Przełom nastąpił w momencie, gdy wynaleziono maszyny zmieniające pracę mechaniczną w energię elektryczną. W jednym z wcześniejszych artykułów wspominałem już o fundamentalnym odkryciu wybitnego angielskiego fizyka Michaela Faradaya, który w 1831 r. pokazał możliwość wytwarzania prądu elektrycznego za pomocą zmiennego pola magnetycznego. Zjawisko to, nazwane indukcją elektromagnetyczną, jest podstawą funkcjonowania wszystkich prądnic. Pierwszą taką prądnicę zbudował sam Faraday w tym samym 1831 r., co dowodzi, że od razu zorientował się, jaki potencjał innowacyjności tkwi w jego odkryciu. Owa pierwsza prądnica jest znana pod nazwą dysku Faradaya – obracany za pomocą korby dawał prąd elektryczny. Był to pierwszy prąd, którego źródłem była energia mechaniczna. W tym przypadku była to energia mięśni Faradaya, ale obecnie korzysta się w tym miejscu z energii pary wodnej w elektrowniach cieplnych, energii płynącej wody w hydroelektrowniach, energii wiatru w wiatrakach czy energii jądrowej w elektrowniach atomowych. Źródło energii jest nieważne – istotne jest to, że jeśli coś (lub ktoś) kręci prądnicą, to energia mechaniczna wytwarza prąd. Co więcej, w odróżnieniu od stosu Volty i wszystkich innych baterii – energii tej można mieć dowolnie dużo, zależy to tylko od mocy napędzającego prądnicę silnika i oczywiście od budowy samej prądnicy.

Pierwsze prądnice

Dysk Faradaya był efektowny, ale niepraktyczny. Uzyskiwane napięcie było niewielkie, a prądu też było niewiele. Lepsze wyniki można było uzyskać, stosując – zamiast jednolitego dysku – odpowiednio uformowane cewki. Francuz Hippolyte Pixii wpadł na genialny pomysł: pod parą cewek umieścił wirujący magnes podkowiasty. Obracający się magnes (napędzany korbą) raz zbliżał do rdzenia cewki jeden biegun, potem drugi i w ten sposób indukował prąd elektryczny.

Prądnica Pixiiego zbudowana w 1832 r. miała jedną osobliwą cechę: produkowała prąd zmienny, to znaczy płynący raz w jedną, a raz w drugą stronę. Dzisiaj byłaby to zaleta, bo po odkryciu Nikoli Tesli (o którym napiszę w jednym z późniejszych felietonów, bo miało ono miejsce dopiero w 1886 r.) prawie wszędzie używany jest właśnie prąd zmienny. Taki właśnie mamy w naszych domach, fabrykach i na ulicach. Taki produkują wszystkie elektrownie, dlatego na prądnice prądu zmiennego jest dzisiaj największe zapotrzebowanie. Ale gdy Pixii taką prądnicę zbudował, wszyscy byli przyzwyczajeni do prądu pobieranego z baterii, czyli prądu stałego, który płynie zawsze w jednym kierunku, umownie od bieguna „+” do bieguna „–”. Prądnica Pixiiego z prądem płynącym raz w jedną, a raz w drugą stronę (i tak co chwilę) nie mieściła się w tych standardach i była przyjmowana nieufnie. I wtedy po raz kolejny „mężem opatrznościowym” okazał się André-Marie Ampère. Wybawiał on pionierów elektryczności wielokrotnie z różnych opresji i także tym razem znalazł właściwe rozwiązanie problemu, sugerując zastosowane komutatora – pierścienia z metalowymi sektorami obracanego wraz z magnesem. Dzięki jego użyciu cewki wytwarzające prąd automatycznie były przyłączane do zewnętrznego obwodu raz w jedną, a raz w drugą stronę – co powodowało, że w tym zewnętrznym obwodzie płynął prąd tylko w jednym kierunku. Wprawdzie pulsujący, ale jednokierunkowy. W ten sposób powstała pierwsza prądnica prądu stałego – urządzenie, które miało opanować całą elektrotechnikę na kilkadziesiąt lat i które jest wykorzystywane (oczywiście z dużymi zmianami konstrukcyjnymi) w wielu zastosowaniach do dzisiaj.

Od laboratoryjnego modelu do użytecznej maszyny

Prądnica Pixiiego, nawet z uzupełnieniami Ampère’a, była – podobnie jak dysk Faradaya – jedynie urządzeniem laboratoryjnym, pokazującym, że produkcja energii elektrycznej jest możliwa, ale niedostarczającym tej energii w takiej ilości, by mogło to zaspokoić jakieś praktyczne potrzeby. Pierwszym człowiekiem, który zbudował prądnicę mogącą dostarczyć dużo prądu dla konkretnych zastosowań, był John Stephen Woolrich, który zaprojektował i w sierpniu 1842 r. opatentował (patent nr 9431) prądnicę, która miała być wykorzystana w galwanotechnice zamiast dotychczasowego zasilania bateryjnego. Celem procesów, dla których prądu miała dostarczać prądnica Woolricha, było elektrolityczne powlekanie powierzchni różnych wyrobów metalowych powłokami ochronnymi. Warto zwrócić uwagę, że po blisko pół wieku obcowania ludzi z elektrycznością (licząc od upowszechnienia stosu Volty) praktycy śladem uczonych głównie myśleli o elektrochemii, natomiast powstające w międzyczasie pierwsze silniki elektryczne traktowano bardziej jako ciekawostki.

W 1844 r. prądnica według patentu Woolricha została zbudowana przez firmę Magneto Works of Thomas Prime and Son w Birmingham i zastosowana w galwanizerni, gdzie zyskała dobrą opinię. Niestety, do masowej produkcji prądnic Woolricha nigdy nie doszło, to nie był więc jeszcze ten decydujący moment. 

Kolejną próbę podjął Belg Floris Nollet. Zbudował on  dużą prądnicę napędzaną maszyną parową, którą opatentował w Anglii w 1850 r. Maszyna Nolleta miała tę zaletę, że wytwarzała prąd stały (do zastosowań m.in. w galwanizerniach), bez konieczności używania komutatora, co zwiększało jej niezawodność i trwałość. Prądnica ta po raz pierwszy związana została (poza elektrochemią) z funkcją oświetleniową. Była używana do zasilania najwcześniejszych źródeł światła elektrycznego, jakimi były lampy łukowe (świecącym elementem był łuk elektryczny powstający między węglowymi elektrodami na podobnej zasadzie jak obecnie przy spawaniu elektrycznym). Nollet miał produkować takie komplety złożone z prądnicy i jednego lub kilku źródeł światła łukowego w brytyjsko-
-francuskiej firmie Société de l’Alliance. Produkcję tę podjął później Francuz Auguste de Méritens, który udoskonalił prądnicę Nolleta (uzyskał na to dwa patenty w 1878 r.) i przystosował ją do wykorzystania jako źródła zasilania dla światła latarni morskiej. On także poprawnie skojarzył ogromną temperaturę łuku elektrycznego – płonącego w tych pierwszych źródłach światła elektrycznego – z procesem spawania metali. Dopracował szczegóły i uzyskał w 1881 r. francuski patent na proces spawania elektrycznego. Co ciekawe: ten kreatywny wynalazca i znakomity inżynier był arystokratą i miał tytuł barona!

Lamp łukowych od dawna się nie stosuje, bo wyparły je żarówki, a obecnie LED, chociaż jako ciekawostkę warto wspomnieć, że przez długi czas były one jeszcze wykorzystywane w aparatach projekcyjnych służących do wyświetlania filmów. Sprawdzały się tam bardzo dobrze, dając bardzo silny snop światła pozwalający rzutować obrazy z ciasnej kabiny projekcyjnej na odległy srebrny ekran znajdujący przed widzami w sali kinowej. Natomiast metoda spawania elektrycznego, wymyślona przez barona Auguste’a de Méritensa, jest wykorzystywana do dzisiaj. 

Początki dystrybucji prądu za pomocą linii przesyłowej

Kolejny ważny etap w rozwoju urządzeń do produkcji energii elektrycznej z wykorzystaniem pracy mechanicznej i jej rozsyłania na odległość do odbiorców miał miejsce w 1873 r. Twórcą osiągnięcia był Belg Zénobe Théophile Gramme. Był on bardzo zręcznym konstruktorem, którego prądnica, określana jako „koło Gramme’a”, uznana została za tak interesującą i nowatorską konstrukcję, że prezentowana była na posiedzeniu Francuskiej Akademii Nauk w Paryżu w 1871 r. Gramme wprowadził w swojej prądnicy cały szereg ulepszeń w stosunku do wcześniejszych konstrukcji innych badaczy, m.in. zastosował doskonalszą konstrukcję komutatora oraz nowe metody układania uzwojeń używanych cewek (lokowanych w specjalnych rowkach, co jest stosowane do dzisiaj). Dzięki temu Gramme uzyskał znacznie lepszą sprawność swojej prądnicy i jej większą mechaniczną odporność. Ponadto prądnica ta dawała „gładszy” prąd stały (z mniejszą ilością tętnień wywołanych pracą komutatora) oraz pozwalała osiągać znacznie większe napięcia niż urządzenia budowane przez innych konstruktorów. Była to w efekcie pierwsza prądnica, która została zaakceptowana przez przemysł i była budowana (i stosowana) w dużej liczbie egzemplarzy. 

Ale najciekawsze miało dopiero nadejść. Prądnica skonstruowana przez niego (we współpracy z Hippolyte’em Fontaine’em) została wysłana na wystawę światową w Wiedniu w 1873 r., gdzie Gramme m.in. demonstrował, że prąd wytworzony przez jego prądnicę może być przesyłany do odległych odbiorników energii (pokazano przesłanie prądu za pomocą miedzianych drutów na odległość 2 km). Dowiódł tym samym, że prąd można produkować w jednym miejscu, a wykorzystywać w innym. Tak działają obecnie wszystkie linie energetyczne!