Текст книги "Удивительная физика"

Что вращает самовращатель?

После замечательных открытий Фарадея оставался лишь один шаг до создания электромашин.

Что же такое электромашины? Это моторы, преобразующие электрический ток в механическое движение, и генераторы, выполняющие обратную задачу – превращения механического движения в электрический ток.

Первый в мире электромотор создал Фарадей, причем принцип его действия долго оставался непонятным, да и сейчас его понимают только специалисты по униполярным машинам. Но уже электромагнитный самовращатель венгерского изобретателя Аньоша Едлика, построенный им в 1828 г., напоминает современные коллекторные электродвигатели, работающие обычно на постоянном токе. Такой ток дают, например, гальванические батареи или аккумуляторы.

Принцип работы самовращателя Едлика заключается в автоматическом перемагничивании электромагнита таким образом, чтобы его полюса поменялись местами, в зависимости от положения этого электромагнита. Едлик поместил электромагнит с сердечником на острие опоры, как стрелку компаса, а оба конца его обмотки опустил в две полукруглые чашечки со ртутью, изолированные друг от друга. К одной чашечке был подключен положительный полюс батареи, а к другой – отрицательный. Чашечки со ртутью играли роль обычных токосъемников, только с гораздо меньшим трением. Над электромагнитом находилась обмотка, подключаемая к источнику тока. В принципе эту обмотку вполне можно было бы заменить обычным постоянным магнитом, что мы для простоты и сделаем. Можно было вообще обойтись без этого магнита, памятуя, что сама Земля тоже магнит, и что как стрелка компаса, так и электромагнит на ее месте установятся во вполне определенном положении – от одного полюса к другому.

Если электромагнит Едлика при подаче в него тока уже находился в таком положении, ничего не изменится – он только еще более утвердится в таком положении, и сдвинуть его с места будет трудно. Но если электромагнит находился в произвольном положении, то при подаче в него тока он развернется, чтобы занять устойчивое – от полюса к полюсу – положение. Однако чашечки со ртутью расположены так, что, подойдя к своему устойчивому положению, электромагнит оказывался переключенным. Концы обмоток перескакивали в другие чашечки, полюса электромагнита менялись местами, и, проскочив по инерции устойчивое положение, он снова стремился занять его, но уже новое, под углом 180° к предыдущему. При подходе к этому новому устойчивому положению, все повторялось, и электромагнит постоянно вращался (рис. 369).

Рис. 369. «Самовращатель» А. Едлика:

1 – электромагнит; 2 – обмотка; 3 – изоляция

В дальнейшем ртутные полукольца были заменены медными пластинами, концы обмоток несли на себе графитовые контакты – щетки, но принцип действия электромотора остался тем же. Разве только число полюсов вращающегося электромагнита – якоря или ротора – увеличили, увеличилось и число медных пластин на концах обмоток, и их стали объединять в коллектор. Две пластины на коллекторе остались разве только у самых маломощных моторчиков для игрушек или моделей. Потом постоянные магниты на неподвижной части электромотора – статоре – заменили на электромагниты и получили почти то, что мы видим в электромашинах сегодня. На некоторых из машин постоянного тока, правда, остались постоянные магниты – где для простоты, где для экономичности – их ведь не надо питать током (рис. 370).

Рис. 370. Схема работы электромашины постоянного тока

Если мы подаем в такую электромашину ток, ротор или якорь начинает вращаться, передавая вращение валу. Если мы сами вращаем вал электромашины, то можем снимать со щеток или с обмоток статора ток. Не все электромашины одинаково хорошо работают в режимах как электромотора, так и генератора. Например, автомобильный стартер для запуска двигателя – типичный электромотор, но он никуда не годится как генератор. А современный автомобильный генератор – такой же негодный электромотор. Но есть электромашины, одинаково хорошо работающие и как мотор, и как генератор, их называют обратимыми.

Чаще всего такими бывают электромашины постоянного тока. Подключим небольшой электромоторчик с постоянным магнитом, хотя бы от детской электрифицированной игрушки, к батарейке. Его ротор станет вращаться, совершая работу, например поднимая груз. А теперь подсоединим к моторчику вместо батарейки лампочку от карманного фонаря и отпустим груз падать. Падая, груз вращает ротор моторчика, ставшего на время генератором, и лампочка зажигается (рис. 371, а). В этом опыте проявилось свойство обратимости электрических машин. Это свойство достаточно широко используется в технике, в частности при накоплении и выделении энергии, ее рекуперации.

Рис. 371. Преобразование механической энергии в электрическую с помощью электрогенератора (а) и первый генератор Фарадея (б)

Электромашины, как моторы, так и генераторы, пригодные для практического использования, появились сразу же после открытия Фарадея (рис. 371, б). Причем создание первого генератора практически современного типа, связано с событием, скорее похожим на легенду, чем на быль. Но тем не менее случай этот был в действительности.

Через несколько недель после открытия явления электромагнитной индукции некто принес в патентное бюро конструкцию генератора с постоянными магнитами, подписавшись лишь инициалами П. М. Для того времени конструкция эта была неожиданной и новой. Ведь первые электромашины старались делать похожими на паровые машины – с коромыслами, золотниками, кривошипами и шатунами. Но конструкция машины П. М., ее основные черты, по отзыву академика М. П. Костенко, «…были настолько правильны, что на много лет определили конструкции машин позднейших изобретателей». К сожалению, так и не удалось установить личность этого таинственного П. М.

В 1838 г. электромоторы появились на первом электромобиле, родившемся гораздо раньше первого автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. Он был построен англичанином Р. Девидсоном в Лондоне и там же опробован.

В том же 1838 г. российский инженер Б. С. Якоби установил электромотор своей конструкции на катер длиной 8,5 и шириной 2,1 м, в котором помещалось 16 человек. Катер произвел сенсацию при испытаниях на Неве в Санкт-Петербурге, так как мог двигаться не только по течению реки, но и против. Не следует забывать, что мощность двигателя была всего 0,5 кВт, ничтожная по сегодняшним меркам. Питался электрокатер, как и электромобиль, от гальванических элементов.

С тех пор основы конструкции электромашин постоянного тока принципиально не менялись.

Куда бежит магнитное поле?

Как ни хороши были электромоторы постоянного тока, применяемые, кстати, и сейчас во многих случаях, но не всем. Очень ненадежен был узел коллектора со щетками: он искрил, часто выходил из строя, да и стоил недешево. Это побудило ученых искать способ «бесколлекторной» работы моторов и генераторов, и такой способ был найден. Это помогли сделать переменный ток и бегущее магнитное поле.

Поначалу, когда ток получали от гальванических батарей, о переменном токе и не слыхали. Но знаменитый опыт Фарадея позволил получить именно переменный ток: когда магнит начинали вдвигать в катушку, ток возникал, а потом, при прекращении движения магнита, ток прекращался. Если двигать магнит туда-сюда непрерывно, получаем самый настоящий переменный ток, причем без каких-либо коллекторов, прямо от катушки. Это хорошо, но есть и неудобства – не очень-то просто двигать магнит туда-сюда, гораздо легче вращать его (рис. 372).

Рис. 372. Схема простейшего генератора переменного тока; при вращении рамки между полюсами магнитов в ней возникает переменный ток

Так и было сделано. Взяли три катушки с сердечниками, расположили их по кругу под углом 120°, а внутри круга стали вращать магнит – постоянный или электрический, что, впрочем, дает один и тот же результат. При приближении полюса магнита к катушке в ней возникал (индуцировался) ток, точно так же, как в опыте Фарадея. Магнит можно было вращать очень быстро, что позволяло получать достаточно большие токи. Так был изобретен генератор переменного трехфазного тока – каждая катушка давала свою фазу (рис. 373). Ток в этих фазах возрастал и падал попеременно, тоже со сдвигом 120°. Что касается мотора, который можно питать таким трехфазным током, то он принципиально ничем не отличается от генератора. Такие же катушки, такой же магнит – ротор. Катушки генератора соединяются проводами (можно за тысячи километров!) с катушками мотора, и происходит следующее.

Рис. 373. Схема генератора трехфазного тока

Когда полюс магнита генератора проходит мимо какой-либо катушки, в ней возникает наибольший ток, который намагничивает соответствующую катушку мотора. Именно к этой катушке стремится тот же полюс магнита мотора, и если ему не очень мешать, то он будет в точности повторять вращение магнита генератора. Мы получили синхронный мотор (двигатель), т. е. такой, в котором ротор-магнит движется синхронно ротору-магниту генератора (рис. 374). В некоторых случаях, когда, например, нужно точно передать поворот вала генератора на большое расстояние, такой мотор очень полезен. Но чаще всего вращение ротора-магнита встречает большие сопротивления, и он может остановиться, сбиться с ритма.

Рис. 374. Магнитная стрелка вращается туда же, куда вращается магнит, – это принцип работы синхронных моторов

Чтобы этого не случалось, русский электротехник М. О. Доливо-Добровольский в 1888 г. придумал несинхронный, или, как его сейчас называют, асинхронный мотор, где ротор может отставать от вращающегося магнитного поля. Представим себе, что вместо постоянного магнита ротор состоит из катушки, совсем такой, как у мотора постоянного тока, только с накоротко замкнутым коллектором. Собственно говоря, коллектор тут просто не нужен, а витки катушки можно настолько упростить, что выполнять их в виде стержней, соединенных кольцами по концам. Конструкция такого ротора получила самое большое распространение и была названа короткозамкнутой, так как действительно каждый стержень-виток ее замкнут накоротко (рис. 375, а). И еще из-за поразительного внешнего сходства такого ротора с беличьим колесом-клеткой, которая тоже вращается, когда белка бежит по ней, ротор так и назвали – беличье колесо (рис. 375, б, в, г). Эти два названия одинаково прижились к ротору асинхронной машины, чрезвычайно широко распространенной в технике. Реже встречаются машины, где ротор действительно имеет обмотки-катушки.

Рис. 375. Ротор асинхронного двигателя: а – принцип действия; б – тело ротора; в – беличье колесо; г – ротор в сборе

Итак, вращающееся магнитное поле неподвижных катушек-статора мотора начинает индуцировать электричество в обмотках или стержнях неподвижного ротора, превращая их в электромагниты. Те, в свою очередь, ведут себя так, как и положено вести себя магниту-ротору, – он увлекается магнитным полем статора и начинает вращаться.

Вот тут-то и видна разница между синхронным и асинхронным моторами. Если в первом магнит-ротор точно повторяет вращение магнитного поля, то во втором такое повторение в принципе невозможно. Если ротор с обмотками станет вращаться с той же скоростью, что и магнитное поле, то наступит момент, когда в обмотках уже не будет индуктироваться ток, так как не будет относительного движения магнитного поля и обмоток. Ротор тогда, полностью размагнитившись, начинает отставать от вращающегося магнитного поля, но не тут-то было. При отставании снова начинается относительное вращение ротора и поля, снова ротор становится магнитом и снова начинает догонять магнитное поле.

В результате ротор асинхронного мотора всегда отстает от вращающегося магнитного поля, и это отставание тем больше, чем больше сопротивление вращению ротора. А в целом это отставание невелико и для короткозамкнутых моторов не превышает нескольких процентов. Схема подключения в сеть и основные детали асинхронного электродвигателя показаны на рис. 376.

Рис. 376. Схема включения трехфазного электродвигателя в сеть (а) и основные детали этого электродвигателя (б)

Статор может быть и цилиндрическим, и кольцевым. Можно «разрезать» беличье колесо, выпрямить его, расположив вдоль прямой, совсем как рельсы со шпалами. Шпалы в этом случае будут играть роль стержней, а рельсы – замыкающих их колец. Поставим на эти рельсы тележку, в которой установим катушки точно так же разрезанного и выпрямленного статора. Пустим ток в катушки статора, и получим уже не вращающееся, а бегущее магнитное поле, которое будет стремиться сдвинуть вперед или назад шпалы-стержни выпрямленного ротора. А так как сдвинуть путь всегда труднее, чем поехать самому по этому пути, то тележка с катушками поедет по пути, движимая бегущим магнитным полем.

Так был создан линейный электродвигатель, получивший большое распространение сейчас и очень перспективный для будущего – ведь все поезда на магнитной подвеске приводятся в движение именно линейными электродвигателями, и так предполагается в будущем. Линейные электродвигатели движут скоростные лифты небоскребов, точные механизмы перемещения станков, разгоняют самолеты для их ускоренного запуска с кораблей-авианосцев.

Электричество – без машин?

Оказывается, для выработок электроэнергии совсем не обязательны электромашины. И, как почти всегда в электротехнике, все начиналось с Фарадея…

В один из дней 1832 г. лондонцы, оказавшиеся на мосту Ватерлоо, были заинтересованы необычным зрелищем. Группа людей, среди которых можно было увидеть знаменитого физика Фа-радея, занималась тем, что погружала в воду Темзы два медных листа, подключенных проводами к гальванометру. Прибор стоял на столике посреди моста, а возле него находился сам ученый, отдававший распоряжения своим помощникам. Фарадей считал, что если воды реки, текущей с запада на восток, пересекают, хотя бы частично, магнитное поле Земли, то они подобны проводникам, пересекающим магнитное поле магнита. А в этом случае, как доказал сам Фарадей, в проводнике возникает электрический ток. Медные листы, между которыми, как между металлическими берегами, текла вода Темзы, должны были соединить эти водяные проводники с гальванометром, и передать на него возникающий ток.

Однако, увы, опыт не удался. Тем не менее 1832 г., когда Фарадей задумал и обосновал этот опыт, с полным основанием можно считать годом рождения магнитогидродинамического генератора. Название этого генератора состоит из трех слов – магнит, гидро (вода) и динамика (движение) – и означает получение электричества при движении воды в магнитном поле.

Почему же не удался опыт Фарадея? Прежде всего потому, что вода Темзы оказалась не таким уж хорошим проводником электричества. Были, конечно, и другие причины – очень уж мала напряженность магнитного поля Земли.

Но до практического использования магнитогидродинамических (сокращенно – МГД) генераторов было еще далеко.

Правда, в 1907—1910 гг. были выданы первые патенты на использование МГД-генерирования электричества с применением ионизированного газа вместо жидкости. Это большой шаг вперед, ведь ионизированный газ, обычно нагретый до температуры 2 500 – 3 000 °С – широко распространенные продукты сгорания многих топлив. Стало быть, появлялась надежда непосредственного преобразования теплоты сгорания топлива в электричество, без сложных машин со многими движущимися частями. Но дальше патентов дело не пошло – ученые не вполне представляли себе происходящие процессы, да и материалов, способных работать в газовой среде при температуре 2 500 – 3 000 °С, тогда не было.

Но вот в 1944 г. шведский ученый Ганнес Альвен, изучая поведение космической, заполняющей межзвездное пространство плазмы в магнитном поле, вывел основные законы новой науки – магнитной гидродинамики. И космическая наука тотчас же была освоена на Земле и использована для создания работоспособных МГД генераторов.

С первого взгляда эти генераторы устроены достаточно просто. В камере сгорания сжигается топливо, и в сопле, похожем на ракетное, продукты сгорания (газы), расширяясь, увеличивают свою скорость до сверхзвуковой. Это сопло находится между полюсами сильного электромагнита, а внутри сопла, на пути раскаленных газов, установлены электроды (рис. 377).

Рис. 377. Схема МГД генератора: а – общий вид; б – вид по стрелке А

Магнитное поле «сортирует» отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы газа, направляя их по разным траекториям. Эти потоки заряженных частиц вызывают появление электрических зарядов на соответствующих электродах, а если их соединить, то и электрический ток.

Действительно, в МГД генераторе нет движущихся частей, если, конечно, сам газ не считать частью машины. Но узких мест тоже немало.

Прежде всего газ, нагретый даже до 2 500 °С – это еще низкотемпературная плазма. Он полностью ионизируется при температурах примерно вчетверо больших. Эта плазма проводит ток в миллиарды раз хуже, чем медь, и даже хуже, чем вода в Ла-Манше. Но эта трудность оказалась преодолимой с помощью присадок из щелочных металлов, прежде всего калия. В раскаленный газ вносят немного, около 1 % калия в виде его дешевого соединения – поташа, и в десятки тысяч раз увеличивают электропроводность плазмы.

Далее. Ведь стенки сопла, а главное, электрода, должны длительно работать при 2 500 – 3 000 °С, а электроды, кроме того, еще и хорошо проводить электрический ток. Материалов, способных длительно противостоять таким температурам, да еще в присутствии агрессивных паров калия, пока не создано.

Чем же так привлекательны МГД генераторы, если при их создании идут на заведомые трудности? Оказывается, высоким коэффициентом полезного действия. Повышение КПД тепловых электростанций хотя бы на 1 % – это целое событие. Для более экономичной работы тепловых машин нужно в первую очередь повышать температуру рабочего тела: в современных тепловых электростанциях им является пар. Но она и так уже велика – около 700 °С, и каждый лишний градус дается отчаянным трудом. Еще бы – лопатки и диски паровых турбин, готовых разорваться от собственного вращения, нагревают до 700 °С. От этого их прочность отнюдь не увеличивается. А создание еще более жаропрочных материалов очень и очень сложно. Поэтому максимальный КПД тепловых электростанций сейчас всего 45—47 %. Повышение же температуры рабочего тела (газа) до 2 500 – 3 000 °С обеспечит рост КПД не менее чем на 20 %. Это революция в энергетике! Есть за что бороться, ради чего создавать жаростойкие материалы для стенок сопла и электродов!

ВТОРОЙ ВИТОК ФИЗИКИ

В завершение любого дела принято подводить итоги и делать выводы.

По прочтении этой книги читатель, возможно, узнал кое-что новое и любопытное о физике и некоторых ее технических приложениях, заинтересовался каким-нибудь из ее разделов и решил изучить его глубже – одним словом, поближе познакомиться с физикой.

А выводы – их можно сделать много. Но автор полагает, что главных выводов три.

Вывод первый: время открытий в физике не только не закончилось, но быть может, еще и не наступило. Иногда люди высокомерно думают, что они о чем-то знают почти все. Так думали и в XVIII в., когда в 1755 г. в одном лондонском еженедельнике было гордо заявлено: «Электричество – это сила, хорошо изученная человеком». И это в то время, когда люди почти ничего не знали про него!

Вывод второй: физика ни на что не дает прямого единственного и однозначного ответа. Из математики известно, что дважды два – четыре, а не по-другому, потому что математика – это абстрактный, формализованный и точный аппарат многих наук. А физика – это сама жизнь, и, как сама жизнь, неоднозначна.

Например, что вокруг чего вращается: Луна вокруг Земли или наоборот? Да правильно и так, и этак, а если точнее, обе планеты вращаются вокруг их общего центра масс, если их не сбивают с пути Солнце, другие планеты, кометы и прочие небесные тела.

Или что такое свет, – волны или частицы? Да можно считать и так, и этак, а точнее, свет – и то, и другое сразу, причем красный свет – это больше волны, а фиолетовый – больше частицы. И так почти во всем.

Вывод третий: когда-то от физики отпочковались практически все естественные и технические науки, теперь они так разрослись и, в свою очередь, дали новые ростки, что узкие специалисты просто не знают соседних разделов физики. А это часто приводит к усложнениям и просто ошибкам в работе.

Например, сейчас сильно развилась электроника, а механику стали забывать. И вот в автомобилях, где двигатель вырабатывает, а колеса потребляют чисто механическую энергию, часто связывают их электроприводом, где идет преобразование энергии из механической в электрическую и обратно, и еще в химическую, если в приводе предусмотрен аккумулятор. А все потому, что занимаются этим специалисты, хорошо знающие электронику и электропривод и ведать не ведающие про вариаторы и маховики (о чем, в частности, говорилось в нашей книге).

Или чего стоит сложная электронная система с насосами, электродвигателями, многочисленными реле, датчиками и процессорами для поливки огурцов в жаркую погоду! И это вместо простой бочки со шлангами, про возможности которой знали еще древние греки с римлянами.

Поэтому общая физика нужна даже корифеям в узких специальностях, хотя бы как аннотация или оглавление к огромной и непостижимой одним человеком «Книге наук», чтобы не запутаться в простых, но незнакомых вещах, понимать, что происходит рядом, на соседней кафедре, в соседней лаборатории.

Одним словом, общая физика пошла по второму витку своего спирального развития уже не как прародительница всех естественных, а потом и технических наук, а скорее как путеводитель по ним.

И автор желает читателю по возможности не заблудиться в этом безбрежном научном океане, хотя искать одну-единственную, короткую и прямую дорогу в науке тоже не советовал бы. Потому что чаще всего короткими и прямыми бывают только тупики.

Итак, с физикой – в счастливую творческую жизнь!