Нереальная история "Гении на службе у Человечества"
Сейчас спорят о том, что было бы, если… не Архимед, Евклид, Леонардо да Винчи, Ом, Фарадей, Менделеев и т.д. не изобрели своё.
А ничего страшного не случилось бы.
Человечество в развитии не остановилось, и нашлись бы другие физики, математики, географы, скульпторы, музыканты, которые бы толкали прогресс вне зависимости от фамилий.
Параллельно в разных странах идеи витали в воздухе, и пытливые умы разгадывали загадки природы.
Ломоносов и Рихман одновременно пытались разгадать тайны "атмосферного электричества" и Рихман погиб при очередном опыте.
Такая тогда была цена развития Человеческих знаний.
Но вернёмся к более продвинутым исследователям электричества.
Сейчас мы не представляем жизни без домашней сети в 220 Вольт. У нас на это напряжение завязано всё – развлечения, готовка еды, обогрев помещения и прочее разное.
А ведь когда-то такого не было. Как люди додумались до такого счастья?
Собственно электротехника началась с открытия Георга Ома в 1827 году закона о том, что ток в замкнутой цепи обратно пропорционален сопротивлению в цепи: I=U/R.
Мы привыкли видеть это выражение в другой записи: U=I*R.
Георг Ом впервые ввёл понятие «сопротивление» в цепи тока, и во Франции в 1881 году утвердили единицу измерения сопротивления «1 Ом», назвав эту единицу измерения в честь учёного – первооткрывателя этого явления.
Через 20 лет другой немецкий учёный Густав Кирхгоф в 1847 году вывел знаменитый закон для сложных цепей электрического тока и ввёл понятие ЭДС (электродвижущая сила), обозначив ЭДС через латинскую букву «Е».
Упрощённо закон звучит так: «алгебраическая сумма напряжений на всех участках замкнутого контура цепи электрического тока равна нулю». U + RI = E
Естественно, что все свои опыты учёные проводили на постоянном токе и практики, которые внедряли новые вещи, приборы, опираясь на эти законы, экспериментировали и изобретали устройства, работающие от постоянного напряжения.
Особенно плодовитым на такие изобретения был Томас Эдисон. (1847 – 1931 г.г.)
Более 4000 запатентованных устройств в разных странах осталось после его сумасшедшего трудолюбия.
Томас Эдисон и его фонограф
Телеграф, фонограф, лампа накаливания и осветительная система города, первый (!) электрогенератор, который мог держать нагрузку нескольких лампочек, громкоговорящий телефон, кинетоскоп, на который был записан 25-секундный поцелуй актёров (аналог кино), щелочной аккумулятор и много-много практически и сейчас полезных для человечества изобретений.
Вот тогда, занимаясь сетью освещения городка, Эдисон столкнулся с неудобством постоянного тока.
Для того, чтобы передать электроэнергию от построенной им станции до потребителей – фонарей потребовались толстые провода, чтобы потери при доставке были минимальными.
Повышение генерации электроэнергии с 45 до 110 Вольт на постоянном токе ничего не давала, и по расчётам получалось, что максимальное расстояние от станции до фонарей должно быть не более полкилометра.
Даже в масштабах маленького городка это расстояние не удовлетворяло никого. Делать из-за этого провода ещё толще и тратить на прокладку проводов немыслимое количество меди, чтобы зажечь «лишних» десять - двадцать лампочек становилось экономически не выгодно.
Лампочки с угольными стержнями, идею которых Эдисон позаимствовал у русского изобретателя А. Лодыгина, служили всего 700-800 часов и потребляли огромное количество энергии, которое надо было поддерживать на стабильном уровне.
Для отдельного генератора тока Эдисон изобрёл устройство, которое отвечало на нагрузку, увеличением оборотов генератора, но доставка электроэнергии к потребителю через невозможно толстые провода, делала этот коммерческий проект бесполезным.
Отказываться от использования постоянного тока Эдисон не мог.
Слишком много патентов было выкуплено, много двигателей на производствах работало по идеям Эдисона – сепаратор руды, цементный смешиватель, телеграф, кинетоскоп – всё на постоянном токе.
Надо отдать должное, что Эдисон довёл лампочку Ладыгина до удобного использования в быту, и в 1879 году электрическая лампочка впервые осветила жилое помещение, хотя это никак не помогло Эдисону решить проблему массового использования электроосвещения.
В то время молодой Никола Тесла работал в одном из французских отделений Эдисона.
Он понимал, что решить задачу передачи электроэнергии консервативным путём невозможно, и тогда уже начинал заниматься своими опытами по передаче электроэнергии вообще без проводов.
Никола Тесла пропускает через себя высокочастотный ток
В 1884 году Тесла из Франции переезжает в США, и в Нью-Йорке навещает в главном офисе «короля света» Эдисона с предложением своих идей.
В 28 лет он посмел возражать «королю» и навязывать ему свои темы. Долго такое сотрудничество длиться не могло и в 1887 году гений и король расстаются.
Была и экономическая причина их разногласий.
Эдисон поручил молодому Тесле найти пути улучшения его генераторов и пообещал заплатить за это 50 000 долларов.
Тесла настолько быстро справился с этой задачей, что Эдисона «задавила жаба» и он не заплатил за сверхурочные работы.
Тесла обиделся и ушёл.
Тесла находит себе компаньонов, и они в течение двух лет раскручивают идею переменного напряжения до коммерческого состояния.
Команда Теслы работает сразу во всех направлениях – счётчики, трансформаторы, линии электропередач и генераторы переменного тока. Их начинает спонсировать крупнейший железнодорожный магнат.
Но остаётся слабое место – электродвигатели. Без них ни одно производство, ни одна фабрика жить не могут.
И этим слабым местом умело пользовался Эдисон, всячески и везде нивелируя идею переменного напряжения.
Но гений не был бы гением, если бы не выкрутился из ситуации.
Тесла придумал идею вращающего магнитного поля и на этой основе создал асинхронный электродвигатель.
Этот двигатель оказался настолько простым в изготовлении и супер надёжным в эксплуатации, что мгновенно привлёк внимание всех промышленников.
Не знаю, насколько это соответствует действительности, но читал, что с каждой лошадиной силы (тогда мощность двигателей сравнивали так) проданного электродвигателя Тесла получал 2,5 доллара. А строили двигатели для заводов и фабрик огромные по мощности и в больших количествах.
И самое ценное в таком двигателе – он работал на переменном напряжении. Впервые в Истории Человечества!
Частота переменного напряжения в те времена не контролировалась какой-то службой и колебалась в очень широких пределах. Были частоты 17, 25, 40, 50, 60, 135 Гц.
Понятно, что такой разброс мешал всем и всему, особенно торговым отношениям.
Невозможно продать оборудование, рассчитанное на 17 Гц туда, где частота сети 135 Гц.
Поэтому всем миром начали искать выход из этой путаницы.
Русский инженер Доливо-Добровольский на каком-то форуме предложил придать переменному напряжению форму чистой синусоиды с частотой в 50 Гц.
Обосновал это тем, что лампочки накаливания на такой частоте не мерцают для человеческого зрения, ввиду его природной инерционности. (Ведь и кино с его 24 кадрами тоже основано на этой особенности зрения человека.)
И, кроме того, учитывая конструктивную особенность генераторов и количество полюсов, можно стабилизировать обороты на круглой цифре в 3000 об/мин. Вот эта "круглая цифра" послужила толчком к переводу всей электротехники на частоту 50 Герц.
Кстати, короткозамкнутый ротор асинхронного электродвигателя в таком виде, в каком мы знаем сейчас, придумал М. И. Доливо-Добровольский.
И генератор переменного тока довел до совершенства тоже он.
Генератор Доливо-Добровольского
К тому же эксплуатируемые повышающие и понижающие трансформаторы с массивными железными сердечниками обрабатывают электроэнергию на такой частоте практически без потерь.
КПД трансформаторов достигает более 95%. Такого высокого КПД в то время не могли достигнуть никакими хитроумными способами преобразования энергии.
Правда, были предложения повысить частоту до безопасного для человека уровня в 400 Гц.
Это дало бы ещё большую экономию на проводах, на сердечниках трансформаторов и на массе электродвигателей.
Но расчёты показали, что при повышенном напряжении, к примеру, до 100 000 Вольт на такой частоте напряжения возникают значительные токи ёмкостной утечки напряжения.
А если учитывать, что линии электропередач никак не защищены от метелей, дождей, туманов, то возможны коронные разряды, которые приводят к значительным потерям энергии.
Коронный разряд на высоковольтной линии
На такие разряды система будет реагировать как на аварийную ситуацию с возможными отключениями группы потребителей
Вот так и остались в сети опасные для человека 50 Гц.
На опорах высоковольтных линий видно только три провода. Почему не два, не четыре, а, именно, три?
История развития современной электротехники объясняет это так.
Практически Эдисон стоял в полушаге от решения передачи большой мощности через постоянный ток.
И не поспеши он тогда, испугавшись выводов Теслы о переменном напряжении, кто знает, может быть в наших домах был бы постоянный ток, который менее опасен для человека.
А при такой массовости распространения электричества, как сейчас, этот факт мог бы сыграть решающую роль.
Мы бы не знали огромных трансформаторов и трансформаторных будок на улицах городов, не боялись бы, что нас ударит током через землю и не держали бы в квартирах кучу выпрямительных устройств для зарядки мобильных телефонов и других гаджетов.
Но тогда нам неизвестен был бы асинхронный электродвигатель, с его уникальной простотой и стабильностью оборотов.
Соревнование переменного и постоянного напряжений, а значит, конкуренция идей Эдисона и Теслы, говорит об одном – не должно быть спешки и коммерческого заслона в науке.
Суть вот в чём.
Во времена Эдисона, все генераторы содержали в своих конструкциях встроенные коммутаторы, которые выпрямляли напряжение.
Эдисон о них забыл. Это была конструктивная особенность оборудования и привычка считать генератор источником только постоянного напряжения «замылила» его сообразительность.
А всего-то и надо было выделить этот коммутатор из тела генератора и перенести его в точку приёма электроэнергии.
Например, в отдельный дом.
А потом от него распределять энергию по квартирам. Тут не нужны были бы толстые провода. В каждой квартире по 3 – 4 лампочки – всё! Вот и вся нагрузка.
То есть, схема такая. Один генератор, работающий от пара или падающей воды и много (по количеству домов) коммутаторов.
Постоянный ток в быту получался бы выгодным, безвредным (относительно, конечно, переменного) и универсальным.
Подтверждением тому вся наша современная кухонная и домашняя техника. Все пылесосы, стиральные машины, блендеры, комбайны, дрели, шлифмашинки, электролобзики и всё что крутится, кроме домашних вентиляторов, работают на универсальных коллекторных двигателях (УКД).
То есть, могут работать и от постоянного тока, и от переменного. Некоторые из них от постоянного тока работают даже лучше, отдавая больше мощности, чем от переменного.
Но во времена Эдисона коммутатор был неделимым целым с генератором и фирмы выпускающие генераторы, конечно, сопротивлялись бы такому разделению. Удешевление изделия никого не устраивало. Скорее всего, это и «зашорило» направление мысли Эдисона.
И он проиграл Тесле с переменным напряжением.
Тесла, заколдованный идеей о вращающемся магнитном поле, тоже рассуждал стандартно тем временам.
Но гениальность направления его размышлений переоценить трудно, даже невозможно.
Люди тогда понятия не имели, что такое фаза, что такое реактивная мощность, и зачем нужен сдвиг фаз.
Тесла первым сообразил, что обеспечив сдвиг фаз, он получит то самое вращающееся магнитное поле.
Что такое фаза каждый учебник трактует по-своему.
Я скажу проще.
Провод, по которому переменный ток приходит к нагрузке – это фаза. Провод, по которому ток уходит из нагрузки - ноль.
Что такое переменное напряжение 50 Гц?
Это напряжение, которое 50 раз в секунду доходит до двух своих максимумов напряжения, разной полярности по закону синусоиды, каждый раз пересекая нулевую отметку.
На графике это выглядит так.
Здесь t – время. T – период, равный 1/50 сек.
Из графика видно, что период – это время, в течение которого напряжение совершает свой полный переход из нулевого состояния в нулевое, с заходом в плюс и минус. Период можно обозначить и от верхушки до верхушки значения «u».
Наши современники и эту особенность переменного тока научились превращать во благо.
Используя современную элементную базу электроники, мы теперь можем получить от одного трансформатора двухполюсное постоянное напряжение. Многие мощные усилители низкой частоты работают именно от такого двухполюсного напряжения. Большое количество микросхем разного назначения тоже работают от такого питания.
Сразу замечу – фазы тока, и напряжения в идеальном случае всегда совпадают.
Тесла в своих опытах добавлял к генератору обмотку и через дополнительный токосъёмник на том же генераторе получал ещё одну фазу.
Поскольку обмотки были сдвинуты геометрически одна относительно другой, то и напряжение одной из обмоток запаздывало на какую-то величину. У него получилось на 90 градусов.
На следующем рисунке видно расположение обмоток на валу генератора с разбегом на 120 градусов.
На графике это выглядело бы, что вторая фаза пересекает нулевые отметки посередине пиков первой.
Так впервые в мире Тесла получил сдвиг фаз.
Но сдвиг периода каждой фазы на 90 градусов (360/90 = 4) привело к использованию четырёхжильного провода.
Эдисон тут же этим воспользовался, запатентовал трёхжильный провод и сдвинул период не на 4, а на 3 части по 120 градусов.
На асинхронный двигатель это никак не повлияло, но принесло огромную прибыль на экономии провода при строительстве линий электропередач.
Появилась трёхфазная сеть.
Чтобы не было путаницы с фазами, на всём пути от генератора до подстанций, фазы условились на схемах обозначать, как «А», «В», «С». Эти буквы есть и в русском и в английском алфавитах.
Шины от трансформаторов и распределительные провода маркируют цветом - фаза А – красный, фаза В – синий, фаза С – зелёный.
График трёхфазного напряжения со сдвигом фаз на 120 градусов.
Сдвигая период на 120 градусов, и предложив трёхпроводную систему, Эдисон тогда не предполагал, какой шикарный подарок он оставил современной электротехнике и всему электроснабжению.
Поскольку трёхфазное напряжение необходимо для асинхронных двигателей большой мощности, которые используются на производстве, в дома стали заводить по одной фазе с нолём.
Так получилась однофазная система энергопотребления. А чтобы не было перекоса по нагрузкам каждой фазы, научились пропорционально распределять силу тока каждой фазы равномерно между всех потребителей.
Вот так борьба коммерческих интересов двух гениев закончилась вничью с благом для всего Человечества.
……………………………………………………………
1, 2, 3, 4, 5, 6
..........................................................
........................................................
