В семидесятых годах XIX столетия научная мысль начала работать над проблемой передачи электрической энергии переменным током, и некоторые ученые по достоинству оценивали преимущества этого способа передачи.
Русский электротехник Павел Николаевич Яблочков, изобретатель «электрической свечи», открыл способ «дробления света» и практически решил задачу применения переменного тока. Это открытие состояло в том, что в одну неразветвленную цепь переменного тока П. Н. Яблочков включал несколько «свечей» и «каолиновых ламп». При отключении одного из потребителей все остальные продолжали гореть. Достигалось это при помощи трансформаторов, изобретенных П. Н. Яблочковым и названных им по распространенной в то время терминологии «индукционными катушками». Первичные обмотки трансформаторов П. Н. Яблочков включал последовательно в цепь, а ко вторичным обмоткам он присоединял светильники «различной силы света».
Индукционные катушки были известны до изобретения П. Н. Яблочкова. Например, железное кольцо Фарадея имело две обмотки. По первой обмотке проходил прерывистый ток, при этом на концах второй обмотки возникали электрические искры. Конечно, это кольцо нельзя назвать трансформатором, как нельзя назвать трансформаторами и индукционные катушки, изобретенные позднее: катушки давали индукционные токи мгновенного высокого напряжения и предназначались для медицинских опытов. Наиболее совершенная катушка — катушка Румкорфа, изобретенная в 1848 г., также питалась постоянным током и предназначалась для получения при помощи прерывателя тока повышенного напряжения. Она использовалась в военном деле для взрывания мин и в узконаучных целях для постановки опытов. Индукционные катушки П. Н. Яблочкова впервые предназначались для трансформации переменного тока в промышленных целях.
Изобретение П. Н. Яблочкова открыло широкие возможности практического применения электроэнергии. С помощью трансформаторов «электрические свечи» Яблочкова осветили Париж, «из Парижа электрическое освещение распространилось по всему миру, дойдя до дворцов шаха Персидского и короля Камбоджи».
В 1876 г. П. Н. Яблочков получил патент на свое изобретение во Франции, а в 1877—1879 гг. и в ряде других стран.
Трансформаторы П. Н. Яблочкова применялись только для электрического освещения и не могли использоваться в других промышленных целях. Трансформатор, служащий для общего промышленного пользования, был изобретен И. Ф. Усагиным. И. Ф. Усагин постоянно совершенствовал технику демонстрации физических опытов. Обладая пытливым умом, он стремился найти способы показать новое в каждом физическом явлении при помощи создаваемых или реконструируемых им физических приборов. Демонстрируя опыты с катушкой Румкорфа и с осветительной системой П. Н. Яблочкова, Усагин напряженно думал над изобретением более совершенного прибора, при помощи которого было бы возможно экономично передавать электрическую энергию на любые расстояния не только для освещения, но и для других потребностей.
И. Ф. Усагин решил создать трансформатор промышленного типа. Необходимость создания такого аппарата вызывалась как развитием электротехники, так и хозяйственными потребностями. И он целиком погрузился в эту работу.
В результате упорных усилий, настойчивости и воле, в результате многих бессонных ночей И. Ф. Усагину удалось создать такой трансформатор.
Летом 1882 г. в Москве открылась Всероссийская промышленно-художественная выставка. Выставка показала достижения русской науки и техники. В павильоне электричества экспонировались открытия и изобретения выдающихся русских ученых-электротехников — Лодыгина, Лачинова, Яблочкова, Чиколева и др. В этом павильоне демонстрировал свое изобретение и И. Ф. Усагин.
Изобретение И. Ф. Усагина представляло собой индукционные катушки, названные изобретателем «бобинами». Каждая бобина имела незамкнутый сердечник, составленный из пучка железных прутьев. На сердечник были навиты первичная и вторичная обмотки. Первичная обмотка подключалась к цепи, вторичная обмотка питала потребители электроэнергии, независимо от других бобин.
Если в индукционных катушках Румкорфа и П. Н. Яблочкова число витков вторичной обмотки в несколько раз превышало число витков первичной обмотки, то бобины И. Ф. Усагина имели в первичной и вторичной обмотках одинаковое число витков из проволоки одинаковой толщины. Длина сердечника бобины составляла 300 мм, толщина — 48 мм, а вместе с обмотками — 80 мм. В отличие от катушки Румкорфа и трансформатора П. Н. Яблочкова бобины И. Ф. Усагина не имели ни прерывателей, ни конденсаторов. Подключенные к цепи высокого напряжения, они понижали напряжение до расчетной величины, а главное — разветвляли цепь переменного тока. Следовательно, бобины выполняли роль трансформаторов. При помощи трансформатора Усагина был освещен павильон электричества промышленно-художественной выставки.
И. Ф. Усагин назвал свой трансформатор «вторичным генератором». Термина «трансформатор» в то время еще не было в электротехнике, люди еще не имели достаточных сведений о трансформации тока.
Демонстрируя на выставке изобретение, И. Ф. Усагин последовательно подключил к цепи, питаемой генератором переменного тока, первичные обмотки, а вторичные обмотки питали потребители — четыре свечи Яблочкова, платиновую проволоку, маленький электродвигатель, изобретенный И. Ф. Усагиным, лампу Ренье.
Все потребители работали безукоризненно и, что особенно важно, не зависели друг от друга: при отключении одного или нескольких потребителей остальные работали по-прежнему, без перегрузки. Одновременная работа нескольких потребителей восхищала присутствовавших при демонстрации. В статье «Распределение электрической энергии через индукцию», напечатанной в № 18—19 журнала «Электричество» за 1882 г., читаем:
«28 августа члены технического съезда собрались на Всероссийской промышленной выставке в павильоне Товарищества электрического освещения Яблочкова, чтобы присутствовать при опытах с новой системой распределения электрической энергии по способу И. Ф. Усагина... Чтобы показать, как мало теряется энергии при распределении тока по новой системе, изобретатель производил свой опыт при следующих условиях: ничего не изменяя в расположениях машин, он ввел в цепь семь индуктивных бобин, в которых, собственно, и заключается суть его изобретения. Из них четыре служили для питания четырех свечей Яблочкова, одна, поменьше, приводила в быстрое вращательное движение электродвигатель конструкции того же изобретателя (таким образом, впервые альтернативный ток служит для передачи силы на расстояния) и, наконец, две маленькие — одна накаливала добела платиновую проволоку 5 см длины и 0,5 мм диаметра, другая — угли в лампочке системы Ренье... Свечи горели прекрасно; лампа Ренье, платина и двигатель не хуже их исполняли свое назначение. Изобретение заслужило
громкие и единодушные одобрения со стороны членов съезда. Изобретателя приветствовали аплодисментами».
В этой же статье автор подробно описал принцип устройства бобин И. Ф. Усагина, схему подключения к цепи, идущей от генератора переменного тока, и действие их на выставке.
И. Ф. Усагин, внешне спокойный, немногословный, уравновешенный, со свойственным ему увлечением уверенно демонстрировал действие изобретения — результат упорного труда ума и золотых рук. Он то выключал один приемник, то два и более, сосредоточенно и убедительно объясняя каждый опыт.
Кончив демонстрацию, И. Ф. Усагин окинул внимательным взглядом присутствовавших в павильоне электричества, наклонил голову, словно в первый раз осматривая дорогое ему изобретение, его детище. Выражение его лица говорило: «Я свое дело исполнял добросовестно, не жалея ни сил, ни времени, и показал вам результаты, а каковы эти результаты, это уж судите вы — вам виднее». И когда гробовую тишину внезапно разорвали аплодисменты и громкие возгласы одобрения, Иван Филиппович с благодарностью поклонился во все стороны павильона, застенчиво и как-то сконфуженно улыбнулся. Когда он приступил к демонтажу системы, смонтированной им для демонстрации трансформатора, его работу прервали горячие поздравления и крепкие рукопожатия русских ученых.
Экспертная комиссия промышленно-художественной выставки, возглавляемая великим русским ученым К. А. Тимирязевым «на основании статей 7, 15, 19 Положения об экспертах и наградах» наградила И. Ф. Усагина «дипломом II разряда, соответствующего серебряной медали, за успешные опыты электрического освещения через посредство отдельной индукции и в поощрение к дальнейшей разработке этой методы». И. Ф. Усагину был выдан диплом за № 10565.
Трансформатор Усагина — прототип современных трансформаторов. Его изобретение открыло широкие возможности для установки машин высокого напряжения, позволило смело применять переменный ток. До изобретения трансформатора попытки применения переменного тока встречали возражения со стороны многих ученых-электротехников из-за частых «случайностей», опасных последствиями. Эти случайности устранило изобретение Усагина.
Трансформатор открыл неограниченные возможности для передачи электроэнергии на любые расстояния. Это имело важное не только техническое, но и экономическое значение. С созданием трансформатора стала очевидной и практически доказанной эффективность применения переменного тока. По этому поводу выдающийся русский ученый А. Г. Столетов, ближайшим сотрудником которого был И. Ф. Усагин, писал:
«Невольно вспоминается та травля, которой подвергались трансформаторы в нашем отечестве, по поводу недавнего проекта фирмы Ганц и К° осветить часть Москвы. И в ученых докладах, и в газетных статьях система обличалась как нечто еретическое, ненациональное и безусловно гибельное. Защитники «национальности в электричестве» забывали, что первую идею о трансформации тока в технике сами иностранцы приписывают Яблочкову, что на Всероссийской выставке 1882 г. в Москве ранее Голарда, Гиббса и др. весьма определенно демонстрировал г. Усагин, за что награжден медалью. Знатоки западных порядков проглядели или замолчали, что в это самое время «гибельная» система питала десятки тысяч ламп в лучших частях Лондона (не говорим уже об Америке), а французы не задумывались применить ее к освещению жилища главы государства».
И. Ф. Усагин не смог взять патент на свое изобретение: для выкупа привилегии требовался взнос не менее 450 руб. золотом. Такой суммы при весьма скудном заработке И. Ф. Усагин, конечно, не имел. Промышленные фирмы, эксплуатировавшие машины постоянного тока, противодействовали применению трансформатора. Обращаться же за помощью к отчиму после того, как ради науки решительно порвал с ним, И. Ф. Усагин не стал.
