Можно привести множество цифр, расчётных формул, таблиц и графиков, которые неотвратимо докажут, что посредник-электричество не ест хлеб зря. Достаточно вспомнить, что сами электрические машины, участвующие в преобразовании энергии, такие как электрогенераторы, электродвигатели, трансформаторы, работают с высоким коэффициентом полезного действия, потери в них, как правило, не превышают несколько процентов. Если подсчитать всё, что теряется, и всё, что выигрывается, то окажется, что электричество в итоге не только не разбазаривает какую-то часть общей исходной энергии, а наоборот — в огромных количествах её сберегает.
При этом электричество позволяет транспортировать энергию на большие расстояния, и не по трубам, не в железнодорожных составах, не морскими супертанкерами, а по сравнительно тонкому медному или алюминиевому проводу. И с очень малыми потерями. Электричество позволяет легко делить энергию на любые порции и без проблем развозить её множеству потребителей, например, доставлять к каждому рабочему месту на большом заводе или в каждую квартиру большого многоэтажного дома. Электричество позволяет с лёгкостью менять режим работы самых разных машин-исполнителей, например, менять число оборотов электродвигателя, крутящий момент на валу или яркость свечения электроламп.
ВК-199.В современном мире производство электрической энергии уже давно стало объектом большого бизнеса и активных межгосударственных экономических отношений. Страны, имеющие благоприятные условия для производства электроэнергии, в том числе за счёт альтернативных источников, например солнечного излучения, ветра или приливов, могут активно развивать эти отрасли индустрии, получая более крупный или более быстрый экономический эффект, чем при развитии других областей.
Можно без графиков, цифр и формул заметить замечательные достоинства электричества, достаточно лишь немного воображения. Вы, скорее всего, не захотите использовать в своём доме керосиновые лампы или светильники с газовыми горелками вместо ярких, без гари и копоти электрических ламп, которые можно мгновенно включить или выключить лёгким нажатием на кнопку. Производственники наверняка не захотят заменить токарные и фрезерные станки с электроприводом на станки, которые, как в старину, с помощью ременных передач приводятся в движение от проходящего вдоль всего цеха общего вала, связанного с паровой машиной. И вряд ли кто-нибудь захочет купить пылесос, магнитофон или вентилятор, в которых вместо бесшумных электродвигателей работают бензиновые моторчики. Не говоря уже о том, что магнитофон, а также телевизор, телефон, радиоприёмник, компьютер, рентгеновский аппарат и многие другие уже привычные чудеса техники без электричества вообще немыслимы.
Так что, сравнивая два варианта нашей жизни — с электричеством и без электричества, можно уверенно сказать, что электричество удобнее. Оно удобно и выгодно. Оно удобно, выгодно и открывает такие возможности, о которых и мечтать нельзя было до того, как на помощь человеку пришло электричество.
Отметив этот очевидный факт, мы вплотную подошли к рассказу о практическом использовании электричества, о конкретных электрических приборах, машинах и системах.
Глава 16Главное о главных
Жители городов, вечерами залитых электрическим светом, пассажиры электропоездов и владельцы электрических кофеварок, мы редко задумываемся о том, как пришло к нам всё это электрическое богатство. И часто даже не знаем, что ещё чуть более ста лет назад лишь в нескольких десятках столичных квартир горели электрические лампочки, а весь остальной народ ещё жёг свечи и керосиновые лампы.
Главный герой электроэнергетики — мощный электрический генератор. Но он не работает один — ему непременно нужен мощный двигатель, который будет перемещать основную обмотку генератора в магнитном поле, преодолевая сильнейшее его сопротивление. Сегодня в мировой энергетике сложилось несколько групп таких очень сложных технических систем, от их стабильной работы и их развития зависит благополучие каждого из нас.
Т-169. Требуются силачи. Принцип действия электрического генератора нам в своё время пояснила проволочная рамка, которую мы вращали в магнитном поле (Р-55, Р-56). При этом не говорилось, кто именно, какое устройство осуществляет вращение, поскольку это безразлично — рамку можно вращать любым способом, главное, чтобы она вращалась, чтобы её провода пересекали магнитное поле. Можно, например, представить себе, что рамку вращает какой-нибудь простенький бензиновый моторчик, из числа тех, что дети ставят на свои летающие модели самолётов.
На настоящей электростанции настоящий генератор вместе с двигателем входит в единую сложную систему, и в дальнейшем будет рассказано о нескольких таких системах, представляющих основные направления электроэнергетики. Но перед этим уместно вспомнить, что при знакомстве с электрическими генераторами рано или поздно откуда-то обязательно выплывает коварный вопрос, как говорят студенты, вопрос на засыпку. Излагается он примерно так: почему, чтобы вращать ротор генератора, нужны мощные двигатели? Пусть он даже очень тяжёлый, этот ротор, но подшипники у него наверняка хорошо смазаны, и, скорее всего, можно и вручную ротор провернуть. Для чего же тогда двигателю такая большая мощность?
Сначала общий ответ: электрогенератор не источник энергии, а всего лишь её преобразователь — чтобы получить от генератора электрическую мощность 100 тысяч киловатт, нужно в каком-то виде дать ему никак не меньше, а реально нужно с несколько большей мощностью (с учётом потерь) вращать ротор этого генератора. За конкретным пояснением обратимся к нашей экспериментальной установке — к простейшему генератору в виде рамки, которая вращается в магнитном поле, и наведённую в ней э.д.с. выдаёт во внешнюю электрическую цепь.
В режиме холостого хода, когда нагрузки нет, тока тоже нет и мощность от рамки не потребляется, вращать её действительно нетрудно. Но если вращать рамку и подключить к ней нагрузку, то наведённая э. д.с. создаст в цепи ток, а он, проходя по самой рамке, будет взаимодействовать с внешним магнитным полем. Вспомните обнаруженный нами когда-то факт: проводник, по которому идёт ток, выталкивается из магнитного поля, так собственное магнитное поле проводника взаимодействует с внешним полем. Если по правилу правой руки определить полярность э.д.с., наведённой в проводах рамки, а по правилу левой руки определить направление выталкивания проводников, то окажется, что выталкивание направлено против вращения рамки. А это значит, что силу выталкивания нужно преодолеть, если мы хотим вращать рамку и получать от неё какую-то электрическую мощность. Чем больше потребляемая от рамки (от генератора) мощность, тем больше ток в цепи (а значит, и в рамке), тем больше выталкивающая сила, которую нужно преодолеть, тем, следовательно, больше должна быть сила, которая вращает рамку. Вот почему нужны мощные первичные двигатели, которые поставляют механическую энергию для мощных электрогенераторов.
ВК-200. К измерению времени, размеров или расстояний мы привыкаем с детства. Если скажут, например, что до станции нужно пройти пять километров, то сразу ясно, что это много, часа полтора-два идти. Сейчас мы постепенно привыкаем к измерению объёмов информации и скорости её передачи. Учимся в цифрах представлять себе, почему параллельная её передача по многопроводным линиям происходит намного быстрее, чем последовательная передача по однопроводной. И чем выше чёткость картинки, тем больше информации нужно передать для её воспроизведения. А отображение цвета тоже, разумеется, требует передачи дополнительной информации.
Р-78. МАШИНА ДЛЯ ПРЕОДОЛЕНИЯ РАССТОЯНИИ. Именно трансформатор позволил электричеству проходить сотни и тысячи километров от электростанций, то есть от места, где электрическая энергия была создана, до потребителя, который эту энергию использует на производстве или дома. Исключительную роль скромного труженика трансформатора в этом великом деле легко понять. Достаточно вспомнить, что главная рабочая характеристика электричества, его мощность Р, в равной степени зависит от двух величин — от напряжения U и от самого тока I. Получив возможность выбора, мы для линий дальней передачи, конечно же, выберем вариант «Большое напряжение, малый ток». Потому что именно ток препятствует дальнему распространению электричества, это он (упрощённая картина) сталкивается с атомами проводника, по которому движется, и на больших расстояниях из-за этих столкновений теряет значительную часть своей энергии. А осуществить выбор «Большое напряжение, малый ток», оказывается, очень просто, нужны для этого всего лишь два мощных трансформатора. Перед отправкой электрической энергии в дальний путь один повышающий трансформатор во много раз увеличит напряжение. При этом во столько же раз автоматически уменьшится ток — трансформатор мощности не меняет. А на другом конце линии дальней передачи примерно такой же трансформатор снизит напряжение до принятой стандартом безопасной величины
Т-170. Настоящий генератор: штрихи к портрету. От рамки, которая вращалась в магнитном поле, до настоящего электрогенератора так же далеко, как от зажигалки до ракетного двигателя, который выводит на орбиту многотонный спутник. Начнём с того, что на выходе типичного мощного генератора э.д.с. составляет несколько тысяч вольт, на одном виточке рамки такую электродвижущую силу не наведёшь. В настоящем генераторе она наводится в многовитковых катушках, как известно, э.д.с., наведённая в отдельных витках катушки, суммируется. Далее, катушки, в которых наводится э.д.с., не вращаются в поле постоянного магнита, как вращалась наша учебная рамка. В реальном генераторе катушки, в которых наводится э.д.с., входят в неподвижную его часть — в статор. А сам магнит, точнее электромагнит, находится в роторе, он вращается внутри системы этих неподвижных катушек, внутри статора. В обоих вариантах (вращается основная обмотка или вращается магнит) основная обмотка и магнитное поле встречаются в движении, так что в принципе разницы никакой нет, а вот выигрыш во втором варианте очень большой. Выходное напряжение генератора немалое, выходная мощность — сотни тысяч киловатт,