снять такую большую мощность с помощью скользящих контактов очень непросто. А вот подвести ток к катушке вращающегося электромагнита — значительно проще.
Ещё одна примета настоящей электрической машины. В ней главный работник — магнитный поток, который должен быть как можно более сильным. Поэтому поток, как в сердечнике трансформатора, в основном замыкается через железо — статор собран из стальных пластин, и ротор тоже стальной, но не пластинчатый. Магнитное поле этого электромагнита вращается вместе со своим сердечником и вихревых токов в нём не наводит. Зазор между статором и ротором минимальный, для этого обмотка ротора уложена в пазы, чтобы она не выступала, не заставляла увеличить зазор. Статор и ротор имеют каждый свою систему жидкостного охлаждения, позволяющую создавать генератор более высокой мощности.
И ещё одна важная особенность: в настоящем генераторе очень часто не два магнитных полюса, а несколько пар полюсов. Как известно, во многих странах, в том числе и в России, для сетей переменного тока принята частота 50 герц, то есть 50 периодов в секунду или 3000 периодов в минуту. Чтобы получить такую частоту в двухполюсном генераторе, его ротор должен совершать 3000 оборотов в минуту, а это многовато — в больших машинах из-за больших центробежных сил возникают серьёзные проблемы прочности, да и некоторым первичным двигателям удобнее (Т-8) вращаться медленнее. Если в генераторе две пары магнитных полюсов, то на каждый оборот ротора приходится 2 периода переменного тока, и частота 50 герц получается уже не при 3000, а при 1500 оборотах в минуту. Чтобы получить 50 герц при трёх парах полюсов, ротор должен вращаться со скоростью 1000 оборотов в минуту.
Кстати, электрическая машина, о которой идёт речь, — это синхронный генератор, напряжение на его выходе меняется синхронно с вращением ротора. Если при определённом его положении появляется, например, положительная амплитуда, то она всегда будет появляться, когда ротор проходит через эту точку. Понятие синхронности ещё пригодится нам, когда речь пойдёт о двигателях — синхронных и асинхронных.
Что стоит за цифрами, называющими мощность электрогенератора, легче представить себе, если вспомнить следующее: энергетики считают, что каждому городскому жителю в среднем нужна электрическая мощность 3 киловатта, каждому сельскому жителю 2 киловатта, для заводов и других производств счёт особый. Электрические генераторы для электростанций обычно имеют мощность от 100 до 500 тысяч киловатт, хотя уже есть сверхмощные генераторы на 1 миллион и даже на 1,2 миллиона киловатт. На электростанции всегда несколько генераторов, а сами станции объединяются в крупные системы, снабжающие электроэнергией огромные территории, сотни городов, тысячи предприятий.
ВК-201.Свобода художника проявилась в том, что на одной картинке показаны две эпохи развития электрических сетей. Справа большие дома, электричество приходит к ним по подземному силовому кабелю через понижающий трансформатор. Слева воздушная линия на столбах, она снабжает электричеством небольшие поселковые дома, на столбах находятся и понижающие трансформаторы. В обеих сетях к трансформаторам приходит высокое напряжение, например 6000 В, потребитель получает 220 В.
Р-79. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО, СОЗДАЮЩЕЕ СВЕТ. В довольно длинном списке изобретателей ламп для электрического освещения первым обычно называют англичанина Деларю — он создал первую экспериментальную лампочку с платиновой нитью в 1809 году. Кстати, за семь лет до этого русский электротехник академик В.В. Петров построил мощнейшую химическую батарею и с её помощью получил очень ярко светящуюся электрическую дугу. И всё же реальным началом электрического освещения считают 1879 год, когда Томас Эдисон передал промышленности отработанную им за несколько лет электрическую лампу, пригодную для серийного производства. Хотя в этой сфере немало было сделано другими до Эдисона, у этого человека и сегодня есть чему поучиться. Взявшись за какое-нибудь дело, он непременно доводил его до конца в полном объёме. Так, для своей лампочки он создал дожившие до наших дней патрон, цоколь (1,2) и выключатель, а также всю систему электропроводки, включая керамические ролики, на которых висят провода. Он много работал над снижением стоимости своей лампы и от цены 1 доллар пришёл к 24 центам.
Не без него в 1882 году дело пришло к первым небольшим электростанциям, на основе которых развивалось электрическое освещение. В наши дни, пройдя множество усовершенствований (угольный стержень, например, уже давно и навсегда сменила вольфрамовая спираль) и несмотря на огромные потери электрической мощности (90–95 процентов) на излучение тепла, а также несмотря на то, что в некоторых странах производство простейших лампочек запрещено, эти лампы накаливания продолжают широко использоваться. Огромная часть электрического света в наше время приходится на трубчатые (3) и компактные (5) люминесцентные лампы, или, как их чаще называют, лампы дневного света. У них в центре создаётся слабый электрический разряд, дающий невидимое ультрафиолетовое излучение. Оно заставляет ярко светиться белый с виду люминофор, изнутри покрывающий стеклянную трубку. Уже начали широко применяться светильники на полупроводниковых светодиодах (6,7) — при прямом токе в их pn-переходе возникает сильное свечение, которое рассеивается в нужном направлении пластмассовыми линзами.
Т-171. Электрические машины — всё очень просто и непросто. Генераторы уже несколько раз были названы машинами, и это их общепринятое имя. Причём электрическими машинами называют и генераторы, и двигатели, и даже трансформаторы, хотя никаких подвижных деталей в трансформаторах нет. У генераторов и двигателей много общего, и некоторые их виды — машины обратимые. То есть если вращать ротор обратимого двигателя, то на его обмотках появится э.д.с. и он будет работать как генератор. А если к обратимому генератору подвести внешнее напряжение, то его ротор начнёт вращаться, как у двигателя.
Здесь самый момент заметить, что короткое описание мощных генераторов не должно создавать иллюзию этакой абсолютной простоты электрических машин и полной свободы в их конструировании или использовании. Электрические машины — это сложные совершенные творения науки, техники и технологии, отработанные до мелочей, имеющие прочный теоретический фундамент и много очень интересных и важных особенностей. Подзаголовок этой книги «Несерьёзное предисловие к серьёзным учебникам» поясняет, что она, к сожалению, не может подробно рассказать по существу об электрических машинах и отсылает заинтересованного читателя к серьёзным учебным пособиям.
Но зато теперь, после сделанных предупреждений, мы можем, как было обещано, спокойно приступить к краткому общему знакомству с разными направлениями современной электроэнергетики. Реально действующих направлений у неё сегодня немало — здесь и прямое получение электричества при особом окислении топлива в топливных элементах, и разные способы использования солнечной энергии, и быстро набирающая силу ветроэнергетика, и особый вид генераторов с газообразными роторами, и многое другое, о чём ещё будет коротко рассказано в последнем разделе книги, посвящённом планам на будущее.
ВК-202.Электрическая сеть приводит напряжение в квартиру потребителя довольно сложным путём. На этом пути есть разветвители и переключатели, есть трансформаторы, совместно снижающие напряжение в 100 раз и более. В сети немало автоматов, отключающих линию, если в ней недопустимо возрос ток. В каждую квартиру приходит одна из фаз и общий провод, здесь свой счётчик полученной энергии и свои средства защиты, в том числе реагирующие на прикосновение к токонесущей поверхности (ток утечки).
Р-80. КАК УМЕНЬШИТЬ ДИАМЕТР ПРОВОЛОКИ, НЕ ПРИКАСАЯСЬ К НЕЙ. Если двумя кусками медного провода подключить лампочку к батарейке, а затем с помощью какого-нибудь фантастического прибора заглянуть внутрь одного из проводов, то мы увидим, что по всей его толщине движутся электроны. Но на высоких частотах, например в сотни килогерц и более, картина заметно меняется. В центральной части провода разные составляющие поля противодействуют друг другу и ток идёт в основном только по окраинам, по кольцу, прилегающему к поверхности проводника (1). Это явление называется «поверхностный эффект», или по-английски «скин-эффект», то есть «эффект кожи». При диаметре медного провода 1 мм и частоте переменного тока 2 МГц площадь кольца, по которому идёт ток, составит всего лишь 2 % площади поперечного сечения провода. С увеличением частоты площадь круга, по которому идёт ток, уменьшается, то есть скин-эффект проявляется сильнее. Иногда для тока с частотой несколько мегагерц можно увидеть катушку индуктивности из нескольких витков медного провода, покрытого тонким слоем дорогого серебра с меньшим, чем у меди, сопротивлением. Делать весь провод серебряным нет никакого смысла, так как ток на этих частотах идёт только по самой его поверхности. Нередко используют многожильный провод с изолированными жилками, который называют «лицендрат» (2). У него соотношение между суммарным поверхностным слоем и общим сечением проводов лучше, чем у одножильного провода. При сборке концы всех жилок лицендрата соединяют, то есть включают их параллельно. Изучение и практическое использование поверхностного эффекта оказалось очень важным для индустрии. Закаливая сталь высокочастотным током, получают детали.
Т-172. Команда «Турбина» уверенно выигрывает у команды «Поршень». Начав с попытки пошутить, автор хотел бы рассказать об очень серьёзных событиях, имевших место 100 лет назад. Правда, если взглянуть повнимательней, то окажется, что всё началось почти на 2 тысячи лет раньше, когда замечательный греческий исследователь и инженер Герон Александрийский придумал свой эолипил (Р-84.1). Это был шар, который вращался под действием вырывавшегося из двух трубок пара, — первая, видимо, в истории попытка использовать тепло для выполнения механической работы. Уже приручил человек себе в помощь животных, уже заставил ветер и падающую в