В одном случае, правда, перегрев проводника используется с пользой для дела — в плавких предохранителях. Их основа — короткий кусочек провода строго рассчитанного и проверенного сечения, этот проводок включается в электрическую цепь последовательно, и через него проходит общий ток. Диаметр проводка выбран с таким расчётом, что, если ток заметно превысит нормальную величину, проводок перегреется, сгорит и разорвёт цепь, спасая весь аппарат от неприятностей.
ВК-184. На производстве часто желательно использование синхронных двигателей — их ротор вращается с постоянной скоростью. Но для этого нужно ввести двигатель в синхронизм — раскрутить ротор до той скорости, с которой он будет вращаться. Для мощных двигателей это серьёзная проблема, и одно из её решений — синхронный двигатель с асинхронным пуском. Он начинает вращаться как асинхронный и, когда ротор набирает нужные обороты, автоматически переключается в свой основной режим.
Р-76. ГЛАВНЫЕ ЦИФРЫ ТРАНСФОРМАТОРА. Настала очередь самой неприметной, самой тихой электрической машины, выполняющей чрезвычайно важную работу и, скорее всего, самой распространённой. Настало время трансформатора. Это две (иногда больше) достаточно близко расположенные катушки, из одной из них в другую (в другие) передаётся электрическая мощность за счёт взаимоиндукции. Одна из особо важных цифр, поясняющих возможности трансформатора, это его коэффициент трансформации к, который иногда обозначают буквой n (1). Коэффициент трансформации — это отношение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки, куда поступает преобразуемое напряжение. Если во вторичной обмотке больше витков, чем в первичной, то есть если коэффициент трансформации больше единицы, то трансформатор повышает напряжение, если меньше единицы — понижает. Другие важные цифры — напряжения и токи, на которые рассчитаны те или иные обмотки. Эти данные нередко приводят на самом корпусе трансформатора или на пластмассовой пластине, прикреплённой к нему. Превышать эти цифры очень не рекомендуется, так как это повышает вероятность непоправимых повреждений. И, наконец, ещё одна важная цифра — мощность трансформатора, которую примерно можно оценить по его внешнему виду. В домашней технике используют очень небольшие трансформаторы мощностью несколько ватт (зарядные устройства для сотовых телефонов) и средние мощностью 50-500 ватт (приёмники, телевизоры, мощные усилители звука). А на электростанциях на ограждённой площадке можно увидеть группы больших трансформаторов высотой несколько метров и рассчитанных на преобразование мощности в тысячи киловатт.
Т-161. Удивительные профессии простого проводника — сверхпроводимость и скин-эффект. Электрическое сопротивление любого физического тела, в том числе сопротивление проволоки, зависит от температуры — в подавляющем большинстве случаев оно возрастает при нагревании. Так, при повышении температуры от 20 до 500 °C сопротивление медных и алюминиевых проводов возрастёт примерно на 20 %, а стальных почти на 30 %, это весьма заметные изменения. Вместе с тем сильное охлаждение некоторых проводников понижает их сопротивление и некоторые даже вводит в состояние сверхпроводимости, когда у проводника полностью исчезает активное электрическое сопротивление.
Историю открытия сверхпроводимости часто начинают с 1877 года, когда охладили газообразный кислород до недостижимой никогда ранее температуры -182,9 °C (минус 182,9 градуса по шкале Цельсия) и превратили его в жидкость. Создание техники для получения очень низких температур дело непростое и небыстрое. Но всё же через 30 лет голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес, создав лучшую в мире лабораторию сверхнизких температур, сумел получить жидкий гелий при температуре около -269 °C, или, иначе, примерно 4 градуса по шкале Кельвина, сокращённая запись 4 К. И тут обнаружилось, что при этой температуре ртуть вообще перестаёт оказывать сопротивление электрическому току — при этой температуре ртуть скачкообразно переходит в состояние, которому дали имя сверхпроводимость.
Спустя много лет теоретики на основе квантовой механики объяснили явление сверхпроводимости, оно связано с очень тонкими и сложными физическими эффектами, в их числе спаривание свободных электронов и полное вытеснение магнитного поля из сверхпроводника.
Если бы сверхпроводимость удалось получить при обычной, как принято говорить, при комнатной температуре, то это, конечно, совершило бы переворот в электротехнике — исчезли бы потери энергии и вместе с ними исчезла бы проблема перегрева электрических машин, по тонкому, как нитка, проводу можно было бы пересылать огромные токи и тысячи киловатт электрической мощности, ничего при этом не теряя. Несколько раз появлялись сообщения об открытии высокотемпературной сверхпроводимости, и в 1987 году Нобелевской премией было отмечено создание токопроводящих керамических материалов, которые становятся сверхпроводниками при температуре жидкого азота, то есть примерно при -77 °C. Но пока многие высокотемпературные сверхпроводники теряют свои ценные свойства при сравнительно сильных токах, пока практике переданы сплавы на основе ниобия, у которых устойчивая сверхпроводимость наступает при температуре около 23 К = -250 °C. Сейчас, чтобы получить столь низкую температуру, сверхпроводник сначала помещают в жидкий азот, получать который и поддерживать в жидком состоянии не так дорого, как гелий. Сверхпроводник, охлаждённый в жидком азоте, значительно проще и дешевле доводят до нужной температуры (-250 °C) в жидком гелии (Р-81).
ВК-185.Мы смогли познакомиться с особенностями некоторых электрических двигателей, но их разновидностей существует очень много. Достаточно вспомнить две основные группы — двигатели постоянного и переменного тока, в первой группе моторы с разным соединением обмоток якоря и электромагнита, а во второй — с синхронным и асинхронным вращением ротора. Вместе с тем 80 % всех выпускаемых двигателей приходится на простые и надёжные асинхронные машины с короткозамкнутым ротором.
Р-77. СЕРЬЁЗНУЮ ОПАСНОСТЬ УСТРАНИЛИ. НЕПРОСТО, НО УСТРАНИЛИ. Одно из особо опасных повреждений в трансформаторе, это появление в какой-либо обмотке короткозамкнутых витков, например из-за повреждения эмалевой изоляции провода. Такой виток становится как бы отдельной обмоткой с очень малым сопротивлением и, следовательно, с большим током, который быстро нагревает трансформатор и выводит его из строя. Уже в первые годы становления большой электротехники таким короткозамкнутым витком оказывался стальной сердечник трансформатора, в нём тоже наводился большой ток со всеми вытекающими из этого опасными последствиями. Но вскоре был придуман способ избавления от этого короткозамкнутого витка без потери достоинств ферромагнитного сердечника. Его собирали из довольно тонких стальных пластин, между которыми находилась тончайшая изоляция. Ток наводился в каждой пластине отдельно, и в соседних пластинах он шёл в разные стороны (3). При этом общий ток в сердечнике резко уменьшался и опасности перегрева больше не было. Сейчас по этой технологии собирают пластинчатые сердечники всех трансформаторов и электрических машин.
Кстати, первая демонстрация сверхпроводимости состояла в том, что в особый сосуд с жидким гелием поместили получивший порцию энергии Lc-контур, и колебания в нём продолжались чуть ли не несколько месяцев — благодаря сверхпроводимости прекратились потери энергии в контуре, его добротность стала чрезвычайно высокой (Р-112).
Сплошной стольной сердечник — короткозамкнутый виток и в нем _ большие потери энергии. В пластинах сердечника токи противодействуют друг другу и потери резко снижаются
Из-за необходимости гелиевых температур сверхпроводимость пока остаётся мечтой и надеждой для массовой электротехники, хотя она уже много лет используется в некоторых особых случаях. Например, в сверхсильных электромагнитах для ядерных исследований, где обычные электромагниты с обмотками из медного провода оказались бы ещё сложнее и дороже, чем сверхпроводниковые. Или там, где вообще невозможно было создать обычные электромагниты, которые давали бы нужной силы магнитное поле. Используют электромагниты со сверхпроводящими обмотками и в экспериментальных установках для термоядерного синтеза — для получения энергии из реакции объединения атомных ядер водорода в ядро гелия, то есть из реакции, которая в небольших по космическим меркам дозах воссоздаст технологию получения энергии звёзд, в том числе нашего Солнца.
Бесхитростные, казалось бы, трудяги-провода демонстрируют ещё одно интересное явление, не столь, может быть, важное, как сверхпроводимость, и не столь сложное по своей физической основе, но тоже поначалу похожее на необъяснимый фокус. С увеличением частоты активное сопротивление обычного проводника, оказывается, растёт, и весьма заметно. Это явление называется поверхностный эффект, или, иначе, скин-эффект, слово «скин» в переводе с английского означает «кожа».
Скин-эффект возникает потому, что переменное электромагнитное поле, созданное генератором и двигающее электроны в проводнике, из-за быстрых своих изменений и невысокой скорости распространения в металлах не успевает проникнуть вглубь провода. Поэтому в центральной его части тока нет вообще, высокочастотный ток реально движется лишь в поверхностном слое провода, что равносильно уменьшению его диаметра и, следовательно, росту сопротивления. На низких частотах, в частности, на сетевой частоте 50 Гц, поверхностный эффект практически не ощущается, но, скажем, на частоте 2 мегагерца (2 МГц = 2 000 000 Гц) сопротивление медного провода диаметром 5 мм увеличится более чем в 50 раз в сравнении с его сопротивлением постоянному току.
За открытием скин-эффекта довольно быстро последовало его практическое использование. Например, при создании медного провода с высокопрочной стальной сердцевиной. Или тонкого серебряного покрытия на медном проводе, что снижает его сопротивление на высоких частотах. Очень полезным для машиностроения стало использование скин-эффекта для поверхностной закалки деталей. Эта технология — высокочастотная закалка — позволяет создавать ответственные стальные детали машин с незакалённой, а поэтому пластичной и очень прочной основой и с очень тонким зака