Это характерно для многих, а может быть, даже для всех областей техники, но особо заметно там, где работает электричество. Гигантские машины, многотонные агрегаты, сложнейшие системы начинались с простейших опытов, с маленького приборчика, наконец-то ожившего на столе счастливого изобретателя. Катушка медного провода, возле которой Фарадей быстро перемещал магнит, превратилась в мощный электрогенератор, одна такая машина может накормить электричеством целый город. С небольших моторчиков, послабее, чем у нынешней электробритвы, начинались мощные ходовые двигатели большого авианосца или электровоза. Но такие превращения, конечно же, не происходили сами собой. И вполне объяснимо, что некоторые учебные книги знакомят своих читателей с современными достижениями электрической техники, начиная с известных уже много лет простых схем и процессов. Именно с них начинается путь к пониманию нынешних электрических шедевров.

Т-157. Трансформатор передаёт энергию из одной электрической цепи в другую без непосредственного контакта между ними. Используя явление взаимоиндукции (Р-74), можно передавать электрическую энергию из одной цепи в другую без непосредственного контакта между ними, то есть не соединяя их проводниками. Устройство, которое осуществляет такую передачу, это и есть трансформатор, в переводе с латыни — «преобразователь».

В простейшем случае трансформатор — это две обмотки, связанные общим магнитным потоком Ф (Р-76). В некоторых трансформаторах, главным образом высокочастотных (частота переменного тока сотни килогерц и выше), магнитный поток замыкается по воздуху. В низкочастотных трансформаторах (частота десятки и сотни герц, в том числе промышленная частота 50 герц) магнитный поток проходит через стальной или прессованный ферромагнитный сердечник — стержневой, замкнутый п-образный, ш-образный или кольцевой (Р-47). В трансформаторах часто бывает несколько обмоток, к одной обмотке (её называют первичной) подводится электрическая энергия от генератора, а с других обмоток (вторичных) энергия передаётся разным потребителям.

Коротко о сердечниках. Сердечники делают из стали, а иногда из пермаллоя, ферромагнитного материала, более дорогого, но со значительно большей магнитной проницаемостью (Р-46). Сердечники, как правило, собраны из пластин или свиты из тонкой ленты (Р-77).

В самом сердечнике, как в любой вторичной обмотке, тоже наводится ток, и, если не принять мер, этот ток окажется весьма большим, сердечник будет отбирать у трансформатора и превращать в тепло немало энергии. Более того, массивный сердечник ведёт себя как короткозамкнутый виток, обмотка с малым сопротивлением, в которой, как мы увидим чуть дальше, возникает большой ток. Из-за этого массивный сердечник будет сильно греться, нагревая весь трансформатор и создавая тем самым угрозу его нормальной работе.

С учётом всего этого сердечник трансформатора собирают из тонких стальных пластин, между которыми находится тонкий слой электрической изоляции, например, лаковое покрытие. Поэтому пластины электрически изолированы одна от другой, и в каждой наводится свой собственный ток. При этом токи в соседних пластинах сердечника создают магнитные поля, которые действуют друг против друга, в итоге общая мощность, пожираемая сердечником (Т-8), резко уменьшается, и предотвращается его нагрев.

ВК-179. Основные электроизмерительные приборы амперметр и вольтметр в чем-то похожи и устроены вроде бы одинаково. Но различие между ними всё же есть, причём исключительно важное различие. Амперметр включается последовательно в цепь, где нужно провести измерение тока. Поэтому сопротивление амперметра должно быть очень небольшим, во много раз меньше, чем сопротивление цепи, куда включается прибор. В противном случае амперметр заметно увеличит сопротивление цепи, где измеряется ток, и покажет значительно меньшую величину тока, чем была без него.

Вольтметр подключается параллельно участку, на котором измеряется напряжение. Поэтому сопротивление вольтметра должно быть большим, оно должно быть значительно больше, чем само сопротивление участка, к которому подключается прибор. В противном случае вольтметр зашунтирует этот участок, заметно уменьшит его сопротивление и покажет меньшее напряжение, чем было до подключения прибора. Вывод прост: сопротивление амперметра должно быть как можно меньше, а вольтметра как можно больше.

Р-71. ИСКАЖЕНИЯ НЕЗАМЕТНЫЕ И НЕДОПУСТИМЫЕ. Слух человека — творение природы. Было затрачено много миллионов лет, чтобы сформировать его, и сегодня мы при рождении получаем это чудо в готовом виде с чрезвычайно высокими характеристиками. Достаточно вспомнить, что наш слух улавливает слабые звуки от упавшего с дерева листа и в то же время слышит вблизи (хотя и на грани боли) в миллиарды раз более мощный шум двигателей реактивного самолёта (1). Мы слышим диапазон частот от 16 герц до 22–23 килогерц (2) и где-то в районе 1 килогерца можем уловить изменение частоты на 0,3 процента. Можно только восхищаться, читая в книгах по физиологии про то, что уже известно о молекулярных машинах нашего слуха, и про то, что пока еще неизвестно. Но вот примерно 130 лет назад воспроизведение звука поручили электричеству — появился телефон, а в 1920 году в городе Питтсбурге (США) заработала первая радиовещательная радиостанция, рассчитанная на владельцев радиоприёмников. Звуковоспроизводящая техника достигла высокого совершенства, но и сегодня в электронных аппаратах, особенно в малогабаритных и недорогих, часто мирятся с заметными искажениями звука. Главным образом с сужением полосы воспроизводимых частот (3), что в какой-то мере еще терпимо при воспроизведении речи, но сильно искажает музыку. Нередко сжат динамический диапазон — соотношение между самым тихим и самым громким звуком — и допускаются значительные (до нескольких процентов) нелинейные искажения, которые приводят к появлению новых составляющих в спектре звука, создают ощущение его засорённости и хрипоты. В то же время создаются системы, такие, например, как CD и DVD, обеспечивающие очень высокое качество звучания.

Потери в сердечнике увеличиваются с частотой, для высокочастотных трансформаторов уже недостаточно собирать сердечники из пластин, их делают из магнитодиэлектриков. Это спрессованный мелкий ферромагнитный порошок, каждая крупинка которого отделена от других тончайшим слоем изолирующего лака, отсюда и вторая часть названия этого материала — «диэлектрик». Основное его достоинство в принципе такое же, как у пластинчатого сердечника: в крупинках магнитодиэлектрика наводятся токи, которые создают магнитные поля противоположного направления.

Если подвести к первичной обмотке трансформатора переменное напряжение U_1, то в этой обмотке пойдёт переменный ток I₁ (Р-76). Он создаст переменный магнитный поток, под действием которого наведётся напряжение U₂ во вторичной обмотке (иногда, сразу же предположив, что во вторичную цепь уже включена нагрузка R_н, напряжение на вторичной обмотке трансформатора обозначают U_н). Точнее было бы говорить о наведённой э.д.с., но вместо неё мы сразу же введём напряжение U₂, не забывая, что какая-то часть э.д.с. теряется на сопротивлении самой вторичной обмотки. Если к вторичной обмотке подключить нагрузку R_н, то в ней пойдёт ток I₂. Если U₁ синусоидальное напряжение и трансформатор не искажает форму тока, то и напряжение U₂ тоже будет синусоидальным — наведённое напряжение зависит от скорости изменения тока, а скорость изменения синусоиды — тоже синусоида, сдвинутая по фазе на 90° (Р-60).

Т-158. Трансформатор увеличивает либо напряжение, либо ток, ни в коем случае, однако, не увеличивая мощность. Величина наведённого напряжения U₂ зависит от нескольких факторов. Например, от того, насколько магнитный поток первичной обмотки пронизывает вторичную: чем большая часть этого потока рассеивается, тем, при прочих равных условиях, наведённое напряжение будет меньше. Именно поэтому обмотки трансформатора чаще всего размещают на замкнутом ферромагнитном сердечнике, по сердечнику замыкается практически весь магнитный поток, и всё магнитное поле первичной обмотки пронизывает витки вторичной. В трансформаторе с такой стопроцентной магнитной связью напряжение на вторичной обмотке определяется коэффициентом трансформации — отношением числа витков w₂ во вторичной обмотке к числу витков w₁ в первичной обмотке (Р-76). Это соотношение называется коэффициентом трансформации n и, как было сказано, n = w₂/w₁.

ВК-180. Получая в своей квартире одно фазовое напряжение (Ф₁) и общий провод (0), можно всё же создать вращающееся магнитное поле и использовать рассчитанный на него асинхронный двигатель. Ток создаст в катушке I фазовое напряжение I. И, пройдя через конденсатор, ток создаст в катушке I_I напряжение, которое отстаёт от первого на 90°. Два магнитных поля, сдвинутых по фазе, вращают центральный электромагнит, а вместе с ним и ротор асинхронного двигателя.

Р-72. СВОБОДНЫЕ КОЛЕБАНИЯ — ОТ ЛИРИКИ К ФИЗИКЕ. Если посмотреть внимательно, то непременно заметишь, что в нашем мире встречается бесконечное многообразие движений и изменений. И есть в этом многообразии группа движений очень похожих — это то, что мы называем словами «свободные колебания». Они возникают там, где есть многими не замеченное и пока ещё достойно не воспетое чудо природы — пара накопителей энергии, определённым образом связанных друг с другом. На этом рисунке представлены три такие пары: маятник (1), струна (2) и LC-контур (3).

Отклоним маятник влево и отпустим его (1). Под действием силы тяжести (притяжение к Земле) маятник двинется вправо. Проходя центральную точку, он уже растратил потенциальную энергию, которая была у него перед стартом, но набрал скорость, и потенциальная энергия полностью перешла в кинетическую, в энергию движения. За счёт неё маятник проскакивает центральную точку и в итоге приходит в крайнее правое положение, откуда, опять-таки под действием силы тяжести, начнётся его движение в обратную сторону. В итоге, обменивая потенциальную энергию на кинетическую, а затем кинетическую на потенциальную, маятник вернётся в крайнюю левую точку, и всё начнётся с начала — маятник будет двигаться туда-обратно, то есть будет совершать свободные колебания.

Примерно то же самое мы увидим, если оттянем центр натянутой струны и отпустим её (2). Здесь колебания будут происходить за счёт обмена энергии упругой деформации струны (временные изменения молекулярной структуры при натяжении струны) и всё той же кинетической энергии — энергии движения. И, наконец, электромагнитные колебания в контуре L_кск (3). Для начала передадим ему небольшую порцию энергии, например, зарядив конденсатор С_к от внешней батареи. Он начнёт разряжаться через катушку L_к, в цепи пойдёт ток, и вся энергия из электрического поля конденсатора С_к перейдёт в магнитное поле катушки L_к. Затем ток перезарядит конденсатор, «+» и «—» поменяются местами, и ток, естественно, пойдёт в другую сторону. Этот обмен энергий между С_к и L_к будет продолжаться, поддерживая свободные колебания (в частности, ток туда-обратно) в контуре. Они через какое-то время прекратятся из-за различных потерь энергии, чем меньше эти потери, тем дольше будут длиться колебания.

Если во вторичной обмотке больше витков, чем в первичной обмотке, то коэффициент трансформации и больше единицы, трансформатор в n раз повышает напряжение и называется повышающим. А если w₂ меньше, чем w_1,то n меньше единицы, и трансформатор понижающий.

В понижающем трансформаторе число витков w₂ составляет лишь часть от w₁, например, 0,5 или 0,1. Эта величина как раз и есть коэффициент трансформации и понижающего трансформатора, и напряжение U₂ составляет такую же часть от U₁. Например, если к первичной обмотке подводится напряжение U₁ = 150 В, а коэффициент трансформации n = 0,1, то на вторичной обмотке будет напряжение U₂ = n∙U₁ = 0,1∙150 В = 15 В. На практике, особенно при расчётах «в уме», вместо, так сказать, официального коэффициента трансформации, который у понижающего трансформатора меньше единицы, пользуются обратной величиной — отношением большего числа витков к меньшему, то есть у понижающего трансформатора w₁ к w_2. Если, скажем, в первичной обмотке 1000 витков (w₁), а во вторичной 100 (w₂), то официальный коэффициент трансформации составит 0,1, а отношение w₁ к w₂ составит 10. Воспользуемся предыдущим примером: к первичной обмотке подводится 150 В, и поскольку трансформатор понижающий, напряжение на вторичной обмотке будет в 10 раз меньше, чем на первичной, то есть 15 В.

Всё это очень простая, можно сказать, примитивная арифметика, любой трансформатор может быть и понижающим, и повышающим, может увеличивать либо уменьшать напряжение в n раз — всё зависит от того, к какой обмотке подводишь напряжение и с какой снимаешь.

Но есть, однако, одно чрезвычайно серьёзное ограничение: к какой-либо обмотке трансформатора нельзя подводить напряжение, которое превышает допустимую для этой обмотки расчётную величину. Например, к обмотке, которая рассчитана на 120 В, нельзя подвести 220 или даже 160 В. Нарушение этого правила нередко завершается дымом — трансформатор быстро перегревается и выходит из строя.

Теперь о токах. Когда во вторичную обмотку включена нагрузка, то в этой обмотке идёт ток I₂. Конечно же, вторичная обмотка сама никакой мощности не даёт, а получает её из первичной обмотки, то есть в конечном итоге от генератора. И в идеальном случае мощность Р₂, потребляемая во вторичной цепи, равна мощности Р₁, поступающей от генератора в первичную цепь.

ВК-181. Если в асинхронном двигателе вместо трёх пар магнитных полюсов установить 6 пар полюсов, то ротор двигателя за время одного периода пройдёт не всю окружность, а только половину. Ему достаточно этого расстояния, чтобы встретиться с тремя электромагнитами, поочерёдно получающими все три фазовых напряжения одного периода. Минуя довольно простые промежуточные рассуждения, можно сделать вывод: увеличив в 2 раза число пар полюсов, мы в 2 раза снижаем обороты двигателя.

Р-73. ДВА, КАЗАЛОСЬ БЫ, ОДИНАКОВЫХ LCR-КОНТУРА ИМЕЮТ РАЗНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ. Недавно мы сравнительно подробно рассмотрели поведение последовательного LCR-контура (Р-66) при изменении частоты f питающего его напряжения (1). Мы обратили внимание на то, что напряжения U_L на катушке и U_c на конденсаторе сдвинуты по фазе на 180°, то есть действуют одно против другого. Можно считать, что это действуют друг против друга сопротивления X_L и Х_с, поэтому общее сопротивление всей последовательной цепи равно их разности. Как мы уже давно знаем, с увеличением частоты индуктивное сопротивление X_L растёт, а ёмкостное Х_с уменьшается. На некоторой частоте f_рез оба эти сопротивления оказываются одинаковыми и общее реактивное сопротивление контура равно нулю. В контуре остаётся небольшое активное сопротивление R, и поэтому сильно растёт ток, а вместе с ним напряжение на конденсаторе и катушке.

Теперь посмотрим, что произойдёт, если тот же контур, ту же катушку L с сопротивлением проводов R и тот же конденсатор С подключить к источнику сигнала в виде двух параллельных цепей (2). В таком параллельном контуре ток разветвится и в каждой из двух ветвей его величина будет определяться её сопротивлением — X_L и Х_с. На низких частотах общий ток параллельного контура будет большим, а общее сопротивление контура маленьким — катушка шунтирует конденсатор. И на высоких частотах общий ток будет большим и сопротивление маленьким — конденсатор шунтирует катушку. Лишь на резонансной частоте f_рез, где X_L = X_с, никто никого не шунтирует и общее сопротивление параллельного контура оказывается большим. Поведение последовательного и параллельного контуров тщательно исследовано теорией, но хочется верить, что наши упрощённые пояснения не помешают дальнейшему серьёзному изучения темы.

И ещё одно примечание. Главные события в последовательном и в параллельном контурах происходят на частоте f₀, на которой в контуре возникают свободные колебания. Получается, что контур, подключённый к генератору переменного тока, как бы резонирует на частоте своих свободных колебаний. Именно поэтому такую частоту называют резонансной f_рез.

Оговорка «в идеальном случае» понадобилась потому, что реально какая-то мощность теряется в самом трансформаторе, и нагрузке достаётся несколько меньше, чем даёт генератор. Пренебрегая этими обычно небольшими потерями (несколько процентов и меньше), из условия Р₁ = Р₂ можно найти соотношение токов I₁ и I₂ в первичной и вторичной обмотках.

Соотношение между токами I₁ и I₂ также определяется коэффициентом трансформации n, но только на этот раз коэффициент n действует «в обратную сторону»: во сколько раз трансформатор понижает напряжение на вторичной обмотке, во столько же раз повышается ток в её цепи. А если напряжение U₂ во вторичной обмотке больше, чем U₁, то во столько же раз ток I₂ меньше, чем I₁ — только при этом условии мощности Р₁ и Р₂в обеих обмотках могут быть одинаковыми.

Для иллюстрации — простой пример. Напряжение U₁ = 220 В подводится к первичной обмотке понижающего трансформатора, и на его вторичной обмотке действует напряжение U₂ = 11 В, то есть трансформатор понижает напряжение в 20 раз. Ко вторичной обмотке подключена такая нагрузка, что в её цепи идёт ток 40 А. Без каких-либо измерений можно подсчитать, что в цепи первичной обмотки идёт ток 2 А, он в те же 20 раз меньше, чем ток в нагрузке. И при этом генератор передаёт в первичную обмотку именно такую мощность (Р₁ = U₁∙I₁ = 220 В ∙ 2 А = 440 Вт), какую потребляет нагрузка во вторичной цепи (Р₂ = U₂∙I₂ = 11 В ∙ 40 А = 440 Вт).

Это не случайный результат, не типичный, а единственно возможный. Мощность, потребляемая во вторичной цепи, не может быть больше, чем поступает в первичную цепь от генератора, поскольку трансформатор — это всего лишь трансформатор, преобразователь, а не вечный двигатель. Ну а меньше мощность во вторичной цепи тоже быть не может — мы договорились, что рассматриваем работу трансформатора без учёта потерь.

Т-159. Сопротивление нагрузки в цепи вторичной обмотки трансформатора определяет режим его первичной цепи — создаёт в ней вносимое сопротивление. Итак, при определённом напряжении U₁, поступающем от генератора (например, из сети), напряжение U₂ во вторичной обмотке определяется самим устройством трансформатора — его коэффициентом трансформации. А вот что касается токов I₁ и I₂, то они зависят ещё и от сопротивления нагрузки R₂ (мы обычно обозначали её R_н), которая подключена ко вторичной обмотке. Чем больше нагрузка, то есть чем меньше сопротивление R₂, тем при неизменном напряжении U₂ больше ток I₂ — закон Ома!

Ну а раз при неизменном напряжении растёт ток, то увеличивается и потребляемая нагрузкой мощность Р₂. При этом, соответственно, должна быть больше получаемая от генератора мощность Р₁ и вместе с ней ток I₁.Иными словами, сопротивление нагрузки во вторичной цепи трансформатора влияет на режим его первичной цепи, как бы вносит в первичную цепь некоторое сопротивление R_вн, которое и определяет ток в этой первичной цепи. Зависит вносимое сопротивление R_вн также и от коэффициента трансформации и, причём зависит очень сильно, в квадрате. Отсюда следует, что очень опасно неумеренно увеличивать нагрузку, то есть уменьшать R_н, это может привести к недопустимо большим токам в обмотках, к перегреву трансформатора и непоправимому разрушению тонкого изолирующего слоя на проводах.

Р-182. Число оборотов асинхронного двигателя всегда меньше, чем следует из приближённых расчётов. Происходит это потому, что само существование двигателя, само движение его ротора связаны с появлением у этого ротора собственного магнитного поля, которое следует за вращающимся полем статора. А ток, создающий поле ротора, наводится в нём внешними магнитами, если поле ротора несколько смещается относительно их поля, например, если сам ротор движется чуть медленнее внешнего поля.

Р-74. ВЗАИМОИНДУКЦИЯ — ИЗМЕНЕНИЕ ТОКА В ОДНОЙ КАТУШКЕ НАВОДИТ Э.Д.С. В СОСЕДНЕЙ. Этот процесс с короткими комментариями уже появлялся на наших рисунках (Р-54 и другие), но будущие темы требуют, чтобы напомнить о нём ещё раз. Представьте себе две катушки, расположенные рядом на общем ферромагнитном сердечнике. Если по одной катушке L₁ пропустить постоянный ток от батареи Б, то он создаст в сердечнике постоянное магнитное поле, которое охватит также витки катушки L₂. Но никакой э.д.с. при этом в катушке L₂ не наведётся — э. д.с. электромагнитной индукции появляется в катушке только в том случае, когда меняется магнитное поле, в котором она находится. В этом можно убедиться, перемещая движок переменного сопротивления R. При этом перемещении будет меняться ток в цепи катушки L₁, а значит, и магнитное поле, созданное этим током. В моменты изменений магнитного поля (только в моменты изменений!) будет появляться э.д.с. в катушке L₂.

Теперь, забегая вперед, подведём к катушке L₁ не постоянное, а переменное напряжение. При этом будет непрерывно меняться ток в ней, а значит, и магнитное поле, в котором находятся обе катушки. И в катушке L₂, следовательно, будет наводиться переменная э.д.с. Но об этом чуть позже.

Теперь нетрудно понять, почему к трагическим последствиям приводит короткое замыкание соседних витков в любой из обмоток трансформатора. Короткозамкнутые витки — это фактически отдельная вторичная обмотка с недопустимо малым сопротивлением нагрузки, то есть с недопустимо большой нагрузкой на трансформатор. Если не сработает предохранитель, то эта недопустимая нагрузка сразу же и навсегда выведет трансформатор из строя. Забегая вперед, заметим, что предохранитель, как правило, включён в цепь первичной обмотки трансформатора. Когда резко возрастает ток I₂, то столь же резко возрастает I₁, предохранитель срабатывает и отключает первичную обмотку от генератора.

Т-160. Температурный режим работающего трансформатора: «холодный» — «теплый — «горячий» — «пошёл дым». Кто-то из первых исследователей электрического тока (его имя, к сожалению, не удалось найти в летописи электричества) наверняка обрадовался, случайно обнаружив, что проводник, по которому идёт ток, слегка нагревается. Об истинных причинах этого нагревания в те времена ничего не было известно, но само открытие вселяло надежду — только что научились создавать в проволоке электрический ток, а он уже демонстрирует свою способность делать полезное дело, вырабатывать тепло.

При упоминании об этом факте читатель, возможно, усмехнулся: подумаешь, великое открытие, удивительный эффект, породивший электрический утюг. Просто какая-то мелочь, какая-то маленькая хитрость в сравнении с электрическим освещением всей планеты, электропоездами, телефоном и телевидением. Однако же из этой мелочи, из нагревания медного проводника электрическим током, развились в итоге два больших направления практической электротехники. Одно из них — создание электронагревательных приборов, в число которых, кстати, входят не только электроутюги и электрочайники, но также сталеплавильные печи, сварочные аппараты и мощные отопительные системы космических кораблей.

Второе направление можно назвать службой тепловой безопасности, его главная продукция — понимание физических процессов, технические расчёты, разработка норм и правил, не позволяющих тепловому действию тока приносить вред электрическим цепям и машинам или тем более выводить их из строя. А о том, что такое может случиться, многие знают по собственному опыту, по диагнозу, который приходилось слышать от мастера: «Ваш электромотор (трансформатор, электрочайник, пылесос и тому подобное) перегрелся и сгорел». Вместе с тем ничего такого не должно происходить, электрические системы, приборы и аппараты десятилетиями служат безотказно, если всё в них правильно рассчитано, изготовлено и если они не выходят за пределы расчётного режима.

ВК-183. Есть возможность несколько менять режим асинхронного двигателя, если с помощью скользящих контактов включать в его ротор дополнительные резисторы с небольшим сопротивлением. Эти резисторы включаются, например, в момент пуска двигателя, если этот пуск затруднён большой нагрузкой. Когда двигатель набирает обороты, можно выключить резисторы в роторной цепи и превратить машину в экономичный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Р-75. САМОИНДУКЦИЯ — ИЗМЕНЕНИЕ ТОКА В КАТУШКЕ НАВОДИТ Э.Д.С. В НЕЙ ЖЕ. Как мы уже знаем, когда по катушке идёт меняющийся ток, то она создаёт меняющееся магнитное поле и наводит электродвижущую силу. Если есть соседние катушки, то э.д.с. наводится в них, но во всех случаях катушка непременно наводит электродвижущую силу сама в себе, и называется она «э.д.с. самоиндукции». Величина этой электродвижущей силы зависит от скорости изменения тока — чем быстрее меняется ток, тем больше наведённая им э.д.с., в том числе и э.д.с. самоиндукции. Кроме того, её величина зависит и от самой катушки, от её способности создавать и воспринимать магнитное поле. Об этих качествах катушки говорит особая её характеристика — индуктивность, обозначаемая буквой L, как и сами катушки на схемах и в формулах. Единица измерения индуктивности — генри (сокращенно Гн), эта единица названа именем выдающегося американского физика Джозефа Генри. Если в катушке при изменении тока на 1 ампер за 1 секунду наводится э.д.с. самоиндукции 1 вольт, то индуктивность такой катушки 1 генри. Индуктивность катушки можно приближённо оценить и по её внешнему виду — по примерному числу витков, наличию сердечника и иным явным приметам.

Электрический ток, проходя по проводнику, оставляет в нём часть своей энергии, выделяет в проводнике определённую мощность. Мощность, которая достаётся проводнику, зависит от его сопротивления и очень сильно — в квадрате! — зависит от тока. Увеличьте ток в проводнике в три раза, и выделенная в нём мощность возрастёт в девять раз. Вся эта мощность выделяется в виде тепла, и дальше всё зависит от того, насколько хорошо проводник отдаёт тепло в окружающее пространство. Если это проводник большого диаметра, то есть с большой поверхностью теплоотдачи, то он не будет сильно нагреваться, и тепловой баланс («сколько получаю мощности, столько отдаю в виде тепла окружающему пространству», Т-8) установится при сравнительно низкой температуре. Если же проводник тонкий, если излучающая тепло поверхность у него маленькая, то баланс «получаю-отдаю» автоматически установится при более высокой температуре. Но всегда теплообмен должен быть рассчитан так, чтобы эта более высокая температура не доводила до вполне возможных неприятностей, например, до разрушения изолирующего лакового покрытия обмоточного провода, что легко может привести к короткому замыканию соседних витков и в итоге к возгоранию.

Кстати, тип изоляции также влияет на теплообмен. Лучше всего отдаёт тепло голый провод, без изоляции. Незначительно ухудшает теплообмен тонкий, в сотые доли миллиметра, слой эмалевой изоляции очень распространённого провода типа ПЭ (провод эмалированный). Значительно хуже отдаёт тепло провод с полимерной или иной плотной изоляцией. Важно также, в каких условиях находится проводник. В открытой проводке или в воздушной линии электропередачи он охлаждается лучше, чем в подземном кабеле или в многослойной обмотке трансформатора и электродвигателя.

В одном случае, правда, перегрев проводника используется с пользой для дела — в плавких предохранителях. Их основа — короткий кусочек провода строго рассчитанного и проверенного сечения, этот проводок включается в электрическую цепь последовательно, и через него проходит общий ток. Диаметр проводка выбран с таким расчётом, что, если ток заметно превысит нормальную величину, проводок перегреется, сгорит и разорвёт цепь, спасая весь аппарат от неприятностей.

ВК-184. На производстве часто желательно использование синхронных двигателей — их ротор вращается с постоянной скоростью. Но для этого нужно ввести двигатель в синхронизм — раскрутить ротор до той скорости, с которой он будет вращаться. Для мощных двигателей это серьёзная проблема, и одно из её решений — синхронный двигатель с асинхронным пуском. Он начинает вращаться как асинхронный и, когда ротор набирает нужные обороты, автоматически переключается в свой основной режим.

Р-76. ГЛАВНЫЕ ЦИФРЫ ТРАНСФОРМАТОРА. Настала очередь самой неприметной, самой тихой электрической машины, выполняющей чрезвычайно важную работу и, скорее всего, самой распространённой. Настало время трансформатора. Это две (иногда больше) достаточно близко расположенные катушки, из одной из них в другую (в другие) передаётся электрическая мощность за счёт взаимоиндукции. Одна из особо важных цифр, поясняющих возможности трансформатора, это его коэффициент трансформации к, который иногда обозначают буквой n (1). Коэффициент трансформации — это отношение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки, куда поступает преобразуемое напряжение. Если во вторичной обмотке больше витков, чем в первичной, то есть если коэффициент трансформации больше единицы, то трансформатор повышает напряжение, если меньше единицы — понижает. Другие важные цифры — напряжения и токи, на которые рассчитаны те или иные обмотки. Эти данные нередко приводят на самом корпусе трансформатора или на пластмассовой пластине, прикреплённой к нему. Превышать эти цифры очень не рекомендуется, так как это повышает вероятность непоправимых повреждений. И, наконец, ещё одна важная цифра — мощность трансформатора, которую примерно можно оценить по его внешнему виду. В домашней технике используют очень небольшие трансформаторы мощностью несколько ватт (зарядные устройства для сотовых телефонов) и средние мощностью 50-500 ватт (приёмники, телевизоры, мощные усилители звука). А на электростанциях на ограждённой площадке можно увидеть группы больших трансформаторов высотой несколько метров и рассчитанных на преобразование мощности в тысячи киловатт.

Т-161. Удивительные профессии простого проводника — сверхпроводимость и скин-эффект. Электрическое сопротивление любого физического тела, в том числе сопротивление проволоки, зависит от температуры — в подавляющем большинстве случаев оно возрастает при нагревании. Так, при повышении температуры от 20 до 500 °C сопротивление медных и алюминиевых проводов возрастёт примерно на 20 %, а стальных почти на 30 %, это весьма заметные изменения. Вместе с тем сильное охлаждение некоторых проводников понижает их сопротивление и некоторые даже вводит в состояние сверхпроводимости, когда у проводника полностью исчезает активное электрическое сопротивление.

Историю открытия сверхпроводимости часто начинают с 1877 года, когда охладили газообразный кислород до недостижимой никогда ранее температуры -182,9 °C (минус 182,9 градуса по шкале Цельсия) и превратили его в жидкость. Создание техники для получения очень низких температур дело непростое и небыстрое. Но всё же через 30 лет голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес, создав лучшую в мире лабораторию сверхнизких температур, сумел получить жидкий гелий при температуре около -269 °C, или, иначе, примерно 4 градуса по шкале Кельвина, сокращённая запись 4 К. И тут обнаружилось, что при этой температуре ртуть вообще перестаёт оказывать сопротивление электрическому току — при этой температуре ртуть скачкообразно переходит в состояние, которому дали имя сверхпроводимость.

Спустя много лет теоретики на основе квантовой механики объяснили явление сверхпроводимости, оно связано с очень тонкими и сложными физическими эффектами, в их числе спаривание свободных электронов и полное вытеснение магнитного поля из сверхпроводника.

Если бы сверхпроводимость удалось получить при обычной, как принято говорить, при комнатной температуре, то это, конечно, совершило бы переворот в электротехнике — исчезли бы потери энергии и вместе с ними исчезла бы проблема перегрева электрических машин, по тонкому, как нитка, проводу можно было бы пересылать огромные токи и тысячи киловатт электрической мощности, ничего при этом не теряя. Несколько раз появлялись сообщения об открытии высокотемпературной сверхпроводимости, и в 1987 году Нобелевской премией было отмечено создание токопроводящих керамических материалов, которые становятся сверхпроводниками при температуре жидкого азота, то есть примерно при -77 °C. Но пока многие высокотемпературные сверхпроводники теряют свои ценные свойства при сравнительно сильных токах, пока практике переданы сплавы на основе ниобия, у которых устойчивая сверхпроводимость наступает при температуре около 23 К = -250 °C. Сейчас, чтобы получить столь низкую температуру, сверхпроводник сначала помещают в жидкий азот, получать который и поддерживать в жидком состоянии не так дорого, как гелий. Сверхпроводник, охлаждённый в жидком азоте, значительно проще и дешевле доводят до нужной температуры (-250 °C) в жидком гелии (Р-81).

ВК-185. Мы смогли познакомиться с особенностями некоторых электрических двигателей, но их разновидностей существует очень много. Достаточно вспомнить две основные группы — двигатели постоянного и переменного тока, в первой группе моторы с разным соединением обмоток якоря и электромагнита, а во второй — с синхронным и асинхронным вращением ротора. Вместе с тем 80 % всех выпускаемых двигателей приходится на простые и надёжные асинхронные машины с короткозамкнутым ротором.

Р-77. СЕРЬЁЗНУЮ ОПАСНОСТЬ УСТРАНИЛИ. НЕПРОСТО, НО УСТРАНИЛИ. Одно из особо опасных повреждений в трансформаторе, это появление в какой-либо обмотке короткозамкнутых витков, например из-за повреждения эмалевой изоляции провода. Такой виток становится как бы отдельной обмоткой с очень малым сопротивлением и, следовательно, с большим током, который быстро нагревает трансформатор и выводит его из строя. Уже в первые годы становления большой электротехники таким короткозамкнутым витком оказывался стальной сердечник трансформатора, в нём тоже наводился большой ток со всеми вытекающими из этого опасными последствиями. Но вскоре был придуман способ избавления от этого короткозамкнутого витка без потери достоинств ферромагнитного сердечника. Его собирали из довольно тонких стальных пластин, между которыми находилась тончайшая изоляция. Ток наводился в каждой пластине отдельно, и в соседних пластинах он шёл в разные стороны (3). При этом общий ток в сердечнике резко уменьшался и опасности перегрева больше не было. Сейчас по этой технологии собирают пластинчатые сердечники всех трансформаторов и электрических машин.

Кстати, первая демонстрация сверхпроводимости состояла в том, что в особый сосуд с жидким гелием поместили получивший порцию энергии L_c-контур, и колебания в нём продолжались чуть ли не несколько месяцев — благодаря сверхпроводимости прекратились потери энергии в контуре, его добротность стала чрезвычайно высокой (Р-112).

Сплошной стольной сердечник — короткозамкнутый виток и в нем _ большие потери энергии. В пластинах сердечника токи противодействуют друг другу и потери резко снижаются

Из-за необходимости гелиевых температур сверхпроводимость пока остаётся мечтой и надеждой для массовой электротехники, хотя она уже много лет используется в некоторых особых случаях. Например, в сверхсильных электромагнитах для ядерных исследований, где обычные электромагниты с обмотками из медного провода оказались бы ещё сложнее и дороже, чем сверхпроводниковые. Или там, где вообще невозможно было создать обычные электромагниты, которые давали бы нужной силы магнитное поле. Используют электромагниты со сверхпроводящими обмотками и в экспериментальных установках для термоядерного синтеза — для получения энергии из реакции объединения атомных ядер водорода в ядро гелия, то есть из реакции, которая в небольших по космическим меркам дозах воссоздаст технологию получения энергии звёзд, в том числе нашего Солнца.

Бесхитростные, казалось бы, трудяги-провода демонстрируют ещё одно интересное явление, не столь, может быть, важное, как сверхпроводимость, и не столь сложное по своей физической основе, но тоже поначалу похожее на необъяснимый фокус. С увеличением частоты активное сопротивление обычного проводника, оказывается, растёт, и весьма заметно. Это явление называется поверхностный эффект, или, иначе, скин-эффект, слово «скин» в переводе с английского означает «кожа».

Скин-эффект возникает потому, что переменное электромагнитное поле, созданное генератором и двигающее электроны в проводнике, из-за быстрых своих изменений и невысокой скорости распространения в металлах не успевает проникнуть вглубь провода. Поэтому в центральной его части тока нет вообще, высокочастотный ток реально движется лишь в поверхностном слое провода, что равносильно уменьшению его диаметра и, следовательно, росту сопротивления. На низких частотах, в частности, на сетевой частоте 50 Гц, поверхностный эффект практически не ощущается, но, скажем, на частоте 2 мегагерца (2 МГц = 2 000 000 Гц) сопротивление медного провода диаметром 5 мм увеличится более чем в 50 раз в сравнении с его сопротивлением постоянному току.

За открытием скин-эффекта довольно быстро последовало его практическое использование. Например, при создании медного провода с высокопрочной стальной сердцевиной. Или тонкого серебряного покрытия на медном проводе, что снижает его сопротивление на высоких частотах. Очень полезным для машиностроения стало использование скин-эффекта для поверхностной закалки деталей. Эта технология — высокочастотная закалка — позволяет создавать ответственные стальные детали машин с незакалённой, а поэтому пластичной и очень прочной основой и с очень тонким закалённым сверхтвёрдым поверхностным слоем (Р-80).

ВК-186. Простой и неприхотливый электроизмерительный прибор — электромагнитный амперметр. Измеряемый ток проходит по катушке и втягивает стальной сердечник, с которым связана стрелка, двигающаяся по размеченной шкале. К прибору можно подвести ток в любой полярности — при её изменении сердечник перемагнитится и по-прежнему будет втягиваться в катушку. По тем же причинам прибором можно измерять постоянный и переменный ток, а несколько изменив катушку, и напряжение.

Т-162. «Генератор тока» и «генератор напряжения» — два варианта взаимоотношений между источником и потребителем электроэнергии. В одном из предыдущих разделов было отмечено, что внутреннее сопротивление генератора R_внг и сопротивление нагрузки R_н образуют своего рода делитель напряжения, который делит электродвижущую силу Е на две части — напряжение, которое остаётся на внутреннем сопротивлении генератора U_внг, и напряжение, которое достаётся нагрузке U_н (Р-33). При этом U_внг остаётся внутри генератора, а на его выходе, то есть на нагрузке, действует напряжение U_н = Е — U_внг. И далее был сделан вывод: желательно, чтобы внутреннее сопротивление генератора R_внг было как можно меньше, так как при этом на нём будет оставаться меньшая часть э.д.с. и больше будет напряжение U_г, которое действует на выходе генератора, то есть достаётся нагрузке.

Напомнив об этой очевидной истине, нужно сделать неожиданное и, видимо, не очень понятное сообщение: в некоторых случаях сопротивление генератора R_внг умышленно делают весьма большим, во всяком случае, оно во много раз больше, чем сопротивление нагрузки R_н.

Естественно, что при этом на выходе генератора действует малая часть э.д.с., так как основная её часть остаётся или, лучше сказать, теряется внутри генератора, на его большом внутреннем сопротивлении R_внг.

ВК-187. Прибор, который может быть очень чувствительным и точным, — магнитоэлектрический гальванометр. Сам прибор измеряет слабые токи (обычно в несколько раз меньше 1 миллиампера), но с помощью небольших добавлений становится вольтметром постоянного и переменного напряжения, амперметром и омметром. Измеряемый во всех этих случаях ток подводится к квадратной катушке (рамке) через спиральные пружины, в зависимости от тока катушка со стрелкой отклоняется постоянным магнитом.

Для чего это нужно? Зачем умышленно снижать выходное напряжение генератора? Зачем бесполезно терять в самом генераторе основную часть его мощности?

В поисках ответа рассмотрим простейшую схему, где к генератору переменного тока подключено одно сопротивление нагрузки. Предположим, что э.д.с. генератора (эффективное значение) Е = 220 В, его внутреннее сопротивление R_внг = 1000 Ом, а сопротивление нагрузки R_н может меняться от 1 до 10 Ом, то есть оно всегда во много раз меньше, чем R_внг. Легко подсчитать, что при изменении нагрузки общее сопротивление цепи меняется от 1001 до 1010 Ом, и согласно закону Ома (I = Е: R_общ) ток в цепи будет меняться от примерно 220 мА до примерно 218 мА.

Как видите, при изменении нагрузки в 10 раз ток в цепи меняется незначительно, примерно на 1 %. С учётом такого постоянства тока при изменении нагрузки подобный режим называется «генератор тока». В некоторых случаях он необходим, и ради постоянства тока при разной нагрузке мирятся с тем, что ей достаётся малая часть мощности, которую создаёт генератор.

Режим «генератор тока» нужен довольно редко, электричество практически всегда работает на нас в режиме «генератор напряжения»: в бортовой электросети автомобиля или катера, в карманном фонаре, в переносном приёмнике и, главное, в обычной нашей электросети. Чтобы получить режим «генератор напряжения», внутреннее сопротивление генератора R_внг должно быть как можно меньше, во всяком случае, во много раз меньше, чем сопротивление нагрузки R_н. В этом случае основная часть э.д.с. и почти вся мощность генератора достаются нагрузке, внутреннее сопротивление R_внг почти ничего не получит.

У «генератора напряжения», в отличие от «генератора тока», при изменении нагрузки R_н напряжение на ней, то есть напряжение на выходе генератора, меняться почти не будет, но зато будет меняться общий потребляемый ток. Если вы, скажем, пришли домой и сначала зажгли одну лампочку у входной двери, а затем включили люстру, телевизор и электрокамин, то напряжение, которое вы получаете от генератора, то есть из сети, практически не изменится, а общая потребляемая мощность возрастёт за счёт увеличения общего тока.

ВК-188. В самых разных приборах часто встречаются измерители с цифровым отсчётом. В них дешифратор в виде небольшой микросхемы прежде всего преобразует измеряемый показатель, например напряжение, в двоичный код. А затем ещё один микроблок прибора преобразует этот код и в виде привычных нам цифр высвечивает результат на небольшом, обычно жидкокристаллическом, экране. Для многих удобно такое отображение результатов, а кто-то любит измерения стрелочным прибором.

Проиллюстрируем режим «генератор напряжения» числовым примером. Электродвижущая сила Е = 220 В, внутреннее сопротивление генератора R_внг = 0,01 Ом, и могут быть два сопротивления нагрузки — R_н1 = 2200 Ом (лампа дневного света мощностью 22 Вт) и R_н2 = 220 Ом (люстра с соединёнными параллельно десятью такими лампами общей мощностью 220 Вт). Поскольку R_внг очень мало, будем считать, что ток в цепи определяет только сопротивление нагрузки, и подсчитаем, что при включении R_н1 этот ток равен I₁ = Е: R_н1 = 220 В: 2200 Ом = 0,1 А, а при включении ток равен I₂ = 220 В: 220 Ом = 1 А. При этом на внутреннем сопротивлении генератора остаётся напряжение в первом случае 0,001 В и во втором случае в 10 раз больше, то есть 0,01 В. То есть практически нагрузке всегда достаются обещанные 220 вольт. Так что генератор напряжения независимо от того, какая к нему подключается нагрузка (разумеется, из числа допустимых для данной цепи), всегда подаёт на неё практически одно и то же напряжение.

Т-163. Коэффициент полезного действия — цифра и символ. Генератор тока и генератор напряжения вплотную подвели нас к характеристике, о которой давно уже пора сказать. Это коэффициент полезного действия, или сокращённо к.п.д., он даёт чрезвычайно важную оценку многим техническим системам, в том числе электротехническим. Коэффициент полезного действия показывает, какую часть получаемой мощности эта система расходует для полезного действия. Если, например, у какой-нибудь машины к.п.д. составляет 0,95, или, что то же самое, 95 %, то из каждых полученных 100 ватт мощности в машине безвозвратно теряется 5 %, то есть 5 Вт, чаще всего они превращаются в ненужное тепло. Ну а оставшиеся 95 Вт расходуются на какое-то полезное дело — неплохой результат, к.п.д. составляет 95 %. Часто к.п.д. обозначают греческой буквой η — она называется «эта».

ВК-189. Имея чувствительный гальванометр (ток 50-100 микроампер, отклоняющий стрелку до конца шкалы), можно создать на его основе многопредельный вольтметр, хорошо измеряющий как небольшие, так и большие напряжения. Чтобы увеличить измеряемое напряжение, нужно просто увеличить сопротивление, включённое последовательно с прибором. Собрав цепочку из трёх резисторов или подключив к прибору три отдельных резистора, можно получить вольтметр для трёх разных напряжений.

У представителей окружающей нас техники встречается самый разный к.п.д. Скажем, у некоторых типов электрических лампочек он составляет 0,05, то есть 5 %, — всего лишь 5 % полученной электрической мощности эта лампочка превращает в свет. У лампы дневного света к.п.д. уже около 30 %. Если учесть энергию, которая содержится в сжигаемом топливе, то окажется, что у бензинового автомобильного двигателя к.п.д. около 30 %, а у дизеля около 40. У электрических двигателей к.п.д. достигает 95 %, а у некоторых трансформаторов даже 98 %. Долгое время примером недопустимых потерь энергии был паровоз, уже почти забытая железнодорожная машина с паровым котлом и угольной топкой. У паровоза к.п.д. доходил до 4–5 %, то есть 95–96 % полученной из топлива энергии он попросту выбрасывал.

Коэффициент полезного действия не только техническая характеристика, но и некий символ, которым пользуются, чтобы дать оценку самым разным объектам и процессам, в том числе человеческой деятельности. Бывает, так и говорят, что у работника N наблюдается низкий к.п.д., что он, работник N, много суетится, а результатов особых нет. Или что предприятие М работает с очень малым коэффициентом полезного действия, средств потребляет много, а продукция мизерная.

Вместе с тем бывает, что приходится сознательно идти на понижение к.п.д. для достижения какой-то особо важной цели. Наглядный пример — «генератор тока». Мы умышленно увеличили внутреннее сопротивление генератора, то есть увеличили бесполезные потери энергии и тем самым снизили к.п.д. до малых долей процента. Это было сделано для того, чтобы получить неизменный ток в цепи при изменении нагрузки — в каком-то случае решение задачи стоит очень серьёзных жертв. К счастью, в наиболее распространённых электротехнических системах, в частности, в снабжающих нас энергией электрических сетях, нужен режим «генератор напряжения», а для него необходимо малое внутреннее сопротивление генератора, малые внутренние потери, и, следовательно, это режим с высоким к.п.д.

ВК-190. Чтобы создать многопредельный амперметр, нужно подключать к гальванометру шунты с разным сопротивлением. И здесь появляется серьёзная опасность: если менять шунты, то переключатель, выполняя эти операции, может на мгновение оставить прибор вообще без шунтов и вывести его из строя большим током. Чтобы избежать такой неприятности, используют безопасный универсальный шунт — он всегда подключён к прибору, а переключатель лишь соединяет его с отводами универсального шунта.

Т-164. Качество работы оценивает тригонометрия (косинус фи). Во всех последних разделах, как и во многих предыдущих, фигурировали электрические цепи, где к генератору подключается чисто активная нагрузка, представленная тем или иным сопротивлением R_н. Но так бывает далеко не всегда — в цепях переменного тока к генератору часто подключены не только чисто активные, но ещё и реактивные элементы, конденсаторы и особенно часто катушки индуктивности. Так, например, если к генератору через трансформатор подключена группа уличных фонарей, то на эквивалентной схеме всей этой цепи должно быть не только активное сопротивление R, отображающее сами осветительные приборы, но ещё и индуктивное сопротивление X_L, отображающее индуктивность трансформаторных обмоток. Точно так же должна выглядеть эквивалентная схема электрического двигателя — сопротивление R отображает активную часть нагрузки, то есть в итоге ту механическую работу, которую выполняет двигатель, а в индуктивном сопротивлении X_L представлена индуктивность его обмоток (Р-83).

ВК-191. Подбираясь к концу короткого путешествия в мир измерительных приборов, нужно сказать несколько слов о приборе, который в наше время стал таким же обязательным для каждого дома, как, скажем, молоток или отвёртка. Имя этого прибора «авометр», что означает амперметр, вольтметр и омметр. Его основа — один чувствительный магнитоэлектрический гальванометр, к которому подключены универсальный шунт, выпрямитель, гальванический элемент и гасящие сопротивления.

На первый взгляд может показаться, что учитывать реактивное сопротивление не так уж и обязательно — мощности оно не потребляет, то, что в какой-то момент берёт от генератора, почти сразу же и отдаёт. Но не нужно забывать, что ток, который туда-обратно без потерь прокачивается через катушку, проходит по соединительным проводам, по линиям электропередачи и в них отдаёт определённую мощность, отобранную в итоге у генератора. И хотя сами реактивные элементы мощности не потребляют, проходящий через них ток создаёт потери в других элементах цепи, прежде всего во внутреннем сопротивлении генератора. Поэтому желательно, чтобы реактивная составляющая общего тока была как можно меньше или, иными словами, чтобы как можно большая часть общей мощности, циркулирующей в данной цепи переменного тока, приходилась на реально работающую, на активную составляющую тока.

Имеется особая характеристика, которая оценивает долю активной составляющей в общей мощности, потребляемой каким-либо устройством. Называется эта характеристика cos φ (произносится «косинус фи», греческая буква «фи»), или, иначе, коэффициент мощности. Он показывает, какую часть общей потребляемой мощности составляет активная мощность, и может лежать в пределах от 0 до 1. Если коэффициент мощности равен нулю (cos φ = 0), то вся поступающая в данную электрическую цепь мощность — реактивная. А если коэффициент мощности равен единице (cos φ = 1), то реактивной составляющей у потребляемой мощности вообще нет, вся мощность, полученная от генератора, расходуется в чисто активной нагрузке.

Как уже отмечалось, желательно, чтобы реактивная составляющая общей потребляемой мощности (мощность, как всегда, это произведение тока на напряжение) была как можно меньше, а активная составляющая — как можно больше. Иными словами, желательно, чтобы у потребителя косинус фи был как можно выше, как можно ближе к единице.

ВК-192. Полезное приложение к измерительным приборам — это умение быстро производить в уме простейшие вычисления, которые могут заменить ряд измерений, особенно если подсчитываемую величину нечем измерить. В числе легко вычисляемых показателей сопротивление и мощность, когда известны ток и напряжение или индуктивность катушки, когда известны ёмкость и резонансная частота. При расчётах не стремитесь к особой точности, но будьте внимательны при определении порядка величины.

Т-165. Трансформатор — машина для преодоления расстояний. Много и иногда довольно подробно размышляя о трансформаторе, мы пока ещё не сказали о нём нечто особо важное: именно трансформатор сделал возможной передачу электричества на большие расстояния.

Для начала вспомним, что электрическая мощность — это напряжение, умноженное на ток, Р = U∙I (Р-37). И что одну и ту же мощность Р можно получить при самых разных соотношениях между U и I, в частности, при большом напряжении U и малом токе I или при большом токе I и малом напряжении U. Простой пример: Р = 200 Вт = 200 В∙1 А = 1 В∙200 А = 50 В∙4 А = 2 В∙100 А = 2000 В∙0,1 А и так далее.

При передаче электрической мощности часть её теряется в проводах, соединяющих генератор и нагрузку, то есть теряется в соединительной линии. Потери эти тем больше, чем больше идущий по линии ток, и поэтому передавать электроэнергию желательно при большом напряжении и малом токе. В то же время потребителю по ряду причин, в том числе из соображений безопасности, нужно напряжение не очень высокое, примерно 100–200 вольт, а оно совершенно непригодно для передачи электроэнергии на большие расстояния.

Представим себе, что в небольшой дачный поселок из 100 домов по воздушной линии длиной всего 5 километров нужно передать мощность 200 киловатт — по два киловатта на домик. Это довольно скромно — несколько лампочек, телевизор, холодильник, пара вентиляторов. Мы обнаружим просто ужасающую картину, подсчитав, что будет, если по медному проводу диаметром 4–5 миллиметров передавать эту мощность напрямую с генератора с таким расчётом, чтобы у потребителя было напряжение 200 вольт. Получится, что при полной нагрузке по линии пойдёт огромный ток, и он потеряет в проводах линии во много раз большую мощность, чем получит потребитель. Ещё более абсурдными получатся результаты расчётов, если представить себе передачу энергии подобным способом для большого города и на большое расстояние. И ничего здесь не сделаешь, против закона Ома не пойдёшь.

Решение неразрешимой, казалось бы, задачи подарил большой электроэнергетике простой и скромный трансформатор. На входе в линию электропередачи он повышает напряжение в десятки, сотни и даже в тысячи раз, а на выходе понижает его до нужной потребителю величины (Р-78). В итоге по линии мощность идёт при высоком напряжении и небольшом токе, а значит, потери в линии невелики. В принципе всё до смешного просто, хотя, конечно, в реальных электрических сетях работают достаточно сложные, крупные и совершенные системы.

ВК-193. Осциллограф — ещё один прибор для изучения того, что происходит в невидимом электрическом мире. На экране своей электронно-лучевой трубки он рисует самый настоящий график поступившего к нему на вход переменного тока. Горизонтальное движение луча трубки создаёт для этого графика горизонтальную ось — ось времени. Одновременное вертикальное смещение луча отмечает все изменения тока, то есть рисует сам график тока. Смещение луча слева направо и вверх-вниз — основная идея прибора.

Т-166. Трое в одной лодке и в общем магнитном поле. Из наполненной добродушным юмором повести Джерома К. Джерома «Трое в лодке» извлечём важный для нас факт: путешественников было трое, а лодка была одна. Повесть появилась немногим более ста лет назад, когда инженеры создали свой вариант использования чего-либо «на троих», — они объединили в одной машине три электрических генератора, придумали систему трёхфазного переменного тока.

Мы уже знаем, что если вращать проволочную рамку в магнитном поле, то благодаря электромагнитной индукции в рамке наведётся э.д.с. А можно в общем магнитном поле вращать сразу несколько рамок или иных обмоток ротора и с каждой из них при этом получать э.д.с. (Р-92). Каждая такая рамка фактически представляет собой отдельный генератор, именуется он фаза, а вся система называется многофазной или трёхфазной, при трёх обмотках (рамках). Здесь мы ещё раз встречаемся с омонимами, с одинаковыми по написанию и звучанию словами, имеющими совершенно разное значение (вспомните слово «сила»). В многофазном генераторе фаза — это отдельный, самостоятельный источник Э.Д.С., совсем не то, что фаза как момент времени, соответствующий какому-либо событию, например, появлению амплитуды переменного тока (Р-57).

ВК-194. Основной элемент осциллографа, его электронно-лучевая трубка, даже в упрощённом виде смотрится сложным прибором. Из сильно разогретого током катода вылетают электроны и попадают в трубку, где из них формируется тонкий электронный луч. Попав в экран, покрытый светящимся веществом, луч создаёт на нём яркую точку, а при движении линию. На пути к экрану луч проходит две пары отклоняющих пластин. Напряжение на них взаимодействует с лучом, отклоняет его и рисует график.

Не нужно думать, что многофазная система даёт какой-то многократный энергетический выигрыш, скажем, сама по себе в несколько раз увеличивает мощность генератора. Генератор — это всего лишь преобразователь энергии, его выходная, то есть электрическая, мощность зависит от того, какая к генератору подводится механическая мощность, с какой силой вращает его ротор паровая турбина или дизель-мотор. Как ни увеличивай число рамок, а генератор не может выдавать больше энергии, чем получает. Многофазная система имеет, однако, другое важное достоинство — она позволяет по-разному соединять и использовать отдельные её фазы, и это порой даёт весьма ощутимый выигрыш.

Особо широкое распространение получили трёхфазные системы переменного тока, они лежат в основе практически всей современной индустрии производства, передачи и использования электрической энергии. Трёхфазный генератор упрощённо можно представить себе как вращающиеся в общем магнитном поле три рамки, равномерно распределённые по окружности, каждая рамка смещена по отношению к соседней на угол 120°. Каждая рамка — это фаза трёхфазного генератора, она выходит во внешний мир через свою пару контактных колец со скользящими отводами. Фазы могли бы работать самостоятельно, как три однофазных генератора, но никакого выигрыша это не даст.

Выигрыш, и немалый, можно получить, соединив фазы внутри генератора, причём есть два варианта соединений — звезда и треугольник (Р-92.4, Р-92.5). От всей системы трёх вращающихся рамок при соединении звездой достаточно четырёх выводов, при соединении треугольником — трёх. В случае звезды общий для всех трёх фаз провод называется нулевым, или нейтральным. Причём в генераторе и у потребителя фазы могут быть соединены по-разному, например, в генераторе звездой, а в нагрузке треугольником. Но в любом случае к потребителю от генератора отправляются три напряжения, сдвинутых по фазе на 120°. Здесь слово «фаза» уже относится к измерению времени, а сдвиги по времени появляются потому, что рамки пересекают магнитное поле последовательно, одна за другой, с запаздыванием на третью часть своего полного оборота, то есть на третью часть периода, на 120°.

ВК-195. На рисунке показаны два варианта передачи электрической мощности на большие расстояния. В первом случае (слева) без каких-либо преобразований передаётся полученная с электростанции мощность 400 Вт при напряжении 200 В. Во втором случае (справа) передаётся та же мощность, но перед отправкой напряжение повышают до 2000 В, а при передаче потребителю понижают примерно до 200 В. И вот вам результат: во втором случае потребитель из 400 Вт получил 396 Вт, а в первом случае всего 40.

В создании и использовании трёхфазных систем энергоснабжения есть немало важных особенностей и тонкостей, о некоторых нельзя не сказать несколько слов.

В больших электрических сетях у генератора или (и) у промежуточного мощного трансформатора, фазы, как правило, соединены звездой, и к потребителю приходят четыре провода — три основных, как их называют, линейных провода и нулевой провод (Р-93). При этом потребителю можно доставлять электроэнергию в полном, в трёхфазном варианте, а можно подвести к нему только одну фазу, что, как правило, и получаем мы с вами — в наши квартиры приходят лишь два провода, нулевой и один из линейных. То есть из трёх фазовых напряжений мы получаем одно, одну фазу, две другие, но тоже по одной, получают соседние подъезды или соседние дома. Таким образом, все три фазы по возможности равномерно нагружены.

От источника электроэнергии (генератор, трансформатор), соединённого звездой, можно получить и другое напряжение, оно называется линейным и снимается с двух линейных проводов, то есть с выводов соседних фаз. Фактически линейное напряжение U_л есть сумма двух фазовых напряжений U_ф, но поскольку они сдвинуты по фазе на 120°, то при их суммировании напряжение U_ф не удваивается. Линейное напряжение в 1,7 раза больше фазового, то есть в сети, где U_ф = 127 В, линейное напряжение U_л = 220 В, в самых распространённых сетях, где U_ф = 220 В, линейное напряжение U_л = 380 В, это цифры, узаконенные стандартами многих стран. В квартиры линейное напряжение обычно не вводят, его используют большей частью на производстве, где легче контролировать соблюдение правил безопасности и где мощности нужны побольше.

Важная характеристика трёхфазной цепи — её симметричность, равномерность нагрузки для всех трёх фаз. Она снижает потери в линиях электропередачи, а при идеально одинаковой нагрузке ток в нулевом проводе равен нулю, и провод этот вообще не нужен. Существенная неравномерность нагрузки заметно повышает потери, а в аварийной ситуации — при коротком замыкании одной из фаз — два других фазовых напряжения могут подскочить до уровня линейных. То есть в сети 220 В напряжение может подняться до 380 В, что, конечно, иначе чем катастрофой не назовёшь. К счастью, до неё, как правило, не доходит, автоматы мгновенно разрывают короткозамкнутую цепь, а если нужно, снимают напряжение с двух нормальных фаз.

ВК-196. Каждый из нас слышал об огромной скорости электрического тока — из Владивостока в Москву телеграфный сигнал приходит за 0,03 секунды. Поэтому очень странное впечатление производят сообщения о том, что электроны, создающие ток, проходят лишь несколько миллиметров в секунду. Вместе с тем это верно и никак не противоречит первой цифре. При включении электрической цепи электрическое поле вдоль неё мчится со скоростью света, и медленные электроны начинают двигаться сразу во всей цепи.

Т-167. Магнитное поле быстро вращается, перемещается по кругу, наполняя силой электрические мускулы планеты. Почти в одно время с изобретением трёхфазных систем, то есть более ста лет назад, был придуман способ создания с их помощью вращающегося магнитного поля. От трёх фаз трёхфазного генератора к трём электромагнитам статора подводят сдвинутые по времени три тока. Электромагниты равномерно расположены по кругу, то есть со смещением на угол 120° (Р-74). Каждая катушка электромагнита получает, так сказать, свой фазовый ток, и во время амплитуды этих своих фазовых токов электромагниты будут поочередно, один за другим, создавать своё максимальное магнитное поле. В итоге это максимально сильное поле будет перемещаться по кругу, будет вращаться.

Если в такое вращающееся магнитное поле поместить короткозамкнутую рамку, то в ней наведётся ток, он создаст своё магнитное поле, это поле будет схвачено (Т-8) внешним, вращающимся полем, и рамка начнёт вращаться вместе с ним. Эта маленькая хитрость открыла путь к созданию очень простых, надежных и эффективных асинхронных двигателей переменного тока, во всём мире они стали основным электрическим работником и выпускаются миллионными тиражами. Уже одного этого достаточно, чтобы назвать многофазные системы невидимым миру великим изобретением.

ВК-197. Диспетчерская, управляющая электрическими сетями, большое и сложно устроенное предприятие. Измерительные приборы сообщают дежурным о токах и напряжениях на различных участках сети, о состоянии оборудования, о мощности, потребляемой на отдельных участках. Система широко использует вычислительную технику и автоматы, подающие предупредительные сигналы. Есть автоматы, которые в бесспорной ситуации сами производят отключения, предупреждая аварийное развитие событий.

Т-168. Электричество — незаменимый посредник. Известная поговорка «Земля — кормилица» напоминает: всё, что мы употребляем в пищу, в итоге даёт нам земля. На ней произрастают зерновые культуры, фрукты, овощи, она даёт мясные и молочные продукты, поскольку на земле выращиваются корма. И только не знающий жизни новоприбывший марсианин может понять приведённую выше поговорку в том смысле, что мы кормимся непосредственно землёй, именно её употребляем в пищу.

Если задуматься о существе дела, то окажется, что земля — особого рода посредник, она собирает различные химические вещества, влагу и передаёт их растениям, помогая им набирать массу и превращаться в хлеб, сахар, любительскую колбасу, клубничное мороженое. Всё это чем-то напоминает роль электричества — оно тоже своего рода посредник, при содействии которого в бригаду человека собираются машины-помощники. Электрическую энергию получают в огромных количествах из других видов энергии — тепловой, химической, световой, из механической работы. Но никогда (или, скажем более аккуратно, почти никогда) полученную электрическую энергию не используют в чистом виде, например, в виде электрического поля или магнитного. Электричество в итоге превращают в то, что непосредственно нужно человеку, главным образом в световую и тепловую энергию и, конечно, в очень нужную, как мы её называем, механическую работу.

ВК-198. В странах, имеющих большое протяжение с востока на запад, а также в группах стран, по высоковольтным линиям передаются большие мощности. С их помощью можно, не строя новых станций, удовлетворять пиковую нагрузку, например в утренние и вечерние часы. При этом в какой-либо регион в период высокой нагрузки передают большую мощность из региона, где этот период только что прошёл. Там уже наступила глубокая ночь со сравнительно небольшим потреблением электроэнергии.

Типичная схема участия электричества в нашей жизни очень проста. На электростанции в топках паровых котлов сжигают уголь, газ или мазут, пар высокого давления вращает паровую турбину, она приводит в движение ротор электрогенератора, генератор вырабатывает электрическую энергию, которая по проводам приходит к потребителю и вращает моторы станков в заводском цехе или накаливает добела нити многих тысяч электролампочек, освещающих наши квартиры и улицы ночного города. Таким образом, электричество и выполняет роль посредника в системе тепло-электричество-тепло, или тепло-электричество-свет, или тепло-электричество-механическая работа.

Но зачем, спрашивается, нужен этот посредник? Зачем эта громоздкая и дорогая система электростанций и линий электропередачи? Для чего мириться с потерями энергии, неизбежными при любом её преобразовании, например, при преобразовании тепла в электричество или электричества в тепло? Почему нельзя без электричества на месте получать тепло и свет, сжигая тот же газ? Почему бы не получать на месте механическую работу без электричества, используя, например, бензиновые двигатели разной мощности?

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.