Жители городов, вечерами залитых электрическим светом, пассажиры электропоездов и владельцы электрических кофеварок, мы редко задумываемся о том, как пришло к нам всё это электрическое богатство. И часто даже не знаем, что ещё чуть более ста лет назад лишь в нескольких десятках столичных квартир горели электрические лампочки, а весь остальной народ ещё жёг свечи и керосиновые лампы.

Главный герой электроэнергетики — мощный электрический генератор. Но он не работает один — ему непременно нужен мощный двигатель, который будет перемещать основную обмотку генератора в магнитном поле, преодолевая сильнейшее его сопротивление. Сегодня в мировой энергетике сложилось несколько групп таких очень сложных технических систем, от их стабильной работы и их развития зависит благополучие каждого из нас.

Т-169. Требуются силачи. Принцип действия электрического генератора нам в своё время пояснила проволочная рамка, которую мы вращали в магнитном поле (Р-55, Р-56). При этом не говорилось, кто именно, какое устройство осуществляет вращение, поскольку это безразлично — рамку можно вращать любым способом, главное, чтобы она вращалась, чтобы её провода пересекали магнитное поле. Можно, например, представить себе, что рамку вращает какой-нибудь простенький бензиновый моторчик, из числа тех, что дети ставят на свои летающие модели самолётов.

На настоящей электростанции настоящий генератор вместе с двигателем входит в единую сложную систему, и в дальнейшем будет рассказано о нескольких таких системах, представляющих основные направления электроэнергетики. Но перед этим уместно вспомнить, что при знакомстве с электрическими генераторами рано или поздно откуда-то обязательно выплывает коварный вопрос, как говорят студенты, вопрос на засыпку. Излагается он примерно так: почему, чтобы вращать ротор генератора, нужны мощные двигатели? Пусть он даже очень тяжёлый, этот ротор, но подшипники у него наверняка хорошо смазаны, и, скорее всего, можно и вручную ротор провернуть. Для чего же тогда двигателю такая большая мощность?

Сначала общий ответ: электрогенератор не источник энергии, а всего лишь её преобразователь — чтобы получить от генератора электрическую мощность 100 тысяч киловатт, нужно в каком-то виде дать ему никак не меньше, а реально нужно с несколько большей мощностью (с учётом потерь) вращать ротор этого генератора. За конкретным пояснением обратимся к нашей экспериментальной установке — к простейшему генератору в виде рамки, которая вращается в магнитном поле, и наведённую в ней э.д.с. выдаёт во внешнюю электрическую цепь.

В режиме холостого хода, когда нагрузки нет, тока тоже нет и мощность от рамки не потребляется, вращать её действительно нетрудно. Но если вращать рамку и подключить к ней нагрузку, то наведённая э. д.с. создаст в цепи ток, а он, проходя по самой рамке, будет взаимодействовать с внешним магнитным полем. Вспомните обнаруженный нами когда-то факт: проводник, по которому идёт ток, выталкивается из магнитного поля, так собственное магнитное поле проводника взаимодействует с внешним полем. Если по правилу правой руки определить полярность э.д.с., наведённой в проводах рамки, а по правилу левой руки определить направление выталкивания проводников, то окажется, что выталкивание направлено против вращения рамки. А это значит, что силу выталкивания нужно преодолеть, если мы хотим вращать рамку и получать от неё какую-то электрическую мощность. Чем больше потребляемая от рамки (от генератора) мощность, тем больше ток в цепи (а значит, и в рамке), тем больше выталкивающая сила, которую нужно преодолеть, тем, следовательно, больше должна быть сила, которая вращает рамку. Вот почему нужны мощные первичные двигатели, которые поставляют механическую энергию для мощных электрогенераторов.

ВК-200. К измерению времени, размеров или расстояний мы привыкаем с детства. Если скажут, например, что до станции нужно пройти пять километров, то сразу ясно, что это много, часа полтора-два идти. Сейчас мы постепенно привыкаем к измерению объёмов информации и скорости её передачи. Учимся в цифрах представлять себе, почему параллельная её передача по многопроводным линиям происходит намного быстрее, чем последовательная передача по однопроводной. И чем выше чёткость картинки, тем больше информации нужно передать для её воспроизведения. А отображение цвета тоже, разумеется, требует передачи дополнительной информации.

Р-78. МАШИНА ДЛЯ ПРЕОДОЛЕНИЯ РАССТОЯНИИ. Именно трансформатор позволил электричеству проходить сотни и тысячи километров от электростанций, то есть от места, где электрическая энергия была создана, до потребителя, который эту энергию использует на производстве или дома. Исключительную роль скромного труженика трансформатора в этом великом деле легко понять. Достаточно вспомнить, что главная рабочая характеристика электричества, его мощность Р, в равной степени зависит от двух величин — от напряжения U и от самого тока I. Получив возможность выбора, мы для линий дальней передачи, конечно же, выберем вариант «Большое напряжение, малый ток». Потому что именно ток препятствует дальнему распространению электричества, это он (упрощённая картина) сталкивается с атомами проводника, по которому движется, и на больших расстояниях из-за этих столкновений теряет значительную часть своей энергии. А осуществить выбор «Большое напряжение, малый ток», оказывается, очень просто, нужны для этого всего лишь два мощных трансформатора. Перед отправкой электрической энергии в дальний путь один повышающий трансформатор во много раз увеличит напряжение. При этом во столько же раз автоматически уменьшится ток — трансформатор мощности не меняет. А на другом конце линии дальней передачи примерно такой же трансформатор снизит напряжение до принятой стандартом безопасной величины

Т-170. Настоящий генератор: штрихи к портрету. От рамки, которая вращалась в магнитном поле, до настоящего электрогенератора так же далеко, как от зажигалки до ракетного двигателя, который выводит на орбиту многотонный спутник. Начнём с того, что на выходе типичного мощного генератора э.д.с. составляет несколько тысяч вольт, на одном виточке рамки такую электродвижущую силу не наведёшь. В настоящем генераторе она наводится в многовитковых катушках, как известно, э.д.с., наведённая в отдельных витках катушки, суммируется. Далее, катушки, в которых наводится э.д.с., не вращаются в поле постоянного магнита, как вращалась наша учебная рамка. В реальном генераторе катушки, в которых наводится э.д.с., входят в неподвижную его часть — в статор. А сам магнит, точнее электромагнит, находится в роторе, он вращается внутри системы этих неподвижных катушек, внутри статора. В обоих вариантах (вращается основная обмотка или вращается магнит) основная обмотка и магнитное поле встречаются в движении, так что в принципе разницы никакой нет, а вот выигрыш во втором варианте очень большой. Выходное напряжение генератора немалое, выходная мощность — сотни тысяч киловатт, снять такую большую мощность с помощью скользящих контактов очень непросто. А вот подвести ток к катушке вращающегося электромагнита — значительно проще.

Ещё одна примета настоящей электрической машины. В ней главный работник — магнитный поток, который должен быть как можно более сильным. Поэтому поток, как в сердечнике трансформатора, в основном замыкается через железо — статор собран из стальных пластин, и ротор тоже стальной, но не пластинчатый. Магнитное поле этого электромагнита вращается вместе со своим сердечником и вихревых токов в нём не наводит. Зазор между статором и ротором минимальный, для этого обмотка ротора уложена в пазы, чтобы она не выступала, не заставляла увеличить зазор. Статор и ротор имеют каждый свою систему жидкостного охлаждения, позволяющую создавать генератор более высокой мощности.

И ещё одна важная особенность: в настоящем генераторе очень часто не два магнитных полюса, а несколько пар полюсов. Как известно, во многих странах, в том числе и в России, для сетей переменного тока принята частота 50 герц, то есть 50 периодов в секунду или 3000 периодов в минуту. Чтобы получить такую частоту в двухполюсном генераторе, его ротор должен совершать 3000 оборотов в минуту, а это многовато — в больших машинах из-за больших центробежных сил возникают серьёзные проблемы прочности, да и некоторым первичным двигателям удобнее (Т-8) вращаться медленнее. Если в генераторе две пары магнитных полюсов, то на каждый оборот ротора приходится 2 периода переменного тока, и частота 50 герц получается уже не при 3000, а при 1500 оборотах в минуту. Чтобы получить 50 герц при трёх парах полюсов, ротор должен вращаться со скоростью 1000 оборотов в минуту.

Кстати, электрическая машина, о которой идёт речь, — это синхронный генератор, напряжение на его выходе меняется синхронно с вращением ротора. Если при определённом его положении появляется, например, положительная амплитуда, то она всегда будет появляться, когда ротор проходит через эту точку. Понятие синхронности ещё пригодится нам, когда речь пойдёт о двигателях — синхронных и асинхронных.

Что стоит за цифрами, называющими мощность электрогенератора, легче представить себе, если вспомнить следующее: энергетики считают, что каждому городскому жителю в среднем нужна электрическая мощность 3 киловатта, каждому сельскому жителю 2 киловатта, для заводов и других производств счёт особый. Электрические генераторы для электростанций обычно имеют мощность от 100 до 500 тысяч киловатт, хотя уже есть сверхмощные генераторы на 1 миллион и даже на 1,2 миллиона киловатт. На электростанции всегда несколько генераторов, а сами станции объединяются в крупные системы, снабжающие электроэнергией огромные территории, сотни городов, тысячи предприятий.

ВК-201. Свобода художника проявилась в том, что на одной картинке показаны две эпохи развития электрических сетей. Справа большие дома, электричество приходит к ним по подземному силовому кабелю через понижающий трансформатор. Слева воздушная линия на столбах, она снабжает электричеством небольшие поселковые дома, на столбах находятся и понижающие трансформаторы. В обеих сетях к трансформаторам приходит высокое напряжение, например 6000 В, потребитель получает 220 В.

Р-79. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО, СОЗДАЮЩЕЕ СВЕТ. В довольно длинном списке изобретателей ламп для электрического освещения первым обычно называют англичанина Деларю — он создал первую экспериментальную лампочку с платиновой нитью в 1809 году. Кстати, за семь лет до этого русский электротехник академик В.В. Петров построил мощнейшую химическую батарею и с её помощью получил очень ярко светящуюся электрическую дугу. И всё же реальным началом электрического освещения считают 1879 год, когда Томас Эдисон передал промышленности отработанную им за несколько лет электрическую лампу, пригодную для серийного производства. Хотя в этой сфере немало было сделано другими до Эдисона, у этого человека и сегодня есть чему поучиться. Взявшись за какое-нибудь дело, он непременно доводил его до конца в полном объёме. Так, для своей лампочки он создал дожившие до наших дней патрон, цоколь (1,2) и выключатель, а также всю систему электропроводки, включая керамические ролики, на которых висят провода. Он много работал над снижением стоимости своей лампы и от цены 1 доллар пришёл к 24 центам.

Не без него в 1882 году дело пришло к первым небольшим электростанциям, на основе которых развивалось электрическое освещение. В наши дни, пройдя множество усовершенствований (угольный стержень, например, уже давно и навсегда сменила вольфрамовая спираль) и несмотря на огромные потери электрической мощности (90–95 процентов) на излучение тепла, а также несмотря на то, что в некоторых странах производство простейших лампочек запрещено, эти лампы накаливания продолжают широко использоваться. Огромная часть электрического света в наше время приходится на трубчатые (3) и компактные (5) люминесцентные лампы, или, как их чаще называют, лампы дневного света. У них в центре создаётся слабый электрический разряд, дающий невидимое ультрафиолетовое излучение. Оно заставляет ярко светиться белый с виду люминофор, изнутри покрывающий стеклянную трубку. Уже начали широко применяться светильники на полупроводниковых светодиодах (6,7) — при прямом токе в их pn-переходе возникает сильное свечение, которое рассеивается в нужном направлении пластмассовыми линзами.

Т-171. Электрические машины — всё очень просто и непросто. Генераторы уже несколько раз были названы машинами, и это их общепринятое имя. Причём электрическими машинами называют и генераторы, и двигатели, и даже трансформаторы, хотя никаких подвижных деталей в трансформаторах нет. У генераторов и двигателей много общего, и некоторые их виды — машины обратимые. То есть если вращать ротор обратимого двигателя, то на его обмотках появится э.д.с. и он будет работать как генератор. А если к обратимому генератору подвести внешнее напряжение, то его ротор начнёт вращаться, как у двигателя.

Здесь самый момент заметить, что короткое описание мощных генераторов не должно создавать иллюзию этакой абсолютной простоты электрических машин и полной свободы в их конструировании или использовании. Электрические машины — это сложные совершенные творения науки, техники и технологии, отработанные до мелочей, имеющие прочный теоретический фундамент и много очень интересных и важных особенностей. Подзаголовок этой книги «Несерьёзное предисловие к серьёзным учебникам» поясняет, что она, к сожалению, не может подробно рассказать по существу об электрических машинах и отсылает заинтересованного читателя к серьёзным учебным пособиям.

Но зато теперь, после сделанных предупреждений, мы можем, как было обещано, спокойно приступить к краткому общему знакомству с разными направлениями современной электроэнергетики. Реально действующих направлений у неё сегодня немало — здесь и прямое получение электричества при особом окислении топлива в топливных элементах, и разные способы использования солнечной энергии, и быстро набирающая силу ветроэнергетика, и особый вид генераторов с газообразными роторами, и многое другое, о чём ещё будет коротко рассказано в последнем разделе книги, посвящённом планам на будущее.

ВК-202. Электрическая сеть приводит напряжение в квартиру потребителя довольно сложным путём. На этом пути есть разветвители и переключатели, есть трансформаторы, совместно снижающие напряжение в 100 раз и более. В сети немало автоматов, отключающих линию, если в ней недопустимо возрос ток. В каждую квартиру приходит одна из фаз и общий провод, здесь свой счётчик полученной энергии и свои средства защиты, в том числе реагирующие на прикосновение к токонесущей поверхности (ток утечки).

Р-80. КАК УМЕНЬШИТЬ ДИАМЕТР ПРОВОЛОКИ, НЕ ПРИКАСАЯСЬ К НЕЙ. Если двумя кусками медного провода подключить лампочку к батарейке, а затем с помощью какого-нибудь фантастического прибора заглянуть внутрь одного из проводов, то мы увидим, что по всей его толщине движутся электроны. Но на высоких частотах, например в сотни килогерц и более, картина заметно меняется. В центральной части провода разные составляющие поля противодействуют друг другу и ток идёт в основном только по окраинам, по кольцу, прилегающему к поверхности проводника (1). Это явление называется «поверхностный эффект», или по-английски «скин-эффект», то есть «эффект кожи». При диаметре медного провода 1 мм и частоте переменного тока 2 МГц площадь кольца, по которому идёт ток, составит всего лишь 2 % площади поперечного сечения провода. С увеличением частоты площадь круга, по которому идёт ток, уменьшается, то есть скин-эффект проявляется сильнее. Иногда для тока с частотой несколько мегагерц можно увидеть катушку индуктивности из нескольких витков медного провода, покрытого тонким слоем дорогого серебра с меньшим, чем у меди, сопротивлением. Делать весь провод серебряным нет никакого смысла, так как ток на этих частотах идёт только по самой его поверхности. Нередко используют многожильный провод с изолированными жилками, который называют «лицендрат» (2). У него соотношение между суммарным поверхностным слоем и общим сечением проводов лучше, чем у одножильного провода. При сборке концы всех жилок лицендрата соединяют, то есть включают их параллельно. Изучение и практическое использование поверхностного эффекта оказалось очень важным для индустрии. Закаливая сталь высокочастотным током, получают детали.

Т-172. Команда «Турбина» уверенно выигрывает у команды «Поршень». Начав с попытки пошутить, автор хотел бы рассказать об очень серьёзных событиях, имевших место 100 лет назад. Правда, если взглянуть повнимательней, то окажется, что всё началось почти на 2 тысячи лет раньше, когда замечательный греческий исследователь и инженер Герон Александрийский придумал свой эолипил (Р-84.1). Это был шар, который вращался под действием вырывавшегося из двух трубок пара, — первая, видимо, в истории попытка использовать тепло для выполнения механической работы. Уже приручил человек себе в помощь животных, уже заставил ветер и падающую воду вращать тяжёлые жернова мельницы, а вот огненное вещество, которого полно было в любом лесу, хоть и не раз показывало свою грозную силу, а из полезных дел применялось только для того, чтобы изжарить кусок мяса или зимой погреться у костра.

Героновский эолипил долго оставался красивым опытом и при этом не более чем игрушкой — лишь более чем через полторы тысячи лет началась машинная биография огня. В качестве главного работника выбрали пар — даже в кипящем чайнике пар имел заметное давления и, вырываясь из носика, вполне мог бы выполнить небольшую полезную работу. Сначала был сконструирован специальный «большой чайник» — безопасный паровой котёл, затем английский кузнец Томас Ньюкомен с помощниками в 1705 году придумал паровой насос для откачки воды из шахт (Р-84.2), и, наконец, в 1781 году английский изобретатель и исследователь Джеймс Уатт (иногда по-русски его фамилия пишется как Ватт, этим именем названа единица мощности ватт) запатентовал свою «огневую машину». В ней пар высокого давления быстро двигал туда-обратно поршень в цилиндре, а это движение несложный механизм превращал во вращение рабочего колеса (Р-85). Джеймс Уатт изобрёл и самолично построил двигатель, который мог выполнять нужную работу, работал в двигателе горячий водяной пар, энергию на всё это давало тепло.

Изобретатель настойчиво совершенствовал свою машину, и вскоре она стала универсальным паровым двигателем самого широкого применения — от привода токарного станка до паровоза. И естественно, когда понадобился привод для электрогенераторов, то уаттовский поршневой паровой двигатель сразу же и, как казалось, навсегда получил эту должность. Началось с первого реально работающего электрогенератора «Альянс», который в 1857 году был создан для питания мощных ламп на маяках и работал вместе с небольшой паровой машиной мощностью 10 лошадиных сил (7,36 кВт). За несколько лет построили больше сотни таких установок, и вообще электрогенераторы (их мощность достигала сотен киловатт) с поршневым паровым двигателем стали основным поставщиком электроэнергии, лишь изредка уступая приводу, использующему энергию падающей воды.

Но прошло несколько десятилетий, и из многих областей техники уаттовскую паровую машину, это великое творение эпохи, начал уверенно вытеснять другой вид парового двигателя — паровая турбина (от латинского «турбо» — «быстрое вращение, вихрь»). Работу турбины пояснит выключенный из электросети вентилятор, установленный в потоке воздуха, например в открытом окне. Лопасти закреплены на оси с небольшим поворотом, и благодаря этому ударяющий в них ветер создаёт вращательное движение вентилятора. Ту же роль играют сложной формы рабочие лопатки турбины, которые закреплены в её рабочих колёсах и расположены на пути мощной струи пара (Р-86). Сейчас в большинстве случаев мощную турбину и генератор считают единым комплексом, называют одним словом турбогенератор, их вместе рассчитывают при проектировании установки.

Примерно 100 лет назад паровая турбина подтвердила свои достоинства и с тех пор стала главным приводом мощных электрогенераторов на электростанциях. А ещё через несколько десятилетий электростанции стали получать ещё одного могучего помощника — газовые турбины, в которых рабочие колёса с лопатками разных размеров приводил в движение не пар, а газ высокого давления, появлявшийся при сжигании в камере сгорания топлива, например, керосина, угольной пыли или природного газа (Р-86).

ВК-203. Статистики часто публикуют интересные (не всегда, правда, совпадающие) таблицы с данными о развитии электроэнергетики в разных странах и регионах. Из таблиц видно, что Россия немало производит электроэнергии, но пока ещё не очень хорошо её использует. Энергетика, конечно, развивается и растёт, но, как дело дорогое и сложное, развивается не молниеносно. Так, основные цифры, приведённые на итоговой таблице (на чёрной доске), к 2012 году выросли в среднем на 10 %.

Р-81. СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ, НО ПОКА ЕЩЁ ДАЛЕКО НЕ БЕСПЛАТНАЯ. Сегодня мировая промышленность ежегодно использует примерно 16 миллионов тонн меди (кстати, треть её производят в Чили), а в недрах её мировые запасы оцениваются в миллиард тонн. Так что запасов хватит лет на 60, а за это время, смотришь, ещё что-нибудь придумают. Многие представляют, каким должно быть это «ещё что-нибудь», — это высокотемпературные сверхпроводники. За 100 лет, которые прошли с открытия сверхпроводимости, в этой области сделано многое. В 1957 году была отмечена Нобелевской премией БКШ теория сверхпроводимости, её название — это первые буквы фамилий авторов Д. Бардина, Л. Купера и Д. Шриффера. В 1950 году начали создавать сплавы, которые не разрушают сверхпроводимости при больших токах (1) и сильных магнитных полях. С 1980 года пытаются создать на основе керамики высокотемпературные сверхпроводники. Не нужно, однако, думать, что у этих материалов исчезает активное сопротивление при температурах +50 или +100 градусов Цельсия — это ещё впереди. Существуют две знаковые температуры: жидкого гелия около 4 К, то есть ниже минус 269 °C, и азотная около 77 К, то есть ниже минус 196 °C. Большинство сверхпроводников приобретают эти свои свойства при гелиевых температурах (2), и только в сравнении с ними назвали высокотемпературными новые материалы, которые становятся сверхпроводниками при температуре жидкого азота. Но пока таких материалов нет для широкого применения и жидкий азот используют для предварительного охлаждения гелия (3). Это требует меньшей мощности от гелиевой холодильной машины, что в целом упрощает и удешевляет получение сверхпроводников.

Т-173. Рождённый летать, как оказалось, прекрасно справляется с чисто наземными делами. Первые сведения о газовых турбинах к широкой публике начали приходить с развитием реактивной авиации. Через несколько лет после появления больших пассажирских «Ту» и «Илов» многие уже знали, что для реактивных самолётов и ракет бывает много разновидностей двигателей. Большинство из них для создания необходимой тяги использует выброшенную назад мощнейшую реактивную струю сожжённого газа, за что самолёты с такими двигателями во всём мире называют «джет» — «реактивный, выбрасывающий струю». В самом двигателе на пути газовой струи стоит сравнительно небольшая газовая турбина, которая отбирает некоторую часть мощности и использует её частично для нужд самого двигателя, а частично для вращения электрогенератора, питающего электричеством самолёт. Надо заметить, что на электропитание приборов, технических систем самолёта и создание определённых удобств для пассажиров (в частности, на полную смену воздуха 20–30 раз за каждый час полёта) требуется немалая электрическая мощность: в небольшом десятиместном самолёте — 20 киловатт, в большом пассажирском лайнере — 600 киловатт и более. При этом в кабельных линиях самолёта обычно циркулируют постоянное напряжение 27 вольт и переменное 200/120 вольт (указано линейное и фазовое напряжение)

А есть ещё так называемые турбовинтовые самолёты, в их двигателях почти вся энергия газовых потоков достаётся турбинам, которые создают необходимую тягу с помощью вращающихся пропеллеров («винтов»).

Пока ещё, видимо, не написана книга об истории появления на электростанциях газовых турбогенераторов, но, судя по всему, дело это не обошлось без мощных турбин, созданных для авиации. Они показали то, что специалистам было уже и так ясно: газовая турбина на тепловой электростанции очень нужна. Во-первых, газовая турбина включается (и выключается!) буквально за одну-две минуты и, если нужно, может практически сразу же выдавать свою максимальную мощность. Это очень важно для того, чтобы покрывать нарастающие нагрузки именно тогда, когда они появляются, и не тратить топливо на долгую подготовку к этому событию всей системы питания паровой турбины. Во-вторых, не поработавшие в самой газовой турбине остатки газа направляют в топку парового котла, что в итоге повышает к.п.д. всей системы. И, наконец, третье: коэффициент полезного действия газового турбогенератора весьма неплохой, и, работая совместно с паровыми турбогенераторами, он доводит к.п.д. всей системы до 40–45 %, в то время как раньше на тепловых электростанциях с паровыми турбинами выше 32–34 % обычно не поднимались.

ВК-204. Уже говорилось о порядке в наших взаимодействиях с электричеством (ВК-7 и далее). Сейчас, при постепенном переходе к заключительной части книги, скажем об этом ещё раз, начав с трагической и редко вспоминаемой цифры. Ежегодно в случайных, ошибочных, неожиданных столкновениях с электричеством в мире гибнет более 10 000 человек. Эта цифра была бы больше, если бы электроэнергетика не ввела своих строгих правил, неуважение которых есть первая причина высокой опасности.

Р-82. ХАРАКТЕРИСТИКА, ИСКЛЮЧИТЕЛЬНО ВАЖНАЯ ДЛЯ ВСЕГО, ДЛЯ ВСЕХ И ДЛЯ КАЖДОГО. Эту характеристику обозначают греческой буквой «эта» — η и называют коэффициент полезного действия, сокращённо к.п.д., а иногда КПД. Смысл коэффициента достаточно просто поясняет само его название — он показывает, какую часть полученной энергии W_общ (иногда её называют затраченной или мощности. Р_общ какая-либо машина использует для выполнения полезной работы W_пол или Р_пол Коэффициент полезного действия указывают в процентах (например 90 или 70 процентов), или в долях единицы (например 0,9 или 0,7). При подсчете к.п.д. подъёмного крана (1) затраченную им мощность Р_общ или энергию W_общ можно подсчитать, зная калорийность и количество топлива, потребляемого двигателем. А полезную мощность Р_пол или энергию W_пол нетрудно найти, зная массу груза и высоту, на которую он был поднят. Аналогично к. п.д. небольшого конвейера с электрическим двигателем (2) можно оценить, если для начала амперметром и вольтметром измерить ток I и напряжение U и подсчитать мощность Р_общ, потребляемую двигателем (Р = U∙I). Затем можно определить массу, высоту подъёма и скорость следования изделий, перемещаемых конвейером, это позволит прикинуть — полезную мощность Р_пол и сам к.п.д. Коэффициент полезного действия — важная характеристика многих машин, часто решающая судьбу конкурирующих моделей и технологий. Но в то же время у этого коэффициента есть ещё, так сказать, философский смысл, он помогает оценить работающего человека, его умение спланировать своё время, силы, опыт, чтобы получить не слова, пожелания и жалобы, а полезный, нужный людям результат. Это относится также к коллективам работающих людей — к маленьким артелям и крупным предприятиям, к далеким поселкам, к большим городам и целым странам.

Т-174. Гравитационные силы работают бесплатно, но платить всё же приходится. Человек, не просто проходивший в школе физику, но и кое-что усвоивший от общения с ней, вполне может возмутиться, услышав про якобы надвигающийся на человечество энергетический голод: «Кончается нефть? Ничего страшного, в природе полно бесплатной энергии — бери сколько надо! Одни только российские ветры в год приносят 10 триллионов киловатт-часов, в тысячи раз больше, чем нужно всем нашим электростанциям для переработки в электричество. Таких источников десятки, а в запасе еще есть Е = m∙с² — если бы мы научились полностью превращать массу в энергию, то из одного грамма получали бы 25 миллионов киловатт-часов энергии. То есть энергии, полученной из этого одного грамма массы, хватит на то, чтобы 100 лет снабжать электричеством большой стоквартирный дом.

ВК-205. Человек со временем умнеет, и этому можно только радоваться. Но какая-то бессмысленная и опасная удаль всё же остаётся в характере и иногда недопустимо проявляет себя. В том числе в безопасных на первый взгляд отношениях с электрическим током. Там, где должна быть необходимая современному человеку уважительность в его отношениях с техникой, мы (давайте в этом признаемся и повинимся) почему-то начинаем важничать и унижать её, демонстрируя глупую и никому не нужную смелость.

Р-83. КОЭФФИЦИЕНТ «КОСИНУС ФИ» ТОЖЕ ГОВОРИТ О ПОТЕРЯХ И ОТВЕЧАЕТ НА ВОПРОС «ЧТО ДЕЛАТЬ?» Этот показатель (cos φ имеет ещё одно название «коэффициент мощности» и говорит о потерях в отдельном двигателе или у целого завода. Во многих видах нагрузки можно увидеть два вида сопротивлений — это активное сопротивление R и индуктивное сопротивление X_L катушек, которые всегда есть в двигателях и трансформаторах. При этом R — это не только сопротивление обмоток и соединительных линий, это главным образом отображение работы, которую выполняет двигатель, и полезная нагрузка во вторичной обмотке трансформатора. Что же касается X_L, то оно, как всякое реактивное сопротивление, мощности не потребляет. Но энергия, которую получает и отдаёт катушка, проходит через R_внт и безвозвратно что-то в нём теряет. Эти потери и отображает косинус угла φ (1), который в конечном итоге определяется токами через R и X_L — чем меньше ток через X_L, тем выше косинус фи (cos φ) и меньше до обидного бессмысленные потери в нагрузке из-за индуктивности обмоток (2, 3, 4). Для повышения коэффициента мощности (косинуса фи) увеличивают время полезной работы двигателей и трансформаторов, а также подключают к ним конденсаторы. У них, как известно, реактивный ток по отношению к индуктивному сдвинут по фазе на 180°, и конденсаторы поэтому могут уменьшить суммарный реактивный ток и связанные с ним потери.

Кто знает, может быть, эти фантастические пока надежды через несколько десятилетий станут работающей реальностью, подумайте о нынешнем немыслимо быстром продвижение вперёд науки и технологий. Ещё каких-то полторы сотни лет назад впервые было обнаружено, что в куске проволоки, который движется в магнитном поле, наводится электрический ток, а сегодня тысячи мощных электростанций, используя это открытие, снабжают мир электричеством — сколько надо, столько бери. Но пока ещё далеко не полностью мы используем другие доставшиеся нам источники энергии, тоже практически бесплатные.

Возьмём, к примеру, огромную работу, которую само по себе просто впустую выполняет притяжение Земли (гравитация), создавая реки и перемещая «сверху вниз» в моря и океаны миллиарды тонн воды. Она берётся с подтаивающих снеговых шапок на горных вершинах или из грозовых туч и тянется вниз, как яблоко, падающее с ветки, или выпущенный из рук камешек. Несколько тысяч лет назад мастеровые люди сообразили, что текущая в реке вода может и полезное дело делать, например, вращать тяжёлые гранитные жернова мельницы. Это изобретение и можно, видимо, считать началом гидродинамики, которая сегодня, например, вырабатывает более 17 % всей электроэнергии, производимой в нашей стране. А в таких гористых и в то же время индустриально развитых странах, как Швейцария или Норвегия, доля гидродинамики заметно больше — около 80 %. И всё это, не забудьте, без затраты топлива.

В наше время отбор энергии у движущейся воды осуществляют гидротурбины, мощные, как правило, агрегаты, чем-то напоминающие паровую турбину и так же жёстко связанные с ротором электрогенератора (Р-91). С учётом регулярного контроля за состоянием турбин, генераторов и другого оборудования ГЭС (гидроэлектростанций), с возможностью его замены либо ремонта, можно считать, что эти станции работают десятки и сотни лет. Любители эффектных вычислений, зная мощность ГЭС, могут при желании подсчитать сэкономленную ею нефть, уголь или иное топливо хотя бы за 10 лет — совершенно ясно, что цифра получится ошеломляющая.

Не нужно, однако, думать о полной бесплатности электричества, получаемого от гидроэлектростанций. Во-первых, на станции работают люди, им нужно платить зарплату, создавать нормальные условия для жизни семьи, в частности, строить жилые дома, школы, находить учителей. Ну а главное, проектирование и строительство гидроэлектростанции — дело сложное и дорогое. Для работы турбогенераторов и получения от них большой мощности необходимо высокое давление воды, а для этого в выбранном месте реки строят высокую и очень прочную плотину. Плотина фактически перегораживает реку, не даёт прибывающей из горных районов воде сразу же продолжать свой путь к морю-океану. Чаще всего высота бетонно-каменной плотины около 90 метров, и за ней, естественно, поднятая плотиной вода затопила огромные территории и образовала целое море, как его называют — «водохранилище». Чаще всего в плотину в нижней её части вмонтированы машинные залы, и в них электрогенераторы, турбины и мощные трубопроводы, которые подводят к ним воду с самого верха, с верхней отметки, до которой поднята вода (верхний бьеф). Вода, стартовавшая высоко наверху, проходит внизу через турбины и, отдав электрическим генераторам свою энергию, выходит на свой нижний уровень (нижний бьеф), с которого она продолжит свой обычный путь к морю или к океану. Чтобы читатель легче представил себе, что может стоять за этим коротким рассказом о гидроэлектростанции, приведём несколько цифр и фактов касательно новой мощной станции на реке Ангаре — Богучанской ГЭС (иногда для краткости её называют БоГЭС.

ВК-206. Этот рисунок напоминает нам о союзе химии и науки об электричестве. Он мог бы появиться в самом начале книги, так как этот союз есть исключительно важная, можно сказать, великая истина, определяющая наши знания о мире, в котором мы живём. Достаточно вспомнить, что электричество есть одна из основ устойчивости атомов и сила, собирающая их в молекулы, из которых состоят все вещества. Химия не может жить без электричества, но и его величие во многом связано с успехами химии.

Р-84. ЭНЕРГИЯ ТЕПЛА — ПЕРВЫЕ ШАГИ ГИГАНТА. Когда-нибудь об этом всё же нужно подумать — люди получают немалую реальную помощь от созданных ими машин и сооружений. Огромные подъёмные краны, 750 миллионов автомобилей, бессчётные заводы и сельскохозяйственные фермы, поезда метро, электронные схемы из двух миллиардов деталей в маленьких, с почтовую марку, чёрных корпусах, океанские лайнеры, благоустроенные квартиры с освещением, водопроводом и центральным отоплением, симфонический оркестр и лучшие голоса мира на небольшом пластмассовом диске, сотни тысяч больших самолётов. Даже не верится, что ещё пару тысяч лет назад человек имел лишь то, что мог добыть силой своих мускулов.

Энергию для нынешнего нашего индустриального могущества в основном получают от тепловых процессов, сжигая для этого ископаемое топливо — нефть, уголь, газ. Использованием этого топлива машинами, превращающими тепло в полезную работу, начали серьёзно заниматься лет триста назад. Во всяком случае первая опубликованная идея паровой машины (1) жившего в Египте греческого математика, инженера и изобретателя Герона Александрийского прождала почти две тысячи лет, чтобы превратиться в мощный тепловой двигатель — в паровую турбину. Она, кстати, уже много десятилетий работает на всех крупных тепловых электростанциях, вращает роторы больших электрогенераторов и участвует в производстве примерно 70 процентов мировой электроэнергии.

Первую работающую паровую машину после десяти лет поисков, переделок, налаживания и проверок построил в 1712 году английский кузнец Томас Ньюкомен при помощи своего друга водопроводчика Джона Коули. В главном паровом насосе давление пара поднимало поршень П1 вверх (2). Затем доступ пара в цилиндр насоса перекрывали, остатки пара конденсировались и в цилиндре оказывалось пониженное давление, как иногда говорят, частичный вакуум. При этом атмосферное давление с силой передвигало поршень П1 вниз (3), и этой силы вполне хватало, чтобы через рычаги переместить вверх поршень П2 водяного насоса и откачать снизу вверх заметную порцию воды. Через некоторое время, познакомившись с реальной работой ньюкоменовского насоса, его стали активно закупать и с его помощью даже ввели в строй ранее затопленные шахты. Но главное, этот насос был первой реально работающей паровой машиной, его создатель не просто высказал соображения в пользу пара, но и показал всем, что пар может работать.

Богучанскую гидроэлектростанцию (БоГЭС) начали строить в 1980 году (подготовительные работы велись с 1978 года) на расстоянии 444 километра от устья реки — впадения Ангары в Енисей, который уходит в Северный Ледовитый океан. БоГЭС строилась на расстоянии 367 километров от уже построенной в 1979 году выше по Ангаре Усть-Илимской ГЭС, близкой к БоГЭС по многим показателям. Первоначально станция БоГЭС должна была иметь среднюю мощность 4 миллиарда МВт (мегаватт), но в дальнейшем проект был скорректирован, и мощность станции будет 3 миллиарда МВт — этого достаточно, чтобы накормить электричеством несколько таких городов, как Тамбов. Среднегодовое производство энергии примерно 18 миллиардов киловатт-часов. Для станции построена железобетонная плотина высотой 87 метров (у Усть-Илимской ГЭС — 105 метров, длина бетонной части плотины около 1,5 километра), вода по огромным трубопроводам поступает в гидротурбины с высоты 67 метров (верхний бьеф). Всего имеется девять таких трубопроводов по числу гидротурбин с электрогенераторами. Создание плотины и подъём воды за ней привели к затоплению больших обитаемых регионов и, естественно, к переселению людей, за плотиной образовалось водохранилище площадью 2326 квадратных километров.

Финансисты подсчитали, что полная стоимость строительства БоГЭС составит примерно 75 миллиардов рублей, из них меньше 5 % согласно контракту заплачено Акционерному обществу «Силовые машины» за разработку и изготовление главных агрегатов станции — девяти гидротурбин с электрогенераторами. Эти агрегаты, кстати, были доставлены в район строительства в основном водным путём через Белое море и Северный Ледовитый океан на специально приспособленном для такого груза судне. Огромные средства ушли на земляные работы, на строительство нового моста через Ангару, обустройство территории предполагаемого затопления, сооружение плотины и шлюзов системы судоходства, обустройство машинного зала и девяти водоводов с уровня верхнего бьефа вниз к девяти гидротурбинам. Кстати, при сооружении девяти таких систем было смонтировано 4330 тонн металлоконструкций и 1700 тонн деталей арматурного каркаса.

И всё же, когда ГЭС начинает работать, большие кредиты, взятые на её строительство, постепенно возвращаются — пользователи всё же платят за энергию, получаемую от станции. Энергия эта оказывается дешёвой, но не бесплатной.

ВК-207. Связь электрических и химических процессов особо важна в живом организме. Так, некоторые рыбы используют полученное в биологических процессах электрическое напряжение 250 вольт для защиты и нападения. По нервным волокнам движутся электрохимические сигналы, несущие различную информацию. С электричеством и химией связаны многие процессы в живой клетке, обеспечивающие, например, пропуск в неё нужных веществ и создание электрических импульсов для связи и мышления.

Р-85. ПАРОВАЯ МАШИНА ПРОИЗВОДИТ ЛЮБУЮ РАБОТУ, ЕСЛИ ЕЁ МОЖНО НАЧАТЬ С ВРАЩЕНИЯ. Англичанин Джеймс Уатт сегодня, пожалуй, известен всем. Его именем названа единица измерения мощности ватт, многие знают, что это он 250 лет назад изобрёл паровую машину, с которой, как считают историки, на планете началась научная и техническая революция, так изменившая жизнь людей. Джеймс Уатт столь высоко отмечен потому, что он не отворачивался от ошибок, чужих и своих. Он добивался глубокого понимания используемых процессов и находил в итоге правильные решения. Этот стиль стал основой жизни людей, открывающих тайны природы и решающих сложные задачи техники. Так случилось, что начиная с 1763 года Уатт занимался усовершенствованием парового насоса Ньюкомена (Р-84). В 1776 году его новая машина была запатентована и построена, она оказалась в два раза эффективнее старой. Однако это было лишь поводом для размышлений, через шесть лет Уатт создал совершенно новый паровой двигатель двойного действия, где атмосферное давление вообще не использовалось. Только пар двигал поршень в цилиндре (диметр 63 см, длина 183 см) то в одну сторону, то в другую, и сама машина, как видно на рисунке, переключала направление парового потока. В те времена проблемы, особенно финансовые, были, видимо, не менее сложными, чем сейчас. И не случайно Джеймс Уатт серьёзно обдумывал российское приглашение на работу, где его ждёт «занятие, сообразное с его вкусом и знаниями» и годовая зарплата 1000 фунтов стерлингов. Однако в Россию он не поехал — вскоре на крупном лондонском пивоваренном заводе заработал новый уаттовский двигатель, который делал то, что раньше делали 24 лошади. Теперь все могли видеть, что такое надёжная и неприхотливая паровая машина. Это было началом быстрого внедрения паровых двигателей, придуманных Дж. Уаттом, во все практически отрасли индустрии — от пароходов и паровозов до мощных генераторов на электростанциях.

Т-175. Ядерная энергия создаёт электрическую энергию в основном с помощью старого проверенного мастера. В недавнем 2010 году из всей произведённой в России электроэнергии 65 % пришлось на тепловые электростанции (состыкованные с электрогенераторами мощные паровые турбины, а иногда и газовые), около 18 % на гидроэлектростанции (ГЭС) и примерно 17 % на атомные электростанции (АЭС). Такую пропорцию можно считать типичной для индустриальных стран, хотя, конечно, есть исключения и весьма заметные. Так, например, в Бельгии, Украине и Словакии доля АЭС в производстве электрической энергии около 50 %, во Франции более 70 %, а в Германии, где АЭС производят почти треть электроэнергии, решено в ближайшие годы вообще закрыть все атомные электростанции и новых не строить. И всё же три названных направления — тепловые, гидро- и атомные станции — можно считать основой производства электрической энергии в мире. О тепловых электростанциях и ГЭС уже было коротко рассказано, остаётся сказать несколько слов об атомной электроэнергетике.

Начнём с того, что к самому этому давнему названию «атомные электростанции» надо сделать два серьёзных примечания. Во-первых, отметим, что прав тот, кто те же станции называет не атомными, а ядерными. Потому что первичную энергию на них получают не из атомных процессов, в которых в основном участвуют электронные оболочки атомов. Первичную энергию на АЭС получают из ядерных процессов, из развала ядер некоторых специально подобранных элементов, в частности, из плутония или из одного из изотопов урана (уран-235, в его ядре 235 тяжёлых частиц — 92 протона, как всегда в уране, и 143 нейтрона). При распаде уранового ядра, например, на 2 ядра железа по 26 протонов в каждом плюс более мелкие осколки ядра и нейтроны, выделяется большая по атомным масштабам энергия. А появившиеся свободные нейтроны поддерживают процесс, разрушая другие ядра. Процессом этим можно управлять так, чтобы не развивалась и не усиливалась цепная реакция распадов (как в бомбе), а чтобы выделение энергии оставалось на безопасном уровне.

Второе примечание напоминает, что сама атомная (ядерная) установка, давшая имя всей электростанции, — это реактор, в котором происходит распад ядер и выделяется тепло. Его переносчики — частицы, появившиеся при распаде, они летят с большой скоростью и благодаря этому имеют немалую энергию. Ну а дальше следует то, что нам уже в общем виде знакомо: паровой котёл, паровая турбина, вращающая ротор электрогенератора. Так что АЭС — это, по сути, два самостоятельных ведомства: источник тепловой энергии атомный реактор и уже знакомая нам тепловая электростанция, умеющая превращать тепло в электрическую энергию.

ВК-208. Человек строит разного рода модели, подробно отображая в них то, что в данный момент его занимает. Но особо важно, что своего рода копии этих моделей каким-то образом появляются в мозге. Думая о них, работая с ними, человек не только на бумажном листе, но и в своих мыслях занимается тем, что его волнует. Создание модели и возможность детального её обдумывания как раз и приводит к замечательным открытиям и к созданию предметов и процессов, ранее казавшихся невозможными. В начале прошлого века на электростанциях поршневую машину начали вытеснять паровые турбины, ставшие основным двигателем в электроэнергетике. В последние годы им на помощь приходят мощные газовые турбины.

Р-86. ДВА-НОЛЬ В ПОЛЬЗУ ТУРБИНЫ. Паровые турбины начали создавать, в том числе и русские мастера, примерно в то же время, что и паровые двигатели. Современного типа турбины появились в конце позапрошлого века, в 1883 и в 1889 годах. Принцип их действия достаточно прост — струя пара ударяет по лопастям (лопаткам) турбины, закреплённым на её рабочем колесе. Под действием этих паровых ударов колесо быстро вращается вместе с осью, на которой оно закреплено, — турбина работает (1). Первая приведённая дата относится к появлению турбины шведского изобретателя Густафа Лаваля. В ней было одно рабочее колесо с лопатками и несколько пароподводящих трубок, пар, выходил из сопла каждой со скоростью около 800 метров в минуту, а в некоторых режимах со сверхзвуковой скоростью. Рабочее колесо при этом вращалось со скоростью до 30 тысяч оборотов в минуту. Вторая дата относится к тому, что английский инженер Чарлз Парсонс продемонстрировал 300 своих паровых турбин разной мощности, работающих с электрогенераторами. А еще через 11 лет большая электростанция, построенная в Германии, была полностью укомплектована мощными турбинами Парсонса. В каждой из них было несколько рабочих колёс, размер которых постепенно уменьшается. Пар, проходя через всю турбину от самого большого колеса к самому малому, отдавал лопаткам практически всю свою энергию. Турбины именно такого типа работают сегодня на электростанциях во всём мире.

Несколько лет назад у паровых турбин появился умелый помощник — газовая турбина (2). В ней всё практически такое же, как и в паровой, но только лопатки на рабочих колёсах подталкивает не пар, а газ, появившийся при быстром сжигании топлива (как в автомобиле), например керосина или природного газа. Одно из особых достоинств газовой турбины — её, в отличие от тепловой, можно быстро запустить.

Когда появились первые электростанции, то ротор электрогенераторов вращали поршневые паровые машины, и считалось, что это хорошо. Сейчас на тепловых электростанциях работают паровые и газовые турбины, некоторые из них производители продают с гарантией на 100 000 часов непрерывной работы, а это как-никак более 11 лет.

Т-176. Отряд догоняющих — солнечная энергия, ветер, земное тепло, Луна. Согласно статистике, 99 % всей электроэнергии в нашем мире производится на тепловых (ТЭС), гидро- (ГЭС) и атомных (АЭС) станциях. Как говорят сами названия этой тройки, электрическую энергию она создаёт за счёт сжигания различных видов топлива, за счёт энергии мощных потоков воды и за счёт процессов деления атомных ядер. Оставшийся 1 % приходится на долю, как их часто называют, альтернативных источников энергии (от латинского слова «альтер» — «совсем другого типа, нетрадиционный», в данном случае не такой, как основные поставщики электроэнергии). Сейчас мы коротко напомним о тех, альтернативных источниках энергии, которые стремятся догнать кого-нибудь из тройки основных производителей электричества.

Не пытаясь искать справедливую очерёдность, начнём с солнечного излучения (начнём с него и кончим им же — нечто особо важное и интересное о солнечных лучах будет сказано в конце этого раздела). Для нас, землян, солнечное излучение, как источник энергии, отличается тем, что о нём не нужно подробно рассказывать словами, достаточно привести одну цифру: если рядом с нашей планетой выделить перпендикулярную солнечным лучам площадку площадью 1 квадратный метр (например, квадрат со стороной 1 метр), то этому участку достанется мощность солнечного излучения 1,367 киловатта. Это довольно много, почти полтора киловатта, такой мощности достаточно, чтобы одновременно работали холодильник, телевизор, компьютер и ещё десяток довольно ярких электролампочек. Это очень много, 1,367 киловатта, если учесть, что мы находимся довольно далеко от Солнца, расстояние между нами 150 миллионов километров. На самой Земле, разумеется, можно получить среднюю мощность солнечного излучения почти в 2–3 раза, а то и в 5-10 раз меньше солнечной постоянной. Во-первых, потому, что Земля — шар, который вращается вокруг собственной оси, и в среднем 12 часов в сутки световая мощность, попадающая на затенённую (ночную) территорию, практически равна нулю. Во-вторых, даже в полдень мощность, близкая к солнечной постоянной, достаётся лишь экваториальным районам, и при движении к полюсам она убывает, в какое-то время года до нуля. Ну и, в-третьих, атмосфера, в основном облаками и тучами, заметно снижает солнечную энергию, добравшуюся к Земле.

ВК-209. Это было давно, но не очень: в 1837 году Морзе изобрёл свой телеграфный аппарат и через год придумал для него азбуку, применяемую поныне (азбука Морзе). А еще через 6 лет на этой основе начала работать первая американская линия электросвязи протяженностью несколько десятков километров. В те времена электричество ещё не очень было известно, и у него были явные конкуренты — звуковая и оптическая связь. Но выбор делали люди, сумевшие понять плюсы электричества, в том числе для связи.

Р-87. РАЗГРУЗКА БЕЗ ГРУЗЧИКОВ. Согласно статистическим таблицам, российская энергетика вырабатывает 15 % электроэнергии на гидроэлектростанциях, почти столько же на атомных и основное количество, а именно 70 %, на тепловых станциях, которые производят электричество, сжигая органическое топливо — нефтепродукты, природный газ, уголь. Уже много лет идут разговоры о том, что подземные запасы этого топлива не безграничны. Первой заставляет тревожиться нефть, разведанных запасов которой при нынешнем потреблении 3,8 миллиарда тонн в год хватит на 40 лет. Причём за последние 35 лет потребление нефти выросло в 1,5 раза. Несколько лучше пока обстоит дело с природным газом, его разведанных запасов должно хватить на 100 лет. Ну а запасов угля может быть достаточно лет на 200, хотя иногда публикуют более крупные цифры и даже намного более крупные. В то же время за углём, в основном из прошлого, тянется какой-то чёрный шлейф, в который вплетены трудное и опасное добывание угля в глубоких шахтах, нередкие аварии на них, тяжкая и грязная работа людей с углём и шлаком там, где этот уголь сжигают. Можно только гордиться тем, что на наших электростанциях, работающих с углём, уже давно поняли, что на всех участках этого огромного производства должна работать современная техника, в основном оставляющая человеку функции контроля и управления. На рисунке схематично показана система автоматической разгрузки вагонов с углём, уже давно применяемая на многих станциях. Вагон на короткое время выделяют из состава, с которым он прибыл, автоматы точно устанавливают его в поворотную раму (1) и закрепляют, затем рама поворачивается более чем на 90 градусов и весь уголь высыпается на ленту проходящего рядом транспортера (4). Посмотришь на сохранившиеся старые снимки, где замученные грязные работяги, в основном женщины, тащат к топкам корзины с углём или волокут на свалку корзины шлака, и ясно видишь, что на новые электростанции пришли не только новые машины и технологии, но и нечто более важное — человеческое отношение к человеку.

И всё же тяга к бесплатной энергии так сильна, что в экваториальной полосе шириной 500-1000 километров пытаются создавать опытные пока солнечные электростанции (СЭС), которые в среднем за год давали бы в электрическом виде 6–8 % солнечной постоянной, то есть примерно от 80 до 100 ватт с каждого квадратного метра светоприёмников, расположенных примерно на уровне земли. Одно из главных достоинств солнечной электроэнергетики в том, что в качестве светоприёмников она может использовать фотоэлементы, которые сразу превращают световую энергию в электрическую. Сегодня у серийных кремниевых фотоэлементов к.п.д. примерно 30 %, то есть, получив 100 ватт световой мощности, они выдают постоянный ток мощностью до 30 ватт, остальные 70 ватт в основном превращаются в ненужное в данном случае тепло. Если учесть все виды потерь (из-за ночной темноты, утреннего и вечернего снижения освещённости и, наконец, в самом фотоэлементе), то окажется, что на земле с квадратного метра покрытой фотоэлементами поверхности можно в лучшем случае получить 80-100 ватт электроэнергии, о которых уже говорилось. То есть чтобы получить мощность, близкую к той, что даст Богучанская ГЭС (Т-174), нужно иметь покрытую фотоэлементами площадь не меньше, чем 30 квадратных километров, например, прямоугольник размером 5х6 километров. Это во много раз меньше, чем дополнительно было забрано территории для водохранилища Богучанской станции, но это «во много раз меньше» всех проблем солнечной энергетики никак не решает. От фотоэлементов мы получаем постоянный (одного направления) ток, а нам нужен переменный ток с частотой 50 герц, чтобы солнечную электростанцию можно было включить в общую электросеть, от которой кормится вся страна. Выполнить необходимое преобразование постоянного тока в переменный при большой мощности — задача непростая. А тут ещё огромная площадь фотоэлементов, которые, во-первых, пока ещё очень дороги и, во-вторых, их чуть ли не целый день нужно чистить и мыть — панели фотоэлементов довольно быстро покрываются пылью, резко ухудшающей их светочувствительность, а значит, и к.п.д. Ну а кроме того, солнечная электростанция основную свою энергию даёт ближайшим соседям в такое время, когда она не очень-то нужна — пик нагрузки наблюдается утром, когда народ отправляется на работу, и вечером, когда люди возвращаются домой. В это время станция получает мало солнечной энергии или не получает её совсем. Это значит, что на станции должен быть мощный накопитель энергии, например в виде сверхмощной аккумуляторной батареи огромной ёмкости.

ВК-210. Чтобы рассказать о современном применении электроники, нужна книга побольше этой. Представлять себе такое применение начали, видимо, после 1910 года, когда уже прижилась электронная лампа. Затем последовали ещё два серьёзных события, резко расширившие возможности электронных технологий. Это появление транзисторов, позволивших вместо электронной лампы использовать кремниевую песчинку. И это интегральная — блок из миллиона деталей размером с почтовую марку.

Р-88. ВСЁ ТО ЖЕ САМОЕ, НО ПЕЧКА СОВСЕМ ДРУГАЯ. Человеку, который впервые знакомится с атомной электростанцией, полезно знать, что часть её — это обычная тепловая электростанция, которую можно увидеть в сотнях других городов. Это паровой котёл и паровая турбина, ось которой (иногда её называют вал) жёстко соединена с осью (с валом) электрогенератора. А вторая часть атомной электростанции, к которой собственно и относится слово атомная, — это источник тепла. Он делает то же, что и паровой котёл с топкой, — снабжает паровую турбину паром. Но на атомной электростанции котёл есть, а топки нет, и тепло даёт не горение, а ядерные реакции. Две цифры могут проиллюстрировать один из результатов такой замены — чтобы получить 10 кубометров работающего пара, нужно сжечь 100 килограммов угля или использовать энергию, которая выделяется при распаде атомов 20 граммов урана.

В списке достоинств атомной электроэнергетики много серьёзных разделов. Реакторы, например, в отличие от тепловых станций, не делают вредных выбросов в атмосферу и не потребляют кислорода. Но есть список недостатков атомных электростанций, на первом месте в нём несовместимость некоторых элементов станции с существованием биологических объектов. На любой атомной станции сделано всё необходимое для защиты обслуживающего персонала и ведётся жесткий контроль за состоянием среды, где находятся люди. В частности, деление ядер происходит в надёжно отгороженном пространстве по имени реактор. А основную часть тепла отбирают потоки теплоносителя (например, воды) первого контура, который с открытыми агрегатами станции не связан. Из него тепло «без касания» поступает во второй контур теплоносителя, и уже в нём создаётся пар, поступающий в паровую турбину.

Теперь должно быть понятно, почему рабочие проекты очень мощных электростанций, использующих бесплатную солнечную энергию, пока не созданы, хотя идеи в этой области существуют и активно обсуждаются. Пока реальными считают средние СЭС мощностью несколько мегаватт (несколько тысяч киловатт) для питания небольшого посёлка, например, курортного или туристического комплекса. Такие станции в порядке эксперимента построены и исследуются в Германии (восемь станций), Испании, США, Португалии, Израиле, Италии, Канаде и других странах. Примечательно, что в числе этих станций несколько башенных — установленные на земле десятки больших металлических зеркал-рефлекторов собирают солнечное излучение и направляют его на вершину башни, где находится светоприёмник. Часто это теплообменник парового котла, который по трубопроводу посылает пар вниз, на землю, в машинный зал, к серийной паровой турбине с электрогенератором привычного переменного тока. Особое внимание сейчас привлекают маломощные солнечные электростанции, в частности, мощностью от 1 до 20 ватт. Они могут использоваться для электропитания небольшого личного дома или нескольких таких домов. Ввиду сравнительно небольшой мощности станции для неё легко сделать аккумуляторный накопитель энергии и применить отработанный серийный инвертор — электронный блок, который превращает постоянный ток в стандартный переменный ток (напряжение 220 вольт, частота 50 герц), на который рассчитаны все наши электроприборы — от рядовой электролампочки до компьютера или холодильника. Особо большой подарок, который получили создатели небольших световых электростанций (их даже неудобно называть электростанциями, всё оборудование занимает небольшой уголок в гараже), — это плёночные фотоэлементы. У них к.п.д. немного меньше, чем у кремниевых, но и цена во много раз ниже. Кроме того, светочувствительную плёнку можно легко разметить на любой поверхности, например на стенах и крыше дома. Уже и создатели крупных станций включают в свои проекты тонкоплёночные фотоэлементы.

ВК-211. Электрические сигналы делят на две группы. Первая — аналоговые сигналы, они как бы копируют исходный сигнал иной природы, например звук, создают его электрический аналог (копию). Цифровые сигналы — это тоже электрическое описание «чего-либо», например звука, но уже с помощью кода. Каждому значению «чего-либо» присвоен определённый код, например, из знаков 0 и 1. И тогда вместо копии «чего-либо» передаётся электрический поток знаков 1 и 0, описывающих эту реальность.

Р-89. УПАКОВАННОЕ В ТРУБКИ ТОПЛИВО ДЛЯ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА ПРИХОДИТ С ЗАВОДСКИХ КОНВЕЙЕРОВ. Первая в мире атомная электростанция мощностью 5 МВт (1 мегаватт = 1000 киловатт) была построена в Калужской области вблизи города Обнинск и начала работать в июне 1954 года. А через полвека в мире было уже около 440 крупных атомных электростанций с общей мощностью 374 ГВт (1 гигаватт = 1000 МВт = 1000 000 кВт), то есть в 75 000 раз больше, чем у первой станции. Новые станции производили в США 830 кВт-часов электроэнергии в год, во Франции — 440, в Японии — 260, в России — 160, в Южной Корее — 142, в Германии — 140. Столь быстрое продвижение атомной электроэнергетики прежде всего, видимо, объясняется тем, что с самого начала для неё были тщательно продуманы и стандартизованы инженерные решения, оптимальные для большой индустрии. Возьмём, к примеру, столь сложные процессы, как загрузка в реактор изотопов урана или плутония, отдающих энергию при их распаде, и в конце рабочего цикла разгрузка реактора. Эти проблемы достаточно просто решены с помощью тепловыделяющих элементов, которые так и называются ТВЭЛ — тепловыделяющий элемент. Он представляет собой достаточно длинную тонкую металлическую трубку — её диаметр около сантиметра, длина 3 м 83 см, а длина всего ТВЭЛа на 7 миллиметров больше. Основное место в трубке занимает прижатый пружиной столб герметичных металлических таблеток, его длина 3 м 53 см. В таблетках, в зависимости от типа реактора, находится уран, плутоний или их определённые соединения с другими элементами. Конструкция ТВЭЛов рассчитана на изготовление в заводских условиях, в основном на автоматических линиях, как говорится, без прикосновения человеческой руки. Точно так же на самой станции роботы устанавливают ТВЭЛы и снимают их по окончании цикла не менее чем через несколько месяцев. О том, насколько удачной оказалась принятая в своё время система подачи топлива в реактор, говорит, в частности, то, что российская компания «ТВЭЛ» поставляет топливо для 80 крупных реакторов, что составляет 17 % мирового рынка.

Ну и, наконец, о самом оптимистичном явлении в непростом деле превращения бесплатного света в работающее электричество. Не просто появились, а стали уже рядовым явлением микромощные потребители электрической энергии, для питания которых вполне хватает того, что даёт прямоугольная пластинка из четырёх фотоэлементов общим размером 28 на 8 миллиметров. Эта световая «электростанция» даже в не слишком светлой комнате превращает попавший к ней свет в электричество, которого вполне достаточно для нормальной работы электронного калькулятора или небольшого радиоприёмника. Это символ, который напоминает: пропадающая пока энергия солнечного света ещё поработает в электрическом цехе мировой технологии.

У другого бесплатного альтернативного источника энергии для электростанций, у ветра, несмотря на совершенно иную физическую природу и происхождение, те же в основном главные проблемы, что и у солнечного света, пролетевшего 150 миллионов километров от Солнца к Земле. Ветер хотя и не имеет ночного перерыва, но он тоже заметно меняется. И для него тоже нужна память, например аккумуляторы, которые всегда будут выдавать постоянный ток, а ветрогенератор лишь будет их подзаряжать, когда меньше, когда больше, но в среднем нормально, достаточно. Кроме того, ветрогенератору нужен инвертор, чтобы включить этот генератор в общую сеть страны с переменным током, имеющим частоту 50 герц. Инвертор нужен и для того, чтобы постоянное напряжение от аккумуляторов, подзаряжаемых ветрогенератором, превратить в стандартное переменное напряжение (220 вольт, 50 герц) и передать его через местную сеть пользователю. Эти пояснения позволяют вам сделать вывод: ветрогенераторы в основном бывают двух видов. Во-первых, это сравнительно большие и мощные машины, которые, как и другие электростанции, включаются в общенациональную электросеть. И во-вторых, это сравнительно небольшие и совсем небольшие генераторы, которые снабжают электричеством удалённый посёлок или даже отдельный дачный дом.

ВК-212. Настал момент отметить, что есть элементы схемы, у которых график зависимости тока от напряжения — прямая линия, их и называют линейными. И есть элементы, у которых график этой зависимости — ломаная или изогнутая линия, это нелинейные элементы. Линейные элементы нужны в усилителях, через них сигнал должен пройти без искажений. А нелинейные элементы обязательно применяют там, где нужно исказить сигнал, изменить его спектр, получить новые синусоидальные составляющие.

Р-90. УЗАКОНЕННЫЕ КОМПЛЕКТЫ ГЛАВНЫХ ДЕЙСТВУЮЩИХ СИЛ. Ещё один пример продуманной и проверенной системы в атомной энергетике — четыре комплекта теплоносителя и замедлителя нейтронов (А, Б, В, Г). Все они позволяют реактору устойчиво работать и оперативно, в том числе с помощью автоматики, регулировать свой режим.

Примерно две тысячи лет назад человек начал использовать энергию ветра для вращения тяжёлых мельничных жерновов. А 120 лет назад в Дании была построена первая электростанция, где ротор генератора приводился в движение энергией ветра. Несколько десятилетий ветроэнергетика развивалась активно и успешно, а затем наступило затишье, и интерес к ветроагрегатам вновь появился всего лишь 20–30 лет назад. Сейчас некоторые страны далеко продвинулись вперед в этой области — в Дании, например, в 2009 году 20 % всей электроэнергии произвели ветрогенераторы, в Португалии — 16 %, в Ирландии — 14 %, в Испании — 13 %, в Германии — 8 %. Французы планируют к 2020 году построить ветроэлектростанции общей мощностью 25 000 мегаватт, из них на ветрогенераторы, поставленные в прибрежных морских водах, придётся 6000 мегаватт, а это две такие станции, как Богучанская ГЭС. Ещё один альтернативный источник энергии — тепло Земли. Напомним, что мы с вами живём, выращиваем хлеб, строим дома и электростанции на сравнительно тонкой наружной твёрдой оболочке нашей планеты, на так называемой земной коре. Её толщина от 6 (под океанами) до 30–50 километров. Если мысленно двигаться вглубь Земли, то за корой следует сначала твёрдая и горячая, а затем вязкая и очень горячая мантия и, наконец, земное ядро, температура которого, возможно, доходит до 7000 градусов. Центр планеты находится на расстоянии 6371 километра от её поверхности.

В некоторых местах большие внутренние области земной коры прогреваются теплом мантии настолько, что, пробурив скважины глубиной 200–500 метров, можно получить из них горячую воду и даже воду с горячим паром, который в итоге прекрасно работает в сравнительно небольших паровых турбинах. Так, например, на Камчатке, в районе реки Паужетки, из 20 пробуренных разведочных скважин геологи отобрали две, и на них в дальнейшем была построена электростанция с двумя паровыми турбогенераторами по 2,5 мегаватта каждый. Этой мощности вполне хватило для снабжения электричеством окружающих поселений. Энергию Паужетской ГеоТЭС, разумеется, даёт бесплатное подземное тепло, в числе его достоинств и то, что источник этот будет надежно работать долгие годы.

Само появление горячей воды в некоторых холодных районах известно давно, достаточно вспомнить гейзеры, бросающие вверх струю горячей воды в заснеженных районах Камчатки или Исландии. Но вот оказалось, что тепловую энергию для не очень больших электростанций можно найти под землёй и в тех районах, где никто и не думал об этом подземном источнике тепла. Говорят, что в Западной Сибири, где гейзеров никто в глаза не видел, обнаружено огромное подземное море с температурой воды 70–90 градусов. В 2010 году общая мощность электростанций, получающих электричество за счёт энергии подземного тепла, составила почти 11 тысяч мегаватт, из них в США — 3 тысячи, на Филиппинах — 2 тысячи, в Индонезии — 1,2 тысячи, в Италии — 843, в Исландии — 575, в Сальвадоре — 204, в Кении — 167, в России — 82, в Турции — 82, в Китае — 24, во Франции — 16, в Австрии — 1,4 мегаватта.

Последний в нашем коротком списке источников альтернативной энергии для электростанций — наш природный спутник Луна. Как известно, Луна вращается вокруг Земли и делает полный оборот вокруг нашей планеты примерно за 28 дней. При этом Земля продолжает, как всегда, вращаться вокруг своей оси, и благодаря этому Луна каждые сутки проходит над всей земной поверхностью.

ВК-213. Первая электронная лампа — электровакуумный диод — появилась в начале прошлого века и особой сенсации не вызвала. Она не хуже уже созданных твердотельных диодов пропускала ток только в одну сторону, имела, естественно, нелинейную характеристику и большое сопротивление при отрицательном напряжении на аноде. Прямой ток в диоде (на аноде «плюс») создавали свободные электроны, они появлялись в районе катода, выскакивая из него при сильном нагреве небольшой накальной батареей.

Р-91. СУТКАМИ, НЕДЕЛЯМИ, ГОДАМИ БЕСПЛАТНО РАБОТАЮТ НА НАС ТРИЛЛИОНЫ ТОНН ПАДАЮЩЕЙ ВОДЫ. Слово «бесплатное» в данном случае, конечно, некоторое преувеличение — падающая вниз вода действительно работает бесплатно и нефть или уголь не нужно возить на электростанцию эшелонами. Но строительство гидростанции (ГЭС) плюс оплата грамотной команды и абсолютная защита от маловероятного, но всё же возможного развития событий, стоят недёшево. Достаточно вспомнить недавнюю аварию на Саяно-Шушенской станции или прорыв китайской плотины Баньцяо на реке Жухэ, из-за чего были затоплены огромные территории и погибло 170 тысяч человек. Проектировать такие системы и управлять ими нельзя, как привычной старой керосинкой, сложная техника требует иной организованности, порядка и дисциплины. И иных затрат.

Сегодня в мире более 20 процентов всего электричества вырабатывают ГЭС. Есть страны, например Швеция, Норвегия, Канада, Исландия и другие, где ГЭС вырабатывают в несколько раз большую часть энергии, а в Парагвае она вообще составляет 100 процентов. По принципу действия почти все ГЭС очень похожи. Мощная, чаще всего бетонная плотина перегораживает реку и заметно, часто на 60–70 метров, поднимает уровень воды, которая будет работать в турбинах (на Саяно-Шушенской ГЭС высота плотины 245 метров). Пройдя путь от верхнего бьефа до нижнего и, набрав большую энергию, поток воды вращает гидротурбину и вместе с ней ротор электрогенератора. Он за счёт электромагнитной индукции создаёт напряжение, которое, пройдя мощные трансформаторы, отправляется к потребителю.

Мы привыкли считать Луну сравнительно небольшим небесным телом, она действительно меньше Земли — по диаметру раза в два, по массе примерно в девять раз. Но всё же это два больших космических тела с огромной массой (Земля 600 миллионов триллионов тонн, Луна 70 миллионов триллионов тонн), и они достаточно энергично взаимодействуют своими гравитационными силами. Так, именно за счёт гравитационного притяжения к Земле Луна не уходит со своей орбиты и много лет движется по привычной дорожке вокруг Земли.

Астрономы определили, что Земля наша сформировалась примерно 4,8 миллиарда лет назад, вскоре и Луна появилась на своей орбите. За столь большой отрезок времени (почти 5 миллиардов лет — огромное время!) суммировались какие-то мелкие события и из-за этого происходили заметные изменения скорости вращения Земли и положения лунной орбиты. Но мы не будем сейчас подробно говорить об этом и обратим своё внимание на конечный результат, связанный с получением энергии, которая необходима электростанциям. А результат этот таков: Луна, двигаясь над земной поверхностью (фактически движется, то есть вращается, Земля, а Луна за сутки проходит лишь 3,6 % своей круговой орбиты), гравитационным притяжением старается хоть сколько-нибудь поднять то, что находится под ней. В итоге у берегов океанов и открытых морей заметно поднимается уровень воды, а примерно через 12 часов он становится предельно низким, ниже, чем бывает без влияния Луны. Эти явления уже давно получили наименования приливы и отливы. Важно отметить, что у Луны хватает сил, чтобы поднять воду лишь на 30–40 сантиметров, это показали измерения, сделанные в открытом море. Но благодаря влиянию берегов и прибрежного дна уровень воды при приливе кое-где оказывается выше, чем при отливе на 8, 12 и даже на 18 метров.

После сказанного, думается, уже ясно, что нужно делать. Во-первых, нужно найти на берегу место с хорошим соотношением уровней воды прилив-отлив. Затем необходимо отгородить это место плотиной и во время прилива легко пропускать через неё воду в водохранилище. Когда прилив закончится, нужно выпускать воду из водохранилища в море, но выпускать её через гидротурбины, которые введут в действие электрогенераторы. В итоге мы получим уже знакомую нам гидроэлектростанцию, которую так и называют — приливная ГЭС. Кто-то раскопал, что первая приливная ГЭС мощностью 635 киловатт была построена еще в 1913 году в Великобритании, недалеко от Ливерпуля. Но первой всё же считают крупную станцию «Ля Ране» мощностью 240 мегаватт (240 тысяч киловатт), построенную французами в 1968 году. Через два года дала ток вторая в мире, на этот раз русская приливная станция мощностью 1,7 мегаватта, построенная дешёвым наплавным методом в заливе Кислая губа в Баренцевом море. Станция наверняка заработала бы лет на пять раньше, если бы вдохновителю и организатору всего этого дела Льву Борисовичу Бернштейну не пришлось преодолеть столько бессмысленных противодействий бюрократов и скептиков. Сейчас в мире уже довольно много приливных станций, в том числе и широко известных, таких, скажем, как канадская «Аннаполис» мощностью 20 мегаватт и южнокорейская «Шива Лейк» мощностью 254 мегаватта. Есть и готовые проекты, в том числе российские, для будущих станций на 8000 и на 87 ООО мегаватт в северных морях. Специалисты по защите природы подсчитали, что в морях и океанах нашего мира есть возможность построить приливные электростанции, суммарная мощность которых в 5000 раз превысит все мировые потребности в электричестве. Может быть, в этих расчётах и есть какие-то ошибки, но, думается, не в 5000 раз.

ВК-214. Настоящую революцию в радиоэлектронике совершила трёхэлектродная лампа — вакуумный триод. Появилась она в 1907 году, когда инженер Ли де Форест на пути электронов в диоде поставил сетку и стал подавать на неё слабые сигналы. При изменении напряжения на сетке она помогала или препятствовала движению электронов к аноду — управляла анодным током. Сигнал на сетке, управляя анодным током, создавал в анодной цепи свою мощную копию — триод усиливал слабые сигналы.

Р-92. ТРИ НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТУПАЮТ С ТРЁХ ОБМОТОК, СОЕДИНЁННЫХ ВНУТРИ ОДНОГО МОЩНОГО ГЕНЕРАТОРА. В основном тексте книги рассказано о том, почему в мощных генераторах обмотки, в которых наводится э.д.с., расположены в статоре, а в роторе вращается электромагнит, который и наводит э.д.с. в этих обмотках. Кроме того, нужно отметить, что уже давно в основном используют так называемые трёхфазные системы переменного тока. Поэтому в современных генераторах, особенно в мощных, в статоре равномерно по кругу расположены три отдельные обмотки, с которых можно получить три отдельных независимых напряжения (1) и вывести их из генератора шестью проводами. Однако эти обмотки соединяют внутри генератора и так, что наведённые напряжения можно вывести с помощью четырёх или трёх проводов. В первом случае соединение обмоток называется «звезда» (2, 4), во втором случае — «треугольник» (3, 5). Каждая из этих систем имеет свои особенности, существенные, в частности, для получателя электроэнергии (Р-93).

Настал момент выполнить обещание, данное читателю в самом начале, — ещё несколько слов про солнечный свет. Большая часть энергии, которую сегодня использует человек, подарена нам Солнцем.

Уголь, нефть, бензин, газ — это выращенные когда-то Солнцем растения, которые миллиарды лет консервировались в подземных кладовых. Вода морей и океанов благодаря Солнцу испаряется, сбирается в тучи, а затем дождями падает вниз и создаёт реки, которые вращают турбины наших гидроэлектростанций. Специальные живые клетки практически всех растений имеют свои собственные молекулярные солнечные «электростанции», которые в сложном химическом процессе по имени фотосинтез добывают и преобразуют энергию из мельчайших её солнечных порций. За счёт этих преобразований в итоге растёт и развивается всё живое на Земле. Обо всех этих изумительных творениях природы полезно вспоминать, когда пытаешься широко использовать её находки или планируешь расширить её арсенал работы с энергией.

Т-177. Электростанция в чемодане и даже в кармане. Бывают ситуации, когда нельзя или невыгодно получать энергию от мощной межрайонной станции, например, в очень удалённом от неё небольшом таёжном посёлке или на дальней зимовке метеорологов. Кроме того, очень часто нужно иметь свой собственный, автономный электрогенератор, как, например, для питания бортовой сети самолёта или в качестве резерва на станции неотложной медицинской помощи. На этот случай существуют электрогенераторы небольшой и очень небольшой мощности со своим запасом топлива.

В последние годы широко применяются небольшие передвижные электростанции, обычно мощностью от 0,5 до 10 кВт, с приводом от бензинового двигателя. Их автоматика поддерживает параметры переменного тока (220 В, 50 Гц или 110 В, 60 Гц) настолько хорошо, что к станции спокойно подключают не только холодильник или осветительные приборы, но также телевизор, видеомагнитофон и компьютер.

Электрогенератор малой мощности, кстати, есть в каждом автомобиле, через ременную передачу его приводит в движение сам автомобильный двигатель, затрачивая на это пару процентов своей бензиновой мощности. Генератор необходим для подзарядки стартового аккумулятора, и кроме того он участвует в питании всей автомобильной электросети — от освещения до зажигания. Аккумулятор, разумеется, нужно заряжать постоянным током, и ещё недавно в автомобиле работал генератор постоянного тока с коллектором, угольными щётками, вибрационными регуляторами напряжения — оно должно оставаться неизменным. Сейчас монополистом стал более простой и более надёжный генератор переменного тока с полупроводниковым выпрямителем и встроенным транзисторным регулятором напряжения.

Небольшие электрогенераторы с ручным приводом входили в комплект некоторых военных радиостанций для разведчиков — на случай если где-нибудь в тылу врага закончатся батареи. Множество подобных маленьких электрических машин, вращаемых мускульной силой, можно увидеть на велосипедах, их электрическая фара позволяет даже ночью пользоваться этим замечательным транспортом. И совсем уже миниатюрная, но вполне настоящая электростанция — безбатарейный карманный фонарик. Чтобы он давал свет, нужно 30–40 раз в минуту сжимать кулак и с помощью системы рычагов вращать ротор электрогенератора. Его мощность всего 0,2 ватта, рукой много не наработаешь.

ВК-215. Через сорок лет после появления трёхэлектродной лампы был создан усилительный полупроводниковый триод — транзистор. Он мог иметь структуру р-n-р или n-р-n, а значит, всегда имел два pn-перехода. Его зоны называются «эмиттер» (выбрасывающий), «база» и «коллектор» (собирающий). Эмиттерный pn-переход включён в прямом направлении и легко поставляет заряды в базу. Просочившись сквозь неё, они попадают в коллекторный переход и участвуют в создании сильного коллекторного тока.

Р-93. ВМЕСТО ОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ БЕЗ ВСЯКИХ ПРОБЛЕМ ПОЛУЧАЕМ ДВА РАЗНЫХ. Потребитель, как правило, получает электроэнергию с понижающего трансформатора, обслуживающего большой многоквартирный дом или несколько дачных домиков (в этом случае трансформатор часто висит на столбе). Вторичная обмотка такого трансформатора, как правило, имеет три секции, соединённые звездой, и получателю энергии её можно направить с одной из этих секций — с одной из фазовых обмоток. В квартиру или в дачный дом при этом входят два провода с одной из фазовых обмоток и общий, вводится, как принято говорить, одно из трех фазовых напряжений U_ф (1). В случае если каким-то аппаратам или машинам необходимо более высокое напряжение, например мощной газовой плите или подъёмной машине лифта, то к ним от того же трансформатора можно подвести линейное напряжение U_л (2), которое почти в два раза (точнее в 1,7 раза) больше фазового.

Т-178. Аккумулятор и гальванический элемент — не кладовка, а химический комбинат. В каком-то смысле аккумулятор или гальванический элемент делают то же самое, что и хорошо знакомый нам конденсатор, — накапливают электрические заряды на двух специальных деталях, на двух электродах. Но конденсатор получает готовые заряды от постороннего источника напряжения и удерживает их на своих обкладках силой электрического поля, а в аккумуляторе и гальваническом элементе свободные заряды появляются в результате определённых химических реакций. Отсюда и название химические источники тока. Существуют, правда, электролитические конденсаторы, в которых для накопления зарядов тоже используют химические процессы, и за счёт этого ёмкость конденсатора получается довольно большой.

В аккумуляторе важнейшие события происходят в жидкости, в которую погружены электроды. Эта жидкость называется «электролит», она участник всех химических и электрических процессов. В электролит, как уже говорилось, погружены два токопроводящих электрода — катод (от греческого «катодос» — «спуск») и анод (от греческого «анодос» — «путь вверх»). Всё, что происходит в аккумуляторе дальше — это результат химических взаимодействий электролита с электродами. Физическая, а точнее, химическая основа создания э.д.с. в аккумуляторах и гальванических элементах была коротко представлена в разделе Т-41. У аккумулятора существуют два основных рабочих режима — зарядка, когда внешний источник энергии создаёт в нём запас энергии, и разряд, когда аккумулятор отдаёт запасённую энергию в виде электрического тока в нагрузке.

При зарядке от внешнего источника к электродам аккумулятора подводят постоянное напряжение — к катоду «минус», к аноду «плюс». В цепи появляется зарядный ток (Р-28), и в итоге создаётся собственная э.д.с. аккумулятора. Она действует и после отключения внешнего напряжения и сохраняет его полярность — на аноде «плюс», на катоде «минус».

При разрядке к заряженному аккумулятору подключают нагрузку, и в цепи появляется разрядный ток — электроны, как всегда, во внеш ней цепи двигаются от «минуса» к «плюсу», то есть от катода к аноду, а условное направление тока, как всегда, от «плюса» к «минусу».

ВК-216. Сорок лет вакуумные лампы совершенствовались и служили основой развития радиоэлектроники. Несмотря на интересные находки, первый транзистор был создан в 1947 году группой физиков-теоретиков высокого класса. Более чем через 12 лет появился совершенно новый полевой транзистор. Его током с электрода затвор управляет слабый сигнал, воздействуя на ток своим электрическим полем. Ток, из которого формируется усиленный сигнал, подводится к электроду исток и снимается с электрода сток уже в усиленном виде.

Химический источник тока не конденсатор, не кладовка, куда свозится готовая продукция (Т-8) — избыточные заряды. Химический источник тока, в частности, аккумулятор, — это сложная химическая машина, и при зарядке накопление ионов на электродах всего лишь начало цепочки химических превращений, в результате которых катод, запасая химическую энергию, становится «минусом», а анод «плюсом».

Мы не будем в деталях разбирать все эти химические процессы, а лишь отметим: в конденсаторе накопление готовых избыточных зарядов длится секунды, а зарядка аккумулятора может занять несколько часов. Потому что зарядка аккумулятора связана со сложной химической перестройкой вещества и, конечно, с накоплением несравнимо большей энергии. Так, например, конденсатор ёмкостью С = 5000 мкФ, заряженный напряжением 2 В, может поддерживать в цепи средний ток 1 мА в течение 10 секунд, а одна банка небольшого автомобильного аккумулятора при том же напряжении 2 В будет поддерживать в цепи ток 1 мА в течение 50 000 часов.

Более двухсот лет учёные и изобретатели ищут так называемые гальванические пары — вещества на роль электродов и электролита для химических источников тока. Для аккумуляторов пока удалось подобрать лишь несколько комплектов достойных гальванических пар, и на их основе выпускается несколько типов химических накопителей электричества.

Самый распространённый — кислотный аккумулятор, в нём электролитом служит раствор серной кислоты (H₂SО₄), а электроды изготовлены в основном из пористых соединений свинца с сурьмой. Аккумуляторы обычно называют по типу применяемого электролита или по основному материалу электродов. В частности, широко применяемые кислотные аккумуляторы называют ещё и свинцовыми. Электролит в двух разновидностях щелочного аккумулятора — едкий натрий (NaOH) или едкий калий (КОН), известные щёлочи. О веществе электродов этих аккумуляторов говорят названия «кадмиево-никелевый» аккумулятор и «железо-никелевый». У серебряно-цинкового аккумулятора электролитом служит химический чистый гидроксид калия.

ВК-217. Начавшись с простейших полупроводниковых диодов и несовершенных еще транзисторов, электроника сформировала две огромные области — микроэлектронику и силовую электронику. Некоторые результаты: крупносерийное изготовление транзисторов, занимающих в кристалле область размером 50 нанометров (на площади с типографскую точку разместились бы сотни тысяч таких транзисторов), и, с другой стороны, полупроводниковые переключатели, рассчитанные на токи в сотни и даже тысячи ампер.

Несколько слов о нескольких характеристиках аккумулятора. Во-первых, это электродвижущая сила, она зависит только от самой гальванической пары, и у кислотных аккумуляторов самая большая — 2,1 В, у щелочных и серебряно-цинковых примерно 1,2 В. Реальное напряжение на выходе аккумулятора, конечно, чуть меньше — что-то теряется на внутреннем сопротивлении, и тем больше, чем больше потребляемый ток. Кроме того, внутреннее сопротивление растёт с возрастом аккумулятора и числом циклов заряд-разряд. Растёт оно из-за медленного разрушения электродов и загрязнения электролита их «мусором». Это приводит также к саморазряду аккумулятора, при старении он сам по себе разряжается всё быстрее.

Чтобы увеличить напряжение, отдельные аккумуляторы, или, как принято говорить, отдельные банки, соединяют последовательно в батарею. Так, у автомобильной аккумуляторной батареи обычно 6 банок, без нагрузки их напряжение 12,6 В.

О том, сколько энергии запасает аккумулятор, говорит очень важная характеристика — его ёмкость. Несмотря на схожесть названия, она измеряется не в фарадах, а в ампер-часах, сокращённо А∙ч. Если аккумулятор ёмкостью 60 А∙ч полностью заряжен, то от него можно потреблять ток 1 А в течение 60 часов, или 5 А в течение 12 часов, или 60 А в течение часа. Можно продолжить эти арифметические упражнения, но не беспредельно — у каждого типа аккумуляторов есть рекомендованный ток зарядки (10–15 % от ёмкости) и предельно допустимый разрядный ток.

ВК-218. В схеме транзисторного усилителя обычно есть делитель напряжения, он подаёт на базу начальное смещение. Оно открывает эмиттерный pn-переход и выводит режим усилителя в нужную рабочую точку. В коллекторную цепь включена нагрузка — в ней выделяется мощность усиленного сигнала. Нагрузкой может быть громкоговоритель, электродвигатель, колебательный контур, а также просто сопротивление (резистор). По цепочке обратной связи часть усиленного сигнала возвращают во входную цепь.

Здесь опять кислотный аккумулятор вне конкуренции, даже при небольшой ёмкости 60 А∙ч от него можно потреблять ток до 200 А, что-то около этого может понадобиться автомобильному стартеру, выполняющему нелёгкую работу при запуске двигателя, особенно зимой.

Ещё одна очень интересная характеристика, хотя вспоминают о ней нечасто, — запасаемая аккумулятором энергия, которая приходится на килограмм массы. Именно с этой характеристики нужно начинать все размышления об электромобиле, которому так часто уделяет внимание пресса. Нетрудно подсчитать, что если от упомянутого кислотного автомобильного аккумулятора с напряжением 12,6 В и ёмкостью 60 А∙ч потреблять ток 60 А, то он проработает 1 час, развивая мощность Р = U∙I = 750 Вт, то есть 0,75 кВт, а запасённая энергия составит 0,75 кВт∙ч. Если считать, что масса такого аккумулятора примерно 7,5 кг, то его удельный энергозапас 0,1 киловатт-часа на килограмм массы.

Мощность двигателя даже на небольшом автомобиле примерно 40 лошадиных сил, или, что то же самое, 30 кВт. Чтобы 5 часов кормить электромобиль такой мощностью, нужно возить с собой аккумуляторную батарею массой 400 кг, что для маленького автомобиля многовато. Так что на пути создания электромобиля стоит малая удельная (на килограмм массы) энергоёмкость распространённых аккумуляторов.

Поэтому для личного электрического экипажа прежде всего ищут новые более энергоёмкие гальванические пары или вообще иные источники и преобразователи энергии, как, например, водородные. В то же время изобретатели находит промежуточные решения с использованием аккумуляторов, например, гибридный автомобиль. В нём есть и обычный бензиновый двигатель, и электрический привод, получающий энергию от аккумуляторов. Автоматика, в зависимости от режима движения, использует обе эти системы, что иногда позволяет расходовать на 30–50 % меньше бензина.

Уделив так много внимания аккумуляторам, можно коротко, без повторных пояснений, представить другой химический источник тока — гальванические элементы. В принципе в них происходят те же процессы, что и в аккумуляторе, но используются иные гальванические пары и вообще иная стратегия применения. Гальванический элемент просто выбрасывают, после того как он израсходует запас энергии, полученный при его изготовлении, — химическая система элемента, в отличие от аккумуляторной, не рассчитана на его повторную зарядку.

Выпускаются разные по размерам и конструкции гальванические элементы (Р-27), в том числе очень маленькие для наручных часов, микрокалькуляторов и других устройств с небольшим потреблением тока. Используется также несколько вариантов гальванической пары, как следствие, элементы несколько более дорогие, но с повышенной ёмкостью.

ВК-219. Отрицательная обратная связь действует против основного входного сигнала, и это помогает уменьшить его искажения. Положительная обратная связь действует согласованно с входным сигналом, и, если она достаточно сильная, возникает самовозбуждение, усилитель превращается в генератор. В генераторе с колебательным контуром обратная связь уменьшает потери в этом контуре, и в нём возникают незатухающие колебания, их частоту можно менять, изменяя индуктивность и (или) ёмкость контура.

Т-179. Постоянный, переменный, пульсирующий — любой ток из любого. У электрической энергии много разных потребителей, и потребности у них тоже бывают разные. В большинстве случаев вполне подходит сеть переменного тока с напряжением 220 вольт и с частотой 50 герц, она позволяет с помощью трансформатора повысить или понизить напряжение. Этот источник питания даёт возможность при необходимости получать достаточно большие мощности, использовать огромное разнообразие типовых двигателей, нагревателей, осветительных приборов, выпускаемых промышленностью. Однако в некоторых случаях потребителям нужен не переменный ток, а постоянный, например, для зарядки аккумуляторов. А тем, у кого есть источник постоянного тока, бывает нужен переменный ток. Не говоря уже о бессчётном множестве операций с электрическими токами в электронике, где решающую роль играет сам характер изменений тока — именно в этих изменениях записана информация, главный объект и главный продукт электроники. Электронные схемы производят просто виртуозные преобразования электрических токов, но и чистая электротехника кое-что умеет.

ВК-220. Частота собственных колебаний в контуре, которую он начнёт излучать, будучи включённым в схему генератора, может быть подсчитана по довольно простой формуле. Из неё видно, что частота эта в равной мере зависит от индуктивности L_к и ёмкости С_к контура: чем меньше эти индуктивность и ёмкость, тем выше частота. К этой зависимости хорошо бы привыкнуть, и даже просто взглянув на контурную катушку и конденсатор, примерно оценить, к какому диапазону частот относится контур.

Когда-то из постоянного тока делали переменный и из переменного постоянный с помощью двух электрических машин: двигатель постоянного тока вращал генератор переменного тока или наоборот. Была даже машина унформер с одним ротором и двумя токосъёмными устройствами для переменного и постоянного тока. Подводишь постоянный ток — снимаешь переменный, подводишь переменный ток — снимаешь постоянный. Сейчас из переменного тока постоянный получают очень просто — с помощью выпрямителя (Р-99). Главные работники в нём — полупроводниковые диоды, они пропускают ток только в одну сторону, и благодаря этому переменный ток становится пульсирующим. А в пульсирующем токе всегда есть постоянная составляющая — заряды, хоть рывками, но обязательно смещаются в одну сторону. Эту постоянную составляющую тока всегда можно выделить с помощью фильтров. А сами выпрямители бывают однополупериодные (они только половину периода формируют энергию постоянного тока) и двухполупериодные (весь период формирует энергию постоянного тока).

Получить переменный ток из постоянного можно с помощью механического прерывателя, электромагнитного вибратора и полупроводникового генератора. В последнем случае используют наиболее простые генераторы, знакомство с которыми у нас впереди.

Кстати, постоянный ток иногда преобразуют в переменный, чтобы с помощью повышающего трансформатора получить высокое напряжение, а из него нередко опять делают постоянное напряжение, но значительно более высокое. Многие телезрители, может быть, не знают, что в их старом телевизоре таким примерно способом получают постоянное напряжение 20–30 тысяч вольт, которое нужно подвести к кинескопу. В автомобиле с помощью транзисторных генераторов из постоянного напряжения 12 В получают несколько тысяч вольт переменного, оно необходимо для зажигания паров бензина в цилиндрах двигателя. Несколько десятилетий эта операция выполнялась с помощью механического прерывателя и высоковольтного трансформатора, хорошо известного старым водителям под именем бобина.

Электротехника освоила столько вариантов основных преобразований напряжений и токов, что потребитель может быть уверен: в каком виде ему нужно электричество, в таком он его и получит.

ВК-221. Электромагнитные волны излучает любой проводник, по которому идёт переменный ток. Но для эффективного излучения используют токи высокой частоты и специальные передающие антенны. Высокочастотный ток непрерывно циркулирует в антенне, и она непрерывно направляет в пространство «сгустки» электрических и магнитных полей. Но каждый такой «сгусток», перестав получать энергию, пытается вернуться в антенну, но не успевает — его уже выталкивает следующий «сгусток».

Т-180. Спецназ из цеха генераторов. Главная сила электроэнергетики — машинные генераторы. Их ближайший помощник — химические источники тока, которые, правда, в целом дают неуловимо малую часть всей потребляемой электроэнергии. И ещё во много раз меньше электрической энергии пока получают из других физических процессов в некоторых источниках специального назначения.

Один такой «спецназовский солдат» просто уверен, что со временем станет генералом (Т-8), — фотоэлементы, которые превращают световую энергию в электрическую, имеют уже определённые практические успехи и дают повод для проектов световых электростанций гигантской мощности. Другой специальный источник — термоэлемент, он напрямую, без посредников получает электрическую энергию из тепловой и мог бы произвести переворот в энергетике, если бы имел более высокий к.п.д. Правда, оказалось, что в каких-то особых случаях можно удовлетвориться и тем, что есть. Много лет назад выпускался термогенератор мощностью несколько ватт для питания радиоаппаратуры, в частности, радиостанций в партизанских отрядах. Это был «бублик» с большим числом термоэлементов, который надевался на стекло керосиновой лампы.

Совсем мало энергии можно получить от электрических «спецназовцев» пьезокристаллов, на которых электрические заряды появляются при сжатии или иных механических деформациях. Пока пьезокристаллы, как источник слабых электрических сигналов, используются лишь в электронике, но кто знает, куда приведёт эта тропинка. И вообще трудно предсказать, какие физические процессы в будущем станут главными в производстве электроэнергии. Пока же электромагнитная индукция — вне конкуренции.