Научные открытия и изобретения явились не только основополагающим фактором совершенствования традиционной техники парового транспорта, но, что наиболее примечательно, они создавали предпосылки для формирования принципиально новых транспортных средств.

В рассматриваемый период паровоз в своем конструктивном решении Достиг почти предела. Несмотря на попытки ученых и конструкторов повысить экономичность локомотива, его КПД был низким и не превышал 3-4%.

Это стимулировало исследовательские и конструкторские работы в области создания принципиально новых средств тяги. Уже в последней четверти XIX в. обозначились контуры новых направлений локомотиво-строения — электровозе- и тепловозостроение.

На возможность применения электрической тяги на железных дорогах указывал еще в 1874 г. в заявке на привилегию русский специалист Ф. А. Пироцкий. В 1875—1876 гг. он проводил опыты на Сестрорецкой железной дороге по передаче электроэнергии по изолированным от земли рельсам. Передача осуществлялась на расстояние около 1 км. В качестве обратного провода был использован второй рельс. Элоктроэнергия передавалась маленькому двигателю. В августе 1876 г. Ф. А. Пироцкий поместил в «Инженерном журнале» статью с результатами своих работ. Эти опыты навели его на мысль использовать электроэнергию для вагонеток, движущихся по металлическим рельсам.

Практическая реализация идеи использования электрической энергии на транспорте принадлежит В. Сименсу (Германия), построившему первую электрическую железную дорогу, экспонировавшуюся на Берлинской промышленной выставке в 1879 г. Она представляла маленькую узкоколейную дорогу, предназначавшуюся для прогулок посетителей выставки. Короткий поезд из открытых вагончиков приводился в движение электровозом с двумя моторами, которые получали постоянный ток напряжением 150 В от железной полосы, уложенной между рельсами. Обратным проводом служил один из ходовых рельсов.

В 1881 г. В. Сименс построил пробный участок электрической дороги в пригороде Берлина Лихтерфельде, впервые применив мотор-вагон. Ток напряжением 180 В подводился к одному из ходовых рельсов, а другой рельс служил обратным проводом.

Во избежание больших потерь электроэнергии, которые возникали из-за плохой изолирующей способности деревянных шпал, В. Сименс решил изменить электрическую схему питания электродвигателя. Для этого на электрической дороге, построенной в том же 1881 г. на Всемирной Парижской выставке, был применен подвесной рабочий провод. Он представлял железную трубку, подвешенную над рельсами. Нижняя часть трубки была снабжена продольным прорезом. Внутри трубки ходил челночок, соединенный через прорез с гибким проводом, который прикреплялся к крыше локомотива и передавал электрический ток электродвигателю. Такая же трубка, подвешенная рядом с первой, служила обратным проводом. Подобная система была применена на построенных в 1883— 1884 гг. пригородных трамваях Мёдлинг—Фордербрюль в Австрии и Франкфурт—Оффенбах в Германии, работавших при напряжении 350 В. Примерно в это же время в Кинреше (Ирландия) на трамвайной линии была применена проводка тока по третьему рельсу, который устанавливали на изоляторах рядом с ходовыми рельсами. Однако эта система оказалась совершенно неприемлемой в условиях города, мешая движению экипажей и пешеходов.

Интересно отметить, что техническую обреченность такой системы подачи электрического тока мотору предвидел ранее Ф. А. Пироцкий, который писал в 1880 г. в газете «С.-Петербургские ведомости»: «Построенная мною электрическая железная дорога есть простейшая и дешевейшая. Она не требует затрат на среднюю рельсовую линию, напрасно увеличивающую стоимость дороги на 5% и прекращающую экипажное движение в городе. Она не требует затрат и на чугунные столбы, стоящие чрезмерно дорого».

Это письмо было опубликовано Пироцким в связи с появившимися в печати сообщениями о результатах проведенных им 3 сентября 1880 г. в Петербурге испытаний электрического трамвая. В это время Ф. А. Пироцкий усиленно занимался реализацией своих проектов, связанных с созданием надежного городского электрического транспорта. Он понимал, что развитие магистрального железнодорожного электрического транспорта невозможно без решения коренной проблемы электротехники — осуществления передачи электроэнергии на дальние расстояния. Учитывая это, ф. А. Пироцкий сконцентрировал свое внимание на опытах электродвижения вагона, принятого на городских конно-железных дорогах. В результате ему удалось в 1880 г. впервые осуществить движение по рельсам настоящего двухъярусного моторного вагона. Результаты своей работы Ф. А. Пироцкий представил в 1881 г. на Международную электрическую выставку в Париже, где экспонировал свою схему электрической железной дороги.

В 1884 г. в Брайтоне (Англия) была построена по схеме Пироцкого электрическая железная дорога с питанием от одного из рельсов протяженностью 7 верст. Эксплуатация только одного вагона дала чистой прибыли, по сравнению с конной тягой 420 франков в день.

С середины 80-х годов XIX в. развитием электрической тяги на железных дорогах начинают усиленно заниматься американские инженеры и предприниматели, которые энергично принялись за усовершенствование электрических локомобилей, а также способов подводки тока.
Над проблемой электрического железнодорожного транспорта работал в США Т. А. Эдисон, построивший за период с 1880 по 1884 г. три небольшие опытные линии. В 1880 г. он создает электровоз, который по своему внешнему виду напоминал паровоз. Электровоз питался электрическим током от путевых рельсов, один из которых был подключен к положительному, а другой к отрицательному полюсу генератора. В 1883 г. Т. А. Эдисон совместно с С. Д. Филдом построил более совершенный электровоз («The Judge»), экспонировавшийся на выставке в Чикаго и позже в Луизвилле.
К 1883 г. относятся работы американского инженера Л. Дафта, создавшего первый магистральный электровоз («Атрёг») для стандартной колеи, предназначенный для железной дороги Саратога—Мак-Грегор. В 1885 г. Дафт построил улучшенную модель электровоза для Нью-Йоркской эстакадной железной дороги. Локомотив, названный «Benjainin Franklin», весил 10 т, имел длину более 4 м и был снабжен четырьмя ведущими колесами. Электрический ток напряжением 250 В подавался по третьему рельсу к мотору мощностью 125 л. с, который мог тянуть состав из восьми вагонов со скоростью 10 миль в час (16 км/ч).
В 1884 г. швейцарский инженер Р. Тори построил экспериментальную железную дорогу с зубчатым зацеплением, соединив с ее помощью находящуюся на горном склоне гостиницу с местечком Терри (недалеко от Монтре на Женевском озере). Локомотив имел четыре ведущих колеса и перемещался по весьма крутому наклону (1 : 33). Его мощность была небольшой и позволяла перевозить одновременно четырех пассажиров. На спуске в процессе торможения мотор работал как генератор, возвращая электрическую энергию в сеть.
В течение ряда лет инженерная мысль неустанно работала над совершенствованием техники подачи тока к электровозу.
В 1884 г. в Кливленде Бентли и Найт построили трамвай с подземным проводом. Аналогичная система была введена в 1889 г. в Будапеште. Этот способ электропитания оказался неудобным в эксплуатации, так как желоб быстро загрязнялся.
В конце 1884 г. в Канзас-Сити (США) Генри испытал систему с медными воздушными проводами, из которых один был прямой, другой — обратный.
К 1885 г. относится постройка бельгийским специалистом Ван-Депулем в Торонто (Канада) первого трамвая с одним воздушным рабочим проводом. В его схеме обратным проводом служили ходовые рельсы. Вдоль линии сооружали столбы с консолями, к которым прикрепляли изоляторы с рабочим проводом. Контакт с рабочим проводом осуществлялся с помощью металлического ролика, насаженного на штангу трамвая, который во время движения «катился» по проводу. Эта система подвески оказалась очень рациональной, после дальнейшего совершенствования была принята во многих других странах и вскоре получила всеобщее распространение. К 1890 г. в США находилось в эксплуатации около 2500 км электрических дорог трамвайного типа, а к 1897 г. 25 тыс. км. Электрический трамвай стал вытеснять старые виды городского транспорта.

В 1890 г. воздушный провод появился впервые в Европе на трамвайной линии в Галле (Пруссия). С 1893 г. электрические железные дороги в в Европе развиваются ускоренными темпами, в результате чего уже к 1900 г. их протяженность достигла 10 тыс. км.

В 1890 г. электрическая тяга была применена на выстроенной подземной лондонской дороге. Электрический ток напряжением 500 В подавался на электродвигатель с помощью третьего рельса. Эта система оказалась очень удачной для дорог с самостоятельным полотном и начала быстро распространяться в других странах. Одно из ее достоинств — возможность электрификации дорог с очень большим расходом электроэнергии, к которым относились метрополитены и магистральные железные дороги.

В 1896 г. электрическая тяга с использованием токоведущего третьего рельса была впервые введена на участке железнодорожной магистрали Балтимор—Охай. Электрификация коснулась отрезка дороги на подходе к Балтимору длиной 7 км. На этом участке пути был проложен 2,5-километровый тоннель, побудивший строителей электрифицировать его. Электровозы, работавшие на этом участке, получали электрическую энергию от третьего рельса при напряжении 600 В.

Первые электрифицированные железные дороги по своей протяженности были небольшими. Строительство железных дорог большой протяженности наталкивалось на трудности, связанные с большими потерями энергии, которые вызывает передача постоянного тока на длительные расстояния. С появлением в 80-х годах трансформаторов переменного тока, дающих возможность передавать ток на большие расстояния, они были введены в схемы питания электроэнергией железнодорожных магистралей.

С введением трансформаторов в системе энергоснабжения образовалась так называемая «система трехфазно-ностоянного тока», или, иначе, «система постоянного тока с трехфазной передачей силы». Центральная электрическая станция вырабатывала трехфазный ток. Он трансформировался на высокое напряжение (от 5 до 15 тыс. В, а в 20-х годах — до 120 тыс. В), которое подавалось к соответствующим участкам линии. На каждом из них имелась своя понижающая подстанция, от которой переменный ток направлялся к электромотору неременного тока, насаженному на один вал с генератором постоянного тока. От него питался электроэнергией рабочий провод. В 1898 г. значительная по протяженности железная дорога с самостоятельным полотном и с трехфазной системой тока была сооружена в Швейцарии и соединяла Фрейбург—Муртен—Инс. Вслед за ней последовала электрификация и ряда других участков железнодорожных магистралей и метрополитенов.

К 1905 г. электрическая тяга полностью вытеснила паровую на подземных дорогах.

В середине 90-х годов произошли важнейшие качественные изменения, связанные с использованием на железнодорожном транспорте электродвигателей трехфазного тока. В результате упростилась вся система передачи и отпала необходимость в дорогих и требующих постоянного внимания мотор-генераторах или умформерах.

Впервые система трехфазного тока была введена на трамвайной линии в Лугано (Швейцария), построенной в 1895 г. Вслед за ней последовала Электрификация ряда небольших горных дорог в Швейцарии. В 1901 г. железная дорога на трехфазном токе начала успешно функционировать.

Тепловозы с электрической системой передачи благодаря своим более высоким эксплуатационным преимуществам в последующие годы находились в поле зрения конструкторов и изобретателей.

Значительный вклад в развитие тепловозостроения внесли отечественные ученые и специалисты. В 1905 г. инженер Н. Г. Кузнецов и полковник А. И. Одинцов разработали, вероятно, первый в мире проект локомотива, который стал прообразом современных тепловозов с электрической передачей. Изобретатели предусмотрели в своем проекте две индивидуальные дизель-генераторные установки. Каждая установка состояла из судового вертикального двигателя мощностью 180 л. с. и генератора трехфазного тока.

Каждая из четырех осей тепловоза (кузов и рама покоились на двух двухосных тележках) приводилась в движение самостоятельным электродвигателем.

В 1909 г. на Коломенском заводе разработали проект тепловоза с электрической передачей. Энергетическая установка состояла из двух трехцилиндровых дизелей общей мощностью 1 тыс. л. с, которые приводили в движение один генератор, расположенный между ними. Ток подавался к четырем электродвигателям тепловоза, опорой кузова которого служили две четырехосные тележки.

В период с 1905 по 1920 г. были в основном завершены проектно-конструкторские работы, связанные с созданием мощного тепловоза с электрической системой передачи. В 20-е годы тепловозы вышли на железнодорожные магистрали ряда стран мира, в том числе и в СССР.

Начало развитию в СССР тепловозостроения с электрической передачей было положено работами профессора Я. М. Гаккеля, разработавшего проект локомобиля в 1920—1921 гг. Для рассмотрения проекта при Госплане была создана Комиссия по тепловозам, преобразованная затем в Комиссию по тепловозам при ВСНХ. 4 января 1922 г. Совет Труда и Обороны принял постановление о постройке тепловозов. В 1924 г. тепловоз по проекту Я. М. Гаккеля был построен. Это был один из первых в мире крупных работоспособных тепловозов, мощностью около t тыс. л. с. В ноябре 1924 г. тепловоз системы Я. М. Гаккеля совершил опытный рейс от Ленинграда до Обухове Октябрьской железной дороги, а 16 января 1925 г. привел грузовой состав в Москву.

Постройка тепловоза, финансировавшаяся ВСНХ, велась на четырех петроградских заводах: Балтийском судостроительном, «Электросиле», «Красном путиловце», «Электрике».

В это время строительство тепловозов началось в Германии, Англии, Швеции и в ряде других стран.