ГЛАВА ОДИННАДЦАТАЯ
ПУТЕШЕСТВИЕ ПО "СТРАНЕ ПЭЭФ"
11-1. Кромки и гиганты
В древнейшие времена у диких племен появились первые изображения земной поверхности в виде чертежей на песке, на древесной коре. В начале нашей эры греческий ученый Птоломей стал наносить на географические карты параллели и меридианы. В 13 в. в Италии составлялись географические карты, уже близкие к нашим современным.
Затем методы составления географических карт стали применяться не только для изображения поверхности Земли, но и как художественный, литературный прием. Появились карты различных воображаемых, вымышленных стран. В 17 в. французская писательница Мадлэн Скюдери создала карту выдуманной «Страны Нежности». Там можно было найти: «Деревеньку Остроумия», «Городок Большое сердце», «Озеро Равнодушия», «Моря Охлаждения и Забвения», в которые впадали «Реки Влюбленных». Карта «Страны Нежности» в свое время была очень популярна. Она, например, не раз упоминается в романах Александра Дюма.
Различные электротехнические приборы, машины, аппараты также можно изобразить в сетке координат, аналогичной географическим меридианам и параллелям. Всякий электротехнический прибор можно характеризовать мощностью (ее принято обозначать латинской буквой Р — «пэ») и частотой тока (обозначение f — «эф»). Следовательно, можно составить карту страны электротехники — «Страны Пээф».
В дни блокады в Ленинграде я обдумывал, как будет развиваться электротехника, намечал маршруты грядущих походов по стране электротехники. В 1944 г. была издана моя маленькая книжка «Страна Пээф» — популярный очерк современной электротехники.
В нашу эпоху наука и техника развиваются стремительно. За истекшие годы страна Пээф сильно изменилась. Мне хочется воспользоваться старой идеей, старым названием, составляя новые карты и новые описания нашей электротехники середины двадцатого века.
Можно строить карту великой страны электротехники не только в координатах: мощность — частота тока. Можно взять и координаты: ток — напряжение. Этот принцип и принят теперь (рис. 11-1). А с частотой как же быть? Решено для различных частот составить свои отдельные карты, всю электротехнику разделить на несколько областей: 1) постоянный ток, 2) ток промышленной частоты (50 Гц), 3) токи повышенных частот (звуковые и ультразвуковые частоты) и, наконец, 4) радиочастоты. Для каждой из этих четырех областей построена своя карта в координатах напряжение — ток.
По вертикали откладывается напряжение. Каждая горизонтальная линия определяет изменение напряжения в 10 раз. Жирные горизонтальные линии на карте соответствуют тысячекратному изменению напряжения.
По горизонтали откладывается ток. Каждая вертикальная линия соответствует изменению тока в 10 раз. Жирные вертикальные линии дают тысячекратное изменение тока.
Масштаб, принятый в наших картах, называется логарифмическим. Расстояния между делениями пропорциональны не самим числам, а их логарифмам. Такой масштаб позволяет поместить на одном графике как очень большие, так и очень маленькие величины. У наших карт нет границ: их можно неограниченно продолжать как в сторону все больших, так и в сторону все меньших величин.
Помимо вертикальных и горизонтальных линий, на каждой из наших карт нанесено еще по два семейства наклонных линий. Линии одного семейства идут сверху слева — вниз направо. Каждая такая линия соответствует постоянной величине произведения тока на напряжение — постоянной мощности P=UI. При перемещении по такой линии вниз направо напряжение падает, но одновременно во столько же раз возрастает ток, и произведение тока на напряжение остается неизменным. При перемещении же вверх влево, наоборот, уменьшается ток и возрастает напряжение, и опять- таки произведение этих величин P=UI остается постоянным. По диагонали график пересекает линия, соответствующая мощности в 1 ватт.
Рис. 11-1.
Вверх вправо от нее идут линии, соответствующие: 1 киловатту, 1 мегаватту (тысяче киловатт) и, наконец, миллиону киловатт (иногда говорят один гигаватт). Вниз влево от линии 1 ватт идут линии: 1 милливатт (10-3 вт), 1 микроватт (10-6 вт).
Все аппараты, сидящие на одной линии мощности, имеют между собой то общее, что в одинаковое время перерабатывают равные количества электроэнергии.
Линии, идущие на графиках снизу слева — вверх направо, соответствуют постоянной величине отношения напряжения к току, т. е. это линии постоянного сопротивления R=U/I. По диагонали идет линия, соответствующая сопротивлению в 1 Ом. Вниз от нее идут линии, соответствующие все меньшему сопротивлению — тысячной, миллионной, миллиардной долям ома. Линии вверху справа соответствуют большим сопротивлениям: тысяча, миллион, миллиард Ом.
В электротехнических машинах, приборах, аппаратах расход конструкционных материалов зависит от мощности. Чем больше токи, тем больше требуется проводниковых материалов (меди, алюминия) — на токопроводящие части — и ферромагнитных материалов (электротехнической стали, различных ферритов) — на магнитопроводы. Чем выше напряжение, тем больше требуется электроизоляционных материалов. Чем больше мощность, тем больше размеры и вес конструкций. Однако необходимо подчеркнуть, что удельный расход конструкционных материалов (расход материалов на единицу мощности) тем меньше, чем больше мощность электротехнического устройства. Веса и размеры электротехнических конструкций растут не прямо пропорционально мощности, а несколько медленнее. Поэтому и существует в электротехнике тенденция все увеличивать предельную мощность машин и аппаратов. Удельные потери энергии (потери на единицу преобразуемой мощности) обычно также уменьшаются с ростом мощности машины или аппарата.
Изображения различных электротехнических машин, приборов, аппаратов даны на картах в разных масштабах. В нижней левой части наших карт — электрические крошки. В верхней правой части — гиганты, размеры их намеряются метрами, а вес — тоннами.
Устройства, служащие для связи, контроля, сигнализации, измерений, управления, прежде всего было принято относить к «технике слабых токов», энергетические же устройства — к «сильноточной технике». Теперь такое деление не всегда справедливо. Существуют устройства связи, мощность которых много больше иных устройств энергетического назначения. Поэтому на наших картах нет границ, которые отделяли бы слабые токи от сильных.
Обзор карт начнем с области постоянного тока (иногда его называют «прямой ток»; к сожалению, это более правильное название не прививается).
11-2. Постоянный ток
Множество машин и аппаратов работают на постоянном токе. Область постоянного тока все расширяется, как и остальные области электротехники.
Важнейший потребитель постоянного тока — электротехническая промышленность. Здесь электрический ток — своеобразное сырье. С его помощью получают различные продукты.
Один из главных материалов современной техники — алюминий в настоящее время получается исключительно электрохимическим способом: пропусканием тока через расплавленные соединения алюминия.
Ванны для электролиза алюминия работают при токах во многие тысячи ампер. Напряжение на ванне меньше 3 в, но для удобства эксплуатации большое число ванн включается последовательно. Получается так называемая серия ванн. Напряжение на серии выбирается порядка нескольких сотен вольт. Мощность серии ванн измеряется обычно многими тысячами киловатт. Чтобы произвести 1 т алюминия, необходимо затратить: около 2 тонн глинозема, 0,7 т угольных электродов (соединенные с положительным полюсом угольные аноды сгорают в процессе электролиза алюминия) и до 20 000 κвт-ч электроэнергии. Алюминиевая промышленность является одной из наиболее энергоемких отраслей промышленности.
Первый в СССР алюминиевый завод — Волковский — пущен в 1932 г. В 1937 г. СССР уже занимал третье место в мире по производству алюминия.
С помощью электролиза Постоянным током добывают также ряд других металлов: магний, натрий, калий. В электролитических ваннах очищается (рафинируется) медь, идущая на приготовление проводов.
На постоянном токе действуют многочисленные гальванопластические установки для нанесения слоев одного металла на другой.
Машиностроительные детали покрывают тонким слоем хрома для придания твердости и износоустойчивости. Хромом и никелем покрывают также различные детали для придания устойчивости против коррозии и для красоты. Жесть для консервных банок изготавливают из железа, покрытого гальваническим путем тонким слоем олова.
Почти в каждом современном металлообрабатывающем заводе имеется цех гальванопокрытий.
Не менее 10% вырабатываемой во всем мире электроэнергии расходуется в виде постоянного тока для различных электрохимических процессов.
В левом нижнем углу края постоянного тока находятся термопары. Спай из двух различных металлов или сплавов развивает электродвижущую силу, если температура этого спая отличается от температуры остальной части цепи.
Термопары — это генераторы электроэнергии. Они превращают тепло в электрический ток, их так и называют — термогенераторы, термобатареи. Термогенераторы из металлов или сплавов имеют очень низкий к. п. д., они превращают в электроэнергию меньше одного процента от подводимого тепла. Но они хороши как измерители температуры: очень точные, надежные, удобные в обращении. С термопарой соединяют электроизмерительный прибор и по его показаниям судят о температуре. Термопара из благородных металлов (один провод — платина, другой — сплав платины с родием.) может измерять высокие температуры (до 1 600° С). Насколько широко применяются термопары, можно судить по тому, что производятся специальные сплавы: «хромель», «алюмель», «копель» для приготовления электродов термопар.
В печах, где выплавляют сталь, варят стекло, обжигают различные керамические изделия, температуру измеряют при помощи термопар. Термопары служат чувствительными элементами (термоэлектрическими датчиками) в различных автоматических регуляторах температуры.
При тонких биологических измерениях, когда требуется с высокой точностью измерить температуру единичного мышечного волокна или нервного узла, применяют термопары из тончайших проволочек.
Термопары можно создавать не только из металлов, но и из полупроводников. Полупроводниковые термопары развивают более высокую термоэлектродвижущую силу, чем металлические термопары, и имеют к. п. д. несколько процентов.
Из полупроводниковых термопар собирают батареи для питания радиоприемников. Выпускается в СССР термобатарея, которая развивает мощность около 30 вт. Она нагревается керосиновой лампой, потребляющей в час около четверти килограмма керосина. Термопары могут применяться и для обратного преобразования электроэнергии в тепловую, они могут работать как «тепловые насосы», забирая тепло от более холодного тела и передавая его более нагретому. С полупроводниковыми термопарами строят холодильники. Можно применять полупроводниковые термопары и для отопления помещений. Они забирают тепло от холодного воздуха с улицы и накачивают это тепло в помещение. Так получается значительно больший эффект, чем от применения простых электрических печек.
В левой нижней части этой карты можно найти еще маломощные электрогенераторы: это химические источники тока — гальванические элементы. Наиболее распространены элементы, в которых электроэнергия получается за счет окисления цинка. Цинковый катод имеют и батарейки для карманных фонариков. Ведутся исследования, чтобы создать элементы, в которых электроэнергия получалась бы за счет окисления углерода и водорода. В частности, над этой проблемой работал в конце прошлого века знаменитый русский изобретатель Яблочков.
Электроэнергия, получаемая от химических источников тока, получается много дороже электроэнергии, вырабатываемой на центральных электростанциях вращающимися машинами. Химические источники тока не применяются в «большой энергетике», но они незаменимы, когда приходится питать небольшой мощностью какое-либо автономное устройство. В частности, химические источники тока применены во всех искусственных спутниках.
К электрохимическим генераторам относятся и устройства для измерения электрическим способом химического состава различных сред. В исследуемые среды помещаются специальные электроды, и измеряется развиваемая ими электродвижущая сила. Она зависит от содержания щелочей или кислот в растворе. По показаниям прибора можно определять концентрацию ионов в растворе. Такими методами управляют различными процессами, — например, контролируют процессы химического извлечения урана из его руд.
В верхней части карты размещаются высоковольтные устройства. Для получения напряжений до нескольких миллионов вольт при мощности до 10 кВт иногда применяют электростатические генераторы. В них высокие напряжения получаются за счет переноса электрических зарядов механическим путем. Один из распространенных типов электрических генераторов разработан американским физиком Ван-де-Граафом. В генераторе Ван-де-Граафа электрические заряды переносятся на ремнях из изоляционного материала. Таким образом можно получать токи до одной тысячной доли ампера.
Для получения больших токов и мощностей при высоких напряжениях применяются каскадные преобразовательные схемы. В каскадных преобразовательных схемах обычно имеется ряд последовательно (каскадно) включенных конденсаторов. Каждый конденсатор через электрические вентили заряжается от цепи переменного тока. Напряжения всех конденсаторов складываются. Если, скажем, каждый конденсатор заряжается до напряжения в 100 тыс. в, а всего в преобразователе 20 каскадов, то результирующее напряжение будет 2 млн. в.
Верх нашей карты ограничен напряжением 10 млн. в. Более высоковольтные установки в настоящее время не строятся, и вряд ли будет нужда строить их в будущем. Сверхвысокие напряжения необходимы, чтобы ускорять заряженные атомные частицы для исследований атомного ядра.
Ученые нашли пути ускорять частицы без применения сверхвысоких напряжений. Для ускорения используются переменные напряжения токов высокой частоты. Ускоряемые частицы получают множество отдельных согласованных толчков, и скорость их становится такой, как будто бы они прошли напряжение постоянного тока в миллиарды вольт.
На постоянном токе с напряжением порядка 100— 200 тыс. в работают электрические фильтры для очистки газов. В фильтрах электрические заряды насаживаются на мельчайшие пылинки и капельки. Электроды, заряженные до высокого напряжения, увлекают к себе наэлектризованные пылинки, освобождают от них газ.
Электрические фильтры применяются на электростанциях, на цементных заводах и во многих других случаях, когда надо улавливать очень тонкую пыль.
Напряжения в несколько десятков и сотен тысяч вольт применяются в рентгенотехнике. Чем выше напряжение, подводимое к рентгеновской трубке, тем более коротковолновое, более проникающее — более жесткое, как говорят, — излучение она дает.
В телевизионных трубках применяют обычно для ускорения электронного луча напряжение не выше 20 000 в, чтобы предотвратить возникновение рентгеновского излучения.
Можно применять постоянный ток высокого напряжения для передачи электроэнергии на большие расстояния. Линии постоянного тока имеют некоторые преимущества перед обычными линиями переменного тока. Однако применение линий передачи постоянного тока связано и с рядом затруднений: на месте потребления необходимо превращать постоянный ток высокого напряжения в обычный переменный ток. В настоящее время во всем мире существует лишь небольшое количество линий передачи электроэнергии постоянным током высокого напряжения. Ведущая роль во внедрении этих линий принадлежит СССР.
Важная область применения постоянного тока — это электропривод. Двигатели постоянного тока обладают очень хорошими рабочими характеристиками: сильно берут с места, позволяют плавно и точно регулировать скорость.
Двигатели постоянного тока применяются на электротранспорте. В троллейбусах и в трамваях, в вагонах метро, в пригородных электропоездах, в электровозах для дальних магистралей — всюду работают двигатели постоянного тока.
Для привода землеройных машин, для самых мощных, самых производительных экскаваторов применяются двигатели постоянного тока. Постоянным током питают двигатели мощных прокатных станов, машин для вытяжки стекла из ванных печей, бумагоделательных машин и еще многих других важных агрегатов современной индустрии.
