Чтобы создать многопредельный амперметр, нужно подключать к гальванометру шунты с разным сопротивлением. И здесь появляется серьёзная опасность: если менять шунты, то переключатель, выполняя эти операции, может на мгновение оставить прибор вообще без шунтов и вывести его из строя большим током. Чтобы избежать такой неприятности, используют безопасный универсальный шунт — он всегда подключён к прибору, а переключатель лишь соединяет его с отводами универсального шунта.
Т-164. Качество работы оценивает тригонометрия (косинус фи). Во всех последних разделах, как и во многих предыдущих, фигурировали электрические цепи, где к генератору подключается чисто активная нагрузка, представленная тем или иным сопротивлением Rн. Но так бывает далеко не всегда — в цепях переменного тока к генератору часто подключены не только чисто активные, но ещё и реактивные элементы, конденсаторы и особенно часто катушки индуктивности. Так, например, если к генератору через трансформатор подключена группа уличных фонарей, то на эквивалентной схеме всей этой цепи должно быть не только активное сопротивление R, отображающее сами осветительные приборы, но ещё и индуктивное сопротивление XL, отображающее индуктивность трансформаторных обмоток. Точно так же должна выглядеть эквивалентная схема электрического двигателя — сопротивление R отображает активную часть нагрузки, то есть в итоге ту механическую работу, которую выполняет двигатель, а в индуктивном сопротивлении XL представлена индуктивность его обмоток (Р-83).
ВК-191. Подбираясь к концу короткого путешествия в мир измерительных приборов, нужно сказать несколько слов о приборе, который в наше время стал таким же обязательным для каждого дома, как, скажем, молоток или отвёртка. Имя этого прибора «авометр», что означает амперметр, вольтметр и омметр. Его основа — один чувствительный магнитоэлектрический гальванометр, к которому подключены универсальный шунт, выпрямитель, гальванический элемент и гасящие сопротивления.
На первый взгляд может показаться, что учитывать реактивное сопротивление не так уж и обязательно — мощности оно не потребляет, то, что в какой-то момент берёт от генератора, почти сразу же и отдаёт. Но не нужно забывать, что ток, который туда-обратно без потерь прокачивается через катушку, проходит по соединительным проводам, по линиям электропередачи и в них отдаёт определённую мощность, отобранную в итоге у генератора. И хотя сами реактивные элементы мощности не потребляют, проходящий через них ток создаёт потери в других элементах цепи, прежде всего во внутреннем сопротивлении генератора. Поэтому желательно, чтобы реактивная составляющая общего тока была как можно меньше или, иными словами, чтобы как можно большая часть общей мощности, циркулирующей в данной цепи переменного тока, приходилась на реально работающую, на активную составляющую тока.
Имеется особая характеристика, которая оценивает долю активной составляющей в общей мощности, потребляемой каким-либо устройством. Называется эта характеристика cosφ (произносится «косинус фи», греческая буква «фи»), или, иначе, коэффициент мощности. Он показывает, какую часть общей потребляемой мощности составляет активная мощность, и может лежать в пределах от 0 до 1. Если коэффициент мощности равен нулю (cos φ = 0), то вся поступающая в данную электрическую цепь мощность — реактивная. А если коэффициент мощности равен единице (cos φ = 1), то реактивной составляющей у потребляемой мощности вообще нет, вся мощность, полученная от генератора, расходуется в чисто активной нагрузке.
Как уже отмечалось, желательно, чтобы реактивная составляющая общей потребляемой мощности (мощность, как всегда, это произведение тока на напряжение) была как можно меньше, а активная составляющая — как можно больше. Иными словами, желательно, чтобы у потребителя косинус фи был как можно выше, как можно ближе к единице.
ВК-192. Полезное приложение к измерительным приборам — это умение быстро производить в уме простейшие вычисления, которые могут заменить ряд измерений, особенно если подсчитываемую величину нечем измерить. В числе легко вычисляемых показателей сопротивление и мощность, когда известны ток и напряжение или индуктивность катушки, когда известны ёмкость и резонансная частота. При расчётах не стремитесь к особой точности, но будьте внимательны при определении порядка величины.
Т-165. Трансформатор — машина для преодоления расстояний. Много и иногда довольно подробно размышляя о трансформаторе, мы пока ещё не сказали о нём нечто особо важное: именно трансформатор сделал возможной передачу электричества на большие расстояния.
Для начала вспомним, что электрическая мощность — это напряжение, умноженное на ток, Р = U∙I (Р-37). И что одну и ту же мощность Р можно получить при самых разных соотношениях между U и I, в частности, при большом напряжении U и малом токе I или при большом токе I и малом напряжении U. Простой пример: Р = 200 Вт = 200 В∙1 А = 1 В∙200 А = 50 В∙4 А = 2 В∙100 А = 2000 В∙0,1 А и так далее.
При передаче электрической мощности часть её теряется в проводах, соединяющих генератор и нагрузку, то есть теряется в соединительной линии. Потери эти тем больше, чем больше идущий по линии ток, и поэтому передавать электроэнергию желательно при большом напряжении и малом токе. В то же время потребителю по ряду причин, в том числе из соображений безопасности, нужно напряжение не очень высокое, примерно 100–200 вольт, а оно совершенно непригодно для передачи электроэнергии на большие расстояния.
Представим себе, что в небольшой дачный поселок из 100 домов по воздушной линии длиной всего 5 километров нужно передать мощность 200 киловатт — по два киловатта на домик. Это довольно скромно — несколько лампочек, телевизор, холодильник, пара вентиляторов. Мы обнаружим просто ужасающую картину, подсчитав, что будет, если по медному проводу диаметром 4–5 миллиметров передавать эту мощность напрямую с генератора с таким расчётом, чтобы у потребителя было напряжение 200 вольт. Получится, что при полной нагрузке по линии пойдёт огромный ток, и он потеряет в проводах линии во много раз большую мощность, чем получит потребитель. Ещё более абсурдными получатся результаты расчётов, если представить себе передачу энергии подобным способом для большого города и на большое расстояние. И ничего здесь не сделаешь, против закона Ома не пойдёшь.
Решение неразрешимой, казалось бы, задачи подарил большой электроэнергетике простой и скромный трансформатор. На входе в линию электропередачи он повышает напряжение в десятки, сотни и даже в тысячи раз, а на выходе понижает его до нужной потребителю величины (Р-78). В итоге по линии мощность идёт при высоком напряжении и небольшом токе, а значит, потери в линии невелики. В принципе всё до смешного просто, хотя, конечно, в реальных электрических сетях работают достаточно сложные, крупные и совершенные системы.
ВК-193.Осциллограф — ещё один прибор для изучения того, что происходит в невидимом электрическом мире. На экране своей электронно-лучевой трубки он рисует самый настоящий график поступившего к нему на вход переменного тока. Горизонтальное движение луча трубки создаёт для этого графика горизонтальную ось — ось времени. Одновременное вертикальное смещение луча отмечает все изменения тока, то есть рисует сам график тока. Смещение луча слева направо и вверх-вниз — основная идея прибора.
Т-166. Трое в одной лодке и в общем магнитном поле. Из наполненной добродушным юмором повести Джерома К. Джерома «Трое в лодке» извлечём важный для нас факт: путешественников было трое, а лодка была одна. Повесть появилась немногим более ста лет назад, когда инженеры создали свой вариант использования чего-либо «на троих», — они объединили в одной машине три электрических генератора, придумали систему трёхфазного переменного тока.
Мы уже знаем, что если вращать проволочную рамку в магнитном поле, то благодаря электромагнитной индукции в рамке наведётся э.д.с. А можно в общем магнитном поле вращать сразу несколько рамок или иных обмоток ротора и с каждой из них при этом получать э.д.с. (Р-92). Каждая такая рамка фактически представляет собой отдельный генератор, именуется он фаза, а вся система называется многофазной или трёхфазной, при трёх обмотках (рамках). Здесь мы ещё раз встречаемся с омонимами, с одинаковыми по написанию и звучанию словами, имеющими совершенно разное значение (вспомните слово «сила»). В многофазном генераторе фаза — это отдельный, самостоятельный источник Э.Д.С., совсем не то, что фаза как момент времени, соответствующий какому-либо событию, например, появлению амплитуды переменного тока (Р-57).
ВК-194.Основной элемент осциллографа, его электронно-лучевая трубка, даже в упрощённом виде смотрится сложным прибором. Из сильно разогретого током катода вылетают электроны и попадают в трубку, где из них формируется тонкий электронный луч. Попав в экран, покрытый светящимся веществом, луч создаёт на нём яркую точку, а при движении линию. На пути к экрану луч проходит две пары отклоняющих пластин. Напряжение на них взаимодействует с лучом, отклоняет его и рисует график.
Не нужно думать, что многофазная система даёт какой-то многократный энергетический выигрыш, скажем, сама по себе в несколько раз увеличивает мощность генератора. Генератор — это всего лишь преобразователь энергии, его выходная, то есть электрическая, мощность зависит от того, какая к генератору подводится механическая мощность, с какой силой вращает его ротор паровая турбина или дизель-мотор. Как ни увеличивай число рамок, а генератор не может выдавать больше энергии, чем получает. Многофазная система имеет, однако, другое важное достоинство — она поз