∙ч потреблять ток 60 А, то он проработает 1 час, развивая мощность Р = U∙I = 750 Вт, то есть 0,75 кВт, а запасённая энергия составит 0,75 кВт∙ч. Если считать, что масса такого аккумулятора примерно 7,5 кг, то его удельный энергозапас 0,1 киловатт-часа на килограмм массы.
Мощность двигателя даже на небольшом автомобиле примерно 40 лошадиных сил, или, что то же самое, 30 кВт. Чтобы 5 часов кормить электромобиль такой мощностью, нужно возить с собой аккумуляторную батарею массой 400 кг, что для маленького автомобиля многовато. Так что на пути создания электромобиля стоит малая удельная (на килограмм массы) энергоёмкость распространённых аккумуляторов.
Поэтому для личного электрического экипажа прежде всего ищут новые более энергоёмкие гальванические пары или вообще иные источники и преобразователи энергии, как, например, водородные. В то же время изобретатели находит промежуточные решения с использованием аккумуляторов, например, гибридный автомобиль. В нём есть и обычный бензиновый двигатель, и электрический привод, получающий энергию от аккумуляторов. Автоматика, в зависимости от режима движения, использует обе эти системы, что иногда позволяет расходовать на 30–50 % меньше бензина.
Уделив так много внимания аккумуляторам, можно коротко, без повторных пояснений, представить другой химический источник тока — гальванические элементы. В принципе в них происходят те же процессы, что и в аккумуляторе, но используются иные гальванические пары и вообще иная стратегия применения. Гальванический элемент просто выбрасывают, после того как он израсходует запас энергии, полученный при его изготовлении, — химическая система элемента, в отличие от аккумуляторной, не рассчитана на его повторную зарядку.
Выпускаются разные по размерам и конструкции гальванические элементы (Р-27), в том числе очень маленькие для наручных часов, микрокалькуляторов и других устройств с небольшим потреблением тока. Используется также несколько вариантов гальванической пары, как следствие, элементы несколько более дорогие, но с повышенной ёмкостью.
ВК-219.Отрицательная обратная связь действует против основного входного сигнала, и это помогает уменьшить его искажения. Положительная обратная связь действует согласованно с входным сигналом, и, если она достаточно сильная, возникает самовозбуждение, усилитель превращается в генератор. В генераторе с колебательным контуром обратная связь уменьшает потери в этом контуре, и в нём возникают незатухающие колебания, их частоту можно менять, изменяя индуктивность и (или) ёмкость контура.
Т-179. Постоянный, переменный, пульсирующий — любой ток из любого. У электрической энергии много разных потребителей, и потребности у них тоже бывают разные. В большинстве случаев вполне подходит сеть переменного тока с напряжением 220 вольт и с частотой 50 герц, она позволяет с помощью трансформатора повысить или понизить напряжение. Этот источник питания даёт возможность при необходимости получать достаточно большие мощности, использовать огромное разнообразие типовых двигателей, нагревателей, осветительных приборов, выпускаемых промышленностью. Однако в некоторых случаях потребителям нужен не переменный ток, а постоянный, например, для зарядки аккумуляторов. А тем, у кого есть источник постоянного тока, бывает нужен переменный ток. Не говоря уже о бессчётном множестве операций с электрическими токами в электронике, где решающую роль играет сам характер изменений тока — именно в этих изменениях записана информация, главный объект и главный продукт электроники. Электронные схемы производят просто виртуозные преобразования электрических токов, но и чистая электротехника кое-что умеет.
ВК-220.Частота собственных колебаний в контуре, которую он начнёт излучать, будучи включённым в схему генератора, может быть подсчитана по довольно простой формуле. Из неё видно, что частота эта в равной мере зависит от индуктивности Lк и ёмкости Ск контура: чем меньше эти индуктивность и ёмкость, тем выше частота. К этой зависимости хорошо бы привыкнуть, и даже просто взглянув на контурную катушку и конденсатор, примерно оценить, к какому диапазону частот относится контур.
Когда-то из постоянного тока делали переменный и из переменного постоянный с помощью двух электрических машин: двигатель постоянного тока вращал генератор переменного тока или наоборот. Была даже машина унформер с одним ротором и двумя токосъёмными устройствами для переменного и постоянного тока. Подводишь постоянный ток — снимаешь переменный, подводишь переменный ток — снимаешь постоянный. Сейчас из переменного тока постоянный получают очень просто — с помощью выпрямителя (Р-99). Главные работники в нём — полупроводниковые диоды, они пропускают ток только в одну сторону, и благодаря этому переменный ток становится пульсирующим. А в пульсирующем токе всегда есть постоянная составляющая — заряды, хоть рывками, но обязательно смещаются в одну сторону. Эту постоянную составляющую тока всегда можно выделить с помощью фильтров. А сами выпрямители бывают однополупериодные (они только половину периода формируют энергию постоянного тока) и двухполупериодные (весь период формирует энергию постоянного тока).
Получить переменный ток из постоянного можно с помощью механического прерывателя, электромагнитного вибратора и полупроводникового генератора. В последнем случае используют наиболее простые генераторы, знакомство с которыми у нас впереди.
Кстати, постоянный ток иногда преобразуют в переменный, чтобы с помощью повышающего трансформатора получить высокое напряжение, а из него нередко опять делают постоянное напряжение, но значительно более высокое. Многие телезрители, может быть, не знают, что в их старом телевизоре таким примерно способом получают постоянное напряжение 20–30 тысяч вольт, которое нужно подвести к кинескопу. В автомобиле с помощью транзисторных генераторов из постоянного напряжения 12 В получают несколько тысяч вольт переменного, оно необходимо для зажигания паров бензина в цилиндрах двигателя. Несколько десятилетий эта операция выполнялась с помощью механического прерывателя и высоковольтного трансформатора, хорошо известного старым водителям под именем бобина.
Электротехника освоила столько вариантов основных преобразований напряжений и токов, что потребитель может быть уверен: в каком виде ему нужно электричество, в таком он его и получит.
ВК-221.Электромагнитные волны излучает любой проводник, по которому идёт переменный ток. Но для эффективного излучения используют токи высокой частоты и специальные передающие антенны. Высокочастотный ток непрерывно циркулирует в антенне, и она непрерывно направляет в пространство «сгустки» электрических и магнитных полей. Но каждый такой «сгусток», перестав получать энергию, пытается вернуться в антенну, но не успевает — его уже выталкивает следующий «сгусток».
Т-180. Спецназ из цеха генераторов. Главная сила электроэнергетики — машинные генераторы. Их ближайший помощник — химические источники тока, которые, правда, в целом дают неуловимо малую часть всей потребляемой электроэнергии. И ещё во много раз меньше электрической энергии пока получают из других физических процессов в некоторых источниках специального назначения.
Один такой «спецназовский солдат» просто уверен, что со временем станет генералом (Т-8), — фотоэлементы, которые превращают световую энергию в электрическую, имеют уже определённые практические успехи и дают повод для проектов световых электростанций гигантской мощности. Другой специальный источник — термоэлемент, он напрямую, без посредников получает электрическую энергию из тепловой и мог бы произвести переворот в энергетике, если бы имел более высокий к.п.д. Правда, оказалось, что в каких-то особых случаях можно удовлетвориться и тем, что есть. Много лет назад выпускался термогенератор мощностью несколько ватт для питания радиоаппаратуры, в частности, радиостанций в партизанских отрядах. Это был «бублик» с большим числом термоэлементов, который надевался на стекло керосиновой лампы.
Совсем мало энергии можно получить от электрических «спецназовцев» пьезокристаллов, на которых электрические заряды появляются при сжатии или иных механических деформациях. Пока пьезокристаллы, как источник слабых электрических сигналов, используются лишь в электронике, но кто знает, куда приведёт эта тропинка. И вообще трудно предсказать, какие физические процессы в будущем станут главными в производстве электроэнергии. Пока же электромагнитная индукция — вне конкуренции.
Глава 17Миллион электрических профессий
Сидя в удобном кресле, почитывая свежую газету при мягком свете торшера, попивая при этом прохладный, из холодильника, яблочный сок и слушая тихую мелодию, плывущую из музыкального центра, мы готовы, если кто-нибудь напомнит, поразмышлять об удобствах, которые приносит нам электричество. Но при этом надо бы ещё подумать и о тех немалых благах — автомобилях, добротной одежде, изобилии продуктов, туристических комплексах на морском берегу, — которые мы получаем тоже не без помощи электричества. В частности, с помощью огромного многообразия незнакомых нам электрических машин, приборов, аппаратов, работающих во всех без исключения отраслях науки и промышленности, — от автоматизированного производства лекарств до капитального строительства.
Одним словом, посмотришь вокруг и, как ни старайся, не увидишь ничего такого, в чём бы не было чего-нибудь электрического.
Т-181. Неутомимый работник — электрический двигатель. Из огромного множества помогающих человеку электрических машин и приборов самые массовые, то есть применяемые наиболее широко, это электрическая лампочка и электрический двигатель. Проблемы их разработки и использования постепенно сформировали две самостоятельные области, как в технике и технологии, так и в серьёзной науке, это светотехника и электропривод. Последняя названная область занимается, в частности, тем, что исследует, как именно, каким способом электрическая машина приводит и может приводить в движение самые разные механизмы, скажем, ст