффициент Штейнмеца»

Ему к тому времени исполнилось 27 лет.

В 1893 фирма Экмейера влилась в General Electric соmpany. Штейнмец становится шеф-электриком, и получает больше возможностей заниматься конструкторскими и теоретическими изысканиями. Его называли «фонтаном идей» и «чудодеем электротехники». Что же касается его социал-демократических убеждений — считали чудачеством гения. И постепенно он завоёвывает ещё один (после Протея) титул: «самое крупное оборудование фирмы».

На фоне борьбы сторонников постоянного (во главе с Эдисоном) и переменного (Тесла) тока Штейнмец доказывал, что анализ процессов в цепях переменного тока возможен только с помощью высшей математики, которой инженеры не знали. Расчёты велись методом векторных диаграмм, зачастую не дававшим точных результатов.

Он разрабатывает «символический» метод расчёта сложных цепей переменного тока, основа которого — применение комплексных чисел. Для индуктивных и ёмкостных сопротивлений он ввёл обозначение через мнимые величины. Это позволило заменить геометрические операции над векторами простыми алгебраическими действиями. На международном электротехническом конгрессе в Чикаго в 1893 г. метод вызвал резкую критику и неприятие. Однако уже к 1916 г. опубликованный труд выдержал пять изданий. Сегодня расчёты электрических сетей без него кажутся немыслимыми.

Штейнмец постепенно становится одним из ведущих ученых-электротехников мира. К нему обращаются, когда возникала потребность в совершенно новых машинах и аппаратах. Так, в 1903 по просьбе изобретателя в области высокочастотной техники Р. О. Фессендена Штейнмец построил первый в мире оригинальный высокочастотный генератор, вырабатывавший ток с частотой 10 килогерц. Позднее на основе его разработок в США были созданы генераторы с частотой 75 и 100 килогерц.

Штейнмец с 1907 г разрабатывал ещё одну мало изученную проблему — это защита линий электропередач и электросвязи от ударов молнии, ежегодно публиковал статьи. Однажды, будучи свидетелем разряда молнии, разрушившего домик, собрал осколки вдребезги разбитого зеркала. Расположив их между листами стекла, сумел воссоздать путь разряда. Никто до него не создавал подобного макета — это был своеобразный портрет молнии. А в 1921 г. Штейнмец построил первый генератор импульсов высокого напряжения — до 120 киловольт при мощности около 1 млн. л. с.

Он был профессором электротехники и электрофизики, по его учебникам учились сотни видных инженеров-электриков в США и Европе. Он защитил свои изобретения более, чем 200 патентами. Он был президентом Американского светотехнического общества и Института инженеров-электриков. Он был членом Социалистической партии США. Он состоял в переписке с Лениным, предлагая помощь в осуществлении плана электрификации советской России — ГОЭЛРО.

Он умер в 1923 году в возрасте 58 лет. Когда гроб с его телом опускали в могилу, на предприятиях концерна General Electric на 5 минут были прекращены все работы.

Использована статья Яна Шнейберга «Чудодей электричества»