Сидя в удобном кресле, почитывая свежую газету при мягком свете торшера, попивая при этом прохладный, из холодильника, яблочный сок и слушая тихую мелодию, плывущую из музыкального центра, мы готовы, если кто-нибудь напомнит, поразмышлять об удобствах, которые приносит нам электричество. Но при этом надо бы ещё подумать и о тех немалых благах — автомобилях, добротной одежде, изобилии продуктов, туристических комплексах на морском берегу, — которые мы получаем тоже не без помощи электричества. В частности, с помощью огромного многообразия незнакомых нам электрических машин, приборов, аппаратов, работающих во всех без исключения отраслях науки и промышленности, — от автоматизированного производства лекарств до капитального строительства.

Одним словом, посмотришь вокруг и, как ни старайся, не увидишь ничего такого, в чём бы не было чего-нибудь электрического.

Т-181. Неутомимый работник — электрический двигатель. Из огромного множества помогающих человеку электрических машин и приборов самые массовые, то есть применяемые наиболее широко, это электрическая лампочка и электрический двигатель. Проблемы их разработки и использования постепенно сформировали две самостоятельные области, как в технике и технологии, так и в серьёзной науке, это светотехника и электропривод. Последняя названная область занимается, в частности, тем, что исследует, как именно, каким способом электрическая машина приводит и может приводить в движение самые разные механизмы, скажем, станки или электропоезда. И, конечно, электропривод — это и сами электродвигатели, которых существует огромное разнообразие, как по мощности (от милливатт до нескольких тысяч киловатт), так и по способу электропитания и принципу действия.

Особо часто используется неприхотливый, сравнительно простой и с хорошими рабочими характеристиками трёхфазный асинхронный двигатель. В его статоре расположены три обмотки, создающие вращающееся магнитное поле. В случае если двигатель предназначен для однофазной сети (это то, что приходит в вашу квартиру, — квартирная сеть получает напряжение с одной фазы трёхфазного генератора), на помощь обмоткам статора приходит конденсатор. Он создаёт сдвиг фаз, то есть фактически создаёт второе, сдвинутое по фазе, напряжение, которое вместе с основным напряжением подводится к сдвинутым по окружности двум обмоткам статора, и вместе («вдвоём») они формируют вращающееся магнитное поле. У асинхронного двигателя небольшой мощности, примерно до 2 кВт, ротор, как правило, короткозамкнутый — в роторе расположены довольно толстые медные или алюминиевые проводники, торцы которых замкнуты кольцами (Р-94.3). Вся эта токопроводящая конструкция напоминает беличье колесо — круглую клетку, внутри которой белка, пытаясь бежать, перебирает лапками поперечные стержни и вращает таким образом клетку-колесо. В трёхфазном двигателе ток статорной обмотки наводит ток в короткозамкнутой обмотке ротора, этот роторный ток создаёт своё магнитное поле, и оно, схваченное вращающимся полем статора (Т-8), вращается вместе с ним, то есть заставляет вращаться ротор.

В мощных асинхронных двигателях обмотка статора нередко более сложная, она выводится на три контактных кольца и через них выходит во внешний мир. Это позволяет подключить к роторной обмотке реостаты и с их помощью менять в ней ток. В частности, его уменьшают в момент пуска, когда ток становится очень большим, и из-за этого асинхронный двигатель, который работает в режиме частых остановок и пусков, перегревается и может быстро выйти из строя. В маломощном двигателе такой проблемы нет, он быстро набирает обороты, и ток снижается до расчётной величины. Реостаты позволяют в некоторой степени менять характеристики двигателя, в частности, скольжение (а значит, и число оборотов), при котором у двигателя максимальный крутящий момент.

Как работает синхронный двигатель, проще всего понять на двухполюсном его варианте, который, как обратимая машина, в принципе не отличается от такого же синхронного генератора. У маломощного синхронного двигателя ротор — обычный постоянный магнит. Если раскрутить ротор, так чтобы он вращался с частотой питающего переменного тока, то он всегда будет втягиваться в магнитное поле обмоток статора — сменится направление тока в обмотке, а к ней уже подходит другой полюс постоянного магнита. Главное неудобство именно в этом «если раскрутить»: синхронный двигатель, в отличие от асинхронного, сам с места не трогается, его ротор действительно нужно предварительно раскрутить до определённых оборотов, его, как принято говорить, нужно ввести в синхронизм. Зато после этого синхронный двигатель с довольно высокой точностью держит обороты даже при изменении механической нагрузки на валу (у асинхронного двигателя при увеличении нагрузки обороты могут снижаться на 10–15 %)

Р-94. ТРЁХФАЗНЫЙ ТОК ДВИГАЕТ ПО КРУГУ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ СТАТОРА, ОНО ВРАЩАЕТ РОТОР И С НИМ РАБОЧУЮ ОСЬ ДВИГАТЕЛЯ. Основа этого двигателя — вращающееся магнитное поле. Его легко создать, имея трёхфазный генератор переменного ток и разместив в статоре двигателя три катушки на равном расстоянии одна от другой (1), — любая катушка отдалена от соседней на угол 120 градусов. Теперь подадим на эти катушки двигателя трехфазное напряжение с генератора — на катушку обозначенную φ1 подадим первую фазу, на φ2 — вторую и на φ3 третью. В этих катушках будет поочередно появляться ток, созданный генератором и 50 раз в секунду (в нашем опыте соблюдаются государственные стандарты) он будет создавать очередной виток вращающегося магнитного поля. Расположив в центре свободно вращающийся постоянный магнит, мы увидим, что он, судя по всему, вращается вместе с этим полем. То же самое произойдет, если заменить магнит электромагнитом — короткозамкнутой катушкой, ток в которой наводят электромагниты статора (2). Нам остаётся добавить, что ротор (электромагнит) не может вращаться точно с той же скоростью, что и магнитное поле так как при этом охватывающее ротор поле не будет меняться и в его обмотке ток не наведется. Поэтому скорость вращения ротора (электромагнита) автоматически устанавливается меньшей, чем скорость вращающегося магнитного поля, а сконструированный нами двигатель называют асинхронным. Приставка а- в данном случае является отрицанием (как, например, в слове «аполитичный» — оторвавшийся от политической жизни), и название «асинхронный» означает «не синхронный».

Синхронный двигатель держит обороты до последнего, если ему слишком трудно, то он просто останавливается. А запускают его на холостом ходу, без нагрузки, с помощью другого небольшого двигателя. Или используют синхронный двигатель с асинхронным пуском — в нём есть дополнительные обмотки, которые на время пуска превращают двигатель в асинхронный, а затем отключаются, когда ротор входит в синхронизм.

Выше уже говорилось о сложности, совершенстве и непростом характере электрических машин (Т-8), в полной мере это относится к двигателям. Такой, например, интересный факт: асинхронный двигатель в принципе не может войти в синхронизм. Если его ротор будет вращаться с той же скоростью, что и магнитное поле статора, то это поле не будет пересекать роторные витки, в них не наведётся ток, не возникнет магнитное поле ротора и он не будет вращаться. Поэтому ротор вращается чуть медленнее, чем магнитное поле статора, и это проскальзывание (официальный термин — скольжение) несколько возрастает с ростом нагрузки на валу.

Кстати, у трёхфазного асинхронного двигателя легко поменять направление вращения — достаточно поменять местами сетевые провода, подключённые к двум фазовым обмоткам.

Любой двигатель можно рассматривать как индуктивное сопротивление X_L его обмоток и подключённое параллельно ему активное сопротивление R_н, которое отображает реальную, активную работу, выполняемую двигателем. С увеличением механической нагрузки на валу такое условное активное сопротивление R_н уменьшается, ток растёт, и это хорошо — увеличивается косинус фи (Р-83). Однако большое промышленное предприятие, на котором работает много асинхронных двигателей, для электростанции не очень приятный потребитель — у него велика общая индуктивная составляющая нагрузки. Она, как известно, полезного дела не делает, а ток по цепи гоняет (Т-8) и потери в линиях передачи увеличивает (Р-83).

И вот тут на помощь приходят синхронные двигатели — при определённом режиме в них создаётся такой же сдвиг фаз между током и напряжением, какой наблюдается у конденсатора. Это ёмкостное сопротивление синхронных двигателей действует против индуктивного сопротивления асинхронных двигателей и повышает косинус фи. Поэтому на производстве синхронные двигатели стараются использовать везде, где это возможно.

ВК-222. Зная частоту f переменного тока в антенне в герцах и скорость света с = 300 000 000 метров в секунду, легко подсчитать длину волны в метрах. Для упрощения расчётов можно взять частоту в килогерцах и считать, что с = 300 000 километров в секунду. Во всех случаях длина волны получится в метрах. Если бы у нас был прибор, измеряющий мощность электромагнитной волны, и если бы мы могли двигаться рядом с этой волной с её же скоростью, то, возможно, удалось бы измерить длину волны.

Р-95. СОЛНЕЧНЫЙ ЛУЧ ПЛЮС ПАРОВАЯ ТУРБИНА. Есть цифра, которая воодушевляет тех, кто занимается солнечной энергетикой — использованием солнечного тепла. Цифра эта называется солнечная постоянная, и называет она мощность излучения, которое приходит от Солнца в район Земли (расстояние 150 миллионов километров) на площадку размером 1 м² (квадратный метр), перпендикулярную солнечным лучам. Солнечная постоянная равна 1367 Вт/м² — почти полтора киловатта на квадратный метр. Конечно, на самой Земле только в полдень и только в экваториальных районах можно получить близкую солнечную мощность. А если учесть все виды потерь и непременный ночной перерыв, то окажется, что в среднем мы получаем почти в четыре раза меньше — 340 Вт/м².

В разных странах, особенно в США, Испании, Израиле, Португалии, в том числе и далеко от экватора, например в Германии, строят солнечные электростанции разного типа, но в основном экспериментальные, поисковые. В их числе несколько станций, где большое количество управляемых автоматами зеркал направляют солнечную энергию на своего рода паровой котёл, и он в итоге снабжает паром турбину с электрогенератором. Сегодня это реально работающая схема, и её повторили уже в нескольких странах. Но специалисты как реальность ближайших лет обдумывают и разрабатывают солнечные аэростатные электростанции, передающие энергию на Землю по кабелю, и мощные орбитальные станции, передающие на Землю энергию острым лучом радиоволн.

Особенность одного из вариантов двигателей постоянного тока определила путь развития всего электрического транспорта, а именно то, что для него используется не переменный, а постоянный ток. Двигатель постоянного тока — это статор с постоянными магнитами или электромагнитами и ротор, к которому через коллектор подводится постоянное напряжение. Оно же питает электромагниты статора в двигателях средней и большой мощности, причём обмотки электромагнитов, или, иначе, обмотки возбуждения, могут подключаться параллельно ротору или последовательно с ним.

Этот последний вариант даёт замечательный результат: при большой нагрузке обороты ротора минимальные, а крутящий момент двигателя максимальный. С уменьшением нагрузки крутящий момент уменьшается, а обороты нарастают. Именно такой режим и нужен любой транспортной машине. В автомобиле, например, для того чтобы получить такой режим, вводится коробка перемены скоростей. Машина трогается с места или поднимается в гору на первой, на самой низшей скорости — колёса вращаются медленно, но с большой силой. Когда же автомобиль уже разогнался, колёса надо крутить быстрее, а крутящий момент может быть поменьше — водитель (или автомат) переключает коробку скоростей на более высокую передачу.

Электродвигатель постоянного тока с последовательным, или, иначе, с сериесным возбуждением, сам автоматически обеспечивает этот режим, и ради него, ради этого двигателя на всём электрическом транспорте, в частности, в метро, трамвае, электропоездах, невзирая на некоторые дополнительные сложности и неудобства, используют именно постоянный ток. Уже одного этого факта достаточно, чтобы задуматься о разнообразии и, так сказать, индивидуальных особенностях разных типов электрических двигателей.

Т-182. Да будет свет! К числу электрических профессий, сильно изменивших жизнь человека, конечно же, нужно отнести электрическое освещение. Всего лишь сто с небольшим лет назад неизбежными казались длинные вечера со свечой или керосиновой лампой и кромешная тьма на городских окраинах, а тем более на деревенских улицах. Сравните это с нынешним изобилием чистого и яркого электрического света, фактически продлевающего наш день.

Об уместности слова «изобилие» косвенно говорит то, что 10 % всей производимой электроэнергии расходуется на освещение или, по строгому определению, на создание световых условий для труда и отдыха. Главный работник здесь всё ещё электрическая лампа накаливания, в народе ласково именуемая лампочкой. О ней, вроде бы, и рассказывать нечего — устройство простое, производство полностью автоматизировано и ежегодно поставляет жителям планеты 30–40 миллиардов лампочек. И всё же об электрической лампочке стоит сказать несколько слов, сделав короткое и важное предисловие.

ВК-223. Увеличивая частоту радиопередатчика в 10 раз, мы обнаружили бы те же 10 раз более короткую электромагнитную волну.

Р-96. СОЛНЦЕ И ВЕТЕР ДЛЯ ДАЧНОГО ДОМА. Это часто бывает в нашей повседневной жизни — новое дело, в котором что-то можно сделать своими руками, порождает мощную волну любительства. Так, стремление своими руками построить простейший приёмник стало началом радиолюбительства для многих тысяч будущих великих инженеров. Сегодня большой интерес молодежь проявляет к бесплатному электричеству, к тому, чтобы в своем деревенском или дачном доме иметь независимый источник электроэнергии. Например, ветрогенератор или солнечный генератор, а ещё лучше и тот и другой. Если с центральным электроснабжением не всё в порядке, то об этом действительно стоит подумать.

Для того чтобы серьёзно заняться собственным электроснабжением, нужно обязательно добыть специальное пособие, где обо всём рассказано подробно и конкретно. Ну а общие сведения о предстоящем деле мы всё же представим, как говорится, для кругозора. На этом рисунке в упрощённом виде показано то, что в итоге должно быть сделано. Ветер вращает лопасти ветрогенератора (ВГ), и на его выходе появляется напряжение. Аналогично Солнце освещает фотоэлементы солнечного генератора (СГ), и на его выходе тоже появляется напряжение. Оба генератора ВГ и СГ как источники энергии имеют один и тот же недостаток — выходное напряжение у них непредсказуемо меняется. Усилился ветер — и напряжение ВГ резко выросло, набежали тучи — и напряжение СГ резко упало, не говоря уже о том, что ночью оно всегда равно нулю. Чтобы из-за этих изменений не менялось напряжение нашей внутренней сети, вводится аккумуляторная батарея. Круглые сутки ВГ и СГ заряжают её разным током, какой в данный момент есть, таким и заряжают. А аккумуляторы всегда выдают одинаковое постоянное напряжение, которое мы в дальнейшем превратим в неизменное сетевое. Сделает это один из самых дорогих блоков всей системы — инвертор. Он получит постоянное напряжение от аккумуляторов и с помощью своего внутреннего генератора превратит его в стандартное переменное напряжение 220 вольт, 50 герц.

Свет, как уже не раз говорилось, это свободно несущиеся в пространстве электромагнитные волны, то есть сгустки электрических и магнитных полей, которые следуют друг за другом, подобно гребням морских волн. Но только у видимого нами света длина волны ничтожно малая, расстояние между соседними электромагнитными «гребнями» меньше микрона. Напомним, что микрон — это тысячная доля миллиметра, то есть у светового луча на участке длиной миллиметр можно насчитать более тысячи электромагнитных «гребней».

Наш мир наполнен самыми разными электромагнитными излучениями — от радиоволн, у которых длина волны измеряется километрами, до гамма-лучей, у которых длина волны ещё в миллиарды раз меньше, чем у видимого света. Мы никак не чувствуем, не воспринимаем все эти электромагнитные волны, кроме одной очень небольшой их части с длиной волны примерно от 0,4 до 0,8 микрона (400–800 нанометров). Именно этот очень небольшой участок огромного электромагнитного спектра носит имя «видимый свет», и именно его с помощью сложных электрохимических процессов регистрируют живые организмы в системе, которая именуется зрение.

Почему живая природа выбрала именно этот участок спектра? Почему мы видим только электромагнитные волны длиной от 0,4 до 0,8 микрона? Да потому, что Солнце, которое генерирует и отправляет в пространство практически все электромагнитные волны, от радиоволн до гамма-лучей, с особой силой излучает в световом диапазоне — излучает электромагнитные волны длиной от 0,4 до 0,8 микрона. И именно в этих сравнительно сильных солнечных лучах легче всего видеть окружающий мир. А отсюда вывод: создатели искусственного света, по сути дела, должны имитировать Солнце, должны применять приборы, которые излучают именно в световом участке электромагнитного спектра.

В электрической лампочке (Р-79) свет излучает нить из вольфрама (или его сплавов), нагретая проходящим по ней током до примерно 2–3 тысяч градусов. Когда-то, чтобы нить не сгорела при столь высокой температуре, в баллоне лампы создавали вакуум и, откачивая воздух, удаляли кислород. Сейчас баллон наполняют инертным газом, например криптоном, и благодаря этому у лампочки увеличивается срок службы — криптон препятствует испарению металла, которое в итоге как раз и выводит лампу из строя.

ВК-224. Полёт завершён. О чём говорят молодые авиаторы? Наверное, о том, что современная авиация насыщена электрическими системами и радиоэлектроникой.

Если при изготовлении вольфрамовой нити какой-то её участок оказался чуть тоньше, то с него металл испаряется особенно интенсивно по двум причинам. Во-первых, у этого участка меньше поверхность теплоотдачи, и во-вторых, у него чуть больше сопротивление, а значит, выше напряжение и выделяемая на этом участке электрическая мощность. В итоге тонкий участок нагревается сильнее, быстрее теряет массу, и именно в этом месте нить со временем перегорает. Из-за всего этого очень опасно подавать на лампочку повышенное напряжение — если превысить его на 10 %, то время жизни лампочки сократится в 5 раз.

Важная характеристика электрической лампочки — светоотдача. Это световой поток, который в нормальном её режиме создаёт каждый ватт электрической мощности. Единица светового потока — люмен, сокращённо лм (от латинского слова люмен — свет), очень приближённо его эквивалентом можно считать световой поток от небольшой свечки: когда-то единица силы света называлась свеча. У хороших современных лампочек светоотдача составляет 1 лм/Вт, у некоторых типов 2 лм/Вт. Для особых случаев, например для недолгой фотосъёмки, выпускают лампы-перекалки, в них температура повышена до 3400 градусов, светоотдача возрастает до 10 лм/Вт, но срок службы небольшой. Очень высокую светоотдачу при немалом сроке службы имеют пока сравнительно дорогие галогеновые лампы. Их баллон заполнен инертным газом ксеноном с примесью соединений водорода и какого-либо галогена (фтор, хлор, йод, бром), и благодаря этому на поверхности вольфрама создаётся тонкий защитный слой, который препятствует испарению металла и позволяет поднять его температуру. При температуре плавления вольфрама светоотдача превысила бы 50 лм/Вт.

ВК-225. В рассказе о появлении телеграфа (ВК-209) была упомянута азбука Морзе, и нужно, пожалуй, привести её полностью, по крайней мере, для русского алфавита. Кстати, в этой азбуке многие латинские буквы, в частности А, В, W, G, D, Е, Z, I, К, L, М, N, О, Р, R, S, Т, U, F, С, имеют ту же кодировку, что и их русские аналоги. Существуют простые программы и схемы, преобразующие обычный буквенный текст в коды азбуки Морзе. Но многие радиолюбители просто знают её и используют, общаясь с любителями других континентов.

Уже много лет на простую и привычную электрическую лампочку накаливания успешно наступают световые приборы с иным механизмом излучения света (Р-79), мы все хорошо их знаем под именем люминесцентные лампы, или, по простому, лампы дневного света.

Эти лампы были изобретены около 100 лет назад, примерно через 20–30 лет в виде длинных белых трубок они начали широко применяться, и особо широко лет 20 назад, когда появились небольшие лампы дневного света с цоколем, как у обычной лампочки, — их можно просто ввинтить в старый патрон. Как выяснилось, привыкание к этим новым осветительным приборам, несмотря на их экономичность, происходит довольно медленно, и сейчас может совсем остановиться в связи с появлением новых электрических осветителей с полупроводниковыми диодами.

Уже хорошо знакомая всем белая светящаяся трубка лампы дневного света по процессам, которые в ней происходят, намного сложней и интересней обычной лампочки. Прежде всего, внутри трубки между двумя электродами, находящимися в противоположных её концах, создаётся тлеющий электрический разряд, его поддерживает газ низкого давления, содержащий пары ртути. В результате в трубке появляется невидимое ультрафиолетовое излучение, которое, в свою очередь, заставляет светиться люминофор — белое вещество, покрывающее трубку изнутри. В зависимости от состава люминофора у него могут быть разные цвета и оттенки свечения, что отражено в названии лампы. Так, буквы БК означают белый цвет излучаемого света, АД — дневной свет, ЛТБ — тёплый оттенок, ЛДЦ и ЛДЦЦ — освещение с улучшенной цветопередачей, ЛГ — голубой, ЛЗ — зелёный, ЛР — розовый свет и так далее. Каждая люминесцентная лампа имеет ряд вспомогательных элементов, управляющих режимом её включения и продолжительной работы. Конструкторы сделали так, что в большинстве моделей пользователь не касается этого оборудования, даже в небольших моделях, заменяющих обыкновенную лампочку, оно спрятано в цоколь лампы. Одно из достоинств ламп дневного света, в том числе и небольших, они создают ту же освещённость, что и обычные лампочки накаливания, но расходуют на это примерно в 5 раз меньшую электрическую мощность. Для отдельной квартиры в этом может быть и не столь большая экономия по абсолютной величине, но для города — огромная.

ВК-226. Эта упрощённая схема поясняет, как общаются по радиоканалу не с помощью телеграфной азбуки, а с помощью голосовой или, иначе, телефонной связи. Чтобы передатчик переносил речь, его высокочастотный ток I_вч модулируют (меняют амплитуду) электрической копией звука — током I_нч из микрофона. Модулированные радиоволны приходят в приёмник, и созданный ими ток пропускают через детектор. Он создаёт сигнал, в спектре которого есть низкочастотная составляющая — копия тока I_нч.

В последнее время и у люминесцентных ламп, несмотря на все их достоинства, появились, как уже говорилось, серьёзные конкуренты — полупроводниковые светодиоды. Подробно о диодах будет рассказано позже, а сейчас они непременно должны быть в нашем рассказе, и нужно, забегая вперёд, сказать о них несколько слов.

Представим себе диод как небольшой полупроводниковый кристаллик, который с помощью двух примесей разделили на две особые зоны (греческая приставка ди означает двойной, отсюда и слово диод). Одна из этих двух зон называется зона n, или катод, со свободными отрицательными зарядами (электроны) и вторая зона р, или анод, с особым типом свободных положительных зарядов (положительные ионы) по имени дырки. Теперь подведём к диоду питающее напряжение, например, подключим его к гальваническому элементу (Р-98). Если «плюс» этого элемента подключить к катоду, а «минус» к аноду, то к ним оттянутся свободные заряды электроны и дырки, и никакого тока в диоде не будет. Или, скажем более строго, обратный ток через диод будет равен нулю.

Если же «плюс» гальванического элемента подключить к аноду, а «минус» к катоду, то через диод пойдёт довольно большой прямой ток: свободные положительные ионы (дырки) n электроны устремятся к середине кристалла, и там в довольно узкой области по имени рn-переход (буква р, разумеется, от слова positive, а и от слова negative) они объединятся в нейтральные атомы. При этом из других нейтральных атомов образуются дырки (свободные положительные ионы) и электроны. Можно так подобрать вещество кристалла и применяемые примеси, что прямой ток через диод приведёт к излучению света из области рn-перехода. Более того, много лет исследуя излучающие свет диоды, физики создали такие их образцы, которые излучают свет со значительно меньшим расходом электрической мощности, чем у ряда люминесцентных ламп и тем более у обычных лампочек накаливания. В наше время широко выпускаются и продаются, а также применяются для освещения служебных и жилых помещений светодиоды, главным образом объединённые в группы, снабжённые пластиковыми рефлекторами и линзами, а часто и стандартным цоколем, облегчающим быструю замену ламп накаливания на полупроводниковый источник света.

ВК-227. В прошлом примере был выбран самый простой вид модуляции — амплитудная, сокращённо AM. Но есть и другие способы нагружать ВЧ-сигнал, другие виды модуляции. Например, частотная (ЧМ), когда НЧ-сигнал меняет частоту передатчика. Или когда при передаче радиоимпульсов меняют их ширину (ШИМ) или фазу (ФИМ). При этих видах модуляции передатчик занимает в эфире более широкую полосу частот, и применять их можно только на очень высоких частотах.

Т-183. Тепло согревающее, тепло соединяющее. Особо сильный источник света — электрическая дута (Р-79), её используют в мощных прожекторах и некоторых осветительных приборах для киносъёмки. Если сдвинуть два угольных электрода и пропустить по ним ток, то в месте контакта электродов будет выделяться значительное тепло. А если электроды несколько раздвинуть, между ними появится чрезвычайно яркая изогнутая объёмная полоска — электрическая дута. Это область, в которой между электродами протекает очень сильный ионный ток, температура достигает 3–4 тысяч градусов, частицы перестраиваются, сталкиваются, излучая широкий спектр электромагнитных волн, в том числе и мощный свет.

ВК-228. Пора отдохнуть от несложного дела — передачи голосов по радио. Нас ждут дела более сложные — передача по радио картинки. В принципе это можно сделать так: разбиваем картинку на небольшие участки и поочерёдно передаём сообщения об их освещённости. Используя этот простой метод, нам нужно передать и принять картинку большую, чёткую, подвижную, цветную и со звуком. И чтобы приёмник мог принимать сотни две других картинок, в том числе из других городов и континентов.

Задолго до появления электрической лампочки дуга использовалась в первых электроосветительных приборах, а в начале прошлого века она служила источником высокочастотных токов в радиопередатчиках. Сегодня главная профессия электрической дуги — электросварка, но здесь она уже выступает не как источник света, а как источник тепла.

Использовать электроэнергию для нагревания чего-либо очень невыгодно. Сначала мы сжигали топливо и с немалыми потерями добывали электричество, затем его гнали по проводам, несколько раз меняли напряжение, и всё это для того, чтобы опять превратить электричество в тепло, потеряв в итоге 70–80 % исходных калорий. Однако эту суровую арифметику нередко обесценивает такой существенный аргумент, как удобство. Действительно, не разжигать же керосинку, чтобы сварить пару чашек кофе, и нет смысла сооружать печку, чтобы два-три раза в прохладные дни слегка подогреть воздух в домике на садовом участке.

Тепловое действие тока используется не только в маломощных домашних приборах, но также в лабораторных и даже в промышленных установках, где у электронагрева нет конкурентов или где его достоинства перевешивают значительный расход энергии. Так, в электропечах, в том числе мощностью в сотни и тысячи киловатт, нагревают трубы, проволоку, прутки и иные металлические заготовки для последующей их закалки или пластической деформации, например, для вытяжки или ковки. Иногда, чтобы нагреть заготовку, с помощью понижающего трансформатора непосредственно по ней пропускают очень большой ток при низком напряжении.

ВК-229. Первая задача — создать электрическое описание (сигнал) большого числа точек картинки, в российском стандарте их примерно полмиллиона. Это повторяют 25 раз в секунду, чтобы, как в кино, передавались движения. Электрическую копию такой картинки создаёт передающая ТВ-камера. Экран её трубки изнутри покрыт светочувствительным веществом, и электронный луч, оббегая его, снимает напряжение с освещённых участков. Двигают луч генераторы горизонтальной и вертикальной развёртки.

Для выплавки особых сортов стали существуют малые (на 0,5-25 тонн металла) и большие (более 100 тонн) дуговые печи, где тепло выделяет мощная электрическая дуга между двумя крупными угольными электродами или чаще между электродами и расплавленным металлом. Плавка в таких печах может длиться несколько часов, некоторые специальные сорта стали выплавляют в вакуумных печах — дуговых или индукционных.

Установки для индукционного нагрева напоминают трансформатор, его «вторичная обмотка» — сам нагреваемый металл или металлическая заготовка. В печах такого типа производят плавку чёрных и цветных металлов, разогрев деталей для их последующей сварки или пайки. Используя токи высокой частоты, можно за счёт скин-эффекта нагреть лишь тонкий поверхностный слой металла и осуществить поверхностную закалку, что очень ценно для многих деталей машин (Р-80).

Самая, пожалуй, известная технология, основанная на электрическом нагреве, — это сварка цветных и особенно чёрных металлов. Сегодня без сварки не могут обойтись ни строители домов, ни создатели автомобилей, речных и морских судов, космических аппаратов и, конечно, газопроводных дел мастера. При дуговой сварке электродом служит одна из свариваемых деталей, а второй электрод — тонкий стальной стержень с сероватым покрытием, в котором содержатся присадки для расплавленного металла. Сварщик создаёт дугу между этим электродом и деталью, дуга плавит металл, который, быстро застывая, создаёт прочный сварной шов. При электросварке ток в дуге лежит в пределах от 100 до 1200 ампер, причём токовый режим может резко меняться, и это предъявляет особые требования к понижающему сварочному трансформатору.

В машиностроении, например при сборке автомобильного кузова, используется контактная сварка, главным образом точечная. Она может выполняться примерно так: листовые детали автомобильного капота или крыла с помощью вспомогательных приспособлений плотно сжимают, к точкам сварки подводят электроды и пропускают через них мощный импульс тока; металл в этих точках плавится и сваривается. А иногда для точечной сварки робот двигает электрод вдоль указанной ему линии или катит вдоль неё электрод-ролик, при этом, подобно пулемётной очереди, появляются импульсы тока и формируют точки сварки. Многие виды сварки производят острым и чрезвычайно горячим лазерным лучом, также созданным за счёт электрической энергии.

Можно было бы назвать немало других профессий электричества нагревающего, но уже приведённое выше короткое их перечисление подтверждает, что теплота, полученная из электричества, работает на нас не только в кофеварке и электроутюге.

ВК-230. Посмотрим теперь, что происходит в приёмнике, который все называют телевизором. Уже ясно, что, используя принятый сигнал, его трубка по имени «кинескоп» рисует принятую картинку на своём экране. Упрощённая схема напоминает, что особые меры приняты для того, чтобы картинка не дрожала и не прыгала. Пришедшие из телецентра синхронизующие сигналы выделены и направлены в местные генераторы развёртки для соблюдения абсолютного порядка при воспроизведении картинки.

Т-184. Электричество помогает электричеству. В производстве, распределении и использовании электрической энергии участвует много вспомогательных электрических приборов. Неприметные со стороны, они решают очень важные задачи, например, собирают информацию о работе электрических систем, по указанию диспетчера или автоматически меняют режим электрических машин и аппаратов, защищают их от опасных перегрузок, подают предупреждающие аварийные сигналы, включают, выключают или переключают электрические сети и машины, в том числе дистанционно — с пульта управления.

На первый взгляд может показаться, что какие-то из названных операций не заслуживают серьёзного внимания: что нового можно, например, узнать о давно всем знакомом выключателе? Вместе с тем специальный выключатель — незаменимый работник электрической команды, в сетях, где циркулируют мегаватты мощности и действуют напряжения в десятки и даже в сотни тысяч вольт. Это непростой аппарат, он совсем не похож на простенькие выключатели на стенах вашей квартиры. Но даже в этих простейших представителях коммутирующей, то есть переключающей, техники можно заметить общие для неё проблемы.

ВК-231. В системе передачи цвета многое изобретено и придумано, его вполне хватило бы, чтобы всех жителей страны сделать почётными академиками. Сейчас для цветного ТВ не нужны три картинки, как это было раньше. Сигналы цветности незаметно втиснуты в основной сигнал, и компьютер телевизора превращает их в 3 цветные картинки. А рисуют их идущие рядом три электронных луча, пройдя через щель перед самым экраном, каждый из них попадает на свою синюю, зелёную и красную светящуюся точку.

У любого выключателя при любом включении-выключении слышится лёгкий щелчок, и это не музыкальный привет от шутника конструктора. Щелчок говорит о том, что в выключателе срабатывают пружины, они нужны для того, чтобы ускорить процесс замыкания или разъединения контактов, а при замыкании плотно сжать их. Если затянуть процесс переключения или недостаточно плотно сжать контакты, то в какой-то момент между ними может возникнуть электрическая дуга, контакты будут постепенно подгорать, из-за этого будет расти сопротивление контактирующего участка, со временем он начнёт сильно нагреваться со всеми вытекающими неприятными последствиями. Так что никакой выключатель не обходится без пружин, сближающих и сжимающих контакты. Их срабатывание особенно чувствуешь в промышленных пускателях с двумя кнопками — «Пуск» и «Стоп».

Серьёзные меры приходится принимать для гашения дуги в сильноточных и высоковольтных выключателях. Иногда, например, с помощью встроенного электромагнита увеличивают изгиб, а значит, длину дуги, увеличивая тем самым её сопротивление и уменьшая ток в ней. В других системах ослабляют дугу, заставляя её проходить через металлическую сетку или щелевые камеры. Их можно встретить и в контроллерах — переключателях на несколько положений, с их помощью, в частности, переключая сопротивления в цепи мощного двигателя, меняют его режим.

А ещё помещают всю переключающую систему в масло, при нагреве оно выделяет газы, которые гасят дугу. При напряжении более 35 киловольт в состав переключателей входят специальные дугогасящие камеры, наполненные газом. Даже в простейшем одноразовом аварийном выключателе тоже принимаются меры для гашения дуги.

ВК-232. Ближайшая группа рисунков просто требует повторения одной из предыдущих тем, которую можно назвать так: «частотное разделение каналов связи» (ВК-137). Разные станции в одно и то же время принимаются разными приёмниками и не мешают друг другу. Подобное возможно потому, что эти станции работают на разных частотах. Контуры приёмников настроены именно на эти частоты и за счёт резонанса сильно поднимают уровень сигнала принимаемой станции. То есть выделяют её из других.

Во многих случаях коммутация в электрических системах производится дистанционно, и само механическое действие, само перемещение контактов осуществляют с помощью электромагнитов. Самый распространённый переключатель такого типа — электромагнитное реле (Р-49), с его помощью слабый сигнал может включить, выключить или каким-то иным образом переключить значительно более мощные электрические цепи. Своего рода мощные реле — автоматические воздушные выключатели, они могут за сотые и даже тысячные доли секунды отключить электрическую цепь при появлении в ней недопустимого тока. Похожие маломощные автоматы максимального тока используются вместо плавких предохранителей, в частности, на входе электрической сети в квартиру.

В последнее время вместо электромагнитных переключателей всё чаще работают транзисторы и тиристоры, они срабатывают за миллионные доли секунды, в них нет проблемы электрической дуги и вообще нет контактов. Эти ещё не так давно маломощные полупроводниковые транзисторные выключатели уже усилены настолько, что могут переключать токи в десятки ампер и напряжения в тысячи вольт.

В электрическую команду обслуживания электрических систем ещё входят измерительные приборы, но о них нужно сказать особо.

ВК-233. При амплитудной модуляции боковые частоты, верхняя f_в и нижняя f_н,отстоят от основной несущей частоты передатчика f₀ в зависимости от того, какова наибольшая низкая частота F_нч. Этим же, естественно, определяется и полоса частот, которую радиостанция занимает в эфире. Для ручной (медленной) телеграфной передачи достаточно 0,5 килогерца, для передачи телефонных разговоров — примерно 4 килогерца, ну а дальше полоса становится шире с повышением качества передачи музыки.

Т-185. Измерительные приборы рассказывают о невидимом и неуловимом. Приборы для измерения напряжений, токов и других параметров электрической цепи обычно считают оборудованием вспомогательным, но они не меньше иного основного многое сделали и делают для электричества. Достаточно вспомнить, что эти приборы, рассказывая о невидимых событиях в электрической цепи, помогают проверять расчёты и теории, быстро находить и устранять неисправности, непрерывно контролировать работу машин и аппаратов, предупреждать о каких-либо отклонениях от нормы, не дожидаясь появления дыма.

Кое-что об измерительных приборах уже сообщалось, было сказано, как включаются в цепь вольтметр и амперметр, почему собственное сопротивление вольтметра должно быть как можно больше, амперметра — как можно меньше. Настал момент пояснить, как выглядят и как работают реальные приборы, которые раньше в нашем рассказе появлялись лишь в виде условных обозначений на схемах и в простейших рисунках.

Самый простой — прибор электромагнитного типа, через его катушку пропускают измеряемый ток, и она, как любой электромагнит, намагничивает и втягивает небольшой железный сердечник. Но втягиванию противодействует пружина, и чем больше измеряемый ток, тем больше втягивающая сила электромагнита, тем в большей мере он преодолевает сопротивление пружины, тем сильнее в катушку втягивается сердечник и дальше отклоняется связанная с ним стрелка. Недостаток прибора — не очень высокие точность и чувствительность, достоинство — он с одинаковым успехом измеряет постоянный и переменный ток: когда направление тока меняется, сердечник тут же перемагничивается и продолжает втягиваться в катушку прибора.

Более точный стрелочный прибор магнитоэлектрического типа, в нём на спиральных пружинках подвешена лёгкая квадратной формы катушка, которую называют рамкой. Рамка находится в поле постоянного магнита, а через пружинки к ней подводится измеряемый ток. Взаимодействуя с полем магнита, магнитное поле рамки старается повернуть её, с рамкой жёстко связана стрелка, по отклонению которой можно судить о величине тока. Основная характеристика прибора — это его чувствительность, то есть ток, который отклоняет стрелку до конца шкалы. У средних приборов это 1–5 миллиампер, у хороших 50-100 или даже 10–20 микроампер. Магнитоэлектрический прибор, в отличие от электромагнитного, измеряет только постоянный ток: если ток меняет направление, то рамка и вместе с ней стрелка отклоняются в обратную сторону, влево от нуля. А при переменном токе стрелка дергалась бы туда-сюда, но из-за инерции она не успевает отклоняться и, подрагивая, стоит на месте. Вместе с тем магнитоэлектрическим прибором можно измерять переменное напряжение, используя простейший полупроводниковый выпрямитель.

Любой из приборов может быть не только амперметром, но и вольтметром: чем больше измеряемое напряжение, тем больший ток идёт через прибор, тем сильнее отклоняется стрелка. Главное, чтобы прибор своим сопротивлением сам не менял режим цепи и не показывал ток или напряжение, которые без него будут совсем иными.

На основе чувствительного магнитоэлектрического прибора (его часто называют гальванометром) строится очень популярный комбинированный прибор авометр, это сокращение от слов амперметр, вольтметр, омметр. Чтобы по общей шкале удобно было отсчитывать и большие, и малые величины, прибор, как правило, делают многопредельным: переключая добавочные резисторы и шунты, делают так, чтобы стрелку в одном случае полностью отклонял ток, например, 500 мА, а в другом 5 мА. Сопротивление авометр измеряет с помощью внутренней батарейки.

В последние годы с традиционными стрелочными приборами успешно конкурируют цифровые. В них измеряемый ток или напряжение преобразуются в определённый код, который в итоге и высвечивает на экране нужные цифры. Но совсем не обязательно традиционные стрелочные приборы будут вытеснены цифровыми, ведь не вышли же из употребления часы со стрелками с появлением очень точных часов с небольшим цифровым экраном. Иногда особая точность отсчёта не нужна, и стрелочный прибор удобнее — взглянул на положение стрелки и, не задумываясь, сразу чувствуешь суть дела.

Существует большое многообразие измерительных приборов, например, генераторы постоянного тока, измерительные (маломощные) генераторы переменного тока различных частот, приборы для измерения индуктивности катушек или ёмкости конденсаторов, измерители частоты, фазы, амплитуды, напряжённости электрического или магнитного поля, использующие принцип радиолокатора определители места повреждения кабеля и много других приборов.

Об одном из них нельзя не сказать несколько слов — это электронный осциллограф. В одном из режимов его внутренний генератор, воздействуя нарастающим напряжением («пила») на отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки, равномерно продвигает электронный луч и высвечивает на экране ровную горизонтальную линию. Если при этом на другую пару отклоняющих пластин подать какой-нибудь исследуемый сигнал, то он будет отклонять луч вверх-вниз, и на экране появится самый настоящий график сигнала — подробный отчёт о всех его изменениях во времени. В двухлучевом осциллографе можно наблюдать и сравнивать одновременно два сигнала. Осциллограф может работать в нескольких режимах, демонстрируя главную черту всех измерительных приборов: они позволяют реально увидеть невидимый мир электричества.