Простое наблюдение, состоящее в том, что магнитное поле индуцирует электрический ток, открывает нам необъятное разнообразие современных технологий: с помощью магнита самое движение можно преобразовать в электроэнергию. И не надо зависеть от батарей, требующих дорогого металла и быстро истощающихся: вращая магнит в бухте проволоки или бухту вокруг магнита, можно получать сколько нужно электроэнергии. Принцип работает и в обратную сторону: электромагнитное поле может приводить тела в движение. Положите сильный магнит рядом с проводом, и вы заметите, что провод вздрогнет оттого, что в нем возник ток. Это эффект отталкивания. Немного поэкспериментировав, можно определить, как расположить электрические провода и магниты (или даже электромагниты), чтобы привести в движение быстро крутящийся вал. Сегодня электромоторы приводят в движение промышленные машины, пилят лес и мелют зерно, и в вашем доме их добрый десяток: электромотор жужжит в пылесосе, вертит вытяжной вентилятор в ванной, вращает диск в DVD-проигрывателе. Миниатюризация труда облегчает наш быт, электромоторы нынче всюду, и они почти невидимы.
Зная, как электромагнетизм приводит тела в движение, можно сконструировать инструменты для точного измерения основных характеристик электрического тока: силы и напряжения. (Первые электротехники пытались мерить эти параметры языком, оценивая степень болезненности прикосновения!) Как мы увидим в главе 13, способность верно исчислить новое явление — это необходимый первый шаг к его пониманию и далее к возможному техническому освоению.
Электрический свет тоже играет в нашей жизни немалую роль. Его можно зажечь в любой момент, и это кардинальным образом изменило режим сна и производственные ритмы человека: наши улицы и дома сияют миллионами маленьких солнц. Простейший вид электрического освещения — дуговая лампа. Изобретенная в 1800-х гг. и питавшаяся от вольтова столба, это, по сути дела, непрерывная искра — искусственная молния, бьющая между двумя угольными электродами. Неудобство дуговой лампы в том, что она невыносимо яркая и потому не годится для помещений. Хотя вызвать свечение тел с помощью электромагнетизма достаточно несложно, регулировать силу электрического света — задача потруднее.
Физические явления, на которых основана конструкция лампочки накаливания, достаточно просты. Электрическое сопротивление — свойство любого вещества, и благодаря ему тонкую нить накаливания можно раскалить, пропуская через нее ток. Раскаляясь, вещества начинают сами испускать лучи — температурное излучение: железный прут в пламени горна становится сначала багровым, потом оранжевым, желтым и, наконец, ослепительно-белым. Но дьявол прячется в деталях: если угольная или металлическая нить накаливания добела раскалится на воздухе, она вступит в реакцию с кислородом и сгорит. Ее можно поместить в герметичную стеклянную колбу, откачав оттуда воздух, но в вакууме раскаленные вещества легко испаряются. Проблему решает заполнение колбы разреженным инертным газом, но для этого все равно потребуется исследование и эксперименты, подбор методом проб и ошибок среди разных карбонизированных материалов и видов тонкой проволоки надежного варианта нити накаливания.
Генерация и распределение
Мы уже разобрали, как генератор превращает механическое движение в электрический ток, но откуда взять это движение? Очевидное решение — построить ветряк или водяное колесо и установить генератор там. Генератор хорошо работает, когда вращается со скоростью в сотни оборотов в минуту, поэтому вам понадобится система шестерен или ремней и блоков, чтобы ускорить мощное, но медленное вращение вала. Возрождающаяся цивилизация, видимо, будет похожа на стимпанковый винегрет разнородных технологий, со старинного вида четырехлопастными ветряными мельницами и водяными колесами, направляющими силу стихий не на помол зерна и подъем свайного молота, а на генерацию электричества для питания местной сети.
Проведенные в 2005 г. расчеты показали, что обычная ветряная мельница, дооборудованная вместо жерновов системой шестерен и генератором, может за год произвести 50 000 квт·ч электроэнергии — вчетверо больше, чем я расходую в своей квартире. Но, пожалуй, самый вдохновляющий пример, чего можно достичь, располагая лишь простейшими технологиями, оставил нам американский изобретатель Чарльз Френсис Браш. В 1887 г. он построил у себя в саду башню-ветряк с 17-метровым в диаметре колесом, состоявшим из 144 лопастей, выполненных из тонких, выгнутых кедровых реек. Эта электростанция вырабатывала более киловатта электричества, которое Браш пустил на питание доброй сотни ламп накаливания — они на тот момент тоже были передовой технологией, — освещавших его дом, а все излишки накапливал в 400 аккумуляторных батареях, размещенных в подвале.
Неудобство такой конструкции в том, что система множественных шестерен, необходимая для придания валу нужной скорости вращения, отнимает слишком много энергии. Для ветрогенераторов проблема снимается кардинальным изменением системы. Вместо широких лопастей-парусов, захватывающих много ветра, но создающих мощную турбулентность и торможение, а значит, неспособных к скоростному вращению, современные ветряки используют три длинных и узких лопасти-лезвия. Система построена на знаниях аэродинамики, полученных при разработке пропеллеров для самолетов и вертолетов, и хотя небольшая площадь поверхности означает, что при слабом ветре колесо вращается с трудом, зато, лишь подует посильнее, оно крутится с головокружительной скоростью и конвертирует в электричество гораздо большую часть механической энергии.
У водяного колеса выходная мощность тоже ограниченна. Количество энергии, содержащееся в потоке воды, зависит от его мощности и высоты падения. Мощность потока — это объем жидкости, протекающий за единицу времени, а высота падения в случае с верхнебойным водяным колесом — расстояние между желобом и лотком. Энергетические возможности водяного колеса не особенно велики, оттого что максимальная высота падения струи ограничена диаметром колеса, а при диаметре больше 20 м колеса становятся слишком тяжелыми и потому неэффективными.
А вот водяные турбины, с другой стороны, таких ограничений не знают. Самая мощная в мире гидроэлектростанция «Три ущелья» на реке Янцзы создает перепад в 80 м между водным зеркалом водохранилища и турбинами в основании плотины, за счет чего и получает колоссальную энергию.
Лучшая турбина, которую вы можете построить для применения с большой высотой и небольшой мощностью потока (то есть под узкой трубой, выбрасывающей струю под высоким давлением), — это турбина Пелтона, состоящая из ковшей, расположенных на ободе колеса (немного похоже на уложенные кругом ложки). Принцип в том, чтобы струя воды не останавливалась в каждом ковше, но хитро разворачивалась и снова выплескивалась вперед. Каждый ковш выполняется в виде слегка искривленного ведра, как бы разделенного на две половины проходящим вдоль стенки гребнем, рассекающим падающую прямо в ковш струю так, чтобы она, разделившись строго надвое, завихрялась в обоих углублениях и выплескивалась через передний край ковша. Именно это изменение направления прикладывает к ковшу значительное усилие и вращает турбину, а струя бьет по очереди в каждый ковш, и колесо не останавливается.
Для обратной ситуации, когда высота потока у вас невелика, но велика его мощность, лучше подойдет турбина поперечного тока. Здесь вода направляется на вершину колеса с короткими изогнутыми лопастями, расположенными радиально, и толкает их сначала на входе в колесо, а затем, вторично, выходя из колеса в нижней точке. С первого взгляда эта конструкция напоминает традиционную водяную мельницу, но ее существенное отличие в том, что турбину вращает не вес падающей воды, улавливаемой лопастями, а струя, толкающая лопасти сзади.
Как пелтоновскую, так и поперечноточную турбину несложно изготовить, имея простые металлообрабатывающие станки, и сегодня обе они рекомендуются для развивающихся стран как технологии, для которых все можно произвести на месте. Они отлично подойдут для восстановления цивилизации в постапокалиптическом мире.
При всей эффективности ветрогенераторов и водяных турбин, использующих, к тому же, возобновляемые источники энергии, сегодня бóльшая часть электроэнергии генерируется иными способами. Век пара, строго говоря, на самом деле не закончился. Мы ушли от широкого применения паровых машин в двигателях станков или транспортных средств, но с помощью пара сегодня вырабатывается более 80 % всего потребляемого в мире электричества: котлы кипятит тепло, высвобождаемое при сжигании угля или газа либо при распаде нестабильных тяжелых атомов в ядерном реакторе.
Как мы уже видели, произвести тепло просто, а вот преобразовать тепловую энергию в механическую — это задача посложнее. Решить ее может паровая машина, но медленный ход поршня невозможно без энергопотерь превратить в быстрое вращение, пригодное для электрогенератора.
Решением стала турбина, основанная на удачной конструкции водяной турбины, но приспособленная под пар высокого давления. Работу совершает струя пара, либо бьющая по лопастям сзади, чтобы импульс вращал колесо (как в пелтоновской или поперечноточной турбине), либо отражающаяся от поверхности изогнутой лопасти, которую, как самолетное крыло, толкает сила противодействия. Существенная разница между водой и паром в том, что пар расширяется и движется быстрее, но теряет давление, поэтому большинство паровых турбин сочетают реактивное колесо для пара высокого давления пара с импульсным колесом ниже на валу, работающим от разреженного пара. Такая многоступенчатая паровая турбина позволяет весьма производительно генерировать огромные объемы электроэнергии, и ее применение открыло новый электрический век.
Однако, сколь бы эффективной ни была турбина, полученную электроэнергию еще нужно доставить туда, где она нужна.
Вы можете соорудить генератор, который будет вырабатывать устойчивый постоянный ток (как в аккумуляторе), но легче собрать генератор переменного тока, быстро циклически изменяющегося с вращением ротора. Напряжение, возникающее в обмотке, меняется с положительного на отрицательное и обратно, поэтому ток, который оно вызывает, тоже постоянно меняет