Г. И. Баб ат
1ЕКТРИЧЕСТВ0
РАБОТАЕТ
Г. И. БАБ АТ
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
РАБОТАЕТ
Издание второе, переработанное
и дополненное
§
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ЭНЕРГИЯ»
МОСКВА	1964 ЛЕНИНГРАД
Scan AAW
УДК 621.3
Б 12
В новое издание включены, помимо широко
известной книги «Электричество работает», на-
писанные незадолго до смерти автора отдельные
главы, которые должны были служить основой
второй части той же книги и новой большой по-
пулярной работы «Рассказы об энергии», книга
«Ускорители», а также опубликованная в журна-
ле «Юный техник» статья «Путешествие по
стране ПЭЭФ». Эти работы также служат цели
изложить в популярной форме важнейшие вопро-
сы современной электротехники.
Книга предназначена для широких кругов
читателей, интересующихся электротехникой и
имеющих о ней предварительные систематические
знания, хотя бы и в неполном объеме.
ОТ ИЗДАТЕЛЬСТВА
Предлагаемый вниманию читателей сборник содер-
жит работы, опубликованные при жизни Г. И. Бабата,
а также работы, написанные, но не опубликованные им
при жизни. Как первые, так и вторые посвящены акту-
альным проблемам электротехники — области, в кото-
рой Г. И. Бабат работал с первых сознательных лет
своей жизни и которой он отдал свой яркий талант и
творческую страсть писателя. Ему хорошо видна была
дальняя дорога от книг по различным электротехниче-
ским дисциплинам к практической электротехнике: элек-
трическим машинам и приборам, электронной аппарату-
ре, ускорителям, электротехническим материалам, элек-
трическим станциям, линиям передачи энергии и элек-
трическим сетям.
Острое чувство перспективы позволило Г. И. Бабату
в книге «Страна ПЭЭФ» («Молодая гвардия», 1944)
раскрыть в наглядной форме зависимость мощности
электрических и электронных устройств от частоты. По-
зднее эта зависимость была выражена в зарубежной
литературе в форме частотно-энергетического крите-
рия:
Р1п — const,
где Р — мощность в Мет, f — частота в Ггц, п = 2\ 2,2;
2,4. Эта зависимость, как и предвидел Г. И. Бабат, по-
зволяет сопоставлять между собой разные электронные
приборы и оценивать уровень их технического прогрес-
са под единым углом зрения.
Разумеется, фактический объем информации, содер-
жащейся в работах, написанных до 1960 г. и помещен-
ных в сборнике, меньше, чем возможный объем инфор-
мации, соответствующий современному состоянию элек-
3
тротехники в широком смысле этого слова. Только сам
Г. И. Бабат мог бы со свойственным ему мастерством
сделать необходимые, основанные на сведениях послед-
него десятилетия дополнения к отдельным разделам
сборника. Однако, несмотря на отсутствие ряда данных
новейшего времени, работы, собранные воедино в сбор-
нике, представляют значительный интерес как по тема-
тике, так и по избранному Г. И. Бабатом весьма удоб-
ному и доступному иллюстративному методу изложе-
ния. Такой метод дает возможность понять трактуе-
мые в сборнике физические представления и предметы
при помощи удачно выбранных иллюстраций и анало-
гий, заимствованных из более знакомых читателю обла-
стей науки или из его жизненного опыта. Особенно от-
четливо целесообразность метода видна в главе об элек-
трических схемах, в описании условий синхронизации
электрических генераторов, в главе о фильтрах, в обсуж-
дении вариационных задач и т. д.
Что касается тематики сборника, то особенно при-
влекает ее энергетическая направленность. Выдающийся
инженер-электрик Г. И. Бабат много трудился в успеш-
ных поисках энергетически выгодных инженерных ре-
шений.
Все дополнения, написанные Я. М. Туровером, набра-
ны мелким шрифтом.
Глава четвертая просмотрена для нового издания
С. Я. Белинским, а глава пятая И. А. Сыромятниковым,
за что Издательство выражает им благодарность.
Издательство выражает надежду, что книга Г. И.
Бабата поможет читателю понять идеи современной
электротехники и значение ее в коммунистическом стро-
ительстве.
О Г. И. БАБАТЕ
Выдающийся инженер и ученый Георгий Ильич Ба-
бат родился в 1911 г.
Начало инженерной и научной деятельности Георгия
Ильича связано с Ленинградским электровакуумным
заводом «Светлана». Здесь, как он сам говорил, прошли
десять самых счастливых лет его жизни. Вот что он рас-
сказывает об этом периоде:
«Инженеры и техники заводской лаборатории были
тогда, в начале 30-х годов, совсем молодыми людьми,
в возрасте от двадцати до двадцати пяти лет. Они вери-
ли, что именно здесь, на заводе, будут совершены по-
двиги, которые принесут счастье всему человечеству.
С особым наслаждением брались за работу над темами,
названия которых начинались с приставки «сверх»: пе-
редача энергии на сверхдальние расстояния, получение
сверхвысоких температур, сверхбыстрых электронов...»
В светлановский период Г. И. Бабатом был прове-
ден целый ряд работ, увенчавшихся крупными успеха-
ми. Сюда относятся работы по созданию и примене-
нию газоразрядных приборов, по управляемым выпря-
мителям и преобразователям, легшие в основу совре-
менной промышленной электроники. Бабат является ав-
тором наиболее совершенного метода сварки — конден-
саторной сварки, широко применяемой в настоящее вре-
мя, в частности, в производстве транзисторов. Особый
интерес представляют работы по непосредственному пре-
образованию тепловой энергии в электрическую—по соз-
данию ионно-конвекционного генератора.
Г. И. Бабат был пионером промышленного приме-
нения токов высокой частоты. За работы по индукцион-
ному нагреву металлов для закалки он был удостоен Го-
сударственной премии.
5
В 1941 г., в возрасте тридцати лет, Георгий Ильич
защитил диссертацию на степень доктора технических
наук.
Впоследствии работы по высокочастотной электротер-
мии были им распространены на новые области. В 50-х
годах Г. И. Бабат разработал первые в мире высокоча-
по нагреву шлазмы газового
индукцией. Над индуктором,
стотные печи для плавки
стекла. В этих печах по-
лучается чистейшее опти-
ческое стекло, так как то-
ками высокой частоты
можно довести стекло-
массу до плавления, не
вводя в нее примесей ма-
териала горшка, который
остается при этом холод-
ным. Бабат ставил опыты
по разрушению токами
высокой частоты крепчай-
ших горных пород — вы-
сокочастотному способу
горной проходки. Рас-
плавляя токами высокой
частоты грунт — песок и
глину, он получал новые
строительные материалы,
литые дорожные покры-
тия.
В 1940 г. Г. И. Баба-
том были начаты работы
разряда электромагнитной
питаемым током высокой
частоты, вспыхивало яркое, очень красивое кольцо
плазменного безэлектродного разряда. Удавалось полу-
чать огненный комок, подобный шаровой молнии, сво-
бодно парящий в воздухе. Это был по тому времени но-
вый, небывалый вид разряда, полученного в лаборатор-
ных условиях.
Работы по безэлектродным разрядам Георгий Иль-
ич продолжал в труднейших условиях ленинградской
блокады. Опухший от голода, ходил он пешком в лабо-
раторию. При тусклом свете коптилки (прекратилась
6
подача электроэнергии) была .им написана статья «Без-
электродные разряды и связанные с ними вопросы».
В настоящее время эти работы получают большой
отклик и развитие в связи с проблемой управляемых тер-
моядерных реакций. Большое значение может иметь
применение безэлектродного разряда для получения свя-
занного азота непосредственно из воздуха.
Среди крупных исследовательских работ Г. И. Ба-
бата выделяется создание ускорителя с индукционной
передачей энергии.
Передачу электроэнергии на расстояние токами вы-
сокой частоты Г. И. Бабат применил и для транспорта.
Им создан новый вид транспорта — высокочастотный
транспорт (ВЧТ). При ВЧТ дорога является не только
опорой для колес, но и руслом энергетической реки, из
которой транспорт получает движущую силу. Под до-
рожным покрытием прокладываются линии высокоча-
стотного тока. На экипажах устанавливаются приемные
витки — энергоприемники.
ВЧТ обладает по сравнению с автомобильным транс-
портом тем огромным преимуществом, что он не загряз-
няет воздуха вредными продуктами сгорания. Вечемоби-
ли отличаются большой маневренностью. Пока вечемо-
биль идет по трассе, он накапливает в запасителе элек-
троэнергию, которую использует, когда надо сойти с
трассы, выбрать иную магистраль.
В 1943 г. впервые в мире была осуществлена бес-
контактная передача электроэнергии транспорту. Была
построена экспериментальная высокочастотная дорога.
Были разработаны различные системы подземных се-
тей: дремлющая сеть, спящая сеть, импульсная сеть.
Введение ВЧТ и связанных с ним высокочастотных
магистралей — проблема огромного масштаба, потребу-
ющая коренной перестройки многих отраслей народного
хозяйства. ВЧТ — транспорт будущего.
В настоящее время ВЧТ с успехом применяется
в шахтах. В условиях шахты ВЧТ имеет особые преи-
мущества перед контактным электротранспортом. В нем
нет искрящих токоприемников, создающих опасность
взрыва.
Нельзя не упомянуть еще об одном направлении дея-
тельности Г. И. Бабата. Еще до возникновения киберне-
тики как науки он занимался вопросами общих законо-
7
мерностей управления в механизмах и живых организ-
мах, строил самодействующие механизмы по принципу
выработки подобия условных рефлексов. Так же, как
анатомию и физиологию глаза стало возможно познать
лишь после того, как появились оптические приборы,
полагал он, так и процессы высшей нервной деятель-
ности смогут быть познаны благодаря труду ученых и
конструкторов, создающих производственные автоматы.
Бабат построил электрическую «собачку». В электри-
ческой схеме «собачки» были применены счетные реле,
регистрирующие разнородные, но одновременно посту-
пающие сигналы, — это была электрическая модель об-
разования условных рефлексов. Впоследствии получили
известность кибернетическая «мышь» Шеннона и «че-
репаха» Грея. Но другие работы увели Георгия Ильича
в сторону от этого направления.
Умер он 'в I960 г. в расцвете творческих сил, полный
идей новых исследований, смелых изобретений.
Георгий Ильич был блестящим популяризатором на-
уки. Его книги и статьи возбуждали у молодежи инте-
рес к науке и технике. Мыслей и идей у него всегда бы-
вало больше, чем возможностей их осуществления, и он
ими щедро делился. «Как мореплаватели, — говорил
он, — когда они на разбитом, заливаемом водой судне,
при неровном свете факелов, писали на записке свое
имя, название и координаты корабля, запечатывали эгу
записку в бутылку и бросали ее в море, так и я надеюсь,
что мои записки переплывут через бурное море и выныр-
нут из волн забвения».
Продолжать исследования Г. И. Бабата, развивать
его идеи и изобретения — долг советских инженеров и
ученых.
ВВЕДЕНИЕ
Как я люблю эти редкие, тихие вечера, когда белый
лист плотной бумаги наколот посреди стола. Прозрач-
ные утиные лапы чертежного прибора остановились сре-
ди запутанных линий. Чуть колеблется над столом ко-
нус света, прикрытый зеленым колпаком. Карандаш
замер на незаконченном эскизе. И сами собой возникают
и неторопливо плывут по шершавому листу десятки, сот-
ни фантастических вариантов, и уставшие глаза уже не-
хотя следят за странным сплетением линий и цифр.
Кремлевские куранты отбивают полночь в приглу-
шенном приемнике. Смолкают последние аккорды гим-
на. Невнятные звуки ночных мазурок и вальсов слива-
ются с далеким грохотом случайного трамвая.
Я сижу не шевелясь, чтобы продлить эти минуты,
когда мысль собралась, сосредоточилась и напряжена,
точно тетива лука перед тем как толкнуть стрелу в по-
лет. И вот среди калейдоскопа отрывочных образов воз-
никает идеальная конструкция.
Сначала это бесформенный электронный вихрь, пуль-
сирующий сгусток электромагнитной энергии. Но его
размытые контуры постепенно уточняются. Вокруг элек-
тронного облака возникает изогнутая, гофрированная
раковина резонансной камеры. Очертания ее становятся
все резче и определеннее.
Утвердить конструкцию может только точный рас-
чет. Но как это скучно — проверять все размеры и про-
порции, делить, складывать, умножать, педантично оты-
скивать максимумы и минимумы. Лукавая мысль уводит
от кропотливого монотонного труда. Где-то далеко,
в подсознании, тушуются неясные места. Как неотрази-
мо привлекательны вот эти — самые главные и ответст-
9
венные детали конструкции! Как они новы и понятны!
И вмиг весь технологический процесс изготовления но-
вого, небывалого, сверхмощного, сверхвысокочастотного
генератора кажется ясным и простым.
Я уже в цехе. Пущены на полный ход станки, вопло-
щая мою мечту. Мелкозубая дисковая фреза счищает
белую чешую с заготовки токарного резца, сбрасывает
рыжие кудри с медной болванки.
Вот полностью готова и отделана моя резонансная
раковина из чистейшей электролитической, прокаленной
в водороде розовой меди. Точно пригнаны к месту воль-
фрамовые катоды...
Последняя операция — сборка и заварка.
Фиолетовое пламя газовых горелок лижет цилиндр
тонкого кварцевого стекла. Его хрупкие стенки налива-
ются румяным жаром. Накаленное стекло теряет проз-
рачность. Сначала оно еще просвечивает, как спелая
черешня. Потом стекло становится как темновишневый
бархат. В нем уже нет хрупкости и звона. Стекло теперь
вязко и гибко. Мой старый приятель—лучший заводской
стеклодув—вводит в пламя горелки черную графитовую
лопатку. Он оглаживает тонкий край накаленного ци-
линдра, осаживает и расширяет его. Он прижимает раз-
мягченное стекло к острым истонченным краям резо-
нансной камеры. Стекло липнет к меди, образуя плот-
ный, непроницаемый для воздуха спай. Стеклодув
поворачивает краны, уменьшает подачу воздуха и газа на
заварочном станке. Пламя слабеет, меняет свою форму
и цвет. Оно становится желтым, коптящим. Готовый
спай остывает, пропадает его вишневый накал. Вот шум-
ное пламя затихло, опало. Мечта воплощена, передо
мной готовый прибор.
Я подымаю карандаш и торопливо и осторожно, что-
бы не спугнуть эти хрупкие виденья, зарисовываю при-
чудливые контуры.
Точный расчет, от которого я, казалось, ушел, увер-
нулся, теперь уже неизбежен. Все ли прилажено, все ли
согласовано в этой восхитительной инженерной мечте?
Нет, от расчетов никак не уйти. Сколько их, этих без-
жалостных и неумолимых судей. Расчеты электрические,
механические, гидродинамические, тепловые... Выдержит
ли напор тепловых потерь экран катода — эта вот несу-
щественная вспомогательная деталь? Не будет ли пере-
10
грет в работе спай металла со стеклом? Строгий расчет
выносит приговор: удельная тепловая нагрузка выше
нормы. Экран надо расширить, катод надо переместить.
Дрогнул и покатился маленький, совсем незаметный
винтик. Скользят, исчезают в темноте одна за другой де-
тали. Распадается их взаимная связь. Остается лишь
груда битого стекла, мертвой, тяжелой, необработанной
меди. Потом и она пропадает, и передо мной лишь хаос
карандашных штрихов и желтая прозрачная тень от
утиных лап чертежного прибора.
Как жалко и больно расстаться с мыльным пузырем
ошибочной мечты, отвергнуть, казалось бы, такую хитро-
умную, но ведь ненадежную, недостаточно работоспо-
собную конструкцию!
* *
*
Тысячи вариантов отбрасываются ©черновых эскизах,
может быть десятки доходят до технического проекта и
совсем немногие воплощаются в материале. А сколько
из них, из этих воплощенных, выдержит самый суровый
из всех экзаменов — проверку временем?
Где «кольцо Грамма», с описания которого начина-
лись все учебники электротехники в начале нашего сто-
летия? Исчезло из машиностроения это кольцо и исчезло
навсегда. Но ровесники граммовского кольца—барабан-
ный якорь П. Н. Яблочкова и ротор с беличьей клеткой
М. О. Доливо-Добровольского живут и долгие годы бу-
дут еще важнейшими конструкциями. Беличьи клетки
будут строиться в миллионах экземпляров, их теорию
изучают и будут изучать тысячи инженеров.
Только историки электротехники вспоминают о дина-
момашинах Эдисона. Безвозвратно исчезли эти знамени-
тые в былое время «Джумбо-динамо».
А вот трансформатор Усагина — две медные спирали,
охваченные замкнутым пучком стальных проволок или
пластин, — существует три четверти века.
Почему именно так, а не иначе сложилась электро-
техника наших дней?
Это вопрос не узко технический. Это вопрос экономи-
ки и политики.
История электротехники — лишь одна из глав вели-
кой истории образования материального базиса челове-
11
ческого общества — «... истории образования, — как гово-
рит К. Маркс, — производительных органов обществен-
ного человека...». Промышленная электротехника воз-
никла первоначально стихийно на не соответствующей ей
материальной основе. На известной ступени развития
электротехника сама производит переворот в этой осно-
ве, перерабатывает ее, обновляет материальный базис
общества.
В непрестанной борьбе противоречивых тенденций
вырабатывалась современная электротехника. В ней нет
раз навсегда застывших, незыблемых форм и положе-
ний. Электротехника движется вперед, следуя диалекти-
ческим законам развития.
Пионеры промышленной электротехники столкнулись
с явлением вихревых токов как с вредной помехой, кото-
рая заставила их расслаивать стальные сердечники ма-
шин и трансформаторов. Прошло несколько десятиле-
тий, и вихревые токи получили огромное технологическое
применение: они плавят металлы, нагревают сталь для
закалки. Ныне вихревые токи превратились из врага
в союзника.
В прошлом веке материалы с проводимостью сред-
ней между медью и фарфором не находили в электро-
технике полезного применения. Электрики избегали при-
менять полупроводники. Ныне многие полупроводники
относятся к важнейшим электротехническим материа-
лам. Они нужны для преобразования тока, для усиле-
ния электрических импульсов, для передачи изображе-
ний...
Я стремился в свой книге показать именно это не-
престанное движение вперед, показать динамику раз-
вития электротехники, показать дух борьбы и неизмен-
ных исканий, дух советской электротехники — самой пе-
редовой электротехники мира.
* *
*
Россия — родина многих открытий и изобретений.
Велик ее вклад и в науку об электричестве, и в промыш-
ленную электротехнику.
М. В. Ломоносов создал первые теории электриче-
ских явлений. В. В. Петров в начале прошлого века от-
крыл электрическую дугу, изучил прохождение тока
12
в разреженных газах. Б. С. Якоби создал первый про-
мышленный электродвигатель, положил основу элек-
трическому транспорту, изобрел гальванопластику.
П. Л. Шиллинг проложил первый в мире подводный ка-
бель .и сделал большой вклад в развитие телегра^
фии.
Пионерские работы П. Н. Яблочкова послужили на-
чалом практического распространения электрического
освещения не только в России, но и во всех странах
Европы. Благодаря его трудам «русский свет» засиял
во Франции и в Англии. А. Н. Лодыгиным была создана
лампа накаливания.
Первый трансформатор был создан П. Н. Яблочко-
вым и И. Ф. Усагиным. Д. А. Лачинов впервые выдвинул
идею передачи электроэнергии на далекие расстояния и
обосновал ее теоретически. М. О. Доливо-Добровольский
создал современную систему передачи и распределения
энергии трехфазным током.
Н. Н. Бенардос и Н. Г. Славянов создали электро-
сварку и тем положили основу новой технологии метал-
лопромышленности.
Величайшее изобретение сделано А. С. Поповым. Он
положил основы и радиосвязи, и радиолокации.
С именем А. Г. Столетова связаны классические ис-
следования фотоэлектрических и магнитных явлений.
П. Н. Лебедев дал окончательное подтверждение элек-
тромагнитной теории света и исследовал область самых
коротких радиоволн.
Трудно хотя бы только перечислить основные работы
русских электриков. На прочном научном фундаменте
строилась электротехника Советской страны.
На заре Советской власти В. И. Ленин оценил ог-
ромное значение электротехники. По инициативе
В. И. Ленина был создан Государственный план элек-
трификации России — знаменитый план ГОЭЛРО.
Стремительно и плодотворно развивалась электротех-
ника в Советском Союзе за годы пятилеток. Особенно
быстро, она развивается в последние годы.
* *
*
Задача техники социалистического общества — поста-
вить на службу людям возможно больше сил, взятых от
13
Стихий, от окружающей нас природы. Советские ученые
и инженеры неустанно работают над тем, чтобы повы-
сить могущество и богатство человека Советской стра-
ны: дать мощь руке рассечь горы, осушить болота, оро-
сить пустыни, повернуть реки в новые русла, дать зор-
кость глазу, чтобы увидеть далекие миры...
В Советской стране входят в жизнь те изобретения
и конструкции, что лучше всего отвечают этой задаче.
Каждый отряд трудящихся штурмует свои крепости, и
все усилия сливаются в едином гармоничном порыве.
Славные задачи поставлены партией перед армией
советских электриков. Мы должны научиться добывать
электрическую энергию в таких количествах, как нико-
гда раньше, передавать ее на такие далекие расстояния,
о которых прежде не смели и мечтать. Мы нашли новые
применения электроэнергии и в быту, и в промышлен-
ности. Электромагнитные волны плавят металлы. Элек-
трическая искра режет твердые сплавы с точностью до
тысячных долей миллиметра. Все это сделано в Совет-
ском Союзе впервые в мире.
В своих проектах мы шагаехМ дальше. Сеть сверхвы-
соковольтных электропередач соединит в единое энерге-
тическое целое широкие просторы нашей великой Ро-
дины. Мы мечтаем о единой сети связи, которая позво-
лит вести разговоры между любыми двумя пунктами
СССР и на любом расстоянии видеть друг друга.
Мы научимся свободно передавать электричество без
проводов. Незримые реки энергии направим вдоль до-
рог; по дорогам побегут новые советские машины, полу-
чающие для своих двигателей энергию без проводов.
Техника становится все сложнее, все большие кол-
лективы людей, работающих согласованно, нужны для
решения новых задач.
В высокочастотных установках для плавки и закалки
металлов стоят лампы из Ленинграда, выпрямители из
Новосибирска, конденсаторы из Москвы... Сотни людей
в разных концах Советского Союза трудились над от-
дельными узлами этой установки. ОнИ незнакомы друг
с другом, но они работали по единому плану и четко
слаженным трудом создали гармоническое целое.
В капиталистических странах цепляются за старое.
За рубежом слышны голоса, каркающие, что людей на
земле стало слишком много.
14
Нам же людей нужно все больше и больше, пото-
му что мы все время идем вперед. Те великие задачи,
что стоят перед нами, можно будет выполнить только
дружной работой многих людей.
Нас должно быть много.
Производительные силы социалистического общества
должны умножаться непрестанно.
ПЕРВЫЕ СЛОВА
М. В. Ломоносов (1711—1765 гг.)
В 1741 г. Михаил Васильевич Ломоносов был зачис-
лен в Петербургскую Академию наук. Он производил
физические и химические опыты, изобретал и строил
оптические и навигационные приборы, изучал рудные
месторождения, основал производство цветных стекол
и мозаик, писал стихи и прозу, создавал новую русскую
литературу.
Четверть века труды Ломоносова были гордостью и
славой Академии.
Ломоносов открыл великие законы природы: закон
сохранения движения (энергии) и закон сохранения ма-
терии (вещества) и дал широкую и объединенную фор-
мулировку их, с гениальным предвидением, что это не
два разных закона, а один «всеобщий закон».
Ломоносов делал обобщения, далеко уходящие впе-
ред от общего уровня науки 18-го столетия. Точный
анализ ученого соединялся у него с поэтическим чутьем
и вдохновением.
Вот строки из стихотворения «Вечернее размышле-
ние при случае великого северного сияния (около
1743 г.)»:
16
С полночных стран встает заря!
Не солнце-ль ставит там свой трон!
Не льдисты-ль мещут огнь моря?
Се хладный пламень нас покрыл!
Се в нощь на землю день вступил!
...Что зыблет ясный ночью луч?
Что тонкий пламень в твердь разит?
Как молния без грозных туч
Стремится от земли в зенит?
Как может быть, чтоб мерзлый пар
Среди зимы рождал пожар?....
Ломоносов первый высказал мысль, что северные
сияния вызваны электрическими явлениями в атмосфере.
Ежегодно Ломоносов печатал латинские диссертации
в академических изданиях. Но еще больше он представ-
лял в Академию «Российских речей ученой материи».
Ломоносов написал «Слово о пользе химии».
Здесь говорится о важном значении математики для
химии, об ожидаемых результатах дальнейшего движе-
ния науки. Затем последовали новые слова: «О проис-
хождении света, новую теорию о цветах представляю-
щее», «О рождении металлов от трясения земли»,
«О большой точности морского пути», «Явление Венеры,
на солнце наблюденное».
В 1753 г. Ломоносов представил в Академию «Слово
о явлениях воздушных, от Електрической силы проис-
ходящих». Он отверг существовавшие до него учения об
особых жидкостях: теплотворной, световой, электриче-
ской. Он учил, что теплота и электрические явления вы-
званы движением мельчайших частиц материи. Он не
только указал на единство грозовых и электрических
явлений, но и дал теорию электризации грозовых туч
потоками воздуха.
Вместе с Рихманом Ломоносов строил «указатели
электрические» — первые приборы для количественного
измерения электрических явлений.
Ломоносов неустанно занимался испытанием при-
роды.
Всей его научной деятельностью руководило стрем-
ление: глубже проникнуть в природу строения материи
и с помощью физики, химии и математики пройти
к «раскрытию внутренних чертогов тел».
2 Г. И. Бабат.	J7
Самые отвлеченные научные понятия Ломоносов
умел связывать с обыденной жизнью, с русской жизнью
и бытом того времени. Ломоносов не только творил
науку, он заложил основы русского научного языка.
Ломоносов писал по этому поводу:
«Принужден я был искать слов для наименования
некоторых физических инструментов, действий и нату-
ральных вещей, которые (т. е. слова) хотя сперва пока-
жутся несколько странны, однако надеюсь, что они со
временем через употребление знакомее будут».
Надежды Ломоносова сбылись вполне. Введенные
им впервые названия: атмосфера, барометр, воздушный
насос, вязкость, кристаллизация, материя, манометр,
оптика, э(е)лектрический навсегда вошли в русскую
речь. Ломоносов ввел в русский язык еще много других
новых слов, оборотов и выражений, дошедших до на-
ших дней.
Ломоносов обработал и русский литературный язык.
Он создал прозаический язык для научных сочинений
и поэтический язык, претерпевший значительные измене-
ния только во времена Пушкина.
«Российская Грамматика Михайла Ломоносова» вы-
шла впервые в 1755 г. и выдержала 14 изданий.
«Ломоносов создал первый русский университет; он,
лучше сказать, сам был первым нашим университе-
том»,— писал о Ломоносове А. С. Пушкин.
Основные научные идеи Ломоносова были восприня-
ты и разрабатывались дальше передовыми учеными Рос-
сии. Работы Ломоносова дали мощный толчок развитию
всех естественных наук.
Неумирающую силу сохраняют для нас слова Ломо-
носова: «мужеству и бодрости человеческого духа и про-
ницательству смысла последний предел еще не по-
ставлен».
Первым крупным продолжателем электрических ис-
следований Ломоносова был академик В. В. Петров.
ГЛАВА ПЕРВАЯ
ЯЗЫК ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
Слова — великое средство для выражения самых раз-
нообразных мыслей. Но язык слов — не единственный
способ общения людей друг с другом. С детства мы при-
выкаем к языку цифр. Затем мы узнаем язык условных
алгебраических выражений, пользуемся языком химиче-
ских формул.
Есть области человеческой деятельности, где слова-
ми пользоваться сложно, неудобно, нецелесообразно.
Музыканты, например, применяют ноты, инженеры-меха-
ники выражают свои мысли чертежами.
Электрики говорят схемами. Схемы — это язык элек-
тротехники.
1-1. Условные обозначения
На языке схем каждый электрический аппарат обо-
значается своим особых значком. Источник постоянного
электрического тока, батарея к примеру, — это две чер-
точки, одна покороче и потолще, другая длиннее и тонь-
ше: —-[|—. А электрический конденсатор — это две
одинаковые черточки: ---II-- • Катушка изображается
вот так:	, а сопротивление — так: —i—т— .
Когда требуется показать, что величина сопротивления
может меняться, то оно перечеркивается стрелкой:
—— . Такой же стрелкой перечеркивают и катуш-
ку и конденсатор, чтобы показать, что они переменные.
В электротехнических схемах условные обозначения
соединяются линиями, которые представляют проводни-
ки тока. Там, где проводники соединяются между собой,
ставится точка: —|— . А где нет соединения, там
линии просто пересекаются: —|— . Прежде в местах
пересечений без соединений ставились скобки:	•
Одно и то же сочетание букв латинского алфавита
по-разному может выговариваться и обозначать разные
2*	19
вещи в зависимости от того, к какому языку отнесено
это сочетание букв.
Различных электротехнических символов существует
несколько сотен. Их больше, чем букв в русском или ла-
Рис. 1-1. Включение генератора постоянного
тока на реостат через амперметр.
Внизу дано истинное расположение отдельных
приборов, вверху слева — электрическая схема.
или аппаратов и
Рис. 1-2. Старое и новое
условные обозначения газо-
наполненного электроваку-
умного прибора (газотрона)
в электрической схеме.
тинском алфавите, но меньше, чем иероглифов в китай-
ском языке.
В прошлом >в-еке условных электротехнических симво-
лов еще не существовало. Пионеры-электротехники про-
сто рисовали общие виды или разрезы самих приборов
яли их между собой линиями
(рис. 1-1). Подобным обра-
зом поступают иногда и в на-
ше время в популярных изда-
ниях, рассчитанных на неэлек-
триков. Такие наглядные схе-
мы требуют кропотливого тру-
да для их вычерчивания.
А электрики непрестанно ста-
раются упростить и ускорить
работу по составлению схем.
Прежде, например, напол-
ненный газом прибор рисова-
ли в виде кружка, покрытого
косой штриховкой. А теперь часто ставят внутри кружка
жирную точку (рис. 1-2). Новое обозначение рисуется
быстрее и легче. Чтобы облегчить составление схем, от-
менили также скобку в местах пересечений проводни-
ков без соединений.
20
Электрики непрестанно придумывают все новые и но-
вые комбинации электрических аппаратов, создают все
новые .и новые схемы, т. е. говорят новые слова на языке
электротехники.
1-2. Выпрямление переменного тока
Вот такой пример: в электрических сетях наших го-
родов, в сетях, от которых питаются осветительные лам-
пы, циркулируют переменные токи. Сто раз в секунду
меняет этот ток свое направление. Если такой перемен-
ный ток пустить в простой
электромагнит, то этот элек-
тромагнит будет притягивать
стальной якорь, но плохо. Ток
для питания электромагнитов
часто превращают из ’перемен-
ного в постоянный.
Десятки лет электротехни-
ки применяли для этого такую
схему (рис. 1-3).
Вентиль
Рис. 1-3. Схема питания
электромагнита через одно-
полупериодный выпрямитель
от сети переменного тока.
Треугольничек, который
упирается своим острием в чер-
точку, это электрический вен-
тиль — прибор, пропускаю-
щий электрический ток только в одном направле-
нии. Следовательно, одна половина волны переменного
тока через вентиль пройдет, а другая задержится. Когда
электромагнит присоединен через вентиль к сети пере-
менного тока, то через этот электромагнит ток будет
проходить также только в одну сторону. Но это будет не
чисто постоянный ток, а ток, состоящий из отдельных
толчков, — пульсирующий ток, как его называют
(рис. 1-4).
Электрическая лампа накаливания или электроплит-
ка полностью потребляют всю подводимую к ним в каж-
дый момент энергию, в каком бы виде она к ним ни
поступала, т. е. принесена постоянным или переменным
током.
Электромагнит же запасает часть подведенной к нему
энергии. Этот запас пропорционален количеству магнит-
ных линий, сцепленных с витками обмотки электромаг-
21
нита. Запас электромагнитной энергии остается в покое,
если не меняется ток в обмотке.
При пульсирующем же токе, с нарастанием его вели-
чины, электромагнит накапливает энергию, а при спада-
нии тока он вынужден возвращать этот запас. В прим-и-
Рис. 1-4. Кривые напряжения в сети 1 и тока через элек-
тромагнит и вентиль 2 и 3, записанные при помощи осцил-
лограмм (осциллограф описан в § 3-18 и показан на
рис. 3-28 и 3-29); А и В — осевые линии для кривых
1,2 и 3.
Часть времени ток вовсе не проходит через обмотку электромагни-
та. Пульсация тока — отношение его наибольшего значения к сред-
нему — велика. Форму тока в обмотке электромагнита можно не
только определить опытным путем, но также вычислить теорети-
чески.
тивной схеме выпрямления с одним вентилем электро-
магнит при спадании тока посылает часть своего запаса
энергии обратно в сеть.
Такое перебрасывание энергии из обмотки в сеть и
обратно -сопряжено с лишними потерями. Количество
циркулирующей взад и вперед энергии может в несколь-
ко десятков раз превышать собственное потребление об-
мотки электромагнита.
Кроме того, в подобной примитивной схеме магнит-
ный поток на некоторую часть периода падает до нуля и
в эти моменты времени притягивающая сила на якорь
не действует. Только из-за инерции якорь не успевает
отпасть.
22
1-3. Схема с нулевым вентилем
В 1932 г. я нарисовал такую схему (рис. 1-5).
Кажется, отличие не столь уже большое между этой
схемой и предыдущей. Вместо одного вентиля, как было
в старой схеме, добавлен еще второй, параллельно об-
мотке электромагнита.
А в действии этих схем
имеется большая раз-
ница. Ток из сети через
первый вентиль идет
в обмотку электромаг-
нита, а когда наступа-
ет отрицательная по-
луволна напряжения
в сети, то этот ток не
Фазный бентилъ
Сеть пере-
менного тока
Рис. 1-5. Схема питания электромаг-
нита от сети переменного тока через
(выпрямитель с нулевым вентилем.
Направление тока в обмотке электромаг-
нита показано стрелкой. Через вентили ток
идет также по стрелке.
прерывается, а замы-
кается через второй
вентиль, приключен-
ный параллельно об-
мотке. В этой новой
схеме ток через элек-
тромагнит не имеет
разрывов. Сила тока в этой схеме увеличена, а пульса-
ции тока ослаблены (рис. 1-6). При новой схеме элек-
тромагнит крепче притягивает якорь; якорь не дрожит,
не вибрирует.
На эту схему мне выдали авторское свидетельство.
Добавочный вентиль, подключенный параллельно к ка-
тушке, получил специальное название: «нулевой вен-
тиль». А вентиль, через который ток поступает из сети,
стал называться «фазный».
Схема с нулевым вентилем получила разнообразные
практические применения. Фазный вентиль в такой схе-
ме можно сделать управляемым. Тогда выпрямленный
ток будет плавно регулироваться от нуля до макси-
мального значения. Можно сочетать с одним нулевым
вентилем несколько фазных. Это уменьшит пульсации
гока.
Перед войной на заводе «Динамо» был построен
опытный электровоз для магистральной тяги с установ-
ленными на нем выпрямителями, и на этом электровозе
схему с нулевым вентилем применили, чтобы сгладить
пульсации тока в электродвигателях.
23
Во время Великой Отечественной войны развилась
радиолокация. И в некоторых локационных установках
схема с нулевым вентилем также оказалась полезной.
Передатчик локационной установки работает отдельны-
Рис. 1-6. Осциллограмма, снятая в схеме рис. 1-5.
/ — напряжение в сети; 2 — ток через обмотку электромагнита;
3 — ток через фазный вентиль; 4 — ток через нулевой вентиль.
Половину периода ток идет в обмотку электромагнита через
фазный вентиль из сети переменного тока, в другую половину пе-
риода ток электромагнита замыкается через нулевой вентиль. Ток
в обмотке электромагнита не прерывается. Среднее значение тока
в схеме с нулевым вентилем значительно больше, а пульсация тока
значительно меньше, нежели в простой однополупериодной схеме.
Все кривые тока на рис. 1-4 и 1-5 построены в одном масштабе.
Включение нулевого вентиля увеличило средний ток через электоо-
магнит в 20 раз.
Рис. 1-7. Такая схема не-
пригодна для питания
обмоток электромагнита
выпрямленным током.
ми импульсами, вспышками. Этот передатчик питают
толчками напряжения от специальной цепочечной схемы.
Часто в эту схему питания включается нулевой вентиль.
Там он поглощает отрицатель-
ную волну напряжения, кото-
рая могла бы возникнуть при
рассогласовании цепочки и ее
нагрузки.
Но стоит лишь немного из-
менить схему с нулевым вен-
тилем — скажем, повернуть этот
нулевой вентиль иначе, поме-
стить его как указано на рис. 1-7,
и получается бессмыслица — это,
уже неразумная схема, для такой схемы неизвестны по-
ка полезные применения.
24
Каждая идея, каждая мысль должна быть выражена
присущим ей языком. Нельзя мелодию рассказать сло-
вами, невозможно полно изложить словами идею живо-
писца— она должна быть воплощена в картине.
И если бы я — электрик — попытался описать только
словами без схемы мой нулевой вентиль, то эксперты из
бюро изобретательства не стали бы и разбираться в этом
сочинении. Они не выдали бы мне авторского свидетель-
ства. Ни один электрик не принял бы всерьез словесные
рассуждения без схемы. И он был бы прав.
Кто желает работать в области электротехники, дол-
жен прежде всего изучить язык электротехники — на-
учиться читать и составлять электрические схемы.
1-4. Свет в коридоре
Попробуйте сами составить такую схему: длинный
коридор, в который выходят двери нескольких комнат,
освещается одной электрической лампочкой. У всех две-
рей имеются соединенные с лампочкой выключатели.
Выходя из своей комнаты, каждый жилец может зажечь
лампу, повернув свой выключатель, и, пройдя коридор,
погасить затем лампу, повернув другой выключатель.
Выключатели и лампа должны быть так соединены,
чтобы каждым выключателем можно было зажечь лам-
пу, есл,и она до того была погашена, и каждым же вы-
ключателем можно было погасить лампу, если она горит.
В электротехнике известны разные способы соедине-
ния лампы и выключателей. Можно, например, лампу и
все выключатели соединить гуськом один за другим. Та-
кое соединение называется последовательным
(рис. 1-8).
Лампа будет гореть, когда все выключатели замк-
нуты. Достаточно разомкнуть один из выключателей —
любой — и лампа погаснет.
Другое соединение выключателей — параллель-
ное (рис. 1-9).
При параллельном соединении выключателей лампа
будет погашена лишь в том случае, когда все выключа-
тели разомкнуты. Достаточно замкнуть один из выклю-
чателей— и лампа загорится.
Ни параллельная, ни последовательная схемы соеди-
нения выключателей не годятся для решения нашей за-
25
дачи о лампочке в коридоре. При последовательной схе-
ме можно погасить лампу любым выключателем. Но,
чтобы зажечь лампу, надо все без исключения выключа-
тели поставить в положение «замкнуто». При параллель-
Сеть
Лампа
Выключатели
Рис. 1-8. Последовательное соединение выключателей.
ном соединении, наоборот, можно любым выключателем
зажечь лампу, но погасить ее другим выключателем не-
возможно.
Нужна иная схема, в которой любой из выключате-
лей, независимо от положения всех остальных, и гасил
и зажигал бы лампу.
Намек к решению дадим тут же: проще всего соста-
вить требуемую схему для случая управления лампой
Рис. 1-9. Параллельное соединение выключателей.
из двух пунктов. Для трех пунктов управления надо не-
сколько видоизменить это решение. При дальнейшем
увеличении числа пунктов управления — вплоть до лю-
бого их количества, принцип решения, пригодный для
трех пунктов, все остается в силе.
26
1-5. Где еще применяются схемы?
Множество процессов, происходящих в природе,
можно моделировать при помощи электрических схем.
Просачивание воды под основание плотины, изгиб само-
летного крыла при крутом повороте, распространение
тепла в закалочной печи, качка корабля на океанской
волне— все эти явления часто изучают, составляя схе-
мы из сопротивлений и проводников. Метод электриче-
ских аналогий — острое оружие для многих сложных
исследований. На моделях удается с меньшей затратой
труда, нежели при исследованиях в натуре, выяснить
многие закономерности.
Существуют специальные машины — электроинтегра-
торы. В одном агрегате работают тысячи электронных
ламп, реле, сопротивлений. Такой электроинтегратор
производит за несколько минут вычисления, на которые
человек, вооруженный простым арифмометром, должен
был бы потратить целые месяцы.
Физиологи изучают нервные проводящие пути, работу
больших полушарий головного мозга. Схемы прохож-
дения нервных токов во много раз сложнее самых запу-
танных сплетений медных проволочек, применяемых
в электротехнике.
Часто физиологи составляют схемы, подобные элек-
трическим. На рис. 1-10, взятом из книги академика
Бехтерева, показана одна из схем прохождения нервных
токов.
Изучение различных систем электрических блокиро-
вок, взаимных связей, изучение схем автоматических те-
лефонных станций могли бы помочь физиологам в их
работе.
Различные построения формальной логики могут
быть выражены электрическими схемами. Силлогизмы,
посылки можно изобразить системой контактов, различ-
ным способом соединенных.
Так же, как и формальная логика, схемы ни в коей
мере не могут заменить правильное диалектическое
мышление, но они являются полезным техническим под-
спорьем.
Читать и составлять электрические схемы должны
бы уметь не только инженеры, но и каждый кончающий
среднюю школу. Задатки «схемной премудрости» следо-
вало бы внести в учебники физики. Для этого, пожа-
27
Рис. 1-10. Схема демонстрирует, как человек говорит.
Звуковые волны, воспринимаемые ухом при разговоре с другим лицом,
достигают Кортнева органа во внутреннем ухе, откуда возбуждение
передается в центростремительном направлении по нерву VIII и в даль-
нейшем по слуховому пути до подкоркового внутреннего коленчатого
ядра Сдг, после чего то же возбуждение по центростремительным
подкорковым проводникам достигает центра Wernikea в средней части
коры первой левой височной извилины, от последнего же возбуждения
передается с одной стороны к области сосредоточения в предлобной
части мозговой коры, с другой — к двигательному речевому центру
Broca В, от которого по нисходящим проводникам возбуждение пере-
дается к ядрам XII и IX нервов, управляющих движением языка и
гортани. Вместе с тем активное сосредоточение на предмете разговора
обусловливается распространением возбуждения от области A Wernikea
к центру сосредоточения С в предлобной области, а от последнего
с одной стороны к области Broca В, с другой стороны по нисходящим
проводникам до ядер VI, IV и III глазных нервов, устанавливающих
взор в соответствующем направлении (из книги академика В. М. Бех-
терева «Общие основы рефлексологии человекаэ).
луй, следовало бы несколько потеснить бузиновые ша-
рики и электрофорные машины, которые нынче интерес-
ны уже не для электриков, а только для историков элек-
тротехники.
1-6. Абстракция
Мы говорим и пишем по-русски, не задумываясь над
тем, какой огромный путь развития прошел наш родной
язык, прежде чем приобрести свою современную гиб’
кость и красоту.
Этнографы изучили языки первобытных (племен, сто-
явших на очень низкой ступени развития. Нынче эти
языки исчезли, но записи о них сохранились.
«Индеец племени понка для того, чтобы сказать «че-
ловек убил кролика», должен был выразиться так: «че-
ловек, он, один, живой, стоя (в именительном падеже),
нарочно убил, пустив стрелу, кролика, его, живого, си-
дящего (в винительном падеже)».
Этот язык отличается тем, что все в нем должно
быть выражено конкретными деталями, которые в на-
ших современных языках остаются невыраженными или
подразумеваемыми. Форма глагола в языке индейцев
выражала, совершено ли действие убийства случайно
или преднамеренно, совершено ли оно при помощи сна-
ряда и если при помощи снаряда, то какого именно, по-
средством лука и стрелы или ружья.
В этом языке вместо неопределенного выражения
«мы» имеется несколько выражений, обозначающих
«я и ты», «я и вы», «я и вы двое», «я и он», «я и они».
Сила нашего современного языка — в его способно-
сти к абстракции — отвлечению. Для дуба, березы, оль-
хи, сосны есть у нас обобщающее слово — дерево. Еще
более общим словом будет «предмет». В отличие от
мышления первобытных людей наше мышление способ-
но к большим обобщениям и отвлечениям. Благодаря
возможности отбросить несущественные признаки наш
язык весьма экономен. Малым количеством слов можно
выразить много понятий.
Язык схем, язык современной электротехники разви-
вался стремительно. При своем возникновении 100 лет
тому назад он был так же примитивен, как язык перво-
бытных племен. Тогда не было в электротехнике даже
29
условных обозначений. Нынче электрики широко при-
меняют мощное оружие абстракции.
Существует множество типов электрических схем, ко-
торые не отражают собой ни конструкции, ни размеров
электрической установки. Эти схемы показывают только
токопрохождение, только структуру токопроводящих
цепей. И огромный высоковольтный выключатель, веся-
щий десятки тонн, и крохотный контакт реле, который
весит доли грамма, могут быть изображены на условной
схеме одним и тем же значком. Схема силовых цепей
центральной электростанции на бумаге может выглядеть
более простой и занимать меньше места, нежели схема
какого-нибудь автоматического радиопередатчика, кото-
рый и весь-то умещается на ладони.
Такие электрические схемы — это очень высокая сте-
пень отвлечения, абстракции.
Командующий армией, рассматривая географическую
карту, на которой нанесены красные и синие стрелы,
кружки, овалы, видит не беспорядочные карандашные
штрихи, а полки, занимающие оборону, дивизии, идущие
в атаку, танки, авиацию... Так электрик за спиралями,
черточками и точками схемы уясняет себе взаимодейст-
вие магнитов, конденсаторов, двигателей, реостатов.
1-7. Начертания электрических схем
Земля — шар, а географические карты рисуются на
плоскости. Существует множество приемов перенесения
поверхности шара на плоскость. Карты рисуются в кони-
ческих, цилиндрических и еще многих других проек-
циях. Любая проекция — это искажение подлинного мас-
штаба. Но в одних больше искажаются площади,
а в других расстояния. Для разных целей нужны разные
карты. И подробности на картах бывают разные: на од-
них показаны политические границы, административное
деление районов. На других картах нанесена сеть -изо-
гипсов, высоты и глубины.
Можно по-разному представить при помощи линий
на бумаге токопрохождение в системе электрических
приборов и аппаратов. Всех вариантов начертания элек-
трических схем здесь не перечислить. Они различаются
между собой куда больше, нежели географические кар-
ты в разных проекциях.
30
Электрические схемы вырабатывались применитель-
но к требованиям практики. Но одни задачи у диспет-
чера крупной энергосистемы, другие — у монтера, соби-
рающего релейный щит на командном пульте одной из
подстанций той же энергосистемы.
Сборные
имины
Рис. 1-11. Однолинейная схема электрической
станции с двумя генераторами, с двойной систе-
мой сборных шин, с тремя отходящими линиями
и параллельным масляным выключателем, кото-
рый служит для соединения шин между собой при
различных переключениях.
Диспетчер энергосистемы, подобно начальнику штаба
армии, должен охватывать крупные основные события
и соотношения. Он должен отвлечься от второстепенных
деталей и мелочей. Он имеет дело с направлением основ-
ных энергопотоков. Его интересует именно не токопро-
хождение, а энергопрохождение. Для этого рисуются
однолинейные схемы (рис. 1-11). Трансформатор на та-
кой схеме — это два перекрещивающихся кружочка, а
31
Станция А
Станция В
Станция С
Рис. 1-11а. Темная отображающая схема на
пункте дальнеуправления энергосистемой.
Провода показаны начерченными на щите линия-
ми или наложенными полосами. В местах соеди-
нения проводов находятся светящиеся знаки —
указатели «включено» и «отключено».
Для экономии места размещение линий на схеме
не соответствует географическому расположению
установок.
многокилометровая трехпроводная линия электропереда-
чи— одна черточка. Все вспомогательные и защитные
аппараты, стоящие у генераторов, трансформаторов, вы-
ключателей, жгуты контрольных и сигнальных кабелей
с десятками жил на этих схемах опускаются.
Схема энергосистемы не есть
нечто неизменное, застывшее. В этой
Рис. 1-116. Светящая-
ся отображающая
Линии схемы сделаны
светящимися при помо-
щи ламп, находящихся
за щитом. Светятся толь-
ко провода под напря-
жением. Разъединитель
Т\ включен, а Т2 — вы-
ключен.
схеме все время происходят раз-
личные переключения. Питание пе-
реводится то на одну, то на другую
систему сборных шин (для осмотра,
для ремонта). Меняется состояние
выключателей и разъединителей:
они то замыкаются, то размыкают-
ся. Одни машины пускаются в ход,
другие останавливаются.
На командном пункте находятся
сигнальные устройства, оповещаю-
схема.	щие дежурного инженера, какие це-
пи включены, а какие разомкнуты.
Для большей наглядности от-
дельные сигнальные устройства
иногда объединяются в отобра-
жающую схему. Существуют
32
светящиеся схемы. На них светятся те линии, которые
находятся под напряжением, а отсоединяемые участки
схемы гаснут. Иногда освещение делается разных цве-
тов, иногда в линии схемы встраиваются измерительные
приборы, которые показывают нагрузку.
Бывает, что делают изображение схемы соответствен-
но географическому расположению установок с показа-
нием всех соединений между отдельными станциями.
Иногда же для экономии места схему деформируют. От-
дельные линии изображаются не полностью, а на схеме
даются лишь их концы, соответственно пронумерованные.
1-8. Скелеты
При однолинейном начертании схем энергосистем
пренебрегают многим. Но самой упрощенной, наиболее
общей и абстрактной из всех видов схем является ске-
Ah? - телефонные
аппараты
/fz_4 ‘коммутаторы
Р^2 -радиостанции
Рис. 1-12. Блок-схема связи на большом самолете.
По этой схеме командир А} при помощи своего коммутатора Ki может
получить связь с любым абонентом или со своей рацией Рг, А2 — ра-
дист, имеет коммутатор К2 — для связи с коммутатором командира
или со своей рацией Р2. Летчик А3 и бортмеханики Л4 имеют комму-
таторы Кз и д4 для связи с командирским коммутатором и между
собой (Л5, Ав, Ат — прочие лица экипажа).
летная схема. Эти схемы применяются во всех областях
электротехники — и в энергетике, и в радиотехнике, и
в проводной связи — для самого первого знакомства
с предметом. Скелетная схема — это часто только мнемо-
3 Г. И. Бабат.	33
ническое пособие для более прочного запоминания обще-
го принципа работы изучаемой установки. Отдельные
узлы установки обозначаются кружочками или квадрати-
ками, и между ними прокладываются линии, показываю-
щие пути прохождения рабочей энергии и командных
сигналов между этими отдельными узлами (рис. 1-12).
Иногда для обозначения отдельных частей крупной уста-
К старшему
Рис. 1-13. Блок-схема связи в укрепленном районе.
новки применяется термин «блоки» и скелетную схему
называют «блок-схемой» (рис. 1-13 и 1-14).
Соединительная черточка на блок-схеме может
обозначать и простую двухпроводную линию, и пучок из
многих сотен проводников, и радиоволну между антенна-
ми, и световой луч, а в некоторых случаях даже механи-
ческую связь — трос или тягу.
Стрелки на соединительных линиях иногда показы-
вают соподчинение блоков, иногда указывают на то, дву-
сторонняя или односторонняя связь между узлами. Бы-
вает, что стрелка — просто указание на уходящую за-
пределы схемы цепь сигнализации или энергопита-
ния.
На кружочках и квадратиках, составляющих скелет-
ную схему, делают надписи, разъясняющие, что именно
эта часть собой представляет. Существуют и условные
34
Г ИП	Контролируемые
|	объекты
Передающее
селекторное
устройство / ъ
Hl

Линия связи
>*
б)
'Приемное РП J
селекторное
устройство
персонал
ИП Передающее селекторное
устройство
Контрольные
контакты
объектов
it
Линия связи
6)
а
Рабочие цепи
объектов
cfo> (ob\ (оо
'Приемное
селекторное
^устройство
I h
и

Рис. 1-14. Блок-схемы телемеханических устройств.
а — односторонняя телесигнализация; б — телекомандование с обратной теле-
сигнализацией; в — телеуправление с обратной телесигнализацией.
Слева изображены распределительные пункты — РП- справа — исполнительные
пункты ИП.
значки для некоторых наиболее употребительных частей
схем.
Усилитель обозначают так: | > | . Для фильтра ри-
суют кривую его прозрачности (подробнее о фильтрах
будет сказано в гл. 6). Полосовой фильтр изображается
таким значком: |\_7| •а фильтр низких частот таким:
3*
33
1-9. Разные принципиальные схемы
Самый обширный класс электротехнических схем —
это принципиальные схемы. Они могут быть то более, то
менее подробными. На некоторых принципиальных схе-
мах указываются решительно все соединительные про-
воднички, все приборы и контакты. Это полные принци-
пиальные схемы. Иногда на принципиальных схемах
указывается только часть цепей. Для сложной установки
рисуется часто ряд принципиальных схем. Одна, скажем,
принципиальная схема силовых цепей, другая — прин-
ципиальная схема измерительных и контрольных цепей,
схема цепей связи и т. д.
Электротехника — очень разветвленная наука, и для
разных ее областей выработались разные приемы изоб-
ражения принципиальных схем.
Радиотехнические схемы, в которых участвуют десят-
ки многосеточных электронных ламп, множество индук-
тивностей, емкостей, сопротивлений, имеют достаточно
сложное токопрохождение. Но зато это токопрохождение
не меняется в процессе работы схемы. Поэтому в изобра-
жении принципиальных радиотехнических схем нет боль-
шого разнообразия — все радиотехнические схемы рису-
ются примерно по одному шаблону. По одной или по
нескольким линиям выстраиваются лампы, изображае-
мые в'виде кружочков или овалов, и вокруг ламп протя-
гиваются соединительные провода. Более редко лампы
выстраиваются не по прямой линии, а, например, по
кольцу (рис. 1-15) или по вершинам многоугольника.
Иной характер имеют схемы телефонных станций
или устройств для автоматического управления различ-
ными агрегатами. Здесь характерно то, что действие
установки связано с видоизменением ее схемы. В схеме
происходят переключения, токопрохождение в ней ме-
няется. Различают иногда спокойное положение схемы
и ее рабочее положение.
Это изменчивость, «динамичность» схем телефонии и
автоматики резко отличает их не только от многих дру-
гих абстракций — например, от географической карты
или строительного плана, но и от других электрических
схем — схем энергетики или радиотехники.
Для схем автоматики удобно иметь такое начертание,
чтобы изучающий эту схему возможно меньше загру*
36
жался утомительной работой по переводу одного состоя-
ния схемы в другое.
Существует два сильно отличающихся один от дру-
гого метода изображения схем электроавтоматики.
Рис. 1-15. Кольцевая схема с электронными лам-
пами.
Подобные схемы служат для счета импульсов, быстро
следующих один за другим с интервалом в микросекун-
ды. Показан пятиступенный кольцевой счетчик. Последо-
вательные импульсы напряжения, подаваемые на шины
импульсов, проводят счетчик через пять ступеней. Каж-
дый импульс переводит ток с одной лампы на после-
дующую. На шестом импульсе цикл возобновляется.
В схеме применены двойные триоды; для упрощения на-
чертания половины ламп разнесены одна от другой. Схе-
ма взята из переводной книги с сохранением обозна-
чений.
1-10. Свернутые и развернутые схемы
В годы младенчества электроавтоматики, в прошлом
веке, впервые возникли свернутые схемы. На свер-
нутых схемах стремились изобразить не только электри-
ческие соединения между отдельными приборами, но и
систему механических связей внутри каждого прибора.
37
Когда в свернутой схеме рисуют реле, то обязательно
все его контакты помещаются вблизи обмотки, а между
контактами и обмоткой протягивают еще линию — она
условно указывает на механическую связь между обмот-
кой и контактами.
Свернутые схемы — это еще не «чистая» электротех-
ника. Такие схемы имеют еще много общего с машино-
Рис. 1-16. Двоичная схема в развернутом (а) и свернутом (б) на-
чертаниях.
Схема предназначена для направления тока из проводника О в любой из
восьми проводников /, .... 8. Электромагниты 1, 2 и 3 переключают контакты.
В зависимости от положения якорей ток из провода О может попасть в тот
или иной проводник. Первый электромагнит переключает один контакт.
Остальные два переключают по три контакта каждый. Когда по электромаг-
ниту проходит ток, якорь притягивается в верхнее положение и замыкает
верхние контакты. При выключении тока якорь опускается и замыкает ниж-
ние контакты.
Когда все контакты всех реле опущены, как и показано на рисунке,
ток из О идет в 8 Число возможных цепей т равно т = 2«, где /г — число
каскадов пирамиды, т. е. число реле.
Двоичные схемы применяются иногда для телеуправления.
строительным чертежом. Токовые цепи в свернутых
схемах имеют обычно много изгибов и поворотов; про-
следить за переключением цепей в свернутой схеме до-
вольно затруднительно.
Легче всего мысленно переводить схему из одного
состояния в другое, когда отдельные токовые цепи вы-
черчены возможно проще — лучше всего в виде прямых
линий.
Такая схема с наиболее простым ходом отдельных
электрических цепей называется «развернутой». От-
38
Дельные контакты и обмотки реле располагаются в раз-
вернутых схемах без всякого учета их механической
связи друг с другом. Два контакта, тесно сидящие на
якоре одного реле, в развернутой схеме могут оказаться
в противоположных углах огромного листа.
Развернутые схемы стали широко применяться в по-
следние десятилетия ввиду все большего развития авто-
матики и управления на расстоянии — телемеханики.
Развернутая схема — это более высокая степень абстрак-
ции, чем схема свернутая. Требуется известная трениров-
ка, чтобы научиться быстро читать и составлять развер-
нутые схемы (рис. 1-16).
Бывают еще начертания схем, промежуточные между
свернутыми и развернутыми. Их можно было бы назвать
«п о л у р а з в е р н у ты м и» схемами. Они имеют недо-
статки и тех, и других схем, но в малой степени их
достоинства.
Много еще есть тонкостей в схемной технике. Особая
проблема — это индексация различных элементов схемы:
кнопок, обмоток реле, контактов. Тот или иной подбор
букв или цифр для условного обозначения элементов
схемы может существенно облегчить или, наоборот, за-
труднить работу с ней.
1-11. Самые подробные
Радиолюбитель часто собирает свой самодельный
радиоприемник или передатчик прямо по принципиаль-
Рис. 1-17. Принципиальная схема полевого телефонного аппарата
УНА-И-28 (унифицированный аппарат индукторный образца 1928 г.).
РК — рабочий контакт на микротелефонной трубке, который надо прижимать
при разговоре; ШК — шунтовой контакт в виде кнопки, нажимаемой при вы-
зове; ГЗ — грозовой разрядник для защиты аппарата от атмосферного элек-
тричества; Л1 и Л2 — зажимы, к которым присоединяются провода линии свя-
зи; Зв — вызывной звонок; Тр — трансформатор, передающий колебания тока
от микрофона в линию.
39
Внутренний вид крышки выемной рамы
ной схеме. Уже в самом процессе монтажа он решает,
как пустить тог или иной проводничок. Но в промышлен-
ности такое свободное творчество недопустимо. Высокой
производительности труда при таком методе монтажа не
получить. При массовом производстве все соединитель-
ные проводнички часто заготавливаются заранее, зара-
нее же делаются на них все петельки, загибы, ушки. Для
руководства постройкой и ремонтом аппаратов рисуются
монтажные схемы. Это самые детальные из всех
возможных электрических схем (рис. 1-17 и 1-18).
На монтажных электрических схемах все детали по-
казаны в тех местах, где они находятся в действитель-
ности. Все проводники протянуты так, как должно быть
в натуре. В монтажных схемах изменен только масштаб.
Но часто и масштаб равен натуре.
1-12. Печатный монтаж
Напечатать на бумаге типографским способом любую
монтажную схему обходится куда дешевле, нежели вы-
полнить эту схему в натуре, изгибая медные проводни-
ки, подгоняя их к месту и спаивая между собой.
|В связи с развертыванием массового выпуска раз-
личных радиоаппаратов возникла мысль применить мас-
совую и дешевую технику книгопечатания для производ-
ства не только руководств к монтажу, но и самого мон-
тажа.
В понятие «печатные схемы», «печатный монтаж»
входят самые разнообразные способы производства1.
Некоторые почти точно воспроизводят обычную типо-
графскую технику, другие имеют с ней меньше общего.
Но все это высокопроизводительные массовые дешевые
способы.
Требуемые проводящие пути создаются из металличе-
ских полосок на изоляционной поверхности (рис. 1-19).
Это может быть пластинка из пластмассы, керамики,
стекла. В качестве проводникового материала чаще все-
го применяют серебро, медь, цинк, алюминий. Суще-
ствуют следующие способы нанесения проводящих путей
на изоляцию.
1 Слово «печатание» здесь понимается как воспроизвелемие ри-
сунка на поверхности путем какого-либо процесса.
41
Мелкий металлический порошок смешивают с жид-
ким связующим веществом и с растворителем. Получив-
шуюся металлическую краску наносят на поверхность
изолятора через трафарет или другим способом. После
этого пластину нагревают до высокой температуры, а
затем в схему впаиваются сверхминиатюрные электрон-
ные лампы. Это способ окрашивания.
На рис. 1-20 показано изготовление этой схемы
методом печатания на керамиковой пластинке.
Конденсаторы и сопротивления находятся на ке-
рамиковой пластинке и соединены между собой
при помощи серебряных проводящих путей.
Можно расплавленный металл или краску разбрызги-
вать на изоляционную поверхность при помощи пульве-
ризатора (пистолета). Часто изоляцию предварительно
обдувают песком, чтобы она стала шероховатой и лучше
сцеплялась с металлом.
Применяют часто химическое осаждение.
Раствор азотнокислого серебра восстанавливают на не-
проводящей поверхности. Этот способ имеет нечто общее
с изготовленим зеркал, где на стеклянной пластинке
также восстанавливается слой металлического серебра.
Только при изготовлении схем слой не сплошной, а в ви-
де полосок, которые могут служить и проводниками, и
сопротивлениями.
Высокого качества схемы получаются путем распы-
ления в вакууме. Металл заставляют испаряться
в пространстве с высоким разрежением. Осаждаясь на
изоляцию, он прочно сцепляется с цей.
42
Хороша и штамповка. Из металлической фоЛьги
штампуют проводники схемы и впрессовывают их в изо-
ляционную панель с одной или с обеих сторон. Иногда
поверхность металлического штампеля подогревают, что-
Рис. 1-20. Четыре стадии печатания схемы рис. 1-19
через трафарет.
Вверху слева — чистая изоляционная плата; справа — про-
водники из серебряного покрытия, нанесенные через тра-
фарет; внизу слева — шесть сопротивлений, нанесенных
угольным покрытием с помощью второго трафарета; спра-
ва — миниатюрные лампы-пентоды, выводы которых при-
паяны к схеме.
бы размягчить пластическую массу основания и крепче
сцепить с ней полоски фольги.
Делаются опыты и с фоторепродукцией, и с гальва-
нопластикой.
Всеми этими способами изготовляют монтажные про-
водники, сопротивления (для этого часто вместо метал-
лических полосок применяют графитовые составы), кон-
денсаторы, катушки индуктивности, экраны, антенны
(рис. 1-20).
Так можно получить аппаратуру минимального раз-
мера и веса. Мал и расход материалов в производстве.
30 г серебра достаточно, чтобы напечатать 125 схем
двухкаскадного усилителя на электронных лампах. Ча-
сто схема печатается на баллонах самих ламп.
43
Ё «силовой электротехнике» — в энергетике — печат-
ные схемы пока мало известны. Их область — сигнализа-
ция, управление, связь. Печатные схемы применяются
в маленьких радиопередатчиках, в коммутаторах, уси-
лителях. В частности, таким образом изготавливаются
миниатюрные приборы для тугоухих.
Иногда печатанием изготавливается только часть
схемы всего аппарата — подсборка, а затем из от-
Рис. 1-21. Детали аппаратуры, изготовленные
по методу разбрызгивания с применением обра-
ботки песком.
Вверху — коммутатор радиозонда; внизу слева — ка-
тушка индуктивности ультравысокой частоты; внизу
справа — сопротивление с отводом в центре.
дельных подсборок монтируется весь аппарат (рис. 1-21).
В технике будущего все эти методы производства
должны получить дальнейшее развитие и усовершенст-
вование.
Приборы из изоляторов, пронизанных проводниками
и полупроводниками, многим напоминают структуру
нервной системы, структуру мозга. Они быстро эволю-
ционируют, становясь все более совершенными, способ-
ными решать все более сложные задачи.
Но, что самое важное, новые методы производства
дают возможность массового и дешевого изготовления
44
самых тонких и сложных аппаратов. Десятки, сотни за-
путанных соединений создаются в изоляционной массе
без кропотливого труда. Методы промышленности при-
обретают некоторые черты сходства с методами сельско-
го хозяйства, где умелое использование сил природы
обеспечивает большой урожай на затраченный труд.
В будущем будут найдены еще более совершенные, еще
более эффективные способы «выращивания» тонких
электрических аппаратов. Больше электрических слуг
станет в промышленности и в быту.
1-13. Снова о лампе в коридоре
После общих рассуждений о схемах надо все же вер-
нуться к маленькой задаче о лампе, управляемой из
многих пунктов. Ее решение было предоставлено самому
читателю.
В условии было сказано, что когда одним выключа-
телем лампа зажжена, то другим она может быть пога-
Рис. 1-22. Управление лампой из двух пунктов.
шена. Значит, одно и то же положение любого выключа-
теля, в зависимости от положения остальных выключа-
телей, может соответствовать либо свету, либо темноте.
Следовательно, для управления лампой должен быть
применен прибор, который не просто замыкает или раз-
мыкает цепь, а направляет ток то по одному, то по дру-
гому пути. Для гашения и зажигания лампы необходимо
пользоваться переключателями.
Когда управление происходит только из двух пунк-
тов, то применяются два однополюсных переключателя,
как показано на рис. 1-22. При большем числе пунктов
45
в схему вводятся Двухполюсные переключатели
(рис. 1-22). Число их неограниченно.
Рис. 1-23. Схема рис. 1-22 очень примитивна (тому, кто сразу
не решил § 4, на-верно, обидно, до чего это решение про-
сто). Но эта схема является зачатком того, что теперь
называют с л ед я щи м и системами.
Один пункт переключения будем считать задающим,
второй — приемным. Лампу примем за указатель. Мож-
Рис. 1-23. Управление лампой из произвольного числа пунктов.
но пристроить электромагнит, который всегда будет
переводить приемный переключатель на положение «по-
гашено». При этом переключатель на приемном пункте
будет автоматически следить за переключателем на пе-
редающем пункте. Это будет двухпозиционная система
дальней передачи — дальнеуправления.
Эту схему можно развить в более сложные, более
тонкие.
1-14. Электрические замки
Изображения замков и даже остатки разного рода
запоров находят между древностями самых различных
эпох — скифскими, ассирийскими, египетскими, грече-
скими, римскими.
Замок считается тем совершеннее, чем труднее подо-
брать -или подделать к нему ключ. Есть весьма надеж-
ные замки и вовсе без ключей. Эти замки состоят из
набора дисков или колец, по окружности которых нане-
сены цифры или буквы. Замок открывается только тог-
да, когда все кольца его установлены в одно определен-
ное положение. При двух кольцах подобрать секрет не
составляет труда. Если на каждом кольце 10 цифр, то,
перебрав 100 комбинаций, можно подобрать ту, при ко-
торой замок отпирается. При трех кольцах уже требует-
46
ся затратить около часа, чтобы подобрать секретную
комбинацию цифр, при пяти кольцах придется работать
несколько дней подряд. Отмычек для таких замков не
существует.
Рис. 1-24. Развернутая схе-
ма электрического замка.
Сверху и снизу схемы — провод-
ники питающей сети. Х\, Х2, Х3.
У и Z — обмотки электромагни-
тов. Каждый из них притяги-
вает свой якорь, когда вклю-
ченные последовательно с ним
контакты образуют замкнутую
цепь. Все контакты обозначены
соответствующими буквами. На-
пример, Xi — это контакты, свя-
занные с якорем электромагни-
та Х|. Буквы с чертой наверху
обозначают нормально-замкну-
тые контакты, а буквы без чер-
ты — нормально-разомкнутые
контакты. Когда электромаг-
нит Xi обесточен, то три контак-
та Xi разомкнуты, а один кон-
такт Xi замкнут.
Буквами а, b и с обозначены
контакты кнопок А, В и С. Как
видно из рисунка, все эти кон-
такты являются многократны-
ми, т. е. при нажатии одной
кнопки замыкается сразу не-
сколько контактов. По шифру
замка полагается нажать пер-
вой кнопку С. При этом замы-
кается цепь электромагнита Хь
Все контакты Х\ замыкаются,
а контакт Х\ разрывается. При
отпускании кнопки С электромагнит Х\ остается включенным, так как парал-
лельно контакту с имеется контакт х\ и разрыв контакта с после замы-
кания Х\ не вызывает разрыва тока в цепи электромагнита Х\. После нажатия
кнопки С контакт с оказался «заблокированным». Крайний левый контакт Х\
является «блокировочным контактом» или, как говорят еще, «блок-контак-
том» для С.
После кнопки С полагается (по шифру) нажать А. Тогда включается элек-
тромагнит Х2, контакты х2 замкнутся, а х2 разомкнется. Далее при нажа-
тии В включится Х3, а тогда последнее нажатие А включит электромаг-
нит У, и замок отопрется. Но если спутать порядок нажатия^ например, пер-
вой нажать кнопку А или В, то включится через контакт Х\ электромагнит
сигнала тревоги Z. Любое нарушение порядка нажатия вызывает сигнал
тревоги. Для нового запирания замка необходимо нажать кнопку G. Нормаль-
но-замкнутый контакт g разрывается, прекращается питание всех электромаг-
нитов, схема приходит в начальное положение.
Некоторой аналогией такого секретного замка яв-
ляется телефон. Трудно попасть к абоненту, не зная его
условного номера.
Можно составить довольно простые электрические
схемы из набора реле, которые будут действовать по-
добно замку. Предположим, имеются три кнопки или
ключа; Д, В, С (рис. 1-24). Если нажимать на эти ключи
47
или кнопки в определенной последовательности, напри-
мер такой: С—А—В—А, то сработает исполнительный
элемент (электромагнит) ¥ и освободит защелку замка.
Если же нажимать на кнопки А, В, С в любой другой
последовательности, то не только электромагнит ¥ не
сможет включиться, но еще придет в действие дру-
гой исполнительный элемент Z, который включит звуко-
вой сигнал тревоги.
Кроме того, в этом электрическом замке есть еще
кнопка G, которая возвращает всю схему в исходное по-
ложение.
Можно сразу же высказать некоторые общие поло-
жения относительно структуры схемы такого электриче-
ского замка. Исполнительный элемент должен срабаты-
вать только после нескольких воздействий на элементы
Л, В, С, поэтому для фиксации, для запоминания всех
промежуточных действий в схеме должны быть преду-
смотрены вспомогательные исполнительные элементы
Х2, Х3 — это электрическая память устройства.
/-/5. Приведенное сопротивление
И задачу о лампе в коридоре, и более сложную за-
дачу об электрическом замке можно назвать «задача-
ми на определение структуры». Ни силы токов, ни вели-
чины напряжений, действующих в отдельных цепях,
в этих задачах несущественно было определять. Требо-
валось найти только токопрохождение, только структуру
схемы.
Другой обширный класс электротехнических задач —
это те, в которых требуется определить токи, циркули-
рующие в схеме под действием тех или иных приложен-
ных к ней напряжений.
Если к источнику напряжения подключено известное
сопротивление, то, чтобы определить силу тока в ампе-
рах, достаточно разделить величину на.пряжения в воль-
тах на величину сопротивления в омах. При двух сопро-
тивлениях, включенных последовательно одно за другим,
чтобы определить ток, надо разделить напряжение на
сумму этих сопротивлений. Но когда электрическая схе-
ма составляется из многих сопротивлений, то определить
в ней все токи может быть не так просто. Возьмем
к примеру такую задачу.
48
Из проволоки сделан каркас куба, как это представ-
лено на рис. 1-25. Каждое ребро куба имеет сопротивле-
ние, равное точно 1 ом. К двум противоположно распо-
ложенным вершинам куба (обозначенным на фигуре О\
и О2) подводятся проводники, которыми этот куб присо-
единяется к источнику напряжения.
Требуется определить, какое сопротивление электри-
ческому току будет представлять собой этот кубический
каркас и какой силы
токи будут в его от-
дельных ребрах. Две-
надцать сопротивле-
ний, составляющих
куб, надо заменить
одним приведен-
ным или эквива-
лентным сопро-
тивлением.
Возможно, читатель
сам быстро найдет это
приведенное сопротив-
ление кубического кар-
каса. На схеме рис.
1-25 показано стрелка-
Рис. 1-25. Каркас в форме куба, со-
ставленный из двенадцати одинако-
вых сопротивлений.
ми токопрохождение
в каркасе. Ток входит в вершину Oi и растекается из нее
на три пути. Затем для тока открывается шесть путей.
Пройдя их, ток через последние три ребра сходится
к вершине О2.
Во многих случаях приходится изучать значительно
более сложные электрические схемы и заменять их более
простыми комбинациями сопротивлений.
1-16. Эквивалентные схемы
Для разных целей нужны разные степени абстрак-
ции.
Всякое изучение начинают с того, что сосредоточива-
ют внимание на основных признаках явления. Менее су-
щественным на первых стадиях пренебрегают.
Эквивалентные схемы, схемы замещения, как их еще
называют, учитывают игру только главных сил, отбрасы-
вая все второстепенное, отбрасывая детали.
4 Г. И. Бабат.	49
L L L L L L
Рис. 1-26. Катушка из медного
проводника с помещенным внутри
нее стальным шаром и различные
схемы замещения, которыми мож-
но представить этот объект.
1.	При постоянном токе или токе,
весьма медленно меняющемся, катуш-
ка ведет себя подобно чисто активно-	&_______
му сопротивлению.	[
2.	Для тока низкой частоты катушку
можно рассматривать как большую f-*-0 J,
индуктивность.	•> >, .git	R
3.	Ток достаточно высокой частоты вы- л ’	LJ
зывает нагревание помещенного вну-	Т
три катушки стального шара. Это	 I
индукционное нагревание. Эквивалент-
ную схему катушки составляют в этом
случае в виде трех последовательно
включенных сопротивлений. Два из них — Ra и /?г- — активные сопротивле-
ния — множители поглощения мощности в шаре и в катушке. Коэффициент
полезного действия индукционного нагрева, т. е. отношение мощности, выде-
ляемой в шаре, к полной подводимой к катушке мощности, равно:
Ra
П Ra+Ri’
L соответствует индуктивности системы. При индукционном нагревании
энергия, запасаемая в индуктивности L, обычно в несколько раз больше по-
требления энергии в и Ra за один полупериод тока.
4.	При дальнейшем повышении частоты переменный ток будет проходить
не только по виткам катушки, но и через емкость С между витками. При
Возьмем к примеру электродвигатель. У него обмот-
ка на статоре, обмотка на роторе. В различных участках
магнитной цепи двигателя может накапливаться элек-
тромагнитная энергия. В стальных сердечниках и об-
мотках часть энергии превращается в тепло. Часть
энергии двигатель превращает в полезную механическую
работу.
В двигателе одновременно идет множество сложных
преобразований энергии. Но в общих чертах, по отно-
шению к питающей его сети, двигатель ведет себя как
комбинация всего двух последовательно или парал-
лельно включенных сопротивлений: одного чисто актив-
ного, другого—реактивного. Эти два сопротивления и
будут схемой замещения электродвигателя.
Сложная разветвленная электрическая сеть с десят-
ками тысяч включенных в нее осветительных ламп, сот-
нями электродвигателей, промышленных печей, выпря-
мителей, бытовых нагревателей также может быть заме-
щена всего лишь двумя сопротивлениями.
Если строго подойти к вопросу, то все схемы, кото-
рые рисуются на бумаге, суть только эквивалентные схе-
мы, только схемы замещения.
Возьмем к примеру катушку, намотанную из медной
проволоки. На рис. 1-26 даны некоторые ее схемы заме-
щения. Среди прочих своих свойств катушка обладает
способностью запасать энергию в своем магнитном поле.
резонанс,
f = 2^7^ наступает
собственная частота катушки совпадает
с частотой питающего тока. Можно рассматривать теперь катушку как коле-
бательный контур или как весьма большое чисто активное сопротивление
(в несколько раз большее, нежели сопротивление катушки постоянному току
в случае 1).
5.	При еще более высокой частоте ток, идущий по проводникам катуш-
ки, уменьшается, и основное значение имеет емкостной ток между витками.
В эквивалентной схеме катушку необходимо представлять в виде конденса-
тора с последовательно или параллельно включенным активным сопротивле-
нием. Это сопротивление также очень отлично от сопротивления катушки
постоянному току (в эквиваленте 1). В эквивалентном сопротивлении (5) со-
держатся и потери в изоляции, и потери на излучение.
6.	Когда длина электромагнитной волны, падающей на катушку, стано-
вится сравнимой с ее размерами, эквивалентную схему надо представлять
в виде цепочки из ряда индуктивностей и емкостей. Вместо точечной схемы
замещения дается теперь пространственная одномерная линейная схема.
7.	Когда электромагнитная волна короче длины и диаметра катушки, то
и одномерная схема замещения оказывается неудовлетворительной. Для про-
цесса прохождения этой короткой электромагнитной волны через катушку
с шаром может быть нарисована эквивалентная схема в виде двухмерной или
даже трехмерной (как и представлено на рисунке) сетки из большого числа
точечных элементов. На рисунке показана кубическая сетка из множества
сопротивлений, обозначенных Z. Это все комплексные сопротивления. Каждое
из них и поглощает энергию, и запасает ее либо как индуктивность, либо
как емкость.
4*
51
Для некоторых случаев катушку можно обозначить на
схеме значком £, т. е. приписать этой катушке только
индуктивность, пренебрегая всеми ее остальными каче-
ствами.
Поместим в катушку стальной шар. Сталь имеет
большую магнитную проводимость, нежели воздух. Ин-
дуктивность катушки увеличится. Но это будет иметь
место лишь в том случае, когда к катушке подведен ток
низкой частоты. Если же направить в катушку ток вы-
сокой частоты, то в стальном шаре возникнут вихревые
токи. Они парализуют действие повышенной магнит-
ной проводимости стали. При высокой частоте индуктив-
ность катушки со стальным шаром внутри будет мень-
ше, нежели индуктивность катушки без шара. Токи,
наведенные в шаре, будут вызывать выделение в нем теп-
ла. В более точной эквивалентной схеме катушки со
стальным шаром должны быть учтены эти затраты энер-
гии на нагревание стали. На эквивалентной схеме на-
гревание стали отображают в виде сопротивления /?,
которое включено либо последовательно, либо парал-
лельно индуктивности L.
Сопротивление, которое включается параллельно ка-
кой-либо части схемы, называют иногда утечкой. Боль-
шей частью применяют этот термин к активной утечке,
которая только поглощает энергию. Такую утечку обо-
значают буквой G. Но иногда говорят и о такой цепи
утечки, которая частично или даже полностью запасает
энергию, — это реактивная утечка.
Итак, в некоторой области частот можно представ^
лять катушку со стальным шаром в виде комбинации
L и R или L и G. Но повысим еще частоту тока. В ка-
тушке между отдельными ее витками начнут проходить
емкостные токи. Эквивалентную схему надо рисовать,
учитывая эти емкости. Тот, кто составляет схему, дол-
жен еще рассудить, как подключить их к L и R. Иногда
лучше представить параллельное, а иногда и последова-
тельное включение.
При еще более высокой частоте тока катушка ведет
себя как длинная цепочечная линия. Эквивалентную схе-
му катушки надо рисовать в виде очень большого коли-
чества элементов.
Новые особенности вносит повышение частоты тока
в поведение изоляционных материалов. При низких ча-
52
Стотах изоляторы часто считают эквивалентными кон-
денсаторам, т. е. принимается во внимание только спо-
собность изолятора запасать в своем объеме электриче-
скую энергию. Быстропеременное же электрическое поле,
пронизывая изолятор, вызывает его нагревание, в изо-
ляторе происходит поглощение мощности. Эквивалент-
ная схема изолятора уже не просто конденсатор, а кон-
денсатор со включенным параллельно или последова-
тельно с ним активным сопротивлением.
Эквивалентная схема никогда не отображает истин-
ного токопрохождения в приборе или аппарате. Эквива-
лентная схема — это такое простейшее сочетание Л, /?
и С, которое дает соотношение токов и напряжений
лишь в общих, основных чертах такое, как в изучаемом
приборе. Каждая эквивалентная схема верна лишь
в узкой области частот токов. Включим наш аппарат
в цепь тока с другой частотой, бросим на него электро-
магнитную волну другой длины — и старая эквивалент-
ная схема окажется негодной. Надо составлять новую
эквивалентную схему.
Все, решительно все схемы электротехники суть
только эквивалентные схемы. Но как определить об-
ласть, в которой справедлива та или иная схема? Для
инженерных расчетов нельзя довольствоваться такими
расплывчатыми критериями, как «более высокая часто-
та», «более низкая». Инженеру необходимы точные
цифры.
1-17. Точечная электротехника
и электротехника пространственная
Символы: индуктивность Л, сопротивление /?, емкость
С и утечка G — это язык, пригодный для той электротех-
ники, где размеры катушек, сопротивлений и емкостей
значительно меньше длины падающей на них электро-
магнитной волны.
Язык схем начал создаваться в прошлом веке, когда
электротехника имела дело главным образом с длин-
ными волнами. На центральных электростанциях и те-
перь производится ток с частотой 50 гц, т. е. с длиной
волны 6 000 км. По сравнению с такой волной даже ог-
ромный турбогенератор в 100 тыс. кет — это точка.
Когда мы говорим, что в катушке может накапли-
ваться только магнитная энергия, в конденсаторе —
53
только электрическая, а сопротивление лишь поглощает
электрическую энергию, то этим самым мы делаем мол-
чаливое допущение, что геометрические размеры этих ка-
тушек, конденсаторов и реостатов бесконечно малы. Ма-
лы, понятно, не в абсолютном смысле, а сравнительно
с падающей на них электромагнитной волной.
Это безразмерная электротехника — схемы ее состоят
из геометрических точек.
Но вот линия электропередачи. При длине в сотни
километров даже ток малой частоты 50 гц укладывает
на такой линии значительный участок своей волны. Что
эта линия: конденсатор или катушка? Она и то и другое.
В длинной линии энергия запасается и в электрическом,
и в магнитном виде.
Из этого положения вышли, заменив реальную ли-
нию цепочкой из ряда одна за другой стоящих индук-
тивностей и емкостей. Это непрерывный ряд точек.
Длинные линии — это уже не точечная электротехника,
а электротехника одномерная, линейная.
Но что считать длинной линией, а что короткой?
Это зависит от длины электромагнитной волны, дви-
жущейся вдоль линии.
Ток с частотой 50 гц в свободном пространстве соз-
дает волну длиной 6000 км. Для такого тока линия дли-
ной 10 км — это короткая линия. На ней укладывается
Veoo доля волны (меньше 1 град.).
В радиолокации применяется ток с частотой
3 млрд, гц — длина волны 10 см. Для этого тока линия
длиной 1 м — это уже очень длинная линия — на ней
помещается 10 волн — 3 600 град.
Для длинных линий вводится понятие о «постоян-
ных», т. е. о сопротивлении, емкости и индуктивности на
единицу длины линии: на 1 см, м или км. Понятно, что
эта единица длины должна быть меньше длины элек-
тромагнитной волны. Низкочастотники берут свои «по-
стоянные» на километр, а высокочастотники на метр и
даже сантиметр.
Длинная линия разбивается на ряд последовательно
включенных отрезков.
Каждый такой отрезок и будет звеном схемной це-
почки. Длинные линии называются цепями с распре-
деленными постоянными. Надо, впрочем, ого-
вориться, что и само это понятие о «постоянных линии»
54
весьма условно. С изменением частоты и емкость, и ин-
дуктивность на единицу длины линии меняются. В еще
большей степени меняется с частотой активное сопро-
тивление линии. При переходе от частоты 50 гц к ра-
диочастотам активное сопротивление обычной двухпро-
водной линии возрастает в десятки, а иногда и в сотни
раз. Поэтому значения «постоянных» действительно' по-
стоянны только в узком интервале частот. Больше того,
во многих конструкциях величины A, R и С изменяются
с изменением напряжения и силы тока, соотношения
между током и напряжением нелинейны. Но и этого
нельзя отобразить в простой эквивалентной схеме.
Обычно для составления схемы принимают какие-то
усредненные значения A, R и С, и эти значения могут
быть большими или меньшими в зависимости от того,
какие напряжения в схеме действуют, какие токи в ней
протекают. Более точные методы анализа подобных
схем разрабатывает нелинейная электротех-
ника; в этой области много сделано советскими уче-
ными академиками Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Па-
палекси.
За последние годы все большее практическое приме-
нение получают короткие волны: метровые, сантиметро-
вые. Они служат для радиолокации, для дальней связи,
для нагрева.
Сантиметровые волны часто передаются не по про-
водным линиям, а по трубам. Такие каналы передачи
конструктивно напоминают водопроводную технику, ка-
нализационную технику. Если и здесь пытаться приме-
нять эквивалентные схемы «точечной электротехники»,
то надо принять, что постоянные А, С и R распределены
уже не в одном измерении, а во всех трех. Не только
длина волновода в виде полой трубы может во много
раз превышать длину электромагнитной волны, но и его
поперечные размеры велики — близки к длине волны,
а иногда и превышают ее. Поглощение электрической
энергии, ее накопление, переход энергии из магнитного
поля в электрическое и обратно происходят не одновре-
менно во всех точках пространства, занятого электро-
магнитными колебаниями.
Чтобы перевести на язык точечной электротехники
сущность процессов, происходящих в устройствах «про-
странственной электротехники», где волна пульсирует
55
в трехмерном пространстве, рисуют сетки из многих ин-
дуктивностей, емкостей и сопротивлений.
Отношение размера конструкции I к длине действую-
щей в этой конструкции электромагнитной волны X —
вот критерий для суждения о применимости той или
иной эквивалентной схемы.
Чем глубже мы хотим проникнуть в сущность про-
цесса, чем точнее требуется провести расчет, тем мень-
ше то отношение -у-, которое можно принять за точку.
Для многих грубых приближенных расчетов принимают
за точку отрезок /, равный даже четверти длины волны.
Высокая степень приближения требует отношения -у- =
= 0,1 или 0,01. Отношение -у- иногда называется вол-
новым коэффициентом. Поэтому ответ на по-
ставленный в конце предыдущего параграфа вопрос
когда справедлива эквивалентная схема? можно сфор-
мулировать следующим образом: элемент схемы — это
может быть только такая часть конструкции, для кото-
рой волновой коэффициент мал.
1-18. Анализ схем помогает улучшить
конструкцию
Вот пример: самый мощный трансформатор, преобра-
зующий ток с частотой 50 гц, имеет размеры, в миллио-
ны раз меньшие, нежели длина волны этого тока. Инже-
нер, изучающий процесс преобразования энергии в этом
трансформаторе, рисует его схему замещения в виде
двух спиралей — двух связанных общим магнитным по-
током индуктивностей. Но перед этим же инженером
могут поставить задачу защитить трансформатор от пе-
ренапряжений.
Чтобы изучить действие резкого толчка перенапря-
жения на изоляцию трансформатора, непригодна про-
стая схема замещения в виде двух точечных индуктив-
ностей. Надо составлять иную, более детальную схему.
И это уже дело таланта инженера — быстро сообразить,
как точнее, проще составить эквивалентную схему, схе-
му замещения.
При атмосферных разрядах в линии передачи возни-
кают грозовые перенапряжения. При включе-
ниях и отключениях линий возникают коммутаци-
онные перенапряжения. В виде волн эти пере-
напряжения блуждают по линиям. Блуждающие
электромагнитные! волны приходят к зажимам трансформа-
тора, проникают в его обмотки. Эти волны могут повре-
дить изоляцию трансформатора, проколоть, прожечь ее.
Надо сгладить эти волны, растянуть их по обмотке
трансформатора, не допустить удара крутого фронта на-
пряжения в тонкую изоляцию. Длина такой блуждаю-
щей волны может быть даже короче полной длины об-
мотки трансформатора. Изучая поведение волны в об-
мотке, электрик рисует схему замещения в виде цепочки
или сетки емкостей и индуктивностей. Верный диагноз
определяет исход болезни. И подобно врачу инженер
должен не только определить болезнь, но и назначить
лечение. Одну емкость он увеличивает, другую умень-
шает. Он изменяет конструкцию обмоток, их взаимное
расположение, ставит иногда специальные экраны и
щиты.
Так, академик А. А. Чернышев изобрел свои знаме-
нитые нерезонирующие трансформаторы.
В них обмотки и изоляция так размещены, что почти
любая волна распределяется равномерно. Обмотка не
«резонирует». Какова бы ни была частота волны, коле-
бания в обмотке не возбуждаются, перенапряжений, ве-
дущих к пробоям, в обмотке не возникает.
Эти исследования А. А. Чернышева были крупным
вкладом в развитие электромашиностроения. Впослед-
ствии еще многие инженеры изучали волны в обмотках
электрических машин, составляли эквивалентные схемы
и на основе анализа их улучшали конструкцию, совер-
шенствовали технологию, повышали надежность работы.
Новая оригинальная система грозоупорного транс-
форматора была разработана советскими конструктора-
ми С. И. Рабиновичем и др. За эту работу им была при-
суждена Государственная премия.
1-19. Растекание токов
Но не только требование малого волнового коэффи-
циента -у должно быть удовлетворено для каждого
элемента эквивалентной схемы, чтобы обеспечить ее
57
точность, -у-	1 — условие необходимое, но недоста-
точное.
И при длинных волнах, при низких частотах схемы
точечной электротехники могут стать неверными. Эти
схемы требуют резкого разграничения материалов, из
которых составлена электротехническая конструкция, на
два класса: на изоляторы и на проводники. Токи в кон-
струкции должны проходить лишь по тем линиям, кото-
рые соединяют отдельные элементы в схеме. Комбинация
меди в качестве проводникового материала и воз-
духа, масел, фарфора, бумаги, эбонита и т. п.—'в каче-
стве изоляции вполне удовлетворяет этим требованиям.
Но в электротехнике известно и множество других кон-
струкций. Существуют системы, в которых нет резкой
границы между проводниками и изоляторами, где токи
не образуют резко очерченных рек, а расплываются по
всему объему.
Примером служит железнодорожная автоблокировка.
По рельсам пускают ток (могут быть применены как
постоянный, так и переменный токи). Рельсовая линия
делится на отдельные изолированные один от другого
участки (блок-участки). С одного конца каждого участ-
ка включается источник тока, -с другого — реле. Поезд,
наезжая на участок, замыкает своими скатами рельсы
накоротко и лишает реле питания. Загорается красный
сигнал — участок занят. Уйдет состав — прекратится ко-
роткое замыкание, реле снова притянет свой якорь, и
вспыхнет зеленый сигнал, путь свободен.
Рельсы лежат на шпалах, окруженных балластом.
Это плохая изоляция, особенно в дождливую погоду.
Между рельсами происходит утечка тока. Ток утечки
рассредоточен по всему пространству. Но эквивалент-
ную схему рельсового пути иногда представляют в ви-
де цепочки последовательно и параллельно соединен-
ных сопротивлений. Чем больше количество этих сопро-
тивлений, тем ближе к действительности эквивалентная
схема.
С расплывающимися по объему токами приходится
иметь дело во всех заземлениях. Заземление — это хоро-
шо проводящие электроды, погруженные в массу грун-
та. Множество методов расчета предложено для того,
чтобы привести эти пространственные системы к одному
58
единственному эквивалентному «сопротивлению зазем-
ления».
Существуют таблицы, в которых приведены цифры
эквивалентных сопротивлений заземлений для цепочек
и букетов из железных труб при разном числе их и раз-
ных удалениях одна от другой, в различных почвах, при
различных атмосферных условиях.
К объемным токам относятся и биотоки в живых ор-
ганизмах. Волновой коэффициент для этих токов всег-
да мал. Но эквивалентные схемы, достаточно полно-
ценные для этих токов, мы все равно не в состоянии
составить. Разница между «проводниковыми» и «изоля-
ционными» материалами в живом организме невелика.
Токи сопровождаются химическими процессами. Или,
быть может, вернее будет выразиться иначе — биотоки
суть только сопровождение химических волн, распро-
страняющихся в нервах и других тканях. Для полно-
ценного отображения этих явлений нет еще адекватного
языка.
1-20. Решение задачи о кубическом каркасе
Трудная задача — составить из точечных элементов
эквивалентную схему сложного явления пространствен-
ной электротехники. Всегда имеется множество решений
одной и той же задачи.
Но зато, когда сетка сопротивлений задана, она од-
нозначно может быть замещена одним эквивалентным
сопротивлением.
Перед тем как (перейти к некоторым типичным схе-
мам замещения, приведем решение задачи о кубическом
каркасе. Он является симметричной конструкцией, и это
сильно облегчает дело.
Из 'каждой вершины Oi и О2 для тока имеется три
пути, и в силу симметрии токи в каждом из этих путей
равны между собой. Между точкой Ох и каждой из то-
чек Ль Л2, Л3 имеется одна и та же разность напряже-
ний. Если точки Ль Л2, Л3 соединить накоротко между
собой, то в схеме ничего не изменится.
Точно так же можно соединить между собой и точки
Вь В2, 53. Поэтому можно заменить кубический каркас
схемой, представленной на рис. 1-27, Точки, соответст-
59
вующие ребрам куба, помечены на этой схеме теми же
буквами, что и на рис. 1-25.
От Oj до А имеется три параллельно включенных со-
противления по 1 ом каждое, и, следовательно, полное
сопротивление от О! до А будет 7з ом. Таково же будет
Рис. 1-27. Эквивалентная схема кубического каркаса
рис. 1-25.
сопротивление от О2 до В. Между А и В включено па-
раллельно шесть сопротивлений. Следовательно, между
А и В — 7б ом.
Полное сопротивление кубического каркаса между
точками Oj и 02 будет 5/б ом.
1-21. Замечательное Т
Три соединенных в виде буквы Т сопротивления —
могущественное электрическое обобщение. Эта эквива-
лентная схема отображает основные черты процес-
са передачи электромагнитной энергии в любом, реши-
тельно в любом электрическом (а пожалуй, и не только
электрическом 1) устройстве.
Трансформатор, повышающий или понижающий на-
пряжение, электродвигатель, который превращает элек-
трическую энергию в механическую, многокилометровая
воздушная или кабельная линия, электромагнитный луч
между антеннами двух далеко одна от другой отстоя-
1 Можно (Представить водяную аналогию этой Т-образной схе-
мы замещения. С одной стороны, насос качает воду. Трубы пле-
ча Т имеют сопротивление. И еще имеется шунтирующая пру'ба-
ножка, по которой происходит утечка воды.
60
щих радиостанций—осе они могут бьить отображены эк-
вивалентной Т-образной схемой.
Это всеобщая эквивалентная схема. Для токов раз-
ной частоты в разных устройствах — разные и условия
передачи энергии. В эквивалентной схеме это отобра-
жается разной величиной входящих в ее состав сопро-
тивлений. Но структура этой схемы одна и та же для то-
ков всех частот, всех сил и напряжений.
Сопротивление Сопротивление
I
I
1
входной цепи 1	выхода
I] Сопротивление
т связи
Рис. 1-28. Эквивалентная схема «слаботочного»
канала передачи электроэнергии.
Сопротивление связи меньше сопротивления потерь в це-
пи. Потери энергии при передаче больше, нежели полез-
ная энергия, получаемая на приемном пункте.
Эквивалентная схема позволяет выбрать наилучшие
условия передачи энергии, согласовать канал передачи
с данными производителя и потребителя электроэнергии.
Сопротивление, которое составляет ножку Т
(рис. 1-28), — это сопротивление связи. Его можно еще
назвать сопротивлением утечки. Плечи бук-
вы Т — сопротивления первичной (передающей) цепи и
вторичной (принимающей) цепи. Для упрощения расче-
тов стремятся сделать симметричное Т — с равными пле-
чами. Но плечи вообще могут быть и неравны.
Действие канала передачи зависит от соотношения
его плеч и ножки в эквивалентной Т-схеме. Чем выше со-
противление связи, сопротивление утечки по сравнению
с сопротивлениями первичного и вторичного контуров,
61
тем с меньшими потерями происходит передача энергии.
Если же, наоборот, сопротивление связи мало <по сравне-
нию с сопротивлениями плеч, то мал и к. п. д. передачи.
Три сопротивления, составляющих эквивалентную
схему, могут быть разной природы. Все три могут быть
чисто активными сопротивлениями, т. е. такими, в кото-
рых происходит только поглощение электрической энер-
гии, а запасание и обратная отдача ее не имеют места.
Сопротивление Сопротивление
Сопротивление
связи
Рис. 1-29. Схема замещения типичного «сильно-
точного» канала передачи электроэнергии.
Сопротивление связи больше сопротивления потерь
в цепи. Полезная мощность на приемном пункте
больше, чем потери при передаче.
Такими схемами, составленными из трех чисто актив-
ных сопротивлений, замещают устройства постоянного
тока (рис. 1-29), например, рельсовые цепи автобло-
кировки на постоянном токе (такая применяется в Со-
ветском Союзе на всех неэлектрифицированных желез-
ных дорогах), о которых уже была раньше речь.
Конденсаторы и катушки — это реактивные сопротив-
ления. Правильнее было бы называть их не сопротивле-
ниями, а складами электромагнитной энергии. В конден-
саторах может накапливаться электрическая энергия,
в катушках — магнитная. Существуют эквивалентные
схемы из чисто реактивных сопротивлений. Так, напри-
мер, изображают ячейки фильтров, о которых мы еще
будем говорить подробнее.
62
Часто эквивалентная Т-схема составляется из ком-
плексных сопротивлений, т. е. являющихся одновремен-
но и активными и реактивными. В плечах и ножке этой
схемы происходит не только потребление энергии, но так-
же и ее накопление и обратная отдача.
1-22. П вместо Т
Из трех сопротивлений можно составить не только
Т-образную, но и П-образную схему замещения. Дело
вкуса расчетчика — какую схему замещения выбрать.
В П-образной схеме две утечки. Одна включается у ге-
нератора, другая у потребителя. Одно сопротивление
включается последовательно в линию. Относительно
П-образной схемы можно повторить все, что говорилось
о Т-образной (рис. 1-30).
Для сильноточного канала эквивалентное П имеет
малую перекладину и длинные ноги. Связисты-слаботоч-
ники, наоборот, мирятся и с таким П, у которого ноги
короткие, а перекладина длинная.
Иногда идут на еще большее упрощение схемы заме-
щения. Составляют ее всего из двух сопротивлений.
У Т отрывают одно из плеч или у П одну из ножек.
Получается Г-образная схема замещения.
1-23. Сильноточники и слаботочники
Телеграф, телефон, радиосвязь, измерительные при-
боры часто объединяются общим термином — слаботоч-
ная техника. Сильные же токи — это генераторы, элек-
тродвигатели, осветительные лампы, печи. Разница меж-
ду этими двумя областями не в мощности отдельных
устройств. Радиовещательный передатчик может быть
63
в тысячи раз мощнее привода токарного станка. Разли-
чие сильноточной и слаботочной техники в целевом на-
значении.
Сильный ток работает, слабый — командует. Сильный
ток пользуется квадратом скорости электронов, энергией
их движения, слабый ток— скоростью как таковой.
Задача слаботочной техники — возможно точнее вос-
произвести на приемном конце форму сигнала, послан-
ного в начале цепи связи. Потери энергии при передаче
интересуют слаботочника уже во вторую очередь. Он ча-
сто мирится с такими условиями передачи, когда на при-
емном конце получается меньше одной миллионной от
посланной вначале энергии.
Сильноточн'ика же обычно мало беспокоят возмож-
ные искажения формы токов и напряжений в процессе
их передачи. Сильн-оточник прежде всего озабочен тем,
чтобы создать возможно меньшие потери энергии при ее
передаче. Редко мирится он с к. п. д. передачи, мень-
шим 50%, а во многих сильноточных устройствах к. п. д.
передачи бывает выше 99%.
И сильноточники, и слаботочники рисуют для своих
каналов передачи эквивалентные схемы в виде буквы Т.
При наилучшем подборе данных генератора и потреби-
теля отношение потерь энергии при ее передаче к по-
лезной энергии определяется отношением среднего гео-
метрического активных сопротивлений плеч эквивалент-
ной схемы к полному сопротивлению ее ножки.
Все отличие техники слабых токов от техники силь-
ных токов — в величине отношения плеч к ножке у бук-
вы Т, являющейся эквивалентом канала передачи. Сла-
боточники часто применяют каналы передачи, у которых
в эквивалентном Т каждое плечо имеет сопротивление,
во много раз большее сопротивления ножки. Сильноточ-
ники же большей частью имеют дело с приборами и ап-
паратами, в эквивалентной схеме которых сопротивление
плеч в несколько раз меньше сопротивления ножки.
Мы несколько раз повторяли, что геометрические раз-
меры изображения сопротивления в эквивалентной схе-
ме обычно не указывают на его величину. Но иногда
принимают, что длина условного изображения на схеме
соответствует величине электрического сопротивления.
При таком условии можно довольно наглядно показать
разницу между сильноточниками и слаботочниками.
64
Эмблемой сильноточников может быть эквивалентная
схема с маленькими плечами и большой ножкой.
Эмблема слаботочников — это, наоборот, Т с больши-
ми плечами и маленькой ножкой.
Но зато слаботочники часто требуют, чтобы их Т не
меняло своих пропорций для широкого спектра частот.
Иногда они (нарочно увеличивают потери при передаче
энергии, включают в схему выравнивающие контуры,
только бы у этого ухудшенного Т не менялись с частотой
(в известных, понятно, пределах) отношения ножки и
плеч.
1-24. Связь слабая, сильная, критическая
Бывает, что в эквивалентной Т-схеме реактивные со-
противления всех ее звеньев —плеч и ножки — значи-
тельно больше активных сопротивлений. Такая система
может оказаться колебательной. Порция электрической
энергии долго будет блуждать в этой схеме с одного
склада на другой, лишь постепенно рассеиваясь и рас-
ходуясь.
Отношение среднего геометрического сопротивлений
первичного ,и вторичного контуров к сопротивлению свя-
зи называют коэффициентом связи. Так же, как и
к. п. д., — эго число не именованное и всегда меньшее
единицы.
Слаботочникй работают со слабой связью: коэффи-
циент связи в их системах может быть меньше десятой,
сотой, даже тысячной доли.
Сильноточники применяют системы с коэффициента-
ми связи, достигающими 0,9—0,95.
При слабой связи первичная и вторичная цепи колеб-
лются каждая независимо от другой. Если дать толчок
колебательной системе со слабой связью, то возникнут
колебания какой-то одной определенной частоты, одной
длины волны. При сильной же связи могут возникнуть
колебания сразу двух частот, двух длин волн. Тот коэф-
фициент связи, меньше которого система одноволни-
ста, а выше — двухволниста, называется критическим.
1-25. К вершинам схемного искусства
Эквивалентные схемы — схемы замещения — это пе-
ревод всевозможнейших явлений на язык «точечной
электротехники».
5 Г. И. Бабат.	05
Встречаются сложнейшие эквивалентные схемы из
десятков, сотен и даже тысяч сопротивлений, включен-
ных самым запутанным образом. Создаются специаль-
ные методы анализа этих схем. Схемы замещаются алге-
браическими символами — «матрицами». Из схем извле-
кают «древа». Электротехника здесь смыкается с тонки-
ми подразделениями высшей алгебры, геометрии, топо-
логии. Часто эквивалентные схемы приносят огр.омную
пользу, сокращая труд вычислителя и конструктора. Они
помогают, как стенографическая запись, как счетная
машина.
Эквивалентные схемы — интереснейший метод элек-
тротехники. И не только электротехники. В акустике, ма-
шиностроении, гидравлике, аэродинамике широко при-
меняется метод электрических аналогий. Электрическая
схема замещает собой более трудную для исследования
конструкцию. Изучение эквивалентной схемы позволяет
вскрыть внутренние закономерности, получить ценные
числовые результаты.
К примеру, коленчатый вал мощного авиационного
двигателя можно заместить цепочкой из индуктивностей,
емкостей и сопротивлений. Бросив на эту цепочку волну
напряжения, можно записать колебания токов во всех
звеньях цепочки. И эти колебания соответствуют кру-
тильным колебаниям работающего в моторе коленчатого
вала. Вот мы изменили одну из индуктивностей или ем-
костей—и сразу изменился характер электрических ко-
лебаний в эквивалентной схеме. В течение немногих ми-
нут можно изучить, как влияет на крутильные колебания
толщина щек вала, диаметр его шеек, какие надо поста-
вить успокоители, чтобы погасить ту или иную наиболее
нежелательную составляющую колебаний.
Но бывает, что перевод явлений пространственной
электротехники на язык эквивалентных схем бессмыслен
и вреден. Здесь невольно вспоминается старинная пого-
ворка: — «перевод — это предательство».
Когда изучают циркуляцию вихревых токов в сталь-
ной шестерне, нагреваемой под закалку, нечего городить
вместо куска стали многомерную сетку из десятков со-
противлений и конденсаторов. Это только путает пони-
мание процесса. Изучение шлифов в микроскопе в дан-
ном случае принесет куда больше пользы, чем составле-
ние эквивалентных схем.
66
Современная техника имеет своей базой геометрию
Декарта. Пространство мыслится как совокупность то-
чек, каждая из которых .определяется своим положением
относительно осей координат. Эквивалентные схемы
— это электротехническая интерпретация декартовой ге-
ометрии. Но эта геометрия — не единственно возможная.
Математики изучают еще и другие системы отображе-
ния пространственных соотношений в окружающем ми-
ре. И для отображения электромагнитных процессов,
быть может, будут созданы иные понятия, иные концеп-
ции, более соответствующие этим процессам во всех их
деталях, нежели современный язык «точечных эквива-
лентных схем».
Схемная наука все совершенствуется и усложняет-
ся. Она становится все более тонким орудием анализа.
Но тем внимательнее надо следить за тем, чтобы не пре-
вратить анализ схем в бесплодную схоластику, в бес-
цельное вращение попусту.
Отвлеченная и общая форма, в которую облеклись
многие понятия, позволяет совершать двойную работу
анализа и синтеза. Эта работа может продолжаться до
бесконечности, оставаясь все время пустой, самодовлею-
щей.
Для непрерывного’ прогресса необходимо, чтобы по-
нятия об электрических цепях и элементах схем остава-
лись пластичными, изменчивыми, чтобы они расширя-
лись, ограничивались, преображались, отделялись и со-
единялись беспрестанно под влиянием уроков практики.
Если же понятия застывают, костенеют, если они
складываются в систему, претендующую на самодоста-
точность, то усвоивший эту систему и применяющий ее
подвержен опасности употреблять и отдельные понятия,
и всю систему, из которых она состоит, без непосредст-
венной проверки их реальностью, которую они якобы
представляют и выражают. Понятия эти становятся ис-
точником роковой слабости.
1-26. Плотность сборки и молекулярная
электроника
Современные разработки электронных систем отличаются
стремлением решать весьма разнообразные и сложные задачи в од-
(ном устройстве. Увеличению количества приборов в одной системе
препятствует ограничение объема и веса, допустимых в ракетах и
5*	67
самолетах. Повышение мощности двигателей и увеличение запасов
горючего также нежелательно. Например, каждый дополнительный
килограмм оборудования самолета вызывает увеличение взлетного
веса на 10—20 кг, а у космической ракеты — более чем на 1 000 кг.
Кроме того, критическими являются потребляемая мощность и на-
дежность «работы. От приборов, применяемых -в настоящее время
в авиации, требуется не менее ’200 ч безаварийной работы, а от
приборов для космических полетов—не менее 10 000 ч. В связи
с этим последние годы ведутся интенсивные работы по усовершен-
ствованию радиоэлектронной аппаратуры, -уменьшению размеров,
повышению надежности и снижению потребляемой мощности.
С этой целью в сложных радиоэлектронных устройствах при-
меняются печатные схемы, их разнообразные'видоизменения,-миниа-
тюрная электроника, сверхминиатюрная электроника, микро- и мо-
лекулярная электроника.
Миниатюрная электроника. Трехмерные печатные
схемы дают возможность уменьшить размеры узлов и блоков по
сравнению с размерами узлов и блоков, соединяемых проволокой.
Используются керамические пластины размерами 22X22X0,6 жж,
содержащие 12 канавок с отпечатанными проводящими серебряны-
ми дорожками. На них монтируются миниатюрные детали. Пластин-
ки, оснащенные деталями, накладываются друг на друга и при
помощи проволочных стоек, соединенных с проводниками в канав-
ках, поддерживаются на требуемых расстояниях друг от друга, об-
разуя «этажи». Проволочные стойки частично служат для электри-
ческого соединения отдельных этажей. Несколько соединенных меж-
ду собой пластинок составляют блок (модуль), который может вы-
полнять функции нескольких каскадов.
Производство деталей, керамических -пластинок, а также мон-
таж деталей на керамических пластинках в большой степени меха-
низированы. В поточном производстве -ведутся испытания -отдель-
ных частей при помощи автоматически подключаемых приборов.
На верхней стороне собранного блока, имеющего высоту при-
мерно 25—-в0 жж, устанавливается ламповая панелька с миниатюр-
ной лампой. Для защиты от действия влаги собранный блок по-
крывается лаком. Телевизор, собиравшийся ранее из Г50 отдельных
деталей, состоит -из 17 таких блоков. Блоки выполняются по опре-
деленным стандартам и -поэтому легко заменяются. -Ремонт неис-
правных блоков невозможен, они заменяются новыми блоками, бла-
годаря чему уход за аппаратурой значительно упрощается. Плот-
ность заполнения деталями достигает 0,3 на 1 сж3.
'Сверхминиатюрная электроника -основана на но-
вом способе изготовления надежных блоков—способе термоэлек-
тронных интегрированных модулей. Для этой цели -используют ке-
рамические электронные лампы наименьших размеров и другие де-
тали аналогичной конструкции для рабочей .температуры между
500 и 700° С. Лампы, состоящие из титана и керамики, не имеют
подогревателей, так как при окружающей температуре 500—700° С
катод излучает достаточно электронов для нормальной работы
блока.
(Например, диод состоит из титанового анода, оксидного като-
да и керамического кольца в качестве прокладки. Для триода в ка-
честве сетки (применяется дополнительная титановая пластинка
с пробитыми отверстиями. Отдельные части каждой лампы накла-
68
дывак>ся .друг на друга, откачиваются и спаиваются при темпера-
туре 1000° С.
Сопротивления и конденсаторы собираются из титана и диэлек-
триков.
Микроэлектроника позволяет (произвести дальнейшее
уменьшение размеров блоков в 10 раз (по сравнению с трехмерны-
ми печатными -схемами) .и автоматизировать производство. В ми-
кроэлектронных блоках в-се функции электровакуумных приборов
должны выполняться полупроводниковыми приборами. Схемы на
транзисторах должны выполнять и функции реле. Детали схемы
монтируются на керамических .пластинках. Пластинки размерами
7,6X7,6X0,25 мм имеют 12 канавок и ряд отверстий. Отверстия
в пластинках служат для крепления диодов, транзисторов и других
элементов. В канавках могут размещаться конденсаторы. На одной
керамической пластинке 'весом 50 мг печатается до четырех сопро-
тивлений от 10 до 106 ом.
Пластинки, оснащенные деталями, группируются друг на друге
с (расстоянием между ними в 6 мм и крепятся -при помощи прово-
лок, соединенных с канавками. Посеребренные проволочные держа-
тели -служат частично для схемных соединений.
Для защиты от воздействия влаги отдельные пластинки или
блоки покрываются искусственной смолой. Разнообразие имеющих-
ся типов блоков дает возможность выполнить 3А—4/s 'встречающих-
ся в настоящее время радиоэлектронных схем. Полный радиоприем-
ник может по объему равняться нескольким кускам пиленого саха-
ра. Плотность сборки может достигать 20 деталей на 1 см3.
Мо л е к у л я рн а я электроника приводит к еще боль-
шей .плотности расположения деталей посредством ввода примесей
и осаждения испарением.
Ввод примесей. Исходным материалом является полупро-
водниковый монокристалл, к которому примешиваются Посторон-
ние атомы. Такая примесь придает отдельным местам свойства пас-
сивного или активного элемента схемы.
Из полупроводникового монокристалла при помощи диффузии
и травления можно создать опрокидывающую схему, эквивалент-
ную схеме, состоящей из двух транзисторов, -восьми сопротивлений
•и двух конденсаторов. Размеры блока составляют 6,3X3,2X0,8 мм.
Плотность расположения деталей достигает 700 на 1 см3.
Созданный методами молекулярной электроники фотоуправ-
ляемый усилитель из -полупроводника .имеет объем 0,016 см3, вес
0,02 г и потребляет мощность 0,06 вт. IB обычных усилителях для
этого требуется 14 деталей (включая три транзистора и один фото-
элемент) при общем объеме .16 см3, весе 7 г и потребляемой мощ-
ности 0,75 вт.
Способ молекулярной электроники означает, что конструкторы
аппаратуры имеют дело не с отдельными деталями ((сопротивления-
ми, емкостями, индуктивностями, лампами, диодами и транзисто-
рами), а с электрическими и магнитными полями, зарядами, опина-
ми и взаимодействием полей и зарядов -внутри кристаллической
решетки.
Осаждение испаряемых -материалов. Для полу-
чения заданной схемы, в .которой атомы и .молекулы соответствую-
щим образом наслаиваются друг на друга, можно использовать
твердое тело. Определенная последовательность проводящих, -полу-
69
проводниковых и .изоляционных слоев создает при подаче напряже-
ния требуемое изменение тока. На заданное основание испаряются
и осаждаются в вакууме в в'иде тонких пленок по желанию про-
водники, полупроводники и диэлектрики.
Возможность одновременного испарения и осаждения материа-
лов с различными точками плавления, кипения и конденсации тре-
буемых смесей обеспечивает создание новых приемов -получения
сплавов. Управление процессом осаждения возможно посредством
перфорирования магнитных лент. Возможная плотность -сборки
деталей составляет 1 000 на 1 см3.
Молекулярная электроника устремлена на достижение все
больших плотностей расположения деталей.
По-прежнему ее идеалом является плотность элементов в моз-
гу человека.
ПРАВДИВЫЙ ПОВЕСТВОВАТЕЛЬ
ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ
В. В. Петров (1761—1834 гг.)
Василий Владимирович Петров в 1795 г. получил
звание экстраординарного профессора Медико-хирурги-
ческой Академии и устроил при академии богатый фи-
зический кабинет. Здесь он произвел множество ценных
экспериментальных исследований. Он изучал процессы
горения и окисления. Он
в причинах свечения фос-
фора, плавикового шпата
и самосветящихся ве-
ществ органического про-
исхождения.
В конце 18 в. сведе-
ния о воздействии элек-
трического тока на раз-
личные вещества были
крайне неполны и отры-
вочны. Да и сами поня-
тия — ток, напряжение,
сопротивление — не были
еще установлены.
. «Гораздо надежнее,—
писал Петров, — искать
настоящего источника
электрических явлений не
в умственных мудрство-
ваниях, к которым досе-
ле только прибегали все
физики, но в непосред-
ственных следствиях са-
первый установил различие
ИЗВЗСТ1Е
4)
ГАЛЬВАНИ ВОЛЬТОВскихъ
О п Ы Т А X Ъ .
которые производили
ПрофсссорЪ физики Василий Петров
посредством!» о г ром яо А яам^аче бат
терем , состоявшей иногда я'зЪ <200
мЬдямхЪ я ийН*°*млЪ аружкоаЬ, я иа-
модящейся при Санат • Петербургской
Медкдо • Хирургической Акадвм1и.
ВЪ САНКТ ПВТВРБуРГВ,
MUX опытов».	ВЪ Типограф!я Государственной Me*
Петров построил днцмвсаой КаддеНх, 1803 года,
огромную электрическую
батарею. В свое время она была самой мощной во всем
мире. Никто до этого не исследовал так систематически
взаимодействие между электрическим током и веще-
ством. Петров открыл факты, лежащие в основе совре-
менной науки об электричестве, в основе современной
электротехники.
71
Петров обнаружил между проводниками, присоеди-
ненными к большой батарее, «светоносное явление» —
длительный электрический разряд, который теперь при-
нято называть электрической дугой.
Петров подметил, что не все угли, между которыми
он возбуждал дугу, одинаково проводят электрический
ток. Он первый дал классификацию углей и других про-
водниковых материалов на «хорошо» и «дурно» прово-
дящие.
Петров исследовал поведение электрического разряда
под колоколом воздушного насоса и первый установил,
что с понижением давления воздуха облегчается прохож-
дение электрического тока через пространство между
электродами. Он же подметил влияние изолировки про-
водников, идущих от батареи, на ее действие, дал пер-
вую классификацию изоляторов и придумал практические
приемы повышения изоляции, применимые и поныне:
пропитывание дерева маслом, покрывание его лаком
и т. д.
Свои исследования по электричеству Петров изло-
жил в книге «Известие о гальвани-вольтовских опытах»,
изданной в 1803 г. В статье VII этой книги он пишет:
«Напоследок посредством огня, сопровождающего тече-
ние гальвани-вольтовской жидкости, при употреблении
огромной батареи, пытал я превращать красные свинцо-
вые и ртутный, а также серовйтый оловянный оксиды
в металлический вид». И эти опыты удались. Петров
при воздействии электрического тока получил из окислов
восстановленные металлы.
Ныне электрометаллургия — одна из важных ветвей
электротехники. Алюминий, магний, цинк и многие дру-
гие металлы получаются теперь исключительно электро-
техническим путем.
В течение 40 почти лет неустанно производил
В. В. Петров физические и химические исследования.
Всю жизнь он соблюдал «священный закон: быть всегда
правдивым повествователем физических явлений, кото-
рые будут представляться его чувствам».
Петров умер 3 августа 1834 г. Его преемником в Ака-
демии наук был Э. X. Ленц, знаменитый своими иссле-
дованиями по электромагнетизму.
ГЛАВА ВТОРАЯ
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
2-1. Общие сведения
Электрики, которые работают в проектных бюро, за-
нимаются преимущественно схемами. Но схемы — это
лишь маленькая часть электротехники. И схемы, и рас-
четы— только вспомогательные средства, чтобы строить
машины, добывать электроэнергию, распределять ее,
преобразовывать в другие виды энергии. Основа элек-
тротехники, ее фундамент — это материалы.
Разнообразны материалы, применяемые в электро-
технике.
Некоторые элементы периодической системы Мен-
делеева используются в электротехнике в чистом виде.
Другие входят в различные химические соединения,
важные для электротехники.
В прошлом веке говорили, что электротехника дер-
жится на «трех китах»: меди, железе, угле. Из меди —
обмотки; из железа — сердечники, а уголь — для щеток
и дуговых ламп.
В наше время на службу электротехнике поставлены
все элементы системы Менделеева.
Первый элемент периодической системы — легчайший
газ водород. Им охлаждают мощные турбогенераторы,
наполняют тиратроны, разрядники. В водородных печах
отжигают детали электровакуумных приборов.
За водородом идет гелий. Он, как и остальные инерт-
ные газы — неон, аргон, криптон, ксенон, — идет для на-
полнения различных электровакуумных приборов. Ба-
гровым огнем светятся наполненные неоном стеклянные
трубки. Они горят в рекламных надписях, на аэродро-
мах, в маяках. Наполненные криптоном лампы накали-
вания отличаются высокой экономичностью и малыми
размерами.
В электровакуумном производстве применяются все
щелочные и щелочноземельные металлы. Натрий, калий
и цезий идут для фотоэлементов. Барием, кальцием и
стронцием в виде окислов и чистых металлов покрывают
катоды электронных ламп.
Третья группа таблицы Менделеева начинается с бо-
ра, соединения которого идут на изготовление прочного
73
и тугоплавкого боросиликатного стекла. Из такого стек-
ла выполняют колбы для генераторных ламп, газотро-
нов.
Об элементе, с которого начинается четвертая груп-
па таблицы Менделеева, — об углероде — не переска-
зать даже самого главного.
Углерод идет и в чистом виде: графитовые электро-
ды для дуговых печей, нагреватели печей сопротивле-
ния, мембраны и порошок для микрофонов, угли для
прожекторов, сетки и аноды тиратронов и мощных ртут-
ных выпрямителей. Из соединений углерода получается
бесчисленное количество изоляционных материалов. Из
углеводородов изготовляют и твердую изоляцию, и ла-
ки, и эмали.
Азотом наполняют осветительные лампы. Сжатым
азотом изолируют высокочастотные конденсаторы. Мно-
гие соединения азота используются также в качестве
изоляционных материалов.
Кислород в электротехнических конструкциях редко
применяется в чистом виде. Но он входит в состав всех
стекол, в фарфор. Применяются в электротехнике со-
единения всех галоидов: фтора, хлора, брома, иода.
Драгоценные металлы весьма важны для электротех-
нических сооружений: из серебра делают контакты для
реле, обкладки конденсаторов (керамических, напри-
мер), серебрОхМ покрывают резонаторы и волноводы для
сантиметровых волн. В предыдущей главе было уже
сказано о применении серебра в печатных схемах.
Ртуть — важный электротехнический материал. Ее
парами наполняют преобразователи тока.
Тонкие слои золота наносят на сетки некоторых ламп,
чтобы уменьшить с них эмиссию электронов. Платино-
вые проволоки, платиновая жесть, платиновые тигли во
многих случаях применяются в электротермии и для
других целей.
Последний из естественных элементов — 92-й эле-
мент уран1 — и тот применяется в специальных сопро-
тивлениях, которые должны понижать свое электросо-
1 Тран'суратовые элементы, следующие за ураном, № 93, 94, не-
птуний, плутоний неустойчивы. Это ядерное «горючее». При расщеп-
лении они выделяют энергию. Как конструкционные материалы, эти
элементы ни в чистом виде, ни в соединениях лкжа ле применяются,
и не предвидится, по-видимом у, их применения.
74
противление с температурой. Это термисторы — пуско-
вые и регулирующие сопротивления.
Трудно назвать материал, который бы не относился
к «строительным, материалам электротехники».
Разреженный газ, пронизываемый потоками электро-
нов,— светящаяся плазма, кубический метр которой ве-
сит ничтожные доли грамма, для электрика важный
конструкционный материал. Он значит не меньше, чем
сталь и чугун.
Электровакуумщики выкраивают из этой плазмы
«рукава» в мощных преобразователях, заполняют этой
плазмой разрядные камеры, процеживают плазму сквозь
сетки. Подробные графики и таблицы указывают, через
какие дыры плазма просочится, а в какой сетке она
завязнет.
Электрика интересуют очень многие свойства тех
строительных материалов, из которых он создает свои
конструкции. Как и инженеру-механику, ему важно
знать механическую прочность материалов. Как и теп-
лотехник, он должен знать теплопроводность и огне-
стойкость материалов.
Но есть три специфические электротехнические ха-
рактеристики всех материалов. С них и надо начать.
2-2. Эпсилон, мю, сигма
Электротехника имеет дело с движением электриче-
ских зарядов, с их накоплением, с возбуждением маг-
нитных сил, с распространением электромагнитных волн,
со взаимными превращениями электрической и магнит-
ной энергии.
Разные вещества по-разному влияют на эти процес-
сы. В воздухе и в сильно разреженных газах электро-
магнитные колебания любой частоты распространяются
с одинаковой скоростью. Это скорость света
300 000 км!сек — верхний предел для скоростей всех воз-
можных в природе процессов. Во всех формулах эту
скорость обозначают буквой с.
Многие твердые и жидкие вещества также пропу-
скают через себя электромагнитные волны. Это вещест-
ва, в которых затруднено движение электрических за-
рядов. Те же вещества, в которых электрические заряды
движутся свободно, непрозрачны для электромагнитных
75
воли. Падая на такие тела, электромагнитные волны
растрачивают свою энергию на раскачивание зарядов
и загасают в тонком слое вещества.
Но и в прозрачных средах, в которых заряды связа-
ны и прочно сидят на своих местах, электромагнитные
волны движутся иначе, нежели в воздухе и разрежен-
ных газах. Скорость распространения волн здесь мень-
ше. Величину, показывающую во сколько раз эта ско-
рость меньше с, называют коэффициентом пре-
ломления п. Он обычно зависит от длины электро-
магнитной волны. Для луча желтого света вода имеет
и =1,33, оптическое стекло кронглас и =1,5, а алмаз
я-2,4. Это очень высокий коэффициент преломления
для световых волн, и потому так «играют» лучи света
на гранях алмаза.
Для сантиметровых радиоволн, применяемых в ра-
диолокации, вода имеет коэффициент преломления —9.
Не только коэффициент преломления, но и прозрачность
зависят от длины волны. Множество материалов, непро-
зрачных для световых волн, пропускают с малым зату-
ханием более длинные электромагнитные волны — это
фарфор, эбонит, многие смолы.
В обиходном языке словом «луч» привыкли называть
нечто тонкое, не имеющее ощутимой ширины и толщи-
ны. Понятие луч часто ассоциируется с понятием гео-
метрической линии.
Но физик определит луч иначе. Он скажет, что луч—
это поток энергии, поток волн. Такой поток может су-
ществовать, только когда размеры его сечения во много
раз больше длины волны.
Волны видимого света имеют длину около половины
микрона. В световом луче поперечником в 1 миллиметр
уложится две тысячи длин волн. В радиолокации при-
меняются сантиметровые волны, и там о луче можно го-
ворить, когда размеры его сечения измеряются метра-
ми. В аппаратуре меньших размеров законы геометриче-
ской оптики неприменимы, понятие о луче здесь ничего
не может дать для расчета.
Для тока с частотой 50 гц минимальное сечение лу-
ча— это десятки тысяч километров. Все решительно
установки, с которыми работают электрики-низкочастот-
ники, имеют размеры, во много раз меньшие длины
электромагнитной волны. Говорить о лучах таких волн
76
вовсе не приходится. Лучу просто негде образоваться
в такой установке^
В этих случаях понятие коэффициент преломления п
неприменимо. Вместо него говорят о диэлектрической
проницаемости вещества. Она приблизительно равна
квадрату коэффициента преломления. Вот эту-то вели-
чину и обозначают греческой буквой эпсилон е.
Можно подойти к определению величины е, и вов.се
не затрагивая волн и лучей. В пространстве вокруг
электрических зарядов существуют электрические силы.
Эти силы ослабевают, если разреженный газ заменить
каким-либо твердым или жидким веществом. Диэлек-
трическая проницаемость показывает, во сколько раз
уменьшается величина электрических сил, когда элек-
трический заряд, находившийся до того в газе, окру-
жают интересующим нас веществом.
Для большинства электроизоляционных материалов,
применяемых в электротехнике, величина диэлектриче-
ской проницаемости равна нескольким единицам. У па-
рафина е~2. Фарфоровые массы имеют е=6. В этих же
пределах находится диэлектрическая проницаемость
слюды, эбо-нита, трансформаторного масла. Для накоп-
ления электрической энергии в конденсаторах приме-
няют часто материалы с более высокими значениями е.
Например, керамические массы, содержащие двуокись
титана, имеют е~60. Диэлектрическая проницаемость
зависит еще от агрегатного состояния вещества. Лед
имеет е=3,1, а вода е = 81. Но вообще дело с водой не
так просто, о ней еще будет речь в следующем пара-
графе.
Существуют вещества и со значительно большей ди-
электрической проницаемостью — такова, например, сег-
нетова соль, имеющая е несколько тысяч. Такого же по-
рядка е у соединений титана с барием — титанатов ба-
рия. Советские ученые усиленно исследуют эти соеди-
нения. Предвидится много их интересных применений
в науке и технике.
Вторая буква, стоящая в заголовке этого парагра-
фа,— греческое «мю» (ц). Движение зарядов или дви-
жение электрических силовых линий — это электриче-
ский ток, он неизменно порождает магнитный поток. От-
ношение магнитных сил к породившему их току харак-
теризует магнитную проницаемость среды.
77
Проницаемость воздуха принято считать за единицу; И
величина ц показывает, во сколько раз проницаемость
данного вещества отличается от проницаемости воздуха.
Наконец, третья характеристика веществ — это спо-
собность их проводить электрические заряды. Удельную
электрическую проводимость принято обозначать грече-
ской же буквой сигма (о).
Идеальный изолятор должен иметь сигму, равную
нулю, а идеальный проводник — сигму, равную беско-
нечности. Часто пользуются обратной величиной—. Ее
называют удельным электрическим сопро-
тивлением. Для него стандартное обозначение — бук-
ва ро (р).
Для механических конструкций часто пользуются ма-
териалами, которые во всех направлениях имеют одина-
ковую прочность. Такова, например, хорошо выделанная
сталь. Но есть и другие материалы, как дерево, к приме-
ру, которые в одном направлении (вдоль волокон) хо-
рошо держат нагрузку, а в другом (поперек волокон)
имеют незначительную прочность.
Так и с электротехническими свойствами материалов.
Медь, например, имеет проводимость, одинаковую
во всех направлениях. Одинакова диэлектрическая про-
ницаемость во всех направлениях для парафина, стекла,
янтаря. Другие материалы ведут себя по-иному. Кри-
сталлы часто имеют разную проводимость и разную ди-
электрическую проницаемость по разным осям.
Трансформаторная сталь, применяемая для сердеч-
ников трансформаторов, имеет различные магнитные
проницаемости в разных направлениях.
В таблицах, где приводятся характеристики электро-
технических материалов, обычно делаются оговорки,
в каком направлении те или иные величины измерены.
Когда же таких оговорок нет, то, значит, речь идет
об однородном во всех направлениях материале — изо-
тропном материале, как иногда называют.
2-3. Классификация по ро
Нет веществ, которые бы вовсе не проводили элек-
трического тока, как нет и таких, которые не оказы-
вали бы прохождению тока никакого сопротивления.
78
Каждый материал имеет свое характерное электросо-
противление.
На рис. 2-1 по горизонтальной шкале нанесены элек-
трические сопротивления кубика со стороной ребра
в 1 см. Сопротивления выражены в омах, тысячных и
миллионных долях ома (миллиомах и микроомах),
в тысячах ом (килоомах) и миллионах ом (мегомах).
Каждое деление шкалы соответствует изменению со-
противления в 1 000 раз.
Все известные материалы, все многообразие окру-
жающего мира может быть уложено на подобном
графике. Здесь могут быть размещены и все элементы,
и все химические соединения, и все мыслимые смеси.
Но на рис. 2-1, чтобы не создавать чрезмерной тес-
ноты, дано место только некоторым, как мне казалось,
наиболее характерным веществам.
По вертикальной оси графика нанесена температура.
Электросопротивление от нее сильно зависит.
В самых жарких странах температура любого тела
не превышает под прямыми лучами солнца 100° С.
А в полярных областях в самые лютые морозы темпе-
ратура не падает ниже —70° С. В этих пределах темпе-
ратур работает множество электротехнических конструк-
ций. Другие' электротехнические приборы и аппараты
работают в еще более узких пределах температур — при
температурах, которые иногда называются комнатны-
ми, т. е. от 10 до 30° С. Но есть и такие электротехниче-
ские устройства, которые должны выдерживать темпе-
ратуры в сотни градусов, а некоторые должны надежно
и устойчиво работать при еще более высоких темпера-
турах, часто выше 2 000° С.
В левой части графика — область малых удельных
электросопротивлений. Здесь теснятся металлы. Вблизи
них расположилась одна из модификаций углерода —
графит.
Крайняя правая часть графика — это высокие элек-
тросопротивления. Здесь размещаются некоторые соеди-
нения металлов, большинство окислов. Здесь же поме-
шается и углерод, но уже в другой модификации —
в виде алмаза. Многие материалы могли бы занять
по два и даже более места на графике. Это те, что су-
ществуют в разных аллотропических формах, как селен,
сера.
79
С изменением температуры электросопротивление
меняется у всех материалов. У металлов и их сплавов
электросопротивление растет с температурой. Металлы
имеют, как говорится, положительный температурный
коэффициент. Есть, правда, сплавы, которые в некото-
Хороише Проводники, с высо- Полупроводники, Изоляторы
проводники ним сопротивлением
Рис. 2-1. Зависимость сопротивления различных материалов от тем-
пературы.
В электротехнике применяются разнообразные вещества не только в твер-
дом, но и в жидком и в газообразном состояниях. Многие сохраняют свои
свойства только в узком интервале температур. В сильных электрических по-
лях все изоляционные материалы пробиваются, начинают проводить ток.
Газы в очень короткий срок после прекращения пробоя полностью восстанав-
ливают свои изоляционные свойства. Жидкие изолирующие материалы также
восстанавливаются после пробоя. Твердый изолятор может выйти из строя
после одного единственного пробоя.
ром интервале температур мало меняют свое электро-
сопротивление. Таков сплав константан — это древне-
греческое слово означает «постоянный». Константан —
специфический электротехнический сплав. Еще большим
постоянством электросопротивления обладает сплав
80
манганин. Подобные сплавы применяются в измери-
тельной технике для изготовления эталонов сопротивле-
ния, для добавочных сопротивлений к вольтметрам и
шунтов к амперметрам (об этих устройствах речь будет
в следующей главе).
Медь и железо с повышением температуры сравни-
тельно сильно увеличивают свое электросопротивление.
Проводимость железа при нагревании от комнатной
температуры до красного свечения падает в 10 раз. Это
свойство используется иногда в термометрах сопротив-
ления. Тонкие железные проволочки закладываются
в изучаемый объект, и по изменению их сопротивления
судят об изменении температуры.
По мере приближения к абсолютному нулю — к ми-
нус 273° С — электросопротивление всех металлов по-
степенно уменьшается, а у некоторых металлов при
определенных температурах электросопротивление рез-
ким скачком падает до неуловимо малой величины.
Это — явление сверхпроводимости. При наиболее высо-
кой температуре — всего лишь на 7° С выше абсолют-
ного нуля — сверхпроводимость наступает у тантала,
ниобия, свинца. Но и эта «высокая температура» ле-
жит ниже точки кипения самого трудносжимаемого
газа — гелия.
Техническое использование сверхпроводимости за-
трудняется еще тем, что при больших токах в сильных
магнитных полях это явление исчезает.
У веществ, занимающих правую часть графика, их
высокое электросопротивление падает с нагревом — эти
вещества имеют отрицательный температурный коэффи-
циент. Изменение сопротивления тут происходит значи-
тельно резче, нежели у металлов. При нагревании, на-
пример, стекла его электросопротивление меняется
в миллионы раз.
С повышением температуры разница в электросопро-
тивлениях 'различных материалов уменьшается.
2-4. Проводники и диэлектрики
Можно выделить две большие группы материалов:
те, у которых удельное электросопротивление измеряет-
ся микроомами, — это проводники, а материалы,
имеющие удельное электросопротивление выше милио-
6 Г. И. Бабат.	81
на мегом, называются диэлектриками или изо-
ляторами.
Деление всех окружающих нас материалов на про-
водники и диэлектрики возникло впервые 300 лет тому
назад. В начале 18 в. физики исследовали электризацию
трением и установили, что «янтарь, шелк, волосы, смо-
лы, стекло, драгоценные камни, сера, каучук, фарфор
не проводят электричества, а металлы, уголь, живые
ткани растений, наоборот, электричество передают».
Десять в восемнадцатой степени, даже десять
в двадцатой степени — таково соотношение электросо-
противлений типичных представителей этих двух групп
материалов. Но как всякая классификация, так и это
деление всех материалов на изоляторы и проводники
электричества относительно и не всегда справедливо.
Стекло, к примеру, при комнатной температуре отно-
сится к хорошим диэлектрикам. Но при красном кале-
нии оно довольно прилично проводит ток. Стеклянную
палочку или трубочку можно включить последовательно
в провода от штепселя к осветительной лампе. Пока
стекло холодное, лампочка не горит. Но стоит подогреть
стекло (например, горелкой), и лампочка зажжется.
Стекло пропустит через себя ток.
2-5. Природа электрической проводимости
Ток проводимости — это движение заряженных ча-
стиц, а такими частицами могут быть электроны и заря-
женные атомы, т. е. атомы, у которых недостает одно-
го или более электронов или, наоборот, имеется избы-
ток электронов. Нейтральные атомы остаются непо-
движными под действием электрических сил, а заряжен-
ные ускоряются пропорционально их заряду и обратно
пропорционально их массе. Эти заряженные атомы на-
зываются ионами, что по-гречески значит странник.
Атомы с недостачей электронов — это ионы положитель-
ные, а атомы с избытком электронов — ионы отрица-
тельные.
В металлах имеется много не связанных с атомами
электронов; самые слабые электрические силы приво-
дят эти электроны в движение. Поэтому металлы хорошо
проводят ток, и такая проводимость называется элек-
тронной.
82
Кроме металлов, электронной проводимостью обла-
дают и некоторые соединения — к примеру, сернистая
медь.
В стекле, бумаге, фарфоре свободных электронов при
комнатной температуре нет. Эти вещества могут прово-
дить ток только за счет движения ионов. Ионной про-
водимостью обладает также обычная соль NaCl и
многие другие материалы.
Есть еще вещества со смешанной проводи-
мостью — это такие, в которых ток переносится и
ионами и электронами.
Когда вещество раскалено, когда оно светится, мно-
гие из его атомов возбуждены, а многие и ионизованы.
В таком состоянии вещество не является изолятором.
Чем прочнее химическое соединение, чем более высокая
температура нужна для его разложения, тем лучше оно
может работать как изолятор. Окись алюминия AI2O3
может служить изолятором при температурах около
1 000° С. Окисью алюминия изолируют вольфрамовые
грелки для катодов электронных ламп. Но при еще бо-
лее высоком нагреве и этот материал проводит ток. При
очень высоких температурах нет электрических изоля-
торов, как нет и химических соединений, существуют
одни только проводники — правда, довольно плохие
проводники с высоким электросопротивлением.
Но вернемся снова в область комнатных температур.
Вода, очень хорошо очищенная, — это почти изолятор.
Но достаточно малейших загрязнений, чтобы вода стала
проводником. В замерзшем же виде даже загрязненная
вода становится довольно хорошим изолятором. Можно
прокладывать по снегу голые высоковольтные провода,
и утечки тока почти не будет.
Вода с растворенными в ней соединениями назы-
вается электролитом. В электролитах свободных
электронов не бывает, а ток в электролитах проводится
ионами. Поэтому ионную проводимость часто называют
еще электролитической проводимостью.
Электролитическая проводимость всегда связана
с переносом вещества. Отрицательные ионы движутся
к положительному полюсу—аноду, а положительные
ионы к отрицательному полюсу — катоду.
Окружающий нас мир в своем естественном состоя-
нии — в значительной части мир изоляторов. К ним от-
6*	83
Носятся все газы, большинство горных пород, сухая дре-
весина.
Впрочем, надо заметить, что при очень сильных элек-
трических напряжениях все без исключения изоляторы
становятся проводниками. В них происходит пробой.
Связь между частицами нарушается. В сильных элек-
трических полях нет изоляторов. Но обратное не всегда
имеет место. Как бы мало ни было электрическое напря-
жение, металлы не становятся изоляторами.
2-6. Не проводники и не диэлектрики
Существует множество веществ с сопротивлением
сантиметрового кубика в пределах от единиц ом до ки-
лоом. Электротехника прошлого века отбрасывала по-
добные материалы. В то время электротехника строи-
лась еще весьма грубо. Материал должен был или хо-
рошо проводить электрический ток, или изолировать его.
Иначе он просто считался неэлектротехническим.
В живом организме циркулируют электрические
токи. Но в нем нет ни одной детали, которая проводила
бы ток так же хорошо, как медь, или изолировала, как
янтарь. Живой организм состоит из полупроводников.
Одни с большим электросопротивлением; как жировые
вещества, другие с меньшим, как мышцы.
Современная электротехника широко применяет по-
лупроводники. Контакт металлов и полупроводников
обладает свойством выпрямлять переменные токи.
Из закиси меди, из селена строят выпрямители для за-
рядки аккумуляторов, для питания реле, для измери-
тельных устройств. Различные кристаллы — как серни-
стый свинец, сернистая медь, карборунд, ферросили-
ций — применялись как детекторы для радиоприема.
В последние годы для сантиметровых волн, для радио-
локации и многократной связи применяются детекторы
из германия, имеющие особо хорошие качества.
Контакт металла с полупроводником может генери-
ровать электромагнитные колебания.
Двойной контакт металла и полупроводника может
усиливать электрические токи. Впервые это показал со-
ветский радиолюбитель О. Лосев 40 лет тому назад, и,
быть может, такие устройства во многих случаях заме-
нят электронные лампы.
84
Из полупроводников же, в частности из того же сер-
нистого свинца, можно изготовить очень эффективные
термоэлементы.
2-7. Тока в объеме и на поверхности
В сухую погоду можно наблюдать множество элек-
трических явлений. При расчесывании волос эбонитовым
гребнем с гребня скачут искры. Стеклянная палочка,
натертая шерстяной тряпкой, притягивает пушинки и
обрывки бумаги. Но в сырую погоду всего этого не уви-
дать. В сырую погоду сколько ни три стекло, смолу или
янтарь, они не наэлектризуются.
В сырую погоду на поверхности предметов образуют-
ся тонкие пленки воды. Эти пленки обладают электро-
проводностью, и по ним стекают заряды.
При исследовании диэлектриков всегда надо разли-
чать проводимость объемную, которая определяется
только самим материалом, и проводимость поверхност-
ную, зависящую и от материала, и от среды, окружаю-
щей диэлектрик.
Изолирующие материалы, которые притягивают к се-
бе влагу — гигроскопические или, как их еще называют,
гидрофильные — обладают малым поверхностным со-
противлением во влажной атмосфере. К таким материа-
лам относится, например, стекло. Смолы же, как есте-
ственные, так и синтетические, большей частью являют-
ся гидрофобными материалами. На их поверхности не
так легко образуется пленка воды. Поэтому смолы обла-
дают более высоким поверхностным сопротивлением.
В сухой атмосфере или в вакууме высокие изоляцион-
ные свойства имеют и гидрофильные материалы.
Фарфоровые изоляторы для электротехнических уста-
новок всегда покрываются с поверхности стекловидной
глазурью. Шероховатая поверхность фарфора легче за-
грязняется. Больше опасности, что на неглазурованном
фарфоре образуется слой пыли, который затем пропи-
тается водой и пропустит по поверхности изолятора
большие токи утечки.
Но даже на глазурованных изоляторах на воздуш-
ных линиях передач оседает пыль. Она состоит из песка,
известняка и различных органических частиц. Сильные
дожди смывают эту пыль, и изолятор восстанавливает
85
свое высокое поверхностное электросопротивление. Но
когда идут только слабые моросящие дожди или стоят
сильные туманы, то слой пыли напитывается влагой и
по проводящим мостикам проходят большие токи утеч-
ки. Когда линия подвешена на деревянных опорах, эти
токи могут вызвать их загорание. 'В других случаях раз-
вивается разряд по поверхности изолятора, происходит
перекрытие изолятора и закорачивание линии пере-
дачи.
Такие перекрытия загрязненных и увлажненных изо-
ляторов чаще всего наблюдаются перед восходом солн-
ца, когда выпадает сильная роса. В некоторых странах
Западной Европы эти аварии так и называются «на вос-
ходе солнца». В Советском Союзе благодаря более вы-
сокой культуре эксплуатации эти аварии почти не на-
блюдаются.
2-8. Разные вады электрических сопротивлений
Часто проводится аналогия между электросопротив-
лением и механическим трением. Трение бывает разных
видов и подчиняется разным законам. Разное бывает и
электросопротивление.
Попробуем передвинуть тяжелый предмет, стоящий
на ровной плоскости. Начнем толкать, скажем, шкаф
или стол. Они не сдвинутся с места, пока приложенная
сила не превзойдет некоторой минимальной величины.
Сила, прикладываемая к столу ил'и шкафу, соответ-
ствует в электрической аналогии напряжению на про-
воднике, скорость движения предмета соответствует элек-
трическому току. Отношение же силы к скорости и есть
сопротивление.
Предмет, который стоит на сухой поверхности,
стронется с места, лишь когда приложенная к нему сила
превзойдет трение покоя. Подобным же образом ведут
себя в электрической аналогии вещества с проводимо-
стью, называемой ионной или электролитической. Что-
бы ионы начали двигаться и вещество стало проводить
электрический ток, приложенное напряжение должно
быть не меньше определенной величины. При более низ-
ких напряжениях тока нет, сопротивление бесконечно.
Если тяжелый предмет стоит на смазанной маслом
поверхности или, еще лучше, плавает на поверхности
86

Рис. 2-2. Зависимость
тока от напряжения
для разных видов
электрических провод-
ников.
а — прямая линия — это
проводник, точно соот-
ветствующий закону
Ома.
б — у некоторых провод-
ников с возрастанием си-
лы тока увеличивается
их нагрев, и возрастает
сопротивление. Таким
свойством обладает же-
лезная проволока, поме-
щенная в водороде. На
значительном участке ее
характеристики сила то-
ка не возрастает с увели-
чением напряжения. Та-
кие устройства употреб-
ляются для поддержа-
ния постоянства тока
при колебаниях напря-
жения, они называются
барретерами.
в—в высоком вакууме электронный ток от накаленного катода
к холодному аноду возрастает, как напряжение в степени 3/2.
А при некотором значении напряжения ток перестает возра-
стать, это — ток насыщения и напряжение насыщения.
г — в газовом разряде есть участок зависимости тока от напря-
жения, на котором напряжение падает с возрастанием тока.
Проводники с такой характеристикой называются иногда про-
водниками с отрицательным сопротивлением.
д — в неоновой лампе падение напряжения между электродами
не изменяется при колебаниях силы тока в широких пределах
Эта лампа может применяться для стабилизации напряжения.
Подобные специальные лампы называются стабилитронами.
жидкости, то трение покоя незначительно. Скорость дви-
жения предмета в этом случае будет прямо пропорцио-
нальна приложенной силе. Иначе говоря, отношение си-
лы к скорости, т. е. то, что называется сопротивлением,
будет величиной постоянной (в некоторых пределах, по-
нятно). В электрической аналогии подобным образом
ведут себя многие металлические проводники, проводни-
ки с электронной проводимостью. У них нет порога,
ниже которого напряжение уже не способно вызывать
ток. Самое слабое напряжение, приложенное к этим про-
водникам, вызывает движение электронов. Ток в этих
проводниках возрастает прямо пропорционально прило-
женному напряжению. Напряжение I/, деленное на ток/,
для разных значений U и / дает одно и то же постоянное
значение сопротивления: у =/?. Это соотношение назва-
но законом Ома.
На графике (рис. 2-2) зависимость тока от напряже-
ния для таких проводников представляется прямой ли-
нией. Легче всего делать электротехнические расчеты,
когда проводники подчиняются закону Ома. Электрики
очень широко применяют этот закон. Такую электротех-
нику называют линейной 1. Но закон Ома — только част-
ный случай среди множества других законов изменения
тока в зависимости от напряжения. В общем случае за-
висимость силы тока от напряжения изображается на
графике кривой линией. Большинство сопротивлений не-
постоянны, нелинейны. Их изучением занимается нели-
нейная электротехника.
2-9. Безвоздушное пространство
Пространство, в котором газ разрежен, называется
вакуумом. А когда разрежение настолько велико, что
молекула оста(вшегося газа может пролетать от одной
стенки сосуда до другой, не сталкиваясь по пути ни с ка-
кой другой молекулой, то говорят, что в этом сосуде вы-
сокий вакуум. Такое пространство с очень сильно раз-
реженным газом —очень интересный конструкционный
материал для электриков.
1 Здесь термин «линейная» надо понимать не в смысле протя-
женности. Эта подчиняющаяся закону Ома — закону прямой ли-
нии — электротехника может быть и точечной, и пространственной.
88
Когда в высоком вакууме нет электрических зарядов,
он является весьма совершенным изолятором, тем более
электрически прочным, чем совершеннее разрежение.
В высоком вакууме зазор между двумя металлическими
электродами всего лишыв 1 мм может выдержать (напря-
жение выше 100 тыс. в.
Для заряженных же частиц безвоздушное простран-
ство — это идеальный проводник. Ионы и электроны мо-
гут пролетать в высоком вакууме огромные расстояния,
не сталкиваясь при этом ни с какими другими части-
цами и, следовательно, совершенно не теряя своей
энергии.
Это свойство высокого вакуума используется в при-
борах, предназначенных для разгона заряженных частиц
до очень высоких скоростей. Такие частицы применяются
для обстрела атомных ядер, чтобы вызвать ядерные ре-
акции. Можно построить трансформатор со вторичной
обмоткой из очень большого количества витков. Двига-
ясь по этим виткам, электроны все повышают свою
энергию. И в конце концов она может стать достаточной
для атаки атомного ядра. Но это не самый удобный спо-
соб атаки.
Можно поместить электроны или ионы в высокий ва-
куум и подстегивать их там электрическими и магнитны-
ми силами, пока они не наберут скорость, во много раз
большую, чем та, которую можно было бы получить на
самом высоковольтном трансформаторе.
Есть такой прибор — бетатрон. Это стеклянная ба-
ранка с вакуумом внутри, охватывающая стальной сер-
дечник. Порция электронов, пущенная внутрь этой ба-
ранки, описывает там много сотен тысяч витков, и с каж-
дым оборотом электрические силы ускоряют электронный
сгусток. А никакого сопротивления движению электроны
не испытывают. Это прибор — трансформатор без вто-
ричной обмотки. Но действует он подобно трансформа-
тору с сотнями тысяч вторичных витков.
В бетатроне можно ускорить электроны так, как если
бы они прошли между электродами с разностью напря-
жений в десятки миллионов вольт.
В этом приборе высокий вакуум ведет себя словно
материал, удельное сопротивление которого равно нулю.
Уже было сказано, что при помощи вакуума можно
изолировать один от другого электроды, находящиеся
89
йод очень высокой разностью напряжений. Неоднократ-
но предлагалось строить электродвигатели и генераторы
с вакуумной изоляцией. Были осуществлены даже экспе-
риментальные образцы таких устройств. В них вакуум —
это материал, удельное сопротивление которого равно
бесконечности.
В электронных лампах электроны от накаленного ка-
тода идут к положительно заряженному аноду. В зави-
симости от конструкции лампы и от ее -назначения самые
различные напряжения — от долей вольта до сотен ки-
ловольт — прикладываются к ее электродам и самые
различные токи — от микроампер до десятков и сотен
ампер — текут между ними. Принято говорить о внутрен-
нем сопротивлении электронного прибора. Это сопро-
тивление есть отношение приложенных вольт к получен-
ным амперам. Иногда берут отношение приращения при-
ложенного напряжения к приращению полученного тока
От единиц ом до многих мегом — таковы могут быть зна-
чения внутренних сопротивлений различных электронных
приборов.
Вот какой удивительный материал высокий вакуум —
его кажущееся удельное сопротивление может иметь лю-
бое значение от нуля и до бесконечности.
Вакуум имеет еще одну интересную характеристику,
имеющую размерность сопротивления. Когда в каком-ли-
бо материале распространяется электромагнитная волна,
то отношение напряжения в этой волне к току в ней или,
что то же самое, отношение электрической силы в волне
к магнитной силе в ней называют волновым сопротив-
лением.
В высоком вакууме это волновое сопротивление оди-
наково для электромагнитных волн любой длины, любой
частоты тока, и равно оно 376,6 ом. Только это сопротив-
ление совсем иное, чем активное сопротивление всех элек-
тропроводных материалов. На волновом сопротивлении
вакуума не теряется никакой мощности.
Волновое сопротивление относится ко всему объему,
занимаемому плоской волной. А если задается напряже-
ние в вольтах на 1 ом пространства волны и требуется
определить плотность тока на 1 см2, то надо волновое
сопротивление множить на Ve длины волны (приблизи-
тельно) и делить вольты на это произведение.
90
2-10. Рабочая температура 100000РС
Ослепительным белым жаром пышет расплавленная
сталь. Она нагрета до 1 500° С. На поверхности Солнца
температура около 6 000° С. Все вещества при этой тем-
пературе находятся в газообразном состоянии. Можно ли
создать на земле температуру, в десятки раз превышаю-
щую видимую температуру поверхности Солнца?
Да, можно. И очень простыми средствами. Во многих
электротехнических приборах конструкционные материа-
лы в работе имеют температуру в десятки тысяч гра-
дусов. И эту температуру они выдерживают не какой-
нибудь короткий момент, а длительно: часы, месяцы, го-
ды. Многие из нас наблюдали работу этих приборов, не
зная о царящих в них космических температурах. Веще-
ство с температурой в десятки тысяч градусов находится
внутри стеклянных или металлических холодных сосу-
дов. Еще одно интересное свойство имеет это раскален-
ное вещество — 1 л3 его весит часто меньше 1 г.
Легко догадаться, о каком материале идет речь. Ку-
бометр воздуха лри атмосферном давлении и 0°С весит
1,29 кг. Меньше 1 г может весить кубический метр силь-
но разреженного газа.
Разреженные газы и пары металлов применяются
в качестве проводников тока в приборах, которые назы-
ваются ионными. В этих приборах разрежение не так
велико, как в приборах с чисто электронным разрядом.
Вакуум внутри ионных приборов невысокий.
Когда в ионном приборе движется электрон, то он на
своем пути встречает атомы газа. Электрон сталкивается
с ними, выбивает из них электроны, превращает эти ато-
мы в заряженные ионы. Потому-то эти приборы и назы-
ваются ионЦыми — в их разрядном пространстве, помимо
электронов, всегда присутствуют еще и ионы.
К ионным приборам относятся газосветные лампы,
ртутные преобразователи и многие другие.
Молекулы всех тел находятся в непрестанном движе-
нии, и температура — мерило этой энергии, энергии без-
устанного хаотического движения. В воздухе, например,
при 20° С молекулы азота и кислорода имеют среднюю
скорость в несколько сотен метров в секунду.
Понятие «температура» можно приложить не только
к сборищу нейтральных молекул, но и к сборищу элек-
тронов и ионов, если только эти заряженные частицы
91
движутся так же хаотически, как молекулы в газе, как
мошки над прудом в тихую погоду.
Заряженной частице можно сообщить скорость дей-
ствием электрических сил. Чем большую разность напря-
жений пройдет заряженная частица, тем большую ско-
рость она приобретет, тем большую энергию накопит.
Когда заряд частицы равен заряду электрона, то, пройдя
разность напряжений всего лишь в 1 в, она будет иметь
такой же запас энергии, как атом газа, нагретого до тем-
пературы примерно 7 500° С. А при комнатной температу-
ре атом газа имеет среднюю энергию меньше четырех
сотых электроновольта.
Если имеется скопление электронов и ионов, разо-
гнанных до напряжения в среднем 10 в, то этому скоп-
лению надо приписать температуру 75 000° С,
2-11. Плазма
Смесь электронов и ионов в разреженном газе назы-
вается плазмой. Она образуется, когда достаточно
большой ток проходит через газ. Из катода в плазму по-
ступают электроны со скоростями до нескольких десят-
ков вольт. Потерявшие скорость электроны извлекаются
из плазмы анодом. Ионы все время образуются в плазме
вследствие ударов электронов о нейтральные атомы. Не-
которые атомы под ударами электронов приходят в воз-
бужденное состояние и затем испускают избыток своей
энергии в виде светового излучения.
Электроны, ионы и нейтральные атомы непрестанно
сталкиваются между собой в плазме и обмениваются
энергией. Но электрические силы все время возмущают
устанавливающееся равновесие. Поэтому в плазме раз-
ные частицы движутся с разными скоростями и имеют
разные запасы энергии. Самую большую скорость и энер-
гию, а следовательно, самую высокую температуру име-
ют электроны. Температура электронного газа — это де-
сятки тысяч градусов. Ионы имеют меньшую среднюю
энергию, и, следовательно, их скопление — меньшую тем-
пературу. А нейтральные атомы находятся в плазме при
еще более низкой температуре.
Наконец, есть еще и четвертая температура — темпе-
ратура стенок сосуда, заключающего в себе ионизиро-
ванный газ. Это самая низкая из всех связанных с ион-
ным разрядом температур.
92
В паровом котле самая высокая температура — в топ-
ке, пониже — температура стенок стальных трубок и
еще ниже —температура воды внутри трубок. В котле
разные температуры находятся в удаленных одна от дру-
гой зонах. В ионной же плазме-частицы с разными энер-
гиями (температурами) тесно перемешаны.
Когда плотность газа мала, то разность температур
между скоплениями электронов, ионов и нейтральных
атомов велика.
Над iBxomaiMH метро, у кинотеатров, ресторанов горят
красные и синие огни реклам. В стеклянных трубках на-
ходится неон или аргон при давлении меньше Vioo атмо-
сферы. Плотность газа внутри газосветных трубок мала.
Электронный газ здесь имеет температуру в десятки ты-
сяч градусов, а газ из нейтральных атомов — только
в сотни градусов.
Чем больше плотность газа, в котором происходит
электрический разряд, тем больше столкновений с ней-
тральными атомами претерпевают электроны и ионы во
время своего движения в разрядном пространстве. И тем
больше сближаются между собой температуры ионного,
электронного и нейтрального газов.
В электрической дуге, которая горит при атмосфер-
ном давлении, температура электронного и ионного га-
зов — несколько тысяч градусов, а температура ней-
трального газа немногим меньше.
Не правда ли, это звучит довольно странно, что в ду-
ге, которая плавит и сжигает самые жаростойкие мате-
риалы, ионы и электроны «холоднее», нежели в газо-
светной трубке или в газотроне (рис. 2-3), стеклянные
баллоны которых чуть теплы на ощупь? В канале разря-
да молнии температура электронного и ионного газов
меньше, нежели в голубоватом облачке, которое виднеет-
ся между катодом и анодом газотрона.
В электронно-ионной плазме высокая температура
скоплений отдельных частиц сочетается с их очень малой
концентрацией. Общее количество энергии, заключенной
в единице объема плазмы, ничтожно.
Чтобы производить сильное воздействие, нужна не
только высокая энергия отдельных частиц, но и их боль-
шое количество. Поэтому остаются холодными электро-
ды и стеклянный баллон, окружающие ионный разряд
в разреженных газах. И более высокие, нежели в элек-
93
Вывода накала
Рис. 2-3. Продольный
разрез современного
газотрона.
Показан прибор, кото-
рый пропускает ток до
40 а и выдерживает
обратное напряжение до
20 000 в. На дне стеклян-
ного баллона газотрона
лежит капля ртути, и
поэтому баллон газотро-
на заполнен ртутным па-
ром. Его давление при
комнатной температуре
меньше одной миллион-
ной атмосферного давле-
ния. Когда на аноде га-
зотрона напряжение по-
ложительно, то электро-
ны, испускаемые като-
дом, ионизируют ртут-
ный пар. Пространство
между анодом и катодом
газотрона заполняется
ионной плазмой, которая
проводит ток. Плазма
содержит возбужденные
атомы ртути и поэтому
испускает видимое све-
чение. Но в газотроне,
изображенном на этом
рисунке, свечение не
должно быть видно.
Анод здесь полностью
охватывает катод, и при
нормальной работе плаз-
ма не должна выпол-
зать за пределы анода.
Если же из-под анода
появляется голубое све-
чение и заполняет собой
весь баллон, значит ка-
тод газотрона истощился
и падение напряжения
в газотроне возросло.
При нормальной работе падение напряжения в газотроне не зависит
от проходящего через него тока и не превышает 15 в. Коэффициент полез-
ного действия этого прибора при выпрямлении высоких напряжений боль-
ше 99%. Срок службы больше 10 000 ч.
тронной плазме, температуры возникают непрестанно во-
круг нас, даже внутри нас и остаются незамеченными.
При ядерных реакциях, например, температуры изме-
ряются многими миллионами градусов. Когда распадает-
ся значительное количество ядер урана U-235 или плуто-
ния — это взрыв, сжигающий все вокруг. Но под удара-
ми космических лучей все время распадаются отдельные
единичные атомы в земной атмосфере, в человеческих те-
лах, во всех предметах. Эти реакции идут в малом мас-
штабе, и окружающее вещество остается холодным.
Электронно-ионную плазму можно поместить на гра-
фике рис. 2-1 среди прочих проводников и диэлектриков.
94
Она расплывается по всему графику, как туман. Понятие
«удельное сопротивление плазмы» — это нечто неопреде-
ленное, расплывчатое.
При некоторых условиях электронная плазма прово-
дит ток так же хорошо, как и металлы. И плотность то-
ка в плазме допускают иногда даже большую, чем в ме-
таллических проводниках. В разрядном столбе газосвет-
ных ламп высокого давления плотность тока бывает
в десятки ампер на квадратный миллиметр.
В других случаях плазма имеет характеристики полу-
проводника. Плотности тока в ней — меньше миллиампе-
ра на квадратный сантиметр.
Высоко в атмосфере находится слой ионизированных
газов, слой своеобразной плазмы. Вернее, это даже не
один слой, а несколько.
И высота этих слоев, и концентрация заряженных
частиц в них меняются в течение суток. Ионизация силь-
но зависит от солнечной радиации. В этих слоях разы-
грываются северные сияния — разновидность безэлек-
тродных разрядов. Эти слои определяют условия рас-
пространения радиоволн. Длинные волны идут, как
в коридоре, между поверхностью земли и ионизирован-
ным слоем атмосферы. Короткие радиоволны распро-
страняются в виде лучей. Они отражаются от ионизиро-
ванной оболочки стратосферы, как от зеркала, прелом-
ляются в этой оболочке. Изменения в состоянии этой
оболочки вызььвают колебания аилы радиоприема, зами-
рания и пропадания радиосигналов. Небесные лучи
(т. е. те, что отразились от ионизированного слоя) взаи-
модействуют с земными. Небесный и земной лучи то
складываются, усиливая прием, то вычитаются, вызывая
замирание.
При некоторых условиях радиолуч может пробить не-
видимую электромагнитную броню земли и безвозвратно
уйти в межпланетное пространство.
2-12. Сжатые газы
Между двумя „металлическими шариками радиусом
в 1 см каждый, находящимися один от другого на рас-
стоянии также в 1 см, электрический пробой в воздухе
при нормальном атмосферном давлении произойдет при
напряжении около 30 тыс. в. Если увеличить давление
95

Рис. 2-4. Рентгенов-
ская установка на на-
пряжение 1,5 млн. в.
Подобные установки при-
меняются в медицин-
ской практике, а также
в промышленности для
просвечивания больших
отливок с целью выявле-
ния в них скрытых по-
роков.
В представленной уста-
новке и сама трубка, и
питающий ее высоко-
вольтный трансформа-
тор находятся в проч-
ном стальном баке, ко-
торый заполнен сжатым
газом. Электрическая
прочность сжатого газа
высока, и поэтому вся
установка получилась
компактной. Диаметр
стального бака 0,9 м. Вес
всей установки 700 кг.
Если бы была применена
воздушная изоляция при
атмосферном давлении,
то установка имела бы
в несколько раз большие
габариты.
/— катод рентгеновской
трубки; 2, 3 — промежу-
точные электроды рент-
геновской трубки; 4 —
стягивающий болт, сде-
ланный из стекла; 5 —
первичная обмотка транс-
форматора; 6 — дроссель
регулировки накала; 7 —
обмотка накала; 8 — вто-
ричная высоковольтная
обмотка трансформато-
ра; 9 — стальное ярмо;
10 — изолированный про-
вод дросселя накала;
11 — вывод промежуточ-
ного электрода;’ 12 —
стеклянные секции обо-
лочки рентгеновской
трубки; 13 — двигатель
привода регулировки
накала; /‘/—анод рент-
геновской трубки.
воздуха, окружающего шарики, вдвое, то почти вдвое же
возрастет напряжение пробоя.
Электрическая прочность всех газов возрастает с по-
вышением их давления.
Сжатыми газами наполняют конденсаторы. Они рабо-
тают с малыми потерями при самых высоких частотах.
Хорошо работают при самых высоких напряжениях
кабели, в которые, вместо пропитки бумажной изоляции
смолами или маслом, накачивается сжатый азот.
96
Сжатые газы — очень хороший изоляционный мате-
риал. Но применение этого материала довольно хлопотли-
во (рис. 2-4). Трудно так герметизировать установку,
'чтобы совершенно предотвратить утечку газа. Все устрой-
ства, в которых применяется изоляция из газа под дав-
лением, снабжаются манометрами. Когда видно, что дав-
ление начинает падать, в систему добавляют газа. Мощ-
ные высокочастотные конденсаторы для радиопередатчи-
ков приходится подкачивать один раз в несколько ме-
сяцев.
Обычно применяется давление не выше 20 ат. Иначе
чрезмерно возрастает стоимость оболочки, которая за-
ключает в себе газовую 'изоляцию и должна надежно
выдерживать ее давление.
Для изоляции под давлением чаще всего применяется
чистый сухой азот. Его легче всего получить, он дешев
и не воздействует химически ни на металлы, ни на изо-
ляционные вещества. Предлагались для изоляции под
давлением специальные газы, обладающие в несколько
раз более высокой электрической прочностью, чем воздух
или азот. Таков, например, элегаз (шестифтористая се-
ра), предложенный в Ленинграде. Но они пока широкого
распространения не получили отчасти из-за большой
сложности применения, d также из-за того, что при про-
бое эти газы разлагаются. А продукты разложения уже
не обладают такими высокими электрическими каче-
ствами.
2-13. Проволока
В старинных легендах рассказывается об искусных
мастерах, которые разбивали золото в листы, затем раз-
резали эти листы на нити и вплетали их в ткани между
разноцветными шерстяными нитями. Искусство изготов-
ления проволоки известно с таких же давних времен, как
и искусство ковки мечей и копий. Проволока из драго-
ценных металлов применялась для украшений, а желез-
ная проволока — для изготовления кольчуг.
Около 10 в. нашей эры появляются сведения об изго-
товлении проволоки тем же способом, который приме-
няется и в настоящее время — волочением через отвер-
стия в прочной доске.
Сохранились и изображения мастерских, где выделы-
валась проволока. Волочильная доска укреплялась на
7 Г. И. Бабат.	97
Двух низких столбах. Работник садился перед нею на ка-
чели, подвешенные к потолку, захватывал конец прово-
локи прицепленными к его поясу клещами у самой до-
ски, и, упираясь ногами в столбы, отталкивался назад.
Затем, отпустив клещи и согнув ноги, он силою тяжести
возвращался в прежнее положение близ доски, перехва-
тывал снова клещами проволоку и вытягивал новый ее
кусок.
Позже к изготовлению проволоки применили силу во-
дяного колеса. Клещи через кривошип соединялись
с мельничным колесом. Работник должен был только пе-
рехватывать проволоку. «Проволочные мельницы» рас-
пространились по всей Европе.
Искусство изготовления проволоки было высоко раз-
вито в древней Руси (рис. 2-5). В Киеве, Новгороде, Чер-
нигове и многих других русских городах в больших ко-
личествах производилась проволока из железа и цветных
металлов. Она расходовалась не только для собственных
нужд, но и вывозилась за границу.
Русские ремесленники изобрели волочильную скамью —
предшественницу современного барабанного волочильно-
го станка. На одном конце скамьи был устроен деревян-
ный ворот. На его барабане закреплялся конец проволо-
ки. Затем, вращая ворот, ремесленник постепенно протя-
гивал металл через отверстие в волочильной доске,
укрепленной посредине скамьи. Таким способом можно
было получать проволоку большой длины, а впрочем,
очень длинные проволоки в те времена никому и не были
нужны.
В середине 17 в. в России строились уже целые воло-
чильные цехи. В начале 18 <в. на Урале работало 16 во-
лочильных станков. Они приводились в действие водяны-
ми двигателями. В 1726 г. на уральских заводах было
выработано более 45 т проволоки.
До возникновения промышленной электротехники
известна была только голая проволока. Когда Фара-
дей делал (в 1831 г.) свое первое «кольцо» — железную
баранку с двумя обмотками—и изучал на этом приборе
законы электромагнитной индукции, то обмотку он вы-
полнял из голой проволоки. Он располагал витки так,
чтобы они не касались один другого, оборачивал каждый
слой витков несколькими слоями холста, а поверх клал
новый слой голой медной проволоки.
98
Во второй половине прошлого века уже существовали
различные сорта изолированной проволоки, но она была
еще очень дорога, и часто предпочитали выполнять об-
мотки из голой проволоки.
В те годы большие индукционные катушки с искрой
до полуметра изготавливались из голой проволоки. Меж-
Рис. 2-5. Волочильная скамья русских ремесленников 10 в.
ду. витками проволоки прокладывалась нитка, или же
пользовались обмоточным станком, который так точно
накладывал витки, что между ними всюду оставался до-
статочный зазор. А между отдельными слоями обмотки
прокладывалась вощеная бумага. Но при такой намот-
ке трудно было получить хорошее заполнение медью се-
чения катушек.
С развитием электротехнической промышленности со-
вершенствовалась и техника изоляции проволоки. Весь-
ма распространена изоляция проволоки тонкой бумаж-
ной ниткой (изредка применяют и шелковую нитку). Об-
мотку ниткой ведут в один или два слоя.
Самая толстая проволока, применяемая в электротех-
нике, имеет сечение до 100 мм2. Бывают проводники и во
7*	99
много раз большего сечения, но они уже не называются
проволокой.
Самая тонкая проволока диаметром в 1 мк приме-
няется для чувствительных электроизмерительных при-
боров. Ее изготовляют так: на платиновую проволоку
электролитическим путем наращивают серебряную обо-
лочку. Получившуюся посеребренную проволоку протя-
гивают до толщины нескольких микрон. Затем серебро
\	\_____EZZ]
Рис. 2-5а. Стержни обмоток статора крупных машин переменного
тока.
У этих стержней велико сечение меди и, чтобы равномерно распределить
по нему ток, стержень выполняется из нескольких изолированных друг от
друга тонких проводников. Отдельные проводники так переплетены, что
каждый из них проходит по очереди то в верхней, то в нижней части
сечения стержня.
а) Витой стержень. Многие отечественные крупные заводы применяют
подобное исполнение, б) Стержень с перекладкой.
стравливают кислотой, и остается тончайшая платиновая
нить. Она в несколько десятков раз тоньше человеческо-
го волоса. Иногда в электротехнике вместо металличе-
ской проволоки применяются посеребренные кварцевые
нити (они имеют большую прочность и упругость, чем
металл). На таких нитях иногда подвешивают подвиж-
ную систему в чувствительных электрометрах.
Самый ходовой материал ib электротехнике — это мед-
ный или алюминиевый провод диаметром от одной деся-
той миллиметра до двух-трех миллиметров. Для изготов-
ления обмоток часто применяют не круглую проволоку,
а медь прямоугольного сечения. При этом получается
лучшее заполнение сечения проводником.
В настоящее время для изоляции проволоки ее чаще
всего покрывают эмалью — протягивают через ванночку
с жидкой эмалью, а потом через электрическую сушиль-
100
ную печь. Иногда такое покрытие повторяют несколько
раз. Слой эмали может выдержать напряжение до 100 в.
Эмальпровод — самый распространенный вид обмоточ-
ного проводника. Много идет в современной электротех-
нике и голых проводников: для монтажа, для изготовле-
ния высокочастотных катушек.
Для контактных сетей трамваев и электропоездов
применяется проволока не круглая, а восьмерочного се-
чения. Такую проволоку удобно закреплять в держате-
лях. Токоприемники (подвижного состава не задевают за
держатели при движении.
2-14. Волны в проводниках и вдоль проводников
Когда на проводник действует переменное напряже-
ние, ток проходит лишь в поверхностном слое проводни-
ка. Толщина этого «поверхностного» слоя зависит от ча-
стоты тока. Она падает обратно пропорционально корню
квадратному из частоты тока. Для тока с частотой 50 гц
поверхностный слой, в котором сосредоточивается боль-
шая часть тока, имеет толщину около 10 мм. А при ча-
стоте 50 тыс. гц ток идет в слое толщиной только 0,3 мм\
внутренняя часть проводника током не нагружена.
Электрики-низкочастотники обычно говорят: «С по-
вышением частоты ток вытесняется к поверхности про-
водника». Высокочастотник выразится иначе: «С повы-
шением частоты глубина проникновения электромагнит-
ной волны в металл уменьшается». Не стоит спорить, как
правильнее рассматривать процесс — идя от центра про-
водника к его поверхности или, наоборот, проникая из
диэлектрика в прилежащую к нему поверхность провод-
ника. Это все равно, что спрашивать: что больше — по-
лупустая или полуполная бочка?
Конечный числовой результат получается один и тот
же независимо от того, каким бы приемом ни выводи-
лась формула. В меди ток сосредоточивается в слое тол-
щиной 67/ /f мм. Для других металлов числитель фор-
мулы имеет другое значение (для холодной магнитной
стали, например, 20, а для расплавленной стали около
1 000), но в знаменателе этой фдрмулы всегда стоит ко-
рень из частоты.
Когда необходимо применить медный проводник
большого сечения и желательно для уменьшения потерь
101
все это сечение равномерно нагрузить током, то приме-
няются транспонированные проводники.
Они сплетаются из отдельных тонких изолированных
проволочек. Каждая из проволочек то идет по поверхно-
сти, то ныряет в середину проводника. Так как прово-
лочка изолирована, ток вынужден идти по ней, следуя
всем ее изгибам. Из таких транспонированных проводни-
ков изготовляются обмотки всех мощных турбогенерато-
ров. При частоте тока 50 гц применяются транспониро-
ванные проводники и в электродвигателях, и в трансфор-
маторах, во всех случаях, когда необходимо иметь боль-
шое сечение меди—больше, чем несколько десятков квад-
ратных миллиметров, — и когда желательно равномер-
но распределить токи по всему этому сечению (рис. 2-5а).
Чем выше частота тока, тем тоньше должны быть от-
дельные жилки в транспонированном проводнике. Для
тока с частотой 100 кгц надо сплетать проводник из жи-
лок не толще 7ю мм каждая. А для более высоких ча-
стот такой проводник уже непригоден. Вместо много-
жильных транспонированных проводников для токов вы-
соких частот часто применяют трубчатые проводники —
попросту медные трубки. Они хороши еще тем, что по
ним можно пропускать охлаждающую воду и избегать
перегрева даже при очень больших плотностях тока. Для
индукционных печей всегда применяются трубчатые про-
водники.
Применяются трубчатые полые проводники и в дру-
гих случаях — для высоковольтных линий передач. В этом
случае провода должны иметь достаточно большой диа-
метр, чтобы с них не возникал самопроизвольный элек-
трический разряд — корона. А сечение в этих проводни-
ках особенно большое не требуется. Вот и делают их по-
лыми. Но провода эти должны быть гибкими, и их вы-
полняют из отдельных медных фасонных проводников,
которые сцепляются между собой, как клепки в бочке.
Чтобы повысить прочность линий передач, применяют
сталеалюминиевый провод. На стальной трос наклады-
ваются сверху алюминиевые проводники. По ним идет
ток, а сталь служит для поддержки, но ни в коем случае
не годится выполнять этот провод, обматывая алюминие-
вую жилу сталью.
На первый взгляд, казалось бы, разница невелика.
В обоих случаях провод состоит из комбинации стали и
102
алюминия. Алюминий, казалось бы, обеспечивает элек-
тропроводность, а сталь придает прочность. И если сталь
поместить снаружи, то провод будет еще прочнее. Про-
вод, у которого снаружи сталь вместо алюминия, меньше
повреждается при раскатке, надежнее держится в за-
жимах.
Но в толстом проводнике переменный ток течет только
в поверхностном слое. При частоте 50 гц ток проникает
в сталь не больше чем на 3 мм. Если поверхностный слой
больше чем на 3 мм состоит из стали, то сопротивление
всего провода будет велико. Алюминий в центральной
части провода не будет нагружен током. Чтобы исполь-
зовать алюминий, надо обязательно уложить его по по-
верхности проводника.
При очень высоких частотах — несколько десятков
миллионов герц (такие частоты применяются, например,
для передачи телевидения) — глубина (проникновения то-
ка в металл составляет всего лишь сотые доли миллимет-
ра. В таких высокочастотных устройствах токонесущие
детали часто делаются стальными и покрываются тон-
ким слоем серебра. Внутренность проводника совершен-
но не влияет на его сопротивление. При этих высоких
частотах сопротивление очень сильно зависит от состоя-
ния поверхности. Слой окислов может увеличить сопро-
тивление в несколько раз. Слой краски или лака также
может значительно увеличить сопротивление и потери.
В высокочастотных устройствах все это |надо .иметь в ви-
ду. При низких же частотах состояние поверхности не
влияет на сопротивление.
2-15. Бумажная электротехника
Прилагательное «бумажная» слишком часто приме-
няется иронически для обозначения вещей, известных
только в проектах, в предположениях, не осуществлен-
ных на практике и чаще всего непригодных к осуществ-
лению. Но заглавие этого раздела совершенно точно,
в прямом смысле передает суть дела. Бумага — один из
основных конструкционных материалов современной
электротехники.
Телефонные и силовые кабели выполняются с бумаж-
ной изоляцией..В генераторах, электродвигателях, изме-
рительных приборах, конденсаторах бумага применяется
в чистом виде или в виде различных препаратов.
103
Бумага — это войлок, свалянный из растительных во-
локон. Самые распространенные толщины листов — от
сотых до десятых долей миллиметра.
Производство бумаги начало широко развиваться
только после изобретения книгопечатания.
В начале 17 в. бумага вырабатывалась в России на
бумажной фабрике, которая была устроена в селе Иван-
теевка на р. Уче в 30 км от Москвы. Развитием бумаж-
ного производства в России много занимался Иван Гроз-
ный, построивший при Московском печатном дворе бу-
мажную мельницу.
При Петре Первом писчебумажное производство при-
няло уже широкие размеры.
В дореволюционные годы бумагу изготовляли преи-
мущественно из старого тряпья. В настоящее время ос-
новное сырье для бумажной промышленности — это дре-
весина.
Предприятия лесной и бумажной промышленности
СССР все увеличивают выпуск продукции и осваивают
производство новых видов бумаги, картона и других из-
делий, широко применяемых в народном хозяйстве
страны.
После войны в СССР начат выпуск бумаги, которая
отличается высокой прочностью и непромокаемостью. Из
этой бумаги вырабатывают прочную тару, в ткацком
производстве ее применяют при изготовлении основы.
Советским изобретателям удалось получить электропро-
водящую бумагу. На Марийском бумажном комбинате
из этого материала были изготовлены мембраны для ми-
крофонов.
Для репродукторов радиоприемников вырабатывает-
ся бумага, называемая акустической. Ее механические
свойства таковы, что репродукторы с конусами из аку-
стической бумаги чисто и без искажений воспроизводят
звук.
Большое количество бумаги идет в электротехнике
для изоляции кабелей.
2-16. История электрического кабеля
В 1812 г. П. Л. Шиллинг в Петербурге произвел взрыв
мины с помощью провода, изолированного каучуковыми
лентами и проложенного по дну Невы. Это был первый
в мире подводный кабель.
104
В 1847 г. был построен пресс для наложения на ка-
бели бесшовной гуттаперчевой изоляции. Гуттаперча —
это затвердевший сок (смола) некоторых тропических
деревьев. Она очень своебразный материал. В воздухе
гуттаперча легко окисляется и теряет свои свойства, в во-
де же оказывается весьма стойкой. Кабели с гуттаперче-
вой изоляцией хороши для подводных прокладок.
В 1851 г. по дну морского пролива Па де Кале между
английским городом Дувром и французским Кале был
проложен кабель с гуттаперчевой изоляцией. По этому
кабелю была впервые осуществлена телеграфная связь
между Англией и Францией. В 1856 г. была начата про-
кладка телеграфного кабеля через Атлантический океан
между Европой и Америкой. Несколько раз кабель обры-
вался. Но в конце концов в 1866 г. первый трансатлан-
тический кабель начал работать.
Первые подземные кабели сильного тока появляются
позже кабелей связи. В конце прошлого века началось
сооружение первых электрических станций общего поль-
зования, и тогда выявилась необходимость подземного
распределения электрической энергии в больших горо-
дах. А. Н. Лодыгин в Петербурге в своих первых опытах
по электрическому освещению применял медные провод-
ники, изолированные гуттаперчей. Несколько лет спустя
в 1880 г. была проложена первая подземная силовая сеть
в Берлине. Она состояла из семи медных проводников
сечением в 4 лии2, изолированных гуттаперчей. Провод-
ники были проложены в железных трубах. Нагрузка
каждой из жил равнялась 7 а при напряжении 220 в
постоянного тока.
В 1882 г. в Нью-Йорке проложили подземную сеть
.постоянного тока, состоявшую из медных штанг, изоли-
рованных проасфальтированным джутом и проложенных
в железных трубках длиною около 6 м. Затем трубы за-
полнялись еще асфальтовым составом.
В период 1880—1890 гг. электротехники России и
Центральной Епропы сосредоточили свое внимание на
налаживании массового производства освинцованных
кабелей и усовершенствовании их конструкции. В Анг-
лии же и США проводились многочисленные попытки
найти какой-либо удовлетворительный метод подземной
передачи электрической энергии при переменном напря-
жении порядка 2 000 в, применяя голые проводники или
105
проводники, обладающие одной только электрической
изоляцией, без оболочки для защиты от сырости. Амери-
канцы и англичане пытались защитить свои проводники
от соприкосновения с влагой при помощи разного рода
подземных конструкций. Они хотели соорудить такую
подземную канализацию, которая была бы совершенно
влагонепроницаемой и в которой можно было бы про-
кладывать проводники, изолированные только обмоткой
из пряжи и джута.
Огромные средства были затрачены на эти опыты.
Но в 1888 г. американские электрики вынуждены были
признать: «Опыт, полученный в Вашингтоне, приводит
к выводу, что нельзя найти изоляцию, которая бы рабо-
тала 2 года при напряжении 2 000 вольт. В Чикаго
все установки вышли из строя, за исключением освинцо-
ванных кабелей, которые дали более или менее удовлет-
ворительные результаты. В Мильуоки были испробова-
ны и забракованы три различные системы. В Детройте
был забракован кабель, проложенный в канализации си-
стемы Дорсетта».
С того времени во всех странах во всем мире для под-
земной прокладки как телефонных, так и сильноточных
линий исключительное применение получил кабель со
свинцовой защитной оболочкой. В последние годы научи-
лись делать кабели и с алюминиевой оболочкой.
2-17. Силовые кабели
Токонесущая жила скручивается из медных или алю-
миниевых проволок. Кабели на малую передаваемую
мощность имеют сечение жилы 10—16 мм2. Больше
100 м2 сечение жилы избегают применять — кабель по-
лучается слишком толстым и неудобным в обраще-
нии.
Жилу кабеля обматывают бумагой. Бумага нарезана
в виде узких полосок. Эти полоски наматываются во мно-
го слоев. Чем выше напряжение, на котором должен
работать кабель, тем больше слоев бумаги наматывают
на жилу.
Обмотанный провод варят в больших котлах, чтобы
бумага пропиталась смолистыми составами. А затем
прессом надевают поверх бумаги свинцовую оболочку
(рис. 2-6 и 2-7).
106
Если кабель предназначается для прокладки непо-
средственно в земле или через реку, то для предохране-
ния его от повреждений поверх свинцовой оболочки на-
девается броня из стальных лент или проволок.
Сбинцобая оболочка
Защитный покроб \ Фазная изоляция
Медная жила
Продольное заполнение
Рис. 2-6. Трехфаэный кабель с секторными
жилами.
При такой форме жил получается лучшее исполь-
зование сечения кабеля. Чтобы еще улучшить за-
полнение сечения токопроводящих жил, они вы-
полнены из проволок неодинакового диаметра.
Производство кабелей — важная отрасль электротех-
ники. Стоимость продукции кабельных заводов состав-
ляет в разных странах 30—60% от общей стоимости про-
Рис. 2-7. Однофазный высоковольтный
кабель с полой жилой.
Внутри жилы видна спиральная пружина.
дукции всех предприятий электротехнической промыш-
ленности. Стоимость кабельных сетей составляет до 75%
от общей стоимости крупных городских электротехниче-
ских систем.
Неотъемлемая часть кабельной проводки — это муф-
ты. Отдельные куски кабеля сращиваются между собой
107
соёдйнйтёЛь й ы м й
муфтами, конец кабе-
ля завершается конце-
вой муфтой.
2-18. Вести издалека
Самый зычный голос
в наилучших условия к
слышимости не может
преодолеть расстояния
в несколько километров.
А электрический ток, по-
рожденный звуками речи,
легко передается на де-
сятки, а с применением
промежуточного усиле-
ния — и на сотни кило-
метров. При телефонном
Рис. 2-8. Тангенциальный бумаге- разговоре звуковая вол-
обмотчик.	на в воздухе проходит
лишь сантиметры, а по-
рожденные ею электрические колебания могут обе-
жать вокруг земного шара.
Чем больше меди затратить в телефонных проводах
и чем лучше сделать изоляцию вокруг них (самая луч-
шая изоляция — это воздух), тем на более далекое рас-
стояние можно передать телефонный разговор без про-
межуточного усиления, но тем дороже будет стоить те-
лефонная линия. А если сделать и проводники, и изоля-
цию линии тонкими, то она будет дешевой, но токи бу-
дут быстро затухать.
В результате многолетних теоретических исследова-
ний и практического опыта был выработан современный
тип телефонного кабеля, который применяется теперь во
всех наших городах.
Телефонные токи передаются по-медным жилам диа-
метром 0,5 или 0,6 мм. Поверх жилки треугольничком
складывают бумажную ленточку и обматывают ее нит-
кой, чтобы бумага не развернулась. Две такие жилки
скручиваются, чтобы образовать пару. В этой конструк-
ции бумага неплотно прилегает к меди. Бумага только
обеспечивает требуемый зазор между медными жилами,
108
Рис. 2-9. Шприц-пресс для пластмасс.
Здесь на провод-кабель накладывается влагонепроницаемая пласт-
массовая изоляция и оболочка.
Рис. 2-10. Машина дискового типа для общей
скрутки жил кабеля.
109
а изоляция создается воздухом. Отдельные пары свива-
ются в кабель. В кабеле может быть 5, 10, 20 жил —
это маленькие кабели. Их заводят в отдельные дома.
Под улицами прокладываются большие магистральные
Жилы обмо-
тать лентой,
и окрасить
эмалью
Подмотка
Поясная^
изоляция
Свинцовая
оболочка
Фарфоровые
втулки
Уровень
заливки
массой
Подмотка
Хомут
Фарфоровая
пластана
Вшил '/4X10
для заземле-
ния
Заземляющие
медные проволоки
4 *2,5 кв.мм
Рис. 2-П. Концевая муфта для трехфазного
кабеля.
кабели на несколько сотен пар. Иногда изготовляются
телефонные кабели на 2 400 пар. И во всех таких кабе-
лях изоляцией являются воздух и бумага.
Скрученные жилы обматываются сверху бумажной
или миткалевой лентой, а затем на нее напрессовывается
свинцовая оболочка. Она предохраняет кабель от влаги.
В городе такие кабели чаще всего прокладываются
в специальной канализации: в устроенных под тротуара-
ми бетонных или керамических каналах или в асбоце-
И0
ментных трубах. Для такой прокладки свинцовую обо-
лочку ничем не защищают.
Если же телефонный кабель должен быть уложен
в землю или воду, то поверх свинца, как и в силовых ка-
белях, надевают стальную броню.
Бумажная лента Медная Жила
А I 1 /.//777
Нитка I
Вверху показан проводник кабеля, служащий для соединения абонента с те-
лефонным узлом. Вокруг медной жилы диаметром 0,5 мм складывается тре-
угольником бумажная лента и обматывается ниткой.
Посередине: слева — поперечное сечение, справа — подготовленный к раздел-
ке конец кабеля на 1 200 пар. Внизу — проводник для соединительных линий
между отдельными районными АТС. Этот проводник несет большую нагрузку,
лучше используется, нежели абонентский, поэтому он имеет конструкцию бо-
лее дорогую, но зато с меньшим затуханием, нежели абонентский проводник.
Соединительный проводник имеет медную жилу диаметром 0,6 мм. Эта жила
обмотана сначала бумажным жгутиком (корделем), а затем поверх жгутика
бумажной лентой.
Благодаря тому что жгутик намотан с большим шагом, жила .окружена
в основном воздухом. Это и уменьшает затухание.
2-19. Конденсаторы
Своеобразная область применения изоляционных ма-
териалов— это конденсаторы. Толща изоляции, находя-
щаяся между двумя металлическими обкладками,— это
111
резервуар, в котором накапливается запас электриче-
ской энергии.
В разных схемах конденсаторы работают по-разному.
В высокочастотных установках — в радиопередатчиках,
в установках для нагрева — энергия подается в конден-
сатор на стотысячные или миллионные доли секунды,
а затем энергия нацело уходит из конденсатора. Конден-
саторы, предназначенные работать в таком режиме
быстрого накопления и быстрой же отдачи энергии, на-
зываются контурными. Они составляют часть
колебательного высокочастотного контура. Контурные
конденсаторы должны иметь самую высококачественную
изоляцию. В них часто применяется керамика — напри-
мер, одна из разновидностей фарфора — стеатит. Ди-
электрическая проницаемость этого материала около 6.
Стеатитовые конденсаторы прекрасно работают на ча-
стотах от 100 тыс. до 1 млн. гц.
Другой распространенный для контурных конденса-
торов керамический материал составляется из двуокиси
титана. Его диэлектрическая проницаемость бывает
50—60, т. е. в 10 раз больше, нежели у стеатита. Тита-
новые конденсаторы выгодно использовать и на более
низких частотах (до 10 тыс. гц).
В последние годы ведутся исследования конденсато-
ров, изоляция которых имеет диэлектрическую прони-
цаемость в несколько тысяч. Такими свойствами облада-
ют виннокаменная соль, титанат бария. В материале
с такой диэлектрической проницаемостью можно накап-
ливать большие количества электрической энергии. Но
эти материалы очень капризны, с изменением температу-
ры их диэлектрическая проницаемость также сильно ме-
няется. Диэлектрическая проницаемость меняется и с ве-
личиной приложенного к конденсатору напряжения. Фор-
ма кривой напряжения сильно искажается. Иногда это
свойство может иметь полезные применения. Колеба-
тельный контур с таким конденсатором может умножать
частоту подводимого к нему тока. Но часто искажения
кривых токов и напряжений недопустимы.
Во многих установках напряжение на конденсаторах
почти совершенно постоянное. Назначение этих конден-
саторов — только пропустить через себя небольшую пе-
ременную составляющую тока. В таком режиме рабо-
тают фильтровые конденсаторы, сглаживающие вы-
112
прямленный ток, и разделительные конденсаторы
в генераторах с электронными лампами. Электрическая
энергия в этих конденсаторах находится на долгосроч-
ном хранении. К изоляции этих конденсаторов можно
предъявлять менее строгие требования, нежели к изоля-
ции контурных конденсаторов.
В фильтровых и разделительных конденсаторах ча-
сто применяют изоляцию из бумаги, пропитанной пара-
фином или маслом. Обкладку делают из алюминиевой
фольги. Если к такому конденсатору приложить слиш-
ком высокое напряжение, бумажная изоляция проби-
вается и конденсатор выходит из строя.
Интересны конденсаторы с цинковыми обкладками.
Цинк испаряют, и пары его оседают тончайшим слоем
на бумагу. Получаются непробиваемые конденсаторы.
Если к ним приложить слишком высокое напряжение,
то в каком-то месте слой бумаги прожжет искра.
Но эта же искра разовьет столько тепла, что вызовет
испарение цинковых обкладок. Цинк—металл с низ-
кой температурой кипения. Когда цинк испарится вокруг
пробитого места, пробой прекратится. Конденсатор
с цинковыми обкладками — это самозалечивающийся
конденсатор.
Для боевых самолетов делают бензобаки, обложен-
ные слоем резины. Когда такой бак пронизывает пуля,
то отверстия затягиваются резиновым слоем. Есть нечто
общее между этими самозалечивающимися баками и
конденсаторами с цинковыми обкладками.
2-20. Магнитный железняк
Железо образует с кислородом несколько соединений
Одно из них, в котором на три атома железа приходит-
ся четыре атома кислорода (приблизительно 72% желе-
за и 28% кислорода по весу), называется магнети-
том или магнитным железняком. Это лучшая
железная руда. С древнейших времен ее добывают во
многих местах. В СССР скопления магнитного железня-
ка находятся на горах Благодать, Высокая, Магнитная,
Качканар на Урале и в других районах.
Одни из самых древних разработок этой руды нахо-
дились в Лидии около города Магнезия, откуда, по всей
вероятности, и произошло само название руды. Суще-
8 Г. И. Бабат.	113
ствует также легенда о том, что греческий пастух Маг-
нес, отыскивая заблудившихся ягнят на склонах горы из
железняка, заметил, что его подбитая гвоздями обувь
прилипает к земле.
Хотя этот рассказ повторяется во многих книгах, но
очень трудно согласиться с тем, что именно пастух Маг-
нес первый открыл удивительные свойства руды притя-
гивать железо. Ведь те рудокопы, что добывали желез-
няк, и мастера, которые выплавляли из него железо, что-
бы изготовить гвозди для обуви пастуха, неизбежно
должны были заметить притяжение кусков железняка
друг к другу и к железу.
Примерно в 12 в. нашей эры появляются сведения
о том, что свойство притягивать друг друга можно сооб-
щить и стальным изделиям, если их натирать кусками
магнитной руды.
Магнитный камень был известен и в древнем Китае.
Здесь его называли «дзю-ши» или «ни-тши-ги», что зна-
чит «любящий камень». Интересно, что аналогичное наз-
вание сохранилось и в современном французском языке,
где магнит называется «эман» (aimant)—любящий.
Дословный перевод слова «электромагнит» с француз-
ского будет — электролюбящий.
Магнитные силы от естественных и искусственных маг-
нитов передаются решительно через все материалы. Нет
в природе изоляторов для постоянного магнитного пото-
ка. Чтобы заэкранировать какой-нибудь измерительный
прибор от магнитного потока, есть одно только сред-
ство — отвлечь этот поток хорошо проводящим мате-
риалом.
Почти все известные материалы — и металлы, и ме-
таллоиды, и их соединения — проводят магнитные силы
почти так же, как пустота, как газы. Некоторые про-
водят чуть-чуть лучше — эти материалы называются п а-
рамагнитными, другие чуть-чуть хуже — это диа-
магнитные материалы. Но разница между диамаг-
нитными и парамагнитными материалами так мала, что
ее можно обнаружить лишь очень чувствительными ме-
тодами.
Железо проводит магнитные силы в сотни раз лучше
других веществ. Так как латинское название железа
«феррум», то такое свойство высокой магнитной прово-
114
Димости, проницаемости, стало называться «ферромагне-
тизмом».
Но так же, как электропроводность различных мате-
риалов не является постоянной величиной, а зависит от
величины тока, от температуры, так и магнитная прони-
цаемость железа и других ферромагнитных материалов
меняется от многих причин.
2-21. Точка магнитного превращения
Рис. 2-13. Переноска стальных листов
подъемным краном с электромагнит-
ным захватом.
Давно было замечено, что раскаленное железо, буду-
чи вытащено из печи и медленно остывая на воздухе, при
температуре темно-красного каления вдруг на момент
вспыхивает ярче, а за-
тем уже остывает до
конца.
Эта задержка осты-
вания получила назва-
ние «рекалесценции».
Русский металлург
Д. К. Чернов заметил,
что вспышка свечения
всегда происходит при
одной и той же темпе-
ратуре.
С того времени бы-
ло проведено много
точных исследований.
Установлено, что при
нагревании стали при
температуре 768° С про-
исходит перегруппи-
ровка атомов, a-струк-
тура переходит в у-
структуру.
Магнитным являет-
ся только а-железо,
все другие модификации железа немагнитны. Нагретое
до каления железо теряет свои магнитные свойства.
В металлообрабатывающей промышленности приме-
няются различные магнитные захваты: на шлифоваль-
ных станках — магнитные плиты для закрепления сталь-
ных изделий; магнитные патроны для токарных станков.
8*	115
Как ни заманчиво было бы перетаскивать раска-
ленные болванки магнитными кранами, но, увы, это
неосуществимо: в раскаленном состоянии сталь немаг-
нитна.
Это свойство используют иногда для автоматизации
закалки. Мелкие изделия — например, иголки — висят
в магнитном поле и нагреваются токами высокой часто-
ты. Как только сталь нагреется до температуры каления,
она перестанет быть магнитной, иголка провалится и
упадет в закалочную ванну.
2-22. Три железных брата
В средние века рудокопы верили, будто в горах оби-
тают коварные гномы Кобольд и Никель. Во всех своих
бедах они винили этих гномов. Лет 300 назад была най-
дена руда, очень похожая на медную. Медь умели вы-
плавлять из руды еще в доисторические времена, но из
этого минерала красного цвета добыть медь никак не
удавалось. Руду стали называть «чертовой медью», «ни-
келевой медью». В 1751 г. химик Кронстедт открыл, что
в руде находится новый металл. За ним так и осталось
название «никель».
Примерно в те же годы было открыто, что в красивой
синей краске, которая получалась стеклодувами при
оплавлении остатков от приготовления висмута, содер-
жится металл, схожий с никелем. За это сходство он был
назван именем второго гнома, Кобольда — «кобальтом».
Химики того времени не умели хорошо разделять эти
металлы, и некоторые считали, что никель — это «жже-
ный, потерявший душу кобальт». Только в конце 18 в.
была окончательно установлена самостоятельность ко-
бальта и никеля.
Оба эти металла — родные братья железа. Их так и
называют тройней или триадой. Долгие годы младшие
братья железа были мало известны. Из кобальта делали
главным образом краски: кобальтовую синь, зеленую
и желтую краски. Из соединения кобальта с хлором по-
лучались «симпатические чернила». Написамное ими не-
заметно на бумаге, а если слегка подогреть такую бу-
магу, то все проявляется синим цветом, а затем, если по-
дышать на бумагу или просто оставить ее на воздухе, —
снова исчезает.
116
Из никеля делали кухонную посуду.
В конце прошлого века было найдено, что сталь с До-
бавкой никеля имеет повышенную прочность и вязкость.
Из никелевой стали изготовили броню, которая не рас-
трескивалась при ударах снаряда. После изобретения
гальванопластики русским академиком Б. С. Якоби чи-
стый никель стал применяться для покрытия всевозмож-
ных металлических изделий, чтобы придать им красивый
вид и защитить от ржавчины. Кобальт стал применяться
в производстве твердых сплавов.
Интересные применения вся троица — и в чистом ви-
де и в виде различных сплавов — нашла в современной
электротехнике. Сплавы железа с кобальтом и никелем
можно так составить, чтобы они имели коэффициент рас-
ширения при нагревании, в точности равный коэффици-
енту расширения различных стекол. Сплавы «ковар»,
«фернико» хорошо спаиваются со стеклом, дают проч-
ное, совершенно газонепроницаемое соединение. Широко
применяются сплавы никеля с медью — константан и
манганин —для различных сопротивлений, и с хромом —
нихром — для нагревательных сопротивлений.
2-23. Магнитно-тве рдые а магнитно-мягкие
материалы
Иногда электрикам бывает необходим сильный, по
возможности не меняющийся со временем, нестареющий
магнитный поток. Постоянные магнитные силы должны
действовать во многих типах измерительных приборов,
в динамических громкоговорителях, телефонах, реле. Для
изготовления устойчивых постоянных магнитов приме-
няются материалы, называемые магнитно-твердыми мате-
риалами. Магнитная твердость сопровождается обычно
твердостью механической. Хорошие постоянные магниты
не могут обрабатываться простыми резцами или сверла-
ми. Их изготавливают литьем, а точные размеры прида-
ют шлифовкой.
Для трансформаторов, наоборот, нужны такие маг-
нитные материалы, в которых магнитный поток меняется
с самым малым отставанием и запаздыванием и следует
как можно более точно за изменениями возбуждающего
этот поток тока. Это все магнитно-мягкие материалы. Са-
мый популярный и общеупотребительный из магнитно-
117
мягких Материалов — трансформаторная сталь. Из нее
делают сердечники трансформаторов.
Изделия из магнитно-твердых материалов несут неиз-
менный магнитный поток, и здесь основное — обеспечить
достаточное сечение для проведения этого потока. По-
этому конструкции из магнитно-твердых материалов мо-
гут быть массивными. Магнитно-мягкие материалы при-
меняются в виде тонких листов и проволок, а иногда и
в виде мельчайшего порошка. Они предназначаются для
передачи переменных магнитных потоков, а такие потоки
возбуждают во всяком проводящем массиве вихревой
ток. Чтобы уменьшить силу вихревых токов, массивные
сердечники и разбиваются на отдельные проволочки или
листы. Чем меньше толщина такого листа, тем меньше
в нем и потери на вихревые токи. Но с уменьшением
толщины листов и проволок становится дороже произ-
водство сердечников и понижается их механическая
прочность.
В настоящее время приняты стандартные толщины
трансформаторной стали 0,5 и 0,35 мм. Чтобы еще
уменьшить интенсивность вихревых токов и снизить по-
тери от них, повышают электросопротивление магнитно-
мягких материалов. В трансформаторную сталь добавля-
ют кремний (силиций). Хрупкость стали повышается,
кремнистую сталь трудно обрабатывать. Зато ее элек-
трическое сопротивление возрастает раз в 5 по сравне-
нию с электрическим сопротивлением чистого железа и,
следовательно, в столько же раз уменьшаются потери на
вихревые токи.
Во много раз лучшую магнитную проводимость, чем
простая трансформаторная сталь, имеют специальные
сплавы железа и никеля—(перминвар, (пермаллой и др.
Названия их начинаются с латинского «перма» — что
значит проницаемый.
2-24. Магнитная проницаемость
Магнитный поток в медной катушке без стального
сердечника возрастает прямо пропорционально поро-
ждающему его току — он, как говорят, линейно зави-
сит от тока. На графике зависимость потока от тока бу-
дет изображаться прямой линией. В 2 раза увеличится
118
ток — и во столько же раз возрастает магнитный по-
ток.
Иначе ведет себя катушка с ферромагнитным сердеч-
ником. Проницаемость ферромагнитного сердечника раз-
ная для магнитных потоков разной величины.
Впервые подробно изучил магнитную проницаемость
железа гцроф. А. Г. Столетов в конце прошлого века.
Тогда он был еще молодым кандидатом. Определение за-
Рис. 2-14. Зависимость магнитной
проницаемости [ц=/:(Я)] и магнит-
ного потока на 1 см2 сечения
стального сердечника 1М(Я)1 от
напряженности намагничивающего
поля.
Впервые подобные кривые были сняты
проф. А. Г. Столетовым.
конов намагничения железа — это была его докторская
диссертация. Она называлась: «О функции намагниче-
ния железа».
«...изучение функции намагничения железа может
иметь практическую важность при устройстве и упо-
треблении как электромагнитных двигателей, так и тех
магнитоэлектрических машин нового рода, в которых
временное намагничение железа играет главную роль...
Знание свойств железа относительно временного намаг-
ничения так же необходимо, как необходимо знакомство
со свойствами пара для теории паровых машин». Так
писал Столетов в своей работе.
На железное кольцо Столетов намотал ровным слоем
несколько сотен витков изолированной медной проволо-
ки и измерял, какой магнитный поток получается в же-
лезе при разных силах тока в обмотке.
119
Это — классическое исследование. Полученная Столе-
товым зависимость является основой для расчета всех
приборов и аппаратов с магнитной цепью. Магнитную
проницаемость всех материалов обычно сравнивают
с магнитной проницаемостью воздуха. Последнюю вели-
чину принимают за единицу.
При очень малых значениях намагничивающего тока
магнитная проницаемость железа невелика; сначала она
быстро растет с ростом силы намагничивающего тока.
Магнитный поток в железе растет быстрее, нежели по-
рождающий его ток.
При определенной силе намагничивающего тока маг-
нитная проницаемость железа и других ферромагнитных
материалов достигает своего наибольшего значения.
В за1В1Иснмости от сорта материала это значение может
равняться нескольким сотням, нескольким тысячам или
даже десяткам тысяч.
С дальнейшим увеличением силы намагничивающего
тока магнитная проницаемость падает. Наступает насы-
щение материала магнитным потоком. Для разных ма-
териалов насыщение наступает при разных силах намаг-
ничивающего тока, но при очень больших значениях это-
го тока в очень сильных магнитных полях магнитная
проницаемость всех без исключения ферромагнитных ма-
териалов становится почти равной проницаемости воз-
духа. Меньше единицы магнитная проницаемость не ста-
новится.
Кривую зависимости магнитного потока от тока мож-
но разделить на два участка: начальный, на котором
поток круто растет с током, и конечный, где поток мед-
ленно увеличивается. Между этими двумя участками на-
ходится колено.
Во многих магнитных аппаратах ферромагнитные ма-
териалы используются только до насыщения. Рабочий
участок характеристики не доходит до колена. Но в ряде
конструкций специально используется явление насыще-
ния. Таковы, например, пиковые трансформаторы, кото-
рые деформируют плавную кривую напряжения, превра-
щают ее в остроконечный импульс. В подобных устрой-
ствах используется часть характеристики, далеко уходя-
щая за колено.
120
>	г з
2-23. Магнитодиэлектрики,
Железо образует с окисью углерода очень ядовитое
соединение, называемое карбонилом железа. Это соеди-
нение нестойко. При нагреве оно разлагается, и железо
выделяется в виде порошка, такого мелкого, что может
самопроизвольно загореться на воздухе. Поэтому такое
железо часто назы-
вают «пирофор-
ным» — самозаго-
рающимся.
Этот железный
порошок можно сме-
шать с изоляцион-
ным материалом
так, что каждую
крупинку размером
в микроны будет об-
волакивать изоля-
ционная пленка. ИЗ
получившейся массы
можно прессовать
различные изделия.
Электрический ток
они проводить не
будут, так как про-
водящие железные
крупинки заключе-
ны в изоляционную
оболочку. Но для
магнитного потока
этот материал будет
противление, чем простой диэлектрик. Магнитный поток
будет проходить от одной железной крупинки к другой
сравнительно короткий путь. Магнитная проницаемость
такого материала может достигать нескольких десят-
ков. Иногда крупинки получают другим путем, например
путем простого механического размола ферромагнитных
сплавов, которые в этом случае специально делают
хрупкими. Иногда пытаются сделать не круглые, а удли-
ненные крупинки, чтобы они плотнее прилегали одна
к другой и были бы ориентированы по направлению'
магнитного потока. Такой материал имеет еще большую
магнитную проницаемость.
Рис. 2-15. Катушка колебательного кон-
тура от радиоприемника или маломощ-
ного передатчика для частот до
40 млн. гц (продольный разрез).
1 — обмотка из медной проволоки; 2 — каркас
из высокочастотной керамики; 3 — сердечник
из магнитодиэлектрика, снабженный винтовой
нарезкой. При поворачивании сердечника он
перемещается относительно катушки и тем
меняет ее индуктивность. Подобным образом
подстраивают колебательный контур на за-
данную волну. Такую катушку часто назы-
вают «коротковолновый подстроечник». По-
добные катушки имеют малые габариты и до-
статочно хорошую добротность, т. е. отноше-
ние индуктивного сопротивления к сопротив-
лению потерь. Это отношение может дости-
гать 100.
представлять все же меньшее со-
121
Все подобные материалы, не проводящие тока, но
имеющие повышенную проницаемость для магнитного
потока, называются магнитодиэлектриками. Они
применяются для проведения быстропеременных магнит-
ных потоков.
Чем выше частота магнитного потока, тем более ин-
тенсивные электронные вихри он может возбудить во
всяком проводящем теле. Но в отдельной маленькой кру-
пинке вихревым токам не разгуляться. Крохотные элек-
тронные вихри очень слабы и потребляют мало мощно-
сти. Изоляционный слой не позволяет вихревым токам
перейти из одной крупинки в другую. Правда, при пло-
хом (изготовлении крупинки могут слипаться в комочки,
не изолированные внутри, и в таком материале потери
будут велики, так как получатся большие электронные
вихри.
В хорошо изготовленном магнитодиэлектрике потери
малы даже при пронизывании его магнитным потоком
с частотой несколько мегагерц.
Из таких материалов делают сердечники к катушкам
радиоприемников. Катушки получаются маленьких раз-
меров. Можно применять такие сердечники и для на-
стройки. Глубже вдвигая сердечник .в катушку, увеличи-
вают ее индуктивность — увеличивают длину волны, на
которую настроен контур с этой катушкой.
Но для сильноточной высокочастотной электротехни-
ки катушки с ферромагнитными сердечниками не приме-
няются. Слишком дорогую цену потерями и весом прихо-
дится платить за проведение магнитного потока.
В сильноточных установках, начиная с частоты в не-
сколько килогерц, предпочитают проводить магнитный
поток через воздух.
2-26. Гистерезис
На рис. 2-14 показана кривая изменения магнитного
потока в стали при изменении тока в охватывающей эту
сталь катушке. Эта кривая намагничивания идет точно из
начала координат. Ток равен нулю, и магнитный поток
также равен нулю. Но такую кривую от начала коорди-
нат и вверх до большого намагничения можно пройти
только куском стали, который до этого не бывал ни в ка-
ких магнитных полях, который сразу после изготовления
122
был помещен в намагничивающую катушку, не имеет
никакой магнитной «предыстории». Кривая на
рис. 2-14 — это начальная кривая, «девственная кри-
вая», как ее еще иногда называют.
При уменьшении тока, возбуждающего в стали
магнитный поток, поток этот падает по другой кривой,
Рис. 2-16. Характерные петли гистерезиса.
/ — материал с большим остаточным намагничением — высококоэрцитивный
материал; // — высокопроницаемый материал; /// — материал с постоянной
проницаемостью; Oz — начальная кривая намагничивания, Оу — остаточная
индукция, отрезок Ох характеризует задерживающую или, как ее еще на-
зывают, коэрцитивную силу магнитного материала. Чем отрезок Ох больше,
тем «тверже» магнитный материал.
нежели по которой он нарастал. Изменение потока от-
стает от изменений тока. Это отставание называется
греческим словом гистерезис.
Намагничивающий ток становится равен нулю, но
магнитный поток сохраняет еще какое-то положитель-
ное значение. Это остаточное намагничение. Чтобы
привести магнитный поток в стали к нулю, надо дать
намагничивающему току некоторое отрицательное зна-
чение, т. е. пустить ток в намагничивающей катушке
в направлении, обратном первоначальному. Усиливая
этот обратный ток, можно затем перемагнитить сталь,
довести магнитный поток до большого значения, но
уже в обратном направлении. Вновь ослабляя ток, по-
лучим снова отставание потока.
За1ви1симость магнитного потока от тока на графике
имеет вид петли — это петля гистерезиса. Форма и раз-
123
меры этой петли и отличают магнитно-мягкие мате-
риалы от магнитно-твердых.
У магнитно-мягких материалов петля гистерезиса
невелика. Магнитно-мягкий материал считается тем
лучше, чем меньше площадь,
----Закален с 850°
Рис. 2-17. Петли гистерезиса для угле-
родистой стали (с содержанием 0,9%
углерода) в закаленнохм и нормали-
зованном (мягком) состоянии.
В зависимости от режима охлаждения
сталь ведет себя, как твердый или как
мягкий магнитный материал. Резкое
охлаждение—закалка сообщает стали и ме-
ханическую, и магнитную твердость.
охваченная петлей гисте-
резиса. Назначение
магнитно-мягких мате-
риалов—проводить пе-
ременный магнитный
поток, а малая пло-
щадь петли гистерези-
са соответствует ма-
лым потерям на пере-
магничивание. У самых
лучших, самых магнит-
но-мягких материалов
не удается получить
потери на перемагни-
чивание меньше полу-
процента от запасае-
мой в магнитном пото-
ке энергии. Примене-
ние стального сердеч-
ника всегда сопряжено
с потерями. Поэтому в высокочастотных установках, где
запасы энергии в переменных потоках во много раз пре-
вышают полезную мощность, отказываются от сердеч-
ников. Посылают магнитный поток через воздух, в кото-
ром нет потерь на перемагничивание.
2-27. Намагничение
В старинные времена полосы из закаленной стали
натирали кусками ври'род'ного магнита —магнитного
железняка. Так можно получить только слабое намаг-
ничение. В настоящее время изделия из магнитно-твер-
дых сплавов намагничивают, помещая их вблизи
проводников с сильным током. Н'ет надобности долго
пропускать этот намагничивающий ток. Достаточен
один мощный толчок тока. Все элементарные магни-
тики в стальном изделии приходят в упорядоченное
положение. Намагничение остается и после прекра-
щения тока. Иногда для получения такого толчка тока
124
Магнитные линии
t Ток
импульса
Магнитный
стержень
пользуются специальной аккумуляторной батареей.
Существуют также конденсаторные намагничивающие
аппараты. Большой конденсатор заряжается до высо-
кого на1П|ряжения, а потом разряжается на первичную
обмотку трансформатора. Вторичная обмотка этого
трансформатора состоит из одного витка, на который
насаживается магнит.
При разряде конденса-
тора по вторичному
витку проходит волна
тока, которая и произ-
водит намагничивание.
Постоянные магни-
ты требуются самой
разнообразной кон-
струкции, и намагни-
чивающему проводни-
ку приходится прида-
вать для разных маг-
нитов разную форму.
В электрических счет-
чиках, например, стоят
тормозные магниты, у
которых между' полю-
сами— узкий зазор
лишь в несколько мил-
лиметров. В этом зазо-
ре вращается алюми-
ниевый диск счетчика,
в этом случае имеет вид узкой медной полосы. Для гром-
коговорителей применяются постоянные магниты в виде
толстостенного цилиндра. Их можно намагничивать
в цилиндрической же катушке или устанавливая их меж-
ду полюсами электромагнита.
Сильно намагниченный искусственный магнит очень
чувствителен ко всяким толчкам и ударам. От этого
его намагничивание слабеет. Ослабляет магнитную
силу также касание и отрыв от магнита ферромагнит-
ных деталей.
Часто производят искусственное старение постоян-
ных магнитов — вносят их в переменное магнитное
поле, трясут, нагревают (до не слишком высокой тем-
пературы, 200—300°С). Этими .приемами намагниче-
125
2-18. Магнитный стерженек по-
Рис.
мешен вблизи токонесущего провод-
ника.
По остаточному намагничению стерженька
судят о максимальном значении импульса
тока в проводнике.
Намагничивающий
ние ослабляется. Но выдержавший старение магнит
более устойчив в работе.
Явление намагничения иногда используется для из-
мерения сильных волн тока. Из хромистой стали де-
лают маленькие стерженьки и помещают их вблизи
проводника, по которому ожидается прохождение
большой волны тока. Стерженек намагничивается до
величины, определяемой амплитудой (максимальным
значением) тока. Потом стерженек помещают в маг-
нетометр, который это намагничение измеряет.
Такие стержни — ферромагнитные регистраторы —
применяются в СССР для измерения токов молний.
Стерженьки эти крепятся на опорах линий передач,
после грозы их снимают и на магнетометре устанавли-
вают, ударяла ли молния в эту опору и какой величины
был ее ток. Так регистрируются токи в сотни тысяч
ампер. Практически можно получить точность измере-
ний до 5%.
2-28. Выявление пороков
Когда в намагничиваемом стальном изделии имеют-
ся трещинки или неоднородности, то течение магнит-
ного потока в этом месте искажается. Таким путем
можно обнаружить самые мелкие дефекты. Много со-
ветских изобретателей и ученых работало над разви-
тием магнитной дефектоскопии. В настоящее время
этот метод применяется во многих отраслях народного
хозяйства СССР. Методы магнитной дефектоскопии
очень разнообразны. Приготовляют например, взвесь
очень тонкого ферромагнитного порошка (окиси желе-
за) в масле или керосине. В эту жидкость помещают
намагниченное 'стальное изделие. Если где есть тре-
щинки, то вблизи них магнитные линии искривляются,
сгущаются. Сюда налипает магнитный порошок.
А можно искать пороки в стали совсем по-иному.
Катушка с переменным током направляет в сталь
переменный поток. В приборе есть еще другие (поиско-
вые) катушки, которые ловят выходящий из стали
поток. С поисковыми катушками прямо или через уси-
литель соединен указатель. Когда поток однороден, то
указатель стоит на нуле, если же форма потока из-за
трещинок искажается, то указатель сигнализирует об
126
этом. Такой способ имеет огромную производитель-
ность.
В СССР были созданы путевые дефектоскопы, ко-
торыми можно проверять рельсы, уложенные в дороге.
На легкой тележке укрепляется рама с катушками,
которые скользят вдоль рельса. Тележка быстро ка-
Рис. 2-19. Одна из применявшихся схем
для обнаружения магнитным способом
дефектов в рельсах.
Вдоль пути катится тележка, на которой уста-
новлены два возбуждающих электромагни-
та 1. Позади возбуждающих электромагнитов
расположены индикаторные катушки 2. Они
контролируют остаточное намагничение. На-
пряжение, возникающее в индикаторных ка-
тушках, подается на усилители, а оттуда на
обмотки реле 3 и 4, которые управляют перья-
ми; эти перья делают пометки на равномерно
движущейся бумажной ленте.
Усилитель
Усилитель
тится по дороге. При (наличии дефекта поисковая ка-
тушка дает сигнал. В тележке перо на бумажной ленте
делает заметку. Одновременно автоматически приво-
дится в действие электромагнит, который открывает
клапан от резервуара с краской. В месте дефекта на
рельс наносится цветная метка. Нет надобности оста-
навливать тележку над каждым дефектом. Можно про-
ехать большой участок, потом, просмотрев бумажную
ленту с записями, установить, есть ли на участке де-
фекты, а по красочным меткам найти местоположение
этих дефектов.
2-29. Размагничивание
Портные часто пользуются намагниченными нож-
ницами. Упадет иголка или булавка, и нет надобности
светить под стол, ползать в поисках. Достаточно про-
127
бёсти ножницами по полу — и все стальное к ним
прилипло.
Хороши еще намагниченные отвертки. Ими удобнее
завинчивать мелкие железные винты. Но бывают слу-
чаи, когда намагничение вредно. Стальные детали ма-
шин намагничиваются, когда их во время обработки
(например, шлифовки) ^укрепляют на магнитных пли-
тах. Потом в работе к таким деталям липнут частицы
стали и окалины — это может увеличить износ машины,
нарушить правильность ее действия. Часто после об-
работки »в магнитных плитах стальные детали подвер-
гаются специальному размагничиванию.
Иногда приходится размагничивать часы, подверг-
нувшиеся сильному магнитному воздействию. В преж-
ние времена в карманных часах делали стальной во-
лосок. При намагничивании ход часов резко нарушал-
ся. В современных часах волосок балансира делают
обычно из немагнитного материала. Ему не грозит
опасность намагничения. Но ходовая пружина сталь-
ная. Когда она намагнитится, это может отразиться
на точности хода.
Чтобы размагнитить стальное изделие, недостаточно
дать ему однократный магнитный толчок в направ-
лении противоположном, чем то, в котором он намаг-
ничен. При таком однократном толчке в стали всегда
останется остаточное намагничение. Надо много раз
проходить взад и вперед петлю гистерезиса, все
уменьшая и уменьшая ее размах. Тогда наконец можно
попасть в нулевую точку— освободить сталь от всякого
остаточного магнетизма.
Есть такой способ размагнитить часы. Их подве-
шивают на веревочке, которую предварительно закру-
чивают. Подносят часы к сильному магниту и пускают
их вертеться. При каждом обороте часы перемагничи-
ваются. При этом медленно и плавно уносят крутя-
щиеся часы от магнита. Перемагничения все ослабе-
вают, и iB конце концов часы должны размагнититься
совсем.
Чтобы размагнитить детали после обработки на
магнитных плитах, практически применяют такой спо-
соб: пускают по катушке переменный ток и вносят
в нее размагничиваемое изделие. При вытаскивании
оно оказывается размагниченным.
128
2-30. Электроматериалы будущего
Как ни хотелось бы помечтать о новых необычай-
ных перспективах, но в области проводниковых мате-
риалов это нам, пожалуй, не удастся. Вряд ли что смо-
жет вытеснить и заменить когда-либо алюминий и
медь. Неустанно ведутся исследования в области
сверхпроводников, число их непрестанно увеличивается,
но технические применения еще редки. Существуют
идеи относительно монокристаллической меди, которая
должна иметь проводимость, во много раз более вы-
сокую, нежели обычная поликристаллическая медь, но
и здесь трудно высказать какие-либо определенные тех-
нические прогнозы.
Зато в области диэлектриков и полупроводников
надо ждать решительного прогресса. Здесь произой-
дут революционные сдвиги. В новых изоляционных
материалах — грядущее развитие электротехники.
Электротехника прошлых лет довольствовалась
для изоляции в основном природными материалами.
Ныне их все более и более вытесняют синтетические,
и в будущем значение синтетических материалов не-
измеримо возрастет. Соревнование лаборатории с при-
родой происходит в невиданных масштабах, и резуль-
тат его неизменно оказывается в пользу лаборатории.
В последние годы открывается все больше и больше
новых синтетических продуктов и разрабатываются все
более совершенные и дешевые методы их промышлен-
ного производства.
Синтетические пластические массы изготовляются
так, чтобы вскрыть и использовать свойства, часто
лишь намеченные у природных веществ. Синтетическое
волокно по прочности и влагоустойчивости превосходит
естественный шелк. Непосредственно в природе нет
синтетических смол, из которых делают прозрачную
авиационную броню.
Синтетические пластические массы состоят из мо-
лекул-гигантов— длинных нитевидных, эластичных и
циклических атомных построек. Химики все тоньше и
точнее овладевают искусством наращивать атомы
в эти длинные цепи, производить процесс полимери-
зации. Многие полимеры имеют замечательные элек-
троизоляционные свойства.
9 Г. И. Бабат.	129
Полистиролы обладают большим объемным и по-
верхностным электросопротивлением и ничтожными
потерями в быстро'перемен'ных электрических полях.
Они применяются в кабелях для дальней многократной
связи и в высококачественных конденсаторах. Еще
более интересны свойства полиэтилена — сравнительно
простой цепочки из атомов водорода и углерода.
Полиэтилен широко применяется в радиотехниче-
ской аппаратуре. И полиэтилен, и полистирол прозрач-
ны для электромагнитных волн в очень широком
диапазоне. Но эти вещества мало нагревостойки. Вы-
сокой теплоустойчивостью обладает тетрафторэтилен —
полимер, цепочка которого подобна полиэтилену, но
только <вместо атомов водорода в ней стоят атомы
фтора
НННН	FFFFF
Illi	I I U I
—С—-С—С—С—	—с—с—с—с—с
Illi	I I I I I
НННН	FFFFF
полиэтилен	тетрафторэтилен
В наши дни рождается новая органическая химия,
которая строит свое здание не на испытанной основе
углерода, а на основе наиболее распространенного
в природе элемента кремния. В настоящее время
кремний является основой многочисленных подвижных
соединений типа углеводородных. Эти кремнийоргани-
ческие соединения — силиконы, как их еще называют,
выдерживают воздействие высокого нагрева, разру-
шающего нежные углеводородные молекулы.
Пока еще кремнийорганические пластмассы дороги,
но советские химики, первыми их разработавшие,
добиваются все более и более дешевых методов их
производства.
Грандиозный прирост мощностей и выносливости
электрических устройств обещают кремнийоргани-
ческие соединения. Революция в химии вызывает рево-
люцию в электротехнике.
Электрические машины с кремнийорганической изо-
ляцией могут перегреваться почти вдвое по сравнению
с обычной современной изоляцией.
Можно будет добиваться большей концентрации
энергии в электродвигателях, трансформаторах, умень-
130
шатся габариты электрических машин и аппаратов,
повысится надежность их работы, возрастет к. п. д.
Шире разовьется резонансная электротехника. Пре-
пятствием для более широкого применения резонанс-
ных методов в современной электротехнике является
дороговизна и несовершенство запасателей электри-
ческой энергии — конденсаторов. Химия грядущего
создаст материалы с электрическими и термическими
свойствами, лучшими, чем у слюды. Эти материалы
можно будет получать в виде тонких больших листов
и рулонов. Они будут недефицитны и дешевы.
Будут получены материалы с высокими диэлек-
трическими проницаемостями и высокой электрической
прочностью, которые позволят в малых объемах на-
капливать большое количество электрической энергии.
Все глубже становится наше знание вещества. Все
новые, никогда прежде не встречавшиеся соединения
элементов создаются в лабораториях и осваиваются
промышленностью. Все точнее наше предвидение. Все
более ценные свойства мы можем сообщать матери-
алам, и нет предела в познании и обладании вещест-
вом.
9*
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО НАЧИНАЕТ РАБОТАТЬ
Б. С. Якоби (1801—1874 гг.)
Борис Семенович, Якоби первый построил практи-
чески применимый электрический двигатель. Он пред-
видел огромные возможности практического приме-
нения электромагнетизма и много сделал для того,
чтобы воплотить их в жизнь.
После окончания университета Якоби сначала ра-
ботал архитектором и преподавал строительное искус-
ство. В 1837 г. по инициативе Якоби в Петербурге при
Академии Наук была организована комиссия по иссле-
дованию применения электромагнитов к движению
машин. Здесь Якоби провел ряд выдающихся работ.
Вместе с академиком Э. X. Ленцем им были зало-
жены основы теории электрических машин. Якоби
были сделаны первые опыты применения электродви-
гателя для транспорта. На шлюпку, которая подни-
мала 14 человек, Якоби поставил свой двигатель мощ-
ностью 1 л. с. Батарея из 69 элементов с цинковыми
и угольными пластинами дала ток. И первое в мире
электрическое судно, борясь с течением, легко пошло
вверх по Неве. Якоби мечтал, что: «Нева раньше Тем-
зы или Тибра покроется судами с магнитными двига-
телями».
132
Якоби изобрел гальванопластику и организовал
в Петербурге большую мастерскую. За несколько лет
в этой мастерской было осаждено 6 749 пудов меди и
45 пудов золота.
Якоби значительно усовершенствовал электрический
телеграф. В 1842—1845 гг. он построил телеграфную
линию с подземными проводами между Петербургом
и Царским Селом. Он изобрел и применил на этой
линии аппараты новой остроумной конструкции.
Продолжительное время Якоби был членом ману-
фактурного совета Министерства финансов. В 1867 г.
он был делегатом от России в Международной ко-
миссии для выработки общих единиц мер, весов и мо-
нет. Он первый выступил за широкое внедрение
метрической системы.
Якоби много работал над электрическими изме-
рениями. Он усовершенствовал измерители тока, пред-
ложил одну из первых единиц для электрического со-
противления.
«Результаты научных исследований лишь тогда
находят практическое применение, когда, преодолев
многоразличные препятствия, они проникают в массы
и становятся общим достоянием...», — так начинается
письмо Якоби «О применении электромагнитного воз-
буждения железа для движения машин», направленное
министру просвещения и президенту Академии наук
С. С. Уварову.
Якоби дал мощный толчок развитию электротех-
ники. Он один из первых заставил электричество рабо-
тать в промышленности.
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
МЕРА И ЧИСЛО
3-1. Общие сведения
Проводка от осветительной лампочки всегда при-
ведет к счетчику. В распределительных пунктах, на
центральных электростанциях, в исследовательских ла-
бораториях, на заводах — всюду в электрические про-
вода включены измерительные приборы.
В одних приборах из окошечек глядят ряды цифр
на подвижных колесах. В других —за прозрачными
крышками качаются стрелки. У одних стрелки широкие,
как у башенных часов. Это грубые технические при-
боры. Для них достаточна точность показаний в 2
и даже 5%. Шкалы технических приборов — с жир-
ными делениями, чтобы издали сразу заметить пока-
зания. У других приборов стрелки узкие, как ножи,
поставленные на ребро. Ножевые стрелки отражаются
в зеркальных шкалах, на которых деления нанесены
тонкими паутинными линиями. Это точные лаборатор-
ные приборы. Н'ад ними склоняются исследователи,
ловя совпадение стрелки с ее зеркальным отражением,
чтобы возможно точнее произвести отсчет.
Есть приборы совсем крохотные, а указательная
стрелка у них — длиной в несколько метров. Но это
не металлическая стрелка, а луч—световой зайчик, бро-
саемый зеркальцем на шкалу прибора.
В настоящее время ни производство, ни исследо-
вания немыслимы без электрических измерений. Мил-
лионы электроизмерительных приборов служат в про-
мышленности и в быту.
3-2. От электронов к стрелке
Электромагнитные процессы связаны с движением
волн и заряженных частиц. Задача измерительного
прибора — превратить эти явления в механическое
перемещение указательного органа прибора.
Наиболее просто может быть построен измеритель-
ный прибор, который отмечает накапливание электри-
ческих зарядов. Впервые такой измеритель был по-
134
строен Ломоносовым и Рихманом 200 лет тому назад
для проведения опытов с атмосферным электричеством.
К железному пруту привязывалась тонкая льняная
нить (рис. 3-1). Когда прут
получал электрический заряд,
нить также заряжалась и от-
талкивалась от прута. По углу
отклонения этой нити и судили
о степени Электризации прута,
или, как теперь бы выразились
более точно, о количестве элек-
трических зарядов, накоплен-
ных на нем, о потенциале
прута.
Впоследствии этот прибор
совершенствовался многими
исследователями. Довольно за-
конченную форму ему придал
Вольта. Внутри стеклянной
банки на металлическом пру-
те крепились два легчайших
листочка (рис. 3-2). В самых
Железный
стррЖвнь
Льняная
нить
Ри*с. 3-1. Электрический ука-
затель Ломоносова и Рих-
мана — первый в мире элек-
троизмерительный прибор.
чувствительных приборах их
делали из сусального золота.
Когда выходящий из банки ко-
нец прута соединялся с на-
электризованным телом, листочки расходились. Этот при-
бор получил название электроскопа — «наблюдателя
электричества». Для облегчения отсчета придумали
проектировать листочки на экран с делениями и судить
о величине заряда по положению листочков на экране.
Рис. 3-2. Электроскоп Вольта с листочка-
ми из сусального золота. Концы листоч-
ков загнуты, чтобы отчетливее был виден
угол их расхождения.
135
и
отталкивания
ся за счет
Рис. 3-3. Современный электро-
статический вольтметр на рабо-
чее напряжение 50 000 в.
Неподвижным электродом является
металлическая банка В. К ней при-
тягивается подвижной электрод А,
который поворачивает указательную
стрелку. Электрод А, указательная
стрелка и шкала электрически со-
единены между собой и укреплены
на высоковольтном проходном изо-
ляторе. Высокое напряжение под-
водится к зажиму на верхушке
шкалы.
3-3. Электростатические измерительные
приборы
Такое название получили прямые потомки ломоно-
совских измерителей электричества.
И в современных измерителях отклонение получает-
притяжения заряженных тел.
При высоких напряжени-
ях силы электростатическо-
го притяжения и отталкива-
ния довольно велики, и по-
этому можно передать дви-
жение с подвижных лист-
ков на обычную стрелку.
Достоинство электроста-
тических приборов в том,
что они чрезвычайно эконо-
мичны. Они потребляют
очень небольшую мощность
для своих показаний. Но
у них есть много недостат-
ков. Сила притяжения меж-
ду двумя разнозаряженны-
ми телами пропорциональна
квадрату напряжения. При
низких напряжениях эта
сила мала, а с увеличением
напряжения быстро возра-
стает. У электростатических
приборов трудно получить
равномерную шкалу. В на-
чале шкалы у них деления
теснятся, они очень мелкие,
сжатые, а дальше деления
становятся чересчур растя-
нутыми.
Электростатические при-
боры одинаково пригодны и
для постоянного, и для пе-
ременного тока. При измене-
нии знака напряжения между их обкладками сила при-
тяжения своего знака не меняет. На переменном токе
статические приборы показывают среднее квадратич-
ное— действующее значение напряжения.
136
Рис. 3-4. Электростатической вольтметр
многокамерного типа для измерения на-
пряжений до нескольких сотен вольт.
Подвижная часть показана выдвинутой впра-
во из неподвижных секторов В.
В настоящее время статические приборы строятся
на самые различные напряжения. Чаще всего статиче-
ские приборы применяются для напряжений в несколь-
ко киловольт (рис. 3-3). Однако есть и такие статиче-
ские приборы, что отмечают доли вольта, — это электро-
метры. У них подвижная часть выполнена в виде тончай-
шей нити—платино-
вой, а иногда квар-
цевой посеребрен-
ной. За отклонением
этой нити следят в
микроскоп.
Для напряжений
в несколько сотен
вольт применяются
статические прибо-
ры, напоминающие
несколько своей
конструкцией кон-
денсаторы перемен-
ной емкости (рис.
3-4). В них имеется
набор подвижных
пластин, подвешен-
ных на тонкой нити
и входящих внутрь
неподвижных пла-
стин.
На высокие на-
пряжения в сотни
тысяч вольт стати-
ческие приборы выполняются в виде двух шаров. В од-
ном из них участок стенки, обращенный к другому шару,
делается подвижным, я от этой обкладки рычажная пе-
редача идет к указательной стрелке. Шары крепятся
на хороших изоляторах на раздвижном штативе. Меняя
расстояние между шарами, можно менять чувствитель-
ность вольтметра.
Для исследований, связанных с атомным ядром,
применяют электростатические генераторы на напря-
жение в несколько миллионов вольт. Это напряжение
получается на электроде с большим радиусом закруг-
ления.
J37
На макушку этого электрода накладывается тонкий
металлический колпачок. При отсутствии напряжения на
электроде силы тяжести и трения удерживают колпачок
на его месте. Когда же электрод заряжается, то элек-
трические силы отталкивают колпачок от электрода, при-
подымают его. Колпачок скользит по электроду и па-
дает. Ставя колпачки разного веса, можно определять,
до какого напряжения заряжается электрод.
Когда к статическому вольтметру прикладывают на-
пряжение высокой частоты, то через емкость между
обкладками вольтметра начинает идти ток. Этот ток мо-
жет разогреть тонкую нить, на которой подвешена по-
движная часть вольтметра, и даже сжечь ее. Для токов
с частотой выше 100 кгц обычные конструкции стати-
ческих вольтметров не годятся.
3-4. Измерители тока
Приборы для измерения движения зарядов были по-
строены лишь три четверти века спустя после приборов
для измерения накопления зарядов.
В 1820 г. Эрстедт открыл действие электрического
тока на магнитную стрелку (рис. 3-5 и 3-6). И соб-
ственно этим он построил и первый амперметр. Для по-
вышения чувствительности прибора стали помещать маг-
нитную стрелку внутрь катушки, состоящей из большого
числа витков проволоки. Эти приборы стали называться
мультипликаторами (умножителями) (рис. 3-7)—откло-
нение стрелки увеличивалось прямо пропорционально
числу витков. Весьма совершенные конструкции таких из-
мерителей тока строили русские академики Ленц и
Якоби.
И в настоящее время в технике применяются изме-
рительные приборы, конструкция которых очень близко
напоминает первые сооружения Эрстедта и Якоби.
Таковы, например, указатели обратных зажиганий
в ртутных выпрямителях. В анодных цепях этих прибо-
ров ток должен проходить только в одну сторону. Когда
ток проходит в обратную сторону (обратное зажига-
ние)— это авария, выключается вся установка. Чтобы
определить, в каком именно аноде это обратное зажи-
гание произошло, около цепи каждого анода помещает-
ся маленькая магнитная стрелка. Нормально она повер-
138

Рис. 3-6. Отклонение магнитной стрелки под
действием тока.
Рис. 3-5. Эрстедт демонстрирует дей-
ствие провода с током на магнитную,
стрелку.
нута й оДну определённую сторону. При обратном про-
хождении тока она перемагнитится и изменит свое поло-
жение.
Рис. 3-7. Мультипликатор — первый прибор
для измерения токов.
3-5. Рамки между полюсами
Провод с током отклоняет магнитную стрелку. Но
можно магнит закрепить, а дать возможность отклонять-
ся самому проводнику. По углу отклонения можно су-
дить о силе тока. Можно производить измерения силы
тока и вовсе без постоянного магнита: расположить ря-
дом два проводника или две катушки, пропустить по
ним измеряемые токи и по величине отталкивания или
притяжения между катушками мерить силу токов.
Множество комбинаций проводников и магнитов про-
бовали применять электрики для измерения токов. На
разные лады использовали они электромагнитные силы.
Все конструкции рассматривать не к чему, но одну надо
выделить особо.
Многолетний опыт показал, что очень хорош измери-
тельный прибор, у которого маленькая рамка из тонкой
медной проволоки помещается между полюсами силь-
ного магнита (рис. 3-8). Когда по рамке проходит ток,
она поворачивается, и чем сильнее ток, тем больше угол
140
отклонения. Эти рамочные приборы, или, как их теперь
принято называть, магнитоэлектрические при-
боры чувствительны, точны и недороги.
К рамке магнитоэлектрического прибора приделаны
хорошо закаленные и заостренные стальные оси. Они
опираются на подпятники
из искусственного рубина
или сапфира. Трение в этих
подпятниках невелико, и до-
статочно малой силы, чтобы
повернуть рамку и связан-
ную с ней стрелку. Две брон-
зовые пружинки подводят
к рамке ток. Эти же пружин-
ки создают усилие, противо-
действующее повороту рам-
ки током. Один конец пру-
жинки закреплен на рамке,
другой—на поворотном вин-
те на корпусе прибора. Этим
винтом можно регулировать
натяжение пружинки и та-
ким образом устанавливать
стрелку прибора точно на
нуль.
Сейчас, когда научились
делать маленькие постоян-
ные магниты с большой за-
пасенной энергией, магнит
помещают внутри рамки.
Прибор стал легче и ком-
пактнее.
Чаще всего эти приборы
предназначаются для визу-
ального наблюдения, т. е.,
Рис. 3-8. Магнитоэлектриче-
ский прибор для измерения по-
стоянного тока.
Между полюсами 2 подковообраз-
ного магнита 1 помещается ци-
линдрический стальной якорь 3.
В зазоре между этим якорем и по-
люсами может поворачиваться на
оси 5 измерительная рамка 4, на-
мотанная из медной проволоки.
С рамкой соединена указательная
стрелка 6. Ток к рамке подводится
от зажимов 8 через спиральные
пружины 7.
На шкале магнитоэлектрического
прибора для указания системы по-
мещается условное обозначе-
попросту говоря, ДЛЯ ТОГО,
чтобы взглянуть на их шкалу и прочесть показание. Но
их можно приспособить и для автоматической записи, и
для автоматического управления. Можно заставить при-
бор сигнализировать, когда измеряемая величина пре-
взойдет заданный предел. Стрелка способна развить
только малое усилие, а чтобы превратить его в мощный
сигнал, нужны вспомогательные приспособления. К при-
141
меру, сажают на стрелку непрозрачный флажок. При
определенном отклонении стрелки флажок прерывает
луч света и заставляет сработать фотореле. А то делают
на стрелке флажок из медной фольги. Он входит между
двумя катушками, укрепленными на кожухе прибора.
Одна катушка питается от высокочастотного генератора
и наводит высокочастотное напряжение в другой. Но
когда между катушками входит медный флажок, то он
преграждает путь быстропеременпому магнитному пото-
ку, й передача высокочастотной энергии от одной катуш-
ки к другой прекращается.
Существует еще и такой способ управлять большим
током при малой мощности подвижной системы. На
стрелке крепится железный лепесток, а на шкале прибо-
ра в требуемом месте ставится сильный магнит. Как
только лепесток подойдет на достаточно близкое расстоя-
ние к магниту, тот его подхватит, подтянет к себе и зам-
кнет контакты сигнальной цепи. Усилие для нажатия
контактов создает не рамка прибора, а этот магнит. По-
этому с таким вспомогательным магнитом даже мало-
мощный прибор может управлять довольно значитель-
ными токами.
3-6. Амперметром измеряют вольты
Чтобы измерить давление воды в водопроводе, при-
меняют манометр: упругая трубка под влиянием дав-
ления разгибается и поворачивает связанную с ней ука-
зательную стрелку. Электрической аналогией манометра
может служить электростатический прибор. Электриче-
ское напряжение, подобно давлению воды, заставляет
перемещаться подвижную систему.
И манометр, и электростатический вольтметр харак-
терны тем, что они не потребляют мощности из той цепи,
в которой производятся измерения.
Для измерения количества воды, протекающей по тру-
бе, пользуются водомерами. Это может быть вертушка,
которую крутит водяной поток. Существуют водомеры в
виде крыла, отклоняемого водой. Применяют также су-
жения в водяной трубе, манометром измеряют перепад
давлений по обе стороны сужения и по этому перепаду
(динамическому напору) судят о количестве проходящей
воды. Водомер можно сравнить с амперметром — и тот
142
^обм Г
Рис. 3-9. Схема включения
вольтметра с добавочным со-
противлением.
и другой измеряют величину потока (один — водяного,
другой — электрического). Характерно то, что эти изме-
рения связаны с потреблением энергии от измеряемой
цепи. И водомер, и амперметр тормозят тот поток, кото-
рый проходит через них. Это торможение может быть
крайне незначительным, но оно никогда не будет равно
нулю. В этом коренное отличие измерителей потока —
динамических измерителей
от измерителей давления —
статических измерителей,
которые энергии не отби-
рают.
Если бы кто-либо пред-
ложил для измерения давле-
ния в водопроводе сделать
в нем отверстие и по силе
водяной струи судить о дав-
лении, то это показалось бы
по меньшей мере странным.
Но в электрических цепях
поступают именно таким
странным образом. Делают
утечку в цепи — боковое от-
ветвление— и по силе тока
в этом ответвлении судят
о напряжении в цепи.
Для воды можно просто
построить манометр и на
очень большое, и на очень
малое давление. Для элек-
трического же напряжения
тельные приборы, которые одни только непосредственно
измеряют напряжение, удобно строить только на высокие
напряжения не меньше нескольких сотен вольт. При не-
больших напряжениях электрические силы притяжения и
отталкивания настолько малы, что построить техниче-
ский прибор со стрелкой не представляется возможным.
Для измерения таких напряжений пришлось практиче-
ски избрать другой путь. Берут измеритель тока, воз-
можно более чувствительный, и включают последова-
тельно с ним большое сопротивление R. Этот прибор
включают в цепь, в которой требуется измерить напря-
жение (рис. 3-9). О величине этого напряжения судят
143
электростатические измери-
по силе тока, который течет через измерительный при-
бор. Так как ток этот равен U/R, a R известно и посто-
янно, то шкалу прибора можно градуировать в вольтах,
и прибор называют вольтметром, хотя действие его
совсем иное, чем действие вольтметра электростатиче-
ского.
Магнитоэлектрический вольтметр потребляет мощ-
ность из той цепи, в которой производятся измерения.
Если эта цепь маломощна, то присоединение прибора мо-
жет нарушить весь ее режим. Обычным магнитоэлектри-
ческим прибором нельзя точно замерить напряжение
в цепях электронных ламп в радиоприемнике. Подключе-
ние прибора «посадит» напряжение, исказит весь режим
работы.
3-7. Шунты и добавки
Мощность, потребляемая подвижной рамкой магни-
тоэлектрического прибора, невелика. В довольно гру-
бом техническом приборе сопротивление рамки состав-
ляет примерно 5 ом. Для отклонения стрелки прибора
на полную шкалу требуется пропустить через рамку ток
изоляторы
Рис. 3-10. Добавочное сопротивление на
15 000 в для магнитоэлектрического
киловольтметру.
144
Рис. 3-11. Схема включения
амперметра с шунтом.
шьше Уюоо вг, но во всей
в 15 ма; падение напряжения на рамке при этом 75 мв,
а мощность, потребляемая прибором, — около 7юоо вт.
Но часто приходится измерять токи и напряжения, зна-
чительно отличающиеся от тех данных, на которые мо-
жет быть выполнена рамка.
Чтобы измерять более высокие напряжения, после-
довательно с измерительной рамкой включают добавоч-
ное сопротивление—«добав-
ку», как говорят для крат-
кости речи (рис. 3-10).
Если вольтметр предна-
значен для измерения напря-
жений в несколько тысяч
вольт {такие киловольтметры
стоят, например, в установ-
ках для высокочастотного на-
грева), то на этом добавоч-
ном сопротивлении падает
напряжение, в десятки тысяч
раз большее, чем на изме-
рительной рамке. На то, что-
бы отклонить рамку, затра-
чивают всего лишь десяти-
тысячную долю мощности, по-
требляемой измерительной
цепью. Сам прибор потреб-
ляет на отклонение стрелки
измерительной цепи — в добавочном сопротивлении при-
бора—потребляется больше десятка ватт.
Это очень неэкономичное расходование мощности, и
в маломощных устройствах такой вольтметр с добавоч-
ным сопротивлением нельзя применять. Например, как
уже было сказано, простым магнитоэлектрическим
вольтметром нельзя измерять напряжение в сеточных
и анодных цепях приемных радиоламп: такой вольтметр
даст неверные, сильно заниженные показания.
Когда приходится измерять большой ток, то по по-
движной рамке пускают лишь незначительную часть его.
Весь ток проходит по шунту — малоомному сопротивле-
нию, выполненному из толстых манганиновых лент, лишь
одна тысячная или десятитысячная доля от всего тока
ответвляется в рамку измерительного прибора (рис. 3-11
и 3-12). И в этом случае в шунте гибнет мощность в
J0 Г. И. Бабат.	145
тысячи раз больше той, что используется для отклоне-
ния стрелки измерительного прибора.
В установках для электролиза, где токи измеряются
тысячами и даже десятками тысяч ампер, измерительный
шунт вырастает в грандиозное сооружение, в нем теря
Рис. 3-12. Шунт на 10 000 а
для магнитоэлектрического
прибора.
К зажимам т подключается
цепь главного тока, к зажимам
п — прибор.
ются сотни ватт мощности.
Здесь приходится переходить
к другим методам измерений.
Для работы в лаборатори-
ях удобны многошкальные при-
боры. Внутри кожуха прибора
крепится несколько шунтов и
добавок. Переключателем
можно установить прибор на
ту или иную шкалу: напри-
мер, 1,5—15—150 в; 0,15—
0,5—1,5 а.
3-8. Электромагниты и грелки
Магнитоэлектрический прибор имеет высокую чувст-
вительность, так как его рамка движется в поле силь-
ного магнита. Но этот прибор неспособен измерять пере-
менный ток. Переменный ток будет толкать рамку то
в одну, то в другую сторону, и в результате она оста-
нется стоять на нуле.
Для тока 50 гц часто применяют электромаг-
нитные приборы. В них ток идет по катушке, вбли-
зи которой подвешен лепесток из мягкого железа
(рис. 3-13). В амперметре делают катушку из немно-
гих толстых витков, в вольтметре катушка наматывается
из тонкой проволоки. В обоих случаях железный лепе-
сток перемагничивается, следуя за изменениями тока
в катушке. Электромагнитные силы втягивают лепесток
в катушку как в один, гак и в другой полупериод пере-
менного тока. Втягивающая сила пропорциональна ква-
драту силы тока в катушке. Поэтому шкалы у электро-
магнитных приборов неравномерные. В начале шкалы
деления теснятся одно к другому, а в конце шкалы да-
леко раздвигаются. Эти приборы потребляют куда боль-
ше мощности, нежели магнитоэлектрические.
Вместо железного лепестка можно взять еще одну
катушку — подвижную. Такой измерительный прибор
146
вовсе без железа, с одними катушками называется
электродинамическим. В этом приборе на по-
движную катушку действует сила, пропорциональная
произведению тока в обеих катушках (рис. 3-14). Если
обе катушки ( и подвижную, и неподвижную) включить
Рис. 3-13. Электромагнитный при-
бор.
На каркасе 1 намотана катушка, по
которой проходит измеряемый ток.
Электромагнитные силы втягивают
внутрь катушки железный лепесток 2,
с которым соединена указательная
стрелка 3. Силе втягивания может про-
тиводействовать пружина 6, соединен-
ная с осью 7. Для сглаживания коле-
баний стрелки служит успокоитель
(демпфер) 4, состоящий из трубки,
в которой с малым зазором ходит пор-
шень 5. На шкале прибора для указа-
ния системы помещается условное обо-
значение:	•
Рис. 3-14. Схема конструкции
электродинамического прибора.
Ток проходит по неподвижной рам-
ке А и по подвижной а. Подвиж-
ная рамка стремится так повер-
нуться, чтобы плоскости рамок со-
впали. Этому противодействуют
спиральные пружины.
На шкале прибора помещается
условное обозначение-
последовательно, то полу-
чится вольтметр или
амперметр. Но можно
включать одну катушку
в цепь тока, а другую
в цепь напряжения. При-
бор будет показывать про-
изведение тока на напряжение, т. е. работать как ватт-
метр. Электродинамические ваттметры с успехом
применяются для измерения мощности и на постоянном
токе, и на переменном токе низкой частоты.
Но для токов высоких частот ни электромагнитные,
ни электродинамические приборы не годятся. Ток высо-
кой частоты не может преодолеть индуктивное сопротив-
ление катушки с большим числом витков. У тока высо-
кой частоты более ярко выражены его тепловые дейст-
10*
147
ёйя, а не Механические. Высокочастотный ток «греет, но
не тянет», поэтому и для измерений используют этот
нагрев. Тепловыми приборами можно измерять как по-
стоянный ток, так и
токи самых высоких
частот (рис. 3-15).
Рис. 3-15. Тепловой прибор.
Измеряемый ток проходит по тонкой про-
волоке, натянутой между точками К—К.
В зависимости от силы тока проволочка
эта больше или меньше нагревается и
удлиняется. В точке А к этой проволочке
прикреплена другая проволока АБ, оттяги-
ваемая шелковинкой ВД. Шелковинка
обернута вокруг ролика Г и натягивается
плоской пружиной Д. В зависимости от
силы тока ролик Г и связанная с ним
стрелка поворачиваются на больший или
меньший угол.
На шкале прибора помещается условное
3-9. Преобразование
для измерений
Много есть прибо-
ров, которые отзы-
ваются и на постоян-
ный, и на переменный
ток: электромагнитные,
электростатич е с к и е,
тепловые, электродина-
мические. Но приборы
эти не так чувстви-
тельны, как магнито-
электрические, и шка-
лы их не так равно-
мерны. Магнитоэлек-
трический прибор
имеет много ценных
свойств. Одна беда —
отзывается магнито-
электрический прибор
только на постоян-
ный ток. Чтобы напе-
рекор его «природе»
использовать его все
же для измерений пе-
ременного тока, спе-
циально превращают
переменные токи в постоянные — ставят различного ро-
да маломощные преобразователи.
Самые простые и дешевые — это выпрямители (вен-
тили) -из маленьких медных, покрытых закисью меди
пластинок. Но выпрямительные свойства меднозакисных
вентилей меняются с частотой тока, такие измеритель-
ные приборы не очень точны, а для весьма высоких ча-
стот они и вовсе не годятся.
148
Чтобы точно мерить токи высокой частоты, часто при-
меняют термопреобразователи рис. (3-16). К нихромовой
проволочке приваривается тончайшая термопара. По
проволочке пропускается высокочастотный ток. Прово-
лочка нагревается сама и нагревает термопару. А та
развивает постоянное напряжение, которое измеряется
магнитоэлектрическим прибором. Грубые термопары тре-
буют для нагрева не-
скольких десятых ам-
пера, а чувствитель-
ные дают отклонение
магнитоэлектрического
прибора на полную
шкалу при нескольких
миллиамперах высо-
кочастотного тока. Тон-
кую проволочку высо-
кочастотный ток греет
точно так же, как по-
стоянный ток или ток
низкой частоты. По-
этому прибор с термо-
преобразователем мож-
но градуировать на
Цепь тока высокой частоты
Рис. 3-16. Схема включения милли-
амперметра с термопреобразователем.
постоянном токе.
У приборов с тер-
мопреобразователя м и
шкала квадратичная,
так как развиваемое в проволочке тепло пропор-
ционально квадрату силы тока. Еще особенность тер-
мопреобразователей: они выдерживают лишь незначи-
тельную перегрузку. Достаточно в 2 раза превысить но-
минальное значение тока, и термопреобразователь сго-
рит.
Часто для измерений переменные токи выпрямляют
при помощи электронных ламп. О ламповых измеритель-
ных приборах будет отдельный разговор.
Но не всегда для измерений переделывают перемен-
ные токи в постоянные. Бывает и так, что постоянный
ток превращают в переменный. Это в тех случаях, когда
подлежащее контролю постоянное напряжение очень ма-
ло. Его требуется предварительно усилить, а усиливать
переменный ток легче, нежели постоянный.
149
З-lOi Клещи для измерения
силы тока
Рис. 3-17. Транс-
форматор тока в
виде клещей для
определения тока
в проводниках без
разрыва цепи.
Чтобы определить давление крови, нет надобности
вскрывать артерию. Достаточно прижать ее снаружи че-
рез кожу резиновым баллоном, и по давлению воздуха
в баллончике можно легко и безбо-
лезненно узнать кровяное давление.
Но вот количество жидкости, ко-
торое бежит по трубке, .нельзя точно
учесть, не затронув самого потока.
Сила электрического тока в проводни-
ке определяется количеством зарядов,
проходящих в каждую секунду через
поперечное сечение проводника. Но
в отличие от токов жидкости или газа
в трубе электрический ток можно из-
мерять, и не забираясь внутрь провод-
ника, не разрывая цепи проводника
для включения амперметра. Электри-
ческий ток всегда связан с явлениями
и процессами не только внутри само-
го проводника, но и вне его.
В пространстве вокруг проводника
с током всегда возникают магнитные
силы, и величина их является мерой
силы тока в проводнике.
Удобно измерять, не разрывая це-
пи, переменный ток низкой частоты
50—60 гц. Вокруг проводника с пере-
менным током пульсируют магнитные
силы. Если охватить проводник сталь-
ным сердечником, то в этом сердечнике возникнет пере-
менный магнитный поток.
Можно сделать разъемный сердечник, чтобы он раз-
двигался, как клещи, и мог бы охватывать требуемый
проводник (рис. 3-17). На раздвижном сердечнике ук-
репляется еще катушка — это вторичная обмотка. Она
замыкается на измерительный прибор. Ток через этот
прибор пропорционален переменному магнитному пото-
ку в сердечнике, а следовательно, пропорционален и то-
ку в охваченном клещами проводнике. Можно програду-
ировать измерительный прибор так, чтобы по его шкале
150
прямо прочитывать силу тока в охватываемом клещами
Рис. 3-18. Схема включе-
ния вольтметра с измери-
тельным трансформато-
ром напряжения.
проводнике.
Сердечник — клещи и измерительный прибор крепят-
ся на длинных рукоятках из изоляционного материала.
Поэтому можно безопасно изме-
рять ток в проводнике, даже если
этот проводник находится под
напряжением в несколько тысяч
вольт.
Такие измерительные клещи
удобны для контролеров, прове-
ряющих нагрузки отдельных по-
требителей. Достаточно нало-
жить клещи на ввод, чтобы уста-
. новить потребление.
Правда, такой клещевой из-
меритель не дает столь высокой
точности, какую можно получить
от неразъемного трансформатора,
но с большим сечением стали (рис. 3-18 и 3-19).
выполняемого обыч-
3-11. Разные амперы а разные вольты
Когда по проводнику идет строго постоянный ток, то
термин «один ампер» не нуждается ни в каком дальней-
шем уточнении. Этот ток выделяет в секунду 0,001 г се-
ребра из раствора, на сопротивлении в 1 ом выделяет
в секунду 0,24 кал, два длинных параллельных провод-
ника, отстоящих на 1 см друг от друга и несущих оди-
наково направленные токи, притягиваются с силой, рав-
ной 4 Г на каждый сантиметр своей дл'ины.
Если же ток переменный или пульсирующий, то не-
достаточно еще сказать, что сила его столько-то ампер.
Надо еще условиться, какие это амперы.
Химическое действие тока прямо пропорционально
его силе. Поэтому химическое действие тока, величина
которого непрестанно меняется, такое же, как и дейст-
вие строго постоянного тока, равного средней арифмети-
ческой меняющегося тока. Но, проходя по металлическо-
му проводнику, ток нагревает его пропорционально ква-
драту своей силы. Тепловое действие меняющегося тока
будет такое же, как у строго постоянного тока, равного
среднему квадратичному от тока меняющегося.
151
Для производства алюминия сначала применяли ди-
|намомашины, которые давали строго постоянный ток.
Затем их повсеместно заменили ртутными выпрямите-
лями, которые давала ток пульсирующий. Этот ток ока-
зался «теплее», чем тот, что получался от динамомашин.
При одной и той же силе, измеренной магнитоэлектриче-
Рис. 3-19. Схема включения амперметра с изме
рительным трансформаторам тока.
ским прибором, этот ток производит в электролитиче-
ской ванне больше тепла.
Также и при измерении напряжения надо точно ого-
варивать, какие именно вольты меряются. Кривая напря-
жения может иметь сложную форму. Пробой между
электродами определяется максимальным значением
этой кривой. Для его измерения можно применить иног-
да разрядник, а если требуется большая точность или
напряжение мало и разрядник неудобен, то можно при-
менить пиквольтметр.
Статический прибор меряет среднее квадратичное
значение напряжения — его действующее значение.
Самые сложные измерения приходится производить
в радиотехнике, в радиолокации.
3-12. Движение на тдрмозах
Магнитные или электрические силы толкают подвиж-
ную систему измерительного прибора, двигают указа-
тель— стрелку или зеркальце. С подвижной системой
соединены гирьки или пружины, которые оттягивают ее
152
обратно, Возвращают указатель в нулевое положение.
Но мало того, к подвижной системе крепят еще тормо-
за. Редкие измерительные приборы строятся без тор-
мозов.
Правда, не всякий тормоз годится для измерительно-
го прибора. Сильное торможение создается сухим трени-
ем. Но нельзя допустить, чтобы подвижная система тер-
лась обо что-нибудь. В измерительных приборах приме-
няются лишь такие тормоза, у которых нет трения покоя,
у которых сопротивление возникает лишь при движении.
Замрет стрелка, и сопротивление тормоза прекращается.
Но все-таки зачем эти тормоза вводят в прибор?
Указательная стрелка, которую гирька тянет к нуле-
вому положению, — это маятник. Такой же маятник, как
и в стенных часах. Указатель на пружине — это также
маятник, только иной конструкции, такой, как в ручных
или карманных часах.
Толкнет электрический ток подвижную систему изме-
рительного прибора — и, если тормозов нет, она начнет
качаться в точности как маятник. В часах долго качает-
ся маятник после одного-единственного толчка. Чем мед-
леннее затухают колебания маятника, тем точнее ход
часов. А в электроизмерительном приборе медленно за-
тухающие качания указателя затрудняют точный отсчет.
При включениц измерительного прибора, у которого нет
тормозов в подвижной системе, указатель будет двигать-
ся, сначала ускоряясь, и по инерции неизбежно проско-
чит за то отклонение, которое соответствует измеряемой
величине. Потом стрелка начнет возвращаться обратно
и снова проскочит мимо положения равновесия. И так
стрелка может колебаться долго, пока не замрет на
должном делении (рис. 3-20,/).
При каждом новом изменении измеряемой величины
указатель будет приходить в новое положение только
после многих колебаний. Колебательная система имеет
свою собственную, резонансную частоту колебаний. Если
изменения измеряемой величины совпадут случайно
с этой резонансной частотой, то подвижная 'система мо-
жет очень сильно раскачаться и отсчет показаний просто
станет невозможен.
В часах стремятся по возможности уменьшить зату-
хание маятника, сделать систему как можно более ко-
лебательной, а в приборе для измерения электрических
153
токов, напряжений, мощностей, наоборот, стремятся со-
всем лишить подвижную систему колебательных
свойств, сделать ее апериодической. Вот для того-то,
чтобы погасить колебания подвижной системы измери-
тельного прибора, и крепят к ней тормоза или, как их
еще называют, успокоители.
В хорошо успокоенном приборе стрелка сначала бы-
стро движется, затем замедляется, без качаний подходит
к нужному делению и замирает (рис. 3-20,2). Но если
прикрепить к подвижной системе слишком сильные тор-
моза, если слишком сильно успокоить прибор, то движе-
ние стрелки чрезмерно замедлится. Она будет долгое
время ползти, приближаясь к нужному отсчету
(рис. 3-20,<?). И в этом случае отсчитывать показания
также будет трудно.
Наилучшее успокоение такое, когда подвижная си-
стема измерительного прибора находится как раз на гра-
ни колебательного режима.
3-13. Вихри в воздухе и в металле
Тормбза в измерительных приборах строят на разные
лады. Но при любой конструкции тормоз выполняет од-
ну работу: поглощает энергию движения, превращает ее
в тепло.
Часто к подвижной системе электрических измери-
тельных приборов приделывают крылышки — воздушные
тормоза. Чтобы увеличить сопротивление движению,
крылышки помещают в трубки. Они ходят в трубках,
как поршни. Но ни в коем случае нельзя допускать, что-
бы эти поршни касались или даже только задевали стен-
ки трубки. Подвижная система будет заедать, показания
прибора станут неточными. Наличие большого трения
покоя недопустимо. Крылышки ходят в трубке с зазором.
При их движении в зазоре возникают воздушные вихри.
Чем сильнее вихри, тем больше сопротивление движе-
нию. В вихрях и происходит превращение энергии дви-
жения в тепло. В некоторых случаях погружают кры-
лышки в жидкость (масло, например). Масляные вихри
тормозят движение при еще меньших скоростях. Но, как
и воздушные тормоза, жидкостные действуют лишь при
движении. Остановится подвижная система — и тормо-
зящая сила исчезнет.
154

Вместо вихрей в воздухе и в жидкости можно при-
менить для торможения электронные вихри в металле.
Они тем сильнее, чем быстрее движется металл. Ви-
хревые токи превращают энергию движения в тепло, соз-
дают требуемые тормозные усилия.
В магнитоэлектрических приборах таким тормозом
часто является сам каркас, на котором намотана измери-
тельная рамка. Каркас этот может быть выполнен в ви-
де короткозамкнутого алюминиевого витка. Он пронизы-
вается тем же постоянным магнитным потоком, что и
измерительная обмотка. При движении рамки токи в ко-
роткозамкнутом витке успокаивают ее колебания.
Затухание магнитоэлектрических приборов зависит
еще от того, на какое сопротивление замкнута сама из-
мерительная обмотка. В измерительной обмотке при
движении ее в магнитном поле, помимо основного изме-
ряемого тока, наводятся еще индуктированные токи.
Если сопротивление, через которое соединена измери-
тельная обмотка с внешней цепью, велико, то эти наве-
денные токи очень малы и тормозного действия не ока-
зывают. Сильнее всего наведенные токи тормозят по-
движную систему при закорачивании измерительной об-
мотки. На некоторых типах гальванометров иногда ука-
зывается сопротивление, которое должно быть приклю-
чено к измерительной обмотке для получения лучшего
успокоения.
Часто тормоз с вихревыми токами делают в виде пло-
ского алюминиевого диска, который поворачивается вну-
три узкой щели между полюсами сильного магнита.
В диске при движении возникает плоский электронный
вихрь, который и создает тормозное усилие. Такие ди-
сковые тормоза стоят решительно во всех электросчет-
чиках. Чем быстрее крутится этот диск, тем больше тор-
мозная сила. Поэтому показания счетчика пропорцио-
нальны потребленной энергии. В большинстве счетчиков
не только тормозная, но и движущая силы обеспечива-
ются вихревыми токами, взаимодействующими с элек-
тромагнитами переменного тока. Диск — самая теплая
часть счетчика. Но вообще нагрев его очень невелик.
3-14. Измерители ударов
Бывают измерительные приборы, в .которых не толь-
ко не ставят никаких тормозов на подвижную систему,
156
но еще сколь можно уменьшают затухание ее колеба-
ний. Это необходимо для измерения толчков, ударов.
Такие приборы называются баллистическими.
В парках отдыха выставляются силомеры. Желающие
ударяют с размаху тяжелым молотом по шпеньку, кото-
рый через рычаг подбрасывает указатель вверх по шка-
ле. Этот силомер — довольно неточный баллистический
измеритель. Для определения живой силы быстролетя-
щего снаряда применяют баллистический маятник. Тя-
желый груз крепится на длинном подвесе. Ударяя об’
этот груз," снаряд превращает энергию своего движе-
ния в запас энергии поднятого маятника. По углу откло-
нения маятника и судят о запасе энергии в снаряде.
Часто применяемый электрический баллистический
прибор — это флюксметр, измеритель магнитного потока
(поток по-латыни — флюкс).
Если подвижная система гальванометра (т. е. очень
чувствительного амперметра) не успокоена и имеет до-
статочно большой момент инерции, то при кратковре-
менном воздействии на такой прибор толчка тока откло-
нение прибора будет пропорционально не силе тока,
а количеству прошедшего через прибор заряда. Балли-
стический гальванометр суммирует действие меняюще-
гося по любому закону тока за все время прохождения
тока, если только это время достаточно мало по сравне-
нию с собственным временем колебания подвижной си-
стемы баллистического гальванометра.
Чтобы измерить магнитный поток, развиваемый ка-
ким-нибудь магнитом, между полюсами этого магнита
помещают маленькую плоскую измерительную катушку,
замкнутую на баллистический гальванометр.
При выдергивании измерительной катушки из про-
странства между полюсами магнита магнитный поток,
охватываемый катушкой, изменяется от своего наиболь-
шего значения до нуля. В цепи катушки возникает ток,
сила которого зависит от быстроты изменения магнитно-
го потока, т. е. от быстроты движения катушки. Чем бы-
стрее катушка движется, тем сильнее ток в ее цепи, но
тем более короткое время длится этот ток.
Полный электрический заряд, который пройдет в це-
пи катушки при ее выдергивании из полюсов магнита,
не будет зависеть от быстроты движения катушки, а бу-
дет определяться только величиной магнитного потока,
157
который первоначально был охвачен катушкой, и омиче-
ским сопротивлением цепи катушки. Это как выливать
воду из чашки. Медленно ли ее наклонять, быстро ли,
а вылить можно ровно столько, сколько в чашке было.
Отклонения баллистического гальванометра пропор-
циональны протекшему через него заряду и, следова-
тельно, магнитному потоку, который был первоначаль-
но охвачен измерительной катушкой.
Так как размеры измерительной катушки и сопротив-
ление ее цепи известны, то шкалу баллистического галь-
ванометра можно проградуировать не в единицах заря-
да, а прямо в единицах магнитного потока — веберах
или единицах плотности потока — тесла.
Баллистическим гальванометром можно также изме-
рять емкость конденсатора. Конденсатор заряжают до
определенного напряжения, а потом разряжают через
баллистический прибор. Отклонение прибора пропорцио-
нально заряду. А заряд равен произведению емкости
конденсатора на его напряжение.
3-15. Частотомеры
Построить прибор, который бы стрелкой на шкале
указывал частоту тока, сложнее, чем вольтметр или ам-
перметр.
В цепях с частотой 50—60 гц часто применяются ре-
зонансные механические частотомеры (рис. 3-21). Набор
упругих стальных язычков размещается вдоль шкалы.
Все язычки разной толщины (или разной длины). У ос-
нования язычков укреплена катушка со стальным сер-
дечником. Катушку присоединяют к измеряемой сети.
Стальные язычки раскачиваются с частотой перемен то-
ка. Но заметный размах колебаний будет лишь у того
язычка, у которого собственная резонансная частота ко-
лебаний совпадает с частотой переменного тока. Кончик
этого язычка представится в виде размытой полосы.
Чтобы построить стрелочный частотомер, приходит-
ся применять схемы из емкостей и индуктивностей, в ко-
торых сила тока зависит от его частоты. По этой силе
тока и градуируют шкалу прибора.
Каждой частоте тока соответствует своя длина элек-
тромагнитной волны. Но низкочастотников последняя
величина обычно мало интересует. Высокочастотники же
158
одинаково пользуются понятием частота тока и длина
волны. Частотомеры для частот выше 10 кгц называют
волномерами и градуируют их не только в герцах (ки-
логерцах и мегагерцах), но и в метрах и сантиметрах.
Рис. 3-21. Механический резонансный часто-
томер. Он может быть построен для частот
от единиц до нескольких тысяч колебаний
>в секунду (звуковой диапазон).
М — электромагнит; А — стальной якорек; К —
стальной брусок; Z — резонирующие стальные
язычки; F — гибкие крепления.
Волны длиною й несколько метров можно измерять
подобно тому, как -измеряют сукно или ситец. Электро-
магнитную волну направляют в длинную линию — вол-
новод и определяют расстояние между двумя электриче-
скими или магнитными гребнями волны (рис. 3-22).
Этот способ мало удобен. Чаще применяют маленький
колебательный контур: катушку, соединенную с перемен-
ным конденсатором. С изменением емкости конденсато-
ра меняется резонансная частота контура. Когда соеди-
ненный с контуром амперметр или вольтметр даст наи-
большее отклонение — это значит, что контур настроен
в резонанс с возбуждающими его колебаниями и по шка-
ле конденсатора можно отсчитать частоту и длину вол-
ны этих колебаний.
159
Колебания с частотой больше миллиарда герц — сан-
тиметровые волны — измеряют полыми контурами. Эти
волны направляются в посеребренную (для лучшей элек-
тропроводимости) банку, одна из стенок которой сде-
Рис. 3-22. Измерение длины радиоволны при помощи двухпро-
водной линии.
Детектор
Шкала для
отсчета
длины волны
Миллиамперметр -
-указатель резонанса
колебательный
объем
Отверстие
для овода
электромагнит-
ной. волны
Поршень
для настройки
Рис. 3-23. Волномер в виде полого резонатора
для сантиметровых волн.
лана подвижной (рис. 3-23). Наибольшее электрическое
напряжение в банке получается, когда ее размер про-
порционален длине волны. Коэффициент пропорциональ-
ности можно точно определить, и тогда по положению
стенки точно отсчитывать длину волны.
3-16. Ламповые приборы
Электронная лампа отзывается на очень маленькую
мощность, подведенную к ее сетке. Поэтому с электрон-
ными лампами можно строить очень чувствительные
160
приборы — такие, которые берут минимальное количест-
во энергии из измеряемой цепи. Маленькая лампа с ко-
роткими выводами точно отзывается на напряжения,
меняющиеся с частотой в сотни миллионов герц. Лампо-
вые измерительные приборы дают точные показания
вплоть до очень высоких частот.
Но есть недостаток у ламповых приборов — к ним
требуются источники питания. Надо накаливать катод
электронной лампы. Надо подавать несколько десятков
вольт в ее анодную цепь. В самом приборе надо поме-
щать батареи питания или тянуть к прибору вспомога-
тельные провода от общей сети. Благодаря этому лам-
повый прибор получается более громоздким и дорогим,
чем простой рамочный прибор. Но ламповые приборы
все совершенствуются, и применение их становится все
шире и шире.
Ламповые вольтметры (рис. 3-24) измеряют напряже-
ния от тысячных долей вольта до тысяч и десятков ты-
сяч вольт. Это незаменимый прибор для лабораторных
исследований. Нет теперь электротехнических лаборато-
рий без ламповых вольтметров.
Но с электронными лампами могут быть построены и
более хитрые приборы. Они могут измерять такие элек-
трические величины, которые другим способом трудно
получить.
Можно, например увидеть прямо на экране осцилло-
графа кривую резонанса какой-нибудь исследуемой си-
стемы. Можно получить на экране характеристику или
даже целое семейство характеристик электронной лам-
пы. Можно измерять искажение — «клирфактор». Полу-
чить сразу процентное содержание гармоник. Есть при-
боры— «каналисты»: они позволяют проследить канал
передачи энергии и выяснить все его особенности и де-
фёкты.
Только с лампами могли быть осуществлены генера-
торы стандартных сигналов ГСС, которые позволяют по-
лучать колебания с любой частотой от десятков герц до
тысяч мегагерц с высокой точностью по частоте и фор-
ме кривой, необходимой для измерений.
Наконец, с лампами выполняются точные измерите-
ли времени. Для измерения единичных коротких отрез-
ков времени применяется зарядка конденсатора, и по
И Г. И. Бабат.	161
величине Получившегося напряжений судйт о Количестве
времени.
Есть также ламповые стандарты частоты — лампо-
вые часы, в которых вместо маятника колеблется квар-
цевый кристалл. Они дают точность, недостижимую ины-
Рис. 3-24. Упрощенная принципиальная схема лампового вольт-
метра.
Измеряемое напряжение через конденсатор подается на лампу, включен-
ную как однополупериодный выпрямитель. Выпрямленное напряжение по-
падает на сетку второй лампы и изменяет ее анодный ток. В анодную
цепь этой лампы включен миллиамперметр, шкала которого проградуи-
рована в вольтах.
ми способами. Кварцевый кристалл колеблется с очень
высокой частотой — в сотни тысяч герц. Эту частоту по-
нижают, делят ее в нескольких каскадах и в конце кон-
цов получают частоту, соответствующую ударам маятни-
ка. Кладут карманные часы на доску, микрофон точно
записывает их стук, и на ленте получается ход часов,
сравненный с эталоном.
3-/7. Самописцы
Пульсируют токи и напряжения в электрических це-
пях. Следом за их изменениями колышутся стрелки из-
мерительных приборов. Склоняясь к зеркальной шкале,
поглядывая на рядом лежащие часы, исследователь спи-
сывает в назначенное время одно показание за другим.
Вот ток возрос, упал. Но, право, как это скучно —
точка за точкой отмечать показания. Человек слишком
ценен, чтобы его долго занимать такой работой. Только
при кратковременных единичных измерениях запись по-
казаний прибора ведет человек. Если же такую запись
надо вести длительное время, то эту работу переклады-
162
вают на машину, на мертвый бесчувственный механизм.
Самопишущие измерительные приборы — регистриру-
ющие приборы-самописцы, как их сокращенно называют,
ведут запись показаний луч-
ше человека. Автоматиче-
ский прибор не пропустит
отсчета, не ошибется, он мо-
жет фиксировать изменения,
происходящие в доли се-
кунды, и вести такую запись
дни и месяцы подряд.
Но пишущие приборы
(рис. 3-25 и 3-26) значитель-
но сложнее и дороже прос-
тых показывающих прибо-
ров. А единичные измерения
приходится производить зна-
чительно чаще, нежели си-
стематическую запись. Про-
стые показывающие прибо-
ры выпускаются сотнями ты-
сяч, а самопишущие—в
значительно меньшем коли-
честве.
Запись медленно меняю-
щихся процессов — таких, в
которых показание от пока-
зания может отстоять на не-
сколько секунд или даже
минут, ведется на обычной
бумаге.
Часовой механизм или
маленький электрический
двигатель перематывает с
рулона на рулон длинную
бумажную ленту или пово-
рачивает диск с круглым бу-
мажным листком. К стрелке
измерительного прибора при-
делано перо. Оно наносит на
Ч
Рис. 3-25. Записывающая часть
регистрирующего прибора.
/ — бумажная лента; 2 — зубчатка,
приводимая в действие от часового
механизма (сам механизм на ри-
сунке не показан). Она перематы-
вает бумажную ленту с ролика 3
на ролик 4\ 5 — ось подвижной ча-
сти прибора; она поворачивается
вместе с рычагом 6, который через
шарнирное соединение 8 двигает
стрелку 7. Один конец стрелки со-
единен с роликом 9, который ходит
по направляющим плоскостям 10.
На другом конце стрелки перо //,
а также указатель 13, который хо-
дит над шкалой 12.
движущуюся бумагу чернильную линию. Иногда само
это перо является и чернильницей. Оно имеет вид кро-
хотного чайника, носик которого чертит по бумаге. В дру-
11*
163
Рис. 3-26. Регистрирующий вольтметр со
снятым кожухом.
164
гих конструкциях самопишущих приборов пером служит
тонкая трубочка, согнутая в виде буквы П. Одна ножка
этого П погружена в баночку медленно сохнущих чернил
(с глицерином), другая чертит по бумаге. Трубочка
действует как сифон.
Чтобы водить пером по бумаге, нужна мощность, во
много раз большая, чем для отклонения легкой стрелки.
Конструкция подвижной части самопишущего прибора
получается более массивной, грубой и громоздкой, чем
у простого показывающего прибора. Такой самопишущий
прибор потребляет из измеряемой цепи во много раз
большую мощность, чем простой показывающий прибор.
Часто такую мощность и неоткуда взять, измерительная
цепь слишком маломощна. Иногда ставят специальные
усилители между измеряемой цепью и пишущим при-
бором.
Найдено много способов, чтобы уменьшить мощность,
потребную для записи показаний.
Наименьшая работа требуется от измерительной си-
стемы при записи лучом света. На подвижном органе из-
мерительного прибора укрепляется зеркальце. Оно от-
брасывает луч на светочувствительную пластинку, дви-
жущуюся с определенной быстротой, или на фотопленку,
которая перематывается с рулона на рулон. Таким пу-
тем можно записывать очень слабые токи и напряжения
без предварительного усиления.
Но запись лучом света имеет и неудобства. Светочув-
ствительная пластинка или пленка должны находиться
в темной камере. Чтобы прочесть запись, ее надо пред-
варительно проявить, зафиксировать, высушить. Это мо-
жет быть хорошо в лаборатории, но мало удобно для
производства, для оперативного контроля и наблюде-
ния.
Иногда в самописцах применяется следящая система.
Стрелку с пером водит взад и вперед маленький элек-
тродвигатель. Но перо не касается бумаги. Специальный
отметчик определяет, в какой момент положение стрел-
ки с пером в точности соответствует измеряемой вели-
чине. В этот момент на стрелку опускается дужка, при-
жимает перо к бумаге, и на бумажной ленте появляется
точка.
Такие самописцы с падающей дужкой применяются
часто для одновременной записи целой дюжины пока-
165
заний. В промышленных печах необходимо замерять тем-
пературу в разных точках. В каждой такой точке поме-
щается термопара. Концы от всех термопар сходятся
к самописцу. Переключатель по очереди присоединяет
измерительный орган то к одной, то к другой термопаре.
Перо все время качается взад и вперед, и в каждый мо-
Рис. 3-27. Суточные графики изменения нагрузки большого метал-
лургического завода.
Кривая изменения нагрузки за каждые сутки наносится на плотный картон
и вырезается. Такие картонные шаблоны изготавливаются день за днем.
Поставленные один за другим, такие графики за год напоминают горный
ландшафт.
Слева — графики активной мощности, справа — графики реактивной мощности.
мент совпадения его положения с показаниями термо-
пары дужка падает и ставит точку; сначала точку в од-
ной кривой, затем в следующей, и так все кривые под-
ряд. Иногда еще добавляют такой механизм, чтобы цвет
точек для разных кривых получался разный; такую за-
пись легче читать.
Существует система записи электрической искрой.
К концу стрелки прибора приделывается маленькое ост-
рие. Оно движется над бумагой на близком расстоянии,
почти касаясь ее. Поэтому потери на трение малы. Вре-
мя от времени к острию прикладываются импульсы вы-
сокого напряжения. Электрическая искра прокалывает
бумагу. На ней остается крохотная дырочка. Так дыроч-
ка за дырочкой отмечаются показания прибора.
На центральных электростанциях самопишущие при-
боры непрерывно записывают все изменения нагрузки.
166
Утро, начало рабочего дня, пущены на полный ход
станки. Самописец фиксирует нагрузку.
Наступает обеденный перерыв. Стрелка самописца
идет вниз. Нагрузка падает. Вот снова включаются от-
дельные потребители. Вечер. Миллоны рук тянутся к вы-
ключателям, штепселям. Вспыхивают лампочки, шипит
еда на сковородках, греются чайники. Часы максимума,
часы пик.
Можно нанести график изменения дневной нагрузки
энергосистем на плотный картон и вырезать его
(рис. 3-27). Так можно вырезать графики.день за днем
в течение года и, если их все вместе составить в ящик,
то получится горный ландшафт с высокими пиками—ма-
ксимумами нагрузки, с ущельями в часы минимума. Над
всем графиком возвышается максимум максиморум —
наибольшая из всех нагрузок, нагрузка в декабрьские
вечера. Маленькие долинки, плато соответствуют часам
неизменной нагрузки. Изучение этой горной страны по-
зволяет делать важные заключения о необходимых ре-
зервах мощности, о тарифах на электроэнергию, о ме-
рах, которые необходимы, чтобы сравнять график на-
грузки. Лента самопишущего прибора многое говорит и
о работе каждого отдельного предприятия. Можно не
заходить в цехи, а взглянуть на заводской подстанции
на запись показаний амперметра или ваттметра и сра-
зу увидеть, ритмично ли, с равномерной нагрузкой ра-
ботают цехи или бывают перерывы, когда станки про-
стаивают.
По ленте видно, сразу ли с началом смены идут на
полный ход все станки. В этом случае кривая нагрузки
круто поднимается вверх. Если же кривая нагрузки идет
вверх вяло, медленно, значит и цех раскачивается ле-
ниво.
3-18. Запись колебаний
Чем быстрее меняются токи, напряжения, мощности,
тем более легкую подвижную систему должен иметь за-
писывающий прибор, чтобы без опоздания и искажения
повторять эти колебания.
В некоторых системах быстродействующей телеграф-
ной связи применяют ондулографы (онда по-латыни —
волна). Тоненькая серебряная трубочка-сифон придела-
на к очень легкому железному якорю. Якорь ондулогра-
167
фа находится между полюсами сильного электромагнита
и колеблется соответственно изменениям тока в нем.
Такой волнописец наносит на бумажную ленту изви-
листую черту, в которой может быть до 50 зигзагов
в секунду. Каждый зигзаг размером в 2—3 мм, но ника-
ких деталей на зигзаге уже не различить.
Значительно точнее воспроизводит изменения силы
тока резец, который записывает музыку или человече-
скую речь на пластинку. Несколько тысяч колебаний
в секунду совершает подвижная система звукозаписы-
вающего аппарата. Но размах колебаний этого резца
очень мал—доли миллиметра. Кривизну бороздок в зву-
ковой дорожке патефонной пластинки можно рассмот-
реть в подробностях лишь с увеличительным стеклом.
Во всех механических записывающих системах чем выше
частота колебаний, тем меньше размах колеблющейся
части при одной и той же действующей силе.
Чтобы получить крупных размеров кривую при малой
затрате мощности на запись, есть один простой способ:
вести запись лучом. Это делают в приборах, называемых
осциллографами — записывателями колебаний.
3-19. Вибраторы
Между полюсами сильного магнита натягивается тон-
чайшая бронзовая проволока или ленточка. Она имеет
вид петли из двух параллельных ветвей. Прибор с такой
петлей называют вибратором (шлейфом) (рис. 3-28),
а в последнее время, для общности, — гальванометром.
Но ничего общего со шлейфами старинных придворных
платьев в этом осциллографе не найти.
Ветви петли осциллографического гальванометра
расположены с зазором в десятые доли миллиметра
одна от другой. Посредине петли — как раз между по-
люсами магнита — приклеено зеркальце размером мень-
ше 1 мм2. На зеркальце бросают луч света от сильной
лампы или электрической дуги. Отражение падает на
вращающийся барабан (рис. 3-29).
Когда через вибратор пускают переменный или пуль-
сирующий ток, зеркальце колеблется между полюсами
магнита и крохотный световой зайчик скользит по бара-
бану. На барабане закрепляют светочувствительную бу-
магу, и луч света рисует на ней черную кривую. Но надо
168
Рис. 3-28. Вибратор для за-
писи электрических коле-
баний.
По бронзовым ленточкам В
пропускается изучаемый ток.
Отклоняясь в поле сильного по-
стоянного магнита М, ленточки
поворачивают зеркальце А.
выполнить очень много условий, чтобы эта кривая в дей-
ствительности точно соответствовала кривой изменения
тока в изучаемой цепи.
Бронзовые, туго натянутые ленточки подобны стру-
нам. Толкнешь их одним импульсом — и они долго еще
будут совершать постепенно слабеющие колебания. Надо
лишить их этих колебательных
свойств.
И магнит, и ленточки зали-
вают прозрачным, но достаточ-
но вязким парафиновым мас-
лом. Масло противодействует
движению ленточки, гасит ее
колебания.
3-20. Электронно-лучевой
осциллограф
Можно совсем сбросить зер-
кальце с проволочки, чтобы
уменьшить колеблющуюся мас-
су. Но запись теперь придется
вести не светом, а тенью —
тенью, отбрасываемой прово-
лочкой. Так именно и ведут за-
пись для звукового кино. Это
колебания с частотой до 10 тыс.
в секунду. Но еще более быст-
рые колебания не записать да-
же самой тонкой проволоч-
ке.
Мельчайшая частица вещества — электрон. Это ча-
стица с наименьшей инерцией.
Ничто не может точнее электрона следовать за быст-
рыми электрическими колебаниями. Можно собрать
электроны в тонкий луч, и под действием электрических
и магнитных сил этот луч будет отклоняться то в ту, то
в другую сторону.
Многие вещества светятся под ударами электронов.
Если направить электронный луч на экран, покрытый,
например, сернистым цинком, то на этом экране возник-
нет зеленое светящееся пятнышко. Его можно сделать
очень малым, меньше 1 мм2,
169
При отклонении электронного луча светящееся пят-
нышко будет перемещаться по экрану. При быстром
движении электронного луча глаз не успевает следить
за его отдельными перемещениями. На экране электрон-
Рис. 3-29. Схема конструкции светолучевого
осциллографа.
От лампы накаливания или дуги /.луч света через
диафрагму 2 и призму 3 попадает на вибратор 4.
Луч, отраженный от зеркала вибратора, разбивается
на две части. Одна часть луча используется для ви-
зуального наблюдения. Эта часть луча призмой 5
отклоняется на многогранное призматическое зерка-
ло 6. Зеркало отбрасывает луч света на матовое
стекло 7. На матовом стекле 7 можно наблюдать
только периодические (регулярно повторяющиеся)
процессы. Скорость вращения призматического зерка-
ла 6 подбирается равной скорости повторения изучае-
мого процесса. Тогда на экране 7 можно видеть све-
тящуюся кривую. Вторая часть светового луча, отра-
женного от вибратора 4 через линзу 8, идет на бара-
бан 9, обернутый фотографической (высокой свето-
чувствительности) бумагой.
На эту бумагу можно записывать также и непериоди-
ческий процесс. Кривые, приведенные на рис. 1-4 и
1-6, были записаны при помощи такого осциллогра-
фа. Подобные же осциллографы применяются для
записи токов сердечной мышцы. Тогда они носят
название электрокардиографов.
но-лучевой трубки видна непрерывная светящаяся кри-
вая. По этой кривой судят о колебаниях тока в изучае-
мых цепях. Можно сфотографировать светящуюся кри-
вую на экране.
17Q
Существуют различные конструкции электронно-лучё-
вых трубок. В одних внутри трубки помещаются пла-
стинки, к которым подводится напряжение, отклоняю-
Рис. 3-30. Электрокардиограммы.
Вверху нормальное сердце. Кривая
слегка подымается в точке Р. Эта точ-
ка соответствует одновременному сжа-
тию обоих предсердий. Затем кривая
опускается в точке Q, резко прыгает
вверх в точке R, снова опускается в S
и поднимается в Т. Эти напряжения
возникают при сокращениях желудоч-
ков. Средняя кривая снята у человека
с больным сердцем. Здесь каждое со-
кращение предсердий (точка Р) не
сразу сопровождается сокращением
желудочков. Третья, самая нижняя
электрокардиограмма также показы-
вает ненормальную работу сердца. Она
снята у человека, больного грудной
жабой. Изучение кривых, снятых элек-
трокардиографом, позволяет часто об-
наружить болезни сердца, о которых
не подозревает больной и которые вра-
чу другим способом не открыть.
щее электронный луч. Это осциллографы с электриче-
ской разверткой (рис. 3-31). В других луч отклоняется
магнитными силами. Вокруг трубки помещаются катуш-
Пластаны, отклоняющие
электронный, луч
Аноды
Зкран
Электронный,
луч
Источник электронов
(катод)
Пластаны, отклоняющие
электронный луч горизон-
тально
Рис. 3-31. Электронно-лучевой осциллограф.
Для ускорения электронного пучка применяется вы-
сокое напряжение. Чем больше скорость пучка, тем
ярче изображение на флуоресцирующем экране. При
напряжении 20 000 в кривая на экране видна при
ярком дневном свете.
ки, по которым проходит ток. Это магнитная развертка.
Чаще всего строятся электронно-лучевые трубки с зе-
леным свечением. Но бывают и другие типы экранов:
с синим свечением (для фотографирования) с белым.
171
Имеются даже трубки, в которых электронный луч дает
не свет, а тень. В этих трубках весь экран нормально
светится, а на том месте, куда упал поток электронов,
свечение гаснет. В этих трубках получается черная кри-
вая на светлом фоне.
Чем до более высоких напряжений разогнаны элек-
троны в луче, тем быстрее можно перемещать луч по
экрану, и он все равно будет успевать оставлять след за
собой. В СССР осциллографы с очень высокой ско-
ростью записи разработал И. С. Стекольников. У него
скорость движения луча по экрану уже может быть
сравнима со скоростью света.
3-21. Запись аварий
Аварии в энергосистемах случаются довольно редко.
Очень важно знать, как меняются токи и напряжения во
всех цепях во время аварии.
В цепь включают электронно-лучевую трубку. Элек-
тронный луч непрерывно следит за всеми изменениями
токов и напряжений и вычерчивает светящуюся кривую
на экране. Экран применяется с послесвечением (инер-
ционный экран), так что после прохождения луча еще
несколько долей секунды, несколько периодов перемен-
ного тока кривая продолжает светиться, а лишь потом
загасает. Эти несколько периодов экран электронной
трубки «помнит» процесс.
Вот молния ударила в линию передачи. Огромные
волны напряжения бегут по проводам. С грохотом про-
бился разрядник... Фиолетовая электрическая дуга за-
змеилась вокруг гирлянды изоляторов... Рабочий ток
устремился в пробитый разрядом молнии канал. Реле
регистрирует короткое замыкание...
Авария!..
Выключатель отсоединяет закороченную дуговым
разрядом фазу.
На экране электронно-лучевой трубки мечутся кри-
вые. Вот их бы и надо было все записать. Но торопиться
не к чему. Электромагнитные волны, вызвавшие аварию,
рассеялись и угасли, но их бледное отражение все еще
светится на матовом экране осциллографа. Открывается
затвор фотоаппарата. На инерционном экране трубки
видна не только кривая того, что происходит в данный
172
Момент, Но и Предыдущие процессы. Несколько периодов
до аварии, само начало аварии, ее развитие и ликви-
дация.
Запоминающий осциллограф, «осциллограф-ябедник»,
как его зовут в энергосистемах, записал именно то, что
было нужно.
Существуют разные составы для покрытия экранов
осциллографов: одни обладают совершенно ничтожной
инерций, у других послесвечение длится доли секунды,
а есть и такие, что продолжают светиться несколько де-
сятков секунд после прохождения электронного луча.
3-22. Электронная память
Вместо светящегося экрана электронный луч можно
направить на пластину изоляционного материала, спо-
собную накапливать и удерживать электрические заря-
ды. Луч прочерчивает на пластине строчку за строчкой.
Скорость луча — постоянная. Если и сила тока не будет
меняться в луче, то он будет откладывать на изоляцион-
ной пластине одинаковое количество зарядов на каждом
участке своего пути. Но можно менять силу тока в луче,
модулировать луч (подробнее о модуляции будет сказа-
но позже в гл. 6). Тогда на разных точках изоляционной
пластины будут откладываться разной величины заряды.
Силу тока можно менять в такт человеческой речи, лю-
бому другому звучанию.
Электрическим узором на изоляционной пластине
можно записать, запомнить самые различные события.
Затем их можно воспроизвести, вспомнить, повторить,
пройдя лучом вновь по пластине. Можно и стереть сде-
ланную запись. Потом нанести новую. Подобная элек-
тронная память применяется иногда в различных вычи-
слительных машинах.
3-23. Молоток в роли измерительного прибора
В свою первую производственную практику я попал
на выучку к старому монтеру, который начал работу
еще с самим Усагиным— изобретателем системы рас-
пределения электрической энергии при помощи транс-
форматоров. В 1882 г. он, тогда 17-летний парень, вместе
с Усагиным монтировал электрическое освещение па-
173
ййльбнов и территории Всероссийской промыШлеййб-
художественной выставки в Москве. Здесь впервые в ми-
ре были применены трансформаторы в осветительной
сети.
Мне было поручено подключить к сети маленький
трансформатор, предназначенный питать переносные
лампы для котельных работ. Этот трансформатор пони-
жал напряжение со 110 -на 24 в. При работе внутри
котла ПО в не допускается. Во влажном стальном ба-
рабане 110 в может нанести человеку смертельное пора-
жение. Поэтому для освещения внутри котла применя-
ется более низкое напряжение.
Я подключил первичную обмотку, трансформатора
к сети ПО в, но лампочки, соединенные с вторичной по-
нижающей обмоткой трансформатора, не загорались.
Несколько раз я отключал и вновь присоединял транс-
форматор к питающей сети. Искра между проводниками
ясно показывала, что обрыва в обметке нет. Под током
трансформатор гудел, но лампочки не загорались.
— Посмотрим, какая в нем болезнь, — сказал мой
шеф.
Юн взял молоток и поводил им в воздухе вокруг
обмоток и сердечника трансформатора.
— Все ясно, — заключил он, — вот в этой, левой ка-
тушке— короткозамкнутые витки.
По внешнему виду катушка, на которую он указы-
вал, решительно ничем не отличалась от других таких
же катушек. Н'о когда мы разобрали трансформатор и
размотали эту катушку, то обнаружилось, что внутри,
на самых нижних витках, изоляция была повреждена
и несколько витков замкнулось между собой накоротко.
Это нахождение неисправности трансформатора пока-
залось мне чудеснее подвигов проницательного сыщика.
Потом я понял физическую причину этого на первый
взгляд удивительного явления.
К здоровому трансформатору железо не притяги-
вается, а где есть короткозамкнутые витки — туда оно
липнет.
В неповрежденном трансформаторе весь магнитный
поток идет внутри железного сердечника. Через воздух
вокруг обмоток проходит лишь небольшая часть пото-
ка— поток рассеяния, поток магнитной утечки.
Когда в обмотке есть короткозамкнутые витки, то они
174
оттесняют переменный магнитный поток в стороны. Ко-
роткозамкнутый виток является экраном для перемен-
ного потока. Как струя воды растекается в стороны,
встретив на своем пути твердую преграду, так перемен-
ный электромагнитный поток рассеивается короткозамк-
нутым витком. В воздухе вокруг короткозамкнутого
витка много магнитных силовых линий, больше, чем во
всяком другом месте вокруг трансформатора. К этому
месту притягивается любое железное тело.
На силу притяжения влияет еще одно обстоятельство.
Чисто переменный магнитный поток создает пульсиру-
ющее усилие. При каждом изменении направления по-
тока, при переходе его через нуль сила притяжения ста-
новится равной нулю. Короткозамкнутые витки разби-
вают магнитный поток на части, которые не все одновре-
менно принимают нулевое значение. Усилие, создаваемое
суммой таких потоков, пульсирует уже значительно
меньше, нежели усилие одного переменного потока. При
нескольких потоках суммарное усилие ни в какой момент
времени не равно нулю.
Это свойство расщепленных потоков давать мало
пульсирующее тяговое усилие используется в электро-
магнитах переменного тока. В электромагнитах, приме-
няемых для контакторов переменного тока, поверхность
сердечника раздваивается и на одну половинку наде-
вается медное кольцо. Оно сдвигает во времени моменты
перехода магнитного потока через нуль в охваченной им
части сердечника, и поэтому такой расщепленный сер-
дечник тянет свой якорь лучше, чем нерасщепленный.
3-24. История электрических измерений
Электромагнитный телеграф был первым практиче-
ским применением электричества, и телеграфисты первые
почувствовали необходимость точно измерять электриче-
ские явления.
Как сравнить между собой две телеграфные линии?
На одном конце линии находится батарея гальваниче-
ских элементов, на другом телеграфный аппарат. Чем
длиннее линия, тем большая батарея нужна, чтобы при-
вести в действие телеграфный аппарат. Но зато чем тол-
ще проводники линии, тем меньшей батареи хватает для
работы аппарата. Телеграфная линия оказывает сопро-
тивление электрическому току, и это сопротивление за-
175
висит и от длины линии, и от толщины ее проводников.
Электрическое сопротивление — это была первая элек-
трическая величина, которую понадобилось практически
измерять.
Измерять можно, лишь сравнивая неизвестную вели-
чину с каким-то образцом — эталоном. И вот во всех
странах, где только применялся электрический телеграф,
стали готовить свои эталоны, образцы или, как говорят
теперь, единицы сопротивлений. Всюду предлагалось за
единицу брать сопротивление отрезка медной проволоки,
только в разных странах устанавливали разную длину
и разное сечение этого отрезка. Большое распростране-
ние получила единица сопротивления академика Якоби,
предложенная им в 1848 г.
Образцовое сопротивление Якоби было выполнено из
медной проволоки длиною в 25 футов (7,62 м) и диамет-
ром около 2/з мм. Точную величину диаметра измерять
трудно, и Якоби предложил поэтому узаконить вес об-
разца. Диаметр должен быть таким, чтобы весь отрезок
проволоки весил 345 гран.
Медная проволока — не очень хороший материал
для эталона. Во-первых, электрическое сопротивление
меди сильно зависит от температуры. Затем оно зависит
от чистоты меди. Различные примеси увеличивают ее
электросопротивление. Взамен медного эталона стали
предлагаться образцовые сопротивления, сделанные из
ртути. Этот металл легчо получить химически чистым.
Кроме того, при одинаковой длине и сечении сопротив-
ление ртутного проводника в 57 раз больше, нежели
сопротивление медного. Поэтому ртутный эталон может
быть меньших размеров. Разные ученые предлагали как
образцы сопротивлений ртутные столбики разной длины.
Но измерить сопротивление — это еще не все, что
требуется. Разные гальванические элементы будут про-
гонять через это сопротивление разные токи. Следова-
тельно, надо еще иметь единицу для измерения электри-
ческого напряжения. Долгое время в качестве такой
единицы брали один из наиболее распространенных эле-
ментов — медно-цинковый элемент.
Все эти единицы были произвольные — такие, как
аршин, локоть, и сравнивать измерения, проведенные
различными исследователями в разных странах, было
очень неудобно,
176
На первом метре, изготовленном 150 лет назад, был
выгравирован гордый девиз: «На все времена всем на-
родам». И последующий опыт действительно показал,
какие огромные удобства несет с собой единая система
мер.
По мере развития практической электротехники необ-
ходимость установления единообразия измерений стано-
вилась все более и более насущной.
3-25. Установление единства системы
В 1881 г. в Париже была открыта Международная
электротехническая выставка и состоялся Первый меж-
дународный конгресс электриков, на котором был об-
сужден вопрос о международных единицах измерений.
В числе делегатов от России на этом конгрессе был
А. Г. Столетов.
На этом конгрессе решено было связать электриче-
ские единицы с общей системой мер и весов, с системой
грамм-метр-секунда.
Чтобы связать электрическую систему измерений
с общей системой измерений, надо было сравнить силы
электрические и силы тяготения. Для этого были по-
строены специальные весы.
К чашке весов подвешивается одна катушка. Другая
катушка, неподвижная, крепится на ящике, в котором
стоят весы. Через катушки пропускался электрический
ток. Тогда они притягивались одна к другой. Сила при-
тяжения катушек уравновешивалась гирьками, которые
клались на другую чашку. Так производились точные
эталонные измерения токов. Но весы с чашками — это
не самый удобный инструмент для измерений. В наши
дни ведь и в торговле весы с чашками все больше вы-
тесняются весами пружинными со стрелкой.
И для электрических измерений силу тока стали
уравновешивать маленькой пружинкой — так утверди-
лась общепринятая теперь конструкция электрического
измерительного прибора.
3-26. Электрифицированная математика
Сумма сил токов в разветвлении всегда равна току
в главной цепи. На основании этого закона можно элек-
трическим путем производить операцию сложения. Токи
12 г. И. Рабат.	177
в ветвях задаются как отдельные слагаемые, а ток, ко-
торый получился в главной цепи, будет суммой всех этих
слагаемых. По этой же схеме производится и вычитание.
Задается ток в главной цепи, из него вычитаются токи
ответвлений, и в последнем из ответвлений остается ис-
комая разность.
Можно также производить операции сложения и вы-
читания не по току, а по напряжению. Вольтметр будет
отмечать сумму и разность задаваемых напряжений.
Существуют суммирующие приборы, в которых скла-
дываются не силы токов, а количества импульсов. В из-
мерительной системе есть ряд датчиков, и каждый из них
вырабатывает импульсы с частотой, пропорциональной
измеряемой величине. Чем больше эта величина, тем
больше импульсов в секунду посылает датчик. Просты-
ми приспособлениями можно получить сумму или раз-
ность приходящих от многих датчиков импульсов.
Импульсные системы очень хороши для дальнеизме-
рения. Сила тока или напряжение могут ослабеть в пути,
но число импульсов ни при каком состоянии линии свя-
зи не изменится. Во многих энергосистемах на главном
диспетчерском пункте есть прибор, который показывает
суммарную нагрузку всей системы. Это суммирующий
ваттметр, к нему сходятся импульсы от суммирующих
приборов отдельных электростанций.
3-27. Умножение и деление
Сила взаимодействия между двумя катушками про-
порциональна произведению токов в этих катушках.
Электроизмерительный прибор с двумя катушками яв-
ляется умножающим механизмом. Так сконструированы
электродинамические ваттметры. По их неподвижной ка-
тушке идет ток, потребляемый нагрузкой, а к подвижной
катушке подводится напряжение нагрузки. Отклонение
подвижной катушки пропорционально произведению то-
ка на напряжение.
Но иногда электрики производят операцию умноже-
ния по-иному. Есть приборы с квадратичной зависи-
мостью, т. е. такие, что их отклонение пропорционально
квадрату прилагаемой величины. Берут два таких прибо-
ра и подводят к одному сумму, а к другому разность
тех величин, которые требуется перемножить. От^лоне-
J78
ййе одного прибора будет квадрат суммы, а Другого —
квадрат разности. А разность этих квадратов дает вели-
чину, пропорциональную произведению исходных ве-
личин.
Квадратичную зависимость можно получить от элек-
тростатических, тепловых, ламповых, электродинамиче-
ских приборов.
Деление одной величины на другую производится
в электрических приборах, называемых логометрами.
В них устроены две рамки, которые тянут указательную
стрелку в разные стороны. Устанавливающей пружины
в этих приборах нет. Положение стрелки на шкале опре-
деляется отношением двух величин, подведенных
к рамкам, т. е. стрелка показывает частное. В этих при-
борах делается неравномерный воздушный зазор.
3-28. Дифференцирование и интегрирование
Несложно производить электрическим путем и опе-
рации высшей математики. Взять производную от какой-
либо величины — это определить, как эта величина ме-
няется в каждой данной точке. Если пропустить ток
через катушку с малым активным сопротивлением и
большой индуктивностью, то напряжение на этой катуш-
ке будет пропорционально не силе тока, а изменению
во времени силы тока. Катушка производит операцию
дифференцирования, берет производную от функции из-
менения тока. Если сила тока не меняется, то напря-
жение на катушке равно нулю, как то и следует из
определения производной; для постоянной величины она
равна нулю. А чем быстрее меняется ток, тем больше
напряжение. Если ток через катушку меняется по закону
синуса, то напряжение будет меняться, как косинус.
Можно подать полученный результат на вторую ка-
тушку и таким образом получить вторую производную.
При желании можно взять третью, четвертую и т. д.
Суммирование последовательных значений перемен-
ной величины можно производить при помощи конден-
сатора. Напряжение на конденсаторе пропорционально
влитому в него заряду. А заряд — это ток, умноженный
на время. Если к конденсатору подвести ток, изменяю-
щийся во времени, то результирующее напряжение на
конденсаторе явится суммой всех отдельных значений
12*	179
тока. Конденсатор проинтегрирует кривую изменений
силы тока. Кривая изменения напряжения на конденса-
торе— это интегральная кривая от кривой изменения
силы тока. Получившееся на конденсаторе напряжение
можно подать на следующий конденсатор и таким обра-
зом повторить операцию интегрирования.
При помощи емкостей и самоиндукций можно инте-
грировать и дифференцировать процессы, которые совер-
шаются в короткие доли секунды. Для относительно мед-
ленно совершающихся процессов применяются и дру-
гие приспособления.
Очень распространенный электроинтегрирующий при-
бор— это обычный счетчик. Скорость вращения его яко-
ря пропорциональна мощности, которая потребляется
в контролируемой счетчиком цепи. А полное число обо-
ротов, которое якорь счетчика сделает за какой-нибудь
отрезок времени, пропорционально интегралу от этой
мощности по времени за интересующее нас время. Этот
интеграл, т. е. потребленную энергию, и показывают
цифры за окошечком счетчика.
3-29. Разумные машины
Электрические измерительные приборы явились могу-
чими помощниками человеческих органов чувств. Они
позволили нам глубже проникнуть в окружающий мир,
более тонко и точно познать его сложную структуру.
Электрическими методами удобно измерять и очень
маленькие, и очень большие величины. С электронными
усилителями можно «услышать», как растет трава.
С помощью фотоэлементов и трансформаторов времени
можно «увидеть» полет снаряда в канале орудия.
Точность и быстрота измерений все возрастают.
Электрическая же измерительная техника породила
новый тип машин, помогающих не только органам
чувств, но и мыслительным процессам. Это машины, спо-
собные анализировать явления природы, сопоставлять
их, находить закономерности, управляющие этими явле-
ниями.
В лабораториях Советского Союза разрабатывают и
исследуют все новые электровычислительные машины.
С помощью этих машин решаются сложнейшие задачи
аэродинамики, баллистики, метеорологии. В несколько
180
минут такая машина выполняет работу, которую группа
вычислителей, вооруженных простыми арифмометрами,
должна была бы делать много дней.
* *
*
Чем больше работ выполняет машина, чем сложнее
эти работы, тем квалифицированнее становится человек,
тем больше простора для его высшей интеллектуальной
деятельности в условиях социалистического общества.
3-30. Самоорганизующиеся системы
По-видимому, к концу века будут полностью реализованы са-
моорганизующиеся системы, т. е. системы, .изменяющие свое пове-
дение .в .соответствии с входными сигналами, содержащими
информацию об окружающих условиях. Известны два .способа по-
строения самоорганизующихся систем: программирование вычисли-
тельных машин и моделирование живых организмов (например,
нейронных сетей — моделирование нервной системы).
В настоящее время имеется .ряд обучающихся систем. Одни
из них способны вести некоторые игры (например, игру «в шашки),
вести простую беседу и выполнять в ограниченном объеме пере-
воды с одного языка на другой.
Другие машины являются опознавательными '(для опознава-
ния буквенно-цифровых знаков и акустических характеристик
речи). Кибертрон—обучающаяся машина для опознавания образа.
В кибертроне используются обучающиеся элементы, состоящие из
устройства памяти для запоминания -сущности информации, приня-
той машиной, ассоциативного блока, в котором производится
сравнение сигналов памяти и входных сигналов, и решающего эле-
мента, который действует на основе результатов, полученных
в ассоциативном -блоке. Оператор, обучающий машину, вносит изме-
нения в память машины посредством нажатия кнопки «наказание»,
если, по его мнению, решение, выданное машиной, является непра-
вильным. При наказании машина пересматривает метод решения
задачи и вносит изменения в память без дальнейшей помощи опе-
ратора. 'Если машина 'выдает правильный ответ, она получает сиг-
нал («.поощрение», разрешающий продолжать работу. Перспективы
кибертрона охватывают .решение проблемы контроля качества,
считывания написанного от руки текста, селекции данных, анализа
информации.
Весьма вероятно, что самоорганизующиеся системы произведут
коренные -изменения в конструировании и применении вычислитель-
ных машин. -Не за горами появление ряда машин, моделирующих
элементарные «умственные способности».
РУССКИЙ СВЕТ
П. Н. Яблочков (1847—1894 гг.)—А. Н. Лодыгин (1841—1923 гг.)
Стремительное развитие промышленной электротех-
ники во второй половине прошлого века было вызвано
прежде всего электрическим освещением. Чтобы питать
электрические осветительные установки, стали строиться
центральные электростанции. Канализация электричес-
кой энергии, ее распределение — все это разрабатыва-
лось первоначально для осветительных целей.
Два способа электрического освещения конкурируют
между собой до наших дней: накаливание током твердо-
го тугоплавкого проводника и электрический разряд
через газ или пар. Оба эти способа внедрены впервые
в жизнь русскими изобретателями.
Александр Николаевич Лодыгин работал над лампой
накаливания. В 1873 г. в Петербурге на Одесской улице
Лодыгин впервые заменил в уличном фонаре масляный
светильник своей лампой. Тонкий угольный стержень
накаливался током от магнитоэлектрической машины.
Весной следующего года Лодыгин показывал свою лам-
пу морякам Галерной Гавани. Электрический свет пред-
лагалось применить для подводных работ.
Осенью 1874 г. Академия наук присудила Лодыгину
премию Ломоносова в 1 000 руб.
«...Лодыгин своим открытием решил возможно про-
стейшим способом важную задачу разделения электри-
182
ческого света и сообщил ему постоянство... Лодыгину
удалось открыть путь к такому общему применению
электрического света, которое по всей вероятности при-
ведет к совершенному перевороту в системе освещения».
Так писал в своем «донесении» о работах Лодыгина
академик Вильд.
В 1887 г. лейтенант российского императорского
флота А. Н. Хотинский был командирован в Америку.
Он вез с собой техническую новинку — стеклянную кол-
бу, внутри которой между двумя толстыми ^медными
проволоками был укреплен угольный стерженек. В Аме-
рике Хотинский показывал лампу Лодыгина многим,
в частности, ровеснику Яблочкова и Лодыгина — уже
тогда известному изобретателю Томасу Альва Эдисону.
Лодыгин не остановился на угольной лампе. В 1890 г.
он предложил вольфрамовую нить. Только в 1906 г. бы-
ло осуществлено это изобретение.
Последние годы жизни Лодыгин занимался электро-
металлургией. Им взяты пионерские патенты на индук-
ционные нагреватели для электропроводящих материа-
лов. Эти работы Лодыгина послужили основой для раз-
работанных впоследствии в Советском Союзе высоко-
частотных нагревателей для плавки металлов и для по-
верхностной закалки.
Яблочков работал сначала над другим источником
света — над электрической дугой. В 1876 г. он располо-
жил угли параллельно один другому и разделил их изо-
ляционной перегородкой. Дуговой разряд между конца-
ми углей по мере их обгорания равномерно испарял и
перегородку между ними. Без всякого регулятора яркая
дуга могла существовать несколько часов. Это была зна-
менитая свеча Яблочкова. Она быстро получила широ-
кий успех, опередив на первое время тогда еще менее
совершенную лампу накаливания.
В Петербурге свечами Яблочкова был освещен Ли-
тейный мост через Неву и площадь перед Александрий-
ским театром (ныне театр им. Пушкина).
Газеты всего мира были полны сообщений об изобре-
тении Яблочкова. Его свечами осветили ряд городов во
Франции и Англии. «Свет приходит к нам с Севера —
из России» — писали в Париже.
Дошли свечи Яблочкова и до Америки. В журнале
Американского института инженеров-электриков в 1924 г.
183
было напечатано: «Первое применение электрического
освещения магазинов относится к 26 декабря 1878 г.
в Филадельфии в магазине Ванемара... Электрический
свет в магазине Ванемара давали свечи Яблочкова. Это
был один из самых ранних типов дугового света».
Яблочков был неутомимый и продуктивный изобре-
татель. Он усовершенствовал конструкции электрических
генераторов, разрабатывал новые системы распределе-
ния и передачи энергии. Им проделаны первые опыты
по включению трансформаторов и конденсаторов в рас-
пределительные сети.
В Петербурге на Обводном канале Яблочков устро-
ил первый в России электротехнический завод. Он из-
готовлял аккумуляторы, лампы накаливания, провода и
кабели, разную аппаратуру и даже электроизмеритель-
ные приборы.
Вместе с В. Н. Чиколевым Яблочков создал первые
научно разработанные проекты электрического освеще-
ния. В отчете об опытах по освещению Охтенского кап-
сюльного завода Яблочков указывает, что электрическое
освещение предпочтительнее, так как оно «...позволяет
улучшить условия работы мастерской». Это, вероятно,
первое указание влияния освещения на условия труда.
Яблочков заложил основы техники переменного тока.
Эти работы были продолжены и развиты другим вели-
ким -русским изобретателем и ученым М. О. Доливо-
Добровольским.
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
ЗАВОД БЕЗ СКЛАДОВ ГОТОВОЙ ПРОДУКЦИИ1
4-1. О складах и запасах
Доброе вино выдерживают в подвалах -по нескольку
лет. Склады винодельческих совхозов обычно могут
вместить запас готовой продукции больше годичного.
На промышленных предприятиях стремятся ускорить
производство, ускорить движение оборотных средств. Го-
товую продукцию без задержек направляют потреби-
лям. Но на любом металлургическом или металлообра-
батывающем заводе, на текстильной фабрике, на пище-
вом предприятии имеются склады для готовой продук-
ции. Эти склады различны по величине. На одних пред-
приятиях они вмещают готовую продукцию, выработан-
ную за месяц, на других — за неделю. Во всяком случае,
продукцию, выработанную за сутки, всегда есть где раз-
местить.
Газовые заводы имеют большие резервуары — газ-
гольдеры, которые сглаживают колебания потребления
газа в течение суток. Когда потребление газа мало, из-
лишний газ накапливается в газгольдерах; в часы мак-
симального потребления газ из них расходуется.
Но современная система производства и распределе-
ния электрической энергии такова, что запас электриче-
ской энергии и в сборных шинах электростанций и под-
станций, и в линиях передачи, и во всех разветвлениях
сложных распределительных сетей меньше, чем потреб-
ление электроэнергии за Vioo секунды —за один полу-
период переменного тока. Производство электрической
энергии переменного тока с частотой 50 гц не знает
емких складов готовой продукции. Все, что производит-
ся, немедленно же потребляется.
Как же все-таки удовлетворяется внезапно возникаю-
щий спрос на электроэнергию, если в энергосистеме нет
наготове ее запасов? Сразу вспыхивает электролампа
при повороте выключателя, без промедления идет в ход
электродвигатель мощностью в тысячи киловатт, когда
1 Эта глава 'нашисана ав-тором совместно с Ю. П. Комисса-
ровым.
185
Оператор на пульте управления нажимает кнопку
«Пуск».
На всех современных электростанциях электроэнер-
гию производят генераторы переменного тока, приводи-
мые во вращение паровой или водяной турбиной. Вра-
щающаяся часть — ротор этих генераторов — это тяже-
лый электромагнит. Он несет в себе большой запас ме-
ханической энергии — энергии движения, кинетической
энергии.
В мощных турбогенераторах запас кинетической
энергии ротора достаточен, чтобы поднять на несколь-
ко километров вверх массу весом в тонну или довести
до кипения несколько десятков литров воды.
Внезапные толчки нагрузки погашаются прежде все-
го запасом энергии ротора. При включении новых по-
требителей ротор чуть притормаживается и при этом
отдает часть своего запаса кинетической энергии, кото-
рая переходит в электрическую. При сбросах нагрузки
ротор разгоняется и воспринимает избыточную энергию.
Запас его кинетической энергии возрастает.
Инерция роторов электрических генераторов смяг-
чает толчки нагрузки. К турбинам, которые вращают
генераторы, толчки нагрузки приходят сглаженными и
замедленными. Когда роторы генераторов, а следова-
тельно, и соединенные с ними роторы приводящих их во
вращение турбин притормаживаются или разгоняются,
то приходят в действие регулирующие устройства тур-
бин. При торможении ротора регулятор увеличивает по-
дачу лара в паровую турбину или воды в гидротурбину.
При разгоне ротора, наоборот, подача пара или воды
уменьшается. Регулятор стремится сохранить неизмен-
ным число оборотов турбины.
На тепловых электростанциях при увеличении или
уменьшении потребления пара турбинами изменяется
давление пара в паропроводах и на котлах. На измене-
ние давления пара немедленно отзывается регулирующее
устройство котлов. Оно соответственно увеличивает или
уменьшает подачу воды, топлива, воздуха, необходимо-
го для горения, а также изменяет тягу. Так происходит
на электростанциях, где котлы оборудованы автомати-
ческими регуляторами горения и питания. На электро-
станциях, где автоматика на котлах еще не установлена,
изменение подачи топлива, воздуха, воды и регулировка
186
Рис. 4-1. Общий вид современной теплоэлектроцентрали.
Уголь с железнодорожной ветки 14 подается в саморазгружающихся вагонах
в разгрузочный сарай 1. Оттуда по системе транспортеров 5 уголь попадает
на башню пересыпки 2. Эта башня является промежуточной станцией на пути
движения угля. Отсюда уголь может высыпаться наружу и механическими
лопатами растаскиваться по угольному складу 3. В случае необходимости
уголь со склада этими же механическими лопатами можно подать в бункера
16 и оттуда опять по системе транспортеров 5 через дробильную башню 4 —
на бункерную галерею котельной.
В главном здании 6 расположены основные цехи станции Самая высокая
часть — это котельная; слева от нее, ближе к дымовым трубам, расположено
помещение пылеприготовления; видны выходящие на крышу верхние части
циклонов пыли. Более широкая и низкая часть главного здания — это машин-
ный зал. В торце главного здания расположены служебные помещения 17.
Машинный зал соединен переходным мостиком с главным пультом управле-
ния 10, к которому непосредственно примыкает главное распределительное
устройство и открытая подстанция 11 с трансформаторной мастерской 15
С открытой подстанции уходят вдаль высоковольтные линии 12.
Небольшое круглое здание 9 перед главным корпусом — это багерная насос-
ная. В ней ниже уровня земли расположены насосы (они называются багер-
ными), которые перекачивают смесь золы и воды из каналов гидрозолоудале-
ния на золоотвалы. В здании 8, расположенном левее главного корпуса, поме-
щается химическая водоочистка. Приземистые здания 13 — это склады и ме-
ханические мастерские.
Теплоэлектроцентраль, изображенная на рисунке, построена вблизи больших
промышленных предприятий, которые она снабжает паром и горячей водой.
Реки поблизости нет, поэтому для охлаждения циркуляционной воды пост-
роены две градирни 7.
187
тяги производятся кочегарами котлов, которые неотступ-
но следят за давлением пара по манометрам, располо-
женным на пультах управления или на видных местах
на фронтовой части котлов.
Электростанция хотя и не имеет склада готовой про-
дукции— электроэнергии, но зато она имеет ряд проме-
жуточных складов — складов полуфабрикатов, складов
незавершенной продукции. Это запас энергии движения
роторов генераторов и запас тепловой энергии в паро-
проводах и котлах. Эти склады позволяют воспринимать
неожиданные изменения нагрузки.
На очень короткие толчки нагрузки реагирует
только генератор. На более длительные изменения отзы-
вается турбина. А медленнее всего'реагирует котел. Это
более емкий промежуточный склад, более инертное
звено.
Большинство современных электростанций элек-
трически соединено между собой. Они работают на об-
щую электрическую сеть, образуют единую энергоси-
стему. Изменения потребления электроэнергии отража-
ются не на одном генераторе, не на одной электростан-
ции, а на всех генераторах и станциях энергосистемы.
Современная энергосистема может работать без
запасов электрической энергии «на складах» потому,
что она питает одновременно огромное количество
потребителей. Случайные непредвиденные изменения
нагрузки очень мало вероятны. Здесь все подчинено
закону больших чисел.
4-2. О средних цифрах
Очень трудно предсказать, что произойдет на сле-
дующей неделе с вашим даже очень хорошим знако-
мым. У него может вдруг открыться голос и, оставив
скромное поприще техника-конструктора, он вступит
в хоровой ансамбль; или, возвращаясь в рассеянном
настроении домой, он станет жертвой уличного дви-
жения.
Судьба отдельного индивидуума сокрыта во мраке
неизвестности, как любили выражаться поэты старых
времен.
Но велико могущество средних чисел. Статистика
в разгар лета знает, сколько народу будет участвовать
188
в лыжных вылазках будущего года. Достоверно можно
предсказать, сколько человек забудет в трамвае свои
портфели и сколько новых граждан СССР появится на
свет в будущем году.
Трудно заранее предугадать, когда будет зажжена
та или иная лампа. Но современная энергосистема
объединяет миллионы ламп. Даже включение или от-
ключение электродвигателя мощностью в сотни кило-
ватт не может заметно изменить баланс энергосистемы.
На основании статистики можно заранее подсчитать,
какое количество электроэнергии потребуется от энерго-
системы в тот или иной час, в тот или иной день.
Увеличение или уменьшение нагрузки повторяется
с той же регулярностью, что и приливы и отливы
в океане.
4-3. Графики нагрузки
Ночью, когда останавливается городской электри-
ческий траспорт, жители гасят свет в квартирах, часть
электродвигателей на фабриках и заводах останавли-
вается— нагрузка минимальная. Наступает ночной
провал нагрузки.
К утру просыпаются жители, включают бытовые
электрические приборы, начинает работать электриче-
ский транспорт и, главное, начинают работать на пол-
ную мощность фабрики и заводы — нагрузка энергоси-
стемы резко возрастает. Наступает утренний пик —
утренний максимум нагрузки.
Днем уменьшается бытовое потребление электро-
энергии, уменьшается потребление электроэнергии на
производствах в (связи с обеденными перерывами или
окончанием смены — нагрузка энергосистемы падает.
Наступает дневной провал нагрузки.
Вечером бытовое потребление электроэнергии опять
возрастает, зажигается уличное освещение и освещение
в квартирах. Часть фабрик и заводов продолжает ра-
ботать на полную мощность. Нагрузка энергосистемы
опять резко возрастает, наступает вечерний пик, ве-
черний максимум нагрузки. В вечерние часы нагрузка
энергосистемы наибольшая за сутки.
На нагрузку энергосистемы влияет не только время
суток, но и время года и погода. В короткие осенние
и зимние дни вечерний максимум начинается раньше,
189
и от системы требуется больше электроэнергии, чем
в летнее время, так как увеличение бытового потреб-
ления электроэнергии накладывается на потребление
электроэнергии фабриками и заводами, которые еще
продолжают работать на полную мощность. В пасмур-
Рис. 4-2. График нагрузки районной электростанции.
Здесь изображен суточный график нагрузки Шатурской ГРЭС на
26 января 1927 г. Жирная ломаная линия — это заданный диспетчером
график. Тонкая волнистая линия — фактическое исполнение. Станция
является базисной — она несет основную нагрузку и не регулирует ча-
стоту тока в системе. Поэтому ей задается относительно ровный, без
больших провалов график. Пунктиром изображена нагрузка станции
в праздничный день, когда большинство заводов не работает. Диспет-
чер вынужден был дать большой провал нагрузки даже для этой элек-
тростанции.
ные дни естественное освещение уменьшено; вечерний
максимум наступает раньше, а утренний максимум за-
тягивается. Выпадет густой снег — и сразу увеличится
сопротивление движению и рельсового, и безрельсового
электротра1Н10порта. Тяговые подстанции начнут заби-
рать больше энергии.
Диспетчер энергосистемы заранее знает, как будет
меняться ход потребления энергии в течение будущих
суток, недель, месяцев. Диспетчерская служба заранее
составляет трафик нагрузки на каждые сутки. На осно-
190
fee общего графика нагрузки составляется отдельные
графики нагрузки для каждой электростанции системы.
Каждый час суток электростанция должна вырабаты-
вать электроэнергию строго по расписанию. Для ком-
пенсирования* могущих быть незначительных непредви-
денных изменений нагрузки диспетчер выделяет одну
Рис. 4-3. График нагрузки энергосистемы большого го-
рода.
Жирной линией изображена фактическая нагрузка в зимний
день, а пунктирной — в летний. Зимой нагрузка в ночной про-
вал составляет всего ’/в часть нагрузки в вечерний максимум.
Вечерний пик нагрузки — зимой в 16 ч, а летом, когда темнеет,
позднее, — в 21 ч.
регулирующую электростанцию или несколько генера-
торов, которые воопр1И1Нимают на себя эти изменения
нагрузки. При всех изменениях нагрузки скорость вра-
щения генераторов поддерживается строго постоянной.
Поэтому неизменна и частота тока во всей энергоси-
стеме.
Выработка электроэнергии по всей энергосистеме и
по отдельным электростанциям также заранее плани-
руется и обеспечивается необходимым количеством
топлива и гидроресурсами.
В социалистическом хозяйстве точно планируется и
дальнейшее развитие энергосистем, наращивание мощ-
ностей, усовершенствование оборудования.
19
4-4. Типичная электростанция
Несколько лет тому назад в журнале «Электри-
чество» проводилась дискуссия о наивыгоднейших за-
тратах цветного металла в энергосистемах Советского
Союза, о наименьших возможных потерях электро-
энергии при ее передаче от электростанций к потреби-
телям.
Рассуждения велись вокруг «средней типичной элек-
тростанции».
Есть в СССР электростанции-гиганты мощностью
в сотни тысяч киловатт. Существуют у нас еще и элек-
тростанции с более старыми, менее мощными ма-
шинами.
Если поделить суммарную мощность всех электро-
станций СССР на число их, то для довоенных лет
получались такие цифры: средняя мощность — около
70 тыс. кет. Среднее число генераторов на электростан-
ции— 3,5. Средняя мощность каждого генератора —
около 20 тыс. кет.
Правда, помимо электростанций существует в СССР
еще множество совсем маленьких электроустановок
с мощностями, часто меньшими 100 кет. Они работают
в отдельных колхозах, МТС. Существуют специальные
ветряные электростанции для полярных зимовок. Но
обо всей этой малой энергетике разговор особый.
Число электростанций в СССР непрестанно растет,
мощность отдельных станций увеличивается, аппара-
тура совершенствуется. Приведенные цифры через не-
сколько лет отстанут от жизни.
Постараемся при знакомстве с современными мето-
дами производства электроэнергии говорить только
о том, что является основным, не преходящим, и не ка-
саться того, что не характерно и что наиболее подвер-
жено изменениям и вариациям.
Существует два основных, резко отличных друг от
друга вида электростанций: один — это гидростанции,
где электроэнергия получается за счет использования
энергии водяных потоков. О гидростанциях поговорим
в конце главы. Другой вид электростанций — это тепло-
вые, паротурбинные. Для них источником энергии яв-
ляется топливо, сжигаемое в топках котлов. С тепло-
вых электростанций и начнем.
192
Посетим «среднюю» ГРЭС — Государственную рай-
онную электростанцию, пройдем по всем ее цехам, от
подъездных железнодорожных путей, по которым по-
ступает топливо, и до выводов высоковольтных линий,
уносящих выработанную электроэнергию вдаль на де-
сятки, а подчас и сотни километров.
4-5. Сырье для тепловых электростанций
Топливо, холодная вода и воздух — вот что потреб-
ляет тепловая электростанция. Зола, горячая вода,
дым и электроэнергия — то, что она производит.
Тепловые электростанции работают на различных
видах топлива.
В средней полосе Советского Союза некоторые
электростанции работают на местном топливе — торфе.
Его сжигают в топках котлов в кусковом виде на дви-
жущихся решетках или в виде торфяной крошки —
фрезерного торфа — в шахтно-мельничных топках или
топках системы инж. Шершнева.
Фрезерный торф получается путем снятия мелкой
стружки, крошки с торфяного массива зубчатыми бара-
банами-фрезами. Затем эту крошку сушат.
Сжигание фрезерного торфа в чистом виде долгое
время оставалось неразрешенной проблемой, пока у нас
в СССР инженер Шершнев не сконструировал топку,
в которой фрезерный торф сжигается во взвешенном со-
стоянии. Фрезерный торф вдувается воздухом в топку.
Несгоревшие крупные частицы падают, но опять подхва-
тываются сильной струей воздуха и, таким образом,
остаются в топочном пространстве во взвешенном со-
стоянии до полного сгорания.
В 1931 г. в СССР пущена первая в мире электро-
станция, сжигающая фрезерный торф в подобных топках.
Это Брянская районная электростанция.
Позднее для сжигания фрезерного торфа были скон-
струированы шахтно-мельничные топки. В шахтных
мельницах фрезерный торф подсушивается, дробится,
перемешивается с воздухом и уже в виде очень мелких
подсушенных частиц попадает в топку, где сгорает.
В нефтяных районах СССР есть электростанции, ра-
ботающие на жидком топливе — мазуте (отходы пере-
гонки нефти). С открытием месторождений природного
13 Г. И. Бабат.	193
газа часть электростанций стала применять его в топ-
ках своих котлов.
Но ни один из этих видов топлива не является таким
распространенным, как уголь. Большинство тепловых
электростанций СССР потребляет в качестве топлива
различные сорта углей.
Современные электростанции очень неприхотливы
к качеству угля. Они могут использовать многозольные
и влажные угли, которые непригодны к сжиганию в топ-
ках пароходов и паровозов, в доменных и мартеновских
печах.
Раньше на электростанциях уголь сжигался в топках
паровых котлов на решетках — таких же, как в печах
для кускового торфа и для дров. Практика показала, что
значительно выгоднее сжигать уголь в виде мелкого
порошка — угольной пыли. Для ее получения уголь раз-
малывается в мельницах. В этих же мельницах он и
подсушивается. Большинство современных тепловых
электростанций работает на угольной пыли.
Для тепловой электростанции требуется очень боль-
шое количество воды. Надо питать паровые котлы. Но
больше всего воды идет для охлаждения отработанного
пара, для конденсирования его.
Современные крупные тепловые электростанции
строятся большей частью на берегу реки, озера или
специально созданного пруда. Но не всегда в том месте,
где строится электростанция, есть достаточное количе-
ство воды. В этом случае довольствуются маленьким
водохранилищем, где воду искусственно охлаждают при
помощи брызгальных бассейнов или градирен.
К брызгальным бассейнам теплая вода подходит под
напором. Система труб распределяет эту воду между
множеством сопел. Вода выходит из них небольшими
фонтанами, распыляется на мелкие брызги, охлаждается
окружающим воздухом и, уже охлажденная, падает
в бассейн.
Градирни представляют собой высокие, полые внутри
башни. В нижней их части по окружности расположены
решетки. Теплая вода льется на решетки мелким дож-
дем. Воздух проходит сквозь этот искусственный дождь,
нагревается за счет тепла воды и вместе с парами воды
попадает в центральную часть градирни. Эта гигант-
ская труба создает тягу. Теплый воздух поднимается
194
вверх и выбрасывается наружу. Над градирнями всегда
стоят огромные облака пара.
Теплоэлектроцентралями — сокращенно ТЭЦ — назы-
ваются электростанции, которые, кроме электроэнергии,
Рис. 4-4. Распределение потерь и полезной энергии на паро-
турбинной электростанции.
Цифрами от 1 до 6 показаны потери: 1 — потери в котле (ушло в окру-
жающий воздух и на нагревание котельной); 2 — потери с уходящими
газами; 3 — потери в паропроводах; 4 — потери в турбине и на нагре-
вание машинного зала; 5 — потери в генераторе; 6 — потери с охлаж-
дающей водой.
На конденсационной электростанции внутренние потери и потери с ох-
лаждающей водой составляют 60—65%. На теплоэлектроцентрали часть
тепла, содержащегося в отборном и отработанном паре турбин, исполь-
зуется в промышленных предприятиях 7 и для бытовых нужд 8. Сум-
марные потери составляют 35—40%.
отдают потребителям еще и тепло в виде пара для тех-
нологических нужд фабрик и заводов и в виде горячей
воды, идущей на отопление жилищ и бытовые нужды
населения.
Теплоэлектроцентрали значительно экономичнее про-
стых или, как их называют, конденсационных электро-
станций. На последних больше половины тепла, получив-
13*	195
Рис. 4-5. Схема технологиче-
'ского процесса тепловой
электростанции (топливопо-
дача и котельная).
Поданный в саморазгружающих-
ся вагонах в бункера разгрузоч-
ного сарая 1 кусковой уголь по
системе транспортеров 2 попада-
ет в бункера 3 дробильной башни
и через магнитный сепаратор 4
и колосниковый грохот 5—в дро-
билку 6, где дробится до ку-
сков размером 10—13 мм. После
дробилки мелкий уголь по
транспортеру 2 подается на
транспортеры бункерной гале-
реи 7 и по ним — в бункера сы-
рого угля котлов 8. Из бунке-
ров сырого угля посредством
ленточного питателя 9, скомби-
нированного с ленточными ве-
сами, уголь попадает в шаро-
вую мельницу 10, где размалы-
вается и подсушивается топоч-
ными газами, подведенными
к мельнице по газопроводу 11.
Смесь угольной пыли и газов
отсасывается из мельницы мель-
ничным вентилятором (эксгау-
стером) 12, проходит через мель-
ничный сепаратор 13, где круп-
ные частицы пыли отделяются
я возвращаются по пылепрово-
ду 14 обратно в мельницу. Мел-
кая пыль с газами попадает в
пылевой циклон 15, где пыль
отделяемся от газов и ссыпает-
ся в бункер пыли 16. Из цик-
лона пыля 15 газы отсасывают-
ся по газопроводу 17 и через
горелку 19 вдуваются в топку
котла 20. В этот же поток газов

шегося при сжигании топлива, уно-
сится с охлаждающей водой. На
теплоэлектроцентралях эти потери
значительно меньше, так как часть
отработанного в турбинах пара идет
непосредственно к потребителям и
на подогрев воды для отопления и
горячего водоснабжения окружаю-
щего района.
Итак, наиболее распространен-
ной у нас в СССР является тепло-
вая электростанция, работающая на
угле, сжигаемом в топках паровых
котлов в пылевидном состоянии.
Такую именно электростанцию и
посетим.
4-6. Топливоподача
Для того чтобы выработать
1 квтч электроэнергии на современ-
ной электростанции, затрачивается
всего несколько сот граммов угля,
но даже «средняя» электростанция
потребляет в сутки несколько тысяч
тонн угля.
Вот распахнулись ворота элек-
тростанции, и, лязгая буферами,
медленно входит очередной состав
тяжелых четырехосных саморазгру-
жающихся гондол. Каждая спо-
собна вместить до 60 т угля.
Состав подается на вагонные
весы, где каждая гондола взвеши-
вается. Взвешивание топлива необ-
ходимо для ведения точного учета
технико-экономических показателей
работы электростанции и денежных
расчетов с железной дорогой и шах-
тами-поставщиками.
После взвещивания часть ваго-
нов идет на угольный склад, где
разгружается для создания запасов
197
CD
oo
Z2
Рис. 4-6. Схема технологического процесса (продолжение рис. 4-5) тепловой электростанции (машинный зал и
электрическая часть).
Перегретый пар от котлов по паропроводу 1 поступает в паровую турбину 2, где тепловая энергия пара переходит в ме-
ханическую. Ротор турбины вращает соединенный с ним ротор генератора 3. Отработавший в турбине пар поступает в кон-
денсатор 4, где сжижается — конденсируется, отдавая свое тепло циркуляционной воде.
Превратившийся в воду пар-кондёнсат откачивается конденсатным насосом 6 и направляется в аккумуляторные баки 7 и
деаэратор 8, в котором из нагретой воды удаляется кислород. В деаэратор, кроме конденсата, направляется добавка воды
по трубопроводу 12 из химической водоочистки для возмещения потерь конденсата, сюда же перекачивающим насосом 9 по-
дается дренаж из сборных дренажных баков 10.
В зависимости от потребления воды котельной конденсат или накапливается в аккумуляторном баке, или расходуется из него
в деаэратор. Освобождение воды от растворенного в ней кислорода происходит при прохождении головки деаэратора 11.
Из деаэратора воду забирает питательный насос 13 и под напором гонит ее через подогреватель 14, где вода подогревается
отборным паром турбины и по напорному трубопроводу питательной воды 15 идет в котельную к кохлам, Отборный пар из
турбины, кроме подогревателя, подается также и в деаэраторную головку.
Мощным циркуляционным насосом 16 прокачивается через латунные трубы 5 конденсатора холодная вода (циркуляционная
вода). Отработанный пар турбины омывает эти трубы, отдает циркуляционной воде свое тепло и конденсируется. Теплая цир-
куляционная вода по трубопроводу 17 поступает в розетку 18 градирни, стекает оттуда по решетке 19 в виде мелкого дождя
и, встречаясь с потоком воздуха, идущего в башню 20 градирни, охлаждается и из приемного бассейна 21, уже охлажденная,
возвращается к всасу циркуляционного насоса 16.
От статора генератора выработанная электроэнергия кабелем 22 через генераторные разъединители 23 и масляный выключа-
тель 24 отводится на сборные шины распределительного устройства. От сборных шин часть электроэнергии через понижаю-
щие трансформаторы собственных нужд идет на питание электродвигателей собственного расхода и на освещение станции.
Основная часть электроэнергии через повысительные трансформаторы 26 и масляные выключатели 27 идет по высоковольт-
ной линии 28 в общую высоковольтную сеть энергосистемы.
n
Sa
п
я
Sa
Сэ
X
(Т>
о
о\
X
о
5
со
CD
я
(Т>
(Т>
X
Сэ
о\
о
Sa
обеим сторонам железнодорожного пути. Это бункеры
разгрузки. Мощные электрические лампы под потолком
кажутся тусклыми от поднимающихся вверх клубов пы-
ли. Уголь подали сухой, потому так много пыли. Но бы-
вает и по-иному. В осеннее и зимнее время, когда идут
сильные дожди и снегопады, влажность угля чрезвы-
чайно увеличивается. Уголь смерзается, и его приходит-
ся выбивать из гондол.
Из бункеров разгрузки уголь по системе ленточных
транспортеров, сначала подземных, а затем поднимаю-
щихся по наклонным галереям вверх, попадает в дро-
бильную башню. Здесь молотковые дробилки мельчат
его на куски величиной в 10—13 мм. Отсюда уголь идет
в бункера сырого угля паровых котлов. На этом закан-
чивается хозяйство цеха топливоподачи.
Что происходит с углем дальше, как он превращается
в мелкую, сухую, как пудра, пыль, — расскажем позднее,
после общего осмотра котельной.
4-7 < Фабрика пара
Когда стоишь внизу в котельной, в проходе между
котлами, то кажется, будто находишься на узкой ули-
це между высокими домами. Только дома необычного
вида, обшиты стальными листами, окрашенными в чер-
ный цвет, и опоясаны легкими решетчатыми стальными
мостками и лестницами. Современные котлы достигают
высоты пятиэтажного дома.
Со всех сторон котла — гладкая металлическая об-
шивка. Только на самом верху виднеется серебряный ку-
пол, как будто внутрь котла вмурован дирижабль. Это—
барабан котла. Купол стального барабана покрыт слоем
теплоизоляции и покрашен алюминиевой бронзой. В ку-
поле есть люк, чтобы можно было залезать внутрь ба-
рабана при монтаже и ремонте.
В нескольких местах на обшивке котла устроены не-
большие дверцы-гляделки. Откроем одну из них. Лицо
сразу обдает жаром, нестерпимо яркий свет ударяет
в глаза. Гляделки выходят в топку котла, где происхо-
дит сгорание топлива. Напротив одной из открытых го-
релок укреплена черная трубка со стеклянной линзой на
конце, вроде половинки бинокля. Это оптический пиро-
метр, измеряющий температуру в топке. Внутри трубки
200
пирометра помещена чувствительная термопара. Прово-
да от нее идут к гальванометру, укрепленному на кон-
трольном тепловом щите котла. Шкала гальванометра
градуирована в градусах.
Температура внутри топки котла больше полутора
тысяч градусов, а обшивка его стенок только теплая.
Пламя в топке со всех сторон окружено рядом труб,
наполненных водой и соединенных с барабаном котла.
Эти трубы—водяной экран, как их называют, — воспри-
нимают лучистую энергию раскаленных газов топки. За
трубами экрана идет кладка из огнеупорного кирпича.
За слоем огнеупорного кирпича выложен слой изоляци-
онного диатомитового кирпича с очень малой теплопро-
водностью. А за этим кирпичом непосредственно под
стальными щитами обшивки /проложен еще слой стек-
лянной ваты или асбеста. Трубы, выходящие из котла,
покрыты толстым слоем тепловой изоляции. Все эти
меры значительно уменьшают потери тепла в окружаю-
щую среду.
4-8. Внутри топки
Рядом котел остановлен на ремонт. Через проем
в его стене можно пройти внутрь топки на временный
дощатый помост, сделанный на время ремонта. Как все
серо внутри!
Все четыре стены топки покрыты трубами водяного
экрана. Трубы одеты -слоем рыхлой золы и шлака. В не-
которых местах на боковых стенках топки трубы разве-
дены и видны зияющие черные отверстия — горелки, че-
рез которые угольная пыль вдувается в топку.
Внизу стены топки сужаются в виде опрокинутой пи-
рамиды, переходящей в узкую шахту. Это шлаковый
бункер и шлаковая шахта. Сюда падает образующийся
при горении угольной пыли шлак. Из шлаковых шахт
шлак и зола смываются сильной струей воды в каналы
гидрозолоудаления или ссыпаются в вагонетки и выво-
зятся на золоотвалы.
Когда стоишь внизу топки, то плохое освещение
вначале скрадывает высоту топочного пространства. Но
эта высота становится ощутимой, если окинуть взглядом
одну из труб водяного экрана от самого низа до верха.
Внизу на уровне помоста трубы кажутся толщиной
3 руку, и промежутки между ними ясно различимы.
201
Вверху трубы изгибаются, образуя плоский свод. И там
вверху эти трубы кажутся соломинками, уложенными
в ровные ряды. Надо закинуть голову, чтобы осмотреть
свод топки. Невольно рот открывается, и в него сыплет-
ся сверху зола.
При работе котла все его водяные трубы непрерывно
покрываются слоем нагара, слоем золы и сажи. Это
ухудшает теплопередачу от раскаленных газов к воде
в трубах. Во время ремонта котла все его водяные
трубы тщательно очищаются.
Конструкторы паровых котлов подбирают скорость
раскаленных газов, летящих сквозь пучки труб, доста-
точно высокой, чтобы уменьшить осаждение на них твер-
дых частиц. Не то образовались бы наросты, подобные
сталактитам и сталагмитам в пещерах.
Кроме того, во время работы котла полагается время
от времени обдувать его трубы сильной струей сжатого
воздуха или пара.
Объем топки котла более тысячи кубических метров.
Страшно подумать, что творится в этом огромном
пространстве во время работы котла, когда оно все
заполнено бушующим пламенем и вихрями раскаленных
газов.
4-9. Прошлое котлост роения
Паровые котлы строятся уже более двухсот лет. Сна-
чала это были просто чугунные, железные или медные
сундуки, ставившиеся на очаг. Но угловатый сосуд плохо
выдерживает давление, и котлы начали делать в виде
барабана с закругленными днищами, с расположенной
сверху трубой для отвода пара. Такой вид имел котел
знаменитой машины Ползунова. Много десятилетий
строились котлы, состоявшие из одного только бараба-
на. Эти котлы имели малую производительность и низ-
кий к. п. д. Чтобы улучшить работу котлов, конструкции
их стали усложнять. Внутри барабана стали пропускать
трубы или пучки трубок, по которым проходили раска-
ленные дымовые газы из топки. Подобные котлы получи-
ли название «жаротрубных» и «дымогарных». Такой
котел еще в 1830 г. применили Черепановы на своем па-
ровозе. Идея оказалась настолько удачной, что и теперь
на современных паровозах, во много раз более мощных
202
и экономичных, чем черепановский, применяются дымо-
гарные конструкции котлов.
Одновременно с жаротрубными котлами появился и
другой тип котлов — водотрубный. Барабан котла снаб-
дили трубками, по которым внутри циркулировала вода,
а снаружи они омывались раскаленными газами.
В таких котлах тепло топлива использовалось лучше,
чем в котлах, состоящих из одного только барабана.
Благодаря большой поверхности соприкосновения водя-
ных труб с горячими газами температура газов на вы-
ходе котла получалась низкой; меньше тепла бесполезно
выбрасывалось наружу. В дальнейшем водяными тру-
бами стали покрывать и стенки топки. Эти трубы уже
воспринимали лучистую энергию самого факела горения
топлива и предохраняли обмуровку топки от непосред-
ственного воздействия высокой температуры.
Трубы, омывающиеся горячими газами, принято на-
зывать кипятильными трубами или конвективной поверх-
ностью нагрева котла. Трубы, воспринимающие лучистую
энергию—радиацию пламени, называют экранными тру-
бами или радиационной поверхностью нагрева.
Первые паровые электростанции, появившиеся в кон-
це прошлого века, были оборудованы именно водотруб-
ными котлами. В России получили распространение кот-
лы системы Шухова1 с поверхностью нагрева около
200 м2- и давлением пара в 6 ат.
Со времени котлов Шухова советское котлостроение
далеко шагнуло вперед. Мощность отдельных котлов и
давление пара в них значительно увеличились.
Совершенствовались и топки котлов. Сначала уголь
сжигали на решетке из чугунных брусьев — на непо-
движных колосниках. Потом появились механические ре-
шетки. Уголь стали подавать на решетку большими чер-
вячными винтами — вроде винтов от огромных мясору-
бок. А саму решетку для сжигания угля стали делать
подвижной, как гусеницу от трактора или танка, но
1 Инженер В. Г. Шухов, вс последствии почетный академик, был
высокоодаренный и разносторонний конструктор. Котлы — только
один .из небольших участков его деятельности. Им -созданы форсун-
ки для жидкого топлива, первые нефтеперегонные аппараты, мно-
жество оригинальных конструкций перекрытий и башен. Из послед-
них больше всего известна знаменитая радиомачта в Москве на
Шаболовке, используемая теперь для телецентра.
203
только размером побольше. Строились гусеницы-решет-
ки, на которых уместился бы самый крупный танк. Позд-
нее стали развиваться пылеугольные топки.
По мере увеличения мощности котлов барабаны их
все уменьшались, а трубная система увеличивалась.
В большинстве современных котлов барабаны уже не
омываются горячими газами. Строят теперь котлы и со-
всем без барабанов — прямоточные котлы.
Прямоточный котел состоит из одного длинного пучка
труб, вьющихся в виде сплошной ленты вокруг топки.
С одного конца в эти трубы мощным насосом нагне-
тается вода. По мере своего движения по трубам она
сначала подогревается, затем превращается в насыщен-
ный пар и, наконец, в перегретый пар, идущий из выход-
ного коллектора котла прямо к турбинам. Огромный
змеевик прямоточного котла сваривают электрической и
газовой сваркой из отдельных кусков труб. Затем
сквозь сваренные трубы сжатым воздухом прогоняют
стальной цилиндр с остро отточенным краем. Он срубает
внутри все наплывы («грат»), получившиеся при сварке.
После этого змеевики готовы к работе.
Первоначально слово «котел» означало вместилище
для жидкости, котел был синонимом слова «горшок».
Современные котлоагрегаты имеют мало общего с гор-
шком.
Когда в котле сжигают малокалорийный, многозоль-
ный уголь, то на каждую тонну топлива получается око-
ло 3 т перегретого пара. При топливе лучшего каче-
ства можно получать 5—6 т пара на каждую тонну топ-
лива.
Типичный современный мощный котлоагрегат дает
500—600 т пара в час при давлении до 140—180 ат. Это-
го достаточно для обеспечения работы с полной нагруз-
кой турбины в 150—200 тыс. кет. В подобном котле
сжигается в час 70—80 т топлива.
Это за последние несколько десятилетий появились
такие большие и мощные котлы. В 1929 г. я проходил
практику кочегаром на Киевской центральной электро-
станции. Во время ночной смены, в провал нагрузки,
один из студентов-практикантов нашей группы попытал-
ся вздремнуть часок — забрался в топку ремонтировав-
шегося котла и прикурнул там. Но старший кочегар его
сразу обнаружил и выволок за ноги из топки. В том
204
котле нельзя было спрятаться, он был маленький, как
котлы, которые стоят теперь в банях.
А в современный мощный котел при ремонте входит
десяток людей, и не сразу найдешь, кто где. Эти ма-
ленькие котлы на Киевской ЦЭС были с ручной топкой.
Надо было вручную забрасывать лопатой уголь на ре-
шетку, следить за тем, чтобы он ложился равномер-
ным слоем по всей решетке, чтобы не получался «горб»
посредине топки. Время от времени надо было «шуро-
вать» уголь кочергой, подрезать запекшийся на решетке
шлак ломом и выволакивать раскаленный шлак на пол
котельной, где он заливался водой. Клубы удушливого
дыма и пара окружали кочегара. Работать на таком ма-
леньком котле было куда тяжелее, чем на современных
гигантах, где все механизировано и автоматизировано.
4-10. ЦЭС на Васильевском острове
Одна из первых попыток создания центральной элек-
трической станции была предпринята в 1880 г. в Петер-
бурге товариществом «Электротехник». Оно представи-
ло в Петербургскую Городскую думу докладную запис-
ку с просьбой: «... отвести, близь Невского проспекта,
место для постройки изящного железного павильона,
с зеркальными стеклами, для устройства небольшого
электрического завода». Товарищество «Электротехник»
просило предоставить ему: «... право проводить вдоль
Невского проспекта проводники для электрического
освещения во все дома на протяжении от Адмиралтей-
ской площади до Аничкова моста». За это Товарищество
предлагало: «... зажигать для города бесплатно по од-
ному электрическому фонарю на известное число фона-
рей, поставленных для частного употребления». В пер-
вую очередь предлагали бесплатно осветить Екатери-
нинскую площадь перед Александринским театром.
Но предложение товарищества «Электротехник» не
было принято.
Через три года была пущена электростанция, смон-
тированная на барке, закрепленной на якорях на р. Мой-
ке у Невского проспекта. Видимо, это была одна из пер-
вых русских центральных электростанций. Есть сведе-
ния, что на этой электростанции работал, еще будучи
студентом, изобретатель радио А. С. Попов.
205
На барке было установлено три паровых локомоби-
ля и двенадцать динамомашин постоянного тока.
В это же время в Петербурге начала действовать
еще одна электрическая станция, расположенная в ма-
Рис. 4-7. Машинная и котельная установки центральной
электрической станции 800 кет на Васильевском острове в
Петербурге, построенной инженерами Н. П. Булыгиным
и Н. В. Смирновым.
леньком деревянном доме у Казанского собора. На Ка-
занской «ЦЭС» было два паровых локомобиля и три
динамомашины постоянного тока. Эту электростанцию
обслуживало 9 человек.
206
Обе эти петербургские станции давали энергию для
1 327 электрических ламп и 80 фонарей. По тому вре-
мени это были крупные предприятия.
В 1895 г. в Петербурге на Васильевском острове на-
чала действовать ЦЭС переменного тока, построенная
русскими инженерами Н. П. Булыгиным и Н. В. Смир-
новым. Установленная мощность ее была 800 кет
(рис. 4-7)
Василеостровская ЦЭС долгие годы служила образ-
цом для строительства подобных станций в России. Все
устройство этой станции было глубоко продумано и
тщательно выполнено. На этой станции были образцово
поставлены планирование и организация производства
электроэнергии.
4-11. Приготовление пыли
Уже было сказано, что наиболее распространенный
вид топлива для современных котлов — это угольная
пыль. Чтобы угольная пыль хорошо горела, она должна
быть достаточно мелкой и сухой.
Угли, применяемые для электростанций, различны:
одни содержат много золы и влаги, другие мало. При
нагревании разные углы выделяют разное количество
летучих веществ — горючих газов. Чем больше летучих
веществ в угле, тем легче его воспламенить. Поэтому и
приготовление пыли производится по-разному. Для
углей, бедных летучими, как, например, донецкие антра-
циты, требуется очень тонкий помол. Если содержание
летучих в угле велико, то частицы пыли могут быть
крупнее. Подмосковный уголь содержит много влаги,
его при помоле требуется хорошо просушивать.
Проследим весь цикл приготовления пыли. Из бун-
кера сырого угля уголь посредством питателя сырого
угля подается равномерно в шаровую мельницу. Здесь
он размалывается и одновременно подсушивается.
Шаровая мельница представляет собой полый сталь-
ной вращающийся барабан диаметром более метра и
длиной несколько метров. Внутри барабан мельницы
выложен массивными волнистыми броневыми плитами
из марганцовистой износоустойчивой стали. В барабан
засыпается до 30 т — несколько десятков тысяч штук —
207
стальных шаров диаметром 30—40 juju. Вместе с шарами
и броней барабан мельницы весит около 80 т.
Такая мощная шаровая мельница, способная пере-
малывать до 45 т угля в час, является потомком малень-
ких бронзовых горшковых мельниц, в которых еще
в средние века мололи селитру, серу и древесный уголь
для изготовления пороха.
В торцовых стенках барабана шаровой мельницы
сделаны две горловины. Одна — входная. Через нее по-
ступают в мельницу уголь и горячий воздух или газы
из топки для подсушки и транспорта пыли. Готовая
пыль выносится горячими газами через выходную гор-
ловину.
Электродвигатель вращает 80-тонный барабан мель-
ницы со скоростью около 0,5 оборота в секунду. Сталь-
ные шары перекатываются внутри барабана, захваты-
ваются волнистыми выступами брони, подымаются, па-
дают вниз, сталкиваются между собой, разбивают, давят
попадающиеся между ними куски угля, превращают их
в пыль. Это нормальный режим мельницы.
Если чрезмерно повысить скорость вращения, то цен-
тробежная сила отбросит все шары к стенкам барабана,
плотно прижмет их. Они не будут размалывать уголь.
Через шаровую мельницу все время мощным венти-
лятором — эксгаустером — просасываются газы из топ-
ки или горячий воздух из воздухоподогревателя котла.
Угольная пыль выносится этим мощным потоком горя-
чих газов и одновременно подсушивается. Поток газов
выносит и мелкие частицы, и более крупные, непригод-
ные для сжигания в котле. Поэтому после мельницы
устанавливается сепаратор пыли, в котором крупные ча-
стицы пыли ударяются о стенки, выпадают и возвра-
щаются обратно в мельницу. Мелкие частицы пыли уно-
сятся дальше в пылевой циклон, где поток пыли и газов
приходит во вращательное движение. Под действием
центробежной силы частицы пыли относятся к стенкам
циклона, теряют здесь свою скорость и падают в низ
циклона. Отсюда пыль попадает в бункер готовой пыли.
Запас готовой пыли необходим на случай всяких непред-
виденностей. Освобожденный от пыли поток газов отса-
сывается из циклона эксгаустером.
Из бункера пыли через питатели пыли угольная пыль
сыплется в поток газов, идущий от эксгаустера к пыле-
208
вым горелкам котла. К горелкам же подается дутьевым
вентилятором через воздухоподогреватель и воздух, не-
обходимый для горения этой пыли.
Все пылепроводы системы пылеприготовления герме-