Текст книги "Мир электричества"

Во флоте практика применения электричества началась в XIX веке с установки прожекторов. Питались первые установки от поршневых машин с генераторами постоянного тока. Безопасное электрическое освещение внутренних помещений корабля трудно переоценить. Кроме всего, свет ламп накаливания продлил время боевой службы на военных кораблях. А электропривод существенно увеличил их боеготовность. Именно поэтому конец XIX столетия ознаменован усиленными разработками в этой области. После русско-японской войны, продемонстрировавшей отставание России в техническом вооружении флота и малую живучесть ее кораблей, основными источниками электроэнергии на кораблях становятся турбогенераторы. В 1911 году проектное бюро Балтийского завода предложило при проектировании линейного корабля «Севастополь» для обеспечения экономического хода судна использовать совместно дизель-генераторы и гребные электродвигатели постоянного тока. Но уже испытания минного заградителя «Амур» с двигателями переменного тока показали преимущество последних. И проект электроэнергетической системы «Севастополя» решили пересмотреть, с тем чтобы частично перевести на переменный ток.

С 30-х годов во всем мире при проектировании новых кораблей стали переходить к более простому и надежному электрическому оборудованию переменного тока.

После Великой Отечественной войны и восстановления промышленности нашей страны было принято решение о постройке мощных ледоколов для освоения Северного морского пути и специальных транспортных судов ледового плавания, способных следовать за ледоколами в условиях Арктики.

Первым дизель-электроходом отечественной постройки стал танкер «Генерал Ази-Асланов», вошедший в эксплуатацию в 1950 году. По его примеру дизель-генераторами со специально спроектированным оборудованием была оснащена большая серия китобойных судов и мощных рефрижераторов.

Электрические вентиляторы в гражданском строительстве

Корабли всех военных флотов мира стали оснащаться электронными системами радиолокации, управления, навигации связи и т. д. Все это требовало новых электроэнергетических мощностей. Корабли становились с энергетической точки зрения настоящими плавучими электростанциями. Например, на американском авианосце «Энтерпрайс» в бортовых отсеках установлены шестнадцать турбогенераторов мощностью по 2500 кВт каждый. Кроме того, имеются еще четыре резервных дизель-генератора мощностью по 1000 кВт. Получается, что на корабле располагаются двадцать самостоятельных электростанций, обеспечивающих живучесть всего сооружения.

Совершенно новые тактико-технические свойства всем кораблям, и особенно подводному флоту, придала атомная энергетика.

В 1958 году Советский Союз построил первую атомную подводную лодку. И это явилось крупным техническим достижением в области военного кораблестроения. А в следующем году вступил в строй первый в мире атомный ледокол «Ленин».

Долго, в течение десяти лет, с середины 60-х годов по заказу военных разрабатывался первый отечественный атомный надводный корабль, задуманный сначала как атомный сторожевик. В конце концов он был выпущен как тяжелый атомный ракетный крейсер с энергосистемой из четырех электростанций.

Но для успешной боевой работы, кроме движения и управляемости, корабль должен иметь надежное оружие. Сначала главным видом морского вооружения являлась артиллерия. Затем к ней добавились мины и торпеды. После Второй мировой войны – ракеты. При этом любой вид вооружения требовал самых новых, самых последних достижений электротехники и электроники, радиосвязи, радиолокации и радиоуправления.

Любопытно отметить, что первая отечественная торпеда с электроприводом была разработана И. Ф. Александровским еще во второй половине XIX века. Но идеи талантливого конструктора не были поддержаны, и торпеды для русского флота закупались в Англии.

В 1950 году была создана и принята на вооружение первая отечественная торпеда с электронным самонаведением. Тогда же конструкторы приступили к разработке и совершенствованию ракетных противолодочных комплексов. И в 1971 году для вооружения первых атомных подводных лодок были созданы комплексы «Брест» и «Спрут». Для больших авианесущих кораблей – комплекс управления стрельбой «Пурга», а затем – универсальный комплекс «Лахна», способный производить стрельбу торпедами, ракетами-торпедами и глубинными бомбами.

Период с середины 60-х до начала 80-х годов специалисты называют «золотым веком» отечественного судостроения. В это время в Центральном научно-исследовательском институте судовой электротехники и технологии (ЦНИИСЭТ) были выполнены важнейшие работы и достигнут существенный прогресс в создании мощных надводных кораблей, снабженных различного рода ракетным, торпедным и артиллерийским вооружением, а также дизель-электрические и первые атомные подводные лодки. Военный флот получил тяжелые атомные ракетные крейсеры, противоминные корабли, быстроходные ракетные и артиллерийские катера, мощные десантные суда на воздушной подушке и катера на управляемых подводных крыльях. В строй вступили атомные подводные лодки третьего поколения, вооруженные комплексами ракетного оружия «Гранит», которые не имели аналогов нигде в мире…

Для освоения природных ресурсов Мирового океана на судостроительных заводах в 80-е годы было начато строительство полупогруженных добывающих буровых установок и многоцелевых платформ, требующих электроэнергетического обеспечения большой мощности. Эти сооружения потребовали и новой энергетики. На повестку дня встает вопрос о внедрении сверхпроводниковых электрических машин, высоковольтного оборудования и нового увеличения единой мощности генераторов и нагрузки. Поистине технический процесс безграничен. Но, возможно, именно в этом и заключается его главное достоинство.

Помните, как русский инженер Лодыгин изобретал электролет? Было это в 70-х годах XIX века. Реализация проекта не состоялась, и от грандиозного замысла осталась маленькая лампочка накаливания, которая должна была освещать кабину летательного аппарата. В 1881 году французские воздухоплаватели братья Тиссандье взяли патент на «применение электричества в воздушной навигации». Сначала они удачно продемонстрировали на Парижской выставке модель электрического аэростата длиной 3,5 м. Затем, собрав деньги, приступили к строительству рабочего аппарата. Французский изобретатель Труве построил для него электромотор по типу двигателей Сименса мощностью 100 лошадиных сил и запускал его от гальванической батареи из 24 элементов. Искусный часовой мастер Виктор Татен, известный своими летающими моделями с тянущими винтами, спроектировал двухлопастный пропеллер.

8 октября 1883 года состоялось первое испытание. День был почти безветреный. Скорость движения воздуха не превышала 3 м/с, но аэростат с трудом удерживался на месте при включенном на полную мощность двигателе. При втором испытании скорость аэростата возросла, но только до 4 м/с. Конечно, этого было мало. Однако все так желали видеть в аппарате Тиссандье не просто воздушный поплавок, а управляемый новой силой аэростат, что предприимчивые братья полностью ощутили вкус славы.

Новая сила – электричество – заявила о себе и как победительница воздушной стихии. Французский рисовальщик и писатель-юморист Альбер Робида выпустил в 1883 году фантастический роман «Двадцатое столетие» с массой рисунков, посвященных будущему триумфу электричества. (В 1894 году, переведенная на многие языки, его книга вышла и в России под названием «ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЖИЗНЬ. Двадцатое столетие».)

В книге множество забавных рисунков, которые показывают, какой представляли себе жизнь в электрическом веке французские романисты конца XIX столетия. Есть тут и телевизоры – автор называет их телефоноскопами, – и автоответчики. Многое из того, что казалось сто с небольшим лет назад фантастикой, в наше время осуществлено. Более того, электротехника шагнула неизмеримо дальше, в такие области, которые не снились даже самым дерзким фантастам. Особенно усердствует французский автор, описывая применение электричества на воздушном транспорте.

Испытание аэростата с электрическим управлением братьев Гастона и Альбера Тиссандье

С самого начала авиации на борту аэропланов стали устанавливать источники постоянного тока. На военных самолетах в период Первой мировой войны электрические лампочки освещали кабины пилотов и использовались для внешних габаритных огней. Ротор генератора приводил во вращение отдельный ветряной двигатель или привод от моторного вала. К примеру, на русском самолете «Илья Муромец» стоял генератор, дававший напряжение 500 В.

В СССР на пикирующем бомбардировщике В. Н. Петлякова в 1939 году впервые были применены различные виды электроприводов. Они обеспечивали управление различными элементами скоростной машины.

Новые самолеты требовали все больше электроэнергии. Это вело к увеличению веса электрооборудования. А проблема собственного веса всегда была одной из серьезнейших в авиации. Вот если бы можно было поднять напряжение. Но самолетное оборудование обслуживалось постоянным током. А поднимать постоянное напряжение, как мы знаем, и сложно, и опасно. Назревала необходимость перехода авиационной электротехники на переменный ток.

Могучая, но не вполне еще прирученная рабыня

Электричество (карикатура XIX века)

Тут далеко не все было просто. Условием параллельной работы генераторов переменного тока является их синфазность, то есть строгое совпадение частоты. Обеспечить это в реальных условиях полета трудно. Но к середине 60-х годов многие трудности были устранены. Например, на борту транспортного самолета Ан-22 «Антей» (первый полет 27 февраля 1965 года), бывшего тогда крупнейшим в мире, кроме пилотажно-навигационного и радиооборудования, имелись электрическая грузовая лебедка, электротельфер, рольганговое и другое электросиловое оборудование. Все это обеспечивали энергией четыре генератора мощностью по 120 кВт каждый. На пассажирском самолете Ту-144 стояли четыре генератора переменного тока мощностью по 60 кВт.

В последние годы наметилась тенденция создания смешанных электрогидравлических и электропневматических устройств. В них электричество выполняет функции управления, а силовые функции – менее инерционная и более легкая гидравлика. Но главным элементом в новом электромеханизме по-прежнему остается электродвигатель.

Автономные источники электроэнергии получили новый толчок развития с освоением космического пространства. К космической энергетике и электротехнике предъявляются особенно жесткие и специфические требования, прежде всего – высокая надежность, длительный ресурс работы без внешнего обслуживания и устойчивость к необычным условиям окружающей среды. Сегодня в качестве таких источников конструкторы используют в основном солнечные батареи и атомную энергию, получаемую с помощью либо реакторов, либо радиоизотопных источников. Частично применяются и химические источники электроэнергии. Каждый вид имеет свои достоинства и недостатки.

Воздушный кабриолет

Так, аппаратура первого искусственного спутника Земли, запущенного СССР в 1957 году, работала от серебряно-цинковых аккумуляторов. Но уже на третьем нашем искусственном спутнике Земли в 1969 году стояли солнечные батареи в сочетании с энергоемкими аккумуляторами. «Крылья» солнечных батарей стали буквально символом космических станций и межпланетных кораблей. Неиссякаемая энергия нашего светила – что может быть более привлекательным для энергетиков?

Американская фирма «Спектролаб Инк.» разработала и поставила на своих спутниках солнечные батареи мощностью 10 кВт. Их солнечные элементы имеют двухслойную структуру и наносятся на германиевую основу. При этом наружный слой состоит из фосфата галлия с индием, который чувствителен к коротковолновой части солнечного спектра, а внутренний слой из арсенида галлия преобразует длинноволновую часть спектра.

Разработкой новых солнечных элементов заняты за рубежом многие фирмы. Ведущими в этой отрасли являются японская фирма «Шарп» и германская «Телефункен».

Опыты по золочению с помощью химических элементов

Технология – это наука о воздействии на сырье или полуфабрикаты для получения конечного продукта. Технологией же называют и совокупность методов обработки, изменения состояния свойств, то есть опять же изготовление конечного продукта из материала-полуфабриката.

Занимаясь поисками более надежных источников питания для своего двигателя, Борис Семенович Якоби обратил внимание на то, что слой меди, оседающей на электроде, нарастает исключительно равномерно, повторяя в точности все неровности и все царапинки на поверхности электрода. При этом осажденный слой было довольно легко снять. Счастливая мысль поразила исследователя. Он снял с входной двери медную табличку, на которой было выгравировано его имя, сунул на место медного электрода и скоро получил точное негативное изображение надписи. Он взял тяжелый медный пятак и получил оттиск с одной и с другой стороны. Это было чудесное открытие. Ведь в качестве одного из электродов можно брать хоть серебро, хоть золото, а в качестве второго – металлическое изделие. Не очень долгий процесс под током от тех же гальванических батарей – и металл изделия оказывался посеребренным или вызолоченным!

Новыми опытами увлеклись многие. Открытие Якоби оказалось весьма своевременным. Россия готовилась к реформе перехода на денежную систему ассигнаций взамен кредитных билетов. Реформа затягивалась из-за изготовления граверами точных клише, которые нельзя было бы подделать. Изобретение Якоби снимало проблему.

Гальванопластическая мастерская XIX века

В 1842 году из печати вышло первое «Теоретическое и практическое руководства к золочению, серебрению, платинированию, лужению». Автор – А. Ф. Греков. Еще через два года – «Гальванизм в техническом применении» князя В. Одоевского. Процессами золочения в железосинеродистых электролитах активно занимался князь Петр Багратион. Отдал дань всеобщему увлечению и Эмилий Ленц, занявшись изготовлением копий медальонов методом гальванопластики.

Сам Якоби получил возможность организовать мастерскую гальванотехники.

Электрический взрыватель мин

В заказах недостатка не было. Статуи и барельефы для Исаакиевского собора, для Зимнего дворца и Петропавловского собора в Санкт-Петербурге, для Большого театра в Москве и для других зданий. Более сорока пяти пудов золота пошло на золочение куполов соборов Санкт-Петербурга и храма Христа Спасителя в Москве, все эти заказы выполнили мастерские гальванопластики. Чтобы познакомить со своим изобретением европейских ученых, Якоби сделал гальванопластическую копию с металлической пластинки, на которой было выгравировано: «Фарадею от Якоби с приветствием». Копия поехала в Англию, откуда скоро пришел ответ «короля физиков»: «Меня так сильно заинтересовало Ваше письмо и те большие результаты, о которых Вы даете мне такой обстоятельный отчет, что я перевел его и передал почти целиком издателям «Философикал мэгэзин» в надежде, что они признают эти новости важными для своих читателей…»

Фарадей не ошибся. Мастерские гальванопластики стали возникать во всех странах. А отчет Якоби, представленный на Всемирной выставке 1867 года в «Записках Академии наук», оказался едва ли не самым популярным экспонатом.

Интересно, что при раскопках в древних египетских гробницах археологи нашли немало деревянных предметов, покрытых слоем меди. Скорее всего, древние египетские жрецы владели способом гальванопластики. Искусство химического превращения строго охранялось в египетских храмах от непосвященных. Со временем и с нашествием арабов древнее искусство сначала забыли, а потом и потеряли его секреты.

В 1800 году английские физики Уильям Никольсон и Энтони Карлейль сообщили о том, что им удалось с помощью электрического тока от вольтова столба разложить воду.

Сегодня с помощью электрохимических процессов ведется в промышленных масштабах электролитическое разложение воды, получение хлора и щелочи, электрохимический синтез соединений, гальванотехника, получение и рафинирование металлов и другие процессы.

Электрические запалы мин

Электрическая печь Вильяма Сименса

В 1802 году Василий Петров исследовал электролиз воды, оксидов свинца, олова, ртути, а также электролиз органических соединений.

В 1838 году российский академик Борис Якоби заявил о разработанном им методе гальванопластики, создал целый ряд приборов, нашедших широкое применение в промышленности и военном деле. Среди них телеграфный аппарат и линия связи между Зимним дворцом, Царскосельским дворцом и Главным штабом. Наконец, во время Крымской войны он разработал новый метод подрыва мин с помощью магнитоэлектрической машины и создал дистанционный электрический минный взрыватель.

В запал мины вставлялся проводник, который раскалялся электрическим током, воспламенял запальную смесь и… ба-бах! Были и другие запалы, взрывающиеся от искры, которая проскакивала между проводниками от электрической машинки.

Для промышленного применения электродугового нагрева французы Депре и Пишон, а также «английский» Сименс изобрели электроплавильные печи. В тигели с платиновым или угольным отрицательным электродом в днище загружали куски стали. С другой стороны присоединяли «плюсовой» провод от динамо-машины. Возникала дуга, которая плавила металл. Потом уже другие изобретатели придумали специальные печи для плавки металлов электрическим способом.

Николай Гаврилович Славянов (1854–1897)

В 1888 году в России горный инженер Николай Гаврилович Славянов изобрел метод электрической отливки и сварки металлов, получив патенты во многих европейских странах. Он же изобрел метод «электрического уплотнения металлических отливок» и в судостроении заменил клепку корпусов сваркой.

Англичане в самом конце XIX века разработали теорию и практику индукционного нагрева и плавки. По сути, к 90-м годам XIX века в мире возникла новая отрасль промышленности – электротехнология. Сегодня она настолько широко внедрена в промышленность и получила такое развитие, что понадобилась специальная классификация.

Прежде всего это электротермические процессы, при которых электрическая энергия преобразуется в тепловую, а уже та используется в технологии производства. При этом нагрев может происходить самым разным образом: либо как нагрев резистивный (нагрев сопротивления), либо – электродуговой. Нагрев проводников в электромагнитном поле – индукционный нагрев и нагрев диэлектрический, когда температура повышается в диэлектрике. Обрабатываемые детали могут нагреваться в потоке плазмы, электронным лучом, с помощью лазера, в высокочастотном электромагнитном поле.

Примерами первых бытовых применений резистивного нагрева в XIX веке являлись электрические самовар, камин, инкубатор и грелка для щипцов, чтобы завивать волосы дамам.

Но затем идут более серьезные задачи – электросварочные процессы, которые не нуждаются в особом разъяснении. Достаточно представить себе картину цеха, где производилась электросварка при помощи вольтовой дуги. Все процессы и атрибуты нам хорошо знакомы. То же темное стекло, предохраняющее глаза от яркого света, те же или почти те же электроды.

Далее назовем электрофизические процессы, использующие различные физические эффекты для механической обработки. К ним относится электроэрозионная обработка. Суть ее заключается в разрушении участков заготовки под действием электрических разрядов. В качестве источников электрической энергии применяются специальные генераторы импульсов.

Электрический самовар

Электрический инкубатор

Метод электроимпульсной обработки давлением (электровзрывная обработка) применяется при штамповке, чеканке, дроблении хрупких материалов и при вытяжке изделий. Есть и другие виды электрофизической обработки различных материалов: электронно-ионная технология, электроочистка с помощью сильного электрического поля. Нанесение защитных покрытий в электрическом поле, электропечать и другие…

Следующим классом электротехнологических процессов является электрохимическая технология.

В середине 60-х годов XIX века в Англии инженер Элкингтон, используя имевшуюся в его распоряжении магнитоэлектрическую машину Вильде, попытался осуществить электрическую очистку меди. Но первая успешная установка для очистки меди была сконструирована в 1878 году фирмой «Сименс и Гальске». Электролитом служил раствор медного купороса, и медь с катода снималась достаточно чистой (99,5 %).

Химические процессы, происходящие в электролите при прохождении через него постоянного электрического тока, называются электролизом. При этом на катоде выделяются продукты восстановления, входящие в состав электролита, а на аноде – продукты окисления. Количественные изменения описываются законами Фарадея.

На электролизе основано получение многих металлов, щелочей, хлора, водорода, кислорода, некоторых органических веществ и химических продуктов.

На электролитическом методе был основан способ получения цинка, золота, магния и, что особенно привлекало интерес промышленников, – алюминия. Благодаря электролизу этот легкий серебристый металл из драгоценного и труднодобываемого в малых количествах (в 1856 году один килограмм алюминия стоил 1200 франков) к концу XIX века превратился в широко распространенный и общеупотребительный (стоил он уже около 30 франков за килограмм).

Электрическая грелка для парикмахерских щипцов

С помощью электролиза получают и различные неорганические вещества. В частности, хлор и щелочь. В свое время американцы у Ниагарского водопада, рядом с грандиозной по своему времени электростанцией, построили завод для получения карбида кальция, который использовался в промышленности XIX века.

Широко применяется в промышленности и в других отраслях анодная обработка металлов, в частности, электрополирование и анодное оксидирование. Что такое полирование, я думаю, понятно каждому. Но на всякий случай напомню историю появления процесса. В 1910 году русский химик Е. И. Шпитальский обнаружил эффект полирования поверхности металла при погружении его в концентрированный раствор кислородосодержащих кислот и пропускании через раствор электрического тока. Сегодня таким способом осуществляется электрополирование многих металлов.

При анодном оксидировании поверхность алюминия становится более прочной и изнашивается не столь быстро.