2.3. Электричество

Выключили электричество, и в городе воцарилась полная тишина. Оказывается, звуки исходят не от людей.

Михаил Жванецкий

Началом истории развития электричества можно считать 1600 год, когда Уильям Гильберт, исследуя магнитные явления, описывает и другой вид взаимодействия тел. Именно он и назвал притягивающиеся в результате электризации тела «электрическими». В те суровые времена практическое применение научных изысканий связывалось, разве что с поиском философского камня, сочинением туманных астрологических прогнозов и построением метательных машин. Поэтому изыскания Гильберта можно смело отнести к достижениям «фундаментальной» науки, мало кому понятным из современников, с весьма сомнительной перспективой практического использования.

В 1663 году немецкий физик Отто фон Герике, известный школьникам по описаниям театрализованных опытов по разделению магдебургских полушарий дюжиной лошадей, создал первый генератор, позволяющий вырабатывать электричество. Стеклянный шар, покрытый серой, раскручивали и прикасались к нему рукой. При трении между пальцами и шаром накапливалось статическое электричество, проскакивала искра.

Чтобы научиться запасать это электричество, понадобилось ещё каких-то 80 лет. В 1745 году в городе Лейдене Питер Ванн Мушенбрук изобрёл первый электрический конденсатор, вошедший в историю как Лейденская банка. Устройство её довольно просто: банка оклеивается проводящими листами олова (а сейчас фольги) снаружи и внутри, которые и стали прообразами обкладок будущих конденсаторов. Всем известная школьная электрофорная машина представляет, в некотором роде, совмещение двух вышеназванных изобретений: с помощью трения дисков создаётся статическое электричество, а накапливается оно в двух Лейденских банках.

Лейденские банки получили большую популярность при дворах европейских монархов. Использовали их для развлечения: ничего не подозревающему новичку предлагали взять банку на ладонь, а другой рукой ухватиться за стержень. Когда неведомая сила выбивала у испытуемого искры из глаз, всем остальным становилось весело. Естественно, что эти искры никоим образом не могли составить конкуренцию свету тысяч свечей в роскошных королевских люстрах.

Но были и серьёзные последствия: стали искусственно получать электрическую искру, выяснили высокую электропроводность металлов. Удивительное действие электрического тока на человека привлекло внимание не только придворных бездельников, но и врачей. В конце XVIII века стали активно использовать электричество для лечения от самых разных болезней. Сегодня попытки лечения эпилепсии или оспы с помощью электрических разрядов представляются наивными и смешными, но они всё же не стоят в одном ряду с гороскопами, заклинаниями и заговорами. Современные электрокардиостимуляторы спасли и поддерживают жизни тысяч людей, имеющих проблемы с сердцем.

Первым достаточно значимым с практической точки зрения изобретением в области электричества можно назвать создание Алессандро Вольта химического источника тока в 1800 году. До этого электричество можно было получить только через электростатическую машину. Вольтов столб имеет достаточно простое устройство: два металлических электрода – медный и цинковый, между которыми помещают пропитанную раствором соли или кислоты прокладку. Окислительно-восстановительная реакция создаёт разность потенциалов между электродами.

За прошедшие 200 лет принципиальное устройство химических элементов ничуть не изменилось, различие заключается только в изменении материалов и в конструкционных особенностях. Но при этом, естественно, качество работы современных химических источников несравнимо выше, чем у самых первых «батареек». Современный аккумулятор является незаменимым элементом любого механизма, имеющего двигатель внутреннего сгорания. Вот самый яркий пример технического симбиоза.

Появление ноутбуков, DVD-проигрывателей, цифровых фотоаппаратов и, конечно же, сотовых телефонов привело к ужесточению требований к химическим элементам питания, что стимулировало исследования в этой области. Но пока практически все используемые источники – те же элементы Вольта. Из других можно назвать попытку создания элемента питания на основе радиоактивных элементов. Основное его достоинство в том, что он может непрерывно работать до десятка и более лет, что совершенно недостижимо для химических источников. Но высокая стоимость таких источников и проблемы безопасности эксплуатации и утилизации не позволяют им составить конкуренцию традиционным «батарейкам».

Если изобретение Вольта изначально создавалось с практическими целями, то в открытии Майклом Фарадеем явления электромагнитной индукции в 1831 году (возникновения электродвижущей силы при изменении магнитного потока) никто практической выгоды не увидел, в том числе, и сам изобретатель.

Сегодня мы можем сказать, что мало какое открытие может сравниться по практической значимости с этим. Современный мир, в котором бы были только химические источники электричества, невозможно представить. Явление электромагнитной индукции используется в счётчиках электроэнергии, в трансформаторах. Магнитная запись звука, микрофон, динамик – всё это следствия открытия Майкла Фарадея. Но, пожалуй, самое значимое техническое изобретение, созданное на основе открытия Фарадея – это индукционный генератор. Он главный элемент всех электростанций, на конечном этапе превращающий механическую энергию в электрическую. Эти генераторы дают нам практически всю потребляемую электроэнергию.

Приоритет в постройке первой электростанции установить сложно. Одна из первых станций в несколько сотен ватт была построена в Германии в 1876 и в 1881 годах. Для вращения генератора использовали энергию реки Неккер. В этом же 1881 году в английском городе Грейсаде тоже была пущена гидроэлектростанция. Американец Роджерс для нужд своей бумажной фабрики запустил гидроэлектростанцию в 1882 году.

В 1881 году Эдисон строит тепловую электростанцию, а 1883 году тепловая электростанция конструкции Эдисона вводится и в Петербурге.

В 1888 году легендарный Никола Тесла изобретает индукционный двигатель переменного тока. Разгорается «война» между переменным и постоянным током. За переменный ток – компания «Вестингауз электрик», за постоянный – неутомимый Томас Эдисон. Дошло до того, что Эдисон с целью дискредитации переменного тока предложил для казни использовать электрический ток, причём только переменный, как наиболее опасный для жизни, а саму казнь назвать «вестингаузацией». Самое печальное то, что эта идея была воплощена в жизнь, и в 1890 году состоялась первая казнь на электрическом стуле. Но технические преимущества получения и передачи переменного тока оказались важнее, чем его дурная слава. В 1891 году немецким инженером Оскаром фон Мюллером была построена и запущена первая высоковольтная линия электропередач. Длина линии составляла 157 км, по ней передавали трёхфазный ток напряжением 16 кВ. Линия соединяла одну из первых электростанций на реке Неккер с павильоном электротехнической выставки во Франкфурте-на-Майне, где работал первый в мире трёхфазный двигатель Михаила Осиповича Доливо-Добровольского. Наличие переменного тока стало неотъемлемым условием любого современного здания для жилья, работы или развлечений.

Сама по себе электрическая энергия, в общем-то, не нужна. Нужны другие виды энергии, в которые она может преобразовываться. Прежде всего, человеку нужна механическая энергия, которую он раньше получал от животных и собственных мускулов, а позже от энергии рек и ветров. Поэтому изобретение электродвигателя – важный и необходимый этап использования электричества.

Прародитель электродвигателя появился ещё до открытия явления электромагнитной индукции. Ещё в 1823 году П. Барлоу описал устройство, известное как «колесо Барлоу»: подвешенный проводник одним концом опускался во ртуть, из которой выступал магнит. При пропускании тока через ртуть проводник начинал крутиться. А ещё до этого, Эрстед заставлял вращаться накоротко замкнутую батарейку, для этого он подвешивал её на проволоке и подносил к ней постоянный магнит.

Но устройство, не только демонстрирующее движение проводника с током в магнитном поле, но используемое с практической целью совершения механической работы, было создано русским учёным Борисом Семёновичем Якоби в 1834 году. Он первым построил двигатель не с поступательно-возвратным движением, как уже было создано до него, а с вращательным. Его двигатель поднимал груз около 5 кг на высоту 30 см за одну секунду. Нетрудно подсчитать (P=mgh/t), что мощность при этом будет около 15 Вт. В 1838 году в Петербурге изобретатель показывает лодку, приводимую в движение электродвигателем.

Эра электродвигателей неумолимо приближалась, хотя на тот момент стоимость работы электродвигателя была на порядок выше (примерно в двадцать раз), чем у его заслуженного парового конкурента. Если бы электродвигатели использовали непосредственно там, где производят электроэнергию, то может быть, стиральные машины и пылесосы сегодня работали бы на гальванических элементах или (о ужас!) на двигателях внутреннего сгорания. Основное достоинство электрической энергии – это удобство её транспортировки: электродвигатель качает воду где-то в Подмосковье, а использует для этого энергию, производимую Белоярской АЭС на Урале или Шушенской ГЭС в Сибири. Но для этого было необходимо изобретение скромного и незаметного устройства-труженика – трансформатора, без которого немыслимы все современные электрокоммуникации.

Трансформатор представляет для инженеров-электриков инструмент, аналогичный рычагу в механике, но вместо преобразований силы и перемещения трансформатор преобразует напряжение и ток. Вместо отношения плеч силы количественной характеристикой трансформатора является отношение между числом витков в его обмотках.

Трансформатор (от лат.  transformo – «преобразовывать») — статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

Трансформатор можно считать одним из самых совершенных технических изобретений: простота устройства, отсутствие движущихся и трущихся частей, очень высокий, близкий к стопроцентному КПД делают трансформатор образцом воплощения технической мысли. Двигателю внутреннего сгорания, с его заслонками, пружинками, жиклёрами и прочими многочисленными и регулярно ломающимися детальками до этого идеала не добраться никогда… Но простота трансформатора только кажущаяся, современный трансформатор – результат долгой технической эволюции, трудов множества талантливых физиков и инженеров.

Своим появлением трансформатор, конечно же, обязан двум важнейшим последовательно сделанным и взаимосвязанным открытиям: сначала в 1820 году Ханс Кристиан Эрстед обнаружил магнитное поле вокруг проводника с током, а затем Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции.

Он не стал разрабатывать практическое применение своего открытия, думая, что это быстро сделают другие. А жаль, потому что к идее трансформатора, использующего явление электромагнитной индукции, так сказать «во все свои катушки», вернулись только тогда, когда столкнулись с проблемами освещения. И произошло это намного позже, почти через полвека.

Появление первого трансформатора «во плоти» можно отнести к 1848 году, когда французский механик Г. Румкорф изобрёл индукционную катушку, вошедшую в историю как «Катушка Румкорфа» — устройство для получения импульсов высокого напряжения. Эта катушка состоит из железного стержня, на который намотана первичная обмотка из толстой проволоки, а затем поверх её наматывается несколько тысяч витков вторичной обмотки из очень тонкой проволоки. Первичная обмотка подсоединена к батарее химических элементов и конденсатору. Такое нехитрое устройство позволило учёным получать электрические искры длиной до 50 см!

Эти искры стали предметом изучения учёных-физиков всего мира. А Генрих Герц занялся изучением не самих искр, а окружающего их пространства и открыл и описал свойства электромагнитных волн. На основе работ Герца и было изобретено радио. Так что первый вариант скромного трансформатора произвёл совсем нескромные последствия, изменившие в дальнейшем само Человечество.

Датой рождения трансформатора можно считать 30 ноября 1876 года, когда Павел НиколаевичЯблочков получил патент на трансформатор с разомкнутым сердечником.

Процесс совершенствования трансформатора значительно ускорился после того, как Эдисон изобрёл лампы накаливания с угольной нитью, высокое сопротивление которых позволило осуществлять параллельное соединение проводников. В 1882 г. он запустил в Нью-Йорке первую промышленную систему электрического освещения. Стали требоваться надёжные и экономичные устройства, повышающие и понижающие напряжение.

Создание трансформаторов с замкнутыми сердечниками братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсонами в 1884 годупозволило значительно повысить их КПД. В дальнейшем выяснилось, что и в сердечниках присутствует значительное рассеяние энергии, связанное с вихревыми поперечными токами. Для предотвращения подобных явлений сердечники стали делать непроводящими в направлении, перпендикулярном магнитным силовым линиям трансформатора. Для этого сердечники составляли из ряда плоских изолированных железных пластин.

Уже в мае 1885 г. Дери, Блажи и Циперновски на национальной выставке в Будапеште представили осветительную систему, состоявшую из 75 параллельно соединенных трансформаторов, подводивших питание к 1067 лампам накаливания Эдисона от генератора переменного тока с напряжением 1350 В. Трансформаторы имели тороидальные железные сердечники. Это была осветительная система, заложившая принципы построения всех современных осветительных сетей.

Вестингауз, Уильям Стенли, Шелленберг и Альберт Шмид (США) в конце 1885 года приступили к усовершенствованию трансформатора. Главная цель заключалась в удешевлении промышленной сборки трансформатора, так как сборка венгерского тороидального трансформатора была делом непростым и затратным. В итоге Стэнли предложил изготавливать железные пластины в форме буквы Ш, чтобы центральный стержень можно было легко вставлять в заранее намотанную катушку. Ш-образные пластины укладывались в чередующихся противоположных направлениях, а на концы пластин укладывались прямые железные полоски для замыкания магнитной цепи. Эта конструкция трансформатора оказалась удачной и применяется до сих пор.

Но на этом история совершенствования трансформаторов не заканчивается. Дело в том, что сердечники первых трансформаторов состояли из тонких пластин листовой стали и характеризовались значительными потерями на перемагничивание, что уменьшало коэффициент полезного действия трансформатора. Только в начале 1900-х годов удалось добиться значительного успеха в уменьшении потерь такого рода. Английский исследователь-металлург Роберт Хедфилд разработал специальную трансформаторную сталь с добавками кремния, использование которой уменьшало потери на перемагничивание.

Затем в начале 30-х годов XX в американский металлург Норман П. Гросс установил, что при комбинированном воздействии проката и нагревания у кремнистой стали появляются требуемые магнитные свойства в направлении прокатки: магнитное насыщение увеличивалось на 50%, потери на гистерезис сокращались в 4 раза, а магнитная проницаемость возрастала в 5 раз.

Современные трансформаторы превосходят своих «предков», созданных к началу XX столетия, по мощности в 500, а по напряжению – в 15 раз; их масса в расчете на единицу мощности снизилась приблизительно в 10 раз, а коэффициент полезного действия близок к 99%. Но процесс совершенствования трансформаторов не закончился, появление новых материалов, открытие явления сверхпроводимости, использование полупроводников, пластика и т.п. – всё это немедленно сказывается на трансформаторе – главном трудяге современных электрических сетей.

Как видно из таблицы в начале параграфа, вклад российских ученых в мировую электрификацию оказался весьма впечатляющим. Российские ученые на исходе XIX века были признанными лидерами в области электротехники. Использование этого научного потенциала и мобилизация всей страны после Октябрьской революции и гражданской войны позволили большевикам в невиданные до этого сроки осуществить электрификацию страны. Производство электроэнергии в СССР в 1930 году по сравнению с 1913 годом возросло более чем в 14 раз! Правда, достигнуто это было непосильным трудом миллионов добровольцев и заключенных. Но это стало решающим фактором превращения Союза Советских Социалистических Республик в крупную промышленную державу.

Темы для докладов и рефератов

История эволюции конденсаторов.

История развития «батарейки».

Вклад русских ученых в электроэнергетику.

Потребление электроэнергии на душу населения как один из главных факторов качества жизни.

План ГОЭЛРО – залог становления СССР.

Величайшие электростанции мира.

Саяно-Шушенская ГЭС – одна из крупнейших электростанций мира.

Общая структура электроснабжения вашего населенного пункта.

Современная высоковольтная линия электропередач – сложное техническое устройство.

Дискуссии

Сотовая энергетика – энергетика будущего?

Литература

1. Надеждин Н.Я. История науки и техники / Н.Я Надеждин.- Ростов н/Д: Феникс, 2006.

2. Официальный сайт журнала «Наука и жизнь». – www.nkj.ru.