Text
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-
тически закрыты, одеты толстым слоем тепловой изоля-
ции и окрашены светлой краской. Нигде снаружи не
видно ни одной угольной пылинки. Пыление в системах
пылеприготовления недопустимо. Мелкая сухая уголь-
ная пыль так же текуча, как и вода. Угольная пыль
не только загрязняет помещение, она легко воспламе-
няется. Скопления пыли могут вызвать пожары, а при
некоторых «опасных концентрациях» пыли в воздухе
может произойти взрыв.
В шаровых мельницах размалывается не только
уголь. Истираются и стальные шары. Железная пыль
вместе с угольной уносится в топку. Износ шаров зави-
сит от сорта угля. Чем уголь тверже, тем быстрее исти-
раются шары. Расход стали может достигать несколь-
ких килограммов на тонну угля.
Когда размер стальных шаров уменьшится, общий
вес их упадет, они хуже размалывают уголь. Плохо ра-
ботает мельница и когда в ней слишком мало, и когда
слишком много шаров.
Опытным путем снимают кривые производительности
и удельного расхода электроэнергии в зависимости
от количества шаров в барабане мельницы. Это мож-
но сделать во время капитального ремонта. Всыпают
в барабан сначала 1 т шаров и измеряют мощность, по-
требляемую двигателем, вращающим барабан. Затем
количество шаров увеличивают, дают 10, 20 и т. д. тонн
шаров, и каждый раз производятся замеры мощности.
Строится целый ряд графиков и номограмм. По ним
определяют наивыгоднейший шаровой -режим. Не так,
оказывается, просто истереть уголь в порошок.
Во время работы шаровой мельницы, чтобы поддер-
живать оптимальный шаровой режим, надо время
от времени добавлять в барабан новые стальные шары.
Это можно делать по-разному: подбрасывать по не-
скольку штук шаров каждую смену, раз в неделю надо
всыпать примерно полтонны шаров в барабан.
Когда мельница останавливается для капитального
ремонта (обычно через год работы), все шары вынима-
ются, взвешиваются, сортируются. Износившиеся мел-
14 Г. И. Баба?. 209
Рис. 4-8. Поперечный разрез современного мощного котельного агре-
гата с шахтно-мельничной топкой
Из бункера сырого угля 2 кусковой уголь, доставленный транспортером 1,
подается в тарельчатый питатель 3. Последний равномерно подает его в шахт-
ную мельницу 4. Ротор этой мельницы приводится во вращение электродви-
гателем. Насаженные на ротор била раздробляют уголь. Дутьевой вентиля-
тор 11 через воздухоподогреватель 10 подает в шахтную мельницу горячий
воздух. Наиболее мелкие частицы пыли, образующейся в мельнице, подхва-
тываются потоком этого воздуха, подсушиваются и, хорошо с ним перемешан-
ные, уносятся в топочное пространство 5, где и сгорают.
Для успешной работы шахтной мельницы требуется очень горячий воздух,
поэтому воздухоподогреватель здесь состоит из двух ступеней. Первая сту-
210
кие шары выбрасываются. Сохранившиеся шары (весом
не менее полкилограмма) снова идут в работу. При раз-
моле твердых углей иногда рекомендуют к шарам раз-
мером 30—40 мм добавлять еще некоторое количество
более крупных — размером 50—60 мм.
4-12. Автоматическая котельная
Возрастет потребление энергии — регулятор турбины
приоткрывает клапаны и подача пара в турбину увели-
чивается. Вследствие увеличения расхода пара начинает
понижаться давление в паропроводе и на котле. Пони-
жение давления пара воспринимает колонка давления
регулятора горения котла. Она дает сразу же импульс
на увеличение подачи топлива. Соответственно срабаты-
вают и другие элементы регулятора горения — увеличи-
вают подачу воздуха для обеспечения полного сгорания
топлива.
Если воздуха недостаточно, то сгорание топлива
будет неполным, в отходящих газах появится угле-
род в виде сажи, увеличится содержание окиси углеро-
да. Из трубы пойдет черный дым.
Слишком большой избыток воздуха также вреден.
Излишний воздух снижает температуру в топке. Не все
частицы пыли загораются, некоторые несгоревшими
уносятся в трубу — опять идет черный дым.
С увеличением подачи топлива и воздуха увеличи-
вается объем газов, выходящих из топки, и если свое-
временно не усилить тягу, то в топке возникает повы-
пень расположена на выходе топочных газов, а вторая ступень—в середине во-
дяного экономайзера, где температура газов высокая. Топочные газы по выхо-
де из топки омывают пароперегреватель 8, затем вторую ступень водяного
экономайзера 9, а за ней вторую ступень воздухоподогревателя 10. Дымо-
сос 13 через золоуловитель 12 выбрасывает топочные газы в дымовую тру-
бу 16. Часть золы и шлак прямо из топки подают в шлаковую шахту 6.
Управление этим котлом автоматизировано. При увеличении потребления пара
регулятор давления увеличивает число оборотов питателя сырого угля 3.
В топку начинает поступать больше топлива. Соответственно повышаются и
обороты дутьевого вентилятора 11, возрастает подача воздуха, необходимого
для горения. Объем топочных газов возрастает, и, чтобы справиться с их уда-
лением, увеличиваются обороты дымососа 13. Регулятор питания, воздействуя
на привод задвижки 14, увеличивает подачу воды в котел 7.
На этом котле также есть регулятор перегрева. Если температура пара чрез-
мерно повысится, то открывается вентиль 15 и в пар, поступающий в паропе-
регреватель, впрыскивается вода. На испарение этой воды уходит часть теп-
ла пара, и температура его снижается.
14*
211
Щенное давление и котёл начинает «газить» — Из Исех
щелей и неплотностей обмуровки дым выходит в котель-
ную. Соответствующий элемент регулятора горения —
колонка тяги — следит за давлением в топке и регули-
рует дымосос.
С увеличением подачи топлива и воздуха увеличи-
вается отдача пара — паросъем котла. С возрастанием
паросъема уровень воды в котле падает. Понижение
уровня воды сверх определенных пределов очень опасно.
Трубы, ранее заполненные водой, опорожняются, стенки
их перегреваются. Перегретый металл может не выдер-
жать давления. Произойдет разрыв трубы — авария на
котле.
Повышение уровня воды в котле сверх нормы также
недопустимо. Может произойти заброс воды в паропро-
вод — котел, как говорят, «плюнет». Температура выхо-
дящего пара понизится, может появиться вибрация тур-
бины, а в некоторых случаях и разрушение ее лопаток.
Ранее за поддержанием нормального уровня воды
в котле следили специальные люди — водосмотры — по
водомерным стеклам, расположенным на барабане кот-
ла. В зависимости от колебаний уровня они регулирова-
ли подачу воды в котел — питание котла. Работа водо-
смотра была очень тяжелой, находились они непосред-
ственно у барабана на самом верху котла в страшной
жаре. Малейшее упущение в работе водосмотра грози-
ло тяжелой аварией. Советскими инженерами сконст-
руированы замечательные регуляторы питания, которые
автоматически поддерживают нормальный уровень воды
в котле, допуская его колебания лишь в очень незначи-
тельных, неопасных пределах.
Благодаря автоматизации работы котла он дает точ-
но то количество пара, которое необходимо для турби-
ны. Однако всякую автоматику необходимо контролиро-
вать, поэтому на щит управления котла выведены все
необходимые приборы и кнопки управления различными
органами автоматики и моторами, обслуживающими
котел.
По манометрам на таком щите дежурный оператор
следит за давлением пара в котле и за давлением воды
в питательной магистрали. Водомеры и паромеры пока-
зывают расход. На указателе уровня видно наполнение
барабана котла. На контрольном щите находятся обыч-
212
но еще газоанализаторы, которые автоматически произ-
водят химический анализ газов, отходящих от котла
(рис. 4-9).
Маленькие порции газа
отсасываются из дымохода
и охлаждаются в тонких
трубочках. Затем этот газ
пропускают мимо нагретой
платиновой нити: по тому,
как газ отбирает тепло, опре-
деляется содержание в нем
углекислоты (СОг). Затем
определяют содержание в
газе окиси углерода (СО).
Для этого окись углерода
дожигают — превращают в
углекислоту. Чем больше
тепла выделится при этом
в анализируемом газе, тем
больше, следовательно, бы-
ло в этом газе окиси угле-
рода.
Рис. 4-9. Схема электрического га-
зоанализатора — измерителя со-
держания углекислоты в отходя-
щих газах.
В металлических трубочках помещены
накаленные платиновые нити. По этим
трубочкам с постоянной скоростью про-
сасывается газ. Он охлаждает нити тем
больше, чем больше его теплопровод-
ность. Теплопроводность углекислоты
значительно больше теплопроводности
других составляющих топочных газов.
Температура платиновых нитей зависит
от содержания углекислоты в газах.
а с изменением температуры нитей ме-
няется их электросопротивление.
Через две трубочки просасываются ды-
мовые газы, а две другие трубочки
наполнены воздухом. Платиновые нити
соединены между собой, как плечи
электрического моста. Одна диагональ
моста через регулировочный реостат
получает питание постоянным током,
величина его контролируется измери-
тельным прибором. В другую диагональ
включен гальванометр, показывающий
проценты СО2. При изменении содер-
жания углекислоты меняются сопро-
тивление нитей и ток в диагонали мо-
ста. Нити поддерживаются все время
в натянутом состоянии маленькими
платино-иридиевыми пружинами.
213
Появление СО указывает на неполное сгорание. Уве-
личение СО сверх указанной для данного сорта угля
нормы показывает на недостаток воздуха: может на-
чаться шлакование котла. Тягомеры показывают разре-
жение и давление в газоходах котла, в воздухопроводах
и пылепроводах системы пылеприготовления.
К приборам щита управления подходят также все
провода от термопар, термометров сопротивления и
оптических пирометров котла. По этим приборам сразу
видно, какова температура пара, питательной воды, от-
ходящих газов, воздуха, подаваемого в котел, какова
температура в топке.
4-13. Как повышают экономичность тепловой
электростанции (ТЭС)
Котел — это самая громоздкая, занимающая наи-
больший объем часть электростанции. Но не только
большие геометрические размеры характеризуют котел.
Полный к. п. д. электростанции, экономичность ее рабо-
ты в значительной мере определяются котельной. Физи-
ки и инженеры потратили много усилий, чтобы улуч-
шить, усовершенствовать котлы.
На лучших советских электростанциях до 90% за-
ключенного в топливе тепла передается пару. Раскален-
ные топочные газы сначала отдают свое тепло лучеиспу-
сканием экранным трубам, затем газы нагревают кон-
вективную поверхность нагрева котла. Далее газы идут
в подогреватель питательной воды — водяной экономай-
зер и, наконец, поступают в воздухоподогреватель, где
нагревают воздух, идущий в топку. После всего этого
отходящие газы имеют температуру всего лишь 120—
130° С.
Дальнейшее использование тепла отходящих газов
уже нерационально. При дальнейшем охлаждении нач-
нет выделяться содержащаяся в газах влага, будут
ржаветь металлические поверхности водо- и воздухопо-
догревателей.
Но даже если в котельной пар получит все 100% теп-
ловой энергии, содержавшейся в топливе, — это еще
не означает, что полный к. п. д. ТЭС будет высок. Тур-
бина может превратить в механическую энергию только
часть тепловой энергии пара. Эта часть принципиально
214
всегда должна быть меньше отношения разности темпе-
ратур пара на входе и выходе турбины к температуре
на входе (все температуры в абсолютных градусах).
Температура пара на выходе турбины определяется
температурой воды, охлаждающей этот пар. Практиче-
ски температура пара на выходе не может быть ниже
нескольких десятков градусов. Если температура пара
на входе 100° С (373° абсолютных), а на выходе 50° С
(323° абсолютных), то в механическую энергию можно
373______________________323
превратить не больше —5=0— =0,13 от всего запаса
тепловой энергии пара.
Чтобы повышать к. п. д. ТЭС, необходимо повышать
температуру пара на входе турбины. Одновременно при-
ходится повышать и давление пара. Если перегревать
пар при низком давлении, то плотность его получается
очень малой, использовать такой пар в турбине невы-
годно. В настоящее время в СССР все более широкое
применение получают котельные установки с высокими
и сверхвысокими температурами и давлениями пара —
параметрами, как говорят. Давление применяют до
140—180 и даже до 250—300 ат, а перегрев пара
до 570—600° С.
Советские инженеры сконструировали мощные, до
300 тыс. кет, турбины высокого давления обычного кон-
денсационного типа, и теперь уже строятся электро-
станции, работающие на высоком давлении.
Ближайшее будущее принадлежит установкам вы-
соких и сверхвысоких параметров, работающим на обык-
новенном водяном паре с мощностями турбин 300, 500,
800, а впоследствии и 1 млн. кет.
4-14. Дымовые трубы
В газах, отходящих из котла, всегда имеется оста-
точное тепло. Теплые газы стремятся подняться вверх.
В дымовых трубах они создают естественную тягу.
В старое время все электростанции строились с естест-
венной тягой. Отходящие газы тогда не очищались, и
высокие трубы нужны были не только для тяги, но и
для того, чтобы рассеять дым по воздуху.
На современных электростанциях тяга создается
мощными дымососами, а трубы лишь помогают их рабо-
215
те. Строились ТЭС и вовсе без дымовых труб. Прямо
из дымососов газы выбрасывались в атмосферу. Боль-
шинство электростанций снабжается высокими, выше
100 м трубами.
Когда заберешься на верхушку такой трубы, кажет-
ся — на корабле находишься в качку. Под порывами
ветра верхушка трубы отклоняется на несколько санти-
метров. Лестницу, которая ведет на верх трубы, окру-
жают решеткой, чтобы можно было на эту решетку опе-
реться спиной, когда лезешь по трубе. Уцепишься за по-
ручни, прижмешься к решетке, и все-таки страшно.
Несколько десятков тысяч тонн дыма производят
в сутки котлы современной крупной ТЭС. В основном
дым состоит из газов: азота, углекислоты, водяных па-
ров. Их надо попросту рассеять в атмосфере. Но про-
дукты сгорания, только вышедшие из котла, содержат
в себе еще много такого, чего в атмосферу пускать
никак нельзя.
В прошлом веке черный дым из труб считался при-
знаком процветающей индустрии. А теперь черный дым
может .показаться только при серьезной аварии, когда
откажут в работе регуляторы сгорания и фильтры.
Вид дыма, выходящего из трубы, зависит от содер-
жания влаги в топливе. Когда влаги мало, то из трубы
идет серый дымок. При сильно влажном топливе в от-
ходящих газах много водяного пара. Клубы дыма полу-
чаются белесые, непрозрачные, очень плотные.
4-15. Очистка дыма
Большинство тепловых электростанций работает на
многозольных топливах. Лишь незначительное количе-
ство этой золы — около 5% — осаждается в топке в виде
шлака. Большая же часть золы уносится из топки котла
вместе с топочными газами. Множество мелких твердых
частиц золы и несгоревшего топлива взвешено в потоках
газов.
Если выпустить такой дым прямо в трубу, то в атмо-
сферу будут попадать тысячи тонн золы в сутки. В ко-
роткое время вся местность вокруг электростанции бу-
дет занесена золой.
Поэтому уходящие из котла газы предварительно
очищаются от взвешенных частиц, прежде чем они по-
падут в дымососы и в трубу.
216
Для улавливания золы применяют циклоны, анало-
гичные циклонам в системе пылеприготовления. Дым
завихряется в огромном железном цилиндре с кониче-
ским дном. Дым входит в цилиндр сбоку, по касатель-
ной. Центробежная сила уносит пылинки на стенки
циклона. По стенкам пылинки скатываются вниз, в ко-
ническую часть, в приемник золы. Частично обеспылен-
ный воздух отсасывается вверх по вертикальной трубе
из средней части циклона.
Применяются в последнее время мультициклоны.
Вместо одного большого цилиндра ставится множество
маленьких, миниатюрных, соединенных паралельно.
Однако и циклоны, и мультициклоны улавливают
не больше 60% от золы, находящейся в уходящих газах.
Очень мелкие пылинки плохо увлекаются центробежны-
ми силами. Механическим способом нельзя получить
достаточно высокую очистку газов.
Чтобы вытянуть из газа мельчайшие твердые части-
цы, нужны большие силы, например электрические.
Электрофильтры — это наиболее совершенный тип золо-
уловителей. Они дают очистку выше 90%.
Электрофильтры состоят из множества железных
труб, расположенных в виде пчелиных сот. Внутри каж-
дой трубы натянуты тонкие нихромовые проволоки. Тру-
бы заземлены, а на проволоки подается высокое напря-
жение постоянного тока. При этом вокруг проволок воз-
никает коронный разряд. Проволоки одеты светящейся
оболочкой — короной. В короне много заряженных ато-
мов — ионов, они садятся на частицы золы и сообщают
им электрический заряд.
На заряженные пылинки действует электрическое
притяжение. Электрические силы увлекают частицы
золы к внешнему электроду — к трубе. Пылинки оседа-
ют на стенках трубы рыхлым слоем, слипаются друг
с другом.
Маленький электродвигатель или сжатый воздух
приводит в действие колотушки-молотки, которые перио-
дически постукивают по корпусу электрофильтра, встря-
хивают электроды. Зола, осевшая на трубах, ссыпается
вниз в золовой бункер, откуда уже удаляется.
Электрофильтры дают очень высокую степень очист-
ки газов. В Советском Союзе электрофильтры применя-
217
Средний
Запыленные
газы
высокое
напряжение
Очищенны
“газы
Зазем
ленце
Металличвская
труба
Рис. 4-10. Электрический улавлива-
тель пыли и дыма.
Внутри металлической заземленной трубы
на изоляторе подвешена нихромовая про-
волока (этот материал выбран потому, что
он лучше других противостоит коррозии).
На проволоку подается высокое напряже-
ние. Пылинки, идущие по трубе, приобре-
тают такой же заряд, как и проволока,
отталкиваются от нее и оседают на стен-
ках. Большие электрофильтры составляют-
ся из многих таких труб, соединенных
параллельно.
ются не только на ТЭС, но и на многих заводах, напри-
мер почти на всех крупных металлургических заводах,
электрофильтр улавливает несколько тонн
пыли в сутки. На одном
цементном заводе за
12 лет электрический
улавливатель собрал
350 тыс. т цементной
пыли. В воздух ушла
только сотая часть всей
пыли.
Очистка газов от
золы на ТЭС не только
предотвращает занос
золой окружающей
местности, но
увеличивает
ность работы ТЭС и
приносит некоторые
экономические выгоды.
При плохом золоулав-
ливании быстро изна-
шиваются лопатки ды-
мососов, частицы золы
также
надеж-
истирают их, выводят
из строя.
Зола из электро-
фильтров и циклонов
может идти на изго-
товление шлакобетон-
ных блоков. Это пре-
красный материал для
возведения стен жилых
домов и производствен-
ных зданий. Шлакобетонные блоки достаточно прочны,
но вместе с тем пористы, легки и малотеплопроводны.
Но не на всех электростанциях можно использовать
золу. Там, где зола уносится потоком воды (гидрозоло-
удаление), все растворимые части золы переходят
в воду. Зола, как говорят, выщелачивается. Выщелочен-
ная зола уже непригодна для изготовления шлакобетон-
ных блоков.
218
4-16. Путь пара
По стальным трубам, обложенным толстым слоем
тепловой изоляции, перегретый пар из котельной идет
в машинный зал к турбинам. Трубы укладываются так,
чтобы путь пара был возможно короче. Это необходимо
для уменьшения потерь тепла. Но в некоторых местах
паропроводные трубы образуют извивы. Они изогнуты,
как огромные лиры. К чему такое отклонение от корот-
кого прямого пути? По трубам идет перегретый пар
с температурой, как правило, выше 500° С. В работе тем-
пература труб равна температуре пара. При отключении
же паропровода он остывает. При таких изменениях
температуры значительно изменяется и длина труб. Если
не дать трубам возможности свободо удлиняться и со-
кращаться, то при изменениях температуры они полома-
ли бы все свои опоры или сами разорвались бы от теп-
ловых напряжений. Изгибы на трубах — это компенса-
торы тепловых деформаций. Компенсаторы эластично
сжимаются и растягиваются, не допуская опасных на-
пряжений в паропроводе при возможных изменениях
его температуры.
Подобно электрической схеме электростанции схе-
ма трубопроводов перегретого пара построена так, что-
бы обеспечить максимальную надежность работы обо-
рудования. Раньше, как правило, от каждого котла вели
по два паропровода, которые приключались к двойной
главной паровой магистрали. Главная паровая маги-
страль разделялась на участки — секционировалась.
К турбинам от главной паровой магистрали также шла
двойная линия паропроводов. Такая система была очень
гибкой; при помощи многочисленных паровых задвижек
можно было безболезненно отключать любой повреж-
денный участок. Но это имело и свои недостатки; боль-
шое количество сочленений и задвижек (арматуры) уве-
личивало возможность повреждений. На современных
ЦЭС стараются схему главных паропроводов сделать
возможно проще, с наименьшим количеством задвижек.
Отдельные отрезки труб соединяются теперь между со-
бой большей частью не фланцами на болтах, а наглухо
при помощи автогенной или электрической сварки.
Теперь применяют на электростанциях так называе-
мые блочные схемы: котел соединен только с одним тур-
богенератором, а турбогенератор — с одним повышаю-
219
щим трансформатором. Отдельные такие «блоки» стан-
ции имеют соединение между собой только на шинах
высшего напряжения. Блочная схема также имеет свои
недостатки, так как повреждение одного из элементов
блока — котла, паропровода, турбогенератора или транс-
форматора — выводит из работы весь блок.
Большое значение для надежности работы электро-
станции имеет материал, из которого сделаны паропро-
воды. В настоящее время для паропроводов применяют
очень хорошие сорта стали. Часто применяется сталь
с присадкой никеля, хрома, молибдена — это легирован-
ная высококачественная сталь.
4-17. В машинном зале
Последний вентиль на паропроводе стоит непосред-
ственно у самой турбины. Он называется «стопорный
клапан». В случае необходимости машинист турбины
может почти мгновенно его закрыть, нажав на рукоятку
«автомата безопасности». Автомат освобождает защел-
ку, и под действием мощной пружины стопорный клапан
закрывается и прекращает доступ пара в турбину.
В инструкциях по эксплуатации турбины всегда четко
указывается, в каких случаях необходимо «выбивать»
автомат безопасности. Часто своевременная остановка
турбины сохраняет ее от разрушения.
В машинном зале идеальная чистота. Все полы по-
крыты серыми и коричневыми керамическими плитками.
Они так тщательно вымыты и протерты, что блестят,
как поверхность спокойной воды. Черные корпуса турбо-
генераторов отражаются в маслянистом блеске. Это на-
поминает картину «Стадо китов отдыхает в бухте».
Турбогенераторы имеют форму удлиненных цилинд-
ров с плавными округленными очертаниями. Средний
турбогенератор современной ТЭС имеет в длину более
10 м, а часть его корпуса, возвышающаяся над полом
машинного зала, — выше человеческого роста (рис. 4-11).
Пар, как правило, входит в турбину с передней ча-
сти, через дроссельный клапан, который автоматически
под действием регулятора турбины открывается то боль-
ше, то меньше и пропускает ровно такое количество
пара, которое необходимо для поддержания заданной
нагрузки.
220
Вблизи переднего торца турбины, на щитке, сосре-
доточено и большинство приборов: различные манометры
показывают давление воды, пара, масла, здесь же тер-
мометры, паромеры, водомеры, ваттметр, указывающий
нагрузку генератора, и многие другие приборы. Непо-
средственно на турбине помещен тахометр, который
Рис. 4-11. Машинный зал ГРЭС с турбогенераторами по
50 000 квт\
Турбины построены Ленинградским металлическим заводом, генераторы —
ленинградским заводом «Электросила» имени Кирова. Над агрегатами
виден мостовой кран, необходимый для монтажа и ремонта.
измеряет скорость вращения турбины, а также термо-
метр переднего упорного подшипника. Температура этого
подшипника отражает малейшие неисправности в тур-
бине.
Один из турбогенераторов остановлен на ремонт. От-
винчены гайки, крепящие крышки цилиндров паровой
турбины. Мостовой кран остановился над турбиной.
Этот подъемный кран действительно напоминает собой
ферму большого железнодорожного моста. Поэтому и
называется «мостовым».
Толстый двуглавый крюк на цепи с плоскими звенья-
ми свисает с тележки крана. Это главный подъемный
221
крюк. Рабочие стальными тросами-стропами вяжут или,
как говорят монтажники, застропливают крышку цилин-
дра к главному подъемному крюку. Крышка другого ци-
линдра уже снята, и виден ротор турбины. Он сверкает в
солнечных лучах, как чешуя гигантской рыбы.
Это счастливая случайность — редко можно посмот-
реть на электростанции разобранную турбину. Электро-
станция работает круглые сутки, круглый год. Целиком
она почти никогда не останавливается. Все ремонты на
электростанции производятся по твердому графику. Тур-
богенератор проходит капитальный ремонт раз в 1—2
года, правда, он еще останавливается 2—3 раза в год
на текущий ремонт, но при этом редко когда вскрывают
цилиндры.
4-18. Паровая турбина
Перегретый пар, поступающий в турбину, попадает
прежде всего в комплект сопел — сопловой аппарат.
Здесь пар расширяется, давление его падает, а ско-
рость увеличивается. Энергия горячего, находящегося
под высоким давлением, но медленно движущегося па-
ра— потенциальная энергия — превращается в сопловом
аппарате в энергию струи пара, летящей быстрее зву-
ка,— в кинетическую энергию.
Пар, выходящий из сопел, попадает на рабочие ло-
патки ротора турбины. Лопатки ротора отклоняют струи
пара от их начального пути. За счет изменения скорости
струй пара возникает давление на лопатки, и ротор при-
ходит во вращение.
Так действуют турбины активного типа. Но сущест-
вуют еще и турбины иного типа — реактивного. В реак-
тивных турбинах на лопатках ротора пар не только ме-
няет направление движения, но еще и расширяется
(так же, как и в соплах). В реактивных турбинах пар
давит на рабочие лопатки не только в сторону вращения
ротора, но еще и в сторону, противоположную своему
выходу. Пар действует на лопатках ротора этих турбин,
как пороховые газы в ракете, — силами отдачи, реакции.
Отсюда и название турбин — «реактивные».
Турбины строят многоступенчатыми. На вал ротора
насаживают до 30 и более дисков с лопатками. Между
дисками ротора на статоре помещают перегородки —
222
диафрагмы с расположенными в них равномерно рас-
пределенными по окружности направляющими лопатка-
ми— сопловыми аппаратами. Реактивные турбины часто
строят по-иному: дисков не делают, а изготавливают ро-
тор в виде бочки. Прямо на эту бочку насаживают ряды
рабочих лопагок.
Пройдя через один из рядов лопаток ротора, пар
отдает только часть своей энергии. Затем он попадает
Рис. 4-12. Продольный разрез ротора паровой турбины.
Сечение дисков показано штриховкой. Слева сторона высокого давле-
ния с короткими лопатками. Направо — длина лопаток увеличивается.
на лопатки статора, где направление потока вновь ме-
няется, пар вновь расширяется и плотность его падает.
Отсюда пар идет на следующий ряд рабочих лопаток
ротора, где отдает новую порцию своей энергии.
В начале турбины — там, где в турбину входит пере-
гретый пар, — лопатки короткие и толстые. Здесь они
не длиннее пальца руки. В начале турбины пар плотный,
каждый кубометр его может весить больше 10 кг.
По мере движения со ступени на ступень пар расши-
ряется, объем его возрастает во много раз, а плотность
падает. У последних ступеней турбины кубометр пара
весит меньше 1 кг. Лопатки последних ступеней — длин-
ные и тонкие, как мечи.
Струи пара изнашивают лопатки турбины. Износ ло-
паток последних ступеней значительно больше, чем ло-
паток первых ступеней. Это происходит оттого, что в по-
следних ступенях пар уже частично конденсируется и
несет с собой капельки воды. Эти капельки с большой
скоростью ударяют о лопатки, истирают и изъедают их.
223
Прежде лопатки последних ступеней делались из мо-
неля— сплава никеля и меди. В настоящее время все
лопатки турбины во всех ее ступенях — и на дисках,
и на диафрагмах — делаются стальными. Применяются
сорта стали, которые содержат много никеля и хрома и
хорошо противостоят износу.
Рис. 4-13. Взаимное .расположение лопаток на статоре и роторе
паровой турбины.
Каждая из многих тысяч лопаток турбины должна
прочно сидеть на своем месте. Особо важно прочно за-
крепить подвижные лопатки. Установка лопаток в ди-
сках ротора — облопачивание ротора — очень ответствен-
ная операция. Если хоть одна лопатка расшатается
и выйдет из своего ряда, то произойдет авария. Диафраг-
мы статора расположены между дисками ротора с очень
небольшим зазором, и сдвинувшаяся с места лопатка
ротора будет задевать диафрагму. Может получиться,
как говорят турбинщики, «салат из лопаток».
Случаются с турбинами и более тяжелые аварии. Ан-
глийская фирма «Метро-Виккерс» строила в Шанхае
электростанцию. При пуске одного из турбогенераторов
ротор турбины на полной скорости сломался, пробил
224
корпус, вылетел через крышу машинного зала и упал
в нескольких десятках метров от здания.
Турбина, у которой в одном цилиндре собраны все
ступени, — это одноцилиндровая турбина. На
лопатки первого диска ее ротора поступает пар из котла
с самым высоким давлением, а после крайнего диска
пар поступает уже в конденсатор. Но часто строят и
многоцилиндровые турбины. В первом цилиндре
высокого давления используется только часть энергии
пара. Затем по трубам он поступает в цилиндры низкого
давления, где отдает остаток своей энергии. Существуют
турбины с промежуточным подогревом пара между ци-
линдрами высокого и низкого давления. Иногда строят
турбины с отбором пара с промежуточных ступеней на
производственные нужды или на подогрев воды, которая
потом идет для отопления (подогрев производится в ап-
паратах, называемых «бойлерами»). Таковы теплофи-
кационные турбины. Бывают турбины с противодав-
лением. В них нет конденсатора, а отработанный пар,
иногда со значительным давлением и высокой темпера-
турой, идет на производственные нужды фабрик и за-
водов.
4-19. В конденсаторном помещении
По узкой металлической лесенке с решетчатыми сту-
пеньками, со стальными поручнями, начищенными до
блеска, можно, как по корабельному трапу, спуститься
из машинного зала вниз в конденсаторное помещение.
Раньше конденсаторное отделение электростанции, как
правило, помещалось в подвале. Но теперь в этой части
электростанции расположено так много оборудования,
что в подвале оно никак бы не уместилось. Современное
конденсаторное помещение — очень высокое и выход из
него находится на уровне земли для удобства подачи
оборудования при монтаже. Турбогенераторы теперь ста-
вят высоко над уровнем земли.
Турбогенераторы покоятся на массивных, прямоуголь-
ных, окрашенных в белый цвет фундаментных колоннах.
Снизу хорошо видно все сложное сплетение различных
трубопроводов, подходящих к ним.
Между фундаментными колоннами генератора сде-
ланы стенки, которые образуют большую герметическую
15 Г. И. Бабат. 225
камеру. В этой камере помещаются воздухоохладители и
шины силовых выводов генератора. Сквозь небольшие
окошечки в железной дверце сбоку камеры можно ви-
деть ее внутреннюю часть. Видны ряды трубок, обвитых
спиралями из латунной проволоки. Это радиаторы воз-
духоохладителей. По трубкам течет вода, а снаружи их
обдувает нагретый воздух из турбогенератора. Латун-
ная спиральная проволока увеличивает поверхность
охлаждения. О проволоку завихряются потоки воздуха,
при этом они полнее отдают свое тепло.
Современные турбогенераторы имеют очень высокий
к. п. д. — около 97%, а турбогенератор с водородным
охлаждением на мощность 100 тыс. кет имеет к. п. д.
98,7%- Но даже 1% потерь в мощном турбогенераторе —
это сотни киловатт. При работе турбогенератора в его
обмотках и в стали выделяется значительное количество
тепла. Его отводят мощные потоки воздуха, продуваемого
через ротор и статор турбогенератора. При нормальной
работе турбогенератора при полной нагрузке темпера-
тура его обмотки доходит до 100° С. Специальные термо-
метры (термопары) следят за температурой внутри
турбогенератора. При нарушениях работы системы
охлаждения чрезмерное повышение температуры обмо-
ток могло бы вызвать порчу изоляции. Автоматический
контроль температуры предотвращает возможность по-
добных аварий.
Воздух имеет малую теплоемкость. Значительно выше
теплоемкость и теплопроводность водорода. Кроме того,
плотность и вязкость водорода значительно меньше
плотности и вязкости воздуха. Водород лучше, чем воз-
дух, может отводить тепло, и потери на трение быстро
вращающегося ротора в атмосфере водорода меньше,
нежели в воздухе. Поэтому лучшие современные генера-
торы выполняются с водородным охлаждением. При по-
мощи вентилятора (большей частью насаженного на ва-
лу самого генератора) водород прогоняется через венти-
ляционные каналы генератора и через радиаторы охла-
дителей. При водородном охлаждении надо более тща-
тельно следить за герметичностью всей системы, в кото-
рой циркулирует газ. Если образуется смесь водорода
с воздухом, может произойти взрыв.
Между фундаментными колоннами самой турбины
помещается конденсатор. Это огромная стальная бочка
226
в несколько метров диаметром. Есть легенда о старин-
ном винохранилище, где в одной бочке хранился сбор
винограда со всех близлежащих поместий. Вина из одной
этой бочки хватало для всех окружающих городов. Кон-
денсатор мощной турбины, пожалуй, больше этой леген-
дарной бочки.
К конденсатору присоединены трубы диаметром боль-
ше метра, по ним подходит и уходит охлаждающая цир-
куляционная вода.
На ремонтируемой турбине торцовая крышка конден-
сатора снята. Видна стальная перегородка — трубная
доска. Она напоминает гигантские соты. В ней множе-
ство небольших отверстий, в которые ввальцованы тонко-
стенные латунные трубки. Этих трубок очень много.
Даже в конденсаторе турбины средней мощности их не-
сколько тысяч. Охлаждающая вода попадает в камеру
между торцовой крышкой и трубной доской, проходит
по латунным трубкам, воспринимая при этом часть теп-
ла от пара, омывающего эти трубки с их внешней сто-
роны. Нагретая вода проходит в камеру с другого торца
конденсатора и отводится в сливной канал или идет в
градирню на охлаждение.
Верхняя часть конденсатора громадным патрубком
соединяется с хвостовой частью турбины. Через этот па-
трубок проходит в конденсатор отработанный пар. Он
омывает холодные трубки конденсатора, отдает им свое
тепло и конденсируется в воду.
Для конденсирования отработанного пара требуется
очень большое количество охлаждающей воды. Через
конденсатор турбины средней мощности, потребляющей
около 100 т пара в час, надо прокачивать несколько ты-
сяч кубометров воды. Обычно охлаждающей воды через
конденсатор проходит в 50—60 раз больше, чем пара.
Эту воду прогоняют мощные циркуляционные насосы,
установленные перед конденсаторами. Кожухи этих на-
сосов напоминают гигантские улитки. Рядом стоят на-
сосы для откачки конденсата из конденсатора. Они вы-
глядят карликами по сравнению с циркуляционными на-
сосами.
На рис. 4-4 был приведен график, из которого видно,
что на конденсационной ЦЭС больше половины тепла,
сообщенного пару в котле, передается охлаждающей
воде в конденсаторе. Но хотя через конденсатор пере-
15* 227
дается количество тепла лишь немного меньше, чем
через котел, размеры конденсатора значительно меньше
размеров котла.
В конденсаторе теплопередача от превращающегося
в воду пара происходит со значительно большей интен-
сивностью, нежели теплопередача от раскаленных газов
в топке котла. А ведь на первый взгляд может показать-
ся, что от раскаленных газов тепло передается легче,
чем от почти остывшего пара. Это удивительная особен-
ность процесса сжижения пара: при нем теплопередача
на поверхностях конденсации значительно больше, чем
теплопередача при простом омывании поверхности пото-
ками жидкости или газа. Кроме того, поверхности тепло-
обмена расположены в конденсаторе более компактно,
более собранно, чем в котле. Поэтому котел—это целый
дом, а конденсатор — только бочка.
4-20. Путь воды
Превратившийся в воду пар проходит после конден-
сатора длинный сложный путь. Конденсатные насосы
прокачивают конденсат через целый ряд подогревателей.
Здесь конденсат подогревается отборным паром турбины
и, наконец, попадает в бак, расположенный на верхних
этажах машинного зала, — в деаэратор. В нем происхо-
дит удаление растворенного в конденсате кислорода (это
называется деаэрацией воды). В современных установ-
ках деаэрация обязательна, так как при высоких давле-
ниях кислород особенно агрессивен. За короткое время
он может разъесть питательные трубопроводы и трубы
поверхности нагрева котла. В деаэратор, кроме конден-
сата, поступает еще добавок воды для возмещения по-
терь конденсата на станции. Особенно много конденсата
теряется на ТЭЦ, где часть пара идет на производство
и конденсат не всегда возвращается обратно.
После деаэраторов вода получает новое название —
питательная вода. Она самотеком идет опять вниз в кон-
денсаторное помещение к питательным насосам. Эти на-
сосы создают большой напор, достаточный, чтобы про-
гнать воду в котел. Давление питательной воды должно
быть больше давления пара.
Вода на электростанции совершает замкнутый круг.
Из конденсатора — в котел, оттуда в виде пара — в тур-
бину, а из турбины — снова в конденсатор.
228
В воде, которая питает котел, опасно не только при-
сутствие кислорода, но не должно содержаться и солей.
Жесткая вода совсем не годится для питания котла, на
его трубах образуется накипь, и котел быстро выходит из
строя. Потому-то на электростанциях и берегут конден-
сат, стремятся устранить его утечку. Но, несмотря на
все принимаемые меры, в этот замкнутый круг обраще-
ния котел — турбина — конденсатор — котел приходится
все же добавлять свежую воду. Ее подвергают специаль-
ной обработке, чтобы удалить вредные примеси. Плохо
приготовленная вода может вызвать быстрый износ и
коррозию труб поверхности нагрева котла. Особо требо-
вательны к качеству воды безбарабанные прямоточные
котлы. Подготовка воды для котлов — водоподготовка—
это теперь целая наука. Без хорошей водоподготовки не-
возможна надежная работа электростанции.
4-21. Пуск турбогенератора
Вернемся обратно в машинный зал. Обычно в нем
пустынно, у агрегатов никого не видно. Но сегодня в кон-
Рис. 4-14. Общий вид турбогенератора с водородным охлажде-
нием мощностью 100 000 кет.
Этот генератор был закончен заводом «Электросила» в 1946 г. и в настоя-
щее время работает на одной из ГРЭС.
229
це зала у крайней турбины собрались люди. Здесь и
директор электростанции, и начальник турбинного цеха,
и шеф-монтер Ленинградского металлического завода,
построившего все турбины этой электростанции.
Сегодня закончен монтаж крайней турбины. Сейчас
она будет пущена в первый раз.
Старший машинист приоткрывает пусковой вентиль
турбины. Слышится сдавленное шипенье, переходящее
во все повышающийся гул. Турбина оживает. Внутри ее
стального корпуса начинает вращаться ротор.
Шеф-монтер прикладывает к корпусу турбины стето-
скоп, прижимает к нему ухо. Он внимательно выслуши-
вает турбину, стараясь уловить малейшие особенности
ее работы.
Наибольшую опасность для турбины представляют
вибрации. Они могут возникнуть в любой ее части:
в отдельных лопатках, в дисках. Ротор весь целиком
может начать вибрировать. Это сразу отзывается на под-
шипниках турбины. На них и измеряют величину ви-
брации.
4-22. Резонанс
При изготовлении турбины все ее части тщательно
балансируют. Устраняется малейшее несоответствие ве-
сов отдельных частей ротора. Но одной балансировкой
опасность вибраций не устранить. Весь ротор в целом
и отдельные его части могут совершать колебания. Их
частота зависит от массы и упругости колеблющейся
детали. Колебания могут возникнуть под влиянием от-
дельных толчков, но при этом они быстро прекращаются,
затухают. Плохо получается, когда частота этих толчков
совпадает с собственной частотой колебаний. Тогда да-
же самые слабые толчки будут действовать в такт и
могут раскачать ротор до очень больших и опасных
вибраций.
Та скорость зращения турбины, которая совпадает
с собственной частотой колебаний ротора или его частей,
называется критической, резонансной. Усилия кон-
структоров мощных турбин всегда направлены на то,
чтобы уйти от этого совпадения частот, уйти от резонан-
са, избежать его.
Нельзя произвольно выбирать скорость вращения
турбины.
230
Чтобы выработать переменный ток с частотой 50 гц,
ротор турбогенератора должен делать 50 оборотов в се-
кунду, если он двухполюсный, или 25 оборотов, если он
четырехполюсный (большего числа полюсов теперь в тур-
богенераторах не делают).
Прежде, бывало, соединяли паровую турбину с гене-
ратором при помощи зубчатой передачи (редуктора).
Скорость вращения турбины можно было брать отличной
от скорости генератора. Строились турбины на 80 и на
100 оборотов в секунду. Но теперь вал турбины и гене-
ратора всегда соединяют жестко, напрямую. Поэтому
турбина может делать или 3 000, или 1 500 оборотов
в минуту.
Раз скорость вращения ротора турбины жестко за-
дана, то, чтобы уйти от резонанса, изменяют собствен-
ные частоты колебаний ротора так, чтобы ни одна из
этих собственных частот не совпала с рабочей скоростью
вращения ротора.
4-23. Уход от резонанса
С резонансом приходится считаться во всех областях
электротехники. Теория электротехники пронизана уче-
нием о резонансе. Не раз будет обсуждаться это явление
в последующих главах.
Радиосвязь основана на резонансе приемниками пере-
датчика.
При обстреле атомных ядер электронами и ионами
эти заряженные частицы разгоняются до огромных ско-
ростей отдельными толчками электрических сил. Эти
толчкй согласованы. Движение ионов и электронов про-
исходит в резонанс с электрическими силами.
Во многих случаях все усилия инженеров направлены
к тому, чтобы найти резонанс, обеспечить его. Но строи-
тели паровых турбин всеми силами стремятся уйти от
резонанса.
Когда в конце прошлого века впервые начали строить
быстроходные турбины, то в них применялись рото-
ры, имевшие частоту собственных колебаний более низ-
кую, нежели рабочая скорость вращения турбины. Их
называли турбинами с гибким валом. При пуске таких
турбин приходилось быстро проходить через критическую
скорость, критическую частоту, чтобы турбина не успела
раскачаться.
231
В настоящее время часто строят турбины, у которых
частота собственных резонансных колебаний ротора вы-
ше ее максимальной скорости вращения. Это—турбины
с жестким валом.
Но ни в коем случае нельзя работать на скорости,
совпадающей с собственной резонансной частотой рото-
ра. В первом приближении собственную частоту колеба-
ний ротора определяют, как частоту колебаний маятника,
масса которого равна массе ротора, а длина — прогибу
ротора под его собственным весом. Так как ротор вы-
полняется из прочной стали, прогиб его очень мал —
доли миллиметра — и собственная частота высока. Что-
бы увести собственную частоту колебаний от требуемой
скорости вращения, приходится иногда менять массу и
размеры ротора.
Легко уйти от резонанса, когда только одна частота
является резонансной. Но одну резонансную частоту
имеет только такая простая конструкция, как маятник.
У ротора турбины может быть много резонансных ча-
стот. Между ними надо расположить рабочую частоту.
В правильно рассчитанной и хорошо изготовленной
турбине вибрации совершенно неощутимы.
4-24. Дать нагрузку!
Шеф-монтер ставит на пол свой стетоскоп. «Можно
включать генератор», — говорит он. Старший машинист
нажимает кнопку командного аппарата — «Внимание,
готово». Это значит, что на щите управления зажегся
такой же сигнал. Включение генератора должен произ-
водить дежурный электротехник на щите управления.
Он находится на значительном расстоянии (обычно не-
сколько десятков метров) от машинного зала. На глав-
ном щите не слышно гула турбин, отсюда не видно,
что творится в машинном зале. Измерительные при-
боры и световые сигналы связывают людей на щите и
в зале.
Просто сразу включить генератор нельзя. Надо так
подогнать его скорость, чтобы его напряжение точно
совпало с напряжением на сборных шинах. Этот процесс
называется синхронизацией. Он будет подробно разоб-
ран в следующей главе. Пока достаточно сказать, что
дежурный электротехник имеет у себя на щите синхро-
232
но'скоп и может воздействовать со щита на регулятор
турбины для изменения ее скорости вращения.
Взгляды всех присутствующих у турбины устремлены
на ваттметр: он должен показать, что генератор вклю-
чен, что он принял нагрузку. Но в этот момент все со-
бравшиеся у турбины — только пассивные зрители.
Управление агрегатом — в руках дежурного электро-
техника на главном щите. Стрелка синхроноскопа
медленно движется по циферблату. Вот стрелка подхо-
дит к среднему положению. Дежурный электротехник
нажимает кнопку включения масляного выключателя.
На главном щите управления царит тишина. Здесь не
слышно, как где-то в далекой камере срабатывает мощ-
ный привод высоковольтного выключателя. Стрелка син-
хроноскопа замирает в нейтральном положении. Генера-
тор включен плавно, без толчка.
Но те, кто стоят у турбины, не видят синхроноскопа,
не слышат срабатывания привода выключателя. Перед
ними вспыхивает переданный по командоаппарату сиг-
нал «генератор включен». Вздрагивает стрелка ваттмет-
ра. Нагрузку медленно увеличивают. Шеф-монтер опять
внимательно прослушивает турбину. Стрелка ваттметра
неуклонно движется вправо. Четверть, половина, пол-
ная. Генератор принял полную нагрузку.
Директор станции достает полтинник, новенький пол-
тинник, специально для этого случая приготовленный, и
ставит его на ребро на горизонтальной площадке на пе-
реднем подшипнике турбины. Монета остается стоять.
Вибраций нет. Турбина издает ровный мерный негром-
кий гул. Точно огромная кошка подогнула лапы, зажму-
рила глаза и мурлычет на солнце.
Трудно представить себе, что там, внутри стального
корпуса турбины быстрее звука летят струи пара, и ро-
тор турбины с тысячами лопаток, укрепленных на нем,
и ротор генератора совершают 50 об!сек — 3 000 об!мин.
4-25. Собственные нужды
Электростанция не только вырабатывает электро-
энергию, но она же является одним из ее потребителей.
Электродвигатели вращают насосы для подачи пита-
тельной воды в котлы. Электродвигатели приводят
в действие и мельницы для размола угля, и вентилято-
233
ры, подающие воздух в топку, и дымососы. И еще мно-
жество мощных электродвигателей работает на электро-
станции. Их общее потребление достигает нескольких
тысяч киловатт.
Расход на все это самообслуживание электрической
станции, на ее собственные нужды, как принято гово-
рить, зависит от качества применяемого топлава. При
малозольном высококалорийном топливе на собственные
нужды может уходить меньше 5%. А в электростанциях,
которые работают на сланцах, на собственные нужды
иногда уходит до 17% всей выработанной электроэнер-
гии.
Все линии собственных нужд делаются с наибольшей
надежностью, с наибольшим запасом. Электростанцию
часто называют «сердцем промышленности». Сборные
шины собственных нужд подобны артериям, питающим
сердце.
Когда электростанция не справляется с нагрузкой,
отдельные потребители отключаются от сети. При ава-
риях иногда приходится отключать самых важных по-
требителей, отсоединять самые ответственные линии
электропередачи. Но ни в коем случае нельзя касаться
собственных нужд электростанции. Отключатся собствен-
ные нужды — и остановится вся электростанция. Кате-
горически воспрещается подключать каких бы то ни
было потребителей к шинам собственных нужд электро-
станции.
Наиболее ответственные электродвигатели на элек-
тростанции обычно дублируются паровыми. Например,
для подачи питательной воды в котлы, помимо электро-
насосов, имеются еще резервные паровые турбонасосы.
4-26. Гидроэлектростанции—ГЭС
Уголь и нефть легко транспортировать. Энергию,
скрытую в высококачественном горючем, несложно пе-
ревозить по железной дороге на сотни и тысячи кило-
метров. Тепловая электростанция может работать и на
привозном горючем.
Воду можно перевозить. Но энергия движущейся во-
ды непригодна для транспортировки в своем натураль-
ном виде. Единственный метод использовать на далеком
расстоянии энергию водяных потоков — это превратить
234
ее в электрическую, а затем по проводам передать в ме-
сто потребления. Водяную энергию можно передавать
только «электрическим транспортом».
Но часто и те виды энергии, какие возможно возить
на колесах, бывает выгоднее передавать по проводам.
Развитие электротехники ведет к тому, что электриче-
Рис. 4-15. Днепровская ГЭС после ее восстановления.
ская передача все более вытесняет другие виды тран-
спорта энергии. Во многих случаях выгодно вырабаты-
вать электроэнергию в районах, где есть топливная база,
а на место потребления передавать энергию по прово-
дам. Передача на 500—1 000 км — это ныне обычное де-
ло. Применяя компенсированные линии переменного то-
ка или постоянный ток сверхвысокого напряжения, мож-
но экономично передавать электроэнергию и на значи-
тельно большие расстояния. Высоковольтные электропе-
редачи делают выгодным строительство мощных гидро-
станций на реках, далеких от районов потребления.
Пока основная часть электроэнергии в Советском
Союзе вырабатывается тепловыми электростанциями,
но большое значение в энергетическом балансе страны
получают и гидростанции. На маленьких речушках стро-
235
ятся микроГЭС мощностью всего лишь й десятки кило-
ватт. На больших водных путях воздвигаются станции
в сотни тысяч киловатт.
На тепловых электростанциях Советского Союза топ-
ливная составляющая стоимости электроэнергии иногда
Рис. 4-16. Поперечный разрез гидростанции.
Плотина 1 поднимает воду до верхнего уровня 2; 3 — нижний уровень воды.
По водоподводящему каналу 4 вода поступает в спиральную камеру 6\ 5 —
водозапорные щиты. Ими можно полностью прекратить доступ воды к турби-
не. Опускаясь с верхнего уровня 2 к спиральной камере 6, вода приобретает
значительную скорость. Свою энергию вода отдает ротору водяной турбины 7.
При помощи вала 8 ротор турбины соединен с генератором 9; 10 — машинный
зал гидростанции; // — выходной канал из турбины; 12 — подъемный кран для
разборки гидрогенератора и турбины; 13 — подъемный кран для водозапорных
щитов; 14 — повышающий трансформатор; /5 —линия высокого напряжения,
по которой уходит выработанная гидростанцией электроэнергия.
бывает даже меньше половины. А остальная часть стои-
мости электроэнергии складывается из расходов на об-
служивающий персонал, из затрат на ремонт машин,
эксплуатацию сетей, из отчислений на амортизацию обо-
рудования. Если бы давать современной тепловой стан-
ции совсем даровое топливо, если бы она могла выраба-
236
тывать электроэнергию без затрат на горючее, то и тогда
электроэнергия подешевела бы не очень значительно.
Первоначальные затраты на строительство гидростан-
ции обычно значительно больше затрат на строитель-
ство тепловой электростанции. В построенной же и ра-
ботающей гидростанции эксплуатационные расходы ма-
ленькие, и если считать только их, то энергия будет
стоить совсем дешево. Но так считать нельзя. Усилия,
затраченные на сооружение гидростанции, нельзя сбра-
сывать со счетов.
Когда обсуждают вопрос о сооружении гидростан-
ции, то учитывают много технических, экономических,
а следовательно, и политических факторов.
Плотина подымает уровень воды и улучшает условия
судоходства. Часто сооружение электростанции позво-
ляет провести ирригацию, т. е. орошение прилежащих
земель. И эти выгоды могут намного превысить возмож-
ный доход от выработки электроэнергии. Но надо учи-
тывать и ценность затапливаемых земель. Она ложится
на другую чашу весов.
Нельзя забывать и о рыбоводстве. Есть породы рыб,
которые из низовий реки поднимаются к ее истокам, что-
бы метать икру. Плотины меняют условия жизни рыб.
В плотинах иногда строят специальные рыбоходы. Среди
серого бетона вьется сверкающая косичка воды. Прыгая
по ее зигзагам, рыбы поднимаются из нижнего бассейна
в верхний.
Гидростанции обычно вливают свою энергию в си-
стему, на которой работает еще ряд тепловых электро-
станций. Гидростанции несут как основную базисную,
так и пиковую нагрузку. Тепловые и гидравлические
станции помогают друг другу.
4-27. Водяные турбины и гидрогенераторы
Мощность гидростанции пропорциональна произведе-
нию напора водяного потока на количество проходящей
воды. В горах строятся высоконапорные гидростанции.
В них напор воды достигает нескольких сотен метров,
давление струи воды, входящей в турбину, — нескольких
десятков атмосфер. На равнинных реках сооружаются
станции низкого напора. Бывает, что плотина поднимает
воду лишь на несколько метров. Давление воды меньше
237
1 ат. Конструкция водяной турбины зависит от ее мощ-
ности и от напора водяного потока. Но все типы водя-
ных турбин имеют между собой черты сходства, и все
они резко отличны от паровых турбин.
Вода в сотни раз тяжелее пара, а скорость водяных
потоков даже при самых высоких существующих напо-
рах в десятки раз меньше скоростей пара, выходящего
из сопла. Высокая скорость пара заставляет строить
паровые турбины многоступенчатыми. На каждой сту-
пени срабатывается только часть энергии пара. Водяные
же турбины всегда одноступенчатые.
Для самых высоких давлений воды и для малых рас-
ходов строят турбины с горизонтальным валом. На ко-
лесе этих турбин укреплены чашки с острым ребром по-
середине. В это ребро и бьет сильная струя воды, пово-
рачивает по стенкам чашки и, отдав свою энергию коле-
су, стекает вниз. Это самые быстроходные из всех водя-
ных турбин. Высоконапорные турбины с горизонтальным
валом делают до нескольких сотен оборотов в минуту.
Для средних и малых давлений воды турбины дела-
ются всегда с вертикальным валом. В горизонтальной
водяной турбине велика была бы относительная раз-
ность давлений на верхние и нижние лопатки.
Заметим здесь, что паровые турбины теперь никогда
вертикальными не делаются. Был один американский
конструктор, который когда-то построил вертикальную
паровую*турбину, но потом ее удалось использовать
только в качестве постамента для памятника.
Гидравлические турбины с вертикальным валом бы-
вают радиальные, в которых струи воды движутся
по радиусам из спиральной камеры внутрь на колесо
турбины, и аксиальные, в которых вода идет парал-
лельно оси (по-латыни аксис — ось) ротора. У этих тур-
бин обычно всегда четыре лопатки, которые при работе
можно поворачивать маленьким вспомогательным элек-
тродвигателем (или масляным двигателем), чтобы в за-
висимости от напора воды и от нагрузки устанавливать
лопатки под самым выгодным углом к водяному потоку.
Это только так говорится уменьшительно: «лопатки»
гидравлических турбин. Правильнее было бы говорить
«лопатищи». У мощной аксиальной турбины одна лопат-
ка весит много тонн, и площадь ее несколько квадрат-
ных метров.
238
И радиальные, и аксиальные гидравлические турбины
тихоходны. Они делают несколько десятков оборотов
в минуту. Столько же оборотов делают, следовательно,
и роторы генераторов, вал которых соединен напрямую
с валом турбины. Но эти генераторы должны вырабаты-
Рис. 4-17. Гидрогенератор завода «Электросила» на 68 750 ква,
на 62,5 об!мин.
Наружный диаметр его 12,5 м. Давление ротора на подпятник — более двух
тысяч тонн. Генератор снабжен мощными электромагнитами с подъемной
силой 1 200 т. Эти электромагниты могут приподнять ротор генератора и
уменьшить давление на подпятник. Такое уменьшение давления необхо-
димо для начального сдвига ротора при пуске и во время монтажа.
Когда ротор раскрутится до нормальной скорости, электромагниты обяза-
тельно выключаются. В стальных частях, вращающихся в магнитном поле,
возникают вихревые токи. Эти токи вызывают выделение вредного тепла
и потери мощности.
вать переменный ток со стандартной частотой 50 гц.
Поэтому роторы их имеют несколько десятков магнит-
ных полюсов в отличие от роторов турбогенераторов,
которые выполняются с двумя, самое большее с четырь-
мя полюсами.
У турбогенераторов роторы выполняются в виде ба-
рабанов, у которых длина в несколько раз больше диа-
239
метра. Обмотки возбуждения на этих роторах не видно,
она спрятана внутри пазов. Это роторы с неявно выра-
женными магнитными полюсами. А у гидрогенераторов
высота ротора в несколько раз меньше его диаметра.
Магнитные полюсы все выступают. Каждый полюс
со своей обмоткой изготавливается отдельно и привин-
чивается болтами к ободу ротора.
Для получения одной и той же мощности гидрогене-
ратор должен иметь большую поверхность ротора, не-
жели турбогенератор. Электрическая нагрузка на еди-
ницу поверхности статора и ротора — количество ампер
на погонный сантиметр — в обеих машинах может быть
примерно одинаковой. И силы между статором и рото-
ром на единицу их поверхности примерно одинаковы
для гидро- и турбогенераторов. Но так как линейная
скорость на поверхности ротора гидрогенератора мень-
ше, чем линейная скорость турбогенератора, то с каж-
дого квадратного сантиметра ротора гидрогенератора
можно снять меньшую работу, меньшую мощность, чем
у турбогенератора. Поэтому-то для получения одной и
той же мощности гидрогенератор должен иметь боль-
шую поверхность ротора, нежели турбогенератор.
4-28. Конструкторское бюро
Большой современный генератор проектируется кол-
лективом, в котором работают десятки человек. Тома
расчетов, сотни листов чертежей надо выпустить, преж-
де чем начнется воплощение машины в металле. Конст-
рукторы работают согласованно, как музыканты в боль-
шом оркестре. Но есть разница между конструкторами
и музыкантами. Последние только исполняют волю
композитора. Они не в праве изменить ни одной ноты.
А конструкторы сами пишут симфонию. Один — глубо-
кий специалист, к примеру, по подшипникам, другой
в тонкостях знает вентиляторы, третий — в магнитных
полях силен. Конструктор, который хорошо работает
в области турбогенераторов, может плохо разбираться
в гидрогенераторах. Главный конструктор, который ру-
ководит коллективом, должен прежде всего правильно
подобрать его состав.
Главный конструктор следит за тем, насколько со-
гласованы отдельные предложения и насколько все они
отвечают общей генеральной цели, социальному заказу,
240
политическому заказу, поставленному перед техникой.
Каждый из сотрудников бюро стремится вложить в свою
работу самое передовое, что у него есть. Главный кон-
структор должен уметь оценить, что надо принять,
а что надо отвергнуть, что, может быть, очень ново и
остроумно, но для данного случая не годится.
Рис. 4-18. Сборка спиц ротора генератора, пока-
занного на рис. 4-17.
Главный конструктор — как регулировщик движе-
ния на магистрали. Одной идее он немедленно дает до-
рогу, другую поворачивает обратно. И для этой регу-
лировки главный конструктор должен иметь огромные
знания и опыт, которые даются только годами произ-
водственной работы.
Неправильно сравнивать главного конструктора с ди-
рижером. Главный конструктор дает только общую
идею. Но знать во всех тонкостях каждое разветвление
большого проекта главный конструктор не может. Без
своего сработавшегося коллектива он бессилен.
Конструкторское бюро — это коллективный творец,
синтетический гений. Это явление, неизвестное во всей
прошлой истории человечества.
4-29. П роизводство крупных машин
Студентом мне довелось попасть в первый раз на
завод «Электросила» с экскурсией. Осмотрев цехи ма-
шин малой и средней мощности, мы пошли в мастер-
16 Г. И. Бабат. 241
скую крупных машин, как назывался тогда цех, где
изготавливались гидро- и турбогенераторы.
При входе в помещение я вынул свои карманные
часы и с часами в руке, размышляя о том, сколько еще
времени в моем распоряжении, сделал несколько шагов
по мастерской.
И вдруг какая-то сила вырвала часы из моей руки.
Но они не шлепнулись мне под ноги, как то должно
было бы произойти со всякой нормальной вещью, вы-
скользнувшей из рук. Нет, часы полетели по воздуху
куда-то вбок, и я остолбенело смотрел, как они с раз-
маху стукнулись и точно приклеились к громадной чер-
ной бочке диаметром около метра и длиной метров пять,
стоявшей на подставках посреди мастерской.
Эта черная бочка была ротором турбогенератора на
50 тыс. кет. Производилась сушка обмотки — заключи-
тельная операция в процессе его производства.
В работе ротор вращается со скоростью 3 000 об/мин.
В нем возникают огромные центробежные усилия. Кон-
струкция ротора должна обладать высокой механиче-
ской прочностью.
Ротор турбогенератора выполняется из стальной по-
ковки. В процессе производства поковку тщательно кон-
тролируют, чтобы убедиться, что в ней нет никаких
внутренних пороков: раковин, трещин. Поковку обта-
чивают. Затем в ней выстрагивают или выфрезеровы-
вают пазы, в которые укладывается обмотка из тща-
тельно изолированной медной ленты.
В пазы поверх обмоток забиваются стальные клинья.
У концов ротора обмотка стягивается бандажами, или
на концы надевают прочные колпаки—каппы. Они де-
лаются обычно из немагнитной стали, чтобы не отвле-
кать на себя магнитного потока ротора, не уменьшать
ту полезную часть потока, которая должна пересекать
обмотку статора.
Много внимания уделяется не только механическо-
му, но и электрическому качеству ротора. Обмотка про-
питывается изоляционными лаками. После укладки
пропитанной обмотки она просушивается и запекается,
т. е. лак нагревается до такой степени, что после этого
он уже становится нерастворимым. Для нагрева обмотки
ротора применяются разные способы. Иногда помещают
весь ротор целиком в огромную печь. Часто нагревают
242
обмотку ротора, пропуская через нее постоянный ток
большой силы. Подобным способом нагревают ротор не
только на заводе-изготовителе, но и на электростан-
ции.
После монтажа генератора на электростанции все
его обмотки и на роторе, и на статоре перед пуском
в работу обязательно прогреваются током, чтобы уда-
лить из изоляции влагу, которая могла напитаться
во время перевозки и монтажа. При включении без
сушки изоляция могла бы пробиться. Сушка улучшает
изоляцию. Все время сушки меряют точными прибора-
ми сопротивление изоляции между обмотками и корпу-
сом генератора (землей) и прекращают сушку только
тогда, когда это сопротивление станет достаточно
большим.
Ротор турбогенератора представляет собой двухпо-
люсный или четырехполюсный магнит. Магнитный по-
ток его огромен. Когда ротор находится в собранном
генераторе, внутри статора, то весь магнитный поток
замыкается в стальном магнитопроводе внутри машины.
Наружу магнитные линии не выходят. При сушке же
ротора в цехе его магнитное поле беспрепятственно рас-
пространяется во все стороны. На расстоянии несколь-
ких метров оно еще имеет большую силу. Это магнит-
ное поле и притянуло мои часы.
Прежде чем я сообразил все это, рабочий, следив-
ший за сушкой, бросился к ротору:
— Ходят тут, раззявы. Испортят мне обмотку, —
закричал он.
При ударе о ротор часы мои так основательно раз-
бились, что из них выскочили колесики и винтики. Все
железные осколки устремились в места наибольшей
интенсивности магнитных линий и залезли в щели меж-
ду обмоткой и зубцами.
Пока рабочий выковыривал из углублений ротора
остатки моих часов, я поспешил уйти в другой конец
цеха. Но, Чконечно, никакого реального вреда ротору
крохотные осколки не могли принести.
В воспоминание об этом случае у меня остался лишь
красивый стальной вороненый корпус от часов.
Производство мощных электрических машин резко
отличается от тех методов, которыми производятся мел-
кие и средние электродвигатели и генераторы. Здесь
16* 243
дело не только в весах и геометрических размерах. Мел-
кие машины строятся в больших количествах. Они про-
изводятся потоком, таким же потоком как радиолампы,
телефонные аппараты. Мощные турбо- и гидрогенерато-
ры — это уникальные сооружения. Производственный
цикл одной машины затягивается на месяцы. К каждой
отдельной машине свой особый подход. Каждая воздви-
гается подобно мосту, башне. Оборудование для изго-
товления мощных машин грандиозно. Вращающаяся
платформа — планшайба карусельного станка, на ко-
тором растачиваются остовы гидрогенераторов, больше
цирковой арены. Платформа строгального станка длин-
нее железнодорожного вагона. Множество крупных и
мелких электродвигателей обслуживает подобный ста-
нок. Только высококвалифицированным мастерам дове-
ряется управление подобными агрегатами.
При массовом поточном производстве нет большой
беды, если несколько штук изделий окажутся браком.
Контроль задержит эти два или три экземпляра из ты-
сячи — вот и все. В производстве крупных машин брак
вовсе недопустим. Нельзя снять лишнюю стружку при
обточке ротора — погибнет уникальная поковка, пропа-
дет труд многих месяцев.
Статор турбогенератора собирается из листовой ста-
ли. Много тысяч листов уходит на сооружение статора
(толщина листа 0,35 мм, а длина статора несколько
метров). Если бы разложить всю эту сталь в один слой,
то она покрыла бы собой чуть ли не квадратный кило-
метр. И в каждом листе должны быть проштампованы
пазы, и все пазы должны точно совпадать.
4-30. Дальние дороги
Электростанции сооружаются иногда за тысячи ки-
лометров от заводов, где производится их оборудова-
ние. Доставка на место мощных турбин, генераторов,
трансформаторов — сложная задача.
Для перевозки тяжелого и громоздкого электрообо-
рудования строят специальные железнодорожные плат-
формы. Они очень низкие, на мощных изогнутых бал-
ках, которые опираются с двух сторон на многоколес-
ные тележки. Эти платформы называются «крокодила-
ми». Обычных железнодорожных вагонов на каждой
244
Дороге десятки тысяч, а «крокодилы» исчисляются толь-
ко единицами.
Все мосты, туннели, станции на железных дорогах
рассчитаны на то, чтобы пропускать грузы только опре-
деленных размеров. Большие грузы — «негабаритные
грузы» — можно перевезти только на некоторых отдель-
ных участках дорог.
Железнодорожными габаритами определяются наи-
большие возможные размеры электрооборудования.
Рис. 4-19. Центральная часть нижяей крестовины
гидрогенератора (показанного на рис. 4-17) весом
80 т на специальном железнодорожном транспор-
тере.
Особенно трудно перевозить высоковольтные аппараты.
Из них торчат, как рога, огромные хрупкие фарфоровые
изоляторы — вводы. Какое всеобъемлющее слово «ап-
парат» в электротехнике! Так называют и крохотный
контактор, который умещается на ладони, и выключа-
тель на 220 тыс. в, превышающий в собранном виде
в несколько раз человеческий рост.
Мощные высоковольтные трансформаторы имеют
в высоту больше 10 м. Их перевозят в разобранном
виде. Отдельно едут проходные изоляторы, каждый
в своей особой упаковке.
'Стальной сердечник и обмотки трансформатора на-
ходятся в баке, заполненном маслом. Бак должен быть
достаточно просторен, чтобы обеспечить всюду надле-
245
жащие изоляционные промежутки и хорошую циркуля-
цию масла для охлаждения. Но такой бак может не
пройти в железнодорожные габариты. Для перевозки
трансформатору делают дорожный костюм. Сердечник
с обмотками помещают в специально для этого изго-
тавливаемые тесные и особо прочные стальные баки.
Их наполняют сжатым азотом, чтобы высоковольтная
изоляция трансформатора не отсырела в пути.
В разобранном виде перевозят и мощные генерато-
ры. Отдельно едет ротор, отдельно статор. Иногда их
еще разбирают на части. Чтобы уложиться в железно-
дорожные габариты, бывает, приходится менять конст-
рукцию: делать машины и аппараты более приземисты-
ми и длинными.
Бывают • электростанции и в таких местах, где и
вовсе нет железнодорожных путей. По шоссейным доро-
гам везут тяжелое оборудование на многоколесных те-
лежках на резиновом ходу.
В экстренных случаях приходится на месте изобре-
тать средства транспорта. Ставят трансформатор на
толстый лист железа и подтягивают этот лист тракто-
ром или лебедкой.
На рис. 4-1 цифрой 15 была помечена трансформа-
торная мастерская. Это одновременно и «гостиница для
приезжающих». Здесь трансформаторы сбрасывают
свой дорожный наряд. Здесь их помещают в рабочие
баки, ставят на место изоляторы, сушат обмотки, зали-
вают масло. После этого трансформаторы осторожно
перевозятся на свое рабочее место.
4-31. О любви и преданности
В начале 1942 г. я выехал из Ленинграда вместе
с одним из мастеров турбокорпуса (цеха больших ма-
шин) завода «Электросила».
Он выглядел, как большинство ленинградцев в то
время. Желтое, отечное лицо. Тусклые, потухшие глаза.
— Меня хотели сначала в стационар положить, —
рассказывал он тихим монотонным голосом. — Потом
директор говорит — не выживешь ты здесь. Вот и от-
правили меня.
В Москве в ожидании назначения мы прожили
вместе около недели. Я встречался с этим мастером еще
246
LVZ>
Рис. 4-20. Контрольная сборка турбогенератора на заводском испытательном стенде.
С правого конца — якорь возбудителя, за ним ротор генератора. Слева — турбина со снятой верхней частью
статора. Виден последний диск (самого низкого давления) ротора турбины с лопатками.
несколько раз. Наши разговоры всегда были о Ленин-
граде. «Электросила» находится на южной окраине Ле-
нинграда, и осенью 1941 г. немецкие передовые части
были всего в нескольких километрах от завода.
Когда трамвай еще шел к «Электросиле», то кондук-
тор, бывало, кричит: «Кому на фронт, садись, подвезу!».
Электросиловцы строили заграждение рядом с за-
водом. Обрезки рельсов и балок, трубы, стальной лом
соединялись электросваркой, образуя баррикады.
Из стальных поковок роторов турбогенераторов, из фун-
даментных плит складывались доты (долговременные
оборонительные точки).
Часть цехов «Электросилы» была переведена в «глу-
бокий тыл», на Выборгскую сторону, на несколько кило-
метров дальше от переднего края обороны.
Снаряды падали во дворе «Электросилы», но рабо-
чие продолжали бережно ухаживать за оборудованием.
Огромные планшайбы карусельных станков были
теперь неподвижны. Замерли строгальные, расточные,
сверлильные, фрезерные колоссы. Тускло блестели тща-
тельно смазанные маслом для защиты от ржавчины
стальные направляющие и валы. В октябре 1941 г. ги-
гантские станки, проработавшие 11 лет, были разобра-
ны и погружены на железнодорожные платформы.
Тогда же вывезли на Выборгскую сторону часть элек-
тросиловских запасов меди. Мотки медных шин и про-
водов различных размеров заполнили большой * двор,
как волны внезапно застывшего бурного моря.
— Сколько генераторов, сколько моторов можно
было бы создать из этой меди, — повторял мой мастер.
В декабре жизнь еле теплилась на замерзающем за-
воде. Механические цехи «Электросилы» готовили бое-
припасы. Из электротехнического оборудования произ-
водились лишь ручные фонарики. Их самолетами выво-
зили на «Большую землю», в армию, во флот.
Потом наш разговор переходил на калории, витами-
ны; в этих вопросах ленинградцы были искушены.
— Получил назначение в Ташкент, завтра выез-
жаю, — сообщил он мне раз за обедом. — Завод там
маленький, выпускают мелочишку: кнопки, выключате-
ли. Зато за триста рублей барана курдючного можно
купить. Урюк, рис, маш, джеда. А лук сладкий, анди-
жанский. Овощи очень силы восстанавливают,
248
Мы попрощались, условились, Что будем писать
друг другу.
Но на другой день, к моему удивлению, я вновь
встретил электросиловского мастера в коридоре Нарко-
мата.
— Не решился я, знаете, в Ташкент уехать, — ка-
ким-то извиняющимся тоном сказал он. — Узнал, что
на «Электросиле» будут восстанавливать мой цех. Как
же это там они без меня. Упросил, чтобы меня обратно
в Ленинград послали. Заместитель наркома уважил,
он наш — бывший электросиловский.
Потухшие глаза ленинградца вновь сияли. Мы
вместе ехали обратно в голодный блокированный Ле-
нинград.
ТВОРЕЦ ТЕХНИКИ ТРЕХФАЗНОГО ТОКА
М. О. Доливо-Добро зольский (1862—1919 гг.)
Михаилу Осиповичу Доливо-Добровольскому было
немногим больше 20 лет, когда он начал публиковать
свои научные работы в издававшемся тогда & Петер-
бурге журнале «Электричество». В те годы электриче-
ские машины и аппараты создавались еще на основе
интуиции конструктора. Успех являлся случайным. Ча-
сто готовое изделие оказывалось непригодным к работе.
Доливо-Добровольский стремился найти строгий на-
учный подход к решению электротехнических проблем.
Он хотел вооружить инженера точным расчетом.
«Возможно ли работать основательно, делать осно-
вательную установку приборов, вычислять расходы на
движущую силу, определять производительность, не
зная во всех деталях тех приборов, с которыми имеешь
дело?
«Всякая установка, почти все ее подробности могут
быть точно определены заранее», — утверждал Доливо-
Добровольский.
В 26 лет Доливо-Добровольский изобрел новый дви-
гатель переменного тока. Все известные до того време-
250
ни двигатели переменного тока не брали с места под
нагрузкой, останавливались при незначительных пере-
грузках. Эти двигатели не были пригодны для практи-
ческой работы. Доливо-Добровольский подвел электро-
энергию к двигателю по трем проводам и пропустил
в них переменные токи так, чтобы обмотка двигателя
создавала магнитный вихрь — бегущее, вращающееся
электромагнитное поле.
Доливо-Добровольский назвал свой новый двига-
тель трехфазным. Самое замечательное свойство нового
двигателя было то, что ротор не должен был строго
следовать за переменами тока в обмотке статора. Эти
двигатели получили название асинхронных. В них пово-
рот ротора происходит не одновременно (по гречески
хронос — время) с соответственным изменением тока.
И чем больше отстает ротор, тем большее усилие он мо-
жет развить.
Вслед за двигателем Доливо-Добровольский изо-
брел и генераторы для получения трехфазного тока, и
трансформаторы для его преобразования.
В годы, когда работал Доливо-Добровольский, мно-
гие выдающиеся электрики-практики довольствовались
представлением передачи электрической энергии, как
чего-то схожего с течением воды по трубам: одна тру-
ба подводит, другая отводит. Трехфазная система по-
казалась чем-то диким, необычным.
Доливо-Добровольский заложил основы теоретиче-
ской электротехники трехфазных токов. Он разработал
методы расчета своей системы. Одновременно он
строил —быстро и безошибочно. Первый же образец
его двигателя показал высокий к. п. д. и хорошую на-
грузочную характеристику.
В сентябре 1889 г. Эдисон посетил Европу. Он перед
тем закончил строительство большой электростанции
постоянного тока в Нью-Йорке. Когда Доливо-Добро-
вольский предложил ему осмотреть свой новый электро-
двигатель и систему передачи и распределения энергии
трехфазным током, то Эдисон заявил буквально сле-
дующее: «Нет, нет, переменный ток это вздор, не имею-
щий будущего. Я не хочу не только осматривать двига-
тель переменного тока, но и знать о нем».
Доливо-Добровольскому пришлось провести тяже-
лую борьбу, чтобы ввести в жизнь свою систему пере-
251
дачи и распределения электроэнергии. В 1890 г. он на-
чал строить линию передачи энергии между Лауфеном
и Франкфуртом на Майне на расстоянии 157 км. Это
был гигантский скачок по сравнению со всем, что име-
лось до того. Напряжение в этой линии было 25 тыс. в.
Явление «короны» — самопроизвольного светящегося
электрического разряда вокруг высоковольтных прово-
дов — показалось руководителям фирмы, которая фи-
нансировала опыты, настолько «жутким явлением», что
они хотели прекратить всю работу.
В 1891 г. первая мощная трехфазная передача была
закончена и работала с блестящими результатами. В се-
редине 90-х годов во всех странах электростанции трех-
фазного тока «вырастали, как грибы из земли».
В короткий срок Доливо-Добровольский преодолел
огромные технические трудности. В декабре 1899 г. со-
стоялся Первый всероссийский электротехнический
съезд. На нем Доливо-Добровольский мог уже доло-
жить о полной победе трехфазного тока.
Съезд горячо приветствовал великого изобретателя.
Председатель — генерал-лейтенант Н. П.' Петров ска-
зал в своей вступительной речи: «Тем отраднее для нас
право, позволяющее сказать, что и тут дело двигает
русский человек Михаил Осипович Доливо-Доброволь-
ский. Он не только понял все важное значение замены
постоянных токов переменными, не только оценил всю
пользу трансформации токов, — он быстрее и полнее
самого Феррариса овладел идеей открытого им вра-
щающегося магнитного поля и первый опередил амери-
канцев, устроив сильный (100 сил) электродвигатель
с трехфазным током».
Творец системы трехфазного тока непрестанно рабо-
тал над тем, чтобы передавать электроэнергию возмож-
но дальше и с наименьшими потерями. Он первый ука-
зал на предел возможностей трехфазной системы и
начал исследования над применением для сверхдальних
магистралей постоянного тока сверхвысокого напря-
жения.
Множество глубоких и ценных мыслей заложено
в сочинениях Доливо-Добровольского. Долгие годы они
еще будут оплодотворять и двигать вперед электротех-
нику.
ГЛАВА ПЯТАЯ
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ
5-1. Энергопотоки
Почти три четверти всей выработанной на электро-
станциях энергии потребляется двигателями на фабри-
ках и заводах. Часть переменного тока превращается
ртутными преобразователями в постоянный ток и в этом
виде потребляется электрифицированным транспортом
и установками электролиза (для производства алюми-
ния, магния, рафинирования меди). Примерно 10%
идет на освещение, остальное — на промышленные элек-
трические печи.
На рис. 5-2 не показана энергия, потребляемая в ви-
де токов высокой частоты. Радиопередающие станции —
это незначительный потребитель энергии. Все вместе
взятые они потребляют меньше 1%. В несколько раз
больше высокочастотной электроэнергии потребляется
в промышленности для плавки металлов, для нагрева
стали под поверхностную закалку, для нагрева различ-
ных изоляционных и полупроводящих материалов. Вы-
сокочастотная энергия вырабатывается из трехфазного
тока главным образом при помощи преобразователей
с электронными и ионными лампами. Применения высо-
кочастотной энергии все расширяются, и через несколь-
ко лет на диаграмме "энергопотоков придется чертить
высокочастотный ручеек. Это будет весьма весомый по-
требитель в общем энергобалансе.
Медные или алюминиевые проводники, окруженные
воздухом или бумагой (реже применяются другие виды
изоляции, например резина), направляют энергетиче-
ские реки. Изоляция большей частью стоит дешевле
проводников, и усилия энергетиков направлены на то,
чтобы возможно меньше расходовать металла в медных
или алюминиевых руслах. энергетических рек. Элек-
трическая энергия многократно трансформируется
(рис. 5-1), напряжение ее сначала повышается (после
генераторов), а затем в несколько ступеней понижает-
ся. Это снижает потери в линиях передачи и расход
металла в них.
В современных энергосистемах миллионы ламп,
электродвигателей, множество электролизных ванн, пе-
253
Рис. 5-1. Примерная схема электроснабжения потребителей от районной электростанции.
Слева находится районная электростанция — ГРЭС. От ее сборных шин ПО кв отходит несколько линий электропереда-
чи. Одна из этих линий—Л\ питает узловую районную подстанцию А. От сборных шин первичной стороны этой под-
станции питаются напряжением ПО кв понижающие подстанции Б, В, Г. На схеме показана только одна ГРЭС, но
часто узловые районные подстанции бывают связаны с несколькими ГРЭС.
На подстанции А электроэнергия трансформируется со НО кв на два вторичных напряжения 6 или 10 кв и 35 кв при
помощи трехобмоточных понижающих трансформаторов.
Сеть 35 кв может отходить на десятки километров от подстанции. На этом напряжении питают большие районы.
Протяженность линий 6—10 кв обычно не больше 10 км.
Б и Г — тупиковые или конечные подстанции, на них заканчиваются линии электропередачи Л2 и Л4. Подстанция В—
проходная, через ее шины питается подстанция Г. От тупиковой подстанции Г показано несколько вариантов питания по-
нижающих подстанций Д, Е, Ж, 3, И. Вторичное напряжение этих понижающих подстанций чаще всего бывает 6 или
10 кв. Однако существуют и 35-кв подстанции на вторичное напряжение 380/220—500 в.
Буквами Ф обозначены 6—10-кв линии (фидеры). Маленькие подстанции с 6—10 кв на 380/220 в называются трансфор-
маторными пунктами — ТП. ФП — фидерный пункт. На нем энергия не трансформируется, а имеются только сборные
шины, от которых расходятся линии на отдельные мелкие ТП.
Если подстанция предназначена для питания предприятия (или одного из его цехов), то может оказаться необходимым
иметь два вторичных напряжения — одно для силовой нагрузки, а второе для электроосвещения. С двумя вторичными
напряжениями выполнена заводская подстанция ЗП.
Электродвигатели присоединяются к шинам силовой нагрузки
(380 или 500 в) индивидуально (ДО или группами (Д2) через силовые сборки С, устанавливаемые в производственных
цехах. Питание небольших подстанций отдельными линиями прямо от шин питающей подстанции, по типу
фидера Ф1 нецелесообразно вследствие большого расхода кабелей и большого числа фидеров на питающей
подстанции (большой расход электрооборудования, большие первоначальные затраты). Более целесообразно питать ряд
небольших подстанций от фидерного пункта ФП.
В сетях 6—10 кв несколько ТП часто включаются цепочкой на один фидер, что также дает экономию электро-
оборудования и удешевляет сооружение питающей подстанции сети.
ФП и ТП бывают проходные и тупиковые.
Все показанные на схеме линии передачи электроэнергии могут выполняться как воздушными, так и кабельными.
На пути от генераторов ГРЭС до токоприемников электроэнергия подвергается многократной трансформации с одного
напряжения на другое и проходит ряд линий электропередачи, протяженность которых в сумме может значительно пре-
вышать сотню километров. Некоторая часть энергии теряется на нагревание трансформаторов и проводов линии.
Надежность и экономичность всей системы энергоснабжения зависит от правильного выбора конфигурации сетей, от
правильного выбора напряжений в ее отдельных участках.
С повышением напряжения уменьшается расход меди или алюминия в линиях передачи электроэнергии. Зато удоро-
жается изоляция этих линий. По мере повышения напряжения увеличивается стоимость повышающих и понижающих
трансформаторов, увеличиваются размеры установок. Повышаются также и эксплуатационные расходы на обслужи-
вание сетей и преобразовательных подстанций.
Наивыгоднейшая конфигурация сети, 1наивьпх)днейшие напряжения на ее звеньях определяются подробными
технико-экономическими подсчетами. О таких расчетах будет речь в главе седьмой.
чей и других потребителей питаются от общей сети.
Все это ныне кажется естественным и само собой ра-
зумеющимся. Но такая система распределения и управ-
1007,
Злектронагрей
и электролиз
Рис. 5-2. Распределение потоков энергии по линиям передачи раз-
личного напряжения.
На схеме показано распределение энергии между различными видами по-
требителей и потери энергии на разных участках системы передачи и
распределения энергии. Потоки и потери даны в процентах от всей энер-
гии, выработанной на центральной электрической станции.
ления электроэнергией не есть нечто незыблемое, за-
стывшее. Возникла вся эта система не так уже давно,
и развитие ее продолжается.
256
Еще в 1879 г. П. Н. Яблочков в своей публичной
лекции, читанной в Русском техническом обществе,
должен был убеждать своих слушателей, что: «...осве-
щение можно производить, не помещая машины в доме
вовсе, а пользуясь током, как пользуются газом или
водой. Нет никакой надобности устанавливать отдель-
но в каждом месте освещения источники тока. Стоит
только от сильного источника электричества провести
один общий проводник по улице, как ведется маги-
стральная труба, и в тех местах, где нужно освещение,
припаивать к нему побочный проводник».
Развитие передачи и распределения электрической
энергии началось с применения постоянного тока низ-
кого напряжения (ПО—220 в). Затем стали строиться
электростанции однофазного переменного тока. Они
предназначались главным образом для питания освети-
тельной нагрузки.
В 1888 г. М. О. Доливо-Добровольский изобрел и
построил трехфазные асинхронные двигатели, трехфаз-
ные трансформаторы, создал теорию передачи энергии
трехфазным током. Вся современная электрификация
основана на применении этой системы.
Выбор напряжения для передачи энергии, выбор
мест расположения трансформаторов, потеря энергии
при ее передаче и распределении — все это связано
со множеством технических и экономических факто-
ров.
В первые послевоенные годы на каждый киловатт
мощности, установленной на электростанциях СССР,
расходовалось 54 кг цветных металлов, приведенных
к меди.
В самих генераторах затрачивается всего четверть
килограмма меди на каждый киловатт, еще меньше —
в распределительном устройстве электростанции: одна
десятая килограмма. Около двух десятых” килограмма
меди на каждый киловатт тратится в проводах и кабе-
лях станции. Всего на всей электростанции тратится
0,7 кг меди на каждый киловатт.
В высоковольтных сетях также идет немного про-
водникового материала — около 5,5 кг меди и 2,5 кг
алюминия на каждый установленный киловатт.
Основное количество цветного металла тратится
в распределительных сетях низкого напряжения. На
17 Г. И. Бабат. 257
промышленных предприятиях с двигательной нагрузкой
в низковольтных сетях расходуется около 18 кг на каж-
дый установленный киловатт.
5-2. Защита от врагов
Множество опасностей грозит разветвленной энерге-
тической системе. Воздушные линии электропередач
протянуты высоко над землей. В них может ворваться
дикое атмосферное электричество. Волны перенапряже-
ний могут пробить изоляцию линии, замкнуть ее про-
водники накоротко. Волны перенапряжений могут побе-
жать к концам линии, прорваться к аппаратуре под-
станций, повредить изоляцию трансформаторов, ка-
белей.
От множества причин может возникнуть поврежде-
ние изоляции между проводниками или внутри аппара-
тов энергетической системы. Изоляторы стареют, уста-
ют, подвергаются механическим разрушениям. Во всех
этих случаях возникает короткое замыкание (к. з.).Как
только в изоляции пробита брешь, в нее бросается ток
короткого замыкания. Он может расплавить провода,
вызвать пожары. Короткое замыкание — основной враг
энергетических систем. Борьба с ним — главная задача
службы защиты.
Но и короткое замыкание может быть разное. Когда
происходит авария на шинах крупной электростанции,
токи короткого замыкания достигают многих тысяч
ампер, мощность короткого замыкания — сотни тысяч
киловольтампер. Но такие случаи не часты. Мелкие же
короткие замыкания происходят в энергосистеме тыся-
чами в сутки: домохозяйка включит неисправную элек-
троплитку, ее юный наследник сунет в исследователь-
ских целях согнутый гвоздь в штепсельную розетку,
студент в лаборатории неправильно соединит концы
трансформатора. Но каково бы ни было короткое замы-
кание, оно не должно отзываться на всей энергосистеме.
Защита должна отключить поврежденный участок.
В службе защиты участвуют прежде всего предохра-
нители, автоматические выключатели и разрядники.
Разрядники ликвидируют перенапряжения между от-
дельными частями установок или между установками и
землей. Разрядники срабатывают под действием избы-
258
точного напряжения. Они пропускают через себя избы-
точные заряды. Разрядники можно сравнить с предо-
хранительными клапанами на паровых котлах.
Иную задачу решают выключатели и предохраните-
ли: они дают путь полезным токам, токам нормального
режима, токам нагрузки, и они же преграждают дорогу,
разрывают цепь для вредных аварийных токов — токов
короткого замыкания, токов, наведенных ударом
молнии.
Самый старый, самый простой и самый распростра-
ненный способ защиты электрических установок от то-
ков перегрузки и токов короткого замыкания — это
плавкие предохранители.
5-3. Пробки и жучки
Плавкий предохранитель — это участок проводки,
имеющий более тонкое сечение, нежели вся остальная
часть. С повышением тока этот участок нагревается
сильнее всего и в конце концов плавится и разрывает
цепь. Можно подобрать множество механических и
иных аналогий плавкого предохранителя. Шестерни
часто крепят на валу с таким расчетом, чтобы при чрез-»
мерной нагрузке шпонка, на которой они сидят, среза-
лась. Это предотвращает поломку зубьев. У зайца на
спине кожа настолько тонкая, что, сильно рванувшись,
он может уйти, оставив только лоскут шкуры в зубах
или лапах преследователя. У ящерицы такой предохра-
нитель в хвосте.
Электрический плавкий предохранитель состоит из
плавкой вставки и ее держателя. Чем больше сверхток
через вставку, тем быстрее она перегорает. Размеры
вставки подбираются так, чтобы при двойной нагрузке
она перегорала за время не более 1 мин, а при полутор-
ной нагрузке — за время не больше 10—15 мин.
В разветвленной сети плавкие вставки делаются тем
тоньше, чем меньше сечение тех проводов, в которых
они стоят. Этим обеспечивается избирательное пе-
регорание. Перегорает только предохранитель, ближай-
ший к месту повреждений.
Для защиты осветительных установок и электродви-
гателей малой и средней мощности чаще всего приме-
няются предохранители, в которых плавкая вставка
17* 259
хранитель новую такую
укреплена в фарфоровой пробке. Пробочные предохра-
нители делают с малой резьбой на токи от 2 до 10 а?
с нормальной резьбой — от 6 до 20 а, с большой резь-
бой от 10 до 60 а.
Взамен сгоревшей пробки надо ввинчивать в предо-
же. Но каких только инород-
ных тел не суют в предохрани-
тели! Смятую в комок алюми-
ниевую фольгу — обертку от
чая и конфет, гвозди, головные
шпильки, комки провода — все
это «жучки».
Такой жучок — это уже не
самое слабое, а самое прочное
место в электрической цепи.
Когда ток превысит норму, до-
пустимую для данной провод-
ки, жучок не перегорит, не
предохранит, не защитит про-
водку. Начнут гореть провод-
ники, за ними обои, обстанов-
ка, стены. В самом лучшем
случае сгорят предохранители,
которые стоят перед жучками,
и лишится питания большая
группа абонентов.
Пробки годятся для напря-
жений до 500 в и токов до
60 а. Для больших токов ста-
вят пластинчатые и трубчатые
предохранители (рис. 5-3). По-
следние могут разрывать токи короткого замыкания до
5 000 а при напряжениях до 500 в.
Трубчатыми же предохранителями можно защищать
и высоковольтные цепи. Плавкую вставку помещают
в широкую фарфоровую трубу, а зазор между трубой и
проволокой засыпают чистым песком, мраморной крош-
кой, тальком. Дуга, возникающая при перегорании встав-
ки, разбивается на отдельные мелкие дуги среди крупи-
нок заполнителя и быстро гаснет.
Часто делают вокруг плавкой вставки асбестовый
чехол, который пропитывается борной кислотой. Элек-
трический разряд испаряет ее, и газы задувают дугу.
260
Рис. 5-3. Трубчатый плавкий
предохранитель на напряже-
ние 380 в и ток 100 а.
1 — фарфоровая трубка; 2 —
плавкая вставка; 3 — губки; 4—
ножи; 5 — пружины; 6 — кон-
тактные болты; 7 — изоляцион-
ное основание.
Подобные предохранители при напряжении 6 тыс. в
могут надежно отключать мощность короткого замыка-
ния до 20 тыс. ква.
Существуют и еще более мощные предохранители —
стреляющие. Они годятся для высоких напряжений до
220 тыс. в и могут отключать мощность короткого замы-
кания до 2,5 млн. ква.
Но все предохранители — это приборы однократного
действия. Сгорела плавкая вставка — и ее надо заме-
нять новой. Конечно, такую замену можно автоматизи-
ровать. Были даже предложения применять плавкие пре-
дохранители для дозировки сварочного тока: включать
между питающей цепью и сварочным трансформатором
плавкую вставку, с тем чтобы, сгорая, она отмеряла оп-
ределенную порцию энергии для свариваемой точки.
Предлагалось даже построить автоматы, которые могли
бы быстро менять вставку за вставкой.
Но автоматически действующие многократные плав-
кие предохранители — это слишком сложные устройства.
Механический выключатель, в отличие от плавкой
вставки, способен много раз подряд разрывать и замы-,
кать цепь тока. Для защиты электрических установок
мощностью больше нескольких киловатт широко приме-
няются автоматические выключатели.
5-4. Короткое замыкание на сборных
шинах
В первую производственную практику студенту из
нашей бригады (тому самому, что неудачно пытался
отоспаться в котле во время ночной смены) поручили
протянуть новую линию над старым распредустройством
380/220 в.
С гаечным ключом в руках наш товарищ взобрался
на верх железного каркаса. Под балкой, на которую он
уселся верхом, были расположены сборные шины. Рас-
пределительное устройство имело мощность около
1 тыс. кет. Сборные шины были выполнены из укреплен-
ных на ребро медных полос толщиной и шириной
в ладонь.
Шины были под напряжением. В низковольтных рас-
предустройствах на 380/220 в монтерам часто приходится
так работать, не выключая напряжения во всех смежных
261
с местом работы шинах. В данном случае шины нахо-
дились достаточно далеко внизу от верха каркаса, на ко-
тором орудовал практикант.
Вдруг вспыхнуло ярчайшее пламя, и послышались
гулкие удары: гуп, гуп... это гаечный ключ выскользнул
из рук практиканта и грохнулся прямо на шины. Ключ
прыгал на шинах, как, говорят, прыгает живая рыба,
брошенная на раскаленную сковородку. Ток короткого
замыкания, протекавший через ключ, вызывал огромные
динамические усилия.
— Что тут происходит? — закричал старший монтер.
Пока он добежал к нам, дуга пережгла ключ. Оплавив-
шиеся обломки упали под щит. Все стихло.
— Зажгите свет, и я спущусь за ключом, — отозвал-
ся наш товарищ.
Нас охватил ужас. Освещение в цехе не погасло.
Это яркая дуга на шинах ослепила практиканта. Он ши-
роко открывал глаза, но его окружала кромешная тьма.
Мы сняли его и под руки отвели в амбулаторию. До-
рогой я все думал о грустной грядущей судьбе постра-
давшего. Но через несколько часов он прозрел. Разло-
жившееся под влиянием яркой вспышки светочувстви-
тельное вещество сетчатки восстановилось. Осталась
только в течение нескольких дней резь в глазах.
Вся аппаратура подстанции совершенно не пострада-
ла отэтого короткого замыкания. Сборные шины, на ко-
торых 'произошло короткое замыкание, питались от транс-
форматоров, снабженных максимальной токовой защи-
той. Защита сработала и немедленно ликвидировала
аварию. Только незначительные щербины от подгара
остались на шинах.
Современные выключатели с автоматическим управ-
лением способны разрывать и в сотни раз большие мощ-
ности.
Выключатели служат для защиты и для управления
электроэнергией.
От генераторов, прежде чем попасть на сборные ши-
ны, ток проходит через выключатели. Через выключатели
же соединяются между собой части коммутационной
схемы электростанции. Отдельные потребители — и соб-
ственные нужды, и дальние линии передач — присоеди-
няются к сборным шинам электростанции также через
выключатели.
262
При помощи выключателей переводят нагрузку с од-
ного генератора на другой. Выключатели отсоединяют
от системы аппараты и линии, и целые электростанции,
с которыми произошла авария.
Пожалуй, выключатель — это один из самых ответ-
ственных приборов на электростанции. Да что там на
электростанции — во всей энергетической системе. Боль-
ше того, во всей электротехнике выключатель — важней-
шее звено. Управлять электрической энергией так же
важно, как и производить ее.
5-5. Выключатели для малых мощностей
Чтобы зажигать и гасить лампы, пускать в ход ма-
ленькие электродвигатели, кипятильники, плитки, приме-
няют совсем простые устройства. Две медные пружинки
прижимаются одна к
другой и замыкают
цепь тока. Поворот
барабанчика или на-
жим кнопки раздвига-
ет эти пружинки, они
отходят одна от дру-
гой. Электрический
контакт между ними
нарушается, цепь тока
прерывается.
Если ток не превы-
шает нескольких ампер
Рис. 5-4. Рубильник трехфазного тока
с ножами, расположенными за щитом.
и напряжение в цепи
всего 100—200 в, то разрыв тока между простыми мед-
ными пружинками сопровождается лишь слабой искрой.
При частом включении и выключении контакты, разры-
вающие ток, могут износиться — скорее от механическо-
го истирания, чем от электрического подгара (электро-
эрозии, как часто называют электрический износ). Боль-
ше миллиона включений и выключений выдерживает хо-
роший выключатель для малых мощностей, т. е. для
мощностей меньше 1 кет. Но когда разрывают ток боль-
ше 10 а, между контактами выключателя возникает ду-
говой разряд. Он может расплавить контакты, сжечь ихч
Чем быстрее раздвигаются контакты, тем меньше’
энергии успевает выделиться в дуге, тем легче дуга гас-
нет, тем меньше износ контактов.
263
5-6. Спасение в быстроте
Для улучшения действия выключателей их снабжают
сильной пружиной. Она дергает контакты и быстро раз-
водит их. Такой выключатель резко щелкает при вклю-
чении и выключении. Это прибор моментального дейст-
вия. В нем нет такого положения, чтобы контакты мед-
Рис. 5-5. Самолетный выключатель.
Латунный штампованный корпус 1 приклепан к металлической па-
нели 2 и текстолитовой панели 3, в которой вмонтированы два кон-
такта 4 с зажимными винтами 5. Контактное коромысло 6 произво-
дит переключение при помощи металлической ручки 7. В ручке
помещена спиральная пружина 8 и штифт из изоляционного мате-
риала 9,
ленно, постепенно отходили один от другого и чтобы при
этом между контактами тянулась обжигающая дуга.
При плавном нажатии на этот выключатель в нем сна-
чала заводится пружина, а потом уже резким рывком
отскакивают один от другого контакты. Таким же резким
рывком контакты соединяются при обратном плавном
нажатии приводного рычага или кнопки (рис. 5-5).
Но когда отключаемая мощность больше 10 кет, то
пружина плохо помогает, особенно при постоянном токе.
Дуга постоянного тока очень устойчива. Она может рас-
тянуться на несколько сантиметров, продолжая гореть
и сжигая контакты.
264
5-7. Свинки
В стеклянную или фарфоровую трубку впаивают два
контакта и наливают каплю ртути. Воздух из трубки вы-
качивают и заменяют водородом, после чего трубку тща-
тельно запаивают.
При повороте трубки ртутная капля то замыкает со-
бой контакты, то уходит в один конец, разрывая цепь
Рис. 5-6. Ртутный выключатель.
Слева показана стеклянная ампула, в которую впаяны два молибденовых
проводника. Внутри ампулы находится капля ртути. При наклоне ампулы (как
показано на рисунке) цепь между молибденовыми контактами разорвана. При
повороте ампулы в горизонтальное положение ртуть замыкает контакты.
Справа — электромагнитное реле с ртутным выключателем. Ртутный выклю-
чатель укреплен на качающемся коромысле. К левому концу коромысла под-
вешен якорь, втягивающийся в катушку.
тока. Этот ртутный выключатель иногда называют «свин-
кой».
Разрыв тока происходит в этом выключателе между
двумя ртутными каплями, атмосфера водорода способ-
ствует быстрому гашению дуги. При небольших токах
«свинки» работают очень устойчиво и надежно. Так как
контакты у них окружены герметически запаянной обо-
лочкой, то они не боятся никаких загрязнений, могут ра-
ботать в пыльном помещении, насыщенном вредными
газами и парами.
Ртутные выключатели часто применяются в разного
рода реле и контрольных устройствах. Трубочка с ртут-
ной каплей крепится на якорь электромагнита, и поворот
26?
якоря вызывает включение или выключение управляемой
цепи.
Иногда внутрь трубки поверх ртути пускают желез-
ный поплавок. Снаружи помещают катушку. При вклю-
чении в нее тока катушка магнитными силами тащит
железный поплавок вниз, топит поплавок в ртути. Уро-
вень ртути подымается, и она замыкает контакты. А пре-
кратится ток в катушке — железный поплавок всплывет,
ртуть от контактов отхлынет, и прервется цепь главного
тока.
Но для больших токов ртутные выключатели не го-
дятся. При попытке разрывать ими мощность больше не-
скольких киловатт трубочка, содержащая ртуть, растре-
скивается на части от нагрева дугой.
Вспомогательные тины
постоянного тока
Рис. 5-7. Схема управления ВАБ — выключателем автоматическим
быстродействующим.
/ — держащая катушка; 2 — включающая катушка; 3 — катушка главного то-
ка; 4 — катушка магнитного дутья; 5 — промежуточное реле; 6 — блокирующее
реле; 7 —добавочное сопротивление; 8— коммутатор автомата; 9 — разрядное
сопротивление.
Вкл. — кнопка включения, Откл. — кнопка выключателя, ЛК и ЛЗ — лампа
красная и лампа зеленая для сигнализации положения автомату.
266
которых дугу
задувают
Рис. 5-8. Внешний вид вы-
ключателя-автомата с маг-
нитным дутьем (схема управ-
ления показана на преды-
дущем рисунке).
Этот выключатель способен раз-
рывать большие мощности по-
стоянного тока. Полное время
отключения—около одной сотой
секунды. Подобные выключате-
ли стоят на подстанциях, пита-
ющих трамвай, метро и электри-
фицированные железные дороги.
сердечниками, так
катушек распола-
раз напротив места
5-8. Магнитное дутье
В трамваях, троллейбусах, поездах метро приходится
включать и переключать электродвигатели постоянного
тока мощностью в десятки и сотни киловатт. Это делает-
ся при помощи контакторов, в
магнитные силы.
В цепь контакторов посто-
янного тока включаются ка-
тушки. Они бывают как со
стальными
и без них. Эти катушки или
сердечники
гаются как
расхождения контактов. Дуга,
которая возникает между кон-
тактами при их расхождении,
увлекается магнитными линия-
ми катушки. Дуга — ведь это
токонесущий проводник. Прав-
да, проводник газовый, не ме-
таллический, но магнитные
силы одинаково действуют на
любой проводник. Они всегда
стремятся вытолкнуть провод-
ник из занимаемого им прост-
ранства, из магнитного поля.
Магнитные силы тащат про-
водник поперек магнитного по-
тока. Они растягивают элек-
трическую дугу, увеличивают
падение напряжения в ней и в
конце концов рвут дугу. Это и
называется магнитным дутьем.
Все мощные выключатели
постоянного тока выполняют-
ся с магнитным дутьем. Такие
выключатели хорошо действуют
пи до нескольких тысяч вольт и
ки до тысяч ампер.
Но на переменном токе магнитное дутье плохо дей-
ствует. Раз ток в дуге переменный, то магнитные силы
тянут его то в одну, то в другую сторону и не успевают
растянуть дугу.
при напряжениях в це-
разрывают надежно то-
267
З-д. Масло и огонь
Старинная пословица не советует лить масло в огонь.
Но именно так решили поступить электрики в конце
прошлого столетия, когда появились мощные генераторы
переменного тока, линии дальних передач, разветвлен-
ные кабельные сети и пришлось включать и выключать
на переменном токе большие мощности. Тогда было
предложено погрузить контакты выключателя в бак
с минеральным маслом — производить разведение кон-
тактов, разрыв тока под толстым слоем масла.
Масло берут с высокой температурой 'вспышки, т. е.
такое, что загорается только в очень горячем состоя-
нии. В том месте, где между контактами возникает элек-
трическая дуга, воздуха нет. Поэтому дуга не поджигает
масла, а, наоборот, сама гаснет быстрее, чем в воз-
духе.
Электрическая прочность масла значительно больше,
чем воздуха. В воздухе зазор в один сантиметр никак
не выдержит напряжения больше 30 000 в, а часто может
пробиться при более низком напряжении. А слой масла
толщиной в 1 см может противостоять напряжению до
100 000 в.
В масле, чтобы получить надежный разрыв цепи,
можно раздвигать контакты на меньшее расстояние, чем
в воздухе.
Масляные выключатели—короче, маслянники, или,
еще короче, ВМ — весьма распространены в современ-
ной электротехнике.
Чем выше рабочее напряжение масляного выключа-
теля, тем крупнее его изоляторы, тем на большее рас-
стояние раздвигаются его контакты при отключении, тем
больших размеров бак выключателя.
Выключатель на 220 000 в — это огромное сооруже-
ние. В старых конструкциях в один бак входила целая
железнодорожная цистерна с маслом. Такие выключате-
ли ставятся на открытом воздухе, они не боятся ни дож-
дя, ни снега (рис. 5-9).
Масляные выключатели на напряжение 10 000 в очень
распространены в энергосистемах. Они ставятся на
подстанциях, которые питают отдельные фабрики и за-
воды.
Хотя электрики возлагают на ВМ ответственное дело
защиты от аварий, но .полного доверия к ВМ все же нет.
268
15
Рис. 5-9. Масляный вы-
ключатель на 220 000 в.
1 — маслоуказатель, изолято-
ра — стеклянный колпак, в
котором виден уровень мас-
ла; 2 т- проходной изолятор,
заполненный маслом; 3 —
встроенный в выключатель
трансформатор тока. К этому
трансформатору присоеди-
няется амперметр для. изме-
рения силы тока в линии и
защитные реле; 4 — привод-
ной механизм, связывающий
привод с подвижной частью
выключателя; 5 — приспособ-
ление для измерения напря-
жения; 6 — траверса, переме-
щающаяся вверх и вниз (при
включении и отключении).
На траверсе укреплены по-
движные контакты 7. Сплош-
ными линиями показана тра-
верса в положении «вклю-
чено*, пунктиром (виизу) в
прложении «выключено*; 8—
дугогасящая камера, вну-
три которой происходит
разрыв тока; 9 — стальной
бак выключателя. Изнутри
бак обложен листами 10
изоляционного материала;
11 — лапы для крепления к
фундаменту; 12 — масляный
буфер. Он смягчает удар
траверсы при отключении;
13 — вентиль для выпуска
масла из бака; 14 — направ-
ляющие, по которым движет-
ся траверса; 15 — трубка для
выхода воздуха из изолято-
ра; 16—зажимы для присо-
единения проводников к вы-
ключателю; 17 — внешняя
фарфоровая рубашка изоля-
тора выключателя; 18 — бу-
мажные цилиндры с металлическими прокладками для равномерного рас-
пределения напряжения по изолятору. Такой ввод называется конденса-
торным.
Дуга между контактами может погаснуть недостаточно
быстро. В баке выключателя скопляется тогда большое
количество газов, продуктов разложения масла, и бак
взрывается. Известен случай пожара от взрыва масло-
наполненных аппаратов на электростанции Клингенберг
(в Берлине). Этот пожар тушили пожарные команды
всего города.
Такие аварии крайне редки. Но электротехнические
правила и нормы не допускают установки ВМ в обычных
производственных помещениях. Для масляных выключа-
телей строят специальные взрывные камеры. Внизу под
269
взрывными камерами сооружают большие ямы со слоем
щебня на дне. Там должно собираться разлившееся при
взрыве масло.
Подобные камеры строятся и на электростанциях, и
на подстанциях, и на заводах. Впечатлительным практи-
кантам эти взрывные камеры кажутся страшными, как
пороховые погреба. Но, повторяю, случаи аварий с мас-
ляными выключателями очень редки.
5-10. Горшки
Для больших токов (600 и более ампер) часто строят
выключатели с малым объемом масла—горшковые вы-
ключатели ВМГ, МГГ, МГФ (масляный выключатель
горшко1вый, генераторный или фидерный). В них бак
маленький, на несколько десятков килограммов масла.
Поэтому его и называют горшок, а не бак. Зато этот
горшок очень прочен. Он испытывается на давление
в 100 ат. С таким выключателем аварии очень мало ве-
роятны.
Горшковые выключатели строят на напряжение 10 кд
и на предельную мощность отключения до полутора мил-
лионов киловольтампер.
5-11. Пластинчатые дугогасители
Ток в выключателе прекращается тем скорее, чем
быстрее убираются из пространства между его контак-
тами носители электрических зарядов — ионы. Вообще
говоря, ионы мало живучи. Они теряют свои заряды и
превращаются в нейтральные молекулы, оседая на по-
верхностях металлов или изоляторов. Этот процесс ис-
чезновения ионов называется деионизацией. Чтобы ее
ускорить и улучшить, между контактами выключателя
помещают стальные пластины, целый ряд изолирован-
ных, отстоящих на несколько миллиметров одна от дру-
гой стальных пластин.
Впервые подобную конструкцию предложил М. О. До-
ливо-Добровольский в 1912 г. Он назвал этот набор изо-
лированных пластин искрогасительной решет-
кой. Доливо-Добровольский построил несколько образ-
цов своих выключателей. Они были испытаны и показа-
ли хорошие результаты. Но в то время мощность элек-
270
Рис. 5-10. Гашение дуги
в деионной решетке.
Впервые подобные решетки бы-
ли предложены М. О. Доливо-
Добровольским.
трических установок была еще невелика. Не представ-
ляло затруднений отключать и рабочие, и аварийные то-
ки при помощи более простых выключателей.
Через два десятилетия мощности и токи в электриче-
ских сетях значительно возросли, и тогда электрики
вспомнили о предложении Доливо-Добровольского. Вы-
ключатели с его решетками
стали широко применяться.
Это было уже после смерти
Доливо-Добровольского. Вы-
ключатели с решетками До-
ливо-Добровольского выпу-
скаются электропромышлен-
ностью Советского Союза.
В настоящее время эти ре-
шетки обычно называют
д е и о н н ы м и.
При расхождении контак-
тов выключателя магнитные
и тепловые силы увлекают
электрическую дугу внутрь
деионной решетки. Дуга раз-
рывается на множество от-
дельных коротких дуг. Сталь-
ные пластины энергично от-
сасывают из дуги заряжен-
ные частицы. Деионная ре-
шетка облегчает разрыв тока. Такие решетки применя-
ются и в масляных, и в воздушных выключателях
(рис. 5-10). Можно разбивать дугу на части не только
деионной решеткой. Иногда включают последовательно
одну за другой несколько пар контактов, и при отключе-
нии тока все эти контакты одновременно разводят. На
каждую пару контактов приходится при разрыве только
часть полного напряжения сети. Выключатели с много-
кратным разрывом применяются для самых высоких на-
пряжений и для самых больших мощностей.
5-12. Отказ от масла
Масляные выключатели применяются в электротехни-
ке много десятилетий. Они все время совершенствуются
и улучшаются. И все-таки у электриков остается ка-
271
Рис. 5-11. Дугогасительное устройство воздушного вы-
ключателя на напряжение 110 кв.
1 и 2 — фарфоровые изоляторы, являющиеся внешним кожухом
гасительной камеры; от земли гасительная камера изолируется
подобным же полым фарфоровым изолятором; 3 и 4 — изолирую-
щие бакелитовые цилиндры; 5 и 6 — стальные фланцы, закры-
вающие сверху и снизу гасительную камеру.
Чтобы произвести отключение, по трубе 10 подается сжатый
воздух, который поступает внутрь бакелитовых цилиндров 4.
Через отверстия 7' и 8' сжатый воздух поступает внутрь контакт-
ных цилиндров 7 и 8, давит на поршни 11, 12. Поршни увлекают
подвижные контакты 13, 14. Возникают два разрыва тока: меж-
ду контактами 13—15 и 14—16. Сжатый воздух врывается во
внутренние полости трубок 13, 14 и через выхлопные отверстия
9 и 10 выходит наружу. Под действием потока воздуха дуга
растягивается и разрывается, как это показано стрелками на
правом рисунке. Через 0,02 сек дуга гаснет.
После прекращения подачи сжатого воздуха в цилиндр 4 кон-
такты выключателя вновь сходятся под действием пружин 17 и
18. Но к этому времени уже оказывается разомкнутым разъ-
единитель, включенный последовательно с главными контактами.
272
Рис. 5-12. Общий -вид воздушного выключателя.
кое-то чувство неудовлетворенности. Хочется найти луч-
шее средство для гашения электрической дуги, нежели
огромные баки с маслом.
В горшковых выключателях количество масла значи-
тельно снижено. Еще меньше масла требуется в рас-
ширительных выключателях. В них газы, об-
разующиеся при возникновении дуги между контактами,
18 Г. И. Бабат. g73
сначала накапливаются и сжимаются в камере, а затем,
вырываясь через щели, резко расширяются, выдувают
дугу и за несколько полупериодов гасят ее. В расшири-
тельном выключателе находится не более 0,5% того ко-
личества масла, которое требуется для старого выклю-
чателя с большим объемом.
Строились водяные выключатели. В них дуга га-
сится парами воды и водородом, который выделяется
при ее разложении током. Но для напряжений выше
35 кв трудно осуществить в них достаточно хорошую
изоляцию.
Давно делались предложения задувать электриче-
скую дугу просто струей .воздуха. Но1выс|акавольтная ду-
га — не пламя свечи, слабым дуновением мощный элек-
трический разряд .не задуешь. Нужен сжзатый газ под дав-
лением нескольких атмосфер, чтобы прервать электриче-
ский разряд при большой силе тока и высоком напря-
жении.
Для гашения дуги воздушным дутьем нужны специ-
альные компрессоры, чтобы накачивать воздух, прочные
стальные баллоны для его хранения.
Для малых мощностей выключатели с воздушным
дутьем невыгодны, они слишком сложны, и их не приме-
няют. В мощных же высоковольтных установках пнев-
матические выключатели имеют много преимуществ пе-
ред масляными. Будущее принадлежит безмасляным вы-
ключателям.
Начали применяться конструкции пневматических вы-
ключателей (рис. 5-11, 5-12), в них под ударом воздуш-
ной струи контакты, которые рвут дугу, расходятся толь-
ко на короткое время. Но пока они держат цепь разор-
ванной, успевает отключиться последовательно соединен-
ный с ними простой контакт, не рассчитанный на разрыв
тока. Огромный рычаг, замыкавший прежде цепь, уходит
далеко вверх или вбок. Когда пневматические контакты
вновь сходятся, цепь тока уже разорвана.
Подъемный мост был важной частью рыцарского зам-
ка. Мост опускался через ров, чтобы дать дорогу друзь-
ям, а поднятый мост защищал от нападения неприяте-
лей.
Мощные высоковольтные выключатели напоминают
собой эти старинные мосты.
274
5-13. Выключатель выбирают не по потребителю,
а по сети
Ток включения, рабочий ток выключателя опреде-
ляется той нагрузкой, которая через него питается. Но
аварийный ток короткого замыкания — ток отключения
зависит только от данных питающей сети. Чем эта сеть
мощнее, тем больше будет аварийный ток. Ток корот-
кого замыкания турбогенераторов и гидрогенераторов
в несколько раз больше их номинального рабочего тока.
Мощность короткого замыкания, мощность, которую дол-
жен разорвать выключатель, также в несколько раз
больше номинальной рабочей мощности.
Когда на шинах турбогенератора в 100 тыс. кет про-
исходит короткое замыкание, то выключатель должен
разорвать цепь с мощностью в миллион или даже боль-
ше киловольтампер.
Мощный выключатель справляется со своей задачей.
Он рвет ток короткого замыкания в сотые доли секунды.
Но чем больше разрывная мощность выключателя,
тем он сложнее и дороже. Выключатель для дальних ли-
ний передач по размеру, пожалуй, не меньше старинного
подъемного моста.
Советские электрики непрестанно совершенствуют
выключатели, чтобы заставить их работать все более на-
дежно и чтобы служили выключатели возможно доль-
ше и стоили дешевле.
Много сделано во Всесоюзном электротехническом
институте (ВЭН), на заводах «Электроаппарат», «Урал-
электроаппарат».
5-14. Ограничители токов
Это — стеснительное обстоятельство, что высоко-
вольтный выключатель приходится выбирать не по по-
требителю, а по току короткого замыкания, который мо-
жет пройти через этот выключатель. На маленькой за-
водской подстанции приходится ставить мощный выклю-
чатель, если эта подстанция присоединена к мощной сети.
Иногда на подстанциях ставят специальные ограни-
чители токов короткого замыкания — реакторы. Это ка-
тушки, намотанные из толстого кабеля на прочном кар-
касе. Большей частью витки кабеля заливают в бетон хо-
18* 275
Рис. 5-13. Трехфазный реактор
для ограничения токов коротко-
го замыкания.
Обмотка 2 выполняется из гибкого
многожильного медного или алюми-
ниевого провода, изолированного
асбестом или кабельной бумагой.
Обмотка укладывается в ряды,
окружается формами и заливается
бетоном, который после затвердева-
ния образует колонны 1. Между ка-
тушками отдельных фаз поме-
щаются изоляторы 3.
ты: «прежде всего не вре-
дить». Ликвидация аварии должна происходить так,
чтобы не вызывать новой, еще более тяжелой аварии.
В какой-то точке сложной разветвленной сети про-
исходит короткое замыкание. По многим линиям и
трансформаторам хлынут токи перегрузки. Но нельзя
отключать сразу все, что перегрузилось. Такая защита
рошего качества (рис. 5-13).
Катушки-реакторы вклю-
чаются последовательно в
питающие линии.
Потери мощности в реак-
торах при прохождении
в них рабочего тока невели-
ки. Но зато реакторы умень-
шают мощность короткого
замыкания, уменьшают ме-
ханические усилия во всех
проводниках, облегчают ра-
боту выключателей.
5-/5. Часовые у подъемных
мостов
Если мы сравнили вы-
ключатели с подъемными
мостами у рыцарских зам-
ков, то значит, должны быть
и часовые, которые бы зорко
следили за тем, кто идет
к мосту: друг это или враг?
Такими часовыми слу-
жат защитные реле. Служ-
ба защиты — тонкая элек-
тротехническая наука. Труд-
но подчас бывает распо-
знать врага, он может спря-
таться под личиной друга.
И, наоборот, иной друг идет
с таким шумом и грохотом,
что неопытный часовой по-
считает его за врага.
Правило службы защи-
276
будет подобна действиям известного медведя из басня,
который булыжником сгонял муху со лба друга.
Защита должна прежде всего быть избирательной —
селективной, как часто говорят. Защита должна отклю-
чать только поврежденный участок. Остальные потреби-
тели не должны быть задеты, не должны понапрасну
лишаться питания.
Множество разнообразных реле применяется в совре-
менных энергетических системах.
Самые распространенные защитные реле — это токо-
вые, или, как их еще называют, реле максимального то-
ка. Пока ток в охраняемой таким реле цепи не превы-
шает определенного заданного значения, реле бездей-
ствует. Но как только ток превзойдет максимальную
уставку, реле сработает и разорвет цепь. Во многих слу-
чаях такие простые реле достаточны для защиты и от
перегрузок, и от коротких замыканий.
Но вот задача — пуск обычного асинхронного двига-
теля. Такие двигатели очень распространены. Миллионы
их работают в Советском Союзе. Пусковой ток этих дви-
гателей в несколько раз превышает нормальный рабо-
чий ток. Следовательно, если применить для защиты ма-
ксимальное мгновеннодействующее токовое реле, то
уставку его надо сделать так, чтобы оно и при этом пу-
сковом токе не отключалось. Но реле с уставкой на боль-
шой пусковой ток не будет защищать двигатель от
перегрузки. Нагрузят этот двигатель так, что через него
будет течь полуторный или даже двойной ток, а макси-
мальное реле — никакого внимания. Двигатель может
благополучно сгореть, а реле не сработает. Если же сде-
лать уставку на максимальном реле меньше двойного
номинального тока, то двигатель не удастся включить
в работу.
На помощь приходит реле с замедленным действием,
например тепловое реле. С одной из его простейших
форм практически знакомы не только специалисты-элек-
трики.
5-16. Ограничители бытовой нагрузки
Пожалуй, ни один электрический прибор не служил
причиной стольких ссор, как эти маленькие запломбиро-
ванные коробки, которые стояли где-нибудь в темном
277
углу, коридора и в самый неподходящий момент —
«щелк...!»—отсоединяли квартиру от сети, хотя решитель-
но все жильцы клянутся, что
Рис. 5-14. Ограничитель максималь-
ного тока с биметаллической пла-
стинкой.
Показана так называемая гофрированная
пластинка, которая способна разрывать
цепь значительной мощности. Две продоль-
ные прорези делят пластинку на три ча-
сти. Две крайние сделаны волнистыми,
а средняя находится в изогнутом и напря-
женном состоянии. Направление изгиба за-
висит от температуры пластинки. При изме-
нении температуры пластинка переходит из
одного изогнутого состояния в другое рез-
ким скачком, не задерживаясь в нейтраль-
ном положении. При разрыве тока сначала
отходит главный верхний контакт, а искра
затем проскакивает при разрыве нижних
вспомогательных контактов. Поэтому обго-
рания главных рабочих контактов не про-
исходит.
никакой перегрузки ни
у кого из них не было.
Эти коробки — огра-
ничители максимально-
го потребляемого тока
(можно их назвать и
ограничителями макси-
мальной потребляемой
мощности, так как на-
пряжение в сети имеет
постоянную величину
и, ограничивая ток, мы
тем самым ограничи-
ваем мощность) устрое-
ны весьма просто. Вну-
три находится пластин-
ка из двух разнород-
ных материалов — би-
металлическая пла-
стинка (рис. 5-14). При
изменении ее темпера-
туры она изгибается,
так как металлы рас-
ширяются неодинако-
во. Пластинка эта по-
догревается током
нагрузки. Пока ток
меньше установленно-
го предела, изгиб пла-
стинки невелик, цепь
тока остается включен-
ной. При повышении
нагрузки изгиб возра-
стает и пластинка вы-
ключает цепь.
После разрыва цепи биметаллическая пластинка на-
чинает остывать, и так как тепловая инерция ее невели-
ка, то через полминуты-минуту она снова включит сеть.
Если лишняя нагрузка к тому времени снята, то цепь
останется включенной. Если же нагрузка не снята, то
биметаллическая пластинка снова начнет перегреваться
278
и через несколько секунд снова — «щелк!» — разорвет
цепь. Ток все время будет включаться и выключаться,
пока один из соседей (с наиболее слабыми нервами) не
выключит свои нагревательные приборы.
Такие примитивные ограничители из одной биметал-
лической пластинки выполняются на ток в 5—10 а. Здесь
в одном приборе объединены реле и выключатель.
Для больших токов, для больших мощностей приме-
няются более сложные устройства.
5-/7. П ускатели для электродвигателей
Контакты, включающие электродвигатели, приводят-
ся в действие электромагнитом. Прервется ток в цепи
этого электромагнита — и главные контакты отсоединя-
Рис. 5-15. Магнитный пускатель на мощность
10 кет.
1 — дугогасители главных контактов; 2 — катушка
электромагнита; 3 — тепловой элемент для автомати-
ческого отключения двигателя при перегрузках; 4 —
кнопка возврата. При ее нажатии вновь заводится
после срабатывания тепловой элемент.
ются. В цепь электромагнита включена биметаллическая
пластинка, такая же как в бытовом ограничителе
(рис. 5-15 и 5-16).
Эта пластинка изгибается при нагревании и этим вы-
ключает цепь тока. Вокруг этой пластинки нагреватель —
тепловой элемент, по которому проходит весь или часть
тока двигателя,
279
Быстро проходящий толчок тока при пуске двигателя
не нагреет биметаллическую пластинку. От кратковре-
менного толчка тока это реле не сработает, так как оно
имеет тепловую инерцию. Но если повышенный ток бу-
Рис. 5-16. Схема управления магнитным
пускателем.
Д — двигатель трехфазного тока; 1 — главные
контакты; 2 — блокировочные контакты; 3 —
якорь электромагнита; 4 — электромагнит; 5—
нагреватель теплового элемента; 6 — биметал-
лическая пластинка; 7—контакты, разрываю-
щие цепь электромагнита при перегрузках;
В — кнопка включения; О—кнопка отключения.
дет проходить несколько секунд подряд, пластинка про-
греется и реле отключит двигатель. Тепловая инерция
реле меньше, нежели тепловая инерция двигателя, и за-
щищенный таким реле двигатель не сгорит.
Тепловое реле — это пример реле с замедленным
действием. Подобные реле пропускают начальный толчок
тока, не реагируя на него, а ждут, что же будет дальше.
Они срабатывают только тогда, когда события затяги-
ваются.
5-18. Избирательная защита
Существуют реле с независимой выдержкой времени.
Какова бы ни была перегрузка, они выжидают одно и
то же время. Другой тип реле — с зависимой выдерж-
кой времени — отключают цепь тем быстрее, чем больше
через них ток. На том участке, где ток больше, реле сра-
ботает раньше, чем успеют произвести действие осталь-
ные реле. Это простейший вид селективной защиты,
280
В разветвленных электрических сетях применяют еще
множество иных типов реле, чтобы обеспечить избира-
тельную защиту.
Есть реле, которые защищают отдельные аппараты.
Таковы газовые реле для защиты мощных транс-
Рис. 5-17. Электромагнитное «реле переменного тока.
На сердечнике из изолированных стальных листков наложена обмотка,
по которой проходит контролируемый ток. Из сердечника выходит маг-
нитный поток, воздействующий на якорь /, который имеет форму бук-
вы Z. Магнитные силы стремятся повернуть якорь против часовой
стрелки. Этому препятствует пружина 2. При достаточно большой силе
тока в обмотке электромагнита магнитные силы превозмогают противо-
действие пружины. Якорь вместе с соединенной с ним пластинкой 3
поворачивается. Контакты 4 соединяются пластинкой 3 между собой,
и цепь контрольного аппарата замыкается Стрелкой 5 регулируется
натяжение пружины 2 и, таким образом, ток срабатывания реле; 6 —
успокоитель.
форматоров с масляным охлаждением. При нормальной
работе трансформатора в масле, заполняющем его бак,
не должно выделяться никаких пузырьков газа. Но при
перегрузках, перегревах разложение масла и изоляцион-
ных прокладок вызывает появление пузырьков. Если
пузырьков мало, то реле только посылает тревожный
281
сигнал. При усиленном выделении газа реле производит
немедленное отключение.
Часто применяются дифференциальные реле. Они из-
меряют разность токов или мощностей на каком-нибудь
важном объекте: трансформаторе, генераторе, длинной
Рис. 5-18. Индукционное реле мощности для цепей перемен-
ного тока.
По обмотке Ми проходит ток, пропорциональный напряжению це-
пи, а по обмотке Mj — ток, пропорциональный току в цепи. В алю-
миниевом диске D возникают вихревые токи, под действием кото-
рых он поворачивается. Постоянный магнит М создает необходимое
торможение.
линии. Пока на подопечном участке разности нет, реле
не реагирует. Чтобы ни происходило за пределами за-
щищаемого участка, какие бы там сверхтоки ни прохо-
дили, реле не дает сигнала на отключение. Оно отзы-
вается только на небаланс токов.
Для линий электропередачи применяются высокоча-
стотные защиты.
Существуют разные системы высокочастотной защиты.
В более примитивных системах токи высокой частоты
применяются только для передачи сигналов отключения
от реле, расположенных в одном конце линии передачи,
к выключателю, расположенному в другом ее конце. Сиг-
налы эти передаются вдоль той же линии, что и энергия.
282
Более совершенные системы — это когда высокая ча-
стота применяется для контроля состояния линии. Поми-
мо рабочего тока, в линию направляется высокочастот-
ный ток. Среди десятков тысяч киловатт с рабочей ча-
стотой 50 гц бродят ватты высокочастотной энергии.
Рис. 5-19. В«еш1ний вид индукционного
реле мощности.
А — токовые катушки; D — алюминиевый диск;
U — катушки напряжения; М — тормозной маг-
нит; С — верхний подпятник.
Подобную конструкцию имеют и все счетчики
переменного тока.
Высокочастотная защита быстрее реагирует на вея-
ную неполадку, быстрее может быть ликвидирована вся-
кая авария.
5-19. Предохранительные клапаны
При появлении в линии сверхтоков защитные устрой-
ства разрывают цепь, ликвидируют ток, превысивший
нормальный. Этой цели служат и плавкие предохрани-
тели, и выключатели, получающие команду от реле.
Другой вид нарушений нормального режима — это появ-
283
ление в линии перенапряжений. Чтобы защитить от
перенапряжений трансформаторы и 'приборы, надо не
разрывать цепь, а, наоборот, дать возможность стечь,
нейтрализоваться избыточным электрическим зарядам.
Перенапряжения возникают из-за наличия атмосферного
электричества — это грозовые перенапряжения. Случа-
ются перенапряжения из-за резких обрывов токов в ли-
ниях, их называют коммутационными. Какова бы ни
была причина возникновения перенапряжений, для защи-
ты от них применяются разрядники. Назначение разряд-
ников — быть самым слабым звеном изоляции в электри-
ческой цепи. Разрядник должен пробиваться еще до
того, как напряжение достигнет величины, опасной для
остальных приборов и аппаратов.
Разрядник в электрической цепи — это как предохра-
нительный клапан на паровом котле. Предохранитель-
ный клапан должен открываться и выпустить излишний
пар, прежде чем давление пара достигнет такой величи-
ны, что сможет разорвать котел или трубы. Когда же
давление в котле упадет, то предохранительный клапан
вновь захлопывается. Так и разрядник. Пропустив через
себя волну перенапряжения, он должен затем преградить
путь рабочему току. Но это не такая простая задача —
преградить путь большому току, хлынувшему в канал,
пробитый в изоляции волной перенапряжения. В мощ-
ных высоковольтных сетях прервать сверхток так же
трудно, как преградить дорогу струе чугуна из летки до-
менной печи на полном ходу.
Простейшие разрядники — это. искровые промежутки
в виде колец или стержней (рогов) (рис. 5-20), устанав-
ливаемых на гирляндах или опорных изоляторах. Дуга,
возникающая между кольцами или рогами, раздувается
и растягивается потоками воздуха. При низких напря-
жениях в линии она может погаснуть сама собой, но
при высоких напряжениях пробой искрового промежут-
ка ведет к короткому замыканию линии. Срабатывают
токовые реле, и линия выключается. Случается, на рога
садятся птицы, и тогда пробой в разряднике может воз-
никнуть даже при отсутствии перенапряжений. В одной
энергосистеме были даже предложены специальные
искровые промежутки, которые снижали вероятность та-
ких «птичьих» аварий. Рога загибали прд таким углом,
чтобы птицам неудобно было на них садиться.
284
Надежно работают при самых высоких напряжениях
трубчатые разрядники, разрядники со стреляющими пре-
дохранителями, вилитовые разрядники (рис. 5-21). В по-
следних за искровым промежутком включены сопротив-
Рис. 5-20. Роговой разрядник.
Дуга возникает в нижней части разрядника, где
электроды наиболее сближены. Под действием
электродинамических усилий и потоков раскален-
ных газов дуга поднимается вверх, растягивается
и гаснет.
ления, сделанные из смеси карборунда, глины и графи-
та. В обожженном виде этот материал называется вили-
том. Он имеет малое сопротивление при высоких напря-
жениях и поэтому свободно пропускает волну перенапря-
285
жения. Но при малых напряжениях сопротивление вили-
та возрастает, и после ухода перенапряжения он преры-
вает дугу рабочего тока.
Разрядник должен пробиваться при меньшем напря-
жении, нежели все остальные элементы защищаемой им
Рис. 5-21. Разрядник с нелинейным сопротив-
лением для защиты электрических линий и ап-
паратов от перенапряжений.
В нижней части разрядника находится стопка дисков
из керамического материала. Электросопротивление
этого материала резко падает с увеличением силы
проходящего через него тока.
Вверху находится искровой промежуток.
цепи. Но не всегда цепь рвется по самому слабому зве-
ну. Подвесьте деревянную палку на двух полосках папи-
росной бумаги. Если плавно нажать на середину палки,
то разорвется прежде всего бумага, а палка останется
целой. Но если резко ударить по палке, то можно ее
сломать, а папиросные бумажки останутся неповрежден-
ными — усилие от удара не успеет дойти до них.
Если разрядник стоит далеко от трансформатора, ко-
торый подлежит защите, то волна перенапряжения мо-
286
жет ударить в трансформатор раньше, чем в разрядник.
Перенапряжение может успеть пробить изоляцию транс-
форматора до того, как разрядник сработает.
Расстановка разрядников в разветвленной сети долж-
на быть тщательно продумана. Кроме того, и сами транс-
форматоры стараются выполнить так, чтобы волны на-
пряжения равномерно распределялись по всей их
изоляции, не сосредоточивались бы на отдельных участ-
ках обмоток.
5-20. АПВ
Ударит молния в линию передачи и пробьет в воз-
духе огненный канал между проводом и землей или
между двумя проводами. Ток молнии прекратится, но по
каналу из раскаленных газов хлынет ток, поддерживае-
мый рабочим напряжением линии. Это—авария, короткое
замыкание. Выключатели с двух концов отсоединяют
аварийную закороченную линию. Но как только ток в ка-
нале из раскаленных газов прекратится, так сам канал
этот исчезает. Теплоемкость газа невелика, раскаленные
частицы остывают в немногие доли секунды, и вот уже
линия снова здорова и готова к работе.
Воздух — это такой замечательный изоляционный ма-
териал, что сколько его ни пробивай искрой, сколько его
ни жги дугой, он опять восстанавливается. Прекратился
разряд на долю секунды — и воздух снова цел, снова
он — отличная изоляция. Многие короткие замыкания,
которые регистрируются защитными реле дальних линий
передач, являются такими легко ликвидируемыми к. з.
Поэтому выключатели дальних линий передачи обыч-
но снабжаются автоматическими устройствами, которые
после выключения сразу же вновь включают* линию.
Статистика показывает, что после большинства ава-
рийных отключений линии вновь нормально работают
при включении. Ну, а если авария более серьезная —
скажем, изолятор пробился или провод оборвался, — то
после пробного включения выключатель вновь отключа-
ет линию.
Эти-то устройства, которые, не дожидаясь команды
диспетчера, сами включают линию, и называются «авто-
матическое повторное включение», или сокращенно АПВ.
Инженеры Уралэнерго, Гогрэс, Ленэнерго, Киевэнер-
го, Оргрэс и других организаций много поработали, что
287
бы усовершенствовать схемы АПВ, увеличить надежность
их работы. Ценные улучшения предложены коллективом,
который работал под руководством И. А. Сыромятнико-
ва. Они разработали систему пофазного включения ли-
ний передачи.
5-2L Совместная работа
Водопроводные сети питаются от многих насосов. На
водопроводных станциях устроены сборные бассейны, на-
порные баки. Сюда качают все насосы, и отсюда берут
начало водопроводные магистрали. На центральных
электростанциях применяют сборные шины. К этим ши-
нам с одной стороны подключаются все генераторы,
а с другой — все потребители. Но сборные шины — это
не резервуар электроэнергии. Это узел энергопотоков,
узел, в котором сливаются отдельные энергетические ре-
ки и из которого они вновь растекаются на многочислен-
ные ручьи и каналы. Сложение отдельных потоков элек-
троэнергии — более сложное дело, нежели сложение во-
дяных или газовых потоков. Одна и та 'же электрическая
машина при одной и той же скорости вращения может
работать и как двигатель, и как генератор. При непра-
вильном согласовании генератор, включаемый на сбор-
ные шины электростанции, вместо того, чтобы помогать
остальным генераторам, может вызвать аварию. При не-
правильной регулировке между отдельными машинами
возникают уравнительные токи, снижающие полезную
мощность, вызывающие дополнительные потери.
Проще согласовать совместную работу генераторов
постоянного тока, сложнее согласуется совместная рабо-
та генераторов переменного тока.
5-22* Уравнивание скоростей
Для экспрессов дальнего следования известен такой
проект посадки и высадки пассажиров на промежуточ-
ных станциях: по параллельным путям пускается вспо-
могательный состав, который развивает ту же скорость,
что и экспресс. Тогда между поездами прокладываются
мостки. Пассажиры спокойно переходят по мосткам из
одного бешено летящего вагона в другой, мостки убира-
ются, вспомогательный поезд тормозит и возвращается
288
на станцию. Подобным способом производится заправка
самолетов горючим в воздухе. Самолет-цистерна подле-
тает к рейсовому, скорости их уравниваются, между са-
молетами перекидывается шланг, по которому перекачи-
вается горючее.
Подобные соединения на ходу применяются не так
часто по экономическим причинам. Но они могут слу-
жить довольно точной аналогией процессу включения на
совместную работу двух генераторов (постоянного тока.
В этих машинах для параллельного включения доста-
точно выполнить одно условие: уравнять напряжения.
Это соответствует уравниванию скоростей в механиче-
ской аналогии.
Когда напряжения уравнены, рубильник между ма-
шинами можно замыкать, и толчка тока не произойдет.
Но на современных электростанциях работают генерато-
ры переменного тока. Их работу согласовать труднее.
5-23. Синхронное движение
Каждой весной, как только просохнут тротуары, де-
вочки начинают играть в прыгалки. Двое крутят веревку,
а третья следит за ее мельканием. Она примеривается,
раскачивается и, наконец, уловив ритм, бросается в оме-
таемое пространство. Девочка приседает в такт подни-
мающейся веревке и подпрыгивает, пропуская веревку
под нога'ми. При длинной веревке на нее могут прыгнуть
и две, и три девочки, и все они свои прыжки должны со-
вершать в такт движению веревки, строго одновременно.
Такой прыжок на мелькающую веревку напоминает
включение турбогенераторов на сборные шины электро-
станции. На сборных шинах напряжение переменное.
Оно беспрерывно пульсирует. За одну пятидесятую долю
секунды напряжение проходит от максимального отри-
цательного значения к максимальному положительному
и вновь к максимальному отрицательному.
Не нарушая этих перемен напряжения, надо соеди-
нить с шинами вновь пускаемый генератор.
При пуске паровая турбина начинает работу с малой
скорости, а затем раскручивает генератор все быстрее
и быстрее. И напряжение генератора меняется со все
большей и большей частотой. Надо уловить то время,
когда оба напряжения — и на сборных шинах электро-
19 Г. И. Бабат. 289
Станции, и на пускаемом в работу генераторе — меняют-
ся совершенно одинаково, когда оба эти напряжения од-
новременно переходят через нуль и одновременно же до<
стигают и положительного, и отрицательного значений.
«Хронос» по-гречески будет время. Поэтому слово
синхронно значит «одновременно». И уравнять вращение
генератора с частотой переменного тока на шинах элек-
тростанции — называется синхронизировать, или синхро-
низовать генератор.
Похожую операцию совершает водитель автомобиля
при каждом переключении скоростей. Сбросив газ и вы-
жав сцепление, он отключает двигатель от ведущих ко-
лес. Следующим движением рычага коробки скоростей
он должен привести в зацепление другую пару шестерен.
Искусство водителя заключается в том, чтобы по воз-
можности уравнять скорости шестерен, и тогда сцепле-
ние их произойдет мягко, без толчка. При переходе
с высшей скорости на меньшую водитель должен чуть
подбавить газу. А переключая на большую скорость, он
должен, наоборот, на момент уменьшить газ. Чтобы
улучшить переключение, применяют в коробках скоро-
стей синхронизаторы, т. е. приспособления, которые при
сближении шестерен начинают уравнивать их скорости,
так что к моменту входа в зацепление шестерни полно-
стью синхронизированы и включение их происходит без
резкого толчка. Хорошие современные машины снабжа-
ются такими синхронизаторами. Это облегчает работу
водителя и увеличивает срок службы коробки скоростей.
3-24. Прыжок на ходу
Для включения генератора переменного тока на сбор-
ные шины электростанции требуется уравнять частоту
генератора и сборных шин, а также уравнять величину
напряжения на генераторе и на шинах.
Здесь надо выполнить условия, необходимые для со-
единения двух поездов, и, кроме того, условия игры
в прыгалки.
Если применить еще одно сравнение, то включение ге-
нератора для совместной работы на общие шины можно
уподобить прыжку на качели. Не обязательно попасть
на мелькающую доску, когда скорость ее наименьшая,
когда доска находится в крайнем левом или крайнем
290
правом положении. Мож-
но вскочить на качели и
в момент их наибольшей
скорости, когда они пере-
ходят через свое среднее
положение, и в любой
другой момент времени.
Одно требуется соблюсти.
Скорость прыгуна в мо-
мент соприкосновения
с доской качелей должна
соответствовать скорости
доски.
Так и момент включе-
ния генератора перемен-
ного тока на шину может
быть любым, произволь-
ным. Можно соединить
генератор с шинами и
когда напряжение пере-
ходит через нуль, и когда
оно имеет любое поло-
жительное или отрица-
тельное значение. Но как
установить, что напряже-
ние генератора меняется
совершенно так же, как и
напряжение на сборных
шинах?
Перед тем, как при-
соединять генератор
к сборным шинам для
параллельной работы
с другими генераторами,
можно между этим вновь
присоединяемым генера-
тором и шинами вклю-
чить лампочку накалива-
ния. На нее будет дейст-
вовать разность между
напряжением на шинах
и напряжением генера-
тора. Когда эта разность
19*
напряжений велика, лампочка горит ярко. Когда раз-
ность напряжений уменьшается, лампочка притухает.
Погаснет совсем лампочка — значит, напряжение на ши-
нах и генераторе точно согласовано, разницы между ни-
ми нет и можно соединить генератор с шинами.
5-25. Случай в Киеве
В 1929 г. швейцарская фирма Броун-Бовери устанав-
ливала на Киевской ЦЭС новую турбину в 5 000 кет. По
тем временам это была весьма почтенная мощность. От
фирмы приехал монтировать турбину инженер, молодой,
но с большим самомнением. Он всегда ходил, высоко от-
кинув голову, глядя на нас, туземцев, как на пустое про-
странство. Возможно, он считал себя носителем культу-
ры среди дикарей.
Настал день пуска турбины в работу.
Поздним вечером на командном пульте, располо-
женном высоко над машинным залом, собралось все
начальство электростанции. Поодаль толпились, мы,
практиканты. Швейцарец подал команду стоявшему
внизу машинисту турбины, и тот повернул паровой вен-
тиль. Из вестовой трубы турбины показались тонкие
струйки пара. Свиваясь спиралями в конусах света
от ярких ламп, туманные завитки поднялись и растаяли
в тени решетчатых переплетений мостового крана.
Частыми вспышками замигали три расположенные
звездой лампочки на синхроноскопе. Вот мигание за-
медляется.
Швейцарец протягивает руку к ключу, управляюще-
му масляным выключателем генератора.
Лампочки синхроноскопа вспыхивают и гаснут все
медленнее и медленнее. Частота генератора все ближе
и ближе подходит к частоте тока на шинах ЦЭС. Вот
лампочки померкли — и тут инженер фирмы Броун-Бо-
вери повернул ключ на пульте.
Послышался глухой удар, погасло все освещение,
вздрогнули все двигатели на электростанции, затем еще
удар, завыла тревожная сирена и вспыхнул красный
аварийный сигнал на пульте трансформатора, через ко-
торый новый генератор должен был питать нагрузку.
Самонадеянный представитель Броун-Бовери не сни-
зошел, оказывается, до того, чтобы поговорить с персона-
292
лом Киевской ЦЭС о принятой там системе синхрони-
зации.
Описанное выше включение лампочек, когда на них
действует разность напряжений между генератором и
шинами, называется включением «на темную». Но мож-
но присоединить лампочки в синхроноскопе таким обра-
зом, чтобы при совпадении напряжений в генераторе и
на шинах на лампочки действовало суммарное напря-
жение. Это — включение синхроноскопа «на светлую».
При любом включении свет лампочек пульсирует
тем медленнее, чем ближе генератор к синхронизму
со сборными шинами.
Но самый момент полного синхронизма при включе-
нии лампочек «на светлую» отвечает наибольшей яркости
их свечения, а не потуханию, как при включении «на
темную».
Швейцарец включил генератор в момент наиболь-
шего рассогласования, когда между генератором и
сборными шинами была двойная разность напряжений.
Такое включение хуже короткого замыкания.
Трансформатор, на который пришелся этот удар
тока, не выдержал его. Под действием динамических
усилий обмотки трансформатора сорвались со своих
мест, смялись, изоляция их была повреждена.
Потом представитель Броун-Бовери объяснял свои
действия тем, что он, дескать, хотел проверить работу
защиты. Но в цепи между генератором и трансформа-
тором защитных реле-то как раз и не было. Да и по схе-
ме не полагалось им быть в этом месте.
Фирма отозвала своего незадачливого представите-
ля обратно в Швейцарию и после долгой переписки
оплатила в конце-концов стоимость испорченного транс-
форматора.
5-26. Автоматическая синхронизация
Но если и знать точно, когда надо включать генера-
тор, то ведь может дрогнуть рука, можно опоздать
с включением.
На крупных электростанциях для включения генера-
торов применяются часто автоматические синхрониза-
торы. Эти приборы точно замеряют разность частот на
293
включаемом генераторе и на шинах электростанций,
точно предвычисляют момент, когда наступит полное
согласование, и посылают импульс на включение гене-
ратора с таким расчетом, чтобы само включение про-
изошло в требуемый момент.
Это куда надежнее, чем применять синхроноскоп,
который только указывает на момент синхронизма, а все
остальное предоставляет на волю оператора.
ИССЛЕДОВАТЕЛЬ ЗАКОНОВ КОЛЕБАНИЙ
Л. И. Мандельштам (1879—1944 гг.)
Ветер ударяет о воду. Темные волны бегут на берег.
Волны катят шуршащую гальку, ворочают камни. На
миг затихнув, они отступают назад, в море, и вновь
с ревом бегут вперед. К вечеру ветер стихает. Воздух
спокоен. По поверхности моря змеятся пестрые голубые
дорожки. Языки прибоя с тихим плеском лижут песок.
Море никогда не бывает неподвижным. 13 самую
тихую погоду мелкая рябь морщит поверхность воды.
Полная луна всходит над горизонтом. Ее лучи дробят-
ся, отражаясь от волн. Световые блики ткут на поверх-
ности моря бесконечную полосу — дорогу к счастью,
как ее зовут поэты.
Лучами, волнами и колебаниями заполнен мир.
Сложным набором волн — сгущений и разреже-
ний — является и музыка, и человеческая речь. Начало
всей жизни на земле — солнечный луч — это поток элек*
тромагнитных волн. Но лучи света — это лишь узкая
полоса в огромном спектре электромагнитных колеба-
ний. Бесконечно разнообразны свойства электрических
колебаний разных частот.
295
Одни электромагнитные волны движут вдоль прово-
дов силовых сетей огромные количества энергии, другие
волны переносят радиосигналы. Электромагнитные вол-
ны плавят металлы, нагревают сталь для ковки и за-
калки.
Разные волновые процессы переплетаются в приро-
де. Световые колебания, попадая в любое вещество,
встречаются с более медленными колебаниями молекул.
Происходит рассеяние, отражение, модуляция света.
В радиопередатчиках, в радиоприемниках, в аппаратах
для дальней проводной связи происходит смешение, на-
ложение и разделение токов самых различных частот —
электромагнитных волн разных длин.
Детство и юность Леонида Исааковича Мандельшта-
ма прошли в Одессе на берегу Черного моря. В 1902 г.
он окончил университет и написал свою первую науч-
ную работу «Определение периода колебательного .раз-
ряда конденсатора». С этого времени вся его жизнь по-
священа изучению законов колебаний и волн.
Мандельштам развил и разъяснил многие области
теории колебаний. Он умел сделать ясными и прозрач-
ными самые запутанные физические проблемы. В своей
профессорской диссертации (1907 г.) Мандельштам по-
казал ошибочность (или, как он предпочитал выражать-
ся, недостаточность) общепринятой до него теории мо-
лекулярного рассеяния света (теория Рэлея). В дру-
гих работах того времени он дал объяснение многим
явлениям ослабления света при прохождении через
вещество.
Молекулы, совершающие тепловые колебания, воз-
действуют на лучи света подобно тому, как микрофон
воздействует на радиоволны, излучаемые передающей
станцией. Исследования Мандельштама помогли создать
обобщающие стройные теории для самых различных
отраслей учения о волнах и колебаниях.
В 1929 г. Мандельштам был избран действительным
членом Академии наук СССР. Вместе со своим другом
академиком Н. Д. Папалекси он заложил основы новой
теории колебаний для систем, в которых отклонение не
прямо пропорционально величине воздействующей силы.
Это — нелинейные колебания.
Многочисленные ученики Мандельштама и Папале-
кси разрабатывали применения теории нелинейных ко-
296
лебаний в самых разнообразных областях физики и
техники. Так была создана нелинейная теория лампо-
вых генераторов, нелинейная теория электрических ма-
шин. Эти теории оплодотворили практику, подняли при-
кладные промышленные исследования на более высо-
кую научную ступень.
Новое содержание получило понятие о резонансе —
отзывчивости колебательных систем. Теория нелиней-
ного резонанса позволила создать новые виды умножи-
телей и делителей частоты.
В 1942 г. Мандельштаму была присуждена Госу-
дарственная премия за создание новых точных радио-
методов измерения расстояний.
Последняя, предсмертная работа его была посвяще-
на анализу точности хода часов, снабженных маятни-
ком. С маятника (изобретение которого относится ко
времени Галилея и Гюйгенса) начинается развитие тео-
рии колебаний. Но за >три века, прошедших со вре-
мени введения маятника, не была решена задача о
сравнительном постоянстве хода догалилеевых (без
маятника) часов и современных маятниковых.
Существуют \не только механические, но и электри-
ческие маятники. Задача о точности хода важна для
различных отраслей электротехники и радиотехники.
В радиолокационных и радионавигационных уста-
новках для точного определения расстояний необходи-
мо отсчитывать десятимиллионные доли секунды. Элек-
тронные генераторы вырабатывают колебания с часто-
той нескольких миллиардов в секунду, и постоянство
частоты этих колебаний поддерживается с точностью
до стотысячных долей.
Мандельштам (Зал первую точную формулировку
задачи о сравнительной точности хода колебательных
систем различного типа, но решить эту задачу он уже
не успел.
ГЛАВА ШЕСТАЯ
О ВОЛНАХ, О СИТАХ, О РАЗНЫХ ДРУГИХ
ВЕЩАХ, А ГЛАВНЫМ ОБРАЗОМ О ДАЛЬНЕЙ
СВЯЗИ
6-1. Перевозка зерновой смеси
Представьте, что из одного склада в другой требует-
ся постоянно перевозить много сортов различных зерен;
ну, скажем, к примеру: горох, фасоль, рожь, пшеницу,
мак... И вот, некий изобретатель для экономии тары и
уменьшения транспортных расходов предлагает не во-
зить каждый сорт в отдельности, а проложить между
складами одну трубу и сыпать сквозь нее навалом все
зерна без разбору, на месте же назначения сортировать
получившуюся смесь, пропуская ее сквозь сита. Через
самое мелкое пройдут только маковые зерна, фасоль ос-
танется на сите с самыми крупными отверстиями и т. д.
Сомнительно, чтобы такая «рационализация транс-
порта» имела успех.
А в электротехнике для дальней телефонной и теле-
графной связи часто поступают именно таким странным
образом.
Между двумя городами прокладывают одну двух-
проводную линию связи. С каждого конца к этой линии
присоединяют по нескольку десятков телефонных аппа-
ратов. В линию посылается смесь из различных элек-
трических токов. Эта смесь проходит всю линию. А на
обоих концах линии стоят «электрические сита»—филь-
тры, которые четко разделяют самую запутанную смесь
токов, сортируют эти токи, направляют каждый сорт
в свой телефонный аппарат.
6-2. Зачем смешивают электрические токи
Проволочная линия электрической связи стоит до-
рого. Чтобы дать связь между двумя пунктами, удален-
ными один от другого на 100 км, потребовалось бы из-
расходовать одной только железной проволоки больше
10 т. А кроме проволоки, для постройки такой линии
необходимо еще несколько тысяч столбов, изоляторов и
всяких других материалов. Кабельная линия стоит еще
дороже, нежели воздушная, и прокладывать ее труднее.
298
Вес и стоимость одной только проволоки в линии
связи во много раз превышают вес и стоимость двух
телефонных аппаратов, включенных у ее концов. Прово-
лочная линия — самое дорогое и самое громоздкое звено
в цепи связи.
Связь каждой пары корреспондентов между собой
называют «к а н а л о м». Когда несколько корреспон-
дентских пар связываются по одной общей линии —
связь называется многоканальной.
В 1880 г. русский военный связист капитан Игнатьев
впервые передал по одной линии одновременно теле-
грамму и телефонный разговор. Это была двухканаль-
ная связь. В настоящее время на одну проводную линию
удается наложить несколько десятков и даже сотен ка-
налов.
В проволочной связи наложение многих каналов на
одну линию очень выгодно. Чем больше пар корреспон-
дентов могут говорить по общей линии, не мешая друг
другу, 'тем дешевле обходится эксплуатация каждого
канала связи.
Для радиосвязи провода не нужны, линия здесь да-
ровая. Но в радиосвязи часто применяются промежу-
точные релейные станции. На них сигналы ретрансли-
руются, т. е. усиливаются и передаются дальше. Для
радиорелейных линий выгоднее применять многоканаль-
ную связь, строить релейные станции для одновремен-
ной ретрансляции многих передач, нежели применять
соответствующее число одноканальных радиолиний.
«Канал» — это не только телефонный разговор или
телеграфная передача. Каналы нужны и для всяких
других сообщений. Существуют автоматические элек-
трические станции и подстанции. Все переключения на
них производятся издалека, из центрального диспетчерс-
кого пункта. Чтобы управлять выключателями, нужен
отдельный канал; чтобы передавать показания измери-
тельных приборов на центральный пункт, также нужны
отдельные каналы.
Воздушные линии дальних высоковольтных электро-
передач—это три или шесть проводов, подвешенных на
гирляндах фарфоровых изоляторов к высоким мачтам.
Десятки тысяч киловатт текут вдоль этих проводов от
районных электростанций к городам, к потребителям.
Многие полагают, что больше ничего по этим проводам
299
и не передается, только энергия тока с частотой 50 гц,
А на самом деле эти же провода используются для со-
здания еще множества каналов связи. По высоковольт-
ным линиям проходят разговоры диспетчеров энерго-
систем. По этим же высоковольтным линиям передаются
на десятки километров показания измерительных при-
боров, передаются сигналы для дальнеуправления вы-
ключателями и генераторами. Смесь разнообразнейших
токов циркулирует в линиях дальних высоковольтных
электропередач. И на концевых пунктах эти токи раз-
деляются один от другого и каждый направляется
в свое отдельное русло.
6-3. По каким признакам разделять токи
Зерна можно разбирать по-разному—по форме, по
удельному весу; по какому же признаку разделять элек-
трические токи? По силе, по направлению, по времени,
по фазам импульсов?..
Известно множество способов разделения, или, как
принято говорить, селекции электрических токов, но
почти нет такой области электротехники, в которой не
приходилось бы сортировать, фильтровать токи по ча-
стоте.
6-4. В каких случаях токи надо фильтровать
В современной электротехнике применяется множест-
во устройств, которые преобразуют токи одних частот
в токи других частот. При всех таких преобразованиях
приходится фильтровать смеси токов, направлять ток
каждой частоты в свое русло.
В ламповых генераторах для радиопередатчиков, для
нагрева стали под закалку, размягчения пластмасс и
для многих других целей высокочастотный ток получает-
ся из тока низкочастотного или из постоянного.
В этом примере из колебаний с большим периодом,
из медленных колебаний получают колебания с малым
периодом — быстрые колебания. Из тока с частотой
50 гц получают токи с частотой много миллионов герц.
Генераторные лампы дробят постоянный или низкоча-
стотный ток на отдельные быстрые импульсы.
В ламповых генераторах приходится фильтровать и
разделять токи различных частот и постоянный ток по-
300
добно тому, как на мельницах просеивают на ситах
дробленые, молотые зерна, чтобы отделить муку от кру-
пы, отвеять отруби. Каждую составляющую необходи-
мо направить на свое место.
Часто в технике не дробят, а наоборот, укрупняют.
Для доменных печей агломерируют пылевидную руду,
спекают ее, получают из мелочи крупные куски. С круп-
нокусковой рудой лучше идет металлургический про-
цесс. После агломерации пыль отсеивают от спеченных
кусков на ситах.
Для электрической тяги из тока с частотой 50 гц
иногда вырабатывают ток с еще большим периодом, по-
нижают частоту тока. Существуют магистральные элек-
трические дороги, на которых применяется ток с ча-
стотой, в три раза более низкой, чем частота тока в на-
ших осветительных сетях: там применяется ток с ча-
стотой 162/3 гц. Для питания контактных сетей метро-
политена, трамваев, троллейбусов применяют постоян-
ный ток (ток нулевой частоты, ток с бесконечно боль-
шим периодом).
На тяговых подстанциях электрических дорог стоят
ртутные преобразователи, которые складывают, сумми-
руют отдельные полуволны переменного тока. В этой
сумме получается много мелких остатков переменного
тока—высших гармонических или просто гармоник, как
их называют.
В контактной сети электрических дорог эти гармони-
ки могут создать помехи. Поэтому все гармоники надо
отфильтровать, не пустить их в контактную сеть.
Есть еще много случаев, когда применяются ч а-
стотные фильтры. Частотные фильтры — важный
элемент в современной электротехнике.
6-5. Сита частые а сита крупные
Просеивать зерна на ситах можно по-разному: либо
собирать то, что проваливается сквозь сито, — всю ме-
лочь, либо собирать то, что на сите остается, — все круп-
ное. В электрических фильтрах существуют две различ-
ные группы схем. Одни называются фильтрами
высоких частот. Они задерживают постоянный ток
и токи низких частот, а свободно пропускают быстро
изменяющиеся токи — высокочастотные токи. Чем вы-
301
ше частота тока, тем легче ой проходит через фильтр
высоких частот.
Второй тип фильтров — фильтры низких частот. Они,
наоборот, пропускают медленно меняющиеся токи, токи
низких частот, и тем легче, чем частота тока ниже. Вы-
сокие частоты, быстро изменяющиеся токи этими фильт-
рами задерживаются.
Когда смесь зерен для рассева пропускается через
два одно за другим расположенных сита — первое бо-
лее крупное, второе более мелкое, то можно выделить
из смеси такие зерна, которые через крупное сито про-
валиваются, а на мелком остаются. Комбинация из двух
сит способна очистить зерна интересующего нас раз-
мера как от более крупных, так и от более мелких ча-
•стиц. Такая комбинация сит выделяет один сорт зерен.
И электрические фильтры могут быть так устроены,
чтобы выделять токи определенной полосы частот.
Но выделять какую-нибудь полосу частот можно
по-разному: можно так включить фильтр, чтобы он от-
брасывал из смеси токов и слишком высокие частоты,
и слишком низкие, а пропускал бы через себя только
узкую заданную полосу частот. Такие фильтры назы-
ваются полосовыми. Но можно и по-иному вклю-
чить фильтр — а именно так, чтобы он пропускал и низ-
кие и высокие частоты, а отбрасывал из смеси токов
только одну определенную группу частот.
Такие фильтры называются пробками (иногда их
называют режекторными, что в переводе означает
отбрасывающие, заграждающие).
Таковы четыре основных разновидности электриче-
ских фильтров. Но существуют еще различные их ком-
бинации. Сложные фильтры применяются в дальней
многоканальной связи, в радиолокационных установ-
ках.
Для характеристики смеси частиц различных раз-
меров применяют термин гранулометрический
состав (гранула—по-латыни зерно). Щебень для из-
готовления бетона хорошего качества должен содержать
определенный процент более крупных и определенный
процент более мелких частиц. Щебень, говорят, должен
иметь определенный гранулометрический состав. Сита
можно определить как устройства, меняющие грануло-
метрический состав в требуемом направлении.
302
Смесь токов различных частот характеризуется
спектральным составом, спектральной кривой. Самое
общее определение электрического фильтра—это будет:
устройство, меняющее спектральный состав смеси токов.
6-6. Механические фильтры для комфорта
Оставим на время аналогии с сортировкой зерен на
ситах и займемся подробнее колебаниями, ибо нас ин-
тересует разделение различных колебаний, а не частиц.
Рис. 6-1. Примеры акустических филь-
тров 'низких частот. Они состоят из ряда
расположенных одна за другой камер.
Продольный разрез
Рис. 6-2. Продольный разрез автомобильного глу-
шителя и схема эквивалентного глушителя элек-
трического фильтра низких частот.
По булыжной мостовой мчится автомобиль. Колеса
подпрыгивают на каждой неровности дороги, но эти ко-
лебания в очень ослабленном виде передаются кузову
автомобиля. Подвеска автомобиля «фильтрует» эти ко-
303
лебания. Медленные изменения положения колеса пе-
редаются полностью кузову. А короткие толчки, быст-
рые колебания до кузова не доходят — «вязнут» в под-
веске.
Подвеска автомобиля—это фильтр для механических
колебаний, точнее говоря, механический фильтр низких
частот. Чем больше частота колебаний автомобильного
колеса, тем меньшая доля энергии этих колебаний до-
ходит до кузова автомобиля.
Подвеска любой повозки, по существу, должна быть
фильтром низких частот, который включен между ко-
лесами и кузовом. Но степень фильтрации бывает раз-
ной. В телеге она не столь высока, как в хорошем лег-
ковом автомобиле.
Существуют фильтры и для механических звуковых
колебаний. Их называют акустические фильтры
(рис. 6-1). Пример акустического фильтра низких ча-
стот— глушитель автомобиля (рис. 6-2). Он сглажива-
ет отдельные толчки выхлопных газов, пропускает плав-
ную струю.
6-7* Еще механические фильтры
Надавите плавно иголку звукоснимателя (адаптера)
патефона. Это давление не воспроизведется столбом
воздуха в рупоре патефона, и патефон молчит. Но когда
иголка скользит по извилистой бороздке пластинки, ко-
лебания иголки передаются мембране, а от мембраны
воздуху. В этом примере звуковоспроизводящая систе-
ма патефона ведет себя как фильтр высоких частот. Но
если частота звука, записанного на пластинке, слишком
высока, то воспроизведение его также ослабляется. Пра-
вильнее сказать, что звуковоспроизводящая система па-
тефона—это полосовой фильтр. Она не пропускает как
очень низкие, так и очень высокие частоты. Чем шире
полоса пропускания патефона, тем лучше, тем естествен-
нее и натуральнее будет воспроизведение звука. Хоро-
ший патефон должен пропускать полосу частот от 300
до 3 000 гц.
6-8. Анатомия фильтров
Всякий фильтр для механических колебаний состоит
из инертных масс и элементов упругости. Или, выра-
жаясь более грубо, — из гирь и пружин. Иногда эти со-
304
ставляющие сразу отчетливо видны: в автомобиле тяже-
лая инертная масса кузова покоится на гибкой, подат-
ливой рессоре.
В патефонном звукоснимателе труднее выделить
«гири» и «пружины». Эти элементы там очень малы. Не
так легко проследить в звукоснимателе, как включены
между собой эти отдельные элементы. Изучают экспери-
ментально пропускание различных частот через звуко-
сниматель, и на этом основании уже составляют экви-
валентную схему. Тогда можно предсказать, как изме-
нится пропускание частот, если изменить конструкцию.
Гиря, укрепленная на пружине, способна совершать
колебания.
Гирю на пружине называют колебательной системой
В этой книжке мы ее уже обсуждали не раз. Достаточно
толкнуть колебательную систему один раз, и она неко-
торое время будет сама качаться.
Частота, с которой эти колебания совершаются, на-
зывается собственной или резонансной часто-
той.
Гиря на пружине может действовать и как фильтр
низких, и как фильтр высоких частот. Это зависит от
того, куда приложена внешняя сила, как она действует
на гирю и пружину. Но в обоих случаях важное значе-
ние имеет резонансная частота. Фильтр высоких частот
хорошо пропускает колебания более быстрые, нежели
резонансные, а фильтр низких частот, наоборот, колеба-
ния более медленные, нежели резонансные.
Фильтр для электрических колебаний состоит из ин-
дуктивностей и емкостей. В электромеханических анало-
гиях индуктивности соответствуют гирям, емкости—пру-
жинам, рессорам.
В зависимости от того, как эти емкости и индуктив-
ности скомбинированы и включены, получаются элек-
трические фильтры высоких или низких частот, полосо-
вые или режекторные фильтры.
6-9. Самые простые разделители токов
При помощи одного-единственного элемента — одной
емкости или одной индуктивности, включенных в элек-
трическую цепь, уже можно производить разделение то-
ков разных частот. Это еще не фильтр в полном смысле
20 Г. и. Бабат. 305
L
Вход Выход
о------------о
Частота
Рис. 6-3. Индуктивность,
последовательно вклю-
ченная в цепь, свободно
пропускает постоянный
ток и задерживает пере-
менный тем сильнее, чем
выше его частота.
слова, хотя иногда так называют (сильноточники, не
связисты) единичную емкость или индуктивность
(рис. 6-3 и 6-4).
Простейшим способом разделял частоты при своей
двухканальной передаче 1880 г. упомянутый в начале
этой главы капитан Игнатьев.
Телеграфный аппарат он подклю-
чал к линии через катушку само-
индукции, а телефонный аппарат
через конденсатор.
В настоящее время в многока-
нальной связи применяются
сложные фильтры.
Одна емкость или индуктив-
ность хороша, когда надо отде-
лить токи переменные от тока ну-
левой частоты, тока постоянного.
В ламповых генераторах, напри-
мер, индуктивность и емкость
применяются, чтобы разделить
постоянный ток питания лампы и
высокочастотный ток, который
лампа вырабатывает.
Катушка самоиндукции, кото-
рая называется в этом случае
«стопорный дроссель»,
полностью проводит постоянный
ток, но переменный ток от лам-
пы дроссель стопорит, мало про-
пускает в цепь питания. Чем
выше частота этого тока, тем
меньшая катушка самоиндукции
достаточна, чтобы застопорить
переменный ток. Полной задерж-
ки (стопорения) здесь не тре-
буется, считается допустимым, чтобы через дроссель
уходило до 10% переменного тока, вырабатываемого
лампой. Эта утечка через дроссель не вызывает больших
потерь энергии. Утечка через дроссель может изменить
частоту тока (в генераторе с самовозбуждением), но на
полезную отдачу генератора она почти не влияет.
Конденсатор, который подключается к генераторной
лампе, между ее анодом и нагрузкой (колебательцым
306
контуром), наоборот, совершенно не пропускает через
себя постоянный ток высокого напряжения к нагрузке
лампового генератора. Но этот конденсатор легко про-
водит переменный ток (рис. 6-4).
Этот разделительный конденсатор защищает
нагрузку генератора от попадания на нее смертонос-
Рис. 6-5. Комбинация из
индуктивности и емкости
может разделить пульси-
рующий ток на две со-
ставляющие: постоянная
составляющая проходит
через индуктивность на
выход /, переменная же
составляющая через кон-
денсатор проходит на вы-
ход II.
Уастота
Рис. 6-4. Емкость, после-
довательно включенная
в цепь, задерживает по-
стоянный ток, но пропу-
скает переменный тем
легче, чем выше частота
тока.
ного постоянного тока
высокого напряжения (рис.
6-5). В схеме лампового
генератора с разделитель-
ным конденсатором можно
во время работы генератора
коснуться его колебательно-
го контура. Опасность смер-
тельного поражения здесь
устранена.
Чем выше частота пере-
менного тока, вырабаты-
ваемого генераторной лампой, тем меньшую емкость
может иметь разделительный конденсатор, чтобы обес-
печить хорошее, без потерь прохождение высокочастот-
ного тока.
Такая схема разделения токов называется схемой
параллельного питания. Она применяется пре-
20*
307
имущественно в ламповых генераторах, вырабатываю-
щих токи с частотой 104—107 гц. В электронных и ион-
ных преобразователях для более низких частот парал-
лельное питание обычно не применяется, ибо чем ниже
частота тока, тем больше должна быть емкость разде-
лительных конденсаторов и индуктивность стопорных
дросселей и тем дороже стоят эти устройства. Ток с ча-
стотой ниже 104 гц уже может нанести смертельное по-
ражение, и поэтому нет основания разделять постоян-
ный и переменный токи высокого напряжения.
В генераторах на очень высокую частоту (с частотой
выше 107 гц) применение параллельного питания может
представить конструктивные неудобства.
Схемы электронных преобразователей, в которых и
постоянный ток, и переменные токи циркулируют в од-
ной общей цепи, называются схемами последо-
вательного питания.
6-10. Как сравнивают фильтры?
Отношение амплитуды колебания на выходе фильтра
к амплитуде колебания этой же частоты на входе—это
коэффициент пропускания, коэффициент прозрачности
фильтра. А отношение того, что не прошло через фильтр
(то, что подводится к фильтру, минус то, что через него
проходит) к тому, что получается на выходе,—это ко-
эффициент затухания или поглощения фильтра.
Оба эти коэффициента — числа отвлеченные, не имено-
ванные. Прозрачность может быть в пределах от 1 до 0.
А затухание — от 0 до бесконечности.
Коэффициенты затухания и пропускания зависят от
частоты подводимых к фильтру колебаний. Отношение
двух коэффициентов прозрачности для двух частот ко-
лебаний— это коэффициент фильтрации. Он
позволяет оценить, во сколько раз ослабляет фильтр от-
ношение нежелательной составляющей тока или на-
пряжения к его полезной составляющей.
Предположим, к фильтру подводится для сглажива-
ния выпрямленный пульсирующий ток, в котором содер-
жание первой основной гармоники 25% от постоянной
составляющей тока. В данном случае применяется
фильтр низких частот. Он незначительно ослабляет по-
стоянный ток и сильно подавляет гармоники. На выходе
308
фильтра основная гармоника будет составлять, к при-
меру, только 0,5% от постоянной составляющей. Следо-
вательно, коэффициент фильтрации данного фильтра
(для основной гармоники) будет 50. Это также число
отвлеченное, не именованное.
Одна индуктивность или одна емкость представляют
для переменного тока сопротивление, которое линейно
зависит от частоты этого тока. Сопротивление самоин-
дукции возрастает прямо пропорционально частоте тока,
а сопротивление емкости падает также прямо пропор-
ционально частоте.
Когда токи незначительно разнятся по частоте, то од-
ной индуктивностью или одной емкостью невозможно
их хорошо разделить. Даже если частоты токов отли-
чаются вдвое, то и тогда коэффициент фильтрации еди-
ничного элемента будет только 2 в самом лучшем слу-
чае, а практически всегда меньше.
Для получения большого коэффициента фильтрации
для токов незначительно разнящихся по частоте, необ-
ходимо применять фильтры, состоящие из комбинации
емкостей и самоиндукций.
6-11. Согласование входа и выхода
Основная простейшая ячейка фильтра состоит из
двух элементов: одной емкости и одной индуктивности
(рис. 6-6 и 6-7).
Если емкость включить последовательно, а индук-
тивность — параллельно, то это будет фильтр высоких
Рис. 6-6. Элементарная ячейка фильтра высоких частот.
частот (рис. 6-6). Чем выше частота колебаний, тем
легче они пройдут через такой фильтр.
Когда же индуктивность включена последовательно,
а емкость параллельно, то получится фильтр низких
309
частот. Чем выше частота колебаний, тем сильнее их
задерживает такой фильтр (рис. 6-7).
Действие сита мало зависит от того, из какого ящи-
ка в него сыплют зерно и в какой ящик затем это зерно
собирают. Зерна более крупные, чем ячейки сита, ни
при каких условиях сквозь сито не пройдут, а зерна
Частота Частота
Рис. 6-7. Фильтр низких частот.
Рис. 6-8. Полосовой фильтр.
Частота
Рис. 6-9. Заграждающий (режекторный) фильтр.
более мелкие, нежели ячейки, через сито провалятся. Но
для фильтра электрического очень существенны харак-
теристики той линии, из которой в него поступают элек-
трические колебания, а также той линии, в которую
после фильтра колебания уходят. Колебания могут от-
ражаться от мест соединения фильтра с линиями, и эти
отражения сильно меняют работу фильтра.
310
Электрический фильтр действует иначе, чем сито.
Электрический фильтр—это комбинация складов элек-
тромагнитной энергии. В простейшей ячейке таких скла-
дов два: конденсатор, где энергия запасается в виде
электрических сил, и индуктивность, где энергия запа-
сается в виде магнитных сил. При воздействии на
фильтр электромагнитного колебания, электромагнитной
волны ее энергия непрестанно перебрасывается из кон-
Децсатофа в индуктивность и обратно. Одна и та же
порция энергии создает в конденсаторе напряжение,
скажем, Е вольт, а в индуктивности ток / ампер. Отно-
шение этих вольт к амперам называют номиналь-
ным характеристическим сопротивлени-
ем фильтра. Если обозначить емкость С, а индуктив-
ность L, то характеристическое сопротивление фильтра
будет приближенно равно:
7-=К?-
Фильтр хорошо действует, когда электрические со-
противления той линии, из которой к нему подводятся
колебания, и той линии, по которой они уходят, в точ-
ности равны характеристическому сопротивлению ячей-
ки фильтра. Тогда не будет отражений энергии на входе
и выходе.
6-12. Резонансная частота и коэффициент
фильтрации
Звено фильтра, состоящее из емкости и индуктивно-
сти, — это колебательная система. Подобной же коле-
бательной системой является гиря, подвешенная на пру-
жине, кузов автомобиля, качающийся на рессорах. Ка-
чели, гамак — все это колебательные системы, и все
они могут применяться для фильтрации механических
колебаний.
Когда колебательная система получает единичный,
короткий толчок (для механической системы — механи-
ческий толчок, для электрической системы — электри-
ческий толчок), то в этой системе некоторое время еще
продолжаются, постепенно слабея, колебания. Это соб-
ственные колебания системы. Их частота — собственная
или резонансная частота системы.
311
Чем дальше частота приложенных к фильтру коле-
баний от его собственной, резонансной частоты, тем вы-
ше может быть коэффициент фильтрации. Во многих
случаях можно считать, что коэффициент фильтрации
равен квадрату отношения резонансной частоты ячейки
фильтра к частоте подведенного к нему тока.
При питании радиопередатчиков применяются фильт-
ры низких частот, фильтры с большими конденсаторами
(несколько десятков микрофарад) и большими индук-
тивностями (десятки генри); собственная резонансная
частота звена получается несколько колебаний в секун-
ду. Назначение этих фильтров — не допустить к пере-
датчику гармоник токов звуковых частот 300 и выше
герц. На одном звене коэффициент фильтрации равняет-
ся нескольким тысячам. Одного звена достаточно, что-
бы при работе радиопередатчика не было слышно гу-
дения и жужжания.
В легковых автомобилях ставят податливые рессоры,
и собственный период колебаний кузова на рессорах
получается большим. Коэффициент фильтрации толчков
у такой машины велик. Чтобы его еще повысить, стре-
мятся уменьшить массу неподрессоренной части авто-
мобиля, массу его колес.
В грузовикам ставят жесткие рессоры. Частота соб-
ственных колебаний получается выше, фильтрация мень-
ше. Кроме того, у грузовых машин больше масса не-
подрессоренных частей. Поэтому их и трясет больше.
При одной и той же упругости рессор чем тяжелее
кузов, тем ниже частота его колебаний. Поэтому нагру-
женную машину меньше трясет, нежели пустую.
Чтобы уменьшить эту тряску, часто применяют сту-
пенчатые рессоры—как говорят автомобилисты, про-
грессивную подвеску. Сначала нагрузку на себя прини-
мает гибкая податливая рессора. Она обеспечивает до-
статочно малую частоту собственных колебаний и при
пустом кузове. А чтобы кузов сильно не осел, когда ма-
шину нагрузят, то имеется вторая, более жесткая рес-
сора, на которую кузов опирается в груженом состоянии.
Такой фильтр с переменной упругостью или с пере-
менной массой называется нелинейным фильтром.
В электротехнике часто применяются нелинейные фильт-
ры. В схемы включается газовые, например неоновые
лампы, которые не горят при низких напряжениях, ког-
312
да же напряжение увеличивается выше установленного
предела, они вспыхивают и меняют данные электриче-
ской цепи.
Есть предложения увеличивать массу кузова автомо-
биля, не увеличивая его веса. Это кажется невероятным,
а между тем сделать это не так сложно. Надо поста-
вить на кузов быстро вращающийся маховик—гироскоп.
Быстро вращающееся тело энергично сопротивляется
всякой попытке отклонить его ось вращения. Повыше-
ние скорости вращения аналогично повышению массы.
На автомобиле с гироскопом можно было бы получить
очень большую плавность хода, большой комфорт даже
по неровной дороге.
6-13. В погоне за высокой фильтрацией
Автомобиль — это ряд включенных друг за другом
звеньев фильтра. Первое звено — пневматические шины
на колесах. Чем меньше давление в шинах, тем подат-
ливость их больше, тем больше и коэффициент фильтра-
ции этого звена. Хорошо ездить на супербаллонах.
Второе звено фильтра — это рессоры с кузовом. За-
тем, как фильтры механических колебаний работают еще
и подушки сидений.
В телеге этих звеньев фильтрации нет, и те, кто
в ней подолгу путешествовал, научились собственными
силами включать еще одно звено фильтра: наклонять
корпус и сгибать спину, чтобы она пружинила и чтобы
толчки от сиденья доходили к головному мозгу по
возможности в ослабленном виде. Иногда в одной эле-
ментарной ячейке фильтра трудно получить требуемый
большой коэффициент фильтрации, требуемое затуха-
ние нежелательных колебаний. При последовательном
включении отдельных элементарных ячеек результирую-
щий коэффициент фильтрации всей цепи для большин-
ства схем включения обычно равен произведению ко-
эффициентов фильтрации отдельных звеньев. Или, ина-
че говоря, полное затухание равно сумме затуханий
всех звеньев.
Часто бывает выгоднее сделать несколько звеньев
с малой фильтрацией каждое, и включить их последова-
тельно, нежели применять одно звено с требуемой вы-
сокой фильтрацией.
313
Электрическая система
Акустическая система
Механические системы
Рис. 6-10. Многозвенный фильтр низких частот.
Представлены электрический, акустический и два механических: поступательный и вращательный варианты.
Механические системы
Рис. 6-11. Многозвенный фильтр высоких частот.
Представлены четыре варианта: электрический, акустический, механический поступательный и
механический вращательный.
В хороших радиоприемниках фильтр цепи питания
иногда выполняется не из одной, а из двух и даже бо-
лее ячеек.
Но вообще это очень сложный вопрос о выборе наи-
лучшего, оптимального фильтра. Иногда самый луч-
ший— это самый дешевый, а иногда — имеющий наи-
меньший объем. О лучшем будет еще разговор в сле-
дующей главе.
6-14. Отсев с уничтожением
Можно по-разному производить фильтрацию колеба-
ний: можно отразить нежелательное колебание, отогнать
его. А можно это колебание, наоборот, поглотить. В од-
них случаях применяются отражающие, а в других по-
глощающие фильтры. Примером последних может слу-
жить автомобиль.
В автомобиле шины, подвеска, подушки сидений, сло-
вом, все звенья фильтра механических колебаний долж-
ны поглотить энергию толчков, не дать ей дойти до
пассажира. В этом многозвенном фильтре энергия меха-
нических колебаний превращается в тепловую и рассеи-
вается. Каждое звено автомобильного фильтра обяза-
тельно имеет в своем составе элемент трения, который
переводит механические колебания в тепло. Эти преоб-
разователи колебаний в тепло получают разные конст-
руктивные оформления и носят разные названия: тор-
моза, демпферы, катаракты, успокоители и т. д.
Применяются, например, масляные гасители коле-
баний. К кузову автомобиля крепится стальной цилиндр,
наполненный вязким маслом. В нем ходит поршень, свя-
занный с осью колеса. В поршне проделаны узкие кана-
лы. Когда колесо подпрыгивает на неровностях дороги,
масло продавливается через эти каналы. Энергия пере-
мещения поршня в цилиндре тратится на нагрев
масла.
Часто стальные пружины (рессоры) крепятся к ку-
зову и к осям колес через резиновые прокладки. За счет
внутреннего трения в этой резине гасится часть энергии
колебаний.
Внутреннее трение в резине поглощает энергию толч-
ков и в пневматических шинах. При движении автомо-
биля покрышки шин непрестанно деформируются. Они
316
нагреваются из-за внутреннего трения. Этот нагрев ста-
вит предел грузоподъемности покрышек и скорости их
качения. При нагреве выше 100° С внутренний каркас
покрышки из хлопчатой ткани (корда) теряет свою ме-
ханическую прочность — перегорает. Во время быстрой
езды автомобильные шины горячи даже на морозе.
В последнее время каркасы для шин начинают делать
из новых более прочных и термостойких материалов
(например, из синтетических нитей — капрона).
Автомобильные конструкторы стремятся уменьшить
поступающую в автомобиль энергию механических толч-
ков. Эта энергия тем меньше, чем меньше неподрессо-
ренная масса (т. е. масса колес). Но уж та энергия
толчка, которая поступила от колеса к рессоре, может
быть только рассеяна. Ее нельзя отразить обратно к до-
роге, или, что было бы еще более заманчиво, исполь-
зовать для ускорения хода автомобиля. Энергию толч-
ков, идущих от дороги к пассажирам, можно только
превращать в тепло. Автомобильный фильтр (рис. 6-12)
эквивалентен электрическому фильтру, у которого на4
входе задан ток, а не напряжение.
Еще один пример фильтра с большим затуханием—
это автомобильный глушитель (рис. 6-2). Энергия пере-
менных составляющих газового потока в нем превра-
щается в тепло. Одновременно теряется и часть энергии
постоянной составляющей потока отработанных газов.
Глушитель снижает мощность двигателя. Гоночные ма-
шины работают часто без глушителя. Прямо из цилинд-
ров выбрасывают выхлопные газы в атмосферу. Поэто-
му они мчатся с таким ревом.
Электрические фильтры, которыми снабжаются вы-
прямители, эквивалентны по принципу глушителю и
подвеске автомобиля. Это все фильтры нижних частот.
Они не должны пропускать быстрых колебаний.
В маломощных выпрямителях сглаживающие фильт-
ры выполняются с большим затуханием (как авто-
мобильная подвеска и глушитель). В приемниках
фильтры составляются иногда из одних емкостей и со-
противлений, а индуктивностей в них нет. В таких
фильтрах значительны потери электроэнергии. Зато эти
фильтры стоят дешевле и занимают меньше места, не-
жели более сложные фильтры с индуктивностями.
317
Рис. G-12. Система подвески автомобиля, ее механическая эквивалентная схема и электрические модели.
В электрических моделях сопротивления, поглощающие энергию переменных составляющих, можно включать по-разно-
му: либо в цепь индуктивности, либо в цепь емкости.
6-15. Гасители вблн
Волны моря несут с собой огромные количества энер-
гии. Небольшие и очень часто возникающие волны с пе-
риодом 5—6 сек дают силу удара 3—4 т на 1 ^.Штор-
мовые волны с весьма распространенным периодом 7—
Рис. 6-12а. Вертикальный разрез волны
(по «Океанографии» Шокольокого).
Волнистые сплошные кривые соединяют частицы
воды, которые в состоянии покоя расположены на
горизонтальных, параллельных друг другу линиях.
Пунктирные кривые соответствуют вертикалям —
перпендикулярам к поверхности воды в состоянии
покоя.
При волнении отдельные ячейки сетки, нанесен-
ной на разрез, меняют свою форму. Но площадь
каждой ячейки не меняется, так как вода мало
сжимаема. Поэтому у подошвы волны поверх-
ность ячеек растягивается, ячейки здесь сплющи-
ваются. У вершины ячейки вытягиваются вверх,
а поверхность их сжимается. Кругами на рисунке
показаны траектории, которые описывают при вол-
нении отдельные частицы воды. Чем дальше от
поверхности, тем движение воды слабее.
8 сек развивают давление 5 т на 1 м2. К давним време-
нам восходят предложения использовать энергию волн
для производства полезной работы.
По рассказу академика Крылова, приведенному
в книге академика Шулейкина «Очерки по физике моря»,
некий изобретатель построил корабль, состоявший из
двух половин, которые были соединены между собой
шарниром посредине. По мысли изобретателя, продоль-
ное изгибание этого корабля на волне должно было при-
водить во вращательное движение вал корабельного
винта и таким образом двигать корабль вперед. Одна-
ко, пока волны были малы, корабль покоился на по-
319
случаи расположения
активных молекул на по-
верхности волны (по Шу-
лейкину).
Молекулы маслянистых ве-
ществ представлены в виде
вертикальных линий с шаро-
образными утолщениями, а
молекулы воды — маленьки-
ми черточками. Ша|рообраз-
ные утолщения — это актив-
ная часть крупной молекулы.
Активная часть притягивает
к себе молекулы воды.
а) Одномолекулярный слой
толщиной около двух мил-
лионных долей миллиметра.
6) Пленка воды, покрытая
с двух сторон активными мо-
лекулами. Подобную же
структуру имеют стенки
мыльных пузырей. Их тол-
щина 6 миллимикронов.
в) «Толстая> пленка, содер-
жащая четыре слоя актив-
ных молекул.
верхности моря неподвижно. Когда же размеры волн
возросли настолько, что можно было от них требовать
полезной работы, злополучный корабль просто перело-
мился пополам на шарнире. По-
следователей у этого изобретате-
ля не нашлось.
Использование нерегулярных,
меняющихся по частоте и ампли-
туде механических колебаний —
это очень трудная задача. Из мно-
гочисленных предложений ис-
пользовать энергию морских волн
для производства полезной рабо-
ты некоторого внимания могут
заслуживать только те, в кото-
рых предлагается вделывать в бе-
рег своеобразные каналы-ловуш-
ки. Вбегая в них, волны дают
большие взбросы. Канал являет-
ся волновым трансформатором,
энергия движения волны превра-
щается в энергию подъема воды.
Взброшенная вода попадает
в бассейн, приподнятый над
уровнем моря. Оттуда вода сте-
кает обратно в море через тур-
бины. Однако и это предложение
практически не было еще осуще-
ствлено.
Значительно проще можно га-
сить энергию волн, превращать
ее в тепло. Современные кораб-
ли снабжаются иногда фильтра-
ми механических колебаний —
приспособлениями для уменьше-
ния качки. Хорошо успокаивают
колебания корабля цистерны, со-
общающиеся с забортной водой
и между собой трубами с заслон-
ками. При качке вода перели-
цистерну, и трение в трубах с за-
вается из цистерны в
слонками поглощает часть энергии механических коле-
баний. Наибольшее успокоение получается при некото-
320
рой определенной величине трения. Еще лучше Можно
гасить колебания корабля при помощи гироскопов, при-
водимых в действие от электродвигателей.
Еще до нашей эры было известно, что маслянистые
вещества усмиряют морские волны. Плиний описывает,
как водолазы поливали оливковым маслом поверхность
моря, чтобы уменьшить волнение. Во многих современ-
ных морских альманахах и справочниках приводятся
указания судоводителям, как лучше всего наносить мас-
леный слой на поверхность моря, сколько требуется
расходовать масла. В «Океанографии» Шокальского,
например, советуется смачивать маслом пеньковые кон-
цы и маты, чтобы потом опускать их за борт для сгла-
живания гребней волн.
Однако полное объяснение и теория этого явления
были даны только в последнее время академиком
В. В. Шулейкиным и его сотрудниками на Черномор-
ской гидрофизической станции. Оказывается, пленка
масла вносит сильное затухание в колеблющуюся воду.
Она действует подобно омическому сопротивление,
включаемому в электрический колебательный контур.
Масло, вылитое на бушующую поверхность моря, рас-
текается тонким слоем по воде. На волнующейся по-
верхности пленка все время растягивается и сжимается.
У подошвы волны вода растягивает слой масла на боль-
шое пространство, а на гребне масляная пленка сжи-
мается.
Молекулы жирных кислот чрезвычайно громоздки:
по своим размерам они более чем в сотни раз превы-
шают молекулы воды. В веществе тонкой маслянистой
пленки при непрерывном перемещении у поверхности
воды возникает огромное внутреннее трение. Энергия
волн затрачивается на нагрев масляного слоя. Волне-
ние сильно уменьшается. При этом энергичнее всего га-
сятся волны с малым периодом, с большой крутизной.
На большие основные волны масляная пленка мало дей-
ствует. Эта пленка на воде ведет себя как фильтр, по-
давляющий высокие частоты.
Но, помимо фильтров-«пожирателей» колебаний,
в технике широко используются фильтры-«отража-
тели».
21 Г. И Бабат.
321
6-16. Фильтрация с малыми потерями
Подвеска автомобиля была приведена в качестве
примера фильтра с большими потерями. Но в автомо-
биле имеется и совершенно иного рода фильтр механи-
ческих колебаний. Двигатель соединяется с маховиком,
который отдельные толчки взрывов преобразует в плав-
Рис. 6-12в. Кварцевый полосовой
фильтр, состоящий (Из простых кон-
денсаторов и кварцевых /пластинок
(показанных на рисунке заштрихо-
ванными).
Такой фильтр обладает чрезвычайно
острой избирательностью, так как кварце-
вая пластинка является колебательным
контуром с очень малыми потерями — ча-
сто ее затухание меньше одной десятич-
ной.
ное вращение вала. Иногда на вал еще насаживают
грузы на пружинах — гасители высших гармоник в кри-
вой вращающего момента. И в маховике, и в гасителях
крутильных колебаний потери ничтожны.
Электрические фильтры с малыми потерями приме-
няются часто в установках для преобразования тока.
Электрический фильтр в сочетании с вентилями может
переводить колебания из любой части спектра в любую,
начиная от самых низких частот (включая и нулевую
частоту — постоянный ток) вплоть до колебаний, почти
примыкающих к тепловым.
Чем меньше затухание отдельных элементов фильтра
в таком устройстве, тем меньше потери на преобразова-
ние (при условии, что потери в вентилях также малы).
В мощных радиопередатчиках применяются выпря-
мители, к. п. д. которых может быть выше 99%. Звенья
фильтра в этих выпрямителях — с минимальными поте-
322
рями. Эти фильтры не поглощают нежелательных со-
ставляющих, а отражают их обратно к вентилям.
Выпрямитель превращает пульсирующую мощность
переменного тока в строго неизменную мощность посто-
янного тока за счет циркуляции энергии в звеньях
фильтра, которые являются промежуточными складами.
Конденсаторы сглаживают толчки напряжения, дроссе-
ли — толчки тока.
При помощи вентилей можно также превращать по-
стоянный ток в переменный. Иногда применяются вен-
тили, потери в которых меньше 1%. Из совершенно по-
стоянного тока можно сделать чистую синусоиду.
В силовых сетях 50 гц синусоида считается вполне удов-
летворительной, если ее форма не более чем на 5%
отличается от математической кривой.
При помощи комбинаций емкостей и индуктивностей
с вентилями принципиально возможно мощность всех
высших гармоник преобразовать в мощность постоянного
тока (при выпрямлении) или в мощность основной си-
нусоиды (при инвертировании). Но часто оказывается
экономически невыгодным применять сложные и дорого-
стоящие схемы с высоким к. п. д. Когда велики потери
в вентилях, неразумно тратить много сил на улучшение
дросселей и конденсаторов. Общий к. п. д. этим не
улучшить. Большинство современных ламповых генера-
торов работает с к. п. д. не выше 80%. В них высшие
гармоники просто гасятся.
В многократной дальней телефонной связи большей
частью применяются фильтры из звеньев с малым зату-
ханием, с малыми потерями. Задача полосовых фильт-
ров—пропустить сквозь себя часть спектра, а осталь-
ные части не поглотить, а отразить, направить к другим
потребителям.
Полосовой фильтр работает тем лучше, чем меньше
потери в его складах энергии — в его индуктивностях
и емкостях. Но катушки индуктивности всегда обладают
и вредным омическим сопротивлением, а конденсаторы
всегда имеют потери в изоляции. Существуют механиче-
ские колебательные системы, которые обладают очень
малыми потерями. Это камертоны для звуковых частот
и кварцевые пластинки для радиочастот. Эти пластинки
и камертоны оказываются дешевле, нежели соответ-
ствующего качества электрические контуры.
21* 323
Часто электрические фильтры выполняются с меха-
ническими колебательными системами. Для разделения
частот в дальней связи приняты кварцевые полосо-
вые фильтры. В военной телемеханике, например, в мин-
ных полях, взрываемых издалека по радио, применялись
камертонные фильтры, чтобы эти мины отзывались толь-
ко на свои определенным способом зашифрованные сиг-
налы.
Кварцевые фильтры (рис. 6-12,в) обладают очень
острой избирательностью. В некоторых случаях такая
большая избирательность может оказаться даже вред-
ной. Идут на специальные ухищрения, чтобы расширить
в кварцевых фильтрах полосу пропускаемых частот.
6-17. Общие рассуждения о волнах и частицах
Сита для зерна (исправные, конечно) дают абсолют-
ное отделение.
Крупные зерна никак не могут пройти сквозь мелкие
отверстия сита.
Совсем по-иному ведут себя фильтры, в которых
разделяются колебания, безразлично механические или
электрические.
Для колебаний не существует ни абсолютного про-
пускания, ни абсолютного запирания. Сопротивление
фильтра для колебаний изменяется с частотой этих ко-
лебаний, но это сопротивление всегда остается конеч-
ным. Нет абсолютно прозрачных и нет абсолютно не-
прозрачных фильтров для колебаний. Сито же, пропус-
кающее частицы с поперечником, скажем, в 1 мм, абсо-
лютно прозрачно для всех более мелких частиц и абсо-
лютно непрозрачно для всех более крупных. Можно
сказать, что коэффициент фильтрации у фильтра для
частиц равен бесконечности.
В волновом же фильтре коэффициент фильтрации
может быть весьма велик, но бесконечным он не будет.
В природе нет ни «чистых» волн, ни «чистых» частиц.
Все процессы природы имеют и волновую, и «зернистую»
структуры. Лучи света преломляются призмами, отра-
жаются зеркалами, при этом они ведут себя как волны.
Чтобы разделить лучй разных частот, применяют свето-
фильтры. Зелено-бутылочные очки, которые носят альпи-
нисты на сверкающих ледниках, темно-синие щитки
сварщиков, желтые насадки для фотообъективов, руби-
324
Рис. 6-12г. Кривые поглощения некоторых ве-
ществ, применяемых в качестве светофильтров.
1 — хлористый кобальт в алкоголе; 2 — пленка метал-
лического калия; 3 — хлористый празеодим; 4 — хло-
ристый неодим; 5 — уранин (натровая соль флю-
оресцина); 6 — аммиачная медь; 7 — кобальтовое стек-
ло; 8 — красное сигнальное стекло; 9 — стекло сорта
С34; 10 — зеленое стекло; 11 — зеленое сигнальное
стекло; 12 — азотистокислый натрий (насыщенный
раствор 2 см); /3 — стекло сорта 984В; 14 — стекло
985В; 15 — стекло 986Л; 16 — цианозин; 17 — хромово-
кислый калий; 18 — азотнокислая медь; 19 — стекло
9586; 20— хлористый кобальт в ацетоне; 21 — серно-
кислый кобальт в воде; 22 —хлористый никель; 23 —
йод в ССЦ; 24 — нитродиметиланилин в воде; 25 —
пары брома; 26 — хлор. От размера и структуры мо-
лекул зависят резонансные частоты их колебаний.
Эти частоты определяют полосы пропускания и по-
глощения.
ново-красные стекла фонарей в фотолабораториях — все
это колебательные системы, только в них вместо гирь
и пружин, вместо катушек и конденсаторов колебания
совершают молекулы вещества. В зависимости от раз-
меров молекул, от сил связи между ними у них разная
325
резонансная частота — частота собственных колебаний.
Поэтому они и пропускают разные полосы частот. Тон-
кие листы эбонита, например, непрозрачны для световых
лучей, но свободно пропускают тепловые лучи, длинные
инфракрасные волны.
Фильтры для световых и тепловых лучей подчиняют-
ся тем же законам, что и фильтры из гирь и пружин,
или из катушек и конденсаторов.
В светофильтрах отношение прошедшей энергии
к энергии посланной—это прозрачность. А отношение
величин прозрачностей для двух разных частот — это
коэффициент фильтрации. Увеличивая толщину слоя ве-
щества, через которое идут лучи, можно увеличивать
коэффициент фильтрации, подобно тому как его увели-
чивают для радиочастот, включая последовательно все
большее количество ячеек, состоящих из £ и С. Такое
увеличение фильтрации сопряжено с увеличением по-
терь, с уменьшением прозрачности.
Заметим здесь же кстати, что и для радиоволн, по-
лучаемых в электронных лампах, не всегда применяются
фильтры из катушек и конденсаторов. Для сантиметро-
вых волн хорошо работают как фильтры металлические
полости, напоминающие акустические фильтры. А можно
еще применять для этих волн просто объем, заполнен-
ный достаточно крупными, имеющими соответствующие
резонансные частоты молекулами. Для каждой волны
можно подобрать соответствующее химическое соеди-
нение.
Но и волны света, и более длинные радиоволны в не-
которых процессах ведут себя так же как и частицы.
Энергия электромагнитных колебаний может излучаться
и поглощаться только определенными порциями — кван-
тами. Можно сообщить телу или отобрать от него только
целое число квантов.
Чем крупнее частица, тем меньше выражены ее вол-
новые свойства, а чем больше ячеек в фильтре для коле-
баний, тем ближе он по своим свойствам к ситу для
частиц.
6-18. Снова о зерновой смеси,
За рассуждениями о фильтрах для колебаний был
забыт изобретатель «нового метода транспорта», кото-
рый тем временем продолжает донимать своими пред-
326
ложепияМи различные инстанции, доказывая, как выгод-
но перевозить различные сорта зерен в виде смеси и за-
тем эту сложную смесь сортировать на ситах.
Чтобы окончательно сразить настойчивого автора, не-
кий хитроумный эксперт задал такой вопрос:
— Предположим, все сорта зерен имеют одинаковый
размер. Они могут отличаться только цветом —как жел-
тый и зеленый горошек, или вообще не иметь внешних
отличительных признаков, как, например, разные сорта
пшеницы. Как разделить на ситах зерна одинакового
размера?
Аналогичная задача стоит перед строителями линий
многократной многоканальной телефонной связи.
Человеческая речь состоит из набора различных зву-
ковых колебаний с частотой от нескольких десятков до
нескольких тысяч герц. Микрофон, возбуждаемый звуко-
выми волнами, отдает набор электрических токов таких
же частот.
Электрический фильтр, прозрачный для токов звуко-
вых частот, т. е. пропускающий токи с частотой от де-
сятков до тысяч герц, пропустит сквозь себя любой раз-
говор, и самое высокое колоратурное сопрано, и самый
низкий бас.
Фильтр же, непрозрачный для токов звуковых частот,
вообще никакого разговора -пропустить не может.
Как же тогда отделять электрическими фильтрами
один разговор от другого?
Изобретатель транспорта зерновой смеси нашел
ответ на задачу коварного эксперта.
6-19. Отличая создавать искусственно
Прежде чем смешивать зерна, их надо обвалять
в растворе глины. На каждом отдельном зерне наращи-
вается глиняная корочка. Каждый сорт зерен обвали-
вается разное время, и толщина корочки получается раз-
ная у разных сортов. Эту глиняную оболочку можно сде-
лать в несколько раз толще, чем само зерно. Отдельные
сорта зерен могут резко отличаться по толщине своей
оболочки.
Транспортироваться будет смесь глиняных шариков
разных размеров. Эти шарики затем легко сортируются,
рассеиваются на ситах.
327
При обсуждении этого ценного рационализаторского
предложения было предложено еще одно усовершенст-
вование: не снабжать каждое отдельное зерно своей
оболочкой, а складывать каждые 10 или 50 кг зерен
в свой особый ящик или мешок. И на ящике писать, ка-
кой именно сорт зерен в нем находится. Патент на это
изобретение, правда, получить не удалось.
Для дальней телефонной связи применяется метод,
имеющий нечто сходное с упаковкой зерен в ящики и
мешки. Дальнюю связь производят при помощи нало-
женных токов. Из телефонных аппаратов разговорные
токи направляются не сразу в линию дальней связи.
Эти токи звуковой частоты предварительно насажива-
ются на какую-то более высокую частоту. Или, если
придерживаться нашего сравнения, можно выразиться,
что токи звуковой частоты упаковываются в высокую ча-
стоту. Берут телефонный разговор, состоящий из смеси
токов с частотой, скажем, от 300 до 3 000 гц, и упаковы-
вают его в частоту, к примеру, 100 000 гц.
Процесс упаковки низкочастотных колебаний в вы-
сокочастотные, процесс наложения низких частот на вы-
сокие в электротехнике называется модуляцией.
Упаковка — великая вещь. Прочный ящик с зерном
можно перебросить на далекое расстояние. Электриче-
ские колебания звуковой частоты трудно далеко пере-
дать, а упакованные в высокую частоту они свободно
перебрасываются вокруг всего земного шара. Множест-
во колебаний в разных «упаковках» можно направить
в одну линию, а на месте приема легко рассортировать
отдельные разговоры и направить каждый к своему
абоненту. Модулированные высокочастотные колебания
широко применяются для многоканальной телефонной
связи.
6-20. Модуляция колебаний
Много тысяч авторских свидетельств выдано в Со-
ветском союзе на различные способы упаковки низкой
частоты в высокую — на различные способы модуляции.
Множество существует также методов демодуляции,
т. е. обратного извлечения низкой частоты из высоко-
частотной оболочки.
Термин «модуляция» издавна применялся в музыке
для обозначения перехода из одной тональности в дру-
328
гую — смены ладов. Есть и существительное от этого
корня — модуль1. Механики называют модулем отноше-
ние диаметра шестерни к числу ее зубцов. В архитектуре
слово модуль также имеет свое значение.
В электротехнике модуляция — это изменение какой-
нибудь из характеристик электрического тока — его
силы, частоты, фазы, в соответствии с колебаниями ка-
кого-либо другого тока.
Модуляция — это не просто смешение токов, а такое
сочетание высокочастотного и низкочастотного токов,
когда низкочастотный ток как бы отпечатывает свою
форму на высокочастотном.
Ток высокой частоты, на который накладывается
телефонный разговор, называется модулируемым
током, модулируемой частотой. Говорят также
«несущая частота». Это удачное название. Оно
хорошо показывает сущность процесса. Высокая частота
после модуляции несет на себе (или в себе) отпечаток
тока низкой частоты.
Впрочем, специалисты по дальней проводной связи <—
«дальники» предпочитают пользоваться термином —
преобразование частоты. Выражением же модуляция
пользуются главным образом радисты. В радиотелефо-
нии несущая, модулируемая частота обычно во много
раз превышает модулирующую частоту. Во многих слу-
чаях насаживают звуковые токи на очень высокую несу-
щую частоту — в миллионы раз превышающую звуковую
частоту.
В проводной связи несущие частоты во многих слу-
чаях бывают сравнимыми с частотами, подвергаемыми
преобразованию. Так например, при преобразовании ча-
стот тонального спектра, простирающегося до 3 кгц,
может быть применена несущая частота порядка 6 кгц-,
при групповом преобразовании (о нем речь будет ниже)
для преобразования спектра от 60 до 108 кгц несущую
частоту берут равной 216 кгц.
Самый процесс модуляции тока высокой частоты зву-
ковыми (или иными) токами можно выполнять разными
1 Слово «модуль» происходит от латинского слова modulus
(модулюс), что значит «мерка». Употребляется оно часто в смысле
«делитель». Постоянные, которые входят в знаменатель различных
физических и технических формул, часто называются модулями: на-
пример, модуль упругости, модуль Юнга и т. д.
329
способами: различают амплитудную, фазовую, частот-
ную модуляции.
Простой и часто применяемый способ модуляции —
это амплитудный способ, когда сила высокочастотного
Верхняя
боковая Г+f
частота
vWWWWWWb
az ^wwwvww
Рис. 6-13. Амплитудная модуляция высокочастотного тока при-
помощи переменного сопротивления.
Генератор в. ч. вырабатывает ток с частотой F. Сопротивление микро-
фона меняется с частотой f. Ток на выходе изменяется по закону:
Z=/o( 1 + т sin 2nft) sin 2пН. Но можно записать закон изменения
тока и в ином виде:
т т
i=I0 sin 2л77+/0"2 sin2jt(F+f)f+/o”2 sin 2n(F—f)t.
В обеих формулах величина т носит название коэффициента модуля-
ции. На рисунке представлен случай /п=0,5.
Верхняя кривая — несущая частота, под ней результирующий модули-
рованный ток, а рядом с ним схематическое представление его спектра.
тока (его амплитуда или действующее значение) ме-
няется в такт звуковым колебаниям. Для этого микро-
фон управляет силой колебательного тока лампового
высокочастотного генератора.
В дальней проводной связи применяется исключи-
тельно амплитудная модуляция.
330
6-21. Подробнее о модуляции, фильтрации
и демодуляции
Если просто сложить два тока — один высокочастот^
ный, а другой низкочастотный, то это еще не будет мо-
дуляция. Если бросить мешок среди кучи зерна, это не
будет упаковка.
Рис. 6-14. Модуляция при помощи одного нелиней-
ного сопротивления (вентиля).
Два генератора: один высокой (модулируемой) частоты, дру-
гой низкой (модулирующей) включены последовательно
с вентилем. Прошедший через вентиль ток содержит в себе
постоянную составляющую и целый ряд комбинационных ча-
стот. Их спектр представлен внизу. При помощи фильтров
можно отделить требуемые составляющие. Подобная про-
стая схема модуляции применяется иногда для радиосвязи.
Для дальней многократной телефонной связи применяются
более сложные схемы преобразования частот (см. рис. 6-16).
Если смесь токов высокой и низкой частоты пропу-
стить через нелинейное сопротивление — через выпрями-
тель, например, то на выходе уже получится модулиро-
ванное напряжение.
Модулятор — это своеобразная «упаковочная маши-
на» для токов низких частот, она заключает их в высо-
331
кочастотную оболочку. После модулятора получается
смесь токов, которая состоит: из самой несущей ча-
стоты— скажем, те 100 000 гц, о которых упоминалось
выше. Затем имеется еще и модулирующая частота,
в нашем примере возьмем ее 3 000 гц. От воздействия
несущей на модулирующую получаются боковые
вход моду-
лированного
напряжения
Рис. 6-15. Демодуляция «при помощи вентиля.
Ток, прошедший через вентиль, содержит в себе ряд составляющих.
Высокочастотные составляющие замыкаются через конденсатор, по-
стоянный ток циркулирует только в первичной обмотке переходного
низкочастотного трансформатора, в нагрузку (телефон) проходят толь-
ко низкочастотные составляющие. Подобное преобразование частоты
применяется в радиоприемниках. Радисты называют этот процесс
детектированием.
полосы или ’боковые частоты. Одна из них равна сумме
несущей и модулирующей — это будет верхняя боковая,
другая равна разности несущей и модулирующей — это
нижняя боковая частота. В нашем примере эти боковые
частоты будут равны соответственно 103 000 и 97 000 гц.
Верхняя и нижняя боковые частоты — как бы зеркаль-
ное отражение одна другой.
Потом еще будут частоты, равные удвоенной частоте
несущей, комбинационные частоты, равные несущей
плюс или минус удвоенные и утроенные модулирующие,
удвоенной несущей плюс и минус взятые п раз модули-
рующие. Чем сложнее комбинация, тем меньший про-
цент мощности начальных колебаний в пей содержится.
332
Фильтрами можно отсеять ненужные комбинации коле-
баний.
На приемном пункте стоит демодулятор, который из
смеси токов высоких частот вновь добывает низкую ча-
стоту. Назвав модулятор «упаковочной машиной», надо
демодулятор называть «распаковочной». Демодулятор
Вход F
Рис. 6-16. Схемы преобразователей частоты, применяемых в много-
кратной дальней связи.
Подобные устройства — модемы применяются и для приема, и для переда-
чи. Вверху представлена схема, называемая кольцевой. Под ней двухтакт-
ная схема. Особенность подобных преобразователей та, что спектр частот
на их выходе беден паразитными продуктами. Практически можно счи-
тать, что на выходе имеется только сумма и разность частот, как это
представлено на рисунке.
извлекает содержимое из волны. Одно и то же устрой-
ство может работать и как модулятор, и как демодуля-
тор. Связисты часто называют такие устройства модем.
Высокочастотный модулированный ток не может не-
посредственно привести в действие обычный электромаг-
нитный телефон. Поэтому и нужна демодуляция.
333
Пропустив модулированную волну через вентиль, вы-
прямитель, точно такой же, какой был применен для
модуляции, можно на выходе получить смесь токов раз-
Рис. 6-16а. Преобразование частот при дальней много-
кратной телефонии.
Вверху показана полоса тональных частот на входе преобразо-
вателя передачи. Посередине — боковые полосы (два различных
разговора, идущие в линии связи). Все разговоры занимают
совершенно одинаковые полосы частот. Но при помощи преобра-
зователей полосы, соответствующие разным разговорам, перене-
сены в разные части спектра. Поэтому они идут в линии, не
мешая друг другу.
Над спектрами токов в линии показаны кривые пропускания
(прозрачности) фильтров на приемном конце линии. Каждый
фильтр пропускает только свою полосу. Из фильтра токи посту-
пают на вход приемного преобразователя, который переносит
полосу частот обратно в тональную часть спектра. •
Внизу показана полоса тональных (звуковых) частот на выходе
фильтра приемного преобразователя. Эта полоса в точности
подобна верхней.
личных частот, из которой можно отфильтровать и тре-
буемую низкую частоту.
Радиовещательные передатчики излучают со своих
антенн и несущую частоту, и обе боковые полосы: и
верхнюю и нижнюю. Выше был приведен пример пере-
датчика, который излучает спектр частот от 97 до
334
103 тыс. гц. При такой системе передачи получается наи-
более простая конструкция демодулятора. Такую пере-
дачу можно принять на наиболее простой и дешевый
радиоприемник.
Но можно построить такой приемник, который до-
вольствуется и одной только боковой частотой. Такой
приемник получается дороже и сложнее, нежели простой
Передающая
сторона
Принимающая
сторона
Рйс. 6-17. Принцип разделения каналов по частоте.
Mi, М2, М3 — микрофоны отдельных абонентов. Они модулируют
передатчики, работающие на разных частотах: fi, f2t f3. Пере-
датчики всех каналов непрерывно и одновременно работают на
общую линию. На приемном конце частотные фильтры разде-
ляют отдельные каналы. Фильтр Ф1 пропускает только спектр
частот первого канала Л. Фильтр Ф2 — частоты второго кана-
ла /2. После фильтров включены демодуляторы Db D2, D3, кото-
рые выделяют звуковые частоты из принятого спектра и направ-
ляют их в соответствующие телефоны.
радиовещательный, требующий и несущей частоты, и
обеих боковых. В этом приемнике имеется маленький
генератор, который на месте вырабатывает несущую ча-
стоту. Для многоканальной связи по проводам выгод-
нее применять более сложный приемник, но зато зани-
мать на каждую передачу более узкую полосу в спек-
тре частот.
При многократной связи после модулятора ставят
фильтр, и он пускает в линию только одну боковую по-
лосу. В нашем примере, скажет, верхнюю от 100 до
103 тыс. гц.
Другой разговор насаживают на другую несущую,
скажем, 150 тыс. гц. Этот разговор занимает полосу от
150 до 153 тыс. гц.
На месте приема ставится ряд полосовых фильтров.
Один из них прозрачен только для частот от 100 до
103 кгц. Он пропустит только первый разговор. Все
остальные телефонные разговоры через него не пройдут.
335
Второй фильтр прозрачен для полосы от 150 до 153 кгц.
Он пропустит только второй телефонный разговор.
По кабелю хорошего качества можно передать одно-
временно очень много телефонных разговоров. Сущест-
вует аппаратура, которая позволяет по одной двухпро-
водной линии осуществить 480 телефонных каналов.
Рис. 6-18. Радиолиния с частотным разделением каналов.
Частоты fi, f2, fz промодулированы звуковыми частотами от
микрофонов М|, М2, М3. Но эти частоты fi, f2, f3 не поступают
прямо в линию, как это было при проводной многократной свя-
зи, показанной на предыдущем рисунке.
При многоканальной радиосвязи частоты fi, f2, /з только «под-’
несущие>. Их спектрами модулируется радиопередатчик, рабо-
тающий на сверхвысокой частоте fo. Приемное устройство долж-
но равномерно усиливать весь спектр частот.
Здесь применяется многократная модуляция, кото-
рую можно сравнить с многократной упаковкой. Разные
сорта зерен пакуются в маленькие кулечки. Затем ку-
лечки собираются по нескольку штук в один пакет, а не-
сколько пакетов объединяются в ящик.
При многократной модуляции 12 телефонных разго-
воров образуют группу. Пять таких групп объединяется
в супергруппу. А затем восемь таких супергрупп посы-
лаются в одну линию. На месте приема обратная «рас-
паковка»— демодуляция также идет в йесколько ступе-
ней. Вначале восемь полосовых фильтров делят всю
смесь на супергруппы. Каждая идет в свой супергруп-
повой демодулятор и затем новым комплектом полосных
фильтров делится на 5 групп. А на последней ступени
группу разделяют на 12 каналов.
6-22. Еще о модуляции в технике и природе
Не только для связи применяется наложение низко-
частотных колебаний на более высокочастотные. Моду-
ляция различных видов колебаний широко применяется
в технике.
33Q
В звуковом кино для записи звука на светочувстви-
тельную пленку модулируют световые колебания. Тон-
кий луч света пропускают через отверстия в полюсах
электромагнита. Между этими полюсами, как раз попе-
рек пути светового луча, натянута тонкая бронзовая лен-
точка. По ней проходит усиленный ток от микрофона.
Ленточка колеблется между полюсами электромагнита.
Чем сильнее ток через нее, тем больше она отклоняется
от своего начального положения и тем шире открывает
путь лучу света. Сила светового луча меняется в такт
звуковым колебаниям. На световые колебания — элек-
тромагнитные колебания высокой частоты — накладыва-
ются колебания звуковой частоты. Ленточка, натянутая
между полюсами магнита, модулирует световой луч
механическим способом. Есть и другие способы.
Маленький конденсатор помещают в банку с нитро-
бензолом. Между обкладками этого конденсатора про-
пускают световой луч. Плоскость колебаний электриче-
ских и магнитных сил в луче света меняется в зави-
симости от величины напряжения на обкладках конден-
сатора. Слой нитробензола поворачивает плоскость
поляризации светового луча. Поставив на пути свето-
вого луча еще два поляризатора — один до, а другой
после нитробензола, можно модулировать силу проходя-
щего через нитробензол луча.
Иногда модулируют свет при помощи специальных
лампочек накаливания. Если нить такой лампы имеет
малую световую инерцию, то сила испускаемого лампой
света будет точно следовать за изменениями тока, на-
каливающего нить.
А вот примеры естественной, природной модуляции.
Молекулы всех тел находятся в непрестанном тепловом
движении. В сложных химических соединениях моле-
кулы колеблются с частотами, зависящими от массы
атомов, составляющих молекулу, и от сил связи между
отдельными атомами. И эти колебания можно сравнить,
как это мы много раз делали, с колебаниями гирь, под-
вешенных на пружинах. Период колебаний зависит от
массы гирь и от упругости пружин. Молекулярные маят-
ники колеблются с большой быстротой. Частота этих
колебаний выше самых высоких радиочастот, получае-
мых в обычных электронных лампах. Но эта частота
все же значительно ниже частоты световых колебаний.
22 Г. И. Рабат. 337
Если пропустить сквозь прозрачное вещество луч
света с одной определенной частотой колебаний —
луч одного цвета, монохроматический луч, как гово-
рят,— то колебания молекул, более медленные, нежели
световые колебания луча, промодулируют этот световой
луч, и в нем, помимо основного цвета (несущей часто-
ты), появятся еще боковые полосы: колебания с часто-
тами, равными сумме и разности световых и тепловых
колебаний. Это явление называется комбинацион-
ным рассеянием света. Его впервые открыли
в СССР академик Мандельштам и профессор Ландсберг.
Они не торопились опубликовать свое открытие. Этот
же эффект обнаружил впоследствии индусский ученый
Раман, который немедля, тут же телеграфировал об
этом в важнейшие научные журналы. Поэтому комби-
национное рассеяние называют иногда еще эффектом
Рамана.
Комбинационное рассеяние — модуляция световых
колебаний молекулярными — имеет важное значение
для познания строения вещества. Когда известна масса
маятника, то можно, не видя его, по одному звуку его
тикания, т. е. по периоду его колебаний, сказать, какая
в нем стоит пружина (волосок). Так, по частоте молеку-
лярных колебаний, которую мы узнаем из ширины ‘бо-
ковых полос рассеянного спектра, можно судить о си-
лах связи в сложных молекулах.
Множество есть еще случаев модуляции одних коле-
баний другими.
Вой ветра у-у, у-у — это модулированные звуковые
колебания. Такая модуляция звука, наложение на звук
еще более низкой частоты называется иногда бие-
ниями.
Такие биения бывают слышны в гуле двухмоторных
самолетов, когда частоты вращения моторов чуть отли-
чаются одна от другой. Иногда применяется синхрони-
зация моторов самолетов. При этом биения отсутст-
вуют. У немецких бомбардировщиков во время второй
мировой войны моторы не были синхронизированы. Эти
бомбардировщики можно было сразу отличить по их
воющему гулу.
Периодическое изменение точки нажима на струну
(«вибрато»), применяемое при игре на смычковых ин-
струментах, модулирует издаваемый струной тон. Это
338
искусство скрипача — дать такую модуляцию, чтобы
в ответ попали в. резонанс и затрепетали сердца его
слушателей.
6-23. Частотные фильтры вместо замков
В § 1-14 (посвященном схемам) уже говорилось об
электрических замках. Часто перед электриками ста-
вится задача так оградить приемное устройство, чтобы
на него мог воздействовать только какой-нибудь опре-
деленный электрический сигнал. Никакие другие сигна-
лы не должны подходить к «электрическому замку» при-
емного устройства.
Для самолетов и ракет применяется дальнеуправле-
ние, и необходимо, чтобы они слушались только радио-
сигналов своего хозяина.
Никакие другие сигналы не должны мешать их
управлению, не должны сбивать их с курса, заставлять
выполнять ложные приказы.
Во время войны применялись взрываемые по радью
минные поля. И здесь необходим «электрический замок»,
чтобы чужой сигнал не мог дать ложную команду.
Комбинация частотных фильтров может служить се-
кретным замком. Приемник самолета, ракеты или мины
настраивается на одну определенную волну. На другую
волну он не отзовется. Но одна ступень частотного
фильтра, одна ступень частотной селекции, как гово-
рят,— это еще не защита. Это как секретный замок
с одним кольцом. Достаточно подобрать одну частоту,—
и замок открыт.
На основную высокую частоту накладывается еще
несколько модулирующих частот. В приемнике после
первого частотного фильтра стоит усилитель и демоду-
лятор, потом — снова фильтры на более низкие модули-
рующие частоты. И далее может быть еще одна или
даже несколько ступеней усиления, демодуляции и
фильтров.
Относительно простые конструкции фильтров для
звуковых частот получаются с камертонами. Каждый
камертон отзывается только на свою резонансную часто-
ту, только на свою ноту. А какой участок на какие ак-
корды отзывается, известно только в штабе командо-
вания.
22* 339
Пошлют на тройной модуляции, скажем, ноты «до»
и «фа» в первой октаве—и взорвется один участок мин-
ного поля. Пошлют ноты «ля» в первой и «ре» во второй
октавах — другие мины взлетят на воздух. Противник
думает: ну, все кончено, что могло взорваться — уже
взорвалось. Теперь можно быть спокойным. А тут ка-
кое-нибудь «си» и «соль» передадут по радио, и снова гро-
хочут мины. Неприятная штука многократные минные
поля. Сила оружия — в неожиданности его действия.
6-23а. Волнбвые и волноводные фильтры
П. Л. Чебышев
(1821—1894 гг.).
Волноводные фильтры — объемные фильтры, используемые для
выделения определенного участка из общего спектра частот, а так-
же для выделения определенного типа волн.
Кроме того, цепочки полых резонато-
ров используются для создания полосно-
пропускающих фильтров.
Процесс отфильтрования нежелатель-
ных видов волн имеет много разновидно-
стей. Например, эти волны можно отра-
жать от установленной в волноводе про-
волочной сетки, направление проводников
которой совпадает с направлением линий
электрического толя паразитной волны.
Если проволочная решетка, состоящая из
ряда концентрических колец, установлена
в круглом волноводе, то волна Eoi через
нее свободно проходит, а волна #oi отра-
жается. Через решетку, выполненную из
радиальных проводников, свободно прохо-
дит волна типа Н01 и отражается волна
типа Е01.
В 1962 г. в американском Microwave
Journal были отмечены заслуги Чебышева
в создании в конце прошлого века матема-
тического аппарата, обладающего весьма большой общностью и при-
годного для синтеза современных волноводных фильтров, исполь-
зуемых в настоящее время для радиолокации, связи, вычислитель-
ных устройств и в аппаратуре космической электроники.
При конструировании полоснопропускающих волноводных
фильтров приходится выбирать вид связи между резонаторами, тип
индуктивной диафрагмы, числю секций, обеспечивающее достижение
заданных характеристик, способ настройки. Эта работа выбора зна-
чительно облегчается благодаря использованию полиномов Чебы-
шева.
В ряду различных средств аппроксимации данной функции
метод П. Л. Чебышева является для инженеров одним из наиболее
интересных и важных.
Первоначально метод был введен П. Л. Чебышевым при созда-
нии им теории определенных механизмов.
340
Некоторое развитие Метод получил в трудах его ученика
Е. И. Золотарева. Результаты Чебышева и Золотарева 'использовал
Кауэр при разработке теории электрических фильтров. Наряду
о (применением, указанным 'Кауэром, было найдено много других
применений идей Чебышева, которые дают возможность решить сле-
дующую задачу: среди всех полиномов л-й степени со старшим
коэффициентом, равным единице, найти тот максимум модуля, ко-
торый в интервале (—1, +1) имеет наименьшее значение.
Полиномы Чебышева — широкое обобщение, дающее новый
оригинальный метод приближенного представления функций самого
разнообразного вида.
После простейшей ортогональной системы функций — тригоно-
метрической — наиболее простыми являются системы ортогональных
многочленов. Из этой системы полиномы Чебышева первого рада,
т. е. разложение по косинусам кратных дуг, дают возможность во
многих случаях достичь наилучшего равномерного приближения.
6-24. Долой фильтры
Существуют действительно склады, между которыми
проложен один транспортер, и по этому одному транс-
портеру, передаются самые разнообразные сорта зерен.
Выделение
Передающая старо на Принимающая сторона
Рис. 6-19. Принцип разделения каналов по вре-
мени.
На передающей стороне сигналы передатчиков /и 2
поступают в линию поочередно через коммутатор-распре-
Связь каждого передатчика со своим приемником состав-
делитель Xi. Для каждого передатчика отводится неко-
торая часть времени, потребного на один оборот комму-
татора. На приемной стороне линия связи включена на
кбммутатор-распределитель К2» который вращается син-
хронно с коммутатором Ki передающей стороны.
В момент прихода сигнала от передатчика 1 линия со-
единена с приемником 1. В момент прихода сигнала
от передатчика 2 линия соединена с приемником 2.
ляет канал. Устройство, показанное на рисунке, обеспе-
чивает два канала связи. Но можно осуществить разде-
ление по времени для значительно большего числа ка-
налов.
341
Но никаких сит для разделения сортов при этом не при-
меняют. Для разделения сортов их отличают один от
другого не по собственным признакам, а по времени.
Попросту говоря, разные сорта транспортируются не од-
новременно, а один после другого. Сначала передают по
транспортеру, скажем, фасоль, затем ждут, пока транс-
портер очистится, потом посылают другой сорт зерен
и т. д.
В электрической связи для осуществления несколь-
ких передач по одной общей линии также применяется
сложение и разделение каналов по времени. В много-
кратных телеграфных аппаратах (например, аппараты
Бодо) этот принцип применяется уже давно. Но для
телефонии его стали применять значительно позже ча-
стотных фильтров. Несмотря на свою кажущуюся про-
стоту, в этом способе имеются свои тонкости.
6-25. Твердое расписание
Предположим, что склады находятся один от другого
на далеком расстоянии, и тот, кто отправляет зерна, не
может просто крикнуть: «Эй, приятель, принимай гречу!»
Можно успешно вести передачу между двумя отда-
ленными складами, не имеющими другой связи между
собой, кроме транспортера, если применить жесткий
план-график: каждый сорт зерен транспортировать
в свое время. Ровно в полночь с началом новых суток
сыплется фасоль. Спустя час направляют в транспортер
горох. Утром шлют гречу, вечером маковые зерна. Каж-
дый час суток отведен на особый сорт зерен.
Отдельные посылки одного и того же сорта зерен
отделены интервалом в 24 часа. От фасоли до фасоли
или от мака и до мака проходят ровно сутки.
Это аналогично тому, чтобы несколько телефонных
аппаратов по очереди приключались к одной проводной
линии.
Но телефонную связь нельзя назвать удобной, если
ею можно пользоваться только один час в сутки.
6-26. Быстрое переключение
Когда медленно идешь вдоль забора, то доски засло-
няют по очереди то одну, то другую часть пейзажа. Но
если побежать, то отдельные щели между досками со-
342
льются в сплошную полосу, и пейзаж будет виден цели-
ком все время.
Если переключать телефонные аппараты в линии бы-
стрее, чем период самого высокого звукового колеба-
ния, то все эти переключения вовсе не будут заметны
абонентам, и все они одновременно будут говорить и
слушать, и каждая пара не будет мешать одна дру-
гой.
Для удовлетворительного качества телефонной пере-
дачи можно самую высокую звуковую частоту принять
равной 3000 гц. Тогда переключать аппараты в линии
надо с частотой в 8 или 10 тыс. гц.
6-27. Точное переключение
Чтобы уменьшить перебои в доставке зерен, также
ускорили смену сортов. Стали передавать сорта не через
час, а каждые 5 мин. Чтобы зерна в пути не смешива-
время
Маркер
Посылки в линию
Рис. 6-20. Двухканальная импульсная телефонная передача.
По каждому из двух каналов происходит передача своего ряда импуль-
сов, модулированных своей низкой частотой. После двух импульсов
первого и второго каналов на линию поступает маркерный импульс,
который на этом рисунке показан более высоким, чем остальные.
Распределитель передающей установки включает поочередно на линию
первый канал, второй канал и маркер.
343
лись, между посылками отдельных сортов стали делать
паузы: 5 мин сыплют зерна одного сорта. Потом 10 мин
перерыва, потом новый сорт. Каждому сорту зерен отве-
дено свое время. Это время может и не быть непремен-
но использовано для передачи данного сорта, но зани-
мать его другим сортом нельзя, иначе нарушится весь
график передачи.
На приемном складе требуется четко менять ящики
у транспортера, а то зазеваешься, не уберешь вовремя
ящик с фасолью, и в него посыплется горох. Или слиш-
ком рано подставишь ящик для гречи, и в него набе-
рется мак.
Для связи с разделением по времени требуются точ-
ные согласованные часы на приемном и передающем
пунктах. Кладовщик на приемной станции может тогда
не смотреть, что сыплется из транспортера. Он может
руководствоваться только своими часами и точно через
5 мин убирать один ящик и подставлять другой.
6-28. П роверьте Ваши часы
Если часы на приемном и передающем пунктах рас-
согласуются, то вся передача будет нарушена. Приемный
пункт должен время от времени сверять свои часы с ча-
сами передающего пункта.
Для такой сверки первую минуту каждого часа из
передающего пункта посылается по транспортеру груз,
резко отличный от всех остальных. То зерна шли, а то
вдруг стальные шарики посылают. И как посыплются
эти шарики, так приемщик подправляет стрелку своих
часов. За один час даже плохие часы ненамного отста-
нут или убегут вперед. А через час снова придут по
транспортеру шарики и дадут сигнал, как подрегулиро-
вать часы. Шарики — это синхронизирующий сигнал
(по-гречески син — одинаковый, хронос — время, об этом
была речь в гл. 4). Этот синхронизирующий сигнал, или,
как еще говорят связисты, маркерный сигнал, обеспечи-
вает согласованность приема с передачей.
Многоканальная связь, при которой звуковые сигна-
лы передаются в виде отдельных «вырезок», отдельных
толчков или импульсов, называется «импульсной много-
канальной связью»;
344
6-29. Многоканальная импульсная связь
по проводам и без проводов
Для удовлетворительной телефонной передачи доста-
точно подключать аппараты в линию с частотой 8 или
10 тыс. гц. За одну десятитысячную секунды все теле-
фонные аппараты на приемном и передающем концах
линии должны быть по очереди к ней подключены. На
Рис. 6-21. Схема модуляции импульсов по высоте (амплитудно-
импульсная модуляция—АИМ).
На одну сетку лампы приходят импульсы, сформированные вспомогательным
генератором. Они все имеют одинаковую высоту и равное расстояние один от
другого. На вторую сетку лампы воздействует напряжение звуковой частоты
(от микрофона через усилитель). Анодный ток имеет также форму импульсЛ,
но высота их разная. Она меняется в такт изменениям напряжения звуковой
частоты.
каждый отдельный канал связи отводится только незна-
чительная часть от одной десятитысячной секунды. От-
ношение длительности импульса каждого канала к рас-
стоянию между двумя последовательными импульсами
этого канала называется «скважностью» импульсов. Она
может быть, например, равна одной сотой. Длительность
каждого единичного импульса получается около одной
миллионной секунды — одной микросекунды. Никакими
механическими устройствами такое быстрое и точное пе-
реключение не получить. Этого можно достигнуть только
при помощи электронных приборов. Таким путем можно
получить несколько десятков каналов телефонной связи
по одной линии.
Но при такой многоканальной связи получается
очень широкий спектр частот. По обычным проволочным
воздушным телефонным линиям импульсную передачу
трудно пропустить.
Импульсный многоканальный метод хорош для ра-
диосвязи. Весь набор импульсов, которые уже несут раз-
говорные токи, накладывается в свою очередь на сан-
345
тиметровыё радиоволны. А те направленным пучком по-
сылаются между пунктами приема и передачи.
Во время второй мировой войны многократная им-
пульсная радиосвязь стала широко применяться.
6-30. Циклофоны и циклодосы
Практическое распространение получили системы
многократной импульсной радиосвязи с 24 каналами.
Для переключения каналов применялись первоначально
схемы с обычными радиолампами. Лампы эти по очере-
ди то запирались большим отрицательным сеточным на-
пряжением, то включались в работу. На каждый канал
Рис. 6-22. Модуляция имшульсов по длительности
(широтно-импульсная модуляция — ШИМ).
Высота импульсов при этом виде модуляции остается
неизменной, а длительность прохождения тока в каж-
дом импульсе зависит от величины модулирующего на-
пряжения. Когда мгновенное значение модулирующего
напряжения равно нулю, импульс имеет среднюю дли-
тельность Т. При положительном модулирующем напря-
жении длительность импульса возрастает на Ат, а при
отрицательном напряжении уменьшается на Ат.
приходилось по нескольку ламп. Схемы получались
сложными и громоздкими.
После войны были впервые опубликованы данные об
электронных коммутаторах. Это были электронно-луче-
вые трубки, напоминающие осциллографические. Только
вместо светящегося экрана в конце трубки по кругу
стояли металлические пластинки. Для 24 каналов дела-
лось 25 пластинок — по одной на каждый канал и еще
одна для маркерного импульса.
В другом конце трубки помещалась электронная
пушка. Отклоняющие электроды развертывали по кругу
ее луч, заставляли его по очереди обходить все пластин-
ки каналов.
346
Этот электронный коммутатор получил название —
циклофон.
Ток в электронном луче слабый; чтобы увеличить его
действие, пластинки каналов покрывались веществом
с большой вторичной электронной эмиссией. Слабый
Рис. 6-23. Модуляция импульсов по фазе (фазово-импульсная моду-
ляция — ФИМ).
Ни высота, ни ширина импульса не меняются, но в зависимости от моду-
лирующего напряжения импульсы смещаются назад или вперед. Это смеще-
ние импульсов пропорционально мгновенному значению модулирующего на-
пряжения.
электронный луч, падая на такую пластину, выбивал из
нее в несколько раз усиленный электронный ток.
Одного и того же типа циклофон может быть приме-
нен и в передатчике, и в приемнике. В передатчике он
смешивает сигналы от разных каналов, а в приемнике
разделяет смесь, раздает ее по отдельным абонентам.
Можно еще упростить систему многократной им-
пульсной передачи, если в передающем устройстве при-
менить электронный коммутатор, который не только
формирует и суммирует импульсы, но также и модули-
рует их. Такой универсальный коммутатор для передат-
чика был построен под названием циклодос.
В циклодосе электронный луч описывает круги по
аноду, в котором проделаны косые вырезы. Сколько ка-
налов, столько и вырезов, плюс еще один более широкий
347
Генератор
такта.
Нрадиопере-
датчику
Рис. 6-24. Схема циклофонного распределителя
в передатчике конечной станции радиорелейной
линии связи.
В левой части лампы расположены подогревный катод,
испускающий электронный луч, сетка, управляющая
яркостью луча, и ускоряющие аноды. Затем электронный
луч проходит через две пары отклоняющих пластин, ко-
торые развертывают его по кругу. Через скважистую
пластину электронный луч попадает на электроды, обо-
значенные цифрами от 1 до 24. Каждый электрод со-
ответствует отдельному каналу связи. Интервалы време-
ни между отдельными импульсами определяются всецело
конструкцией циклофона и частотой тактового генератора,
который подает напряжение на пластины развертки.
маркерный вырез. За вырезами располагаются пластин-
ки, воспринимающие удар электронного луча.
Когда модуляции нет, то луч описывает точную
окружность и все импульсы отстоят на равном расстоя-
нии один от другого. Модулирующее напряжение откло-
няет луч в радиальном направлении. Он описывает те-
перь не окружность, а сложную кривую. Импульсы через
348
прорези получаются то с опережением, то с отставанием
относительно среднего своего положения. Это фазо-
вая модуляция (рис. 6-23).
6-31. Потери при транспорте
Предположим, что изобретатель транспортировки раз-
личных зерен в виде смеси без упаковки добился все-
таки осуществления своей идеи.
И вот поток маково-гречнево-фасольной смеси дви-
нулся из одного склада в другой. И, о ужас! В пути
поток зерновой смеси становится все слабее и реже.
Транспортер оказался с утечкой. Зерно по мере продви-
жения от пункта отправки к пункту назначения теряет-
ся, пропадает. Поток зерновой смеси тает, затухает.
Тогда изобретатель, не теряясь, предлагает новое
усовершенствование: делается промежуточная станция,
собирается все, что осталось от первоначального мощно-
го потока зерновой смеси, эти остатки засеваются. Со-
бирается урожай, который должен в несколько раз пре-
высить количество посеянного материала. Все собранное
зерно отправляется дальше по транспортеру.
Когда же и этот вторичный поток значительно рас-
сеется и ослабеет в пути, операция засева остатков по-
вторяется. А весь сбор урожая отправляется дальше.
6-32ъ Потери в линиях связи
Электрические токи в пути по длинной линии неиз-
бежно слабеют и затухают. Проводники линии всегда
обладают сопротивлением (омическим, активным сопро-
тивлением) . Проводники нагреваются, когда по ним
проходит электрический ток. На этот нагрев расходуется
мощность. Нагрев может быть незначительный, ничтож-
ные доли градуса. Но если линия длинная, то токи все
слабеют и мощность их в конце концов становится очень
малой.
Второй источник потерь — это несовершенная изоля-
ция между проводниками линии. Даже воздух не являет-
ся идеальной изоляцией. Еще менее совершенны любые
твердые и жидкие изоляторы. Между проводниками ли-
нии всегда существуют токи утечки, они вызывают вы-
деление тепла в изоляции, вызывают поглощение мощ-
ности.
349
Для токов разной частоты проводники линии имеют
разное активное сопротивление. А именно — чем выше
частота тока, тем сильнее концентрируется ток в тонком
поверхностном слое проводника. И чем неравномернее
распределен ток в проводнике, тем большая часть его
энергии теряется на единицу длины проводника. И по-
Рис. 6-25. Зависимость затухания от частоты тока для силово-
го кабеля на напряжение 6,6 кв.
тери в изоляции между проводами линии также растут
с частотой тока. Для токов низких частот многие мате-
риалы являются хорошими изоляторами. Для токов же
высоких частот в этих материалах велики потери.
Поэтому чем выше частота тока, тем больше его за-
тухание в линии (рис. 6-25).
Так, в щелястом транспортере раньше и легче всего
теряются в пути мелкие составляющие. Сначала растру-
сятся в пути маковые зерна, потом гречневые, а позже
всего крупные бобы.
Процентный состав ёмеси меняется в пути.
Когда по длинной линии связи передаются токи теле-
350
фонного разговора, то составляющие более высоких ча-
стот затухают скорее. Человеческая речь становится
глухой, неразборчивой.
Затухание в длинной линии происходит по закону
геометрической прогрессии. Распространяясь по средне-
го качества двухпроводной линии из стальных проводов,
переменный ток с частотой 800 гц (это средняя звуковая
частота) теряет половину своей мощности на длине
20 км. На следующих 20 км он потеряет еще половину
от оставшейся половины. Через 200 км останется меньше
одной тысячной от начальной мощности. А еще через
200 км останется меньше одной миллионной.
Существуют специальные единицы для затухания
(рис. 6-26). Одна из них названа «бел». Один бел —
это затухание, которое уменьшает начальную мощность
в 10 раз. Так как мощность пропорциональна квадрату
силы тока или напряжения, то затухание в один бел
уменьшает ток или напряжение в J/* 10^3,15 раза.
Бел — крупная единица затухания, часто применяется
одна десятая ее часть, один децибел, он обозначаем-
ся дб. Это затухание соответствует изменению мощности
в 1,25 раза и изменению тока или напряжения
в 1,12 раза.
Другая единица затухания, которая также часто
применяется, это непер (ней). Непер соответствует ос-
лаблению тока или напряжения в 2,7 раза (основание
натуральных, или, как их еще иногда называют, неперо-
вых логарифмов) и, следовательно, ослаблению мощно-
сти в 2,72 = 7,3 раза. 1 неп = 8,7 дб.
При нормальной громкости разговора обычный теле-
фонный аппарат с угольным микрофоном развивает
мощность около одной тысячной ватта. В проводной
связи с этой мощностью часто сравнивают всякие дру-
гие мощности. Одну тысячную ватта принимают за ну-
левой уровень. Нормальное человеческое ухо может еще
разобрать разговор, когда к телефону среднего качества
подходит мощность в одну миллионную ватта, т. е.
в одну тысячную нулевого уровня.
Между двумя нормальными телефонными аппарата-
ми допустимо, следовательно, ослабление в тысячу раз,
т. е. затухание примерно в 3,5 неп.
В самой лучшей линии из медных 4-миллиметровых
проводов такое затухание будет на длине 1200 км. Но
351
Рис. 6-26. График для пересчета отношений мощностей, токов и напряжений в едини-
цы затухания.
По нижней горизонтальной оси отложены децибелы, по верхней горизонтальной оси неперы. По-
вертикальной оси отложены отношения токов, напряжений и мощностей.
так как затухание существует еще и в самих аппаратах
в соединительных станционных устройствах, то практи-
ческая дальность связи на хорошей линии не превышает
500 км.
Страшная штука — затухание по геометрической
прогрессии. Чтобы получить миллионную ватта на при-
емном конце линии длиной 7 тыс. км (это меньше рас-
стояния от Москвы до Хабаровска), к началу этой линии
надо бы подвести мощность в миллиард киловатт —
больше, чем мощность всех электростанций на земном
шаре.
Радиоволны и лучи света в пространстве без потерь
слабеют пропорционально квадрату расстояния от излу-
чателя. На малых расстояниях этот закон дает более
быстрое падение принимаемой мощности, нежели закон
геометрической прогрессии — логарифмический закон.
На малые расстояния очень выгодно передавать по про-
водам. Но на больших расстояниях мощность в проводе
слабеет куда быстрее, нежели мощность в луче.
6-33. Усиление и борьба с потерями
За счет энергии солнечных лучей, за счет питатель-
ных веществ, находящихся в почве, вырастает богатый
урожай из малого количества посевного материала. Это
есть усиление. Из одного зерна возникает множество
ему подобных. На опытной базе Академии сельскохо-
зяйственных наук одно семечко проса дало 26 157 зе-
рен.
Усилителем можно назвать всякую систему, где ма-
лые силы управляют большими, формируют эти боль-
шие силы по своему подобию.
Первые паровые машины, которые строились два
века тому назад, — это были примитивные усилители.
Приставленный к машине рабочий то открывал кран на
трубе от котла к паровому цилиндру, то запирал его и
выпускал пар в холодильник. Поршень повторял (усили-
вал) движения рабочего. (Позже был придуман золот-
ник, механически соединенный с поршнем, и паровая
машина превратилась в генератор с самовозбуждением.)
Паровые усилители имели много важных практиче-
ских применений. На больших судах, чтобы переложить
с борта на борт тяжелый руль, нужна мощность в де-
23 Г. И. Бабат. 353
сятки лошадиных сил. Штурвальный поворачивает лег-
кое колесо, направляя потоки пара то по одной, то по
другой трубе, и паровая машина ведет руль вправо или
влево, точно следя за штурвальным колесом. В прош-
лом веке эту машину сравнивали с рабом, повинующим-
ся команде. По-латыни раб — сервус. Отсюда возникли
термины «сервомашина», «сервопривод», «серводвига-
тель».
Можно назвать усилителем и паровой молот. Много-
тонный боек взлетает вверх и обрушивается на нако-
вальню, следуя за движениями легкого рычага, управ-
ляемого рукой кузнеца.
В последние годы молоты вместо пара часто приво-
дят в действие сжатым воздухом. Такой молот — это
пневматический усилитель. Привод сжатым воздухом
применяется в мощных высоковольтных выключателях.
Небольшой электромагнит, потребляющий несколько
ватт, открывает путь воздушному потоку, который раз-
вивает в рабочем цилиндре мощность в несколько кило-
ватт. Пневматические усилители применяются для
управления рулями самолетов и еще во многих других
случаях.
С древних времен можно вести историю гидравличе-
ских усилителей. Заслонка в лотке мельничного водяного
колеса — это прообраз гидравлических усилительных
устройств. На современных металлообрабатывающих
станках, например, на шлифовальных, на копировально-
фрезерных, обрабатываемое изделие и суппорты с рабо-
чими инструментами движутся гидравлическими цилин-
драми. Масляный насос создает давление в резервуаре.
Золотники управляют подачей масла в рабочие цилинд-
ры. Повинуясь движению маломощного датчика, тя-
желый массивный суппорт движется вверх — вниз,
вправо — влево, повторяя форму, которую надо вырезать
в обрабатываемом металле. Гидравлический усилитель
работает с высокой точностью.
Электротехника вооружила промышленность и науку
множеством весьма совершенных усилителей. Самый
старый из них — это электромашинный. Если вращать
якорь машины с постоянной скоростью и изменять ток
в обмотках возбуждения машины, то отдаваемая маши-
ной мощность будет следовать за изменениями тока воз-
буждения. Можно построить специальную машину, кото-
354
Рис. 6-27. Водоналивное колесо.
Из книги Георгия Агрикола «О металлургическом
искусстве» (1556 г.). По его свидетельству, подобные
колеса применялись для подъема воды из шахт:
«Машинист стоит в подвесной будке около резер-
вуара. Он управляет заслонками бака и направляет
струи воды, чтобы вращать колесо то в одном, то
в другом направлении. Когда же ему не удается
вовремя закрыть отверстие бака и тем самым остано-
вить воду, он велит своему помощнику прижать под-
нятую тормозную колодку ко второму барабану и та-
ким образом остановить колесо».
Эта машина — далекий предшественник современных
сервомеханизмов, современных гидравлических уси-
лительных систем.
23*
355
рая довольствуется малым током возбуждения, а в якоре
создается вспомогательный поперечный магнитный поток,
усиливающий действие первичного потока возбуждения.
Подобные машины стали применяться в промышленной
практике незадолго до Отечественной войны. Они сна-
чала получили неудачное название амплидины (от
латинского слова — усиливать). С помощью электрома-
Рис. 6-28. Принципиальные схемы электромашинного усили-
теля.
Управляющий ток поступает в обмотку У. При вращении якоря воз-
никает ток в цепи короткозамкнутых щеток 1—Г. Сила этого тока
пропорциональна силе управляющего тока. Ток короткозамкнутой цепи
возбуждает в якоре напряжение, снимаемое второй парой щеток 2—2'.
В — выходные зажимы, К — компенсационная обмотка. Машина на ле-
вой схеме снабжена еще дополнительными компенсационными обмотка-
ми Ci и С2.
Машина с поперечным полем представляет собой как бы двухкаскад-
ную усилительную систему. Первый каскад — от обмотки управления
до короткозамкнутых щеток. Второй — от короткозамкнутых щеток до
выходных.
шинных усилителей управляют передвижением электро-
дов в мощных дуговых печах, управляют сложными
электроприводами (например, на прокатных станах).
Электромашинные усилители дают усиление мощности
до 10 000 раз.
Существенные применения получили магнитные
усилители. Они устроены так: на стальном сердеч-
нике помещены две обмотки. Через одну пропускается
переменный ток, а другая, управляющая обмотка обте-
кается постоянным током. Он создает в стальном сердеч-
нике подмагничивание. Как было сказано во второй гла-
ве, магнитная проницаемость стали сильно зависит от
пронизывающего ее магнитного потока. Когда в управ-
ляющей обмотке ток мал, то магнитная проницаемость
стального сердечника велика. Обмотка переменного тока
ЗБ6
при этом имеет высокое индуктивное сопротивление и
«пропускает через себя небольшой ток.
Если увеличить ток в управляющей обмогке, то сталь-
ной сердечник насыщается, индуктивное сопротивление
обмотки переменного тока падает, ток через нее возра-
стает. Таким образом, переменный ток меняется в такт
Рис. 6-29. Принципиальная схема трехкаскадного магнитного уси-
лителя.
Энергия для усиления черпается из сети переменного тока. Управляющее на-
пряжение подается на обмотку В зависимости от силы тока через эту
обмотку меняется индуктивное сопротивление обмоток Li и L'i и меняется
напряжение на выпрямителе В. Через обмотку У2 проходит ток, пропорцио-
нальный току в У\. Он меняет индуктивное сопротивление обмоток L2 и L'2,
ZH — нагрузка.
подмагничивающему току. На одном таком усилителе
(на одном каскаде) обычно получают выигрыш по мощ-
ности не больше нескольких десятков. Но можно такие
усилители включать несколько каскадов один за другим.
Переменный ток из первого каскада выпрямляют и на-
правляют в обмотку подмагничивания следующего, бо-
лее мощного каскада.
В цепях постоянного тока применяются иногда
угольные усилители. Стопка угольных дисков
помещается в изоляционную трубку. Электрическое со-
противление этой стопки меняется в зависимости от ее
сжатия. Иногда к этой стопке приделывают электромаг-
нит, якорь которого нажимает на угольные диски силь-
нее или слабее в зависимости от силы тока в обмотке
этого электромагнита. Иногда таким угольным усилите-
лем управляют от механического датчика. Угольным
усилителем является и микрофон. Есть еще много типоб
электрических усилителей, но, безусловно, самый замеча-
357
тельный в настоящее время это — электронная лампа.
В электронной лампе от раскаленного катода движет^
тя поток электронов, на пути которого стоит управляю-
щая сетка. Сила электронного потока меняется в такт
изменению напряжения на управляющей сетке. Чтобы
повысить коэффициент усиления, вводят в лампу еще
добавочные сетки (экранные, противодинатронные).
Рис. 6-30. Одна из схем одноламповой транс-
ляции В. И. Коваленкова.
Самое ценное свойство лампы — ее малая инерцион-
ность. Электронный ток следует за изменениями управ-
ляющего напряжения, совершающегося в миллиардные
доли секунды.
Н’о и для электронных потоков есть свой предел.
Колебания с частотой в сотни миллиардов герц (милли-
метровые волны) уже невозможно усиливать при помо-
щи управляемых сеткой электронных потоков.
При изучении усилителей часто вводится такое поня-
тие — постоянная времени.
Между моментом приложения к усилителю управляю-
щего воздействия и моментом выхода из усилителя этого
воздействия в усиленном виде всегда проходит некоторое
время. Нет такого усилителя, у которого не было бы
этого запаздывания. Отдача всякого усилителя начи-
нает нарастать с нуля и только постепенно, через более
или менее длительный отрезок времени достигает уста-
новившегося значения.
Иногда за постоянную времени принимают то время,
в течение которого отдача усилителя достигает 38%
(1/е) от установившегося значения.
У электронной лампы постоянная времени — всего
лишь миллиардные или даже десятимиллиардные доли
358
секунды. Постоянные времени электромашинного усили-
теля— это десятые доли, в лучшем случае, сотые доли
секунды. Многие гидравлические усилители имеют по-
стоянные времени в единицы, а иногда и десятки се-
кунд.
От посева зерна до уборки урожая должно пройти
несколько месяцев. Постоянная времени поля, засеянно-
го злаками, — почти треть года. Но бактерии, размножа-
ющиеся в питательном растворе, распадаются каждая
на две через 20—30 мин. Разница между постоянной
времени этой системы и постоянными времени гидрав-
лических усилителей много меньше, нежели разница
в постоянных у гидравлических устройств и электронных
ламп.
Кстати, микробиологи используют в своей работе
усиление. Отдельные бактерии считать трудно. Делают
посев бактерий в питательную среду, дают бактериям
прорасти и потом имеют дело уже с целыми коло-
ниями.
Итак, усилитель — это устройство, которое может на-
растить мощность, восстановить или даже превысить
начальное значение ослабевшей мощности.
Возникает вопрос, стоит ли вообще заботиться о поте-
рях в линии, улучшать эти линии, снижать их затухание?
6-34. Трансляционные усилители
Электронная лампа может усилить весьма слабый
электрический сигнал. Применяя каскадное включение
ламп, можно увеличить мощность сигнала в тысячу раз,
в миллион раз... По первому впечатлению усилитель на
приемном конце вполне решает проблему связи по длин-
ной линии. Но это не так.
Электроны в проводах линии находятся в непрестан-
ном движении — тёпловом движении. Это движение
хаотично, беспорядочно, оно заключает в себе токи всех
возможных частот. Тепловое движение электронов по-
рождает белый шум, т. е. шум, в котором есть все
звуковые частоты, как в белом свете все световые.
Когда ток сигнала чрезмерно ослабеет, он может
стать меньше тока шумов. Сигнал затеряется среди
шумов. Усилитель станет усиливать и сигнал, и шумы,
и разделить их уже не будет возможности.
350
Единственный способ осуществить дальнюю провод-
ную связь — это не давать сигналу значительно слабеть
в линии, ослабление в пути компенсировать усилением
же в пути.
Впервые в 1922 г. проф. В. И. Коваленков применил
в СССР промежуточные усилители на длинных линиях
связи.
Линия разбивается на участки. Затухание каж-
дого должно быть не больше 2 неп. После каждого
Рис. 6-31.’ Схема двухстороннего
включения трансляционных усили-
телей.
Л1 и Л2 — линии, Si и S2 — усилители. Z'N
и Z"N — балансные контуры. Их сопротив-
ления должны быть по возможности точно
равны сопротивлениям соответствующих
линий. Т\ и Г2 — дифференциальные транс-
форматоры.
участка ставится уси-
литель, который поды-
мает мощность пере-
дачи до начального
уровня.
Вот что писал
В. И. Коваленков
в своей статье «Бли-
жайшие задачи меж-
дугородного телефо-
нирования» (журнал
«Техника связи», № 2,
1922 г.).
«Практическое про-
ведение телефонных
трансляций совершает
переворот в междугородном телефонировании. Только
при наличии телефонных трансляций возможно рацио-
нальное проектирование гибкой телефонной сети в госу-
дарственном масштабе. Только при наличии транс-
ляции возможна та высота государственной сети, при
которой любой гражданин, где бы он ни находился,
может с легкостью вызвать другого гражданина, находя-
щегося от него хотя бы за тысячи верст, хотя бы в глу-
бокой провинции. Только при наличии трансляций воз-
можно свести расходы меди по телефонной сети до
минимума и ввести в широких размерах применение
стали для линий, примыкающих к магистралям. Только
при наличии трансляции возможны удобные комбиниро-
ванные линии проволочного и беспроволочного теле-
фона... Вот почему придаю я такое большое значение
этому вопросу».
Последующий опыт действительно показал, что толь-
ко с применением трансляций можно решать задачу
360
о создании междугородней связи по принципу «соедине-
ние любого абонента с любым».
Идея телефонной трансляции была впервые выска-
зана еще в начале нашего столетия А. С. Поповым, но
понадобилась длительная, многолетняя работа, прежде
чем промежуточные усилители на длинных телефонных
линиях получили практическое применение. Трансляци-
онные усилители многим отличаются от усилителей, при-
меняемых в радиоприемных устройствах.
В радиоприемнике сигнал всегда идет в одном на-
правлении: от антенны к громкоговорителю, усиливаясь
от каскада к каскаду, от лампы к лампе. Но в телефон-
ной линии разговорные токи должны иметь возможность
свободно циркулировать в обоих направлениях. Для
телефонных линий нужны двухсторонние усилители.
Один сигнал приходит слева и передается направо
в усиленном виде. Другой сигнал прибывает справа и
после усиления идет налево. Возникает опасность рабо-
ты усилителей вкруговую. Они могут перейти в режим
генерирования незатухающих колебаний, которые пойдут
и вправо, и влево по линиям связи и забьют, заглушат
разговорные токи.
Чтобы предотвратить такое паразитное самовозбуж-
дение, между усилителями и линиями ставятся своеоб-
разные ловушки и лабиринты для вредных круговых
токов. Схемы, не допускающие круговой циркуляции,
составляются по типу мостового, дифференциального
включения. Линия уравновешивается искусственным кон-
туром (балансным контуром), который должен иметь
характеристики, по возможности более близкие к харак-
теристике линии.
При длинных линиях приходится ставить не один,
а несколько промежуточных усилителей. Чем больше их
число, тем точнее должны быть сбалансированы схемы
их включения. Но характеристики самих линий не оста-
ются постоянными. Они меняются в зависимости от
температуры, от влажности. При большой длине двух-
проводной линии работа ее становится неустойчивой.
Лучшими свойствами обладает четырехпроводная связь.
По одной паре проводов идут токи в одну сторону, а по
другой — в обратную. При этой системе усилители рабо-
тают только в одном направлении. А чтобы хорошо
использовать линию, такая связь всегда делается много-
361
канальной. В каждом направлении идет множество раз-
говорных токов. Известны системы на 480 разгово-
ров.
На промежуточных усилительных пунктах токи не
разделяются. Это было бы чересчур сложно и громоздко
на каждом промежуточном пункте ставить 480 отдель-
ных усилителей в одну сторону и еще 480 в другую.
Рис. 6-32. Четырехпроводная система дальней связи.
При многоканальной связи усиливают сразу смесь
частот. Это все равно, что высевать в поле зерновую
смесь. Нов пути благодаря разной утечке разных состав-
ляющих состав зерновой смеси изменился. И урожай
разные сорта дают разный. Одни могут уродить сам-ты-
сяча, а другие только сам-десять. Можно так подобрать
обработку почвы и ввести в нее различные химические
вещества, чтобы урожайность была пропорциональна
потерям. Те составляющие, что сильно затухли в пути,
получают большое усиление, а те, что затухли мало, и
усиление получают поменьше.
В трансляционных усилителях имеются специальные
корректирующие контуры. Они восстанавливают перво-
начальное соотношение токов разных частот. С измене-
нием температуры меняется затухание в линии и по-раз-
ному для различных частот. Усилители снабжаются
автоматической регулировкой, применяются «наклонные»
и «выпуклые» регулировки, которые при всех условиях
обеспечивают выравнивание частотного состава смеси
токов, циркулирующих в линии.
Еще одна опасность подстерегает многоканальную
связь с промежуточным усилением. Если уж до конца
продолжить сравнение «биологического усиления» и элек-
трического, то можно заметить, что когда в поле высе^
362
вается смесь семян вместо того, чтобы каждый copt
сеять на своем отдельном участке, то возможно взаим-
ное влияние растений друг на друга. Может произойти
опыление не своим сортом, а каким-то другим. Появятся
совсем неожиданные, быть может и вовсе нежелатель-
ные скрещивания.
В усилителях есть опасность наложения одного раз-
говора па другой. Ясно, что подобные гибриды всегда
нежелательны. Но здесь уже все аналогии кончаются.
Методы борьбы с таким смешением разговорных токов—
Провода
абонентов
Оконечная Промежуточная Промежуточная
Провода
абонентов
Оконечная
Рис. 6-33. Схема радиорелейной линии.
Конечные станции состоят каждая из одного приемника и одного пере-
датчика, работающих на разных волнах, чтобы не мешать одна другой.
И передача и прием производятся на сантиметровых волнах. Они рас-
пространяются, так же как и световые волны, прямолинейным лучом. Что-
бы обеспечить прямую видимость на расстоянии до 100 км, приемник и
передатчик располагаются на вершине мачты высотой около 20 м.
Чтобы дать связь на большое расстояние, ставятся промежуточные стан-
ции. Каждая из них имеет два приемника и два передатчика, укрепленных
на верхушке высокой мачты. Приемник воспринимает смесь импульсов
всех каналов (восьми, двенадцати, двадцати четырех — в зависимости от
системы связи), затем вся эта смесь без разделения усиливается и излу-
чается передатчиком на следующую промежуточную или конечную
станцию.
с перекрестной модуляцией, как ее называют, весьма
просты. Надо только, чтобы характеристики усилите-
лей были линейны. Тогда наложение не будет проис-
ходить.
Чтобы связь работала надежно и устойчиво, есть
еще множество вспомогательных устройств. Телефонные
токи к усилителю проходят через ограничитель ампли-
туд, который срезает слишком большую мощность, воз-
никающую при выкриках. Для отражения токов, кото-
рые могли бы блуждать взад и вперед от одного абонен-
та к другому, ставят на длинных линиях эхозаградите-
ли, ловушки.
Самые надежные, самые долговечные электронные
лампы ставятся в аппаратуре для линий дальней связи.
363
Кроме того, многие усилители снабжается приспособ-
лениями для автоматической замены ламп в случае их
выхода из строя. Есть усилители, работающие в герме-
тических ящиках, опущенных на дно моря.
Надежно и бесперебойно работает дальняя связь
в СССР, и близко то время, когда междугородная теле-
фонная связь так же прочно войдет в быт населения,
как вошла сейчас городская телефонная связь.
МАСТЕР ТОЧНЫХ ПРОПОРЦИЙ
А. А. Чернышев (1881—1940 гг.)
После первой мировой войны электротехника на-
столько усложнилась и разветвилась, что инженер уже
не мог сказать: «я электрик». Он должен был уточнять:
тяговик, аппаратостроителъ, вакуумщик. Академик Алек-
сандр Алексеевич Чернышев был одним из немногих
мировых ученых, который еще охватывал весь предмет.
Это был инженер-электрик в самом широком и полном
понимании этого слова.
А. А. Чернышев был продолжателем А. С. Попова
в области высокочастотной техники и М. О. Долива-
Добровольского в области дальних передач больших
мощностей. После Октябрьской революции А. А. Черны-
шев в течение ряда лет руководил исследованиями
в Ленинградском электрофизическом институте. Он про-
вел пионерские исследования над применением сверхвы-
соких напряжений для дальних линий передач. Им был
составлен проект и сооружен опытный участок трехфаз-
ной линии на напряжение в полмиллиона вольт. Он пер-
вый предложил принцип «нерезонирующих» трансфер*
маторов, которые не боятся волн перенапряжения.
В Электрофизическом институте были разработаны аппа-
раты (посты) для высокочастотной связи по линиям
передач высокого напряжения. Нынче ни одна крупная
365
энергосистема не обходится без высокочастотной связи.
И сам Чернышев, и его сотрудники много работали над
преобразованием тока. Ими были усовершенствованы
конструкции и схемы мощных преобразователей. Здесь
же были предложены ионные разрядники для защиты
линий связи от напряжений, наводимых сильноточными
линиями при авариях.
Замечательное изобретение Чернышева — это подо*
гревный катод для электровакуумных приборов. До пер-
вой мировой войны катоды во всех электровакуумных
приборах выполнялись в виде нитей, по которым пропу-
скался ток — ток накала. 'Он и доводил температуру
катода до требуемой величины. И в настоящее время
ряд электровакуумных приборов успешно работает
с катодами прямого накала. Но для многих применений
катоды прямого накала непригодны. В чувствительных
радиоприемных лампах такие катоды нельзя питать
переменным током. В ионных приборах трудно получать
равномерное распределение тока нагрузки по всей по-
верхности такого катода при больших мощностях.
Чернышев предложил подогревные катоды. В них
поверхность, испускающая электроны, подогревается от-
дельной изолированной грелкой из вольфрамовой прово-
локи. Подобные катоды применяются в лампах для ра-
диоприемников, питаемых от сети. В мощных газотронах
и тиратронах, в магнетронах, клистронах, электронно-лу-
чевых трубках и во многих других важных электрова-
куумных приборах работают подогревные катоды.
А. А. Чернышев — это инженер, который умел всегда
находить самые правильные, самые точные пропорции для
любой сложной электротехнической конструкции. Инже-
нерные решения Чернышева всегда соответствовали пра-
вилу— наибольший результат с наименьшей затратой
материалов и сил.
ГЛАВА СЕДЬМАЯ
ИСКАНИЯ ЛУЧШИХ РЕШЕНИЙ
Из далекой древности до наших дней дошел класс
своеобразных математических задач. Многие из них при-
писываются Герону, александрийскому ученому 1-го сто-
летия нашей эры. Такими задачами занимались и
в средние века. И в наши дни эти задачи разрабаты-
ваются математиками и изучаются в школах.
Вот одна из типичных.
7-1. Самый большой ящик
Дан квадратный лист жести. Из него надо сделать
ящик, открытый сверху. Для этого в листе вырезаются
по углам равные квадраты, а затем края листа загиба-
ются так, чтобы образовать боковые стенки. Получив-
Рис. 7-1. Ящик из квадратного листа жести, в ко-
тором сделаны квадратные же вырезы.
шийся ящик может иметь разные пропорции, можно
сделать низкие, а можно — и высокие боковые стенки.
Требуется построить такой ящик, чтобы объем его
был наибольшим. Объем ящика — это произведение вы-
соты его боковой стенки на площадь основания. Если
вырезать по краям данного листа маленькие квадраты
и, следовательно, оставить большую площадь основания,
то высота боковой стенки будет мала и ящик будет
иметь малый объем (рис. 7-1). Если же, наоборот, сде-
лать большую высоту ящика, то останется малая пло-
щадь основания и объем будет также мал. Существует
некоторая определенная высота боковой стенки, которую
можно назвать оптимальной высотой, наилучщей высо-
367
той (наилучшей для данной задачи). При этой опти-
мальной высоте ящик имеет наибольший объем. Эта
высота равна одной шестой от стороны данного квадрат-
ного листа.
А вот другая задача в том же духе.
7-2. Гонец с корабля
На некотором расстоянии от берега стоит на якоре
судно. Чтобы внести численную определенность в задачу,
примем расстояние от корабля до ближайшей точки
берега 9 км. На расстоянии -15 км от этой точки берега
—ЛГЛл/------------
Здесь гонец | Лагерь
причалил н берегуг
Рис. 7-2. Путь гонца с корабля по воде и по берегу
в лагерь.
(также на берегу) находится лагерь. С корабля в лагерь
посылается гонец. Пешком по суше этот гонец может
делать по 6 км в час, а на веслах в шлюпке — по 4 км
в час. Надо послать гонца по такому маршруту, чтобы
он совершил свой путь в кратчайшее время. Требуется
найти точку берега, куда должен пристать гонец
(рис. 7-2).
При данных соотношениях скоростей это место нахо-
дится в трех километрах от лагеря.
Подобных задач, где требуется найти некоторое наи-
выгоднейшее оптимальное решение, существует множе-
ство.
7-3. Экстремальное значение функции
Можно иллюстрировать обе эти задачи — и с ящиком
и с гонцом — простыми графиками. По горизонтальной
оси графика будем откладывать ту величину, которую
368
можно изменять по произволу, — независимую перемен-
ную: то ли высоту «боковой стенки ящика, то ли рас-
стояние от лагеря до места причаливания гонца. По вер-
тикальной оси откладывают искомую величину—функ-
цию нашей независи-
мой переменной —
объем ящика или вре-
мя странствования гон-
ца. Получаются неко-
торые кривые. Одни из
них имеют максимум
(рис. 7-3), другие име-
ют минимум. Точки
максимума и миниму-
ма — это особые точки
кривых, в них кривая
высота ящика в долях от
размера листа
Рис. 7-3. Зависимость объема ящика
от высоты его боковой стенки.
совершает поворот: от
подъема она идет на
спуск или со спуска
переходит на подъем.
Математики называют
точками. И поэтому все
эти точки экстремальными
задачи вышеприведенного типа
называются задачами на максимум и минимум, или
экстремальными задачами. Один из приемов решения
таких задач — это отыскание экстремальных точек, осо-
бых точек на кривых.
7-4. Инженерные примеры
В повседневной жизни постоянно возникают проб-
лемы наибольшего и наименьшего, наилучшего и наихуд-
шего. Экстремальные задачи имеют большое практиче-
ское значение.
Как построить ферму моста, чтобы она при наимень-
шем весе имела наибольшую прочность?
Как распределить металл в колонне, чтобы она была
наиболее устойчивой?
Как проложить сеть дорог между несколькими насе-
ленными пунктами, чтобы эта сеть дорог обладала ми-
нимальной общей длиной?
Множество задач из области планирования производ-
ства относятся к типу задач на экстремум. Имеется, ска-
жем, несколько станков разной производительности. Как
24 г. и. Бабат. 369
распределить между этими станками работу, чтобы по-
лучить наибольшее количество всей продукции?
В главе, посвященной центральным электростанциям,
было рассказано о шаровой мельнице. Чем мельче уголь-
ная пыль, тем лучше она сгорает в топке, тем меньше
потерь с несгоревшим топливом. Но для получения более
мелкой пыли надо затратить больше электроэнергии на
вращение мельницы. Выходит, что невыгоден как слиш-
ком грубый, так и слишком мелкий помол (при нем воз-
растают еще расходы на износ мельниц и уменьшается
их производительность). Существует оптимальный режим
работы шаровых мельниц.
Можно утилизировать тепло, содержащееся в отхо-
дящих из котла дымовых газах, можно утилизировать
тепло отработавшего пара из турбины. Но всюду есть
свой оптимум, свой разумный предел. Иногда может
оказаться, что приспособления для утилизации стоят
дороже, чем возможная экономия энергии. Нельзя жечь
десятирублевую бумажку, чтобы при свете ее пламени
отыскивать затерявшийся гривенник.
Иногда задачи* на оптимум решаются элементарными
приемами, но часто представляют огромные математи-
ческие трудности.
7-5. Исследования Чебышева
«Большая часть вопросов практики приводится к за-
дачам наибольших и наименьших величин, совершенно
новым для науки, и только решением этих задач мы
можем удовлетворить требованиям практики, которая
везде ищет самого лучшего, самого выгодного».
Так писал почти сто лет тому назад знаменитый ма-
тематик академик Пафнутий Львович Чебышев. Множе-
ство своих научных работ он посвятил вопросу: «как
располагать средствами своими для достижения по воз-
можности большей выгоды?». Методы Чебышева стали
образцом для последующих искателей оптимума.
Чебышев писал исследования «О зубчатых колесах»,
«О кройке платьев», «О построении географических
карт». В последней работе он задается целью опреде-
лить такую проекцию карты данной страны, для которой
искажение масштаба было бы наименьшим. На числен-
ном примере карты Европейской России Чебышев пока-
370
зал, что наивыгоднейшая проекция будет давать искаже-
ния масштаба не более 2%, тогда как принятые в то
время проекции давали искажения не менее 4—5%.
7-5. Наилучшая линия электропередачи
Первые опыты электрической передачи достаточно
большой мощности были сделаны в России. В 1874 г.
военный инженер Пироцкий устроил электропередачу
6 л. с. на расстояние свыше 1 км. В 1882 г. французский
ученый и изобретатель Марсель Депре устроил электро-
передачу из Мисбаха в Мюнхен. Промышленные даль-
ние электропередачи были созданы М. О. Доливо-Доб-
ровольским.
Между генераторами на центральных электростан-
циях и потребителями электроэнергии находится длин-
ная цепь разнообразных электротехнических устройств.
Несколько раз трансформируется напряжение на пути
от генератора к потребителю. Оно сначала повышается,
а затем в несколько приемов понижается. Для каждой
величины мощности, для каждого расстояния передав
существуют свои оптимальные значения напряжения. От
данных трансформаторов зависит стоимость их и поте-
ри энергии на трансформацию, и здесь есть свой опти-
мум.
Чтобы с наименьшей затратой сил и средств произво-
дить передачу электроэнергии, надо применять опти-
мальные изоляторы, оптимальные кабели, оптимальные
генераторы.
Теоретический анализ технических и экономических
вопросов электропередачи был впервые проведен в 70-х
годах прошлого века петербургским физиком Д. А. Ла-
чиновым. Анализом наивыгоднейших условий передачи
электроэнергии занимался много и М. О. Доливо-Добро-
вольский.
Самая старая и самая известная из экстремальных
электротехнических задач и, пожалуй, вместе с тем и
самая важная и типичная из них — это задача о наивы-
годнейшей линии передачи электрической энергии.
Предположим сначала, что заданы мощность и ток,
которые требуется передать от электростанции. Линию
же передачи от электростанции к потребителям можно
строить по-разному.
24* 371
Требуется спроектировать самую выгодную линию.
Можно сделать проводники линии электропередачи
тонкими, затратить в этой линии мало меди или алюми-
ния. Такая линия передачи будет дешевой. Но зато ее
электросопротивление высоко. В линии из тонких про-
водников потери энергии при передаче будут велики.
Рис. 7-4. Суммарные расходы на передачу электроэнергии
в зависимости от количества металла, затрачиваемого на
проводники.
Если же, наоборот, щедро расходовать в линии алю-
миний или медь и сделать проводники толстыми, то по-
тери электроэнергии будут малы, но зато проводники
линии обойдутся дорого.
Какая же линия электропередачи будет самой выгод-
ной для заданной силы тока?
Каждая линия электропередачи рассчитывается на
эксплуатацию в течение определенного срока, скажем,
пятнадцать—двадцать лет. Следовательно, на каждый
год работы линии должна приходиться определенная
доля (скажем, одна пятнадцатая, одна двадцатая) от
полной стоимости линии. Эти расходы — их называют
расходы на амортизацию — не зависят от того, какой
силы ток циркулирует в линии, какая мощность через
нее передается. Даже если эта линия стоит вовсе без
тока, без нагрузки, то она все равно подвергается неко-
торому износу и проценты на ее амортизазцию все равно
372
должны начисляться. Для линий электропередач у нас
в Союзе ежегодные отчисления на амортизацию прини-
маются обычно равными 6% от полной стоимости линии.
Полные расходы на передачу электроэнергии скла-
дываются из двух частей: из стоимости потерянной в ли-
нии электроэнергии и стоимости амортизации самой
линии.
Стоимость амортизации растет прямо пропорциональ-
но весу проводников линии, потери же электроэнергии
падают обратно пропорционально весу проводников.
Наименьшие суммарные расходы получаются, когда
стоимость амортизации будет равна стоимости теряемой
энергии.
Нет смысла* делать слишком толстые проводники
в линии. Наши проектные организации считают, что вы-
годно добавлять в линию металл при условии, что каж-
дый его килограмм может сэкономить в год больше
20 квт*ч электроэнергии. Если экономия получится
меньшая, то в линию передачи не следует добавлять ме-
талл.
7-7. Экономичная плотность тока
Можно иначе сформулировать задачу о самой выгод-
ной электропередаче. Предположим, что линия передачи
задана, сечение ее проводников известно, а требуется
найти силу тока, которую выгоднее всего пропускать по
этой линии.
Чем больше сила тока, тем выше полная передавае-
мая по линии мощность и тем меньшая доля расходов
на амортизацию линии падает на каждый передаваемый
киловатт-час. Но зато чем больший ток проходит по ли-
нии, тем больше стоимость теряемой энергии.
И вновь решение задачи на оптимум дает уже изве-
стный ответ: выгоднее всего эксплуатировать линию,
когда расходы на амортизацию равны стоимости потерь.
Плотность тока, соответствующая этому требованию,
и будет самой экономичной плотностью тока. Для наших
условий, для линий передач, нагруженных равномерно
в течение круглого года, принято считать эту оптималь-
ную плотность тока равной примерно 2 а на каждый
квадратный миллиметр сечения медного проводника
линии.
И более высокие, и более низкие плотности тока не-
выгодны.
373
Число часов в год максимальной нагрузка
Рис. 7-5. Плотности тока для проводника сечением
95 мм2.
7-8. Математические формулировки
Обозначим сечение проводника линии передачи через
х. Стоимость амортизации линии возрастает, а электри-
ческие потери уменьшаются с увеличением сечения. По-
этому можно записать, что суммарные расходы на пере-
дачу электроэнергии равны:
Аг + 4,
где А и В — коэффициенты, пропорциональные стоимости
1 т проводникового материала и 1 квт-ч электроэнергии.
Когда = т0 суммарные расходы будут наимень-
шими, равными Ч}/"АВ. Падающая и растущая с сечением
составляющие расходов в точности равны одна другой.
Но могут быть и другие виды зависимости потерь от
сечения проводника. Стоимость линии может расти не
374
только как Ах, но и как Ах2 и Д]/х. Электрические по-
тери в линии также не всегда изменяются, как—. В
бесконтактных подземных сетях высокочастотного транс-
в
порта, например, потери иногда падают, как так как
г X
там, помимо потерь в самих проводниках, есть еще поте-
ри в окружении.
Более общая формула для суммарной стоимости пе-
редачи электрической энергии будет:
Дхп + 4г
1 хт
где пит могут быть как целые, так и дробные числа.
Для этой формулы оптимальное сечение проводников
будет равно:
х = V
Г nA
При этом сечении полная стоимость передачи будет
наименьшая, а возрастающий и падающий члены в этой
полной стоимости будут относиться как
т
п ’
Для сетей высокочастотного транспорта, например,
выгодно, чтобы расход на амортизацию проводников
был в 2 раза меньше стоимости потерь электро-
энергии.
7-9. Наивыгоднейшее напряжение
Напряжение в линии электропередачи можно выби-
рать независимо от силы тока в линии.
Чем выше напряжение в линии, тем при заданном
токе больше передаваемая мощность. Но с ростом на-
пряжения увеличивается стоимость изоляции линии. При
воздушной линии надо с повышением напряжения под-
вешивать провода к более длинным гирляндам изолято-
ров, делать более высокие и более мощные опоры. При-
ходится также увеличивать диаметр самих проводов,
^тобы уменьшить напряженность электрического поля
375
у их поверхности и тем предотвратить чрезмерные по-
тери на корону. Высоковольтные проводники иногда
делаются полыми. Для уменьшения потерь на корону
часто применяется расщепление проводников. А два про-
водника получаются всегда дороже одного.
В кабельной линии передачи необходимо с повыше-
нием напряжения делать толще слой изоляции между
токонесущим проводником и внешней заземленной за-
щитной оболочкой.
С повышением напряжения возрастает также и стои-
мость подстанций на концах линий передач. Поэтому
для передачи на короткие расстояния выгодно применять
низкие напряжения. А чем больше расстояние передачи,
тем более выгодным становится высокое напряжение.
Еще в конце прошлого века, в первые десятилетия
развития промышленной электротехники сложилось пра-
вило, вернее, даже не правило, а поговорка: «кило-
вольт на километр». Напряжение линии в киловольтах
должно соответствовать ее длине в километрах. Но это
именно только поговорка, а не закон. Надо сказать, что
величина наиболее выгодного напряжения зависит не
только от расстояния передачи, но и от самой величины
передаваемой мощности. Чем больше мощность, тем
крупнее размеры установки и тем более высокое напря-
жение гармонирует с этими размерами.
Большинство городских кабельных сетей работает
при напряжении 6 000 в. Применяется и 10 000 в. Рай-
онные линии передачи выполняются при напряжении
35 000 в. Много у нас в Союзе линий при напряжении
ПО и 220 тыс. в. Такими линиями выгодно передавать
электроэнергию на расстояния до 300—400 км. В по-
следнее время советские электрики впервые в мире при-
менили для передач переменным током 500 000 в, а для
постоянного тока еще более высокие напряжения. Таки-
ми линиями можно передавать электроэнергию на рас-
стояния в тысячу и более километров.
При передаче электроэнергии токами высокой часто-
ты дело обстоит сложнее. Электрическое поле между
проводниками линии вызывает потери в окружающей
среде. Если проводники находятся вблизи земли, то
в земле под влиянием быстропеременного напряжения
на проводниках возникают вредные токи. Потери на эти
токи растут как квадрат напряжения в линии передачи.
376
При чрезмерном повышении напряжения передача ста-
новится неэкономичной.
В тяговых сетях высокочастотного транспорта можно
применять напряжения не выше 5 000 в. При более вы-
соком напряжении к. п. д. бесконтактной передачи энер-
гии падает.
7-10. Самый прочный кабель
Кабель, по которому передается электрическая энер-
гия, состоит из медной или алюминиевой жилы, окру-
женной слоем изоляции. Чаще iBcero для изоляции сило-
вых кабелей применяют бумагу, которая наматывается
вокруг жилы во много слоев и пропитывается маслом
или каким-нибудь вязким составом из масла и смол
(такой состав называют иногда изоляционным компаун-
дом). Поверх бумажной изоляции напрессовывают свин-
цовую оболочку, которая не пропускает сырости внутрь
кабеля. О таком кабеле уже говорилось в главе «Строи-
тельные материалы». Свинцовая оболочка кабеля обви-
вается броней из стальной ленты или проволоки. Броня
защищает кабель от повреждений при прокладке. Она
необходима для механической прочности кабеля. Но не
о,б этой механической прочности пойдет здесь речь.
Для передачи энергии важна прежде всего электри-
ческая прочность, т. е. то электрическое напряжение, ко-
торое может выдержать кабель.
Электрическая прочность зависит от качества изоля-
ции и от того, как к этой изоляции приложено электри-
ческое напряжение.
Хорошая изоляция может выдерживать несколько де-
сятков киловольт на миллиметр толщины. Если электри-
ческое напряжение, приложенное к толстому слою изо-
ляции, одинаково во всех участках этого слоя, то элек-
трическая прочность такого слоя изоляции равна проч-
ности 1 мм, умноженной на толщину слоя в миллимет-
рах.
Но распределение электрического напряжения в слое
изоляции часто бывает неравномерным, и тогда проч-
ность всего слоя определяется его самым напряженным
участком.
В кабеле плотность электрических зарядов на внеш-
ней поверхности токонесущей жилы всегда больше плот-
377
ности зарядов на внутренней поверхности свинцовой
оболочки. Поэтому наибольшее напряжение на изоляцию
будет приходиться именно у поверхности жилы. Величи-
на этого напряжения зависит и от радиуса жилы, и от
толщины слоя изоляции между жилой и оболочкой.
Если взять свинцовую оболочку с каким-то опреде-
ленным внутренним диаметром и изменять внутри нее
Рис. 7-6. Допустимое напряжение на кабеле
в зависимости от диаметра его внутренней
жилы при неизменном заданном диаметре
внешней оболочки кабеля.
диаметр токонесущей жилы, а следовательно, толщину
слоя изоляции, то электрическое напряжение, приходя-
щееся на изоляцию, будет изменяться по закону, пред-
ставленному на рис. 7-6.
Когда диаметр внутренней жилы кабеля велик, то
слой изоляции между жилой и оболочкой тонок и элек-
трическое напряжение, действующее на изоляцию, вели-
ко. Кабель с толстой жилой имеет невысокую электриче-
скую прочность.
Если диаметр внутренней жилы кабеля уменьшать,
то толщина изоляции увеличивается и прочность кабеля
сначала возрастает. Но при очень тонкой жиле напря-
женность электрического поля у ее поверхности велика
и прочность кабеля в этом случае опять-таки незначи-
тельна. Существует толщина жилы, при которой проч-
ность кабеля наибольшая. Можно составить уравнение,
которое бы связывало напряжение на изоляции у поверх-
378
ности жилы с диаметром этой жилы. Решение этого
уравнения на максимум и минимум дает значение диа-
метра жилы для самого прочного кабеля.
В кабеле с наибольшей электрической прочностью
отношение диаметра оболочки к диаметру жилы выра-
жается бесконечным рядом
’ Ь2~1~Ь!Гз_1_ 1-2-3-4' —.2.71828 ...
Это число — основание натуральных логарифмов, его
обозначают буквой е. Жила «самого прочного» кабеля
должна быть тоньше его оболочки в е раз, или прибли-
женно составлять 38%’ от оболочки.
И во многих конструкциях высоковольтных силовых
кабелей выдерживается это соотношение между разме-
рами жилы и оболочки.
7-11. О лучшем трансформаторе
Силовой трансформатор — это, можно сказать, самый
любимый объект для экстремальных упражнений элек-
триков. Конструкция трансформатора несложна: сердеч-
ник из стальных листов охвачен обмотками из медных
или алюминиевых проводников (рис. 7-7). Н’о этот общий
принцип конструкции допускает огромное количество
разнообразных вариаций.
М. О. Доливо-Добровольский первый исследовал, как
зависят потери в трансформаторе от его конструкции,
как меняются с конструкцией и вес, и стоимость транс-
форматора. Впоследствии много работал над технико-эко-
номическим анализом трансформаторов Милан Видмар.
Мощность трансформатора пропорциональна произ-
ведению полного магнитного потока через его стальной
сердечник на полный ток в его медных или алюминие-
вых обмотках. При определенной плотности магнитного
потока в стали и определенной плотности тока в провод-
никах мощность трансформатора пропорциональна про-
изведению сечения стали в сердечнике на сечение про-
водников в обмотках.
Трансформатор на заданную мощность может быть
построен по-разному: можно сделать тонкие обмотки и
сердечник большого сечения. Или, наоборот, взять тон-
кий сердечник и большого сечения обмотки.
Какой же трансформатор является самым выгодным?
379
Самое трудное в этом вопросе — четко установить,
что же именно мы понимаем под словами «самый выгод-
ный трансформатор».
Можно, например, пожелать построить самый деше-
вый трансформатор. Задавшись этим условием, можно
Рис. 7-7. Схема конструкции трансформа-
тора со стальным сердечником.
Слева — стержневой тип, справа — броневой.
составлять уравнения для решения задачи на максимум
и минимум.
Стоимость трансформатора — это сумма стоимостей
меди, стали и изоляции в нем. Затраты труда при изго-
товлении больших трансформаторов невелики, и стои-
мость трансформатора в основном определяется стои-
мостью идущих на него материалов, а не стоимостью
рабочей силы. Мощность же трансформатора, как сказа-
но выше, пропорциональна произведению сечения сталь-
ного сердечника на сечение медных обмоток. Из этих
условий решение на экстремум дает, что в самом деше-
вом трансформаторе стальной сердечник должен стоить
столько же, сколько его медные или алюминиевые об-
мотки.
Трансформаторная сталь стоит в несколько раз де-
шевле меди, и поэтому в таком «наилучшем трансформа-
торе» стальной сердечник будет весить в 4—5 раз боль-
ше, нежели медная обмотка.
Но не всегда самый дешевый трансформатор зна-
чит— самый выгодный* Если, к примеру, трансформатор
380
должен работать на самолете, то самое важное — это
малый вес. Такой же «самый легкий» трансформатор
выгоден для переносных рентгеновских установок, кото-
рые требуется доставлять к постели больного.
Снова проводим рассуждение: мощность трансфор-
матора в первом приближении прямо пропорциональна
произведению весов его сердечника и обмоток, полный
же вес трансформатора — это сумма весов сердечника и
обмоток. Минимальный полный вес получается, когда
оба слагаемые равны, когда обмотки трансформатора
весят столько же, сколько его сердечник.
Можно отыскивать и наивыгоднейшее распределение
меди между первичной и вторичной обмотками транс-
форматора. Можно ее разделить поровну — это будет
симметричный трансформатор. А можно учесть то, что
обмотки по-разному размещены на сердечнике, по-раз-
ному нагружаются и охлаждаются, и внести в это сим-
метричное распределение меди всяческие поправки.
Но можно подойти к понятию «самый выгодный
трансформатор» еще и с других сторон.
Выгодность эксплуатации того или иного трансформа-
тора определяется не только его начальной ценой. В экс-
плуатации важно, чтобы невелики были потери энергии
в трансформаторе.
Потери энергии в обмотках трансформатора зависят
от их нагрузки током. Когда трансформатор не нагру-
жен, то потери в его обмотках равны нулю. Зато потери
в стальном сердечнике трансформатора неизменны, ра-
ботает ли трансформатор вхолостую или нагружен на
полную мощность.
Если трансформатор всегда одинаково и равномерно
нагружен, то выгоднее всего, чтобы потери в его сер-
дечнике были равны потерям в его обмотках. При этом
условии получаются наименьшие суммарные потери
в трансформаторе.
Но часто встречаются и другие режимы работы
трансформаторов. Те трансформаторы, что питают осве-
тительные сети, нагружены только во время темноты,
когда зажжены лампы. Все остальное время эти транс-
форматоры работают вхолостую. В этих «осветитель-
ных» трансформаторах выгоднее уменьшать потери
в стальном сердечнике и допускать большие потери
в обмотках.
381
7-12. Предостережение
Может создаться впечатление, что деятельность ин-
женера очень проста — достаточно выразить двухчлен-
ной функцией интересующую зависимость (стоимость,
вес и т. п.) от конструктивных данных. Нанести найден-
ную' зависимость на график. Найти на этом графике
точку, когда сумма возрастающего и падающего членов
функции даст максимум или минимум. И задача реше-
на— лучшая конструкция найдена.
В рассмотренных примерах теоретические поиски
«наилучшего» приводили к пропорциям и размерам,
действительно удовлетворяющим практику. Но бывает и
так: составит инженер условия для отыскания оптимума,
найдет оптимум. А после этого приходится поступать
совсем как в известной поговорке, приписываемой иногда
китайцам, иногда арабам: «Посоветуйся с женой и по-
ступи наоборот». Практические конструкции приходится
выполнять резко отличными от теоретических рекомен-
даций.
7-13. Снова о самом большом ящике
В начале этой главы был разобран пример с квад-
ратным листом жести, из которого вырезают по углам
куски, чтобы затем загнуть края листа и получить от-
крытый сверху ящик. Было -сказано, что наибольший
объем такого ящика соответствует высоте боковых сте-
нок, равной одной шестой от заданного квадратного
листа.
В условиях задачи было указано, что вырезы по
углам данного листа должны быть квадратными. При
этом получилась оптимальная высота, равная одной
шестой данного листа. Но можно поставить задачу
с иными условиями: будем вырезать по краям листа не
квадраты, а четырехугольники с разными значениями
угла, обращенного к центру листа (рис. 7-8).
Когда внутренний угол выреза будет острый, то
после отгибания краев получится ящик, расширяющийся
кверху. При этом самый выгодный размер вырезаемой
части будет больше одной шестой от стороны данного
квадратного листа.
Можно сделать, наоборот, внутренний угол выреза
тупым.
382
Тогда ящик получится сужающийся кверху. При этом
для получения наибольшего объема надо сделать раз-
меры выреза меньше одной шестой.
Для разных условий задачи получается разное значе-
ние оптимума.
Рис. 7-8. Ящики из квадратного листа жести, в котором сде-
ланы вырезы.
В отличие от рис. 7-1 вырезы не квадратные, а под острым или ту-
пым углом. Стенки ящиков получаются не вертикальные, а наклонные.
Когда при решении практических задач инженеру
приходится отступать от теоретически найденного опти-
мума— это не значит, что в данном случае теоретиче-
ский анализ неприменим. Просто неверно были сфор-
мулированы исходные условия задачи.
7-14. Наилучшая индукционная печь
В индукционной высокочастотной печи плавка метал-
лов производится в огнеупорном тигле, окруженном
индуктором — спиралью из медной трубки. Индуктор
создает быстропеременное электромагнитное поле, кото-
рое пронизывает металл в тигле и возбуждает в металле
вихревые токи. Эти вихревые токи и нагревают металл
до плавления. Чем меньше зазор между индуктором и
расплавленным металлом, тем интенсивнее вихревые
токи в садке печи, тем меньше потери энергии в ин-
дукторе.
Раскаленный металл нагревает тигель. Сквозь стенки
тигля тепло проходит наружу. Эта ушедшая часть тепла
является вредной потерей, тепловой потерей.
383
Чем толще стенки тигля, тем меньше тепловые поте-
ри. Но с увеличением толщины стенок тигля возрастают
электрические потери, потери в индукторе.
Можно по всем правилам экстремальных исследова-
ний определить, при какой толщине тигля получаются
наименьшие суммарные электрические и тепловые поте-
ри, но я должен признаться, что за все те двадцать лет,
Расплавленный металл
Индуктор
из медной
трубки, охлаж-
даемой про-
точной водой
Рис. 7-9. Схема конструкции бессердечниковой индук-
ционной печи (продольный разрез).
что я работаю с индукционными печами, мне не дове-
лось видеть печей, построенных по этим правилам.
Если сделать в соответствии с найденным экстрему-
мом потерь стойкие стенки тигля, то они легко могут
треснуть. При этом не только пропадет плавка, но вы-
текший металл сможет повредить индуктор, вывести из
строя всю печь.
Практически делают стенки тигля настолько толсты-
ми, чтобы была мала вероятность его внезапного растре-
скивания.
Следует ли из этого, что экстремальные исследования
не имеют практической ценности? Нет, вовсе не следует.
Пример с печью показывает, что прежде чем искать мак-
симум или минимум, важно определить, какой именно
требуется максимум или минимум в каждом отдельном
случае.
Для печи надо искать не минимум потерь энергии,
а минимум всех возможных потерь. Чтобы теоретически
правильно определить наилучшую толщину стенки тигля,
надо бы учесть вероятность прорыва тигля в зависимости
от толщины его стенки, учесть стоимость теряемого ме-
талла и стоимость ремонта печи при прорыве тигля и эти
величины сопоставить с потерями энергии.
384
Теоретические расчеты дают верные рекомендации
для выбора практических конструкций, когда условия
задачи правильно поставлены.
7-/5. Еще о линиях передачи электроэнергии
Выше было показано, как электрики выбирают ли-
нию передачи с минимальными затратами на передачу.
Но под определение «линия передачи» подходит нс
только многокилометровая цепь проводников от райох;
ной ЦЭС к населенному центру. Проводники от бата
рейки карманного фонарика к лампочке — это также
линия передачи электрической энергии. А конструиро-
вать эту «линию» надо прежде всего так, чтобы выводы
не обрывались даже при не слишком нежном обраще-
нии с батарейкой. При этом получается сечение провод-
ников, во много раз большее того, которое соответ-
ствует самой экономичной плотности тока.
Есть еще множество конструкций, в которых токо-
подводящие части должны одновременно нести и меха-
ническую нагрузку. В подобных линиях передачи час^о
применяют очень маленькие плотности тока — доли
ампера на квадратный миллиметр.
А вот еще пример «линии передачи» — это провод-
ники от высокочастотного генератора к нагревательно-
му индуктору для поверхностной закалки стали. К ин-
дуктору размером в несколько сантиметров приходится
подводить большие мощности — десятки, а часто и сот-
ни киловатт. Если выбирать проводники по экономич-
ной плотности тока, то они получались бы такими гро-
мадными, что их не разместить вблизи индуктора.
В этой «линии передачи» применяются плотности тока
в десятки и даже сотни ампер на квадратный милли-
метр сечения медного проводника. Проводники делают-
ся полыми, в виде трубок, и по ним пропускают мощ-
ный поток воды, чтобы смывать выделяющееся тепло.
А если прекратить водяное охлаждение на несколько
секунд, то проводники смогут раскалиться и распла-
виться.
Есть еще много случаев, когда допустимая нагрузка
на проводники определяется не экономией электроэнер-
гии, а только допустимым нагревом этих проводни-
ков.
25 Г. И. Бабат.
385
Бывают еще случаи, когда линии передачи рассчиты-
ваются на допустимое в них падение напряжения. Иног-
да это допустимое падение задается в процентах к на-
пряжению передающей станции. В осветительных сетях,
например, допускается не более 10% падения, чтобы
вдоль по линии не слишком сильно изменялась яркость
света в лампочках.
Решить задачу на максимум и минимум не так уж
хитро. Но самое важное для инженера — уметь соста-
вить эту задачу, сформулировать, что именно от чего
зависит, определить, какой именно максимум или мини-
мум надо искать.
Инженер всегда должен помнить основной принцип
социалистического хозяйства, социалистической эконо-
мики: новая конструкция тем ценнее, чем больше сил
природы она ставит на службу человеку.
7-16. Согласование нагрузки в эквивалентной
схеме
В главе, посвященной «языку электротехники», мно-
го внимания было уделено Т-образной схеме — схеме
замещения любого канала передачи электрической
Сопротивление Сопротивление
Рис. 7-10. Схема замещения канала передачи элек-
троэнергии.
энергии (рис. 7-10). Эта схема — важный объект экстре-
мальных исследований.
Одна группа задач формулируется таким образом.
Заданы величины всех трех сопротивлений в схеме за-
мещения. Надо подобрать сопротивление нагрузки (со-
противление приемной цепи). Можно подобрать это
сопротивление, исходя из самых различных заданий, но
386
чаще всего «наилучшее» сопротивление нагрузки долж-
но соответствовать либо наибольшей мощности, полу-
чаемой во вторичной цепи, либо наименьшим потерям
энергии при ее передаче (наибольшему к. п. д.).
Рис. 7-11. По оси ординат — отношение теряемой при пере-
даче энергии к полезной энергии на нагрузке. По оси
абсцисс — отношение сопротивления связи к среднему гео-
метрическому сопротивлению в первичной и вторичной це-
пях в эквивалентной Т-образной схеме замещения. Сопро-
тивление нагрузки подобрано оптимальное.
Когда сопротивление нагрузки равно бесконечно-
сти — это режим холостого хода, полезная мощность на
нагрузке равна нулю, в системе существуют только по-*
тери, и к. п. д. передачи также равен нулю.
Когда сопротивление нагрузки равно нулю — это
режим короткого замыкания, полезная мощность на на-
26* 387
грузке также равна нулю и к. п. д. равен нулю, ибо
в системе при этом также существуют только потери.
Существует определенная величина сопротивления
нагрузки, при которой к. п. д. получается наибольшим,
потери — наименьшими.
На рис. 7-11 показано, как меняется отношение по-
терь в первичной цепи Р\ и во вторичной цепи Р2 к по-
Рис. 7-12. Полезная мощность на напрузке
(кривая 1) и к. п. д. передачи (кривая 2)
в сильноточном канале «в зависимости от вели-
чины отношения сопротивления нагрузки Ro
к сопротивлению связи Z. *
лезной передаваемой мощности PQ в зависимости от от«
ношения сопротивления связи к сопротивлению потерь.
На рис. 7-11 вверху показаны индуктивно связанные
контуры, но кривые этого рисунка могут быть справед-
ливы и для схемы рис. 7-10.
Здесь не к чему приводить точную формулу для опре-
деления сопротивления нагрузки, дающего наилучший
к. п. д. Эта формула в общем виде громоздка и мало
наглядна. Также громоздка и формула для вычисления
сопротивления нагрузки, которое дает не наибольший
к. п. д., а наибольшую полезную мощность на нагрузке.
Важно только подчеркнуть, что для получения наивыс-
шего к. п. д. нужно большее значение сопротивления на-
грузки, чем для получения наибольшей мощности
(рис. 7-12).
Расхождения этих «оптимальных» сопротивлений
тем больше, чем выше максимально достижимый к. п.д.
всей схемы передачи.
При очень плохом к. п. д. передачи, измеряемом
388
процентами или даже долями процента, условия наи-
большей мощности и наибольшего к. п. д. сближаются
одно с другим (рис. 7-13). Оптимальное сопротивление
нагрузки равно вредному сопротивлению потерь вто-
ричного контура. Это случай передачи, когда в эквива-
лентной схеме замещения велики плечи и мала ножка.
В таких условиях обычно приходится работать сла-
боточникам, связистам. Часто они стремятся сделать
свою нагрузку по сопротивлению равной сопротивлению
потерь приемной цепи.
Когда активное сопротивление нагрузки равно ак-
тивному сопротивлению приемного плеча эквивалентно-
го Г, то это соответствует максимальной получаемой на
нагрузке мощности. При больших плечах и малой нож-
ке это условие совпадает и с оптимальным к. п. д. Это
может быть очень жалкий, ничтожный к. п. д. — меньше
одного процента, а бывает и меньше тысячной доли
процента, но связисты часто довольствуются и та-
ким к. п. д.
Сильноточники-энергетики, наоборот, применяют ка-
налы передачи электроэнергии с к. п. д., как правило,
большим 50%. Условия наименьших потерь при пере-
даче выполняются при этом, когда в эквивалентной схе-
ме активное сопротивление нагрузки равно сопротивле-
нию связи в эквивалентном Т. При этом мощность, со-
ответствующая максимальному к. п. д., т. е. получаемая
при равенстве сопротивления нагрузки и сопротивления
связи, может быть меньше 0,1 и даже меньше 0,01 от
максимально достижимой на нагрузке мощности.
С уменьшением сопротивления нагрузки получаемая
на ней мощность возрастает, но ухудшается к. п. д.
Часто случается, что сопротивление связи очень ве-
лико. В этих случаях его даже иногда принимают рав-
ным бесконечности и рисуют схему замещения канала
передачи вовсе без ножки у буквы Т.
Оптимальный к. п. д. передачи при этом будет соот-
ветствовать очень малой передаваемой мощности. При
этом оптимальном сопротивлении нагрузки невыгодно
эксплуатировать канал передачи. Энергетики Нарочно
идут на ухудшение к. п. д., так как этот ухудшенный
к. п. д. еще достаточно высок. Для получения достаточ-
но большой мощности берут сопротивление нагрузки,
равное лишь нескольким долям от сопротивления связи.
389
В упрощенной схеме замещения канала передачи
оптимальный к. п. д. соответствует сопротивлению на-
грузки, равному бесконечности. Оптимальная мощ-
ность— это бесконечно малая мощность. Наибольшая
же мощность соответствует равенству сопротивления
Рис. 7-13. Полезная мощность на нагрузке и
к. п. д. передачи в слаботочном канале в зависи-
мости от величины сопротивления нагрузки.
нагрузки полному сопротивлению цепи. Это старинное
правило: сопротивление потребителя равно сопротивле-
нию генератора.
Но приближение это очень грубое, им можно было
довольствоваться лишь в те времена, когда генера*
торами были лишь гальванические элементы. В наши
дни все значительно сложнее и тоньше.
7-17. Высокочастотники и низкочастотники
В силовых сетях, идущих от центральных электро-
станций, циркулирует ток с частотой 50 гц. Но для энер-
гетических целей применяются также токи, имеющие
частоту, в тысячи и миллионы раз более высокую. При
390
всех частотах требуется передавать энергию с возможно
более высоким к. п. д., но в разных областях это дости-
гается разными приемами.
Низкочастотники — это те, кто работает с малыми
запасами энергии на складах. За полупериод перемен-
ного тока в системе потребляется больше энергии, не-
жели ее может быть запасено и в электрических, и
в магнитных полях.
У высокочастотников же наоборот — потребление
энергии за полупериод переменного тока бывает значи-
тельно меньше запасов колебательной энергии в си-
стеме.
Хотя перед энергетиками — и высокочастотниками, и
низкочастотниками — стоит одна и та же задача: мини-
мальные потери при передаче электроэнергии, но кон-
структивные решения у них совершенно разные.
В трансформаторах со стальным сердечником на ча-
стоту тока 50 гц выбирают малый ток холостого хода.
Низкочастотники допускают в своих трансформаторах
ток холостого хода — ток намагничивания, равный толь-
ко одной десятой от рабочего тока, тока нагрузки.
В высокочастотных же трансформаторах без сталь-
ного сердечника ток холостого хода может в несколько
раз превышать нагрузочный.
Низкочастотники работают с большой связью между
катушками своих трансформаторов. Коэффициент связи
трансформаторов на 50 гц обычно больше 0,9 — он бли-
зок к единице. Поэтому можно допускать большое зату-
хание тока в катушках.
Высокочастотники строят трансформаторы, у кото-
рых связь между обмотками бывает значительно мень-
ше единицы. Но зато они применяют обмотки с малым
затуханием и этим обеспечивают такое же высокое или
даже большее значение к. п. д., что и при низких ча-
стотах.
У высокочастотного трансформатора, показанного
на рис. 7-14, коэффициент связи равен 0,6—0,8, но ча-
сто применяются и иные высокочастотные трансформа-
торы, у которых коэффициент связи лишь несколько
сотых. Примером подобной конструкции является высо-
кочастотный транспорт: между участком бесконтакт-
ной сети и приемным контуром на экипаже коэффици-
ент связи бывает меньше 0,1.
391
И в пределах все той же «высокой частоты» приме-
няются разные решения. При частотах до 50 кгц потери
в катушках зависят главным образом от сечения меди
в ее проводниках. Увеличивая вес меди, можно снижать
потери. При более высоких частотах потери в значи-
тельной мере определяются изоляцией между витками.
Рис. 7-14. Трансформатор без стального сердечника для установки
высокочастотного нагрева.
I — первичная обмотка трансформатора из девяти витков медной трубки,
охлаждаемой водой; II — вторичная обмотка из одного витка листовой
меди.
К трансформатору подключен одновитковый нагревательный индуктор,
внутри которого находится стальное изделие, нагреваемое под поверхност-
ную закалку. Подобные воздушные трансформаторы применяются для то-
ков с частотой от нескольких десятков до сотен тысяч герц.
Анализ на максимум и минимум показывает, что для разных условий
работы существуют свои оптимальные числа витков обмотки, своя опти-
мальная высота трансформатора Н и его оптимальный диаметр 2у.
Увеличение расхода меди на трансформатор не повы-
шает его к. п. д.
В каждой области частот свои допущения, свои
упрощения. Низкочастотники считают, что сопротивле-
ние проводника определяется его сечением, они имеют
дело с конструкциями, в которых ток равномерно рас-
пределен по всему сечению проводника. А высокоча-
стотники принимают, что сопротивление проводника
зависит от его периметра, высокочастотные токи прохо-
дят лишь в тонком поверхностном слое металла.
При низких частотах стальной сердечник улучшает
передачу энергии между катушками. Вытащишь сердеч-
ник— трансформатор сгорит. А при высоких частотах,
392
наоборот, стальной сердечник вызывает увеличение по-
терь. Введешь в трансформатор сердечник — и он нач-
нет перегреваться. А без сердечника трансформатор ра-
ботает нормально.
В каждой области частот по-своему составляют
уравнения для поисков оптимума, и оптимумы эти по-
лучаются совсем разные.
7-18. Частные максимумы и максимум
максиморум
На рис. 7-15 показано питание нагрузки через Т-об-
разную схему, в которой каждое плечо состоит из емко-
сти и индуктивности. Каждое плечо представляет для
переменного тока некоторое реактивное сопротивление х.
Рис. 7-15. Схема передачи энергии через цепь
с большой реактивной мощностью.
Если напряжение генератора и сопротивление на-
грузки неизменны, то ток через нагрузку можно менять,
изменяя величину сопротивлений Xi и х2. Например,
индуктивности плеч могут быть постоянными, а конден-
саторы С\ и С2 переменными.
Изменение емкостей этих конденсаторов иногда на-
зывают настройкой схемы. Оставим одно из плеч, ска-
жем, Xi, неизменным, а реактивное сопротивление вто-
рого плеча будем менять. При некотором значении х2
ток через нагрузку — наибольший. Это называется резо-
нансом. Но если теперь задать первому плечу новое
значение х/ и, оставив его неизменным, вновь менять
второе плечо, то наибольший ток получится при ка-
ком-то новом значении х2'. И величина этого тока будет
иная, чем в первом случае. Так можно задать первому
плечу ряд значений и для каждого такого значения сни-
39§
мать зависимость тока нагрузки от сопротивления вто-
рого плеча. Получится ряд резонансных кривых.
Можно снимать резонансные кривые и по-иному —
оставлять неизменным второе плечо %2, а менять вели-
чину первого плеча.
Таким образом получится множество «наибольших
токов». Один из них будет самый больший, он соответ-
ствует какому-то определенному сочетанию Xi и х2. Это
значение тока максимальное из максимальных, его так
и называют: максимум максиморум. Настройка на это
значение тока называется полным резонансом.
Все остальные максимумы тока — это частные макси-
мумы, и настройка на них — это частный резо-
нанс.
Отыскивая наиболее прочный кабель, мы меняли
только одну величину — диаметр внутренней жилы ка-
беля. Это была система с одной степенью свободы. Она
описывалась уравнением с одной независимой пере-
менной.
В схеме рис. 7-15 два независимых переменных Xi и
х2. Это схема с двумя степенями свободы.
7-19. Горная страна
Когда какая-либо величина зависит от двух перемен-
ных, то эту зависимость можно представить в виде неко-
торой поверхности. Так и зависимость тока нагрузки от
двух сопротивлений плеч Т-образной схемы можно
представить в виде модели какой-то сложной поверхно-
сти (из дерева, глины).
Чтобы изобразить эту сложную криволинейную по-
верхность на чертеже, часто прибегают к способу, при-
нятому в топографии. Точки одинаковой высоты соеди-
няют линиями, называемыми горизонталями. Горизон-
тали проводятся через определенные интервалы высоты.
Если затем все горизонтали снести на одну плоскость,
то получится система кривых. На каждой помечена со-
ответствующая ей высота. В средней школе мы приуча-
емся представлять рельеф местности по подобным чер-
тежам.
Густота горизонталей выражает крутизну скатов.
Ямы и вершины окружены замкнутыми горизонталями.
Ложбины и мысовидные выступы характеризуются впа-
394
динами и выступами на горизонталях. Меж отдельных
вершин находятся седловины. Здесь сходится несколько
замкнутых горизонталей.
Чем гуще проведены горизонтали, тем полнее и на-
гляднее они выражают рельеф. Подобным методом ото-
бражена на рис. 7-16 зависимость тока нагрузки от ре-
Рис. 7-16. Зависимость силы тока через нагрузку от реактивных со-
противлений первичного и вторичного контуров.
Горизонтальная линия, проведенная через середину чертежа — ось, на которой
отложены значения реактивного сопротивления вторичного контура Х2. Вправо
от точки О эти значения положительны, влево — отрицательны. Вертикальная
линия через середину чертежа — ось для реактивного сопротивления первич-
ного контура xt.
Каждой комбинации сопротивлений xt и х2 соответствует свое значение силы
тока. На чертеже точки равной силы тока соединены линиями. На каждой та-
кой кривой линии поставлена цифра, показывающая силу тока в относитель-
ных единицах.
На двух вершинах А и Б сила тока через нагрузку наибольшая (10 единиц).
Любое изменение первичного или вторичного индуктивного сопротивления Xi
или х2 вблизи этих вершин вызывает ослабление тока.
активного сопротивления первичного и вторичного кон-
туров в схеме рис. 7-15. Взят численный пример, когда
сопротивление генератора принято за единицу, сопро-
тивление нагрузки в два раза больше, а сопротивление
связи хсдязи равно трем.
В представленной на рис. 7-16 местности может про-
легать множество маршрутов. Если стать в точке Xi=0
395
й х2 = 0, то любое движение по оси Xi йли х2 дзет умень-
шение тока, однако если двигаться наискось, в особен-
ности в направлении к вершинам А или 5, то ток через
нагрузку увеличивается. При подобном маршруте Xi и
х2 меняются одновременно. Так может быть, например,
когда все емкости и индуктивности в схеме остаются не-
изменными, а меняется частота питающего генератора.
Задав, например, Xi какое-нибудь постоянное значе-
ние и изменяя х2, мы пересечем местность, оставаясь все
время на одной «широте». При некотором значении Х2
достигнем более высокой точки. По обе стороны от нее
будет спуск. Это и будет частный резонанс.
Поочередно настраиваясь на частные резонансы,
можно приблизиться, постепенно меняя то Xi, то х2,
к вершине А или вершине 5.
Рельеф местности зависит от соотношения активных и
реактивных сопротивлений в схеме. Чем больше сопротив-
ление связи по сравнению со средним геометрическим ак-
тивных сопротивлений первичного и вторичного контуров,
тем дальше раздвигаются вершины, соответствующие
«максимумам максиморум», и тем круче скаты вершин.
В нашем примере хсвязи=3, a VR^R* — 1,4. При умень-
шении же разности хсвязи—VRrR2 обе вершины сбли-
жаются и при хсвязи = VR, • R2 они сливаются в одну, рас-
положенную в центре. Это критическая связь.
На рис. 7-17 показаны три модели (каждая снята для
наглядности в двух видах) для тока через нагрузку при
разных соотношениях в схеме. На этих моделях в каче-
стве «широты» и «долготы» взяты не значения реактивных
сопротивлений плеч, а отношение собственных длин волн
первичного и вторичного контуров к длине волны, выраба-
тываемой питающим генератором. Это отношение обратно
Xi <о2
отношению частот: -г- =— .
Л2 <•>!
Через эти модели можно провести секущие плоско-
сти, перпендикулярные основанию. На этих сечениях
получатся разнообразные резонансные кривые. Если,
например, все сопротивления емкости и индуктивности
схемы остаются неизменными, а меняется частота под-
водимого тока, то секущую плоскость надо провести че-
рез точку, соответствующую Xi и Х2 и через начало ко-
ординат (точку 0,0).
396
a)
в)
с)
d)
S)
f)
Рис. 7-17. Пространственные модели тока на1рузки в электрической
цепи с двумя степенями свободы.
Вверху (а и Ь) — критическая связь
Посредине (с и d) — связь больше, чем критическая Оба контура — первич-
ный и вторичный — имеют одинаковое затухание.
Внизу (е и f) — связь больше критической. Затухание первичного контура
больше, нежели вторичного.
При сильной связи получаются двугорбые резонанс-
ные кривые. При критической и слабой связи получает-
ся одногорбая резонансная кривая, подобная кривой
одиночного колебательного контура (рис. 7-18).
В схеме рис. 7-15 две степени свободы. Часто прихо-
дится сочетать большее число звеньев. Фильтр может
Рис. 7-18. Сечения пространственной модели тока вторичного
контура.
Первичный и вторичный контуры имеют одинаковое затухание. Связь
выше критической.
В зависимости от направления плоскости сечения получаются кривые
разного профиля.
Две вершины наибольших максимумов тока лежат над биссектрисой
угла
плоскости
Сечение, проведенное через эту биссектрису,
дает очертание двугорбой кривой. Другие плоскости сечения дают
одногорбые кривые или кривые с горизонтальной частью большой про-
тяженности — плоскогорья.
представлять собой систему с тремя, четырьмя и более
степенями свободы.
Чтобы геометрически представить систему с тремя
независимыми переменными, с тремя степенями свобо-
ды, необходимо уже четырехмерное пространство. Или
же для одной системы надо строить целый ряд трехмер-
ных моделей. Огромные трудности стоят на пути ана-
лиза систем со многими степенями свободы.
398
Но во всех случаях самое трудное — это не анализ
уже сформулированной зависимости. Труднее всего ста-
вить вопросы, ибо это значит удить рыбу в океане; легче
давать ответы. В правильно поставленном вопросе уже
таится ответ.
Когда инженер приступает к поискам лучшего, са-
мый ответственный момент — это составление уравне-
ний. Если он правильно определил, в каком краю, в ка-
кой стране, в какой ее области производить поиски, то
дальше построить точные карты всех вершин и ущелий
дело только времени и терпения.
7-20. Опять „наилучший кабель*
В § 7-10 был разобран пример о кабеле, который
имеет наибольшую электрическую прочность при задан-
ном диаметре его оболочки. У такого кабеля жила
должна иметь диаметр в е. раз меньший, нежели обо-
лочка.
Но не всегда электрикам нужен самый прочный ка-
бель. При телефонной связи, например, по кабелю пере-
дают такие слабые сигналы, что энергии этих сигналов
совершенно недостаточно для пробоя самой тонкой изо-
ляции. В этом случае, следовательно, нечего заботиться
о высокой электрической прочности кабеля.
Для связи необходимо, чтобы сигналы возможно
меньше затухали в пути.
В § 6-31 было рассказано о трансляционных усили-
телях. Они компенсируют затухание в линии. Усилите-
ли подымают мощность сигнала, ослабевшего из-за по-
терь, доводят эту мощность до требуемого уровня.
Нужно ли при наличии усилителей заботиться об
уменьшении затухания линий? Конечно, нужно. Усили-
тели стоят недешево. Эксплуатация их вызывает допол-
нительные расходы. Чем лучше линия связи, тем на
большее расстояние можно удалять друг от друга уси-
лительные пункты.
Связисты применяют множество ухищрений, чтобы
уменьшить потери в линии, уменьшить ее затухание.
Стараются помещать возможно меньше твердой изоля-
ции между токонесущими проводниками. Для этого не
покрывают медную жилу сплошной изоляционной обо-
лочкой, а обматывают ее жгутиком из изоляционного
399
материала. На рис. 2-12 была показана жила с бумаж-
ной обмоткой. Но для кабелей дальней связи приме-
няется часто обмоточный жгутик из более высококаче-
ственной изоляции (стирофлекс, триацетатная пленка).
Увеличивают сечение медной жилы. Все эти приемы удо-
рожают кабель. Это является предметом отдельного
исследования на максимум и минимум: до какой вели-
чины повышать затраты на линию и разносить усилите-
ли, уменьшать их число, или, наоборот, до какой вели-
чины сближать усилители, увеличивать их число и
уменьшать стоимость линии. Вопрос о самом дешевом
канале связи — это очень сложная проблема. Чем выше
качество линии связи, тем больше каналов можно на
нее наложить. Но усложняется аппаратура: фильтры,
усилители. Дороже стоит и обучение персонала, тре-
буется более высокая его квалификация.
Рассмотрим только вопрос о наименьшем затухании
кабеля.
Кабели связи выполняют по-разному. Такой кабель
может состоять из проводников, скрученных в пары. За-
тухание зависит от отношения расстояния между про-
водниками к диаметру проводника. Иногда вокруг пары
или четверки проводов делают экран. Тогда затухание
зависит еще от диаметра экрана.
Для многократной дальней связи применяют чаще
всего двухпроводную линию, в которой один провод-
ник — это внутренняя жила, а второй — окружающая
эту жилу оболочка. Она одновременно является и элек-
трическим экраном. Оси внутреннего и внешнего про-
водников совпадают. Аксис по латыни — ось. Пристав-
ка «ко» указывает на совмещение, совпадение. Поэтому
кабель такой конструкции называется коаксиальным
(соосным).
Если в коаксиальном кабеле задан диаметр его
внешнего проводника (экрана), то затухание будет за-
висеть от диаметра внутренней жилы.
Затухание сигналов в кабеле возрастает с увеличе-
нием емкости между его проводниками. А емкость кабе-
ля тем больше при заданном диаметре внешнего про-
водника, чем толще его внутренняя жила, чем меньше
зазор между жилой и оболочкой.
Для снижения емкости кабеля надо уменьшать вну-
тренний диаметр его жилы. Но чем тоньше жила, тем
400
больше ее активное электросопротивление, тем больше
нагревается она проходящим током. А это также вызы-
вает увеличение затухания сигналов.
Как во всех задачах на максимум и минимум, и
здесь «хвост вытаскиваешь — нос увязает». И тонкая
жила плоха — затухание велико, и толстая жила нехо-
Рис. 7-19. Затухание переменных токов
в кабеле в зависимости от диаметра его
внутренней жилы при неизменном диа-
метре оболочки.
На график нанесена еще кривая электриче-
ской прочности кабеля (подобная рис. 7-6).
Сравнение этих двух кривых показывает, что
кабель для связи должен иметь жилу относи-
тельно меньшего диаметра, нежели силовой
кабель.
роша — меди потрачено много, а затухание все равно
большое.
Для отыскания размера жилы, дающего наименьшее
затухание, приходится производить более сложные вы-
числения, нежели для отыскания размера жилы, обес-
печивающего наибольшую прочность.
Наименьшее затухание будет у кабеля, внутренняя
жила которого в 3,6 раза тоньше оболочки. Пропорции
кабеля с минимальным затуханием иные, нежели у ка-
беля с наивысшей электрической прочностью. Кабель
с минимальным затуханием имеет относительно более
тонкую жилу (рис. 7-19).
26 Г. И. Рабат. 401
Наилучшие размеры кабеля получаются разными
в зависимости от того, что интересует конструктора:
прочность или затухание.
7-2/. Еще наилучшие кабели
При постоянном токе или токе низкой частоты плот-
ность тока одинакова по всему сечению жилы кабеля
и напряжение между жилой и оболочкой одинаково
по всей длине кабеля. Мощность, передаваемая по ка-
белю, равна произведению тока на напряжение.
Для сильноточной электротехники, для энергетики
можно так сформулировать задачу о наилучшем кабеле:
при заданном диаметре оболочки получить наибольшую
передаваемую мощность, т. е. наибольшее произведение
тока на напряжение при наименьшей стоимости кабеля.
Сила тока пропорциональна сечению жилы кабеля,
допустимое напряжение, как уже говорилось раньше,
определяется соотношением диаметров жилы и оболоч-
ки, а стоимость кабеля — это сумма стоимостей метал-
лической жилы и бумажной изоляции. Можно составить
математическое выражение для отношения мощности
к стоимости.
Наивыгоднейший диаметр жилы кабеля будет опре-
деляться соотношением цен на медь (или алюминий) и
на изоляционный материал (бумагу).
Обычно медь дороже бумажной изоляции, и наивы-
годнейший диаметр жилы получается несколько мень-
ший, нежели для наиболее прочного кабеля.
Иной подход нужен к кабелю, применяемому в мощ-
ных высокочастотных установках. В другом краю, в дру-
гих координатах надо искать оптимум. Концентриче-
ские кабели применяются для соединения между собой
электронных ламп и антенн в радиолокационных уста-
новках. Длина кабеля бывает во много раз больше дли-
ны передаваемой по этому кабелю электромагнитной
волны. Допустимая сила тока от сечения жилы кабеля
не зависит, так как высокочастотный ток не распреде-
ляется равномерно по всему сечению жилы, а течет
только в ее тонком поверхностном слое. При высокой
частоте мощность, передаваемая по кабелю, в лучшем
случае равна квадрату напряжения на кабеле, делен-
ий
ному на его волновое сопротивление; Р
л
402
А волновое сопротивление Z=|/ gr> где L и С — это
индуктивность и емкость на единицу длины кабеля. Чем
тоньше диаметр жилы по сравнению с диаметром обо-
лочки кабеля, тем больше его волновое сопротивление,
и наоборот. Это волновое сопротивление зависит еще
от материала изоляции между жилой и оболочкой кабе-
ля. Но высокочастотные кабели чаще всего выпол-
няются с воздушной изоляцией между жилой и обо-
лочкой.
Для кабеля с наименьшим затуханием (отношение
диаметров оболочки и жилы 3,6) волновое сопротивле-
ние равно 77 ом.
Если провести исследование на максимум и минимум
для определения наибольшей мощности, передаваемой
при высокой частоте кабелем с заданным внешним диа-
метром, то получится, что наивыгоднейшее соотно-
шение диаметров оболочки и жилы будет 1,65. А волно-
вое сопротивление такого кабеля будет 30 ом.
Практически в радиолокационных установках чаще
всего применяют коаксиальную линию с отношением
диаметров внешнего и внутреннего проводников 2,3.
Такая линия имеет волновое сопротивление 50 ом. Это
промежуточное компромиссное решение между линией,
имеющей наименьшее затухание, и линией, передающей
наибольшую мощность.
Иногда гибкий коаксиальный кабель применяется
для соединения нагревательного индуктора с высокоча-
стотным трансформатором в установках поверхностной
закалки. К этому кабелю предъявляются еще иные тре-
бования, отличные от тех, что были разобраны выше.
Токоподвод к индуктору должен иметь наименьшую ин-
дуктивность. Для этого выбирают отношение внешнего
и внутреннего диаметров проводников 1,1 или даже еще
меньше: 1,05. Волновое сопротивление этого кабеля
меньше 10 ом.
Вот каково разнообразие лучших кабелей. Отноше-
ние диаметров может быть и 1,1, и 1,65, и 2,3, и 2,7, и
3,6, и много других еще может быть соотношений внеш-
него и внутреннего диаметров проводников. Каждое
решение является лучшим для своих условий.
Универсального, лучшего из лучших кабеля не су-
ществует.
26* 403
7-22. Разные тбчки зрения
Многие, если не все, законы природы могут быть вы-
ражены в терминах максимума и минимума. Графиче-
ское представление зависимости интересующей нас
величины от того, что принято за независимую перемен-
ную, изображается кривой, которая имеет и поднимаю-
щуюся, и опускающуюся часть. А если независимых пе-
ременных две, то вместо одной кривой получается по-
верхность с горами и ущельями.
Обобщения приходят только после накопления до-
статочного количества экспериментальных фактов. Слу-
чается, что разные исследователи ведут восхождение на
гору или спуск в ущелье с разных сторон. Туманы пря-
чут горный край. Один думает, что вершина лежит
к западу, другие — что она должна быть на востоке.
Тем, кто взбирается по нехоженным тропам, может по-
казаться, что факты ведут к взаимоисключающимся за-
кономерностям.
Карта местности точна только, если на ней проторе-
ны маршруты во всех направлениях. До Колумба изо-
бражали земной шар без американского континента.
При инженерных исследованиях не сразу появляются
на графиках все маршруты, все максимумы и все мини-
мумы. Десятки лет строят электрики трансформаторы
со стальными сердечниками. В этих сердечниках цирку-
лирует переменный магнитный поток. Он возбуждает
в стали вихревые токи, которые нагревают сердечник,
создают вредные потери энергии. Во всех курсах транс-
форматоростроения даны рецепты борьбы с этими поте-
рями. Если разбить сердечник на отдельные изолиро-
ванные одна от другой пластины или проволоки, то ин-
тенсивность вихрей резко упадет. Если увеличить элек-
тросопротивление стали, то интенсивность вихревых
токов также упадет.
Но выделяемое вихревыми токами тепло может
иметь и полезное применение. Для нагрева стали для
закалки, для ковки, для штамповки сталь пронизывают
переменным магнитным потоком, и выделяемое тепло
доводит сталь до каления. И здесь есть свои рецепты и
законы. Чем больше поверхность нагреваемого тела, тем
больше в нем выделяется тепла* Если одним и тем же
магнитным потоком пронизать один стержень с попе-
речным сечением в 1 см2, то в нем выделится в два раза
404
меньше тепла, Нежели в четырех стержнях, каждый
из которых имеет сечение в четверть квадратного санти-
метра. Если увеличить электросопротивление нагревае-
мого материала, то выделяемая в нем мощность воз-
растет.
Эти рекомендации пря-
мо (противоположны тем,
что применяют трансформа-
тор остроители.
В обоих случаях имеет
место одно и то же явле-
ние — возбуждение вихрево-
го тока переменным магнит-
ным потоком. Трансформа-
торостроители пользуются
своими законами: увеличи-
вают электросопротивление
стали, разбивают массив-
ный сердечник на более тон-
кие листы или проволоки и
получают требуемые резуль-
таты — уменьшение тепла,
выделяемого вихревыми то-
ками.
Термисты же пользуют-
ся своими законами: так-
же увеличивают электросо-
противление и разбивают
сердечник и также получа-
ют то, что им нужно, — уве-
личение тепла.
Кто же прав, а кто оши-
бается?
Рис. 7-20. Нагрев пучка ци-
линдров в катушке (многовит-
ковом индукторе), обтекаемой
переменным током.
На боковой поверхности одного из
цилиндров тонкими линиями со
стрелками показано направление
вихревых токов, возбуждаемых пе-
ременным магнитным потоком ка-
тушки.
Правы и те, и другие: они смотрят на гору макси-
мума с разных точек зрения. Их взгляды не взаимо-
исключают, а взаимодополняют друг друга.
На рис. 7-20 показан нагрев пучка цилиндров, а на
рис. 7-21 — полный ход зависимости выделяемого в пуч-
ке цилиндров тепла от их числа при неизменной общей
массе. Зависимость удельной мощности от диаметра ци-
линдра имеет и поднимающуюся и опускающуюся вет-
ви. При высоких частотах электромагнитная волна не
проникает в глубь металла: выделяемое тепло пропор-
4G5
циойально величине поверхности. Измельчение сердеч-
ника вызывает увеличение выделяемого в нем тепла.
Но измельченный до определенной величины сердеч-
ник становится уже прозрачным для электромагнитной
волны: она пронизывает его, теряя только малую часть
Р
150
Рис. 7-21. Мощность, выделяющаяся в пучке
металлических цилиндров в зависимости от чис-
ла этих цилиндров.
Общая масса металла считается неизменной, а с уве-
личением числа цилиндров возрастает степень раз-
дробления металла и уменьшается диаметр каждого
отдельного цилиндра. Частота и сила тока в индук-
торе, охватывающем весь пучок цилиндров, считают-
ся неизменными, не зависящими от числа цилиндров.
Наибольшая мощность выделяется в пучке цилинд-
ров, когда длина электромагнитной волны в металле
примерно равна диаметру каждого единичного ци-
линдра. Слева от максимума г<Л, справа г>К.
своей энергии, и в этой области дальнейшее измельче-
ние ведет к еще большему уменьшению выделяемого
тепла.
Трансформаторостроителей интересует только эта
ветвь кривой. В большинстве конструкций они находят-
ся еще очень далеко от максимума. Им достаточны
карты ближнего плавания. В своих расчетах они поль-
зуются упрощенными приближенными формулами.
7-23. Электрический пробой
В воздухе при атмосферном давлении необходимо
напряжение в 30 тыс. в, чтобы пробить зазор в 1 см
между шарами с радиусом также в 1 см. Раздвинем
406
шары. Придется приложить более высокое напряжение,
чтобы пробить воздушный промежуток.
Невольно напрашивается аналогия из механики.
В стальной баллон накачивается воздух. Он давит на
стенки. При очень высоком давлении они в конце кон-
цов могут разорваться. Чем толще стенки, тем более
высокое давление выдерживает баллон. При электриче-
ском пробое кажется естественным, что больший слой
воздуха выдерживает большее напряжение.
Вместо того чтобы увеличивать расстояние между
электродами, можно увеличить плотность окружающего
их воздуха, поместить электроды в сжатый газ. Это так-
же увеличит пробивное напряжение.
В двигателях внутреннего сгорания смесь поджи-
гается электрической искрой. В цилиндр двигателя
ввинчивается «свеча» с двумя никелевыми электродами
на расстоянии около миллиметра один от другого. При
атмосферном давлении этот зазор между электродами
пробивается при 3—5 кв. А когда смесь в цилиндре
сжата, требуется напряжение, в несколько раз большее.
Иная зависимость пробивного напряжения от давле-
ния и зазора в электровакуумных приборах. В тиратро-
нах, например, уменьшают зазор между сеткой и ано-
дом, чтобы увеличить пробивное напряжение. В тира-
тронах уменьшение расстояния увеличивает электриче-
скую прочность прибора.
Пробой газового промежутка развивается так: в за-
зоре между электродами всегда имеется некоторое ко-
личество свободных электронов. Когда к электродам
прикладывается напряжение, то электроны начинают
двигаться к положительному электроду. На своем пути
эти электроны могут встречать нейтральные молекулы
газа. Расстояние между двумя такими встречами, двумя
соударениями называется свободным пробегом электро-
на. Свободный пробег зависит от плотности газа. При
атмосферном давлении свободный пробег — это ничтож-
ные доли миллиметра. А при высоком разрежении сво-
бодный пробег достигает нескольких сантиметров.
Если электрон ударяется о нейтральную молекулу
с достаточно большой скоростью, он разбивает ее — вы-
рывает из нее один или даже несколько электронов. Эти
электроны совместно с начальными движутся также
к положительному электроду. На пути они могут ветре-
407
тить еще нейтральные молекулы, вырвать из них еще
новые электроны. Когда напряжение между электрода-
ми достаточно велико, то возникает электронная лавина.
Небольшое начальное количество электронов в резуль-
тате многочисленных столкновений возрастает, как
снежный ком, катящийся с горы.
Возникновение электронной лавины — это и есть
пробой. Когда, плотность газа велика, то электрон на
пробеге между двумя соударениями может накопить до-
статочно энергии, чтобы выбить из молекулы новый
электрон, лишь при высоком напряжении между элек-
тродами. Чем больше плотность газа, тем выше напря-
жение, при котором может образоваться электронная
лавина и произойдет пробой.
Если же плотность газа мала, свободный пробег
электронов велик, то большое их число будет пролетать
между электродами, вообще не встречая молекул газа
и не выбивая новых электронов.
В этом случае чем меньше плотность газа или чем
меньше расстояние между’электродами, тем большее
напряжение необходимо, чтобы вызвать лавину элек-
тронов, произвести пробой.
На рис. 7-22 приведена примерная кривая зависимо-
сти пробивного напряжения от произведения давления
газа на зазор между электродами.
Наименьшее напряжение требуется для пробоя, ког-
да расстояние между электродами одного порядка со
свободным пробегом электрона. В электрических цепях
часто применяются разрядники. Они действуют как пре-
дохранительные клапаны. Их назначение быть самым
слабым местом в электрической цепи. В разрядниках
так подбирают конструктивные размеры, что они соот-
ветствуют минимуму кривой пробоя.
При атмосферном давлении, чтобы получить малое
пробивное напряжение, надо давать зазор между элек-
тродами разрядника нескольких микрон. Удобнее поме-
стить электроды разрядника в колбу с пониженным дав-
лением. Тогда минимальное пробивное напряжение со-
ответствует зазору в несколько миллиметров.
Минимальное пробивное напряжение может быть
100—200 в. Если уменьшить плотность газа, окружаю-
щего электроды, величина пробивного напряжения воз-
растет. В газотронах (рис. 2-4) расстояние между като*
408
дом h анодом такое же, как и в разрядниках, но в раз-
рядниках давление газа в баллоне — несколько милли-
метров ртутного столба, а в газотронах давление равно
всего лишь нескольким десятитысячным миллиметра
Рис. 7-22. Зависимость пробивного напряжения между двумя элек-
тродами от шроизведения плотности р газа, окружающего электроды,
на расстояние d между электродами.
Наименьшее пробивное напряжение получается, когда свободный пробег элек-
трона имеет величину одного порядка с расстоянием между электродами. Про-
бивное напряжение возрастает в обоих случаях: и когда свободный пробег
электрона значительно меньше расстояния между электродами (область вы-
соких давлений), и когда свободный пробег электрона значительно больше
расстояния между электродами (область низких давлений).
ртутного столба. Пробивное напряжение газотрона око-
ло 20 000 в. При еще большем разрежении между элек-
тродами пробивное напряжение возрастает до несколь-
ких сотен тысяч вольт.
7-24. Плоскогорье вместо вершины
Бывает, что точка максимума выражена неотчетливо.
При индукционном нагреве в плавильной печи (фиг.
7-9), или для поверхностной закалки (о закалке будет
рассказано в последующих разделах) важно получить
высокий к. п. д. Переменный ток, циркулирующий
в индукторе, создает вокруг его проводников быстропе-
409
ременный электромагнитный поток. Этот поток пронизы-
вает помещенное в индуктор изделие, возбуждает в из-
делии вихревые токи. Отношение мощности, выделяемой
в изделии вихревыми токами, ко всей мощности, подво-
димой к индуктору, — это и есть интересующий нас
электрический к. п. д. индуктора.
При низкой частоте тока в индукторе изделие, как
уже говорилось, прозрачно для магнитного потока.
Вихревые токи в изделии слабы, мощность, ими выде-
ляемая, ничтожна по сравнению с потерями в индукто-
ре. С повышением частоты тока в индукторе мощность
в изделии растет сначала как квадрат частоты. Быстро
растет к. п. д. Но затем рост к. п. д. замедляется.
Вихревой ток в изделии не может быть интенсивнее,
нежели породивший его ток индуктора. Коэффициент
полезного действия приближается к некоторому пре-
дельному значению. Это предельное значение к. п. д.
т]о зависит от сопротивления материала индуктора р$,
сопротивления материала нагреваемого изделия ра и
от соотношения поверхностей, омываемых быстропере-
менным магнитным потбком в индукторе 5г- и из-
делии Sa.
Приближенно: tj0=1 —— •
Од Г ра
Можно повысить частоту тока в 10 или даже в 100
раз, но к. п. д. никогда не достигнет значения т]о- При
еще большем повышении частоты к. п. д. может начать
падать из-за того, что индуктор станет излучать элек-
тромагнитную энергию во все стороны, как антенна ши-
роковещательной радиостанции, и появятся большие по-
тери в окружающих индуктор предметах. Но до этого
предела обычно никогда не доходят по ряду других
причин.
На рис. 7-23 представлен ход кривых к. п. д. для
случая нагрева шаров диаметром 50 мм из разных ма-
териалов, помещаемых внутрь индуктора в виде цилин-
дрической спирали с высотой и диаметром, равными
100 мм.
Как здесь определить наивыгоднейшую частоту? Точ-
ки максимума на этих кривых нет. После крутого подъ-
ема идет перегиб, а затем почти горизонтальный участок.
Прежде всего надо указать, что нагревательный ин-
дуктор— это лишь одно звено установки высокочастот-
но
ного нагрева. С индуктором всегда соединена (непосред-
ственно или через трансформатор) конденсаторная ба-
тарея. И стоимость этой батареи, и потери в ней зависят
от частоты. При одной и той же передаваемой полез-
ной мощности затраты на батарею конденсаторов для
разных частот могут
отличаться в несколько
раз.
'От частоты тока за-
висит и тип генерато-
ра. Если частота тока
выше 10 000 гц, то це-
лесообразно (применять
только генераторы с
электронными лампа-
ми. Потери энергии ib
этих лампах могуппре-
вышать 20% от преоб-
разуемой мощности.
При более низких ча-
стотах можно приме-
нять и машинные гене*
раторы, и генераторы
с ионными лампами, в
которых потери мень-
ше 10%. Может ока-
заться выгодным не-
Рис. 7-23. Коэффициент полезного
действия индуктора, нагревающего
шар, в зависимости от частоты тока.
Размеры шара и индуктора показаны
в верхнем левом углу рисунка.
Кривая а — шар из магнитной стали
(удельное электросопротивление р~ =
= 10~5 ом • см и магнитная проницаемость
ц=100); у — сталь немагнитная (нагретая
выше 768° С); р «10-4, ц=1; С — графит:
р =5 • 10-5, ц=1; Си — медь: р —1,7-10—в,
ц= 1.
сколько пожертвовать
к. п. д. индуктора, но зато выиграть на к. п. д. генера-
тора.
Можно построить кривую полного к. п. д. и полных
эксплуатационных расходов нагревательной установки
в зависимости от частоты тока. Но и эта кривая боль-
шей частью не имеет вида острого пика, а напоминает
собой плоскогорье.
Но здесь электрик должен прислушаться к голосу
металлурга и машиностроителя. При высокочастотном
нагреве металлов энергетика — только служанка техно-
логии. Основное назначение нагревательной установки—
это не экономить энергию, а давать продукцию высшего
качества. При поверхностной закалке часто приходится
выбирать частоту, значительно более высокую, чем это
нужно по соображениям к. п. д. Так бывает при на-
411
греве изделий сложной формы. Только высокочастот-
ный ток может обойти по всем выступам и впадинам из-
делия. Иногда же, наоборот, выбирают явно заниженную
с точки зрения электрика частоту, для того чтобы полу-
чить прогрев сразу в толстом слое и узкую переходную
зону между нагретым и сердцевинным металлом.
Поэтому на кривой зависимости к. п. д. нагреватель-
ного индуктора от частоты тока надо иметь только
какую-то опорную точку — точку, ниже которой к. п. д.
растет быстро, а выше — медленно. Но это не такая
определенная вещь, как точка максимума или миниму-
ма, которая определяется математически совершенно
однозначно. Точка перехода от крутого склона к по-
логой части (колено на кривой)—это понятие услов-
ное.
В моей книге «Индукционный нагрев металлов» я так
определил минимально допустимую частоту тока, или,
что одно и то же, максимально допустимую длину волны:
«При нагреве цилиндра или шара из немагнитного
материала надо, чтобы длина* электромагнитной волны
в этом цилиндре или шаре была меньше его радиуса.
Коэффициент полезного действия сильно ухудшается,
если ток имеет более низкую частоту и, следовательно,
более длинную волну. При нагреве шара из магнитного
материала колено кривой к. п. д. соответствует волне,
которая в магнитную проницаемость (ц) раз меньше
радиуса шара. Когда нагревается не шаровое и не ци-
линдрическое изделие, а плоская плита, то желательно,
чтобы ширина индуктора была больше длины волны».
Разные авторы неоднократно предлагали иные фор-
мулировки для границы «достаточного электрического
к. п. д.». Одни писали, что волна должна в полтора-
два раза быть меньше радиуса нагреваемого цилиндра,
а другие, наоборот, считали, что достаточно иметь волну,
равную трем четвертям радиуса.
Мне приходилось слышать споры: «Ваш критерий не-
точен, а вот формула такого-то дает прекрасные резуль-
таты». Другие, наоборот, хвалили мое определение. Кто
же прав? Да никто. Определение «достаточного электри-
ческого к. п. д.» — это не формула и не критерий, это
скорее мнемоническое правило. Никакой особой точки
на колене не существует. Это правило только указывает,
«быстро» или «медленно» растет к. п. д. на данном уча-
412
стке кривой. А конкретные значения этого к. п. д. надо
получать полным расчетом.
И в других областях электротехники приходится стал-
киваться с кривыми, не имеющими максимума. Кривая
намагничивания стали идет сначала круто, а затем пере-
ходит в пологий участок. Где здесь точка насыщения?
При каком значении индукции происходит перегиб
в кривой? И здесь нельзя дать точного однозначного
указания, а можно лишь отметить некоторую область
магнитных индукций. Ниже нет насыщения, выше оно
есть.
7-25. О катании с ледяных гор
Есть класс задач, которые исследованиями на мак-
симум и минимум не решить. Для них требуются более
тонкие вычисления. Необходимые методы были найдены
математиками задолго до возникновения промышленной
электротехники.
В 1696 г. в выдающемся научном журнале той эпохи
«Акта Эрудиторум» была помещена следующая задача
(мы приведем ее в несколько вольном изложении).
С вершины ледяной горы катятся санки. Гору надо
считать идеально гладкой, и санки движутся по ней
безо всякого трения, все ускоряясь по мере спуска. За-
даны местоположения: вершины горы и некоторой точки
у ее основания. Спрашивается: какое очертание должна
иметь гора, чтобы санки, скатываясь с ее вершины, до-
стигали основания в самое короткое время?
Легко понять, что время спуска сильно зависит от
очертания горы. Если сделать спуск прямолинейным,
то санки вначале будут разгоняться медленно. Ясно, что
по прямому спуску санки скользнут не в самое короткое
время. Если же, наоборот, сначала сделать спуск очень
крутым, санки быстро разгонятся, но зато у основания
горы санкам придется пройти длинный участок.
Ни дуги круга, ни другие элементарные кривые не
давали решения задачи о санках, катящихся с горы.
Эту задачу предложил Иоганн Бернулли. Он объявил,
что обладает замечательным решением своей задачи, но
не хочет публиковать этого решения. Пускай крупней-
шие математики попробуют показать свое искусство
в решении этого нового типа математических задач.
Иоганн Бернулли особо вызывал на состязание своего
413
торые исследовались до
старшего брата Якоба, с которым он тогда резко враж-
довал и которого именовал невеждой L
Кривая, • по которой санки спустятся в течение са-
мого короткого времени, получила название «брахисто-
хроны», от греческих слов брахос — короткий и хронос—
время.
Задача о брахистохроне увлекла многих современ-
ников Бернулли. В задачах на максимум и минимум, ко-
того времени, требовалось най-
ти только одну особую точку
на заданного вида кривой, -в
задаче же о брахистохроне на-
до было найти 1всю кривую, об-
ладающую некими особыми
свойствами — «наилучшими»
ли, «наихудшими» ли, во вся-
ком случае экстремальными
свойствами.
Задача о4 брохистохроне по-
ложила (начало новой ветви
математики — вариационному
исчислению. Это более тонкий и (сложный 'инструмент
для поисков лучших решений, нежели (Простое исследо-
вание на «максимум и минимум.
Наиболее известное из первых решений задачи
о брахистохроне дал «невежественный» Якоб Бернулли.
Оказалось, что брахистохроной является незадолго до
того открытая циклоида (рис. 7-24), т. е. кривая, ко-
торую описывает точка на окружности, когда эта окруж-
ность катится без скольжения по прямой линии. Цик-
лоиду незадолго до того исследовал Гюйгенс и нашел,
что если по этой кривой будет колебаться груз маятни-
Дпя гри-феля
Рис. 7-24. Пособие для де-
монстрации циклоиды.
По закраине доски катится
круглый обруч. В обруче отвер-
стие, куда вставлен грифель.
Когда обруч катится, грифель
описывает циклоиду.
1 Семейство Бернулли дало ряд замечательных людей, преиму-
щественно в области 'математических наук. Родоначальник этого
семейства Яков Бернулли умер в 1583 г. Внук его, также Яков, ро-
дился в 1598 г.
Иоганн |(нли Иоанн), предложивший задачу о санках, скользя-
щих с горы, родился в 1667 г., а старший брат его Яков (знамени-
тый открытием Бернуллиевых чисел)—в 1654 г.
Сын Иоганна — Даниил Бернулли был в (Петербурге академи-
ком по кафедре механики. Он был, пожалуй, самым знаменитым из
всего семейства. Парижская академия ГО раз присуждала ему пре-
мии за лучшие работы по математике и физике. Одну из них он
разделил с отцом. Капитальнейший труд Даниила — «Гидродина-
мика».
414
ка, то период его колебания не будет зависеть от разма-
ха. Поэтому циклоида называлась таутохронной кривой,
т. е. кривой постоянного времени. Теперь оказалось, что
она же является и брахистохроной.
Санки скатываются с вершины горы в кратчайшее
время, если вершину и подножье горы соединяет отре-
Рис. 7-25. Таутохронная гора.
Профиль горы имеет форму циклоиды. На разной высоте — пунктах К,
Н, Р стоят готовые к старту салазки. Одновременно по команде салазки
начинают скользить. Все трое достигнут основания горы — точки А одно-
временно. Здесь произойдет столкновение.
зок циклоиды. А если вершина горы и ее подножье
к тому же так расположены, что между ними уклады-
вается точно половина циклоиды, то на спуск как с вер-
шины горы, так и с любого ее другого места вниз к под-
ножью будет всегда затрачиваться одно и то же время
(рис. 7-25).
7-26. Задача Дидоны
Изучение брахистохроны положило начало быстрому
развитию вариационного исчисления, которое дало воз-
можность находить различные кривые, удовлетворяю-
щие требованию быть «самыми лучшими» для опреде-
ленных условий. Но некоторые из задач о наилучших
кривых были известны задолго до братьев Бернулли.
415
С древних времен дошла легенда о царице Дидоне,
которая купила у финикийского царя Иорбаса столько
земли, сколько может покрыть воловья шкура. Поведе-
ние Дидоны при покупке приводилось как пример хит-
рости. Она разрезала шкуру на тонкие ремешки, связа-
ла их все вместе и обвела ими большой участок земли.
Рис. 7-26. Участок земли, имеющий наибольшую ценность при
заданной длине сухопутной границы.
Концы ремешков Дидона не замкнула, а оставила на
берегу моря, чтобы и на море распространить свою
власть.
Эта легенда служит основой для серии математиче-
ских задач: какая кривая при заданной длине охваты-
вает наибольшую площадь? И с древних же времен бы-
ло известно (интуитивно, без строгих доказательств, ко-
торые были даны много позже), что из всех геометриче-
ских фигур с заданным периметром наибольшую пло-
щадь имеет круг. А если кривая не замкнута, а опирает-
ся на какие-то точки, то между этими точками долж-
ны быть проведены дуги круга (рис. 7-26).
Задача Дидоны может быть усложнена допущением,
что цена земли не всюду одинакова: чем ближе к бе-
регу, тем дороже земля, а чем дальше от берега, тем
стоимость земли меньше. И ремешком требуется охва-
тить не наибольшую площадь, а наибольшей стоимости
площадь. В зависимости от закона изменения стоимости
получится та или иная кривая.
Вариационным методом можно исследовать и зада-
чу о самой большом ящике из заданного листа жести.
416
В § 7-1 и 7-13 мы ограничивали себя условием, что по
углам листа жести вырезаются прямолинейные четырех-
угольники. Но больший объем ящика получится, если
вырезать из листа криволинейные фигуры. Очертания
этих кривых надо оты-
скивать приемами ва-
риационного исчисле-
ния.
7-27. Вариационные
задачи
в электротехнике
Задача Дидоны о
кривой, охватывающей
наибольшую .площадь,
может быть полезна
три (расчете (некоторых
случаев передачи энер-
гии электромагнитной
индукцией. В электро-
технической версии эту
задачу можно сформу-
лировать так: требует-
ся построить приемный
виток, который охваты-
вал «бы наибольший
Рис. 7-27. Приемный контур (виток),
получающий наибольшую мощность
(при заданном периметре /) при рас-
положении его вблизи прямолинейно-
го проводника.
Когда периметр витка меньше, нежели
расстояние от центра витка до токонесу-
щего проводника, то наивыгоднейшая фор-
ма витка близка к окружности.
Чем меньше расстояние от провода до
приемного витка, тем более приплюснутую
и вытянутую форму должен иметь виток,
чтобы захватить наибольший магнитный
поток. Плотность магнитного потока про-
порциональна—.
магнитный поток. За-
данными считаются
длина проводника, из
которого виток выпол-
няется (периметр вит-
ка), и структура элек-
тромагнитного поля, в
котором этот виток
располагается.
Когда магнитное
поле таково, что в пре-
делах площади, охва-
тываемой витком, сила
поля меняется незначительно, то наибольший магнитный
поток будет охвачен витком в форме круга. Но если
магнитное поле неоднородно—в одних местах сильнее,
27 Г. И. Бабат.
417
a iB других слабее, — то наилучший виток будет иметь
очертания сложной кривой.
На рис. 7-27 показаны «наилучшие витки» вблизи
прямолинейного, весьма протяженного проводника с то-
ком. В пространстве вокруг такого проводника магнит-
ное поле изменяется по гиперболическому закону
f rr 2Z \
(// = —)— магнитная напряженность обратно пропор-
циональна расстоянию от проводника.
Другой пример применения вариационного метода —
это вопрос о выборе наилучшей формы изолятора. В гла-
ве второй было сказано о том, что по всякому изолятору
всегда происходит утечка тока. Эту утечку можно раз-
делить на две составляющие: поверхностную и объем-
ную. Ток объемной утечки идет через всю толщу изо-
лятора. Поверхностная же утечка определяется очерта-
нием поверхности изолятора. Большинство изоляторов —
это тела вращения, и в них поверхностная утечка опре-
деляется формой образующей (профилем).
Важно подобрать такую форму поверхности изоля-
тора, чтобы электрическое сопротивление поверхности
было наибольшим и, следовательно, ток утечки по по-
верхности был бы наименьшим.
Бесчисленное количество кривых может быть исполь-
зовано в качестве образующей поверхности изолятора.
Вариационный анализ показывает, что сферическая
поверхность изолятора имеет наименьшее поверхност-
ное сопротивление, наибольшую поверхностную утечку.
Всякая другая поверхность, отличная от сферической,
будет иметь меньший ток утечки. Но наилучшей поверх-
ности не существует.
В этой задаче вариационный анализ не дает наилуч-
шего, но указывает на наихудшее, на то, чего конструк-
тору следует избегать.
7-28. Лучшей формы изоляторы
На рис. 7-28 показан проходной изолятор сфериче-
ской формы. Что это: ошибка конструктора, или вариа-
ционный анализ неверен? Нет, в данном случае — на
выводе конденсатора со сжатым газом — надо было
применить именно сферический изолятор. В изображен-
ие
Рис. 7-28. Конденсатор со сжатым газом.
В этом конденсаторе используется явление увеличения электрической
прочности газа с повышением его плотности. В главе второй на рис. 2-4
был показан еще пример изоляции сжатым газом — рентгеновский
аппарат на напряжение 1,5 млн. в. В баллон конденсатора накачи-
вается азот или шестифтористая сера. Давление измеряется маномет-
ром. В баллоне находятся два комплекта пластин: одни — большего
диаметра — стянуты у краев тремя стойками и соединены с корпусом.
Пластины же меньшего диаметра укреплены на центральной стойкег
проходящей из баллона через стеклянные изоляторы.
Внутренний изолятор должен выдерживать полное давление газа, и
поэтому ему придана сферическая форма. Внешний изолятор нееет
незначительную механическую нагрузку, но для однотипности имеет
ту же форму, что и внутренний.
27*
419
ном конденсаторе изолятор должен выдерживать давле-
ние до 20 кГ на каждый сж2 своей поверхности. Изоля-
тор в виде полусферы лучше всего сопротивляется рав-
номерному сжатию.
Для обычных изоляционных материалов (.фарфора,
стекла) величина тока поверхностной утечки при чи-
Рис. 7-29. Опор-
ный изолятор с
боковой поверх-
ностью, близкой
к конической, и
с ребрами для
уменьшения то-
ков поверхност-
ной утечки.
Рис. 7-30. Проход-
ной изолятор рас-
пространенного
типа.
стой поверхности до-
статочно мала. Раз-
ница между сфериче-
ской и, например, ко-
нической поверхностя-
ми практически неза-
метна.
При загрязнении
поверхности изолятора
ток утечки резко воз-
растает. С этим явле-
нием борются, снаб-
жая изоляторы ребра-
ми и выступами.
В большом количе-
стве применяются в
электротехнич е с к и х
установках опорные
изоляторы. Они долж-
ны иметь высокую
электрическую и меха-
ническую прочность. Кроме того, форма изолятора
должна быть технологична: затраты труда на произ-
водство должны быть невелики и брак в производстве
мал. Механические, электрические и технологические
требования находятся в противоречии друг с другом.
Для опорных изоляторов распространена форма,
близкая к конической. Для уменьшения токов поверх-
ностной утечки эти изоляторы снабжаются еще реб-
рами (рис. 7-29).
Проходные изоляторы часто изготовляются с те-
ми же очертаниями, что и опорные. Они представляют
собой как бы два сложенных основаниями опорных
изолятора (рис. 7-30).
Для изоляторов, несущих незначительную механи-
ческую нагрузку, применяется цилиндрическая много-
реберная конструкция (рис. 7-31).
420
Рис. 7-31. Пятиребер-
ный фарфоровый изо-
лятор. Применяется
на напряжение до
6 кв в местах, где
не требуется боль-
шая механическая
прочность.
Рис. 7-32. Штыре-
вой изолятор, при-
меняемый для воз-
душных телеграф-
ных и телефонных
линий.
Рис. 7-33. Распространенный
в СССР тип подвесного изоля-
тора для высоковольтных ли-
ний передач.
/ — стальной сегмент; 2 — заливка
из свинцово-сурьмянистого сплава;
3 — фарфоровая часть; 4 — шапка
из ковкого чугуна; 5 — стальной
стержень; 6 — серьга; 7 —зажим;
8 — провод.
Ответственную службу несет штыревой изолятор
(рис. 7-32), который применяется для воздушных теле-
графных и телефонных линий. На его поверхности мо-
жет оседать пыль. Он должен работать под градом и
дождем. Во всех случаях утечка тока по его поверхно-
сти должна оставаться малой. Штыревые изоляторы
снабжаются юбками, удлиняющими пути токов утечки.
Форма изоляторов не есть нечто неизменное застыв-
шее, установленное раз и навсегда. Все улучшаются и
совершенствуются методы производства и появляются
новые конструкции, более надежные и более экономич-
ные»
421
7-29. Поверхностная закалка
стальных изделий
Обширная область приложения вариационных ме-
тодов открылась в связи с высокочастотным нагре-
вом. С 1936 г. я начал работы по нагреву стальных из-
делий токами высокой частоты для поверхностной за-
калки. Таким методом мы собирались обрабатывать
самые разнообразные детали машин, режущий и мери-
тельный инструмент. Для разных форм изделий надо
было сконструировать нагреватели — индукторы.
Принцип высокочастотного нагрева, вообще говоря,
прост.
Неспециалистам его объясняют часто такими сло-
вами: вокруг проводника с током высокой частоты
пульсирует электромагнитная энергия. Любое металли-
ческое тело, помещенное вблизи этого токонесущего
проводника, поглощает электромагнитую энергию и на-
гревается.
Ко времени начала работ по поверхностной закалке
высокочастотный нагрев уже ряд лет применялся в пла-
вильных печах. В этих печах нагрев идет не так уж
быстро. В относительно маленькой печи на несколько
килограммов металла расплавление продолжается до
получаса. За время плавки тепло, выделяемое токами
высокой частоты, успевает совершенно равномерно рас-
пределиться во всей расплавленной массе. Выравнива-
ние температур внутри расплавленного металла проис-
ходит за счет его высокой теплопроводности и за счет
перемешивания металла под действием магнитных сил.
Тем, кто работал с высокочастотными печами, во-
все не требовалось знать в деталях, как именно распре-
деляется выделение тепла в расплавленном металле —
садке печи. Для расчетов часто принимали, что тепло
выделяется равномерно по всей боковой поверхности
садки, в то время как в действительности имеет место
более сильный нагрев самой верхней и самой нижней
частей расплава. «Печников» интересовало лишь общее
количество тепла, или, как принято говорить, «инте-
гральный эффект нагрева».
Совсем иные, новые требования возникли, когда мы
стали нагревать под поверхностную закалку машино-
строительные детали сложной формы. Здесь нагрев
422
должен быть в большинстве случаев только местный.
Нагревать нужно только ограниченные участки поверх-
ности изделия, те, что подвергаются при работе исти-
ранию. Остальная часть стального изделия должна
оставаться холодной.
Нагрев под закалку продолжается немногие секун-
ды, а иногда и доли секунды. Хотя теплопроводность
металла и высока, но время нагрева так мало, что
теплообмен между отдельными участками мало изме-
няет начальное распределение тепла.
Тепло остается там, где оно зарождается.
7-30. Живопись теплом
Встала задача -конструировать проводники, несущие
высокочастотный ток, — нагревательные индукторы —
так, чтобы создавать именно требуемое распределение
тепла в поверхностно-закаливаемом стальном изделии.
Требовалось научиться действовать высокочастотным
индуктором так, как маляр действует кистью, уметь
накладывать тепло, как наносят краску. Знать заранее,
до включения высокочастотного тока, что тепло попадет
именно на этот участок изделия.
Ни один из опубликованных в литературе расчетов
индукционных печей не давал деталей распределения
тепла. Для поверхностной закалки надо было созда-
вать новые расчеты, новые инженерные теории.
Поток электромагнитной энергии невидим, неося-
заем. О его действии можно судить только по резуль-
татам.
Мы начали с того, что строили нагревательные ин-
дукторы самых различных форм и размеров, помещали
в них различные стальные изделия и наблюдали, как
эти изделия нагреваются при включении токов разной
силы и частоты.
Затем бросали нагретые изделия в воду — закали-
вали их. Мерили твердость. Алундовыми дисками раз-
резали каленую сталь на ломтики. На разрезах можно
было определить толщину закаленного слоя и, таким
образом, представить себе распределение тепла.
Чем более тонкий закаленный слой требовалось по-
лучить, тем короче приходилось давать время нагрева,
ч(то1бы не дать теплу уйти, распространиться в глубь
423
металла. А чтоб за короткое время успеть нагреть
сталь до температуры закалки, мы применяли все
большие удельные мощности — часто более киловатта
на каждый квадратный сантиметр нагреваемой поверх-
ности.
7-31. Впадины горячее выступов
Много дополнений и уточнений пришлось внести
в то примитивное объяснение высокочастотного на-
грева, что давалось раньше.
Если считать, что электромагнитная энергия исхо-
дит из проводников индуктора, то казалось как буд-
то бы естественным, что плотность этой энергии в про-
странстве вокруг индуктора тем выше, чем ближе
к проводнику. У самой поверхности меди плотность
энергии будет наибольшая, а по мере удаления от по-
верхности проводника плотность энергии падает.
Если внутрь индуктора в виде простого круглого
витка поместить стальное изделие, снабженное высту-
пами и впадинами, к примеру, звездочку от велосипед-
ной передачи, то из высказанного предположения
о распределении энергии следовало бы, что интенсив-
нее всего должны нагреваться те участки изделия, ко-
торые ближе всего к поверхности проводника индук-
тора, т. е. вершины выступов. Более удаленные от ин-
дуктора участки — в данном примере впадины в вело-
сипедной звездочке, казалось бы, должны были нагре-
ваться слабее. Но когда мы действительно поместили
такую звездочку в индуктор и включили высокочастот-
ный ток большой силы, то получилось иное. Сначала
стало нагреваться дно впадины, и там металл даже
оплавился. На вершинах выступов нагрев стал заметен
позже. Выступы не дошли даже до свечения. Они на-
грелись до цветов побежалости. Выступы были холод-
нее впадин на несколько сотен градусов.
С этим фактом еще бы можно было примириться, —
ведь и пламя газовой горелки (автогенной, к примеру)
горячее всего не у выхода газа из наконечника горелки,
а на некотором от него расстоянии.
Но вот поместили в этот же индуктор червячный
винт — это тоже изделие с выступами и впадинами.
У винта разгорелись сначала именно выступы. Тут уже
аналогия с газовым пламенем не помогает. Относитель-
424
ная удаленность выступов и впадин была одинаковой
в обоих примерах, но один раз грелись сильнее впади-
ны, а другой — выступы.
Здесь придется сделать небольшое отступление,
чтобы проследить с самого начала те рассуждения о за-
конах выделения тепла, которые в конце концов по-
могли точно объяснить все особенности высокочастот-
ного нагревания и позволили точно предугадывать ход
нагрева той или иной детали в том или ином индукторе.
7-32. Мыльные пузыри
Вот рецепт хорошей жидкости для мыльных пузы-
рей. Растворить 1 г чистого сухого олеата натрия
в рюмке воды (50 г) и добавить к раствору 30—40 г
глицерина.
Если окунуть в такой раствор небольшой проволоч-
ный каркас, то на нем останется тонкая и довольно
прочная пленка. Строение такой пленки было изобра-
жено на рис. 6-126. Чтобы пленка была достаточна
долговечной, размеры каркаса не должны превышать
10—15 см. Каркас может быть не только плоским, но и
пространственным.
Мыльная пленка всегда принимает форму мини-
мальной поверхности -с наименьшей площадью. Силы
поверхностного натяжения стремятся сократить пленку.
Минимальные поверхности имеют много интересных
особенностей.
Еще в середине 18 в. член Петербургской академии
наук Эйлер установил, что всякая минимальная по-
верхность может быть только либо плоской, либо сед-
лообразной. Во всех случаях средняя кривизна поверх-
ности равна нулю.
Если окунуть в мыльный раствор каркас куба, то
получается система поверхностей, пересекающих одна
другую под углом 120°. Если куб вынимать из раствора
осторожно, то можно насчитать тринадцать почти пло-
ских поверхностей.
Очень поучительно делать гибкие проволочные кар-
касы и изучать изменение формы поверхности пленки
под влиянием непрерывной деформации каркаса. Оку-
нув в мыльный раствор каркас из двух параллельных
425
окружностей, получим структуру, состоящую из трех
поверхностей, смыкающихся под углом 120°. Одна из
этих поверхностей — плоский круговой диск. Если
уничтожить этот диск, то между проволочными коль*
нами мыльная пленка образует катеноид — поверх-
ность вращения цепной линии. При раздвижении колец
катеноид в конце (Концов лопается и получаются два
отдельных диска из мыльной пленки.
Изгибая проволочное кольцо, на котором натянута
мыльная пленка, можно от диска перейти к односто-
ронней поверхности Мебиуса. Вновь расправляя коль-
цо, можно опять превратить одностороннюю поверх-
ность в диск.
7-33. Резиновые мембраны для исследования
электронных ламп
Мыльные пленки — очень непрочный материал. Тон-
кая мембрана из хорошей, эластичной резины обладает
теми же свойствами, что и мыльная пленка. Когда ее
растягивают, она принимает форму минимальной по-
верхности. При помощи резиновых мембран моделируют
распределение электрических сил в электронных лам-
пах. На мембрану опирают стойки, соответствующие
по своему расположению катоду, аноду, сеткам ламп, а
по своей высоте— их потенциалам. Под давлением этих
стоек резина прогибается в виде холмов и впадин. По
резиновым горкам можно катить стальные шарики, и
силы тяжести будут действовать на эти шарики подоб-
но тому, как электрические силы действуют на элек-
троны в настоящей лампе.
Чтобы создать хорошую конструкцию электронной
лампы, недостаточно, конечно, катать шарики по мем-
бранам. В реальной лампе есть еще много осложняющих
процессов. Но эти мембраны — ценное подспорье для
конструктора и расчетчика. Они облегчают понимание
процессов в лампе.
В стальных изделиях, пронизываемых, или, точнее
говоря, омываемых быстропеременными магнитными
потоками, электроны движутся, следуя законам более
сложным, нежели движение шаров по холмам. Но и
это движение электронов можно наглядно представить
и промоделировать простыми средствами,
426
7-34. Вариационные методы для закаЛки
Электромагнитная волна, создаваемая высокоча-
стотным генератором, циркулирует в воздушном зазоре
между индуктором и нагреваемым стальным изделием.
Изделие и индуктор образуют собой волновод, который
направляет магнитные и электрические силы в волне.
Линии сил деформируются, изгибаются, следуя фор-
мам металла.
В металле возникает движение электронов — элек-
тронные вихри. Эти вихревые токи и нагревают металл.
Вихрь всегда замкнут. У него нет начала, ни конца. Но
в одном' месте вихрь может растечься шире. Плот-
ность электронных токов здесь мала. Греют они слабо.
В другом месте токи вихря сжимаются, концентриру-
ются. Плотность их велика. Нагрев здесь интенсивен.
Концентрация токов в том или ином месте вихря
не определяется одной только близостью данного
участка стали к проводнику индуктора.
Вот аналогия из смежной области: вогнутое зер-
кало или выпуклое стекло — это также направители
электромагнитных волн — правда, волн, в миллиарды
раз более коротких, нежели волны, применяемые для
нагрева под закалку. Стекло и зеркало создают наи-
большую концентрацию волн на определенном рас-
стоянии от поверхности.
Так и вихревые токи в определенных условиях фо-
кусируются, сгущаются не на участках, близких к ин-
дуктору, а подальше, во впадинах изделия. Здесь во
впадинах получается максимальная плотность «вихре-
вого тока, наибольшее выделение тепла.
Электронные вихри внутри металла можно мыслен-
но разбить на отдельные тонкие нити. Каждая подобна
резиновой. А весь электронный поток целиком имеет
нечто общее с резиновой мембраной или мыльной плен-
кой, хотя магнитные силы и действуют несколько иначе,
нежели силы внутреннего натяжения в пленках и мем-
бранах.
Электронный вихревой поток стремится расшириться,
отдельные нити тока взаимно расталкиваются, вихре-
вой ток вытесняется на поверхность стали, магнитные
силы подтягивают его к индуктору.
Рассуждения, казалось бы о совсем различных ве-
щах,— ледяных горах, мыльных пузырях, о хитроум-
427
Плоский
Конический
Цилиндрический
сплющенный
Для внутреннего
нагрева
Нагрев цилиндрического Нагрев торца Нагрев
изделия внутри индуктора плоским индуктором отверстия
Рис. 7-34. Различные типы индукторов для местного (зональ-
ного) нагрева стальных изделий при поверхностной закалке.
пой Дидоне, обманувшей царя Иорбаса, привели пас
к законам, управляющим распределением вихревых то-
ков.
Если впадина в стальном изделии идет поперек
реки вихревого тока, то магнитные силы прижимают
ток ко дну впадины, и здесь нагрев сильнее всего.
А в выступ, перпендикулярный течению вихревых то-
ков, эти токи мало распространяются. Нагрев выступа
незначителен.
Если же впадины и выступы в изделии находятся
вдоль течения вихревых токов, то магнитные силы вы-
несут электронную вихревую реку на вершины высту-
пов. Выступы будут интенсивно нагреваться, а впадины
получат нагрев только за счет теплопередачи.
Вот разгадка распределения тепла. Вихревые токи
располагаются так, чтобы создать самый удобный,
с наименьшим сопротивлением путь для электромаг-
нитной волны в зазоре между индуктором и сталью.
В велосипедной звездочке, когда она помещена
в индуктор, который имеет форму круглого витка,
вихревые токи идут поперек выступов. Самый сильный
нагрев при этом — во впадинах. В червячном же винте,
когда он находится в том же самом индукторе, вихре-
вой ток идет вдоль выступов, и они нагреваются силь-
нее всего.
Гонец с корабля и луч света движутся по самому
короткому пути. Так и для задач поверхностной за-
калки принцип наименьшего действия — руководящая
пить для отыскания распределения электромагнитных
волн и вызванных ими вихревых токов.
Электронные вихри в нагреваемом изделии цирку-
лируют, строго следуя законам вариационного исчисле-
ния.
Многие задачи индукционного нагрева трудно ре-
шать аналитическим путем. Зная законы, которым под-
чиняется циркуляция вихревых токов, можно подобрать
физические явления, которые также подчиняются этим
законам. Так моделируют электронные вихри.
Если на резиновую мембрану положить тяжелую ше-
стерню, то крутизна изгиба резины будет соответство-
вать приближенно плотности тока в стали.
Можно делать проволочные каркасы, подобные
очертанию поверхностей закаливаемых изделий, натя-
429
гивать на них мыльные пленки, По углам между плён-
ками можно судить о плотности вихревого тока.
Мембраны и пленки моделируют распределение
вихревых токов. Но иногда даже нет надобности про-
изводить опыт по моделированию. Можно представить
его мысленно.
7-35. Практика и теория
Первые индукторы для нагрева под закалку я (вы-
гибал и паял сам. Потом лаборатория расширилась, и
к нам на работу поступил слесарь Труфанов (погиб
в Ленинграде в 1942 г.). До этого Труфанов с высоко-
частотными установками никогда не сталкивался, и
первый день он с изумлением смотрел, как внутри холод-
ного индуктора вдруг вспыхивала оранжевым накалом
стальная деталь.
Труфанову было поручено изготовление индукторов.
Ему приходилось на разные лады выгибать медные
витки и следить за тем, как с изменением их формы
меняется нагрев.
Ни о каких минимальных поверхностях, вариацион-
ных принципах или экстремумах мы с ним разговоров
не вели. Надо было срочно подобрать технологические
режимы для ряда сложных деталей. Мы готовили ин-
дукторы, включали их в генератор. Переделывали ин-
дукторы наново, опять включали, и так изо дня в день.
Прошло всего несколько недель работы, и у Труфа-
нова развилось то, что можно назвать чутьем законов
нагрева. Скажешь, бывало: «Приспособь-ка, Труфаныч,
индукторок к тому вон кулачку так, чтобы каленый
слой вот до сих пор по головке лег».
И Труфанов без дальнейших пояснений выгибал ин-
дуктор, и нагрев получался, какой нужно.
В 1939 г. на заводе «Светлана» организовали спе-
циальные курсы по высокочастотному нагреву. Со всего
Советского Союза к нам съезжались инженеры для пе-
реподготовки.
Передать им в короткий срок опыт, накопленный
в нашей лаборатории за несколько лет, можно было
только связав все эксперименты и выводы какими-то
обобщающими теориями. Усвоить не связанные друг
с другом многочисленные рекомендации и наставления
430
так же трудно, как заучить набор случайных слов.
Теория связывает отдельные факты, как ритм мысль
стиха. Разрозненные рецепты превращаются в поэму.
С каждым днем количество индукторов в нашей ла-
боратории возрастало. «Индукторный парк» исчислялся
уже многими десятками. А все время поступали новые
детали, для которых ни один из уже имевшихся индук-
торов не годился, и приходилось изготавливать новые.
Я вернулся тогда к основам теории циркуляции вих-
ревых токов в металлических массивах при высоких
частотах. И обрабатываемое изделие, и индуктор — это
только «направители» магнитного потока. При высокой
частоте магнитный поток не проникает в глубь металла.
Магнитные линии отклоняются поверхностью металла,
как струи воды.
Так возникла мысль производить нагрев различных
изделий в одной и той же просторной катушке. Чтобы
при этом получить сосредоточение вихревых токов на
требуемых участках изделия, я решил помещать в за-
зоре между катушкой и нагреваемым изделием медные
разрезные кольца и шайбы. Они направляли магнит-
ный поток. Эта конструкция получила название кон-
центратора вихревых токов.
Концентраторы — это не универсальное средство. Но
во многих случаях применение их удобно и экономично.
Они были впервые описаны в журнале «Электричество»
в 1939 г. и в последующие годы вошли в промышлен-
ную практику. Впоследствии их заимствовали и амери-
канцы.
Теория — это не только «облегчение памяти», «вне-
сение порядка» в наблюдения, согласование их с некото-
рой искусственной системой. Теория ведет на поиски
нового, облегчает путь в будущее.
Трудно пробираться во тьме по незнакомой мест-
ности. При слабом светильнике еще неясно различимы
окружающие предметы. Но если человек не спотыкается
на каждом шагу, то, значит, кое-что он уже видит пра-
вильно.
7-35а. Замедляющие системы
Вариационные методы широко применяются при расчете , раз-
нообразных замедляющих систем, т. е. периодических и волновод-
iHbix систем с медленными электромагнитными волнами. Эти системы
43|
используются как в мощных, так и в маломощных электронных
«приборах «сверхвысоких частот.
Свойства замедляющих систем описываются уравнениями
Максвелла и вытекающим из .них волновым уравнением. Характер
этих уравнений указывает на возможность достижения замедления
электромагнитных волн двумя способами. Можно изменить форму и
коэффициенты уравнений или же задать определенные граничные
условия, вызывающие замедление. Первый способ физически осно-
ван на изменении диэлектрической и магнитной проницаемостей
пространства, в котором распространяется волна, второй способ —
на замене гладких стенок системы более сложными ее формами.
Системы, создаваемые по первому способу, непрактичны вслед-
ствие технологических трудностей и малого сопротивления связи
при .малой дисперсии. Системы, создаваемые по второму способу,
наиболее распространены и многочисленны. Краевые условия, ха-
рактеризующие эти системы, приводят к искривлению линий элек-
трического поля, вызывающему замедление волны системы.
Частотные характеристики замедляющих систем определяются
посредством дисперсионного уравнения и дисперсионных характе-
ристик, которые во многих случаях составляются или выводятся на
основе вариационных методов.
7-Ж Заключение
Можно производить все более тонкие и сложные вы-
числения для определения наивыгоднейших размеров и
пропорций инженерных сооружений. Но в конце концов
и сами методы расчета надо выбирать, руководствуясь
законами оптимальных исследований.
Формула длиннее 10 см непригодна для повседнев-
ной инженерной практики. Это блюдо для лакомок. Цен-
ность уточнений, получаемых слишком сложным расче-
том, не оправдывает времени и усилий. Чрезмерно
тонкие расчеты — это не экономия, а наоборот, расхище-
ние средств. Производство не может ждать слишком
долго результатов теоретических изысканий.
Инженер не должен недооценивать математики, нои
не должен слишком верить в могущество ее методов.
Последняя крайность наиболее опасна именно для элек-
триков. Врачи и химики обходятся без, скажем, гипер-
геометрических рядов. Но их деятельность не менее
научна, чем работа электрика, вычисляющего при помо-
щи сложных функций излучение антенн.
Инженер в прямом значении этого слова должен
прежде всего хорошо знать свои строительные материа-
лы, технологию своего производства. Математический
расчет — лишь вспомогательное орудие.
432
Нельзя слишком долго прицеливаться. Надо быстрее
открывать стрельбу и корректировать наводку орудия
наблюдением за попаданиями. Вместо расчетов на мак-
симум и минимум часто выгоднее заказать в экспери-
ментальной мастерской несколько опытных экземпляров
конструкции и исследовать их в работе.
Но в конце концов нельзя преподать единый рецепт
на все случаи инженерной деятельности. Каждый дол-
жен сам найти свой оптимум.
* ♦
♦
Вновь передо мной шершавый лист чертежа и жел-
тый прозрачный угольник среди запутанных линий. Нет,
это не беспорядочный хаос карандашных штрихов: вот
горные хребты, обрывы, равнины. Это карта новой, не-
ведомой страны. Здесь предстоит измерить высоту гор
и глубину ущелий. Здесь мы проложим новые дороги.
Бледнеет свет лампы. Зеленый колпак становится
черным на фоне утреннего неба. Восходит солнце, и
пунцовые отсветы загораются на серых отрогах гор. Чу-
десные просторы открываются вдали.
Пожелаем доброго пути неутомимым исследователям,
тем, кто всегда в походе, всегда в пути.
28 Г. И. Бабат
НЕПРИЗНАННЫЙ МЕЧТАТЕЛЬ
В. Н. Каразин (1773—1842)—один из любопытных
деятелей русского просвещения. Он происходил из дво-
рян Харьковской губернии, жил в царствование /импера-
тора Павла. По тогдашнему обычаю он еще в детстве
был зачислен на военную службу. Учился сначала
в Харькове, потом в Петербурге, в горном корпусе.
Ум пытливый и любознательный, Каразин не мог
перенести тягостей павловского режима. В 1798 г. он
пытался бежать за границу, но был пойман.
«Я желал укрыться от твоего правления, страшась
его жестокости, — писал в своих объяснениях императо-
ру Павлу арестованный Каразин. — Многие примеры,
разнесенные молвою в пространстве царства твоего,
грозили моему воображению день и ночь. Не мог я
иметь ни случаев, ни поводов оскорбить тебя, но свобод-
ный образ моих мыслей мог быть уже преступле-
нием ... ».
После воцарения Александра I Каразин составляет
и посылает царю записки и проекты либеральных преоб-
разований.
Александр I благосклонно отнесся ко многим пред-
ложениям. По проектам Каразина учреждается Мини-
стерство народного просвещения, пересматриваются
уставы академий и университетов и основывается новый
университет — Харьковский.
Однако благоволение царя к Каразину было непро-
должительным. В 1804 г. Каразин удалился из Петер-
бурга в свое имение в Харьковской губернии.
И здесь Каразин продолжал разрабатывать прогрес-
сивные идеи и посылать Александру I все новые письма
и доклады. Последствия были печальны. Каразин был
заключен в Шлиссельбургскую крепость, а по освобо-
ждении выслан в деревню с запрещением писать кому
бы то ни было иначе, чем через посредство губернатора.
Сильный ум не мог пребывать праздным. Каразин
занимается метеорологией, сельскохозяйственной хими-
ей. Он мечтает использовать атмосферное электричество
для получения окислов азота, необходимых для удоб-
рения.
В 1818 году Каразин представил Александру I запис-
ку под названием: «О возможности приложить электри-
434
чёскую силу верхних слоев атмосферы к потребностям
человека».
Записка начинается словами: «Когда в ,половине
XVIII века нашли тождество электрической силы, обна-
руживающейся при трении стекла и других тел, с дей-
ствиями молнии и сделали опыты проводить сию послед-
нюю в место, назначенное по произволу, то не замедли-
ли заметить, что сею силою или веществом (доныне
трудно определить, что она такое?) изобилует атмосфе-
ра. .. тем более изобилует, чем более отдалена от зем-
ли ... ».
«Почему же не думать, что человек может заставить
повиноваться себе электрическую силу подобно тому,
как повинуются ему животные, вода, воздух, огонь? Все
дело только в том, чтобы достигнуть ее хранилища и
устроить канал. Но хранилище ее уже известно: это вы-
соты атмосферы, природная область громов. Каналом
может служить всякая металлическая проволока, а воз-
душные шары или аэростаты — для удержания конца
сей металлической нити постоянно в надлежащей вы-
соте».
Для низведения «электрической силы» в «место, наз-
наченное по произволу», Каразин предложил свой
«электро-атмосферный снаряд», состоящий из воздуш-
ного шара из прорезиненной тафты, привязанного на
шнуре, оплетенном проволокой. Внизу «вместо резервуа-
ра должен быть из медных блях составленный высереб-
ренный шар, ибо никакая другая фигура по угловато-
сти своей к сему неспособна».
«Что будут значить опытодействия,—писал далее
Каразин, — производимые самою большою электриче-
скою или гальваническою машиною, против предлагае-
мого мною электро-атмосферного снаряда? Опыты, про-
изводимые предполагаемым снарядом, будут, конечно,
поразительны. Они откроют множество новых цетин, об-
наружат такие таинства в естестве, которые без сего
пособия были бы во веки неисследимы».
«Мы пойдем к тем великим средствам, которые сама
природа употребляет для сложения и разложения тел».
«О, как желал бы я, — писал в конце записки Кара-
зин, — чтобы именно России судьба предоставила сде-
лать сей важный шаг на поприще наук и пользы рода
человеческого!».
28*
435
По повелению Александра 1 докладная записка Ка-
разина была передана в Академию Наук. Здесь ее рас-
смотрел академик Фус и дал следующий отзыв:
«Устроение электро-атмосферного снаряда по проек-
ту Каразина будет бесполезно, поелику помощью про-
стейших орудий, как-то: лейденских банок, гальваниче-
ского столба и проч., хотя медленнее, но зато несравнен-
но легче, надежнее и при меньших затратах добывается
такое количество электричества, какое бывает нужно».
С мнением академика Фуса согласился и Ученый ко-
митет Главного правления училищ. Министр народного
просвещения князь Голицын доложил об этом импера-
тору.
На том и кончились попытки Каразина применить
атмосферное электричество для практических целей.
Как ни обидно в этом признаться, но прав был имен-
но холодный скептик Фус, а не мечтатель Каразин —
практического значения предложение Каразина не
имело.
Трогательна судьба самого Каразина,, обаятелен
облик этого преданного родине, мечтавшего о благе
своего народа «любителя наук»!
ГЛАВА ВОСЬМАЯ
ИНЫЕ ПУТИ
Эта глава — пестрая. В ней говорится о радужных
надеждах, но есть в ней и много печального. Здесь со-
браны воспоминания о многих неудачах, здесь говорит-
ся о проектах, не .получивших признания.
На центральных электростанциях всего мира элек-
троэнергию добывают при помощи вращающихся ма-
шин— при помощи турбо- и гидрогенераторов. В гл. 4
мы проследили длинную цепь превращений энергии на
современной тепловой электростанции. В топке котла
химическая энергия угля превращается в тепловую.
Тепло нагревает воду, превращает ее в пар. В соплах
турбины потенциальная энергия пара переходит в кине-
тическую энергию быстролетящей струи. Это движение
воспринимают лопатки ротора турбины. И только в ге-
нераторе механическая энергия превращается в элек-
трическую.
Невольно возникает вопрос: нет ли других путей по-
лучения электроэнергии, нельзя ли хотя бы сократить
эту длинную цепь превращений? Всегда ли электроэнер-
гия добывалась так, как в настоящее время? Всегда ли
она будет так добываться?
В этой главе описаны некоторые наиболее характер-
ные пути получения электроэнергии, отличные от обще-
принятых. Бесчисленное число проектов предлагалось
изобретателями. Некоторые проекты ни при каких усло-
виях не могут дать успеха. Их полезно разобрать в пре-
достережение новым изобретателям. В других проектах
таится рациональное зерно. И кто знает—быть может,
уже среди читающих эту главу находится тот человек,
который проложит новые пути в электроэнергетике.
5-/. Электроэнергия из атмосферы
Когда Ломоносов показал, что молния является
электрической искрой, возникли первые предложения
добывать электроэнергию, отводя электрические заряды
из облаков. «Грозовые машины» строили и сам Ломоно-
сов, и Рихман, трагически погибший при опытах с такой
установкой, и ряд других ученых. Получил известность
437
проект использования атмосферного электричества, со-
ставленный В. Н. Каразиным. Но ни один из таких про-
ектов не имел успеха.
Электрические заряды в атмосфере малоподвижны
и имеют малую плотность. Полезная работа, которую
можно было бы получить, собирая ионы, рассеянные по
огромному пространству, — незначительна. Когда элек-
трические заряды в атмосфере концентрируются, проис-
ходит грозовой разряд. Но даже мощный разряд, со-
провождаемый ослепительным сверканием молнии и
оглушительным громом, выделяет не более нескольких
киловатт-часов энергии.
При существующих ценах на электроэнергию стои-
мость самого мощного грозового разряда — не более
десяти копеек.
В каждый момент времени в разных местах земного
шара’ происходят грозы. В среднем на земле в любой
момент единовременно происходит около тысячи гроз.
Для всего земного шара энергетический результат гро-
зовой деятельности — очень скромная величина. А на
один квадратный километр земной поверхности атмо-
сферное электричество дает совсем ничтожный эффект.
Многолетние опыты показали, что даже в очень вы-
сокий молниеприемник — высотой в сотни метров — мол-
нии ударяют не чаще нескольких десятков раз в год.
В промежутках между грозовыми разрядами молние-
приемник может получить лишь совсем незначительный
ток, измеряемый микроамперами.
Ясно, что собирание атмосферного электричества для
целей энергетики — совершенно невыгодная затея.
8-2. Горная лаборатория
Были попытки ловить молнии для производства опы-
тов, в которых не нужно большого количества электри-
ческой энергии, но требуется весьма высокое напряже-
ние. Это опыты по расщеплению атомного ядра.
Лет тридцать тому назад швейцарские ученые пове-
сили между двумя горными вершинами в Альпах антен-
ну, хорошо изолированную при помощи огромных гир-
лянд подвесных изоляторов. На антенне скапливались
заряды из атмосферы, и иногда на ней получалось на-
пряжение свыше миллиона вольт. Высокое напряжение
438
ученые хотели использовать для питания разрядной
трубки, в которой должны были ускоряться ионы. Уско-
ритель ионов предназначался для опытов по расщепле-
нию атомных ядер.
Высокое напряжение на огромной антенне ускорите-
ля получалось очень нерегулярно. Для произведения
опытов приходилось подолгу выжидать соответствующе-
го состояния атмосферы.
Горная лаборатория в Альпах не могла состязаться
с теми лабораториями, где для ускорения заряженных
частиц применялась электроэнергия центральных элек-
тростанций. Вскоре после сооружения этой лаборатории
были усовершенствованы конструкции ускорителей,
применяющих токи высокой частоты. Такие ускорители
дали возможность сообщать ионам и электронам энер-
гию, во много раз превышающую энергию, которую
можно собрать из атмосферного электричества (всевоз-
можные ускорители будут подробно разобраны в гл. 10).
8-3. Дикое электричество
В настоящее время окончательно оставлены попытки
получить от атмосферного электричества полезную ра-
боту. Но зато вреда оно может наделать очень много.
Дикое атмосферное электричество может ворваться
в воздушную линию электропередачи, пробить изоля-
цию, нарушить передачу энергии по линии. Над воздуш-
ными линиями электропередачи часто натягивают за-
земленные тросы, чтобы они перехватывали заряды из
атмосферы, не допускали эти заряды к токонесущим
проводникам.
Атмосферное электричество создает помехи радио-
приему. В полете электризуются самолеты. Чтобы сни-
мать электрические заряды, самолеты снабжаются спе-
циальными излучателями. Было несколько случаев ги-
бели дирижаблей из-за атмосферного электричества.
В полете на дирижабле скапливался большой заряд.
При посадке, когда дирижабль приближался к причаль-
ной мачте, между мачтой и дирижаблем проскакивала
мощная электрическая искра, которая поджигала газ,
наполнявший дирижабль.
Электрические заряды скапливаются не только в ат-
мосфере, но и в земле, где непрестанно циркулируют
439
разного рода блуждающие токи. Эти токи очень слабы,
их можно обнаружить только чувствительными измери-
тельными приборами.
В 1920 или 1921 г. в Комитет по изобретательству
явился «изобретатель», претендовавший на открытие
способа получения электроэнергии из земли так же, как
руды. Он продемонстрировал экспертам провода, идущие
из какой-то ямы. Лампочка накаливания, подключенная
к проводам, загоралась. За открытие секрета он требо-
вал большой суммы денег. Но очень скоро выяснилось,
что это был жулик: он закапывал в землю аккумулятор.
В готовом к употреблению — «препарированном» ви-
де электрической энергии в природе не существует.
8-4. Солнце—источник энергии
В недрах солнца происходят ядерные реакции и ос-
вобождаются огромные количества энергии. После мно-
гих превращений часть этой энергии распространяется
в пространстве в виде электромагнитного излучения —
световых и тепловых лучей.
Солнечные лучи согревают поверхность земли. Рас-
тения поглощают солнечную энергию, разлагают угле-
кислоту, насыщают кислородом земную атмосферу, на-
капливают углеводы и углеводороды.
Горючие ископаемые — каменный уголь и нефть —
это накопленные энергетические запасы. Вся современ-
ная техника основана на потреблении этих солнечных
консервов.
В результате действия солнечных лучей возникают
ветры и дожди. Солнечное излучение вызывает также и
все электрические процессы в атмосфере: северные сия-
ния, грозы, зарницы.
И первая мысль: нельзя ли попросту собрать эти
потоки солнечной энергии, сразу превращать их в элек-
трический ток?
8-5. Гелиотехника
Есть такая наука — гелиотехника. На поверхности
Солнца царит температура около 6 000° С. Каждый
квадратный метр солнечной поверхности излучает мощ-
ность около 60 000 кет. На земной орбите облученность
440
равна 1,35 кет на квадратный метр. Эту облученность
астрономы называют «солнечной постоянной».
В странах, близких к экватору, в полдень при без-
облачном небе каждый квадратный метр земной поверх-
ности получает поток энергии, близкий к солнечной по-
стоянной.
Попытки использовать солнечную энергию для про-
мышленных целей восходят к давним временам.
В 1686 г. Эренфрид Вальтер Чирнгауз построил
зеркало из полированной меди диаметром 2 м с фокус-
ным расстоянием 1,3 м. Он употреблял его в качестве
плавильной печи для получения фарфора.
Начало советской гелиотехники положено работами
Б. П. Вейнберга. Многие советские инженеры и изобре-
татели— Б. В. Петухов, В. П. Кислов, Б. П. Бодашков,
Г. К. Трофимов, В. Н. Бухман, Ф. Ф. Молеро и многие
другие строили солнечные аппараты различных кон-
струкций.
В СССР были созданы опытные образцы солнечных
водонагревателей, кипятильников, опреснителей соленой
воды. Строились солнечные кухни, сушилки, солнечные
теплицы, солнечные холодильники и аппараты для ле-
чебных целей.
Простую конструкцию имеют водонагреватели, ос-
нованные на принципе «горячего ящика». Это ящик, по-
крытый стеклом, зачерненный изнутри и защищенный
с боков и со дна тепловой изоляцией. Стеклянная крыш-
ка предохраняет рабочую поверхность ящика от охлаж-
дающего действия ветра. Стекло пропускает световые
лучи солнца, а дно ящика, нагреваясь под действием
этих лучей, испускает уже более длинные волны, чем
световые. Для этих волн стекло непрозрачно — оно яв-
ляется своеобразным вентилем.
Ряд практических конструкций солнечных котлов,
действующих по принципу «горячего ящика», разрабо-
тал Б. В. Петухов. Хорошо показал себя, по его данным,
водонагреватель, в котором дно ящика сделано из риф-
леного металлического листа, в канавках которого уло-
жены железные трубки с водой, соединенные между со-
бой и со сборными «гребенками» при помощи резиново-
го шланга. Отдельные секции солнечного водонагревате-
ля устанавливаются на опорах под наиболее выгодным
углом к горизонту.
441
При помощи такого ящика можно на широте 37д
(примерно в районе Ташкента) в ноябре иметь темпе-
ратуру воды 57° С.
Горячие ящики пригодны только для получения теп-
лой воды для бытовых целей.
Чтобы получить пар высокой температуры, приме-
няют параболоидные зеркала, фокусирующие солнечные
лучи на тщательно теплоизолированный котел неболь-
ших размеров.
При помощи параболоидной установки сотрудник
Энергетического института Академии наук СССР —
Ф. Ф. Молеро получал зимой пар с температурой 470° С.
По его данным, можно при помощи хорошего параболи-
ческого зеркала и котла, снабженного тепловой «само-
изоляцией», передать пару до 90% энергии солнечных
лучей.
Чтобы обеспечить наибольшую отдачу энергии в те-
чение всего дня, параболическое зеркало должно быть
подвижным. Зеркало устанавливается на высокой проч-
ной колонне. Специальный двигатель медленно повора-
чивает зеркало так, чтобы оно было все время направ-
лено перпендикулярно солнечным лучам.
Гелиоустановки, работающие с концентрирующими
зеркалами, еще пока сложны и дороги. Чтобы получить
от такой установки мощность в несколько десятков ки-
ловатт, необходимы огромные зеркала поперечником
больше 10 ;и.
На своем современном уровне «стеклянная» и
«зеркальная» гелиоэнергетика не может еще всерьез
конкурировать с «большой энергетикой» — с энергети-
кой горючих ископаемых и водных потоков.
8-6. Электрическая энергия из химической
Впервые электрическая энергия была получена в зна-
чительных количествах в конце восемнадцатого века
при помощи химических реакций. Эти реакции создава-
ли мощности, измеряемые ваттами и десятками ватт.
До этого в электростатических машинах удавалось по-
лучать значительные искры, но мощность, развивавшая-
ся электростатическими машинами, не превышала до-
лей ватта. В 1800 г. А. Вольта продемонстрировал в На-
442
циональном Институте в Париже электрический ток,
получавшийся при опускании медных и цинковых пла-
стин в разведенную кислоту. Цинк растворялся в кисло-
те, и за счет этой реакции получалась электрическая
энергия.
При помощи батареи, составленной из многих таких
элементов, русский академик В. В. Петров впервые по-
лучил дуговой электрический разряд. С помощью хими-
ческих элементов были изучены электромагниты, постро-
ен впервые телеграф, проведены первые опыты с лампа-
ми накаливания.
Лишь через несколько десятилетий после появления
химических элементов были созданы первые конструк-
ции электрических машин с механическим приводом.
Вначале эти машины были очень грубы и несовершенны,
и многим ученым и изобретателям казалось, что можно
иметь больший успех, получая электрическую энергию
за счет химических реакций. Большинство опытов
с электрическим освещением производилось в середине
прошлого столетия при помощи химических-элементов.
В элементе Вольта и в большинстве последующих кон-
струкций электроэнергия получалась за счет окисления
цинка. Но в чистом виде цинк в природе не встречается.
Цинк надо добывать из руды, восстанавливая его окис-
лы углем. Таким образом, в химических элементах
с цинковым катодом электроэнергия получается в конеч-
ном счете из угля.
Один киловатт-час энергии, получаемый при помощи
элементов с цинковым катодом, стоит значительно доро-
же, чем получаемый от динамомашины, вращаемой па-
ровым двигателем.
В современной технике часто приходится добывать
электрическую энергию из химической, но это делают
лишь в небольших количествах, в тех случаях, когда не-
возможно присоединиться к сетям электростанций.
Для карманных фонариков применяют «сухие эле-
менты». В них цинковый катод выполнен в виде короб-
ки, в которой находятся угольный анод и порция элек-
тролита — раствор нашатыря, смешанный с густым кле-
ем. Такие же сухие элементы питают радиоприемники
для отдаленных сельских местностей. Сухие элементы
применяются иногда в маленьких передвижных военных
радиоустановках.
443
Для разведки погоды высоко в атмосферу посы-
лают шары-зонды с измерительными приборами и ма-
ленькими радиопередатчиками. По сигналам передат-
чиков узнают о давлении, температуре и влажности вы-
соких слоев атмосферы. Для питания передатчиков этих
радиозондов строятся специальные батареи, особо лег-
кие, но рассчитанные только на кратковременную ра-
боту.
Существуют заводы, вырабатывающие электрохими-
ческие элементы. Но все это — только «малая» энерге-
тика.
За один только час в Москве расходуется столько
электроэнергии, сколько ее могут дать миллиард бата-
реек для карманных электрических фонариков. Если
бы все эти батарейки выстроить в один ряд, ими можно
было бы около трех раз опоясать весь земной шар по
экватору.
8-7. Копилки электроэнергии
К химическим источникам тока относятся и вторич-
ные элементы — аккумуляторы. Это — копилки электри-
чества, правда, не очень совершенные. Если в течение
. нескольких месяцев не востребовать сделанный вклад,
то он пропадет — аккумулятор теряет вследствие само-
разряда весь свой запас энергии. Но если даже потреб-
лять вложенную в аккумулятор энергию спустя несколь-
ко дней или даже часов после заряда, то и тогда акку-
мулятор отдаст не больше 60—70% энергии, затрачен-
ной на его заряд. И затребовать быстро весь вклад
нельзя: режим работы аккумулятора — около 10 ч.
Но, с другой стороны, аккумулятор ценен тем, что
он всегда готов к действию. Хорошо заряженный акку-
мулятор не откажет, не подведет, даст ток по первому
требованию. Миллионы аккумуляторов работают в авто-
мобилях. Они заводят моторы, питают освещение, сиг-
нал, зажигание. Удобны маленькие аккумуляторные те-
лежки для перевозки грузов на небольшие расстояния.
На электростанциях имеются большие аккумулятор-
ные батареи для питания сигнальных, релейных цепей,
для аварийного освещения.
На телеграфных станциях всегда стоят аккумулятор-
ные батареи.
444
8-8. Элементы горения
Много было сделано попыток получать электроэнер-
гию за счет более дешевых химических реакций. Есте-
ственно, самой заманчивой казалась реакция окисления
углерода — получение энергии за счет сжигания угля.
Сначала мысль применить в элементе уголь в каче-
стве катода казалась дикой и невероятной. До того
уголь в элементах применялся как положительный по-
люс— анод, не изменяющийся при работе.
Потом появились работающие конструкции элемен-
тов с угольными катодами. И тогда вспыхнули надеж-
ды, что именно таким образом удастся дешевле и удоб-
нее всего получать электрическую энергию. Элементы
горения, которые бы давали ток прямо при сжигании
угля, казались долгое время очень заманчивой идеей.
Много усилий потратил знаменитый изобретатель
Яблочков на то, чтобы создать мощные химические ге-
нераторы электрического тока. Но промышленных кон-
струкций, способных конкурировать с динамомашинами,
соединенными с паровыми двигателями, создать никому
не удалось.
Элементы горения работают с малой энергонапря-
женностью. Они очень громоздки, полезная отдача их
ниже, чем у динамомашин.
Короткий путь оказался не самым выгодным. Пря-
мое превращение химической энергии угля в электриче-
скую значительно менее экономично, чем длинная цепь
энергетических превращений на современной электро-
станции.
И в наши дни еще время от времени появляются про-
екты мощных электрохимических генераторов. Чаще
это — наивные идеи начинающих изобретателей, ничего
не знающих о работах своих предшественников. Но бы-
вают и солидные научные трактаты об элементах горе-
ния. Пишутся изредка и диссертации, посвященные это-
му вопросу.
8-9. Газовые элементы
Многие изобретатели пытались создать элементы го-
рения, в которых горючим служил бы не уголь, а газ.
Накануне Отечественной войны на выставке изобрета-
445
тельства в Москве демонстрировался электрический ге-
нератор изобретателя Спиридонова.
В этот генератор подавались с одной стороны водо-
род, с другой — кислород. Встречаясь на мокрой пори-
стой перегородке, водород и кислород соединялись, об-
разуя воду. При этом развивается напряжение около
1 в. Для получения более высоких напряжений приме-
няется последовательное включение множества таких
элементов.
Для успешной работы газовых элементов требуется
большая чистота подводимых газов. Примеси отравляют
пористую перегородку, и реакция прекращается.
Никому не удалось до сих пор преодолеть основные
недостатки газовых элементов — их громоздкость, ма-
лую отдачу. И в заключение этого раздела приходится
повторить печальный припев: для большой энергетики
это невыгодно, нецелесообразно.
8-10. Электрическая энергия из тепловой
В замкнутой цепи, состоящей из разнородных про-
водников — например, в цепи из медных и железных
проволок, — можно возбудить электрический ток, если
одно из мест соединений разнородных проводников на-
греть до температуры более высокой, чем остальные
места соединений.
Когда вся цепь находится при одинаковой температу-
ре, то никакого тока в ней нет. Но если одно из мест
соединений меди и железа (в нашем примере) нагреть,
скажем, газовой горелкой, то электроны из меди начнут
переходить в железо. Это движение электронов распро-
странится по всей цепи. В цепи пойдет электрический
ток.
Ток, вызванный нагреванием одного из мест соедине-
ния разнородных проводников, называется термоэлек-
трическим. Возникающее при этом электрическое напря-
жение — термоэлектродвижущая сила (сокращенно
термо-э. д. с.) зависит от того, какие материалы сопри-
касаются. Медь и железо — это не наилучшая термопа-
ра. Можно подобрать металлы и сплавы, дающие боль-
шую термо-э. д. с. Для всякой термопары развиваемая
термо-э. д. с. тем больше, чем выше температура нагре-
ва (вернее, разность температур между нагретым и не-
446
нагретым местами — спаями). Но даже у самых лучших
термопар при больших температурах нагрева термо-
э. д. с. измеряется всего лишь тысячными долями воль-
та (милливольтами).
Чтобы получить хотя бы несколько вольт, надо по-
следовательно включать много термопар, строить боль-
шую термобатарею.
Термоэлектрические явления известны очень давно,
и также давно делались предложения использовать их
для получения больших количеств энергии. Одно обстоя-
тельство мешает этому.
Наряду с потоком электронов из нагретого соедине-
ния движется еще и поток тепловой энергии, происходит
вредная утечка тепла из нагретого соединения к холод-
ной части цепи. Эта утечка тепла в десятки раз превы-
шает полезную энергию электрического тока, к. п. д.
термоэлемента из металлических проводников не пре-
вышает долей процента.
Есть и ценные свойства у термобатарей. Они мало
изнашиваются в работе^ Если нагрев постоянен, то они
дают очень устойчивое напряжение. Термобатареей
пользовался Георг Симон Ом, когда устанавливал свой
знаменитый закон зависимости силы тока от напряже-
ния и электросопротивления цепи — «закон Ома».
Чтобы повысить полезную отдачу термоэлемента,
надо найти пару материалов, которая бы не только раз-
вивала большую термо-э. д. с., но и имела малую тепло-
проводность— это уменьшило бы вредную утечку тепла.
Наилучшие пары, которые удалось подобрать физи-
кам, — это сочетание металлов с полупроводниками.
Одна из хороших пар — сернистый свинец с констан-
таном.
8-11. «Партизанский чайник»
Во время Отечественной ;войны в одной из лаборато-
рий была предложена переносная термобатарея в виде
чайника. Дно чайника обкладывалось набором последо-
вательно соединенных термоэлементов. Каждый термо-
элемент состоял из кубика сернистого свинца, снабжен-
ного с двух сторон константановыми обкладками.
Внутрь чайника наливалась вода, и чайник вешался над
костром. Внешние спаи термоэлементов, обращенные
к пламени костра, нагревались до значительно более
447
высокой температуры, чем внутренние спаи, омываемые
водой: внутренние спаи никак не могли нагреться выше
температуры кипения воды — 100° С. Разность темпера-
тур внутренних и внешних спаев могла достигать не-
скольких сотен градусов.
В большом чайнике с дном, покрытым мозаикой из
последовательно включенных сернисто-свинцовых термо-
элементов, можно было получать напряжение шесть
вольт и ток в несколько ампер. Образцы таких чайни-
ков были изготовлены и демонстрировались командо-
ванию: по мысли конструкторов, чайники-термобатареи
могли бы применяться для питания небольших радио-
установок.
Но увы! Этот термоэлектрический источник энергии
не выдержал конкуренции с устройством, которое шут-
ливо называлось «солдат-мотор» — маленьким генерато-
ром, приводившимся в движение мускульной силой че-
ловека. Генераторы на несколько ватт приводились
в движение руками, а генераторы на несколько десят-
ков ватт строились с педальным ножным приводом.
Мне довелось быть оператором такой станции и
«ездить» на бесколесном велосипеде.
8-12. На что пригодно термоэлектричество
Термоэлементы находят широкое применение в совре-
менной науке и технике. Выше мы говорили о том, что
напряжение, развиваемое термоэлементом, очень устой-
чиво: оно зависит только от температуры «горячего»
спая (который так называют в отличие от второго —
«холодного» спая, находящегося при постоянной темпе-
ратуре). Поэтому термоэлементы (термопары) очень
охотно применяются для точного измерения температур.
Они способны регистрировать изменения в тысячные
доли градуса и используются в точнейших физических и
биологических исследованиях, но в то же время ими
можно мерить и очень высокие температуры. Показания
их легко передавать на расстояние. В гл. 3 этой книги
говорилось о применении термопар для измерений токов
высокой частоты. Широко применяются термопары
в установках с автоматическим контролем температуры.
В условиях, когда нет возможности пользоваться
энергией электростанций (в неэлектрифицированных ме-
448
стностях, й геологических экспедициях), получили при-
менение для питания радиоприемников «керосиновые
термогенераторы» — комбинация керосиновой лампы и
термобатареи.
Перспективы создания и применения эффективных
конструкций термоэлементов значительны.
8-13. Электроны из раскаленных тел
Раскаленные тела испускают электроны. В струе
кислорода уголь сгорает, развивая очень высокую тем-
пературу, и при этом электронное излучение угля до-
вольно велико. Если поместить вблизи раскаленного
угля холодную металлическую пластинку—коллектор,
то между пластинкой и углем возникнет электродвижу-
щая сила величиной до нескольких вольт. При замыка-
нии цепи по ней пойдет ток.
Этот опыт воодушевлял многих изобретателей на со-
оружение новых электрогенераторов. Механизм получе-
ния энергии в таких генераторах — нечто среднее между
элементом горения и термоэлементом. Все их отрица-
тельные свойства — малый к. п. д., малая энергонапря-
женность— налицо и здесь. Сейчас найдены способы
обойти эти затруднения, и так называемые термоэлек-
тронные преобразователи начинают входить в жизнь,
в первую очередь с целью использования отбросного
тепла атомных реакторов.
8-14. Перенос зарядов струями газа и пара
Свыше ста лет тому назад было впервые обнаруже-
но, что струя влажного пара, ударяясь об изолирован-
ное тело, может зарядить его до высокого напряжения.
По проекту Фарадея в 1845 г. была построена паро-
электрическая машина. Котел длиной около метра и
диаметром полметра был укреплен на изолирующих
стеклянных ножках. В нем поддерживалось давление
шесть атмосфер. Пар вырывался из шести параллельно
расположенных сопел, изготовленных из твердого де-
рева и охлаждаемых снаружи водой. Струи пара на-
правлялись на металлическую гребенку, соединенную
с металлическим шаром, укрепленным на изолирующей
стеклянной ножке. Шар заряжался при этом до напря-
29 Г. И. Бабат 449
жейия в несколько тысяч вольт; из него можно было из-
влекать искры длиной до 60 см,
Фарадей дал следующее объяснение действию этого
генератора. Благодаря тому, что сопла охлаждались
водой, пар частично конденсировался и выходная струя
содержала в себе мельчайшие капельки воды. При тре-
нии о стенку сопел капельки заряжались положитель-
ным электричеством и, попадая на гребенку, отдавали
ей свой заряд.
Вследствие того, что капельки уносили с котла по-
ложительные заряды, сам котел заряжался до высокого
отрицательного потенциала. Коэффициент полезного
действия этой пароэлектрической машины был ничтожно
мал, действовала она неустойчиво и практического при-
менения не получила. Описания ее можно найти в ста-
ринных курсах электротехники.
Неоднократно делались попытки создать более со-
вершенные конструкции пароэлектрического генератора,
но все они кончались неудачами. В 30-х годах нашего
столетия появились новые веяния в области использо-
вания для генерирования электроэнергии явления пере-
носа зарядов быстро движущимися струями пара и газа.
8-15. ИКГ
Еще будучи студентами Киевского политехнического
института, Р. П. Жежерин и я задумали построить ге-
нератор, который мы назвали ионно-конвекционным, или
сокращенно ИКГ.
Мы также хотели переносить заряды капельками. Но
сообщать заряды капелькам мы думали не трением, а
пропуская капельки через область, заполненную ионами.
Пролетая через ионизированную среду, переохлаж-
денный пар энергично конденсируется. Каждый ион ста-
новится центром, вокруг которого группируются моле-
кулы, образуя капельку. Кроме того, получают заряд те
капельки, которые образовались в струе пара еще до
того, как она пересекла ионизированную зону.
Каждая капелька переносит один или несколько за-
рядов. Перенос по-латыни будет «конвекция». Отсюда
название «ионно-конвекционный генератор».
Принцип работы ИКГ заключается в следующем:
пар выпускается из сопла, при выходе он расширяется,
450
охлаждается, приобретает большую скорость и прохо-
дит через зону, содержащую определенную концентра-
цию ионов. Пар превращается в туман, каждая капель-
ка которого несет электрический заряд.
Если этот заряженный туман направить на поверх-
ность холодильника, электрически изолированного, то
потенциал холодильника будет возрастать. Капельки,
несущие заряд, будут тормозиться, подлетая к холо-
дильнику, и, чтобы достигнуть его, они должны будут
затратить значительную часть своей кинетической энер-
гии, приобретенной при расширении пара. Эта часть
энергии и превращается в электрическую энергию. Ос-
таток энергии капелек выделяется в виде тепла, уноси-
мого охлаждающей водой.
Когда под действием электрических сил капельки на-
чинают тормозиться, пар подгоняет их, капельки увле-
каются паром и могут достигнуть холодильника даже
в том случае, если начальный запас их кинетической
энергии недостаточен для преодоления поля холодиль-
ника.
Капельки можно рассматривать как своеобразные
лопатки турбины, на которые пар давит и которым он
отдает свою кинетическую энергию. Поэтому, хотя коли-
чество перешедшего в капельки пара может быть от-
носительно не так уж велико и хотя заряды переносятся
только капельками, полезную работу будет совершать
весь пар.
Конечно, при этом неизбежны потери энергии: пар
обгоняет капельки и приходит на холодильник со ско-
ростью, которая больше скорости капелек. Но все же,
благодаря тому, что капельки очень малы (размеры ка-
пельки, состоящей из нескольких сот тысяч атомов, —
порядка одной десятимиллионной миллиметра) и сцеп-
ление их с паром велико, основная часть будет преоб-
разовываться в электрическую энергию.
В 1936 г. удалось построить на заводе «Светлана»
экспериментальную модель ионно-конвекционного гене-
ратора. В качестве рабочей жидкости была выбрана не
вода, а ртуть. Пары ртути можно доводить до более вы-
соких температур, чем пары воды. В ионизированном
состоянии пары ртути не воздействуют так разруши-
тельно на металлы, как ионизированные пары воды.
С этой моделью мы проделали ряд опытов, произве-
29* 451
ли множество вычислений, нашли любопытные зависи-
мости между отдельными элементами конструкции. Но
на основании этих опытов нам еще не удалось прийти
к конструктивным формам, которые позволили бы
строить большие промышленные ИКГ.
Проблемой ИКГ заинтересовался ряд видных специа-
листов в СССР и за рубежом. Работы эти поддержали
академики Г. М. Кржижановский, С. А. Векшинский.
Доктор Джозеф Слепян — научный сотрудник фирмы
Вестингауз — писал, что, по его мнению, именно в та-
ком направлении пойдет развитие электроэнергетики
в ближайшие десятилетия. Были начаты исследования
в Массачусетском технологическом институте США.
Появилось уже много сообщений, что ряд ведущих
энергетических компаний ведет исследования генерато-
ра, называемого ими «магнитогидродинамический гене-
ратор».
Струя расширившихся в сопле высокоионизирован-
ных газов вдувается в постоянное магнитное поле. По
краям струи образуется разность потенциалов, снимае-
мая при помощи двух электродов.
При значительно меньших напряжениях, чем в элек-
тростатическом ионно-конвекционном генераторе, в плаз-
менном генераторе с магнитным полем можно получить
более сильные токи и более значительные удельные
мощности на единицу объема генератора, на единицу
поверхности сечения выходного сопла.
Предстоит еще большая исследовательская работа,
прежде чем появятся мощные ионные генераторы элек-
троэнергии, способные заменить современные турбоге-
нераторы.
Во всяком случае это — обширная, многообещающая
область исследований.
8-16. Электрическая энергия из атомной
Один килограмм угля, сгорая в топке парового кот-
ла, позволяет получить около киловатт-часа электро-
энергии.
Реакция горения, используемая в тепловых электро-
станциях,— это химическая реакция. В начале нашего
века были открыты реакции, дающие в согни тысяч,
в миллионы раз больщий выход энергии, чем химиче*
452
ские реакции соединения углерода и водорода с кисло-
родом.
Это — ядерные реакции.
При ядерных реакциях происходит более глубокая
перестройка вещества, чем при химических реакциях.
Атомы всех элементов состоят из ядра диаметром
10“13 см, вокруг которого на расстоянии, в 10 000 раз
превышающем размеры самого ядра, движутся, подобно
планетам вокруг Солнца, отрицательно заряженные ча-
стицы — электроны.
При химических реакциях перестраиваются только
электронные оболочки атомов. При ядерных же реакци-
ях изменяются масса и электрический заряд самих ядер:
крупные ядра расщепляются на части или, наоборот,
мелкие соединяются друг с другом.
Понадобились десятилетия настойчивых кропотли-
вых научных исследований, чтобы выяснить условия, при
каких можно управлять ядерными реакциями, заставить
их совершать полезную работу.
Первая ядерная реакция, которую удалось поста-
вить на службу энергетике,—это реакция с ураном —
тяжелым темно-серым металлом, последним естествен-
ным химическим элементом периодической системы Мен-
делеева. Уран был известен уже в середине прошлого
века, но до второй мировой войны находил лишь очень
ограниченное практическое применение (для некоторых
фотографических процессов, для специальных типов
электрических сопротивлений).
В 1939 г. было открыто, что при некоторых условиях
ядра урана могут распадаться на части, причем высво-
бождается огромное количество энергии.
В конце второй мировой войны, осенью 1945 г., аме-
риканские империалисты использовали ядерную реак-
цию расщепления урана в атомных бомбах, сброшен-
ных на японские города.
Но не только в виде взрыва может идти ядерная ре-
акция расщепления урана. Процесс расщепления урана
можно сделать управляемым, регулируемым, и выход
энергии этой реакции направить на полезные мирные
цели. Чтобы это осуществить, пришлось преодолеть мно-
жество трудностей.
При ядерных реакциях возникает интенсивное про-
никающее излучение, оказывающее вредное биологи-
453
ческое воздействие. Поэтому ядерные реакторы должны
работать автоматически, обслуживающий персонал дол-
жен находиться за толстой защитной стеной. Продук-
ты ядерных реакций—осколки ядер урана — движутся
с огромными скоростями, соответствующими температу-
рам в сотни тысяч и миллионы градусов. Их нельзя не-
посредственно использовать в обычных тепловых дви-
гателях. В современных ядерных реакторах — «атом-
ных котлах», как их часто называют, — осколки рас-
павшихся урановых ядер нагревают в конечном итоге
воду, превращают ее в пар, который работает в обыч-
ных тепловых турбинах.
При мощности в 10 000 кет атомная электростанция
должна расходовать в сутки несколько сотен граммов
урана. Это количество ядерного горючего может уме-
ститься в спичечной коробке.
Чтобы удовлетворить мировую потребность в энергии
на современном уровне — дать столько энергии, сколько
ее дают все существующие гидростанции, все добывае-
мые горючие ископаемые (уголь, нефть, торф, газ), до-
статочно затрачивать ежегодно менее 100 т урана.
По некоторым (возможно, неполным) данным, за-
пасы расщепляющихся материалов в земной коре, до-
ступные для разработки, составляют 26 млн. т. По весу
это в 140 тысяч раз меньше всего имеющегося на земле
угля. Но один килограмм урана может дать столько
же энергии, сколько три тысячи тонн угля. Энергия
урана, который может быть добыт на Земле, в 23 раза
больше энергии всех запасов обычных видов топлива.
Следовательно, уже одни только запасы урана по-
зволят развернуть электрификацию значительно шире
и богаче, чем при старой — «угольной» энергетике.
8-17. Схемы атомных электроцентралей
Естественный уран, добываемый из руды, состоит
из смеси изотопов — атомов, немного, чуть-чуть, разли-
чающихся по массе. Большая часть — это уран с атом-
ным весом 238, около 0,7% — уран с атомным весом 235.
Ядерные реакции идут по-разному с U235 и с U23B. Воз-
можны различные схемы энергетического использования
урана. В одних схемах естественный уран подвергается
перед поступлением в ядерный реактор так называемо-
454
му обогащению: часть t^38 отделяется. Это требует слож-
ных и громоздких установок разделения. В других схе-
мах U238 переводится в ходе ядерных реакций в элемент
плутоний U239.
За последние годы предложены различные системы
атомных котлов. Известны, например, котлы, в которых
соли урана растворяются в тяжелой воде. В этом раст-
воре и происходят атомные реакции. В котлах других
систем уран загружается в виде маленьких слитков
с защитной алюминиевой оболочкой. Урановые слитки
движутся по трубам среди графитовой кладки котла.
При работе атомных котлов уран расщепляется и
внутри котла накапливаются продукты ядерных реак-
ций—«ядерная зола», которую необходимо удалять, что-
бы она не мешала дальнейшему ходу ядерных реакций.
В «ядерной золе» содержатся ценные продукты,
в частности, искусственно получившиеся радиоактивные
вещества, находящие важные применения в науке и тех-
нике. Например, радиокобальт широко применяется для
просвечивания массивных металлических изделий,для
выявления скрытых пороков в паровых котлах высокого
давления, в больших стальных отливках и т. д.
Чтобы отделять еще не прореагировавший уран от
продуктов расщепления, строятся специальные очисти-
тельные заводы, оборудованные сложными электриче-
скими, механическими, химическими установками.
Атомная электроцентраль — это целый комплекс
установок, представляющих собой все самое передовое,
что есть в современной технике. Для атомных устано-
вок требуется самая совершенная, самая надежная авто-
матика.
Ввиду необходимости громоздкой биологической за-
щиты нет перспектив для постройки миниатюрных ура-
новых реакторов, которые можно было бы установить
на автобусе, автомобиле. Ядерная энергетика — это
энергетика больших мощностей, крупных электроцен-
тралей. Для целей транспорта возможно применять,
ядерные реакторы только на крупных океанских судах,
крупных подводных лодках. Такие корабли могут со-
вершать самые дальние рейсы, не нуждаясь в возоб-
новлении горючего.
Один из возможных путей распределения ядерной
энергии — это получение в ядерных реакторах искус-
455
ствениых радиоактивных элементов, представляющих
собой непрерывно действующие источники тепла. В прин-
ципе такие ядерные аккумуляторы можно применять
для различных мощностей — в больших количествах для
огромных пассажирских самолетов, в малых — для ле-
тающих моделей.
Серьезный недостаток ядерных аккумуляторов тот,
что их разряд нельзя приостановить. Они отдают энер-
гию непрерывным потоком с первого момента, как толь-,
ко зарядятся на атомной энергоцентрали. Вряд ли будет
практично применение энергии атомных аккумуляторов
в двигателях автомашин, проводящих значительную
часть времени на стоянках.
8-18. Термоядерные реакции
Расщепление урана — это только одна из многих
ядерных реакций, которые могут служить источником
энергии. Большое внимание уделяется изучению ядер-
ных реакций с легкими элементами — первыми элемен-
тами периодической системы Менделеева. Эти реакции
могут идти при высоких температурах — порядка мил-
лионов градусов, и потому называются термоядерными
реакциями.
Одна из таких термоядерных реакций происходит,
например, между ядром водорода — протоном — и яд-
ром лития. Проникновение протона в ядро лития ведет
к образованию двух ядер гелия и к высвобождению ог-
ромного количества энергии.
Возможна термоядерная реакция образования ядра
гелия из четырех ядер обычного водорода или из двух
ядер тяжелого водорода — дейтерия. При всех этих ре-
акциях получается значительно больше энергии на еди-
ницу массы, чем при расщеплении урана.
Наблюдения и теоретические расчеты показывают,
что именно реакция превращения водорода в гелий (че-
рез посредство ряда промежуточных реакций) поддер-
живает в течение миллиардов лет огромное излучение
солнца и будет его поддерживать на том же уровне еще
многие миллиарды лет. Эта реакция идет при царящей
в недрах Солнца и других звезд температуре в десятки
миллионов градусов.
456
Как же на земле создать «звездные» температуры,
необходимые для термоядерных реакций? Один из спо-
собов— это взрыв урановой бомбы; при таком взрыве
возникают температуры, достаточные для синтеза ге-
лия из легких элементов. Но температура, создаваемая
в результате расщепления урана, сохраняется лишь
ничтожные доли секунды. Урановая бомба может слу-
жить запалом мощной термоядерной бомбы. Для дли-
тельного же, постепенного высвобождения ядерной энер-
гии в мирных целях мощный взрыв неприменим.
Ни в твердом, ни в жидком веществе нельзя создать
длительно существующих температур порядка миллио-
нов градусов. В плотном веществе при таких температу-
рах возникают давления в миллионы атмосфер. С повы-
шением температуры частицы вещества расталкиваются,
разлетаются в миллиардные доли секунды. Возникает
вопрос: есть ли вообще возможность поддерживать до-
статочно длительное время высокие звездные скорости
в группе атомных ядер?
В гл. 2 мы уже говорили о «четвертом состоянии ве-
щества»— о плазме — смеси электронов и ионов в раз-
реженном газе. В плазме вещество находится в крайне
разреженном состоянии — кубический метр ее весит
меньше булавочной головки. И именно в плазме элек-
троны и атомные ядра могут получать высокие скоро-
сти, соответствующие сверхвысоким температурам.
В последние годы во многих лабораториях мира де-
лались попытки создать звездные температуры, про-
пуская возможно более мощные электрические токи че-
рез разреженный газ. Трубка из изоляционного мате-
риала снабжается с двух сторон электродами, к кото-
рым подводится высокое напряжение от мощной бата-
реи конденсаторов. Под действием электрических сил
заряженные частицы—электроны и ядра атомов — дви-
жутся с большой скоростью от одного электрода к дру-
гому. Вокруг потока заряженных частиц возникает
электромагнитное поле; оно сжимает поток частиц, как
бы теплоизолирует его от окружающей среды.
Это явление магнитного сжатия плазмы представля-
ет огромный интерес; магнитные силовые линии образу-
ют «теплонепроницаемую магнитную бутылку». Но
сколь она устойчива? Сколько времени может сущест-
вовать сгусток сверхраскаленной плазмы? В послед-
457
ние годы усиленно разрабатывается теоретически и
экспериментально магнитоэлектродинамика — наука о
поведении плазменных струй в электромагнитных полях.
8-19. Мировой баланс энергии
Мировая потребность в энергии и возможные источники ее
удовлетворения усиленно изучаются исследователями.
Через 100—150 лет мировая потребность в энергии в год до-
стигнет 15Q, где Q,= l,l-1021 дж.
Ресурсы же неядерного горючего составляют, по современным
данным, 150Q. Они могут быстро оказаться исчерпанными. Другие
неядерные источники энергии малы по сравнению с ростом потреб-
ностей.
Ресурсы ядерного горючего известны двух родов: ресурсы деле-
ния тяжелых ядер и ресурсы синтеза легких ядер.
Реальные ресурсы делящихся материалов составляют 108 тонн.
При полном их использовании можно получить энергию 5 000Q.
При ежегодном потреблении 15Q этих ресурсов хватит на 300
с лишним лет.
Реальные ресурсы материалов синтеза (в пересчете на дейте-
рий) таковы, что их хватит по меньшей мере на 109 лет даже при
ежегодном потреблении энергии 15Q.
Таким образом, наибольшее значение приобретают управляе-
мые термоядерные реакции, призванные реализовать для человече-
ства выявленные запасы термоядерного горючего
Проблема управляемого синтеза ядер — основная проблема на-
шего века. Синтезировать ядра труднее, чем расщеплять ядра. Ког-
да эта проблема будет решена, то выходные полезные мощности от-
дельных термоядерных устройств достигнут многих миллиардов ватт.
ГЛАВА ДЕВЯТАЯ
МЫШЦЫ СОВРЕМЕННОЙ ИНДУСТРИИ
«Смеется ли ребенок при виде игрушки, создает ли
Ньютон мировые законы и пишет их на бумаге, дрожит
ли девушка при первой мысли о любви — везде оконча-
тельным фактом является мышечное движение.
Миллиарды разнообразных, не имеющих, по-види-
мому, никакой родственной связи явлений сводятся на
деятельность нескольких десятков мышц»...
Эта цитата взята из первого параграфа знаменитой
книги И. М. Сеченова «Рефлексы головного мозга».
9-1. Клетки, производящие работу
Белковая молекула клетки мышцы построена из
очень длинной цепи атомов водорода, азота, углерода.
Атомы расположены зигзагом, цепочка сложена наподо-
бие гармоники.
В ответ на одиночное раздражение мышца сокра-
щается и сразу же вновь расслабляется. Это одиночное
сокращение продолжается менее 0,1 сек. Но мышца при
этом развивает большое усилие, большую мощность.
Она способна поднять груз, превышающий ее собст-
венный вес в 500 раз. Нет магнитов, способных совер-
шить нечто подобное.
Взбегая быстро вверх по лестнице, человек может
поднимать свой вес больше, чем на метр в секунду.
При этом совершается работа более 75 килограммо-
метров в секунду, т. е. развивается мощность более од-
ной лошадиной силы. Но такое напряжение можно вы-
держать только в течение короткого времени. Считает-
ся, что при нормальной, неизнуряющей работе чело-
век развивает в течение дня в среднем около 1/50 л. с.
В годы, когда Сеченов писал свою книгу (она вышла
в 1863 г.), производство требовало от человека тяжело-
го физического труда. В настоящее время на каждого
промышленного рабочего приходится мощность двига-
телей в несколько киловатт. Человек должен затрачи-
вать силу мышц только на то, чтобы командовать и
управлять своими механическими помощниками.
В начале нашего столетия на каждого промышлен-
ного рабочего в России приходилась мощность двигате-
459
Лей менее двух лошадиных сил. Более двух третей этой
мощности поставляли механические источники энергии
(пар, вода). Доля электрических двигателей была не-
значительна. В первую послевоенную пятилетку мощ-
ность, приходящаяся на каждого рабочего, превысила
5 лошадиных сил. Доля электродвигателей в этой мощ-
ности— свыше 90%.
Р-2. Предки современных электродвигателей
В 1831 г. Михаил Фарадей изготовил из медной про-
волоки две катушки и соединил между собой их кон-
цы. Внутри одной катушки он подвесил на тонкой шел-
ковинке магнитную стрелку. Когда он вблизи второй
катушки быстро передвигал магнит, то стрелка внутри
первой катушки вздрагивала и отклонялась.
Перемещение магнита поблизости от катушки наво-
дит ток в ее проводниках. Ток проходит во вторую ка-
тушку и там создает магнитное поле, отклоняющее
стрелку. Так объяснял Фарадей свой опыт.
В этом опыте в зародыше представлена вся совре-
менная схема электропередачи.
Катушка, в которой перемещение магнита возбуж-
дает ток, — это прообраз генераторов на центральных
электростанциях. Соединительные проводники — линии
передачи, длина которых в наше время достигает часто
сотен километров. Стрелка, вздрагивающая на шелко-
винке,— далекий предок современного электродвига-
теля.
В годы открытия Фарадеем явления электромагнит-
ной индукции единственным механическим двигателем
была паровая машина, работающая с возвратно-посту-
пательным движением поршня. Первые электродвигате-
ли конструировались по ее образу и подобию. Извест-
ный инженер Роберт Стефенсон, построивший в 1857 г.
вместе со своим отцом Георгом Стефенсоном знамени-
тый паровоз «Ракету», заявил на публичном докладе:
«Не может быть и сомнения, что промышленное при-
менение вольтаического электричества — в какой бы
форме оно ни развивалось— вполне невозможно...
Энергия, обнаруживаемая электромагнитом, распростра-
няете^ на столь небольшое пространство, что не мо-
жет быть полезна. Для наглядности сильный электро-
460
магййТ можно было бы сравнить с паровой машиной,
у которой при огромном поршне сделан крайне корот-
кий ход последнего. Хорошо известно, что такое устрой-
ство весьма нежелательно».
Долгие десятилетия работали физики и инженеры,
прежде чем электродвигатель принял свой современный
вид.
9-3. Первое знакомство
Назначение электродвигателя — производить движе-
ния: вертеть, тянуть, толкать взад-вперед. В каждом
электродвигателе есть подвижная часть. Иногда ее по
старой памяти называют «якорь»: в первых электродви-
гателях подвижная часть походила на эту непременную
принадлежность корабля.
Большинство современных электродвигателей созда-
ет вращательное движение. Подвижную часть их на-
зывают ротором — от латинского слова rotare — вра-
щать.
Наука об электричестве знает два рода сил: электри-
ческие— между заряженными телами и магнитные —
между проводниками с током. Все без исключения сов-
ременные электродвигатели приводятся в движение
магнитными силами. За стальной ротор электродвига-
теля цепляются и тянут его магнитные силовые линии.
Эти электромагнитные силы создают токи, проходящие
по обмоткам.
В разных типах электродвигателей электромагнит-
ные силы действуют по-разному: одни электродвигатели
всегда совершают неизменное число оборотов в минуту,
как бы' мы их ни грузили, и скорее остановятся или
сгорят, чем сбавят свою скорость. Другие же, наоборот,
совершенно плавно меняют свою скорость от нуля до
многих тысяч.
Есть такое множество тонкостей в конструкциях, схе-
мах, характеристиках электродвигателей, что в одном
толстом томе их всех не описать.
9-4. Барабанный якорь
Роторы современных электродвигателей мало напо-
минают корабельный якорь. Это чаще всего барабаны,
состоящие из дисков, нанизанных на вал. Диски штам-
461
пуются из специальной тонкой (0,3—0,5 мм) стали —
электротехнической стали. Танкой папиросной бумагой
или лаком диски изолируются один от другого. В пазы
такого слоеного барабана укладывают обмотку.
Ротор вращается внутри неподвижной, или, как
принято говорить, статичной части двигателя. Эта не-
подвижная часть называется «сгатор». На статоре по-
мещается обмотка — ее так и называют «обмотка ста-
тора». Основание статора может быть выполнено из
чугуна, из стали, а наружный кожух иногда для легко-
сти делают из алюминия или алюминиевого сплава.
Часто статор, как и ротор, изготовляют из отдельных
тонких листов специальной стали, изолированных один
от другого.
Паровые турбины, дизели, бензиновые моторы часто
называются первичными двигателями. Электрический
двигатель—это посредник,—такой же посредник, как зуб-
чатая передача или муфта сцепления. На старинных
фабриках одна большая паровая машина вращала при
помощи приводных ремней все станки. Теперь поступа-
ют иначе. Первичный двигатель приводит в действие ге-
нератор. А тот питает своим током множество разно-
образных электродвигателей — и уже электродвигатели
приводят в движение рабочие органы машин. Элек-
тродвигатель пускается в ход одним нажатием кнопки
или поворотом выключателя. Он не выделяет при работе
каких-либо газов. По тонким недорогим электрическим
проводам могут быть переданы большие мощности.
Электрический двигатель позволяет почти неограничен-
но дробить первоначальную мощность...
И Bcq же есть много областей, где этот гибкий и
удобный посредник не применяется, и причины тому не
случайны.
9-5. Удельные нагрузки
По мере развития техники человек подчиняет себе
все большие и большие массы энергии и научается
управлять все большими ее концентрациями. Одна жи-
вая лошадиная сила весит несколько сотен килограм-
мов, а современный авиационный мотор весит меньше
одного килограмма на силу.
Мощность любого двигателя равна произведению
скорости движения его подвижной части на величину
462
усилия, приложенного к этой подвижной части и дейст-
вующего в направлении движения.
Как уже было сказано, в электродвигателе за ротор
цепляются и тянут его магнитные линии, создаваемые
токами, проходящими по обмоткам. Силы, действующие
на каждый квадратный сантиметр, пропорциональны
квадрату плотности магнитных линий — квадрату маг-
нитной индукции.
Чем больше плотности тока в обмотках электродви-
гателя, тем выше индукция в воздушном зазоре — про-
странстве между статором и ротором. Но при больших
плотностях тока и индукциях медь и сталь в роторе и
статоре перегреваются, велики потери в двигателе.
Обычно в электродвигателях применяют индукцию
не выше десяти — пятнадцати тысяч гауссов (1 —1,5 тес-
ла). При этом на каждый квадратный сантиметр боковой
поверхности ротора получается усилие в несколько сотен
граммов. Эти магнитные силы действуют не прямо в на-
правлении движения — по касательной к ротору: у них
имеются составляющие, направленные по радиусам,
которые растягивают двигатель, не производя полезной
работы. Полезное усилие, направленное по касательной
к поверхности ротора, может составлять четверть, а то
и десятую долю от полного усилия — т. е. несколько де-
сятков граммов на 1 см2.
В стальных шестернях нагрузка на единицу поверх-
ности в тысячи раз больше. Правда, в электродвигателе
усилия магнитных линий приложены одновременно ко
всей боковой поверхности ротора, а в зубчатой передаче
в зацепление входит в каждый момент времени часть
рабочей поверхности одного зубца, но и с учетом этого
обстоятельства полное усилие, передаваемое зубчатой
передачей, во много раз больше усилия, создаваемого
электрическим двигателем, имеющим тот же вес.
В дизельных двигателях, в бензиновых моторах, в па-
ровых машинах, в зубчатых передачах предел создавае-
мым усилиям ставит механическая прочность материа-
лов, применяемых в конструкции. В электродвигателях
магнитные линии, тянущиеся между ротором и статором,
никогда не смогут создать таких усилий, чтобы исчер-
пать механическую прочность материалов. Скорее сго-
рят и расплавятся обмотки, чем хоть чуть-чуть погнутся
зубцы на его статоре и роторе.
463
В современных электродвигателях, работающих на
принципе электромагнитной индукции, не используется
полностью механическая прочность его активных мате-
риалов— меди и стали, хотя материалы эти, как прави-
ло, менее прочны, чем специальные сорта стали, при-
меняемые в тепловых двигателях.
При равном создаваемом усилии механическая пере-
дача или тепловой мотор почти всегда могут быть сде-
ланы легче электродвигателя.
Медно-железные мышцы современной электроэнерге-
тики близки к пределу своего возможного совершенства.
Чем большую нагрузку магнитным потоком допускает
сталь и чем при более высокой температуре может рабо-
тать изоляция двигателя, тем он получается более лег-
ким и надежным. Прогресс электромашиностроения —
это, в сущности, прогресс материалов. Не видно, чтобы
в ближайшие годы материалы электромашиностроения
могли резко измениться. Следовательно, трудно ожидать
резкого изменения и самих электродвигателей. Быть мо-
жет, они станут чуть легче, чуть быстроходнее, чуть эко-
номичнее.
9-6. Регулирование скорости
Ценное свойство электрической передачи по сравне-
нию с механической заключается в том, что многие
типы электродвигателей допускают плавную регулиров-
ку скорости, и такую регулировку можно осуществить
вплоть до самых больших мощностей в тысячи киловатт.
Зубчатая же передача с переменным передаточным чис-
лом может быть выполнена на мощность самое большое
несколько сотен киловатт, и добиться плавности регу-
лировки при этом почти невозможно.
Электродвигатель не требует такой высокой точности
изготовления, как механическая передача. Зазор между
ротором и статором в больших электродвигателях до-
стигает нескольких миллиметров. Неточность размеров
в десятую долю миллиметра и вовсе не сказывается на
работе электродвигателя. В шестернях же рабочие по-
верхности должны быть обработаны с точностью до ты-
сячных долей миллиметра.
Электродвигатели менее подвержены поломкам при
перегрузках, случайных толчках и ударах, чем механи-
ческие передачи. Магнитные линии создают неразруша-
емую эластичную связь между ротором и статором,
464
9-7. Быстроходные и тихоходные
Во многих случаях механическая передача и электро-
двигатель гармонически дополняют друг друга. Заман-
чивым иногда кажется построить для привода тихоход-
ного механизма такой же тихоходный электродвигатель
и тем избежать лишних передач, лишних гнезд трения,
лишних источников потерь. Но чем быстроходнее элек-
тродвигатель, тем он легче. Меньший вес всей установки
и меньшие потери получаются в случае применения бы-
строходного электродвигателя с механической переда-
чей, понижающей число оборотов в минуту до требуемой
величины.
В трамвае, например, можно было бы насадить
якорь двигателя прямо на ось, на которой сидят колеса.
Но трамвайные колеса вращаются сравнительно мед-
ленно, они делают не больше 2—3 сотен оборотов в ми-
нуту. Для уменьшения веса вагона трамвая берут более
быстроходный двигатель и сцепляют его с колесами при
помоши зубчатой передачи, понижающей скорость вра-
щения.
* *
*
Электрическая энергия бывает разных сортов: посто-
янного и переменного тока, низких и высоких частот.
И для разных видов тока применяются разные типы дви-
гателей. Выбор типа двигателя зависит от его назначе-
ния: одни задачи ставятся перед двигателем точных
электрических часов, другие — перед двигателем боль-
шого прокатного стана, и дело здесь не только в мощно-
сти, как может показаться спервоначала.
Удобнее всего производить и распределять электри-
ческую энергию в виде переменного тока.
С валом турбины на центральной электростанции
соединен ротор генератора переменного тока. В случае
быстроходных турбин это — двухполюсный или четырех-
полюсный электромагнит. В тихоходных гидрогенерато-
рах на роторе часто делают несколько десятков полюсов.
Обмотки полюсов ротора питаются током от специаль-
ного вспомогательного генератора постоянного тока —
возбудителя. Северные и южные полюсы попеременно
проходят перед каждым из проводников обмотки статора
и заставляют ток в них течь то р одну, то в другую сто-
30 Г. И. Вабат 4б&
рону. Сколько полюсов пройдет, столько перемен испы-
тает ток. Две перемены — это период. Если четырехпо-
люсный ротор делает полторы тысячи оборотов в минуту
или двухполюсный — три тысячи оборотов в минуту, то
генератор вырабатывает ток с частотой 50 периодов
в секунду или, как говорят короче, 50 герц. Такая часто-
та и принята за стандарт в Советском Союзе и по всей
Европе.
Если менять скорость вращения ротора, то одновре-
менно, или, выражаясь греческим словом, синхронно,
будет меняться частота тока, вырабатываемого генера-
тором. Потому такие генераторы и называются «син-
хронными».
Каждый электрический машинный генератор может
работать и как двигатель.
Синхронные генераторы могут работать как синхрон-
ные двигатели. В них ротор выполняется -в виде электро-
магнита, возбуждаемого током от вспомогательной ма-
шины-возбудителя, или в виде постоянного магнита (для
мощностей до нескольких киловатт). Иногда — в случае
малых мощностей — ротор изготовляется из мягкого же-
леза, не намагничиваемого заранее. Такие электродвига-
тели называют реактивными.
И на холостом ходу, и при полной нагрузке синхрон-
ные двигатели вращаются с одинаковой скоростью,
жестко связанной с частотой тока в питающей сети.
Во многих случаях такое строгое постоянство числа
оборотов в минуту независимо от изменения нагрузки
очень ценно. Синхронные двигатели применяются, на-
пример, для вращения звукозаписывающих и звуковос-
производящих аппаратов (кино, электропатефоны). Па-
тефонный двигатель, подключенный к сети 50 герц, всег-
да будет делать 78 оборотов в минуту, обеспечивая этим
отсутствие искажений тембра записи. Мощность пате-
фонного двигателя — несколько ватт. Еще меньшие син-
хронные двигатели — на доли ватта — применяются
в синхронных электрических часах. А для привода боль-
ших турбонасосов на каналах, шлюзах, в водопроводе
строятся синхронные двигатели мощностью в тысячи
киловатт.
Но во многих случаях жесткая связь скорости вра-
щения с частотой питающего тока является крупным
недостатком. Синхронные двигатели неприменимы, ца-
466
пример, в тяге, где всегда требуется постепенный разгон
экипажа.
В некоторых случаях можно изменять скорость вра-
щения синхронного двигателя, переключая число полю-
сов в его обмотке. Скажем, при питании от сети 50 гц
двигатель с шестью полюсами делает 1 000 об!мин,
а с восемью полюсами — 750. Но плавную регулировку
числа оборотов в минуту можно получить, только меняя
частоту питающего тока.
Из других недостатков синхронных двигателей надо
указать, что в большинстве своем они плохо берут
с места. Электропатефон, например, недостаточно под-
ключить к сети, чтобы он пошел в ход, требуется под-
толкнуть пальцем его диск, довести его до скорости,
близкой к синхронной, и уже тогда он сам втянется
в работу.
Мощные синхронные двигатели снабжаются специ-
альными вспомогательными приспособлениями для пус-
ка в ход.
9-8. Самые массовые двигатели
Изо всех типов двигателей наибольшее распростра-
нение получили, пожалуй, асинхронные. Ротор в них
также следует за переменами тока, питающего двига-
тель, но не жестко, не с постоянным числом оборотов
в минуту. В асинхронных двигателях скорость вращения
ротора несколько отстает от числа перемен тока. Ротор
этих двигателей имеет, как говорят электрик», некото-
рое скольжение. Например, четырехполюсный асинхрон-
ный двигатель при 50-периодном токе делает не 1 500
оборотов в минуту (синхронная скорость), а немногим
менее: 1 450—1 460.
Наименьшее скольжение имеют эти асинхронные дви-
гатели на холостом ходу. С увеличением нагрузки их
скорость вращения несколько падает — скольжение уве-
личивается, скорость все более отстает от синхронной.
Отсюда и название таких двигателей — «асинхронные»,
т. е. не соблюдающие постоянства скорости.
Принцип асинхронных двигателей впервые изучался
в 1884 г. итальянским ученым Галилео Феррарисом. Он
был хорошим теоретиком, но, вычисляя коэффициент
полезного действия асинхронного двигателя, допустил
30* 467
ошибку и получил, что к. п. д. такого двигателя всегда
будет меньше половины и, следовательно, большого
практического значения, асинхронный двигатель иметь
не будет.
Затем асинхронными двигателями занялся Никола
Тесла. В 1888 г. он доложил Американскому институту
инженеров-электриков о своих работах. По идеям Тес-
ла были построены двухфазные двигатели и генераторы
для передачи энергии с первой электростанции Ниагар-
ского водопада.
Современную форму асинхронному электродвигате-
лю придал русский электрик Михаил Осипович Доливо-
Добровольский.
9-9. Беличье колесо
Асинхронные трехфазные двигатели строятся на мощ-
ности от долей ватта до тысячи киловатт.
В асинхронных двигателях средней мощности — от
сотен ватт до десятков киловатт — ротор не обматывает-
ся проволокой, с ним поступают иначе. В его пазы зали-
вают расплавленный алюминий. Застывший алюминий
образует стержни, прочно сидящие в пазах, и по торцам
ротора два кольца, соединяющие все эти стержни между
собой. Такой ротор называется короткозамкнутым, или
ротором с беличьим колесом (беличья клетка). Это
очень простая и надежная конструкция, в ней нечему
пробиваться или перегорать.
Асинхронные двигатели с ротором — беличьим коле-
сом крутят токарные, фрезерные, строгальные и вся-
кие другие станки на заводах, приводят в действие лиф-
ты, подъемники, краны, конвейеры. Много миллионов
таких двигателей работает во всем мире. Их, этих алю-
миниевых колес, охватывающих пакеты тонких желез-
ных листов, пожалуй, теперь куда больше, чем живых
белок.
Коэффициент полезного действия асинхронного дви-
гателя зависит от отношения скорости его вращения
к синхронной скорости. Чем больше скольжение, тем
больше потери. При малом скольжении, с которым рабо-
тают -современные асинхронные двигатели, к. п. д. их
велик. Для регулировки скорости без ухудшения к. п. д.
применяют переключение полюсов.
468
Если сделать стержни беличьего колеса толстыми—
так, чтобы сопротивление их электрическому току было
мало, то при работе двигателя с полной скоростью
(близкой к синхронной) потери в роторе будут малы. Но
под большой нагрузкой двигатель с беличьим колесом
плохо берет с места — у него малый пусковой момент.
К тому же во время пуска такой двигатель потребляет
из сети ток, в несколько раз больший нормального.
Увеличив электрическое сопротивление проводников
в роторе асинхронного двигателя, можно увеличить тол-
чок тока в питающей сети при включении мотора и уве-
личить пусковой момент. Н’о такой двигатель не наберет
полной скорости, близкой к синхронной.
Большое сопротивление проводников ротора будет
вызывать большие вредные потери.
Чтобы получить в асинхронных двигателях большой
пусковой момент и малые толчки тока при включении
и вместе с тем высокий к. п. д. при работе на полной
скорости, на роторе двигателя вместо беличьего колеса
помещают обмотку из изолированой проволоки, концы
которой выводят на три кольца. По этим кольцам сколь-
зят щетки, а к ним подключают реостат. При пуске дают
реостату самое большое сопротивление, а затем, по мере
разгона движения, сопротивление реостата все уменьша-
ют и, когда двигатель дойдет до полной скорости, коль-
ца замыкают накоротко, а щетки приподымают, чтобы
они напрасно не снашивались и не стирали колец.
Асинхронный двигатель с кольцами сложнее двига-
теля с беличьим колесом, и строятся такие двигатели
на^ мощность не меньше десятка киловатт.
Максимальные мощности асинхронных двигателей
достигают нескольких тысяч киловатт; такие большие
асинхронные двигатели вращают, например, гребные
винты электроходов.
9-10. Двойное колесо
Иногда строят асинхронные двигатели с двумя бе-
личьими колесами на роторе. Одно колесо — тонкое,
имеющее большое электрическое сопротивление, — рас-
полагается у самой поверхности ротора. Оно работает
при пуске. Когда ротор раскрутится, магнитный поток
статора заходит в глубину ротора и в работу вступает
469
второе коЛесо, расположенное под первым и выполнен-
ное из толстых проводников, имеющих малое сопротив-
ление.
Двигатели с двойным беличьим колесом хорошо бе-
рут с места и вызывают меньшие толчки тока при пуске,
чем двигатели с простым беличьим колесом. Они приме-
няются при тяжелых условиях работы — например, во
врубовых машинах.
По принципу асинхронных двигателей работают элек-
трические счетчики переменного тока. От них требует-
ся лишь мощность, достаточная для приведения в дви-
жение барабанчиков с цифрами. Ротор счетчиков
делается даже без железа, в виде простого алюминие-
вого диока.
9-11. Самые быстроходные
Существуют механизмы, требующие особо высокой
скорости вращения. Таковы центрифуги для выработки
искусственного шелка, гирокомпасы на кораблях и само-
летах. Во многих случаях они должны делагь несколько
десятков тысяч оборотов в минуту. Для привода этих
механизмов большей частью применяются асинхронные
двигатели, питающиеся от специальных генераторов по-
вышенной частоты: 100—300, а иногда и 1 000 гц.
Недостатком асинхронных двигателей является то,
что, помимо полезного рабочего тока, они потребляют из
питающей сети еще намагничивающий ток — «ленивый»
ток, как его называли электрики в старое время, или
реактивный ток, как его называют теперь. Загружая
сеть, этот ток вызывает добавочные потери. Чем больше
реактивного тока берет двигатель, тем хуже коэффици-
ент использования — «косинус фи», как его называют.
9-12. Двигатели постоянного тока
Самый старый тип электродвигателей — это двигате-
ли постоянного тока. Первая в мире электрическая
шлюпка, построенная в 1838 г. в Петербурге академи-
ком Б. С. Якоби, имела двигатель постоянного тока.
У современных двигателей постоянного тока обмотка
состоит из большого числа секций — часто из несколь-
ких десятков или даже сотен, — которые все соединяются
470
между собой последовательно, образуя замкнутую цепь.
На одном общем валу с якорем, несущим секции
обмотки, помещается коллектор-барабан, составленный
из медных клиньев—коллекторных пластин, изолирован-
ных друг от друга прокладками из слюды с лаком (ми-
канита).
Число коллекторных пластин равно числу секций об-
мотки. Каждая коллекторная пластина снабжена высту-
пом — его называют «петушком», и к этим петушкам
припаиваются начала и концы всех секций обмотки
якоря.
Когда якорь крутится, по коллектору скользят щетки.
При переходе щеток с одних коллекторных пластин на
другие происходит переключение (коммутация) тока
в секциях обмотки якоря.
В старое время, на заре развития электромашино-
строения, искрение под щетками считалось обязатель-
ным признаком хорошо работающего электродвигателя,
так же как грохот паровых машин считался свидетель-
ством их правильного функционирования, а густой дым
из фабричных труб (получающийся из-за неправильного
сгорания при недостатке кислорода) — признаком про-
цветающей индустрии. В протоколах испытаний электро-
установок в конце прошлого столетия иногда можно бы-
ло встретить такие фразы: «искрение под щетками до-
статочно яркое и интенсивное».
Но такое искрение вызывает обгорание и щеток, и
коллектора. Современные мало-мальски мощные двига-
тели и генераторы постоянного тока снабжаются допол-
нительными полюсами на статоре, а иногда и компен-
сационными обмотками. Это сильно уменьшает искрение
под щетками, а тем самым износ щеток и коллектора.
На статоре двигателей постоянного тока помещается
обмотка возбуждения. Ее можно выполнить из немногих
витков толстого провода, чтобы она была способна про-
пустить полный ток двигателя, и включить ее последова-
тельно с якорем. Такой двигатель называют двигателем
с последовательным возбуждением, или сериесным.
Можно подключить обмотку возбуждения и парал-
лельно якорю. Такая обмотка выполняется из многих
витков сравнительно тонкой проволоки; она называется
параллельной или шунтовой, а сам двигатель — шунто-
рым или с параллельным возбуждением. Параллельная
47]
обмотка должна выдерживать полное напряжение пи-
тающей сети, зато ток в ней составляет лишь несколько
процентов от полного тока двигателя.
Иногда у двигателя постоянного тока применяются
две обмотки возбуждения: одна параллельная и одна
последовательная. Эти двигатели называются компаунд-
ными.
* *
*
Электродвигатели постоянного тока почти безраз-
дельно царствуют в области электрической тяги. Пре-
имущественно применяются сериесные двигатели. Они
имеют большой пусковой момент, хорошо берут с места
и быстро разгоняются. Иногда применяют компаундные
двигатели, которые меньше сбавляют скорость на подъ-
емах и могут удобно работать не только как двигатели,
но и как генераторы, отдавая при торможении энергию
обратно в сеть.
Скорость электродвигателя постоянного тока можно
регулировать, меняя приложенное к двигателю напря-
жение. В трамваях, в электропоездах часто применяют
несколько двигателей. Например, в мощных электрово-
зах типа ВЛ (Владимир Ленин)—шесть двигателей
общей мощностью почти в 2 000 кет. Во время пуска и
для езды на малой скорости двигатели включаются по-
следовательно. На каждый двигатель при этом попадает
лишь часть напряжения питающей сети. Для получения
же максимальной скорости все двигатели включаются
параллельно.
Киевский трамвай — самый старый в Советском
Союзе, но киевские вожатые долго боялись ездить на
параллельно включенных двигателях, и в годы первых
пятилеток москвичи приезжали их учить.
В промышленности двигатели постоянного тока при-
меняются в тех случаях, где требуется плавная регули-
ровка скорости в широких пределах, например для при-
вода бумагоделательных машин, для больших продоль-
но-строгальных станков, на шахтных подъемниках,
в экскаваторах. Самые большие электродвигатели по-
стоянного тока мощностью в несколько тысяч киловатт
применяются для прокатных станов, обжимающих мно-
готонные болванки, для аэродинамических труб, создаю-
щих искусственные ураганы,
472
Почти все современные центральные Электростанции
вырабатывают переменный ток. Для питания двигателей
постоянного тока переменный ток переделывают в по-
стоянный. Для этого чаще всего применяются ртутные
выпрямители. Такие выпрямители работают, например,
на всех подстанциях трамвая, троллейбуса, метро, на
линиях пригородной и магистральной электротяги.
В последнее время разработаны генераторы постоян-
ного тока, называемые электромашинными усилителями
(амплидинами). Их приводят во вращение с неизмен-
ной скоростью от синхронного или асинхронного двига-
теля переменного тока. С помощью очень маленькой
мощности, подводимой к возбуждению амплидина, мож-
но изменять напряжение, которое он отдает, от нуля до
максимального значения (см. рис. 6-28). Электромашин-
ные усилители позволяют особо плавно и тонко регули-
ровать скорость двигателей, которые они питают.
Много других применений имеют двигатели постоян-
ного тока. Они работают на подводных лодках. В тепло-
возах, вместо того, чтобы соединять двигатель дизеля
с ведущими осями непосредственно при помощи зубча-
той передачи, оказывается более выгодным заставить
этот двигатель вращать генератор, а его током питать
электродвигатели, связанные с ведущими осями. Элек-
трическую передачу применяют иногда и в танках и са-
моходных пушках.
Каждый современный автомобиль снабжается дви-
гателем постоянного тока. Этот стартерный двигатель
или, короче, «стартер», получает питание от аккумуля-
торной батареи и запускает автомобильный дви-
гатель.
Электрификация многих самолетов также осущест-
вляется при помощи постоянного тока. Двигатели по-
стоянного тока втягивают и выпускают шасси, меняют
шаг винта в полете, вращают орудийные и пулеметные
башни.
Двигатели постоянного тока, у которых статор вы-
полнен из расслоенного железа и обмотка возбуждения
включена последовательно с якорем, могут работать и
на переменном токе. Они называются универсальными
электродвигателями. Их применяют в электробытовых
устройствах — вентиляторах, пылесосах, фенах, машин-
ках для стрижки волос, в электрифицированном ручном
473
инструменте, в сверлилках, точилах. Универсальные
двигатели хорошо работают при мощностях не выше
киловатта.
9-13. Магнитофуги
Во многих машинах рабочие органы не вращаются,
а ходят взад-вперед. Можно посадить па вал двигателя
кривошип или эксцентрик, сцепить с ними шатун и та-
ким путем превратить вращение двигателя в возвратно-
поступательное движение.
Так работают лесопильные рамы, поперечно-стро-
гальные станки (шепинги) и многие другие машины.
Но можно и сам электродвигатель выполнить так,
чтобы его якорь не вращался, а двигался взад-вперед.
Такие моторы называются магнитофугами (от латин-
ского слова fugare— бежать); в них электромагнитное
поле развернутого в плоскость статора бежит то в одну,
то в другую сторону и тащит за собой якорь.
Так строятся отбойные молотки. Существуют проек-
ты магнитофугальных насосов для откачки нефти из глу-
боких скважин.
9-14. Электромагнитные пушки
Множество изобретателей мечтало использовать маг-
нитофугальный принцип для создания сверхдальнобой-
ных бесшумных электрических орудий.
Такое орудие вполне осуществимо, но оно будет
значительно хуже решать практические задачи, чем
обычные пушки.
Чтобы метнуть с большой начальной скоростью тя-
желый снаряд, нужна, хоть и кратковременно, очень
большая мощность. Магнитофугальное электрическое
орудие получается очень громоздким и тяжелым.
9-15. Дуговые двигатели
Промежуточной конструкцией между магнитофугами
и моторами с классически круглым статором является
электропривод с дуговым статором. Такие двигатели
применяются иногда для привода шаровых мельниц, не-
которых текстильных машин.
474
В современной технике все более отчетливо прово-
дится тенденция встраивать электродвигатели в те стан-
ки, которые они приводят в действие, так чтобы двига-
тель органически сливался со всей остальной конструк-
цией. Иногда ротор двигателя одновременно является и
рабочим органом. Например, в рольгангах, предназна-
ченных для транспортировки различных изделий, приме-
няются двигатели, у которых ротор помещается снару-
жи, причем внешняя его поверхность является рабочей
поверхностью ролика, а статор, наоборот, помещается
внутри.
Существуют тысячи вариантов и разновидностей кон-
струкций и схем включения различных электродвига-
телей.
9-16. Двойное вращение
Заслуживают упоминания двигатели двойного враще-
ния или биротативные двигатели, как их иногда назы-
вают.
Во всех электродвигателях магнитные линии, прохо-
дящие между статором и ротором, вызывают равные
механические усилия и на статоре, и на роторе. Следо-
вательно, если статор не закреплять, оставить его сво-
бодным, то он тоже начнет вращаться в сторону, проти-
воположную вращению ротора. Собственно, в таких дви-
гателях уже нельзя говорить о статоре и роторе: в них
все крутится, у них два — внешний и внутренний — рото-
ра, вращающихся в противоположные стороны. При
одном и том же весе и одной и той же абсолютной
окружной скорости от этих двигателей можно получить
в два раза большую работу.
Двигатели двойного вращения применяются в акку-
муляторных торпедах. Здесь требуется кратковременная
работа, и такие двигатели можно сделать очень лег-
кими.
9-17. Следящие системы
Существует много случаев, когда необходима боль-
шая точность в передаче механического движения. На-
пример, на кораблях показания главного компаса долж-
ны быть переданы без всяких ошибок и искажений
в разные места. Для такой передачи применяются
475
электродвигатели, включаемые по схеме синхронной или
синхронно-следящей передачи.
На боевом корабле наводчики устремляют на непри-
ятеля острый взгляд дальномерных труб. Их задача—
только удержать противника на перекрестке паутинных
нитей в поле зрения трубы. Дальше вступают в ра-
боту электродвигатели. Маленькие электродвигатели
приводят в действие счетно-решающие механизмы, ко-
торые учитывают расстояние, свой курс, курс против-
ника, скорость свою и противника, вводят поправку
на ветер, на плотность воздуха, дают точные данные
для стрельбы. Тогда другие, более мощные двигатели
придают орудию требуемые поворот и наклон. Двига-
тель же устанавливает дистанционную трубку на сна-
рядах— и сокрушающий залп уничтожает врага.
9-18. Электрический вал
Много лет применялась в электротехнике такая схе-
ма, которую называли «электрический вал» (рис. 9-1).
Обмотка 1 поворачивается между обмотками 2,3,4—
тогда обмотка 5 будет поворачиваться между обмотками
Рис. 9-1.
6, 7, 8. Такая схема называется еще схемой одновре-
менной или синхронной передачи. Как мы повернем ка-
тушку /, так одновременно с ней — как говорят, син-
хронно — поворачивается катушка 5. Катушка 1 — это
датчик, а катушка 5 — приемник. Катушка 1 — это, на-
пример приводимый в действие компас-матка, главный
компас, который помещают в самое укромное место.
А катушка 5 — это компасы-повторители; их может
быть много, они расставлены в самых разных местах
корабля. Скажем, катушки 1 связана с поплавком в бен-
зиновом баке, а приемная катушка двигает стрелку
указателя уровня. Или катушка датчика двигает вычи-
слительный механизм, а катушка приемника управляет
пушкой, которая точно нацеливается на самолет.
476
В показанной выше схеме какое усилие на прием-
нике, такое точно чувствуется и на датчике. Если прием-
ник движется с большим трением, то большое усилие
должно прилагаться и к датчику.
И вот я нарисовал вместо представленной на ри-
сунке схемы чуть-чуть от нее отличную (рис. 9-2).
Это тоже синхронная передача: катушка 5 точно сле-
дует за катушкой /, но между этой передачей и пред-
ставленной на предыдущем рисунке есть большая раз-
ница. В этой передаче на валу приемника развивается
усилие, во много раз большее, чем на валу датчика.
Добавление вентилей увеличивает усилие в сотни
и в тысячи раз. Вал датчика можно крутить одним паль-
цем, а н^ приемном валу развивается большая мощ-
ность. Конечно, эти силы не берутся из ничего: их по-
ставляет источник переменного тока, который питает
датчик. Он из простого посредника превращается теперь
в усилитель.
ГЛАВА ДЕСЯТАЯ
АТАКА АТОМНОГО ЯДРА
(УСКОРИТЕЛИ)
10-1. Введение
1В начале нашего века было установлено, что атом
имеет сложное строение.
Вокруг центрального ядра, несущего положительный
электрический заряд, движутся отрицательно заряжен-
ные частицы — электроны.
Поперечник атома равен примерно одной -стомиллион-
нрй доле сантиметра. А поперечник ядра — еще в 100
тысяч раз меньше.
Но и это невообразимо малое атомное ядро в свою
очередь является сложным образованием. Оно состоит
у разных элементов из различных комбинаций ядерных
частиц — нуклонов (от латинского слова «нуклеус» —
ядро).
По современным воззрениям, ядра всех атомов скла-
дываются из частиц двух типов. Одни из них имеют
массу, равную 1 836 электронным массам (1,6- 10~24 г),
и положительный электрический заряд, равный по вели-
чине отрицательному заряду электрона. Эти частицы на-
зывают протонами. Ядро простейшего из атомов — обыч-
ного водорода — состоит из одного-единственного прото-
на. Другие ядерные частицы имеют массу чуть больше
массы протона (на 2,5 электронной массы), но не имеют
заряда — это нейтроны.
Но этими двумя видами нуклонов ядро не исчерпы-
вается. Иногда при соударениях атомных ядер из них
вылетают позитроны — частицы с массой электрона, но,
в отличие от него, с положительным зарядом. В других
ядерных процессах удается обнаружить частицы с мас-
сой, промежуточной между массами электрона и прото-
на, — так называемые мезоны (от латинского слова «ме-
зос» — промежуточный). Эти частицы бывают с разны-
ми зарядами, и все они очень недолговечны. При одних
процессах из ядер вылетают очень легкие частицы — ней-
трино, при других тяжелые — гипероны. Ядро неисчер-
паемо. Физики выявляют все новые и новые детали в его
структуре,
478
Чтобы исследовать сложное строение атомного ядра,
ученые поступают подобно ребенку, который ломает иг-
рушку, желая выяснить, что у нее (внутри.
Ядро является исключительно прочной конструкци-
ей, значительно более (прочной, чем всякие другие, более
крупные образования материи. И его не так уж просто
«разломать».
Два твердых тела, например два куска самой проч-
ной стали, разбиваются, связь между их атомами нару-
шается, если скорость соударения этих тел равна всего
лишь нескольким сотням метров в секунду. Снаряд, ле-
тящий со скоростью около тысячи метров в секунду, раз-
рушает самую твердую и 'прочную стальную плиту.
Нарушить структуру атома, оторвать от атома один
или несколько электронов (такой атом с недостатком
электронов называют ионом), можно лишь в том случае,
если скорость его соударения с другим атомом будет
равна нескольким километрам в секунду.
Но, чтобы разбить атомное ядро, разорвать связи
между нуклонами, необходимо затратить работу, в сот-
ни тысяч раз, а иногда и в миллионы раз большую, не-
жели та, которая необходима для нарушения структуры
атома. Почему же так трудно разломать эту систему?
Все ядра несут положительный электрический заряд,
и при взаимном сближении до расстояний того же по-
рядка, что и поперечник самого ядра, между ними воз-
никают огромные силы отталкивания.
Чтобы преодолеть эти силы, заставить два ядра
столкнуться друг с другом, необходимо сообщить соуда-
ряющимся ядрам скорость, близкую к скорости света.
Наука об атомном ядре является теперь одним из
важнейших разделов физики. Эта наука открыла челове-
честву новые, неисчерпаемые источники энергии, при-
вела к стремительному развитию множества новых от-
раслей техники.
Для изучения структуры ядер и их превращений
физики разработали приборы, при помощи которых мож-
но сообщать высокие скорости и энергии мельчайшим
заряженным атомным частицам — ионам и электронам.
Эти приборы получили название ускорителей.
Первые ускорители заряженных частиц, при помощи
которых в конце 20-х годов был начат штурм атомного
ядра, представляли собой небольшие стеклянные трубки.
479
Они изготовлялись кустарным способом в физических
лабораториях. Но за каких-нибудь 20—25 лет ускорите-
ли заряженных частиц выросли в гигантские индустри-
альные сооружения. Современный ускоритель занимает
площадь большую, чем средний машиностроительный за-
вод. На сооружение такого ускорителя расходуются де-
сятки тысяч тонн металла. А электроэнергии он потреб-
ляет больше, чем средний «районный город.
В средних школах изучаются принципы устройства и
действия конструкций микроскопов и телескопов. Эти
оптические приборы дали возможность человеку узнать
о существовании мельчайших микробов и бактерий, от-
крыть законы движения небесных тел.
Важнейшими орудиями исследования атомной физи-
ки являются ускорители заряженных частиц. В науке
наших дней они занимают такое же место, какое зани-
мали микроскопы и телескопы в науке прошлых веков.
Расширение наших познаний и о микромире атомного
ядра и о далеких звездных мирах возможно при помощи
все новых и новых опытов с ускорителями заряженных
частиц.
Успехи техники в области ускорителей сказываются и
на различных других областях. Новые идеи, развиваю-
щиеся в связи с задачами ускорения заряженных час-
тиц, оплодотворяют и электротехнику и радиотехнику.
Каждый, кто интересуется современной физикой,
электротехникой, радиотехникой, должен быть знаком
с принципами устройства ускорителей заряженных атом-
ных частиц.
10-2. Снаряды для обстрела атомов
Движение заряженных частиц в электрических полях
можно сравнить с движением тяжелых шаров в поле тя-
готения. Электрические силы ускоряют заряженные ча-
стицы — электроны и ионы — подобно тому, как силы
тяжести влекут массивные шары с вершины горы к ее
подножью. Скорость тела, летящего вниз к земле, растет
как корень квадратный из высоты падения: она увели-
чится вдвое, если высоту падения увеличить вчетверо.
Энергия же падающего тела равна его весу, помножен-
ному на высоту падения.
В механике приходится встречаться с относительно
небольшими скоростями. Однажды на строительстве
480
мачты для радиопередатчика я видел, как верхолаз уро-
нил молоток с высоты в 150 м. Молоток летел со свистом.
Ударившись о землю, он ушел >в нее так глубоко, что
не было видно рукоятки. Но скорость молотка в момент
удара была всего около 55 м!сек. В первую мировую
войну самолеты, атакуя пехоту, сбрасывали заостренные
стальные спицы размером с карандаш. Падая с высоты,
скажем 2 км, спицы приобретали скорость около
200 м!сек. Запаса энергии в них было достаточно для
того, чтобы 'пронзить человека насквозь сверху донизу.
Когда заряженная частица движется под действием
электрических сил, то аналогией высоты падения являет-
ся электрическое напряжение — разность потенциалов,
измеряемая обычно «в вольтах. Аналогией же веса па-
дающего тела является заряд частицы. Энергия, приоб-
ретаемая заряженной частицей, равна произведению ее
заряда на напряжение.
Так как наименьший электрический заряд — это за-
ряд электрона, а заряды других частиц могут быть толь-
ко Кратные ему, то единицей для измерения энергии за-
ряженных частиц часто служит один электроновольт
(1 эв), Более крупная единица — это миллион электро-
новольт (1 Мэв).
В электроновольтах измеряют энергию различных
молекулярных и ядерных реакций.
При всех химических реакциях освобожденная или
поглощенная энергия, приходящаяся на каждый реаги-
рующий атом, не превышает единиц электроновольт.
Когда, например, один атом углерода соединяется
с двумя атомами кислорода и образуется молекула угле-
кислого газа, то выделяется энергия, равная 4,2 эв, т. е.
на один атом приходится 1,4 эв.
Электрон, разогнанный напряжением в несколько
вольт, может толчком разрушить молекулу любого хими-
ческого соединения — например, разбить молекулу воды
на атомы водорода и кислорода.
При бомбардировке ядер атомов положительно заря-
женными водородными ионами (протонами) энергия
бомбардирующей частицы должна быть равна несколь-
ким миллионам электроновольт (от i до 10). Только та-
кая «энергичная» частица может войти в контакт с яд-
ром и вызвать ядерную реакцию. Чем выше атомный
номер элемента, тем больше положительный электриче-
31 Г. И. Бабат 481
ский заряд его ядер и тем большую энергию должна
иметь бомбардирующая частица, чтобы преодолеть энер-
гетический барьер этого ядра и подойти вплотную к его
«поверхности».
При всех ядерных реакциях поглощенная или осво-
божденная энергия, 'приходящаяся на одно ядро, изме-
Рис. 10-1. Зависимость скоростей электрона и некоторых ионов
от пройденной разности потенциалов.
Под действием напряжения в 2 600 в электрон приобретает скорость,
равную ’/io доли скорости света. При повышении напряжения до не-
скольких десятков тысяч вольт масса электрона не изменяется, а ско-
рость его растет, как корень квадратный из напряжения. При более
высоких напряжениях масса электрона начинает заметно расти, а ско-
рость увеличивается уже медленнее, чем корень квадратный из напря-
жения. При 3 млн. в скорость электрона достигает 99% скорости света.
А при еще более высоких напряжениях скорость электрона практически
не повышается, а увеличивается только его масса.
При напряжении в десятки тысяч вольт ион обычного водорода (про-
тон) движется в 40 раз медленнее, а ион ртути — в 600 раз медленнее
электрона. При очень высоких напряжениях скорости любых ионов и
электронов приближаются к скорости света.
ряется уже не единицами, как в химических реакциях,
а миллионами электроно'вольт. Как же связаны между
собой энергия, масса и скорость бомбардирующих ча-
стиц?
На рис. 10-1 показана зависимость скорости различ-
ных заряженных частиц от действующего на них элек-
трического напряжения. Все кривые ограничены сверху
скоростью света, равной 300 тыс. м!сек. И никакие вол-
ны или частицы не могут двигаться быстрее.
482
Пока заряженные частицы ускоряются сравнительно
невысоким напряжением, движение их подчиняется зако-
нам классической механики: скорость растет, как корень
квадратный из пройденной разности потенциалов. Но
при значительном увеличении напряжения вступают
в силу законы теории относительности Эйнштейна — за-
коны так называемой «релятивистской механики». Со-
гласно этой теории, скорость движущегося тела не
может превысить скорости света и, кроме того, с возра-
станием пройденной разности потенциалов масса уско-
ряемой частицы начинает нарастать.
Самая легкая заряженная частица, которая может
быть ускорена, — это электрон. У него наибольшее из
всех атомных частиц отношение электрического заряда е
к массе т. В электрическом поле он приобретает боль-
шую скорость, чем всякая другая частица. Пройдя раз-
ность потенциалов в один вольт, электрон приобретает
скорость 600 км/сек. В телевизионных приемниках на
электронно-лучевые трубки подается около 10 тыс. в.
При таком напряжении электроны летят со скоростью
почти в 60 тыс. км/сек, что составляет Vs скорости света.
Испускаются электроны и при естественном распаде
некоторых радиоактивных ядер. Потоки таких электро-
нов 'получили в свое время 1 название бета-лучей.
И в настоящее время быстрые электроны часто назы-
вают бета-частицами.
Электрон — не только самая легкая атомная частица,
но 'по сравнению с нуклонами она, если можно так выра-
зиться, еще и «рыхлая». Плотность материи в электроне
меньше, нежели в протоне. Если нуклон сравнить со
свинцовой дробинкой, то электрон можно представить
как комок ваты.
Когда электрон летит через вещество, то он «цепляет-
ся» за электронные оболочки атомов, рассеивается ими
и растрачивает при этом свой запас энергии. Для мно-
гих опытов необходимо вести обстрел исследуемого ве-
щества не электронами, а более плотными и тяжелыми
частицами — атомными ядрами.
Самое легкое из всех атомных ядер — это ядро обыч-
ного водорода — протон. Его электрический заряд по ве-
1 IB начале нашего века, вскоре после того, как был открыт
радий.
31* 483
личине такой же, как у электрона. Но масса почти
в 2 тысячи раз больше, чем у электрона. Поэтому под
действием одних и тех же электрических сил протон дви-
жется медленнее, чем электрон. При низких ускоряющих
потенциалах протоны движутся примерно в 42 раза мед-
леннее электрона L При высоких потенциалах скорости
протонов, так же как и скорости электронов, приближа-
ются к скорости света.
Помимо обычного легкого водорода, у которого ядра
состоят из одного-единственного протона, существует
еще тяжелый водород — дейтерий. Его ядра (дейтоны
или дейтроны) состоят из одного протона и одного ней-
тройа и также очень часто применяются для ядерной
бомбардировки.
Следующий за водородом элемент в периодической
системе Менделеева — это гелий. Его ядра состоят из
двух протонов и двух нейтронов. Это самое устойчивое
образование из нуклонов.
При распаде ядер многих радиоактивных элементов
из них вылетают ядра гелия — гелионы. В свое время,
когда одновременно с бета-излучением было обнаруже-
но и это излучение и не было еще установлено, что это ядра
гелия, они получили название альфа-частиц. Такое наз-
вание сохранилось за ними и поныне. Альфа-частицы,
так же как электроны, протоны и дейтоны, могут быть
ускорены до высоких энергий и использованы для раз-
рушения ядер.
Кроме названных ионов водорода и гелия, для бом-
бардировки ядер иногда применяются и другие, более
тяжелые ионы.
Необходимо заметить, что любая движущаяся эле-
ментарная частица сопровождается волной. Можно да-
же выразиться так: любая движущаяся частица облада-
ет одновременно и свойствами частицы и свойствами
волны. Волновая механика дает уравнение для определе-
ния длины этой волны: 'K = hlmv, где h — это некоторая
постоянная величина, называемая «постоянной Планка».
Чем больше скорость частицы v и ее масса /и, тем
короче длина волны, соответствующая этой частице.
На рис. 10-2 показано, как меняются масса частицы
1 При всех прочих равшых условиях скорости электронов -и про-
тонов относятся обратно пропорционально кормю квадратному из
их масс.
484
Рис. 10-2. Изменение свойств частиц с повышением их
скорости.
а — зависимость массы электрона и некоторых ионов от их энергии
(в эдектроновольтах);
зависимость длины волны, сопровождающей электрон и неко-
торые ионы, от энергии этих частиц.
и длина волны, соответствующая этой частице, с увели-
чением энергии.
В микромире электронов и атомных ядер многие при-
вычные, казалось бы, очевидные, понятия нуждаются
в пересмотре или могут быть применены только с ого-
ворками. Мы можем точно указать размер мяча или
485
дробинки, так как эти предметы имеют четко обозначен-
ную поверхность, на которой плотность материи резко
изменяется. А в комке ваты или в клубах пара, напри-
мер, нет такой четко обозначенной поверхности. Здесь
надо условливаться, что именно следует считать «раз-
мером» (например, расстояние, на котором плотность
упадет до некоторой заданной величины). В атомной
частице при удалении от центра плотность материи па-
дает плавно, постепенно: четко обозначенной «•поверх-
ности» у этой частицы нет. В этом отношении ее можно
сравнить скорее с клубом пара, чем с дробинкой.
Сделав это разъяснение понятия «размер атом'ной ча-
стицы», укажем на замечательную особенность микро-
мира: с приобретением энергии атомная частица стано-
вится тяжелее и вместе с тем все компактнее, все мень-
шего «размера». С повышением энергии частица как бы
сжимается. Электрон с высокой энергией становится та-
ким же плотным, как и протон.
У всех атомных частиц, обладающих большими энер-
гиями, скорость достигает скорости света, масса увели-
чивается, а длина волны становится малой по сравнению
не только с размерами -сложного ядра, но и единичного
«малоэнергичного», т. е. имеющего небольшую скорость
нуклона. Чем выше энергия частицы, тем более тонким
зондом она является, и ею можно «прощупывать» внут-
реннюю структуру нуклона. Вот почему физики стремят-
ся получать" частицы со все большими энергиями.
Для протона с энергией в один миллиард электроно-
вольт (1 000 Мэв) длина волны . X^ilO-14 сантиметра.
Протон с такой или еще большей энергией, пронизывая
атомное ядро, взаимодействует уже не со всем ядром,
а с одним отдельным нуклоном.
Используя частицы таких высоких энергий, удалось
установить, что и в нуклонах материя распределена не-
равномерно, что нуклон по своему -строению несколько
напоминает вишню: более плотная сердцевина (косточ-
ка) окружена менее плотной оболочкой (мезонными об-
лаками).
10-3. Гонки в безвоздушном пространстве
Когда проводят соревнования по бегу, то посторон-
нюю публику на беговую дорожку не допускают. Чтобы
дать возможность спортсмену показать хороший резуль-
486
тат, прежде всего надо Освободить пространство для
бега. В толпе невозможно развить большую скорость.
Подобным образом поступают и при ускорении эле-
ментарных частиц. В каждом кубическом сантиметре
воздуха при атмосферном давлении и комнатной темпе-
ратуре находится 2 • 1019 молекул. Если через воздушное
пространство пропускать поток электронов, то свобод-
ный пробег каждого электрона от одного соударения
с молекулой воздуха до другого не будет превышать
стотысячных долей миллиметра. Свободный пробег круп-
ных ионов еще короче. При каждом столкновении с мо-
лекулой электрон или ион теряет часть энергии. Поэто-
му заряженные частицы ускоряют в камерах, из которых
тщательно выкачивают воздух. Пространство с разре-
женным газом называют вакуумом. Если разрежение
так велико, что свободный пробег электронов или ионов
становится больше размеров камеры, то такое разреже-
ние называют «высокий вакуум».
Например, при обычном для ускорительных камер
давлении в одну миллиардную долю атмосферного
(10-6 мм рт. ст.) свободный пробег электрона от одного
столкновения до другого составляет около 300 м. Но на-
до заметить, что и при таком высоком вакууме в каж-
дом кубическом сантиметре ускорительной камеры еще
остается около 1010 молекул газа.
Приборы с высоким вакуумом широко распростране-
ны в современной технике. К ним относятся все элек-
тронные лампы, имеющие вакуумнепроницаемую (стек-
лянную, керамическую, металлическую) оболочку. Высо-
кое разрежение, созданное в них на заводе, сохраняется
затем после запайки в продолжение всего времени их
работы, часто в течение многих лет.
Ускорительные камеры имеют значительно большие
размеры. Их объем иногда достигает десятков кубиче-
ских метров. Кроме того, для ввода в вакуумное про-
странство различных деталей (мишеней, вспомогатель-
ных электродов) в стенках камер предусматриваются
люки и шлюзы. В подобных конструкциях трудно соз-
дать длительный вакуум и избежать натекания газов
извне. Поэтому они снабжаются мощными насосами, ко-
торые непрерывно работают, удаляя посторонние газы.
Иногда стенки ускорительных камер делаются двойны-
ми, и из промежуточного пространства между стенками
487
также непрестанно откачивают просачивающиеся туда
газы.
* *
*
Однако убрать посторонние газы из пространства, где
ускоряются ионы или электроны, еще не все. Необходи-
мо к тому же так организовать движение заряженных
частиц внутри ускорительной камеры, чтобы они нигде
не ударялись о ее стенки и не выбывали из дальнейшего
процесса ускорения.
Заряженные частицы должны двигаться узким пото-
ком внутри камеры, не касаясь ее стенок. Чтобы органи-
зовать такое движение, нужно внутри ускорительной
камеры создать электрические и магнитные силы соот-
ветствующей величины и направления.
10-4. Магнитное управление
Электрические силы Либо притягивают, либо оттал-
кивают заряженную частицу. Электроны, например, ле-
тят от отрицательного полюса к положительному; поло-
жительно заряженные ионы, наоборот, — от положитель-
ного к отрицательному. Но всегда электрические силы
направлены «в лоб» заряженным частицам. Иначе дей-
ствуют на них магнитные силы. Когда ионы или элек-
троны движутся вдоль линий магнитных сил, то они во-
обще не испытывают никакого воздействия. Если же их
движение совершается поперек направления магнитных
силовых линий, то они испытывают боковое давление.
Магнитные силы отклоняют заряженную частицу от ее
начального направления, не меняя при этом, однако, ни
ее скорости, ни ее запаса энергии. Чем сильнее магнит-
ное поле, тем круче заворачивается, искривляется путь
заряженной частицы. Электроны или ионы могут опи-
сывать дуги, петли и опирали.
Если соблюдены следующие условия: магнитное поле
совершенно однородно, заряженная частица влетает
в это поле строго перпендикулярно магнитным линиям,
и в пределах магнитного поля электрическое поле не
действует, то при этих условиях заряженная частица опи-
шет точную окружность. Радиус R этой окружности
прямо пропорционален массе т и скорости частицы и и
обратно пропорционален напряженности магнитного по-
ля Я и электрическому заряду частицы е:
488
p — mv
K — He'
Пути легких частиц (не очень быстрых электронов)
круче изгибаются в магнитных полях, чем пути тяжелых
ионов.
Время, в течение которого частица совершает полный
оборот по своему круговому пути, определяется форму-
лой
При данном радиусе орбиты R время обращения тем
меньше, чем выше скорость частицы v. Если же части-
цы движутся в магнитном поле неизменной напряжен-
ности Я, то радиус орбиты растет с ростом энергии ча-
стицы, а время обращения увеличивается соответственно
увеличению массы т.
Магнитное управление потоками заряженных частиц
применяется во многих электровакуумных приборах:
в электронно-лучевых трубках телевизионных приемни-
ков, в электронных микроскопах, в электронных генера-
торах сантиметровых волн — магнетронах, широко ис-
пользуемых в радиолокационных установках, а также
в ряде других типов электронных ламп.
При помощи различных проводников, витков и ка-
тушек с током можно создавать магнитные поля различ-
ной структуры. Эти поля, воздействуя на поток заряжен-
ных частиц подобно тому, как действуют линзы, призмы
и зеркала на световые лучи, могут изменять направление
потока заряженных частиц и поворачивать этот поток
в любом требуемом направлении. Соответственно 'подо-
бранные поля фокусируют поток электронов или ионов,
уменьшают его поперечные размеры, стягивают этот
поток в тонкую нить.
Внутри ускорительной камеры магнитные поля могут
создать как бы незримые стены. Электроны или ионы,
«отбившиеся от стада», налетая на эти магнитные пре-
грады, заворачивают обратно, присоединяются к общему
потоку.
10-5. «Электрические горы»
Электрическое напряжение между электродами уско-
рителя соответствует высоте горы в механической анало-
гии, Чем выше напряжение — «электрическая гора», тем
489
большую энергию приобретает слетевший с нее «электри-
ческий снаряд».
Однако трудности, возникающие при сооружении ис-
кусственных электрических гор — высоковольтных уста-
новок, иные, чем те, которые приходится преодолевать
строителям мачт, башен или других высотных сооруже-
ний. Предел повышению электрического напряжения
устанавливает пробой изоляционных материалов, кото-
рые применяются ‘.при сооружении высоковольтных уста-
новок.
Естественнее всего воспользоваться в качестве изо-
лирующей среды воздухом. Но как электроизолирующий
материал он сравнительно непрочен.
Так, при нормальном атмосферном давлении и обыч-
ной температуре воздушный зазор в один сантиметр про-
бивается при напряжении в 30 тыс. в; во многих же кон-
струкциях пробой начинается уже при 3—5 тыс. в на
1 см.
Понятие «высокое электрическое напряжение» отно-
сительно. В конце прошлого века очень высоким счита-
лось напряжение в несколько тысяч вольт. Первые ядер-
ные реакции были получены при бомбардировке ядер
протонами, ускоренными до сотен тысяч электроновольт.
С этого времени начинается интенсивное строительство
сверхвысоковольтных электрических установок для ядер-
ных исследований. Конструкторы столкнулись со мно-
гими трудностями. При напряжении в несколько миллио-
нов вольт электрические заряды стекают с любого острия,
выступа, неровности, и чем выше напряжение, тем ин-
тенсивнее происходит утечка. Чтобы ее предотвратить,
надо делать радиусы закруглений высоковольтных элек-
тродов тем большими, чем выше напряжение хотят по-
лучить на этих электродах. Проводник, находящийся
в воздухе под напряжением 3—4 млн. в, должен иметь
радиусы закруглений не меньше 5 м. Если это шар, то
его диаметр будет равен 10 м и он должен быть удален
от земли на расстояние не менее 10 м. Для размеще-
ния такой высоковольтной установки необходим зал пло-
щадью около 1 000 м2 и высотою не менее 30 м. Подоб-
ные установки размещались, например, в ангарах для
дирижаблей.
Известно, что электрическая прочность газа растет по
мере повышения его давления. При 20 ат высоковрльт-
490
ные установки могут работать с .напряженностью элек-
трического поля до 50 тыс. в на 1 см.
В 30-х годах высоковольтные установки вместе с ва-
куумными ускорительными трубками стали заключать
в прочные стальные резервуары, куда накачивался под
давлением сухой воздух, азот или специальные газы,
обладающие повышенной электрической прочностью.
Но и этот прием не позволяет далеко идти по пути по-
вышения рабочего напряжения ускорительных уста-
новок.
Размеры высоковольтных установок с изоляцией из
сжатого газа растут с повышением напряжения так же,
как размеры установок, работающих на воздухе без дав-
ления. А чем больше диаметр стального резервуара и
чем больше давление газа в тем, тем большую толщину
должны иметь его стенки и тем больше высококачествен-
ной стали необходимо затратить на изготовление этого
резервуара.
На современном уровне техники несколько миллио-
нов вольт — это предел для высоковольтных установок
с изоляцией из сжатого газа.
Несколько миллионов вольт — вот предельная высота
тех искусственных «электрических гор», с которых мож-
но скатывать снаряды для бомбардировки ядер атомов.
♦ *
*
Но вот «электрическая гора» сооружена. Как же
втаскивать на нее заряды, которые должны затем
низвергнуться по ускорительным трубкам?
Начиная с 20-х годов, для получения высоких напря-
жений предлагались различные электрические схемы и
разнообразные конструкции. Строились высоковольтные
трансформаторы низкой частоты, трансформаторы высо-
кой частоты (трансформаторы Тесла), различные кон-
денсаторные схемы, разнообразные электростатические
генераторы. Многое из того, что вселяло самые радуж-
ные надежды, сейчас безнадежно устарело и не приме-
няется. Рассмотрим современные высоковольтные уста-
новки, которые используются при ядерных исследова-
ниях. Но перед этим расскажем об одной попытке вос-
пользоваться, так сказать, природной электроэнергией
для атаки ядра.
491
10-6. Молния
С 1928 по 1933 г. производились попытки приручить
молнию, заставить ее вести атаку ядра.
На горе Дженерозо в Швейцарских Альпах физики
Браш, Ланге и Урбан подвесили между скалами на вы-
соте 80 м длинную антенну — проволочную сетку-гамак,
изолированную при помощи гирлянд изоляторов. По
мысли авторов проекта, на антенне должны были соби-
раться огромные заряды атмосферного электричества и
создавать высокое напряжение. Это напряжение они ду-
мали приложить к вакуумной трубке для ускорения про-
тонов.
При некоторых опытах на антенне-гамаке скаплива-
лось достаточно зарядов, чтобы вызвать искры длиною
в 4,5 м. Предполагалось, что при этом возникает на-
пряжение до 10 млн. в.
Но высокое напряжение на огромной антенне получа-
лось нерегулярно. Приходилось подолгу ждать соответ-
ствующего состояния атмосферы. Один из ученых (Курт
Урбан) был убит при этих опасных опытах. Ловля мол-
ний— это был романтический, но, увы, мало давший
науке эпизод из истории штурма атомного ядра.
10-7. Перенос зарядов на ремнях
Известно множество разнообразных технических спо-
собов получения сверхвысоких напряжений. Старейший
из них — это механическое перетаскивание зарядов.
Электрические заряды поднимаются при помощи ремней
к высоковольтному электроду, подобно тому, как на
механизированных лыжных трамплинах 'поднимают
спортсменов на вершину.
Еще в прошлом веке, до того как возникла про-
мышленная электротехника, существовали конструкции
высоковольтных генераторов, в которых заряды перено-
сились вращающимися изоляционными дисками.
В 1925 г. -профессор Б. И. Угримов опубликовал дан-
ные о высоковольтном генераторе с движущейся лентой,
который он построил и исследовал в лаборатории Мо-
сковского высшего технического училища.
Американский физик Ван-де-Грааф один из первых
оценил возможности этих генераторов для питания уско-
492
ритёльных трубок. По его .почину такиё генераторы щц*
роко распространились в лабораториях для ядерных ис-
следований. На рис. 10-3 показана принципиальная схе-
ма подобного генератора.
Рис.
СКОГО
напряжения. Электрические заря-
ды переносятся при помощи ремня
из изоляционного материала.
10-3. Схема электростатиче-
генератора сверхвысокого
У заземленного полюса генератора на непрерывно
движущийся ремень наносятся электрические заряды.
Эти заряды доставляются
ремнем к высоковольтно-
му электроду — полому
шару, внутри которого
они снимаются с ремня.
Иногда здесь не только
снимаются те заряды, что
пришли от заземленного
полюса, но еще и насажи-
ваются на ремень заряды
противоположного знака.
Последние затем перено-
сятся к заземленному по-
люсу. Такая перезарядка
ремня при прочих равных
условиях позволяет не-
сколько увеличить силу
тока генератора.
Величина тока, кото-
рый можно получить от
генераторов типа Ван-де-
Граафа, зависит от ско-
рости движения ремня и
от его ширины. В неко-
торых конструкциях при-
меняют не один, а не-
сколько параллельно ра-
ботающих ремней. И все
же сила тока подобных генераторов не превышает обыч-
но одного миллиампера — тысячной доли ампера.
При работе установки быстро движущийся ремень
трется о воздух или другой газ, в котором работает
электростатический генератор. На преодоление сил этого
трения затрачивается значительная часть мощности при-
водного двигателя. Кроме того, мощность тратится так-
же на преодоление трения в подшипниках и направляю-
щих валиках. Вследствие всех этих потерь коэффициент
493
полезного действия генераторов с переносом зарядов
ремнями не превышает 20%.
Вместо ремней из изоляционного материала предла-
галось применять для переноса электрических зарядов
струи запыленного газа, в котором заряды насаживались
бы на пылинки и вместе с ними -перемещались бы к со-
бирающему электроду; предлагалось применять для этой
цели струи мокрого пара, увлекающие ионы и заряжен-
ные капельки. В 30-х годах автор проводил опыты с па-
рортутиыми (ионно-конвекционными) и пылевыми гене-
раторами. Подобные генераторы исследовались и в дру-
гих странах. Однако практического, применения эти ге-
нераторы пока не получили.
Помимо механических способов переноса зарядов,
для получения сверхвысоких напряжений применяются
различные электрические методы, основанные на исполь-
зовании так называемых каскадных схем преобразова-
ния тока.
10-8. Каскады
В технике каскадными устройствами называют та-
кие системы машин, аппаратов, приборов, в которых
осуществляется последовательный ход каких-либо физи-
ческих или технологических процессов. С давних пор
известно, например, каскадное включение насосов. При
сравнительно небольшом давлении в каждой ступени
можно поднимать воду на большую высоту.
Источники высокого напряжения (и постоянного, и
переменного тока), состоящие из низковольтных каска-
дов, применяются в электротехнике уже с конца прош-
лого века. Есть много вариантов каскадных выпрями-
тельных схем умножителей напряжения (или каскад-
ных генераторов, как их иногда называют) для превра-
щения переменного тока в постоянный высокого напря-
жения.
В каждой ступени многокаскадной выпрямительной
схемы можно применять относительно низкое напряже-
ние и, следовательно, использовать для выпрямления
этого напряжения слабые, сравнительно низковольтные
электрические клапаны (вентили). Электрические заря-
ды в многокаскадных схемах передаются с каскада на
каскад подобно тому, как перекачивается вода в пока-
занных на рис. 10-4 многокаскадных насосах. Включая
494
достаточно большое количество электрических каскадов,
можно получать любое высокое электрическое напряже-
ние, какое только способна выдержать изоляция высо-
ковольтной установки.
<5>
Рис. 10-4. Старинные многокаскадные устройства.
а — машина для поднятия воды. Из сочинения Джеронимо Кардано
(1501—1576 гг.); б — машина для выкачивания воды из шахт. Из сочи-
нения М. В. Ломоносова (1711—1765 гг.) «Первые основания металлур-
гии» (1763 г.).
Первая ядерная реакция с протонами, ускоренными
в вакуумной трубке, была получена в лаборатории Ре-
зерфорда в Англии на установке, в которой к ускори-
тельной трубке прикладывалось высокое напряжение,
полученное от каскадного выпрямителя (рис. 10-5).
Для всех каскадных устройств характерно то, что
в них всегда имеется какое-либо приспособление для
495
подвода энергии к отдельным каскадам — имеется «энер-
гоподвод» вдоль всей цепочки каскадов.
В водоподъемных каскадных насосах системы Карда-
но таким энергоподводом является вращающийся вал.
В насосах, показанных в книге Ломоносова «Первые ос-
нования металлургии», энергия
к отдельным каскадам подводит-
ся от штока, который движется
возвратно-поступательно.
И в электрических каскадах
источников высокого напряжения
также применялся иногда меха-
нический способ подвода энергии
к отдельным каскадам. Была, на-
пример, сооружена установка,
в которой длинным валом, изго-
товленным из изоляционного ма-
териала, соединялся ряд электри-
ческих машинных генераторов.
Рис. 10-5. Схема выпрямительного кон-
денсаторного каскада.
Две колонны последовательно соединенных
конденсаторов соответствуют расположенным
друг над другом промежуточным резервуарам
в многокаскадных водяных насосах. Между
конденсаторами включены электрические вен-
тили, через которые электрические заряды пе-
редаются из конденсатора в конденсатор.
Во время одного полупериода питающего пе-
ременного тока электрические заряды перете-
кают от правых конденсаторов к левым;
в другой полупериод заряды протекают от ле-
вых конденсаторов к правым. В итоге каждый
из конденсаторов оказывается заряженным до
напряжения, равного амплитуде питающего
переменного напряжения U. Если в каждой из
колонн последовательно включено п конденса-
торов, то результирующее напряжение между
землей и высоковольтным электродом (верх-
ним шаром) будет равно nU.
Например, при напряжении питания 100 кв и
при 20 каскадах результирующее напряжение
будет равно 2 млн. в.
Во избежание пробоев каждый последующий генератор
изолировался от земли до более высокого напряжения,
чем предыдущий. И каждый из них питал током только
свое звено каскада.
Более совершенными являются не механические,
а электрические способы питания каскадов.
496
Можно, например, передавать
энергию с помощью переменного
электрического поля через цепоч-
ку конденсаторов. Конденсаторы
являются изоляторами для по-
стоянного напряжения, но хорошо
пропускают через себя перемен-
ное, которым питаются каскады.
Конденсаторные каскадные
преобразователи были примене-
ны в лаборатории Резерфорда и
продолжают широко применять-
ся в настоящее время.
Изолированные друг от друга
каскады можно связать не толь-
ко электрическим, но и магнит-
ным переменным потоком. Авто-
ром разрабатывался ряд кон-
струкций такого типа. Строились
устройства, в которые включа-
лись последовательно сотни от-
дельных каскадов. На рис. 10-6
показана упрощенная принципи-
альная схема многокаскадного
выпрямителя с электромагнит-
ной связью отдельных каскадов.
Здесь представлена колонна из
плоских катушек. Все катушки
пронизываются общим перемен-
ным высокочастотным электро-
магнитным потоком. Этот поток и
накачивает энергию в изолиро-
ванные одна от другой катушки.
Электрические вентили, присо-
единенные к катушкам, выпрям-
ляют переменное напряжение.
Выпрямленные напряжения от-
дельных каскадов складываются,
образуя суммарное высокое на-
пряжение.
Катушки обычно занимают
меньший объем и стоят дешевле,
нежели конденсаторы такой же
32 Г. И. Бабат
Рис. 10-6. Схема много-
каскадного высокочастот-
ного высоковольтного
преобразователя с индук-
тивной связью между
каскадами.
Переменный магнитный по-
ток пронизывает систему
расположенных одна над
другой и изолированных
друг от друга катушек. На-
пряжение каждой катушки
выпрямляется при помощи
вентилей. Выпрямленные на-
пряжения складываются. Ре-
зультирующее напряжение
равно напряжению одиноч-
ной катушки, умноженному
на число катушек.
мощности. В многокаскадном высоковольтном выпрями-
теле с электромагнитной связью хорошо используется
рабочий объем. Такой высоковольтный источник имеет
высокий коэффициент полезного действия и может быть
построен на какую угодно большую мощность.
498
И конденсаторные .и катушечные многокаскадные
установки можно рассматривать как фильтры высоких
частот, которые пропускают переменные токи, но явля-
ются изоляторами для 'постоянного напряжения. Много-
каскадные установки бывают различной конструкции.
Они часто выполняются с обычной воздушной изоляцией,
но могут быть также заключены в .прочную стальную
оболочку, заполненную средой с более высокой электри-
ческой прочностью, нежели воздух при атмосферном дав-
лении, например, сжатым газом, -маслом и т. д.
10-9. Удар работает
Чтобы ускорить высоким напряжением порцию заря-
женных частиц и «дать залп по атомному ядру», доста-
точно несколько миллионных долей секунды. Можно
ускорять электроны или ионы не постоянным высоким
напряжением, а таким, которое создается лишь на корот-
кий миг.
Во многих отраслях техники применяются кратковре-
менно действующие силы — используется явление уда-
ра. Пробить отверстие или забить гвоздь лучше резким
ударом, а не плавным давлением. Электрические гене-
раторы, которые развивают сверхвысокие напряжения
лишь на несколько микросекунд, имеют ряд преимуществ
перед теми генераторами, которые создают длительно
действующее высокое напряжение.
Рис. 10-7. Схема импульсного источника напряжения.
Слева показан процесс зарядки: конденсаторы включены парал-
лельно. От источника переменного напряжения через выпрямитель
(электрический вентиль) и зарядные сопротивления протекает за-
рядный ток. Во всех конденсаторах на левых обкладках скапли-
ваются положительные заряды, а на правых обкладках — отрица-
тельные. Когда напряжение на конденсаторах достигает заданной
величины, искровые промежутки пробиваются и все конденсаторы
оказываются соединенными последовательно: положительная
обкладка первого конденсатора через пробитый (закороченный
искрой) разрядник соединена с отрицательной обкладкой второго
конденсатора, положительная обкладка второго конденсатора со-
единена с отрицательной обкладкой третьего конденсатора и т. д.
Напряжение всех конденсаторов суммируется. Если на каждый
конденсатор подавалось напряжение U, а число конденсаторов п,
то в момент импульсного разряда напряжение, действующее на
ускорительную трубку, будет равно nU.
В СССР был построен ряд крупнейших импульсных генераторов
на. напряжение до 8 млн. в. Запас энергии в применяемых там
конденсаторах достигает сотен киловатт-секунд. Так как эта энер-
гия разряжается в течение миллионных долей секунды, то мгновен-
ная мощность импульсного разряда равна десяткам миллионов
киловатт.
32*
499
В 1914 г. профессор В. К. Аркадьев в Москве приду-
мал новую электрическую схему. В этой схеме группа
конденсаторов заряжается параллельно, а затем при по-
мощи искровых разрядников на миг все эти конденсато-
ры соединяются последовательно и дают «высоковольт-
ный удар».
В настоящее время такие импульсные источники вы-
сокого напряжения применяются на электротехнических
заводах и в лабораториях для испытания изоляторов и
всевозможных высоковольтных аппаратов: выключате-
лей, трансформаторов и т. д. Импульсные конденсатор-
ные источники (импульсные генераторы) строятся на
напряжения до нескольких миллионов вольт. Схема им-
пульсного источника высокого напряжения показана на
рис. 10-7.
В 30-х годах импульсные генераторы высокого на-
пряжения наряду с другими высоковольтными источни-
ками стали применяться для ускорения заряженных ча-
стиц. Были созданы компактные и экономичные установ-
ки, значительно обогатившие ускорительную технику.
Очень ценной особенностью импульсных генераторов
является то, что они могут на короткое время (в импуль-
се) развивать колоссальные мощности — в сотни тысяч
и в миллионы киловатт. Средняя же мощность питания
этих генераторов может быть относительно малой —
в тысячи раз меньше импульсной. Это свойство импульс-
ных схем весьма ценно не только для метода прямого
ускорения заряженных частиц высоким напряжением, но
и в устройствах, где высокие энергии заряженным части-
цам сообщаются косвенным шутем, без применения высо-
ких напряжений. В частности, импульсные генераторы
применяются для питания так называемых линейных
ускорителей, которые будут описаны ниже.
10-10. Высокие энергии без высоких напряжений
Высоковольтная установка любого типа, любой кон-
струкции не может дать напряжение больше нескольких
миллионов вольт. А этого едва достаточно, чтобы вызвать
некоторые наиболее легко осуществимые ядерные реак-
ции. Для детального же изучения структуры атомного
ядра необходимо бомбардировать его заряженными ча-
стицами с энергиями, в тысячи раз большими, чем те, ко-
торые можно получать на высоковольтных установках.
500
Атака атомного ядра при помощи снарядой, ускорен-
ных на высоковольтных установках, может вестись толь-
ко до определенного рубежа. Дальнейшее продвижение
в глубы структуры ядра требует во много крат более
«энергичных» снарядов. Это стало ясно уже в 20-х годах,
когда высоковольтные установки еще далеко не достиг-
ли своего предела и продолжали интенсивно развиваться.
Уже тогда прозорливые исследователи видели предел
роста напряжений в высоковольтных установках и пред-
лагали обходные 'пути для дальнейшей атаки атомного
ядра. Были, в частности, предложены методы получения
заряженных частиц высоких энергий без применения вы-
соких напряжений для их ускорения. Сущность этих ме-
тодов заключалась в многократном воздействии на заря-
женные частицы относительно низким ускоряющим на-
пряжением.
Высоковольтные установки продолжают строиться и
сейчас на все большие мощности и на все большие токи.
Эти установки широко используются для различных ис-
следований в области ядерной физики, а также для соз-
дания новых технологических процессов в промышлен-
ности (радиационная химия, стерилизация и т. д.).
Но важнейшим инструментом современной ядерной
экспериментальной физики являются ускорители, в ко-
торых нет сверхвысоких электрических напряжений,
а заряженные частицы в них тем не менее приобретают
энергии уже не в миллионы, а в миллиарды электроно-
вольт. В вакуумных камерах этих ускорителей действу-
ют электромагнитные вихри и высокочастотные электро-
магнитные поля. В игре с электромагнитными волнами
заряженные частицы приобретают колоссальные энергии.
10-11. Вихрь вместо горы
Помешайте чай в стакане. Образуется воронка —
вихрь. Вихрь увлекает, ускоряет чаинки, крупинки са-
хара. Но это ускорение происходит иначе, чем ускоре-
ние под действием силы тяжести — при падении, на-
пример, тела с вершины горы.
У вихря нет ни вершины, ни подножья. У него нет ни
начальных, ни конечных точек. Вихрь подхватывает пред-
мет, который в него попадает, и все кружит и кружит его
по замкнутому пути.
501
Всякое изменение Магнитного поля во времени созда-
ет (индуктирует) электрический вихрь. В ускорительной
камере в безвоздушном пространстве также можно соз-
дать электрический вихрь — электрические силы, кото-
рые не будут иметь ни начала, ни конца на электродах,
а будут действовать по замкнутому пути. И этот электри-
ческий вихрь будет кружить, ускорять попавшую в него
заряженную частицу.
Если через катушку из проволоки пропускать посто-
янный ток, то внутри катушки возникнет постоянный
магнитный поток. Но если силу тока изменять, то будет
меняться и магнитный поток. Внутри катушки и вокруг
нее возникнут электрические вихри. Такие вихри суще-
ствуют во всех трансформаторах переменных токов: и
в тех, что снабжены сердечниками из нажимных мате-
риалов (низкочастотные трансформаторы), и в тех, что
не имеют сердечников (высокочастотные трансформа-
торы).
Электрические вихри успешно применяются для уско-
рения электронов.
Из изоляционного материала (керамики, стекла) де-
лают кольцевую трубку, попросту говоря, большой буб-
лик, из которого тщательно выкачивают воздух
(рис. 10-8). Над этой вакуумной камерой и под ней рас-
положены катушки, витки которых параллельны кольце-
вой ускорительной камере. Через катушки пропускают
сильный переменный ток. Он возбуждает электрический
вихрь внутри вакуумного бублика. В этом же бублике
находится раскаленный катод, испускающий электроны.
Электрический вихрь (взаимодействие электрических и
магнитных сил) увлекает их и заставляет двигаться по
круговым путям. Как волчок, подстегиваемый хлыстом,
крутится все быстрее и быстрее, так и электроны, увле-
каемые нарастающим электромагнитным полем, с каж-
дым оборотом увеличивают свою скорость. При каждом
обороте сгусток электронов получает небольшую порцию
энергии — всего несколько единиц электроновольт. Но
электроны летят со скоростью, близкой к скорости све-
та. И за короткое время одного полупериода переменно-
го тока, питающего катушки этого ускорителя, они успе-
вают сделать много тысяч оборотов и набрать большую
энергию. Электроны проходят за один полупериод пере-
502
менного тока огромный путь и разгоняются так, словно
скатились с «электрической горы» высотой в несколько
десятков миллионов вольт.
Электрический вихрь увлекает электроны в одну сто-
рону только в течение одного полупериода переменного
Рис. 10-8. Схема вихревого ускорителя электронов — бета-
трона.
В тороидальной вакуумной камере помещаются источник электро-
нов (раскаленный катод) и мишень, о которую электроны должны
удариться после цикла ускорения. Вакуумная ускорительная каме-
ра помещена между полюсами магнита переменного тока. Полюс-
ным наконечникам магнита придана коническая форма, благодаря
чему с увеличением радиуса плотность магнитного потока слабеет
и магнитные силовые линии имеют выпуклость наружу. Такая
форма магнитных силовых линий обеспечивает вертикальную устой-
чивость ускоряемого сгустка электронов. Для обеспечения радиаль-
ной устойчивости электронов на орбите необходимо, чтобы напря-
женность магнитного потока спадала не слишком быстро с увели-
чением радиуса.
тока, пока изменение тока идет в одну сторону —ска-
жем, от максимального отрицательного значения к ма-
ксимальному положительному. Затем в следующий полу-
период, когда ток начинает изменяться в другую сторо-
ну, возникает вихрь противоположного направления. Он
будет тормозить электроны, которые были ускорены
в предыдущем периоде. Поэтому в конце каждого полу-
цериода ускорения электроны надо убирать «с их круго-
503
вой орбиты. Для этого в вихревом ускорителе имеется
вспомогательная электрическая цепь. В конце каждого
цикла ускорения .при помощи этой цепи дается боковой
толчок уже ускоренным электронам. Они срываются
с круговой орбиты и летят в сторону, где ударяются
о мишень, изготовленную из вещества, ядра которого
подвергаются бомбардировке электронами.
Если вихревой ускоритель питается током с частотой,
скажем, 50 гц, то 50 раз в секунду в мишень ударяет
порция ускоренных электронов.
10-12. Бетатрон
Вихревые (индукционные) ускорители обычно назы-
ваются бетатронами, так как в них получаются быстрые
электроны — бета-частицы. Иногда их зовут реотронами
(от греческого слова «рео» — вращать). Можно еще на-
звать эти ускорители трансформаторами без вторичной
обмотки. Вращающийся сгусток электронов приобретает
в них такую же энергию, какую получил бы он, двигаясь
между полюсами трансформаторной катушки, у которой
число витков равно числу оборотов, сделанных электрон-
ным сгустком в вакуумной камере за один цикл уско-
рения.
Чтобы добиться хорошей работы вихревого ускорите-
ля, надо соблюсти условия устойчивого движения элек-
тронов. Вопрос об устойчивости движения электронов и
ионов — один из важнейших разделов теории ускорите-
лей заряженных частиц. Мы еще вернемся к рассмотре-
нию этих условий. Пока же приведем только такой про-
стейший пример.
На мототреках дорожки для мотоциклетных гонок
должны иметь на поворотах определенный наклон. Если
этот наклон сделан неправильно, то мотоциклист может
вместе с машиной сорваться с дорожки. Круговое дви-
жение электронов в бетатроне направляется магнитными
силами. Если форма и густота магнитных силовых ли-
ний, пронизывающих ускорительную вакуумную камеру,
подобраны правильно, то электронный сгусток будет
удерживаться на оси камеры. При неправильной струк-
туре магнитного поля электроны станут срываться с кру-
говой орбиты после немногих оборотов и, не набрав тре-
504
буемой скорости, будут ударяться о стенки камеры и вы-
ходить из игры.
Описанный вихревой индукционный ускоритель не-
пригоден для ускорения положительных ионов (прото-
нов, дейтронов, альфа-частиц и т. д.). В этом ускорителе
электромагнитный вихрь существует относительно ко-
роткое время, и такая тяжелая инертная частица, как
протон, не говоря уже о еще более тяжелых дейтронах
и альфа-частицах, за это время не успеет набрать сколь-
ко-нибудь значительной скорости.
И электроны также не могут быть ускорены в бета-
троне до очень больших энергий. Предел наращиванию
энергии кладет то обстоятельство, что электроны, дви-
жущиеся по кругу, сами излучают электромагнитные
волны и растрачивают свою энергию.
Подобно тому как корабль должен затрачивать тем
большую мощность на преодоление порожденных им «са-
мим волн (так называемых «спутных» волн), чем боль-
ше скорость его хода, так и к сгустку электронов, чтобы
поддержать их движение по кругу, надо прикладывать
тем большие электрические силы, чем выше энергия этих
электронов. Когда энергия, теряемая на излучение сгуст-
ком электронов за один оборот, становится равной энер-
гии, приобретаемой этим сгустком, дальнейшее ускоре-
ние электронов прекращается. Практически предел энер-
гии электронов в бетатроне — около 100 млн. эв.
Когда ускоренные в бетатроне электроны ударяются
о мишень, то возникает электромагнитное излучение
с очень короткой длиной волны — «жесткое» рентгенов-
ское излучение, или, как его еще называют, «гамма-излу-
чение». Такое излучение способно проникать через слой
стали толщиной в десятки сантиметров и применяется
в промышленности для обнаружения скрытых дефектов
в стальных изделиях.
В исследовательских лабораториях, в промышленных
установках применяются различные типы бетатронов на
энергии от 5 до 100 млн. эв.
Значительно больше энергии, чем в бетатроне, можно
сообщить как электронам, так и положительным ионам
с помощью ускорителей, в которых применяются токи
высокой частоты. В них используется принцип резонан-
са — отзывчивости.
505
10-13. Принцип отзывчивости
Слабыми, но много раз повторяемыми толчками можно
раскачать тяжелые качели. Надо только, чтобы все от-
дельные толчки действовали согласованно, в такт. Такое
согласование между собственными колебаниями какой-
либо системы (в нашем примере — качелей) и воздей-
ствующей на нее силой принято называть резонансом.
В переводе с латинского оно обозначает «отзывчивость».
Это явление обнаружили впервые музыканты. Они за-
метили, что струна отзывается на колебания другой, со-
ответствующим образом настроенной.
В прошлом веке открыли явление резонанса и в (ра-
диотехнике. Благодаря резонансу радиоволны могут рас-
качать, заставить отозваться надлежаще настроенные
колебательные контуры радиоприемников.
Суммирование многих слабых, но согласованных
толчков может дать огромный эффект. Естественно,
с развитием ускорителей заряженных частиц возникли
мысли применить в этих приборах явление резонанса.
Вместо того чтобы скатить один раз заряженную части-
цу с высокой «электрической горы», можно многократно
подгонять, подталкивать ее относительно небольшим
электрическим напряжением. В конечном счете частица
приобретает такой запас энергии, который соответствует
электрическому напряжению — «электрической горе» во
много миллионов вольт.
Многократное резонансное ускорение заряженных
частиц можно осуществлять различными приемами. Идеи
носились в воздухе начиная с 20-х годов, еще с того вре-
мени, как были проведены первые работы по бомбарди-
ровке атомных ядер естественными альфа-частицами от
радиоактивных веществ. В 30-х годах уже появились
технические проекты и описания лабораторных разрабо-
ток различных систем резонансных многократных уско-
рителей.
История развития резонансных ускорителей заря-
женных частиц — это одна из увлекательнейших глав
истории физики и высокочастотной электротехники. Мно-
гие физики и электрики заслужили на этом поприще «зо-
лотые рыцарске шпоры».
Изобретения различных ученых перекрещивались
и наслаивались самым причудливым образом.
506
В 1922 г. американский исследователь Слепян — на-
учный консультант фирмы «Вестингауз» —предложил
рентгеновскую трубку с вихревым электрическим полем.
Независимо от него в 1927 г. немецкий ученый Видероэ
предложил ускорять электроны индуктированными элек-
трическими вихрями. Такое же -предложение было сдела-
но сотрудником Московского рентгеновского завода про-
фессором Ясинским. Но только в 1940 г. американский
физик Керст построил работающую модель подобного
ускорителя. В 1924 г. шведский ученый Изинг сделал
предложение увлекать заряженные частицы бегущей
электромагнитной волной. Но технических предпосылок
для осуществления подобного предложения в те годы
еще не было.
В годы второй мировой войны для радиолокации бы-
ли разработаны мощные генераторы коротких электро-
магнитных волн и изучены закономерности движения
этих волн по волноводам.
Для нужд электронной микроскопии были разрабо-
таны законы оптики заряженных частиц. Вновь были
выдвинуты предложения ускорять электроны и ионы
короткими электромагнитными волнами и построены
первые работающие модели.
Для целей секретной телефонии разрабатывались
различные методы так называемой фазовой и частотной
модуляции радиосигналов. Эти методы были использова-
ны в циклических ускорителях, появившихся в послево-
енные годы.
И наконец,/в современных мощных ускорителях, соз-
данных в последние годы, — фазотронах, синхроцикло-
тронах (о них будет подробнее рассказано в дальней-
шем) — были применены и методы ускорения частиц
вихревым полем, и коротковолновые импульсные радио-
передатчики, и методы частотной модуляции, и различи
ные приемы электронной оптики, и еще сотни различных
предложений и усовершенствований.
Приоритет трудно установить. Публикации имеют
одну хронологическую последовательность, патенты и
авторские свидетельства (если они выдавались)—дру-
гую, а предварительные расчеты и опыты следовали
в 'совершенно ином порядке. Трудно отделить «техни-
ческий приоритет», который основывается на степени
пригодности данного предложения для немедленного
507
практического шрименения, от того «морального приори-
тета», который основывается на глубине проникновения
в суть (проблемы.
Большое количество названий и терминов, часто при-
меняемых для описания одних и тех же устройств и яв-
лений, является лишь отражением интересов отдельных
лиц, лабораторий, стран.
* *
*
Резонансные явления при ускорении электронов и
ионов до огромных энергий сложнее явлений раскачи-
вания качелей или явлений резонанса в обычных радио-
Источник ионоб
Рис. 10-9. Первоначальная конструкция линейного ре-
зонансного ускорителя.
Система цилиндрических электродов питается от высокоча-
стотного генератора. По оси электродов движутся сгустки
заряженных частиц.
Таким методом можно ускорить как положительно, так и
отрицательно заряженные частицы. Частоты ускоряющего
напряжения и длина электродов так согласованы со ско-
ростью движения заряженных частиц, что, пока они проле-
тают электрод, который притягивал их к себе, полярность
всех электродов изменяется; перед сгустком частиц снова
оказывается увлекающий их вперед электрод, и частицы еще
больше ускоряются.
технических колебательных контурах. В ускорителях
приходится учитывать множество тонкостей, чтобы пра-
вильно организовать взаимодействие электромагнитных
волн и ускоряемых частиц.
Идея резонансного ускорения может быть воплощена
в различные конструктивные формы. На рис. 10-9 пока-
зана одна из первых «по времени конструкций, называе-
мая линейным резонансным ускорителем. На рис. 10-10
дана механическая аналогия принципа действия такого
ускорителя,
508
Рис. 10-10. Механическая аналогия многократного
ускорения заряженных частиц стоячей электро-
магнитной волной,
По платформам катятся слева направо тяжелые шары.
Платформы совершают колебательные движения, все
время перемещаясь вверх — вниз — вверх. Между плат-
формами натянуты гибкие перепонки, по которым скаты-
ваются шары
Показаны четыре последовательных положения плат-
форм: I, II, III и IV.
На верхнем рисунке шар В из желоба вступает на пер-
вую платформу, другой Б катится по второй
Во время движения шаров по платформам последние
поднимаются вверх вместе с шарами. Скорость каждого
шара при этом не меняется; она остается такой же,
с какой шар вступил на платформу.
Шары доходят до края платформ, когда те находятся
в самом верхнем положении, а пустые — в самом ниж-
нем. Скатываясь с верхних на нижние, шары ускоряются.
Затем опустевшие платформы опускаются вниз, а те, по
которым теперь катятся шары, поднимаются вверх.
Скатываясь с платформы на платформу, шары все уве-
личивают и увеличивают свою скорость.
10-14. Океан и линейный ускоритель
В линейном ускорителе заряженные частицы движут-
ся по прямолинейному -пути, отсюда и его 1название. Про-
екты линейных ускорителей предлагались уже упомяну-
тыми физиками: Изингом, Видероэ и американским ис-
следователем Слоаном в 1931 г.
В 1932 г. автор этой брошюры совместно с инжене-
ром И. П. Полевым строили линейный резонансный уско-
ритель в лаборатории ленинградского электровакуумно-
го завода «Светлана».
Мы взяли медную трубу длиною около 2 л, выкача-
ли из нее воздух и попытались пустить внутри этой тру-
бы от одного ее конца к другому электромагнитную вол-
ну. Совместно с волной предполагалось пустить порцию
электронов. Электромагнитная волна должна была увле-
кать за собой электроны, ускорять их движение.
Нас воодушевляли описания океанского прибоя из
рассказов Джека Лондона. В этих рассказах очень кра-
сочно изложено, как у берегов островов Тихого океана
смелые люди, бросив доску на гребень волны, поднима-
лись на ней во весь рост и мчались среди брызг и пены,
непрестанно скатываясь с водяной горы, а волна все
бежала вперед и несла человека все быстрей и быст-
рей L
Другие исследователи, работавшие над линейными
ускорителями, сравнивали их с электромагнитными пуш-
ками, предлагавшимися еще в прошлом веке. В такой
пушке вдоль ствола размещены катушки, в которые по-
очередно посылаются в надлежащие моменты кратковре-
менные импульсы тока. Каждая катушка втягивает (или,
наоборот, выталкивает) летящий по стволу снаряд и
ускоряет его.
Но заставить электроны лететь на скате -волны элек-
трического напряжения не так просто. Первая трудность
заключается в том, что не всякую электромагнитную
волну можно заставить бежать внутри трубы. В трубу
«полезет» лишь такая волна, длина которой или мень-
ше внутреннего диаметра трубы, или только незначи-
тельно превышает его.
1 Такое катание на океанском прибое является и теперь одним
из распространенных видов спорта на побережье Австралии и на-
зывается «сюрфэс».
510
Более Длинная электромагнитная волна не может
распространяться внутри трубы: она очень быстро за-
тухнет. Наша медная труба имела внутренний диаметр
5 см\ в такой трубе могла распространяться электромаг-
нитная волна короче 10 см.
Еще в 1895 г. профессор |П. Н. Лебедев в Москве по-
лучал при помощи искрового разряда волны короче
1 см. Мы надеялись, что таким же искровым разрядом
создадим требуемую для нашего ускорителя электромаг-
нитную волну.
Нам повезло. Наш искровой разрядник заработал
сразу. Мощная электромагнитная волна побежала по
медной трубе. Но увы! — получилась она слишком
длинной и бежала по внешней поверхности. Внутрь тру-
бы ее загнать не удавалось. Когда же мы добились сан-
тиметровой волны, то мощность ее была столь ничтожна,
что нечего было даже (мечтать об ее использовании для
ускорения.
Наша электронная пушка 1932 г. не дала ни одного
залпа по атомному ядру.
Только в годы второй мировой войны были созданы
для нужд радиолокационной техники мощные генерато-
ры сантиметровых волн — магнетроны и клистроны. Те-
перь физики вооружились более совершенной аппарату-
рой. После войны появились первые практические кон-
струкции линейных ускорителей.
10-15. Еще о работе удара
Сильное электрическое поле, ускоряющее частицы
вдоль оси трубы-волновода линейного ускорителя, одно-
временно создает сильные токи в стенках волновода.
Благодаря высокой частоте эти токи сосредоточиваются
в тончайшем (толщиною порядка микрона) поверхност-
ном слое металла. В нем получаются огромные плотно-
сти тока в тысячи ампер на каждый квадратный мил-
лиметр сечения поверхностного слоя.
В медном волноводе происходят большие потери
энергии. Эти потери могут достигать многих тысяч ки-
ловатт на метр длины трубы. Мощность же пучка уско-
ренных частиц обычно не превышает нескольких кило-
ватт. Если включить ускорительную трубу-волновод на
непрерывную работу, то коэффициент полезного дей-
511
Отвия ее составит лишь ничтожные доли процента. Кро-
ме того, до сих пор нет еще генераторов коротких волн,
которые могли бы давать мощность в тысячи киловатт
при непрерывной работе.
Выход из этого положения был найден в импульсном
методе работы. Мощную электромагнитную волну за-
ставляют циркулировать в ускорителе-волноводе не не-
прерывно, а лишь в течение нескольких миллионных до-
лей секунды (микросекунд). Затем дается пауза, дли-
тельность которой в несколько тысяч раз превышает
длительность времени циркуляции волны, потом — но-
вый высокочастотный импульс и снова пауза, и т. д.
Мгновенная так называемая пиковая мощность <во вре-
мя импульса измеряется многими тысячами киловатт,
средняя же мощность, потребляемая ускорителем, ока-
зывается небольшой, и коэффициент полезного действия
его получается высоким.
Один из самых мощных современных линейных уско-
рителей построен в США. Он состоит из медной трубы-
волновода длиною в 66 At и диаметром 7,5 см. В волно-
воде бежит волна длиною 10 см (частота тока 3 мил-
лиарда колебаний в секунду, 3 тыс. Мгц). Эта волна
возбуждается комплектом генераторных приборов (кли-
стронов), которые развивают в толчке (импульсе) мощ-
ности почти в полмиллиона киловатт. При этом напря-
женность электрического поля внутри волновода состав-
ляет более 100 тыс. е на каждый сантиметр пути.
В линейных ускорителях заряженные частицы лишь
один раз проходят от начала ускорителя к его концу.
При этом они пробегают мимо всех электродов, и каж-
дым из них подталкиваются, подгоняются. За этот один-
единственный рейс частицы-снаряды должны приобре-
сти свою полную энергию. Если понадобится энергию
частицы увеличить еще больше, то необходимо увели-
чивать длину ускорителя.
С линейными ускорителями успешно состязаются ци-
клические ускорители, в которых заряженные частицы
движутся не по прямой, а по криволинейным (спираль-
ным или круговым) путям.
Полная длина пути частиц в этих ускорителях во
много раз превышает размеры самого ускорителя. Мимо
одних и тех же ускоряющих электродов частицы прохо-
дят по многу раз.
512
При помощи циклических ускорителей можно более
дешево, более экономно получать частицы, ускоренные
до сверхвысоких энергий.
Первый резонансный циклический ускоритель был
предложен в начале 30-х годов американским ученым,
профессором физики Калифорнийского университета
Э. Лоуренсом. За создание этого прибора, получившего
название циклотрон, Лоуренс был удостоен Нобелев-
ской премии по физике.
10-16. „Ядерная дробилка" тридцатых годов
Отклоняющая плпгтпмл
Источник ионий
Рис. 10-11. Схема циклотрона.
С этим резонансным ускорителем были проведены
ценнейшие работы в области ядерной физики. При по-
мощи «ядерной дробилки», как называли циклотрон
в 30-х годах, были впервые получены ядерные реакции
с ядрами тяжелых элементов. .-В циклотроне можно
ускорять ядра водорода,
дейтерия, . гелия (альфа-
частицы) и более тяже-
лые ядра, осуществлять
множество ядерных реак-
ций, изготовлять различ-
ные, не встречающиеся в
природе изотопы эле-
ментов.
Не описав подробно
принципа действия цик-
лотронов, нельзя перейти
к рассмотрению более сложных современных цикличе-
ских ускорителей. На рис. 10-11 и 10-12 показаны схе-
ма циклотрона и его механическая аналогия. Самой
громоздкой и дорогой частью циклотрона является элек-
тромагнит с плоскими полюсами. Диаметр полюсов
электромагнита достигает нескольких метров. На соору-
жение такого магнита затрачивается несколько тысяч
тонн стали, сотни тонн меди — для обмотки. В США
был построен циклотрон с серебряной обмоткой элек-
тромагнита L
1 (Циклотрон этот предназначался для лаборатории, занимав-
шейся разработкой атомной бомбы и охранявшейся, пожалуй; тща-
тельнее складов казначейства. Поэтому было решено превратить
хра1нивш1иеся в казначействе без движения слитки серебра в шины
и сделать из этих шин катушки циклотрона.
33 г. И. Бабат 513
Рис. 10-12. Механическая ана-
логия циклотрона — высокоча-
стотного резонансного ускори-
теля с движением ионов по
спиральному пути.
Две половинки круглой, горизон-
тально расположенной чаши нахо-
дятся в непрестанном колебатель-
ном движении вверх—вниз—вверх.
Шары скатываются по перепонке,
соединяющей половинки чаши, под
действием силы тяжести, подобно
тому, как положительные ионы дви-
жутся в электрическом поле от ано-
да к катоду.
514
Между полюсами элек-
тромагнита циклотрона ле-
жит плоская коробка, про-
низываемая магнитным си-
ловым полем. Это рабочая
ускорительная вакуумная
камера циклотрона. К ней
присоединены мощные па-
ромасляные насосы. Они
создают в огромной ускори-
тельной камере разрежение
более высокое, чем в ма-
ленькой радиолампе.
В рабочей камере цикло-
трона помещена еще одна
плоская круглая коробка,
разрезанная по диаметру на
две части. Между обеими
половинками оставлена не-
большая щель. Каждая из
половинок внутренней ко-
робки напоминает по форме
латинскую букву D. Поэто-
му их назвали дуантами.
Эти дуанты и являются ус-
коряющими электродами.
В щели между ними дейст-
вует электрическое поле,
увлекающее заряженные
частицы (ионы). Отдуантов
сделаны выводы через изо-
ляторы в стенках вакуум-
ной камеры. К выводам при-
кладывается напряжение
высокой частоты. Обычно
выбирается частота порядка
нескольких десятков мега-
герц, что соответствует дли-
не волны в несколько мет-
ров. Максимальное напря-
жение между ускоряющими
электродами достигает нес-
кольких десятков киловольт.
Ток высокой частоты подводится к циклотрону от
обычного генератора с электронными лампами. Этот ге-
нератор примерно такого же типа, как те, что приме-
няются на радиостанциях для телевидения и радиове-
щания.
В щели между электронами, вблизи центра камеры
помещается источник тех ионов, которые будут уско-
ряться.
Ускорение происходит следующим образом. Положи-
тельно заряженные ионы, выходя из источника, движут-
ся к дуанту, на котором в данный момент отрицатель-
ное напряжение. Пройдя щель между дуантами, ионы
приобретают некоторый запас энергии, соответствую-
щий разности потенциалов между дуантами и равный
нескольким десяткам киловольт.
Внутри дуантов нет электрических сил, и там ионы
движутся по инерции. Но поперек их пути действуют
силовые линии магнитного постоянного поля, которые,
не изменяя запаса энергии ионов, искривляют их траек-
тории и заставляют описывать окружности. Чем больше
скорость частицы, тем больше радиус окружности, ко-
торую она описывает.
Пока ионы движутся внутри одного дуанта, напря-
жение между дуантами меняет свой знак. И когда эти
ионы, описав полукруг, снова подойдут к щели, то уже
второй дуант будет более отрицательным, нежели пер-
вый. Положительные ионы, пересекая щель, устрем-
ляются к этому отрицательному дуанту и снова уско-
ряются. Внутри второго дуанта ионы снова летят по
инерции, но описывают там полуокружность несколько
большего радиуса, так как скорость их теперь больше.
Ионы должны снова выйти к щели тогда, когда на
дуантах полярность изменится и на пути ионов опять
будет действовать ускоряющее напряжение.
Это и есть условие резонанса. Время полета порции
ионов внутри каждого дуанта должно быть в точности
равно полупериоду высокочастотного напряжения.
И как качели нельзя раскачивать беспорядочными толч-
ками, так и ионы надо подталкивать в такт.
Траектория ионов в циклотроне имеет вид расходя-
щейся спирали. С каждым новым оборотом ионы опи-
сывают окружность все большего радиуса. Как же под-
33* 515
держивается синхронизм, т. е. совпадение прибытия
к щели ионов и соответствующее изменение полярности
дуантов? В циклотроне используется тот замечательный
факт, что период обращения заряженных частиц зави-
сит только от трех величин: от заряда частицы, ее массы
и напряженности магнитного поля. Период обращения
частицы не зависит ни от того, какую перед этим раз-
ность напряжений прошла эта частица, ни от скорости
ее движения. Медленные ионы описывают маленькие
окружности, быстрые — большие окружности. Но на
один оборот затрачивается одно и то же время. После
сотни последовательных оборотов порция ионов, полу-
чив значительную скорость и накопив, следовательно,
значительную кинетическую энергию, приближается
к боковым стенкам дуантов. В одном из них помещает-
ся отклоняющий электрод — дефлектор. К нему прило-
жено постоянное отрицательное напряжение порядка
нескольких десятков тысяч вольт. Это напряжение от-
клоняет пучок ускоренных ионов и выводит его из дуан-
та в камеру, где расположена мишень.
Циклотрон работает с относительно высоким к. п. д.
Вот данные установки средней мощности. Максималь-
ная сила тока в ионном пучке—1 ма. Энергия ионов —
12 млн. эв. Следовательно, мощность пучка— 12 кв. Вы-
сокочастотный генератор подводит к дуантам мощность
в 50 кв, для питания магнита необходимо' 25 кв по-
стоянного тока, 15 кв — для насосов и прочего вспомо-
гательного оборудования. Таким образом, окончатель-
ный к. п. д. равен 13,3%.
Поток ионов, выпущенный из такого циклотрона,
проходит в воздухе путь больше метра. От него исхо-
дит нежное фиолетовое сияние. Это свечение объясняет-
ся тем, что быстрые ионы, встречая на своем пути ней-
тральные молекулы воздуха, возбуждают их, и послед-
ние, возвращаясь в нормальное состояние, испускают
свет. Это смертоносный луч. Металлическая пластинка,
поставленная на его пути, плавится. Она тормозит по-
ток ионов, и вся их энергия идет на нагревание ме-
талла.
На пути луча зарождается не только видимый свет,
но и очень -коротковолновые электромагнитные колеба-
ния— гамма-излучение. Это излучение проникает через
больщие толщи материалов и смертельно действует на
516
живые клетки. Экспериментаторы, работающие с цикло-
троном, должны находиться подальше от самого прибо-
ра, а их рабочие места защищены от вредных излучений
толстыми стенами.
На циклотронах можно получить 'протоны и дейтро-
ны с энергией до 20 млн. эв.
Однако необходимо подчеркнуть, что максимальные
энергии частиц, ускоряемых циклотроном, в сущности,
немногим превышают максимальные энергии, достижи-
мые на высоковольтных установках, и сообщить части-
цам энергии большие, чем полтора-два десятка миллио-
нов электроновольт, циклотрон не может. Дело в том,
что во всем пространстве рабочей камеры циклотрона
действует магнитное поле одинаковой интенсивности,
а между дуантами — переменное напряжение постоян-
ной частоты. В таких условиях для соблюдения резонан-
са необходимо, чтобы масса ускоряемых ионов сохраня-
лась неизменной в течение всего процесса ускорения. При
этом период обращения частиц внутри дуантов будет
постоянным.
Но масса ионов не меняется лишь пока скорость их
значительно меньше скорости света. При достижении
десятых долей скорости света возрастание массы ионов
становится настолько ощутимым, что нарушаются усло-
вия резонанса. Ведь период обращения частиц увеличи-
вается, а период ускоряющего электрического поля оста-
ется постоянным. Происходит нарушение согласования.
Как же поддержать резонанс для частиц с меняю-
щейся массой?
10-17. Снова об отзывчивости
Кому не доводилось раскачиваться на ветке дерева
или на гибкой доске? Гибкая опора и груз на ней обра-
зуют колебательную систему. Чтобы раскачаться, надо
давать толчки в такт. Как говорят физики, частота воз-
мущающей силы должна соответствовать частоте соб-
ственных колебаний системы. В этом случае получается
резонанс.
Но как быть, если данные колебательной системы
меняются: скажем, груз становится все тяжелее (еще
кто-то прыгнул на доску, на которой вы раскачивае-
тесь)? Как при этом поддержать резонанс? Чем тяже-
517
лее груз, чем податливее опора, тем длительнее период
колебаний механической колебательной системы.
Сходные задачи возникают при ускорении заряжен-
ных частиц, у которых масса возрастает по мере нара-
щивания энергии. Когда эти частицы вращаются по кру-
говым орбитам в циклических ускорителях, то увеличе-
ние массы вызывает увеличение В(ремени обращения ча-
стицы.
Чтобы поддержать резонанс в приведенной для при-
мера механической колебательной системе с изменяю-
щейся массой, можно поступать по-разному.
При увеличении массы колебательной системы надо
соответственно уменьшать гибкость этой системы, на-
пример, уменьшать расстояние между грузом и опорой
и таким образом поддерживать неизменной собственную
частоту колебаний, несмотря на изменение массы.
Можно пойти и по другому пути — не заботиться
о сохранении неизменной собственной частоты колеба-
тельной системы, но менять частоту возмущающей силы
так, чтобы всегда сохранять резонанс.
В циклических ускорителях также можно разными
приемами поддержать резонанс между движением за-
ряженных частиц и переменными электрическими сила-
ми— например, напряженность магнитного поля, в ко-
тором движутся частицы, держать неизменной, но по
мере нарастания массы частиц, а значит, их замедления,
увеличивать период ускоряющего переменного электри-
ческого поля, т. е. понижать его частоту; или держать
неизменной частоту ускоряющего электрического поля,
но с нарастанием массы частиц постепенно повышать
напряженность магнитного поля; или по мере ускорения
частиц изменять частоту электрического поля и напря-
женность магнитного поля.
Первый метод применен в ускорителе ионов, который
является видоизменением и дальнейшим развитием про-
стого циклотрона. У этого ускорителя такой же электро-
магнит с массивными полюсами, как и у циклотрона,
и такая же ускорительная камера в виде плоской короб-
ки. Но он существенно отличается от циклотрона. Де-
ло в том, что частота ускоряющего напряжения на его
электродах не остается постоянной, а изменяется. Такой
ускоритель у нас в СССР называют фазотроном.
.518
10-18. Циклотрон с переменной частотой —
фазотрон
Иногда этот прибор называют синхроциклотроном
или циклотроном с переменной частотой.
Как уже было показано выше, время, в течение ко-
торого заряженная частица совершает один полный обо-
рот по окружности в магнитном поле, пропорционально
отношению массы частицы к напряженности магнитно-
го поля. Если при постоянной напряженности магнит-
ного поля Н масса частицы т растет, то и длительность
одного оборота ее увеличивается. Чтобы вести по спи-
рали порцию заряженных частиц, подталкивать ее
в такт, необходимо понижать частоту ускоряющего на-
пряжения по мере наращивания энергии частиц. На-
чальная частота ib фазотроне берется обычно от 10 до
30 миллионов колебаний в секунду (мегагерц), и к кон-
цу цикла ускорения эта частота понижается примерно
на 30%. Изменение частоты производится при помощи
быстро вращающихся переменных конденсаторов. Чтобы
упростить всю установку и облегчить процесс изменения
частоты, в фазотронах применяют не два ускоряющих
электрода (дуанта), а только один (рис. 10-13).
В простом циклотроне одновременно ускоряется мно-
го порций заряженных частиц, т. е. одновременно на
каждом витке спирального пути может двигаться само-
стоятельная порция ионов. В фазотроне (синхроцикло-
троне) можно ускорять только одну порцию, для кото-
рой выполняется условие синхронизма, — условие резо-
нанса в течение всего времени ускорения. Когда эта
порция ионов начинает свой спиральный путь из центра
вакуумной камеры, то частота напряжения на ускоряю-
щем электроде имеет наивысшее значение; затем по ме-
ре того, как порция ионов движется по орбитам все
большего радиуса, частота ускоряющего ‘напряжения
все понижается. Когда цикл ускорения заканчивается и
порция ионов выведена на мишень, необходимо еще не-
которое время, чтобы вернуть частоту ускоряющего на-
пряжения к ее начальному значению — вновь повысить
ее. Затем начинается цикл ускорения новой порции
ионов.
Ток в этом ускорителе во много раз меньше, чем
у простого циклотрона. Но для исследовательских целей
с этим недостатком можно примириться.
619
Большой фазотрон (синхроциклотрон) построен
в Советском Союзе в Институте ядерных проблем под
руководством Д. В. Ефремова, М. Г. Мещерякова,
А. Л. Минца. Магнит этого прибора весит 7 тыс. т, на-
пряженность магнитного поля в зазоре между полюса-
Рис. 10-13. Схема устройства синхроциклотрона (фазо-
трона).
В вакуумной камере /, расположенной между полюсами магнита 2,
находится ускоряющий электрод (дуант) 3. Этот электрод укреплен
на стержне 5, поддерживаемом изоляторами 4 из высококачествен-
ного фарфора. Стержень 5 и окружающая его трубка 6 составляют
высокочастотную передающую линию (коаксиальную линию). Эта
линия питается от высокочастотного генератора 7. Конец линии
замкнут на переменный конденсатор 8. Неподвижная часть этого
конденсатора (статор) представляет собой зубчатый обод, укреп-
ленный на проводнике 5. Подвижная часть (ротор) — зубчатый
диск, укрепленный на валу быстроходного электродвигателя 9.
При вращении конденсатора 8 емкость его периодически меняется
и соответственно меняется частота электрических колебаний на
электроде 3. В момент, когда эта частота наивысшая, начинается
каждый цикл ускорения порции ионов. По мере движения по спи-
ральному пути нарастает их масса и замедляется движение, согла-
сованно понижается и частота ускоряющего электрического напря-
жения. Когда частота наинизшая, цикл ускорения заканчивается,
ионы ударяют о мишень. Затем частота вновь повышается, и начи-
нается новый цикл ускорения.
ми — 17 тыс. э (эрстед), диаметр полюсов — 6 м. Этот
прибор ускоряет протоны до энергии в 680 млн. эв и
дает средний ток ускоренных протонов 0,3 мка.
Диаметр полюсов электромагнита фазотрона растет
прямо пропорционально энергии, которую мы собираем-
ся сообщить ускоряемым протонам. А вес электромаг-
нита растет как куб его линейных размеров. Следова-
тельно, вес электромагнита растет пропорционально ку-
бу максимальной энергии тех частиц, которые ускоряют-
ся между его полюсами. Например, чтобы увеличить
энергию протонов в 10 раз, необходимо было бы увели-
520
чить вес магнита в 1 000 раз. Если бы потребовалось
получить на фазотроне протоны с энергией в несколько
миллиардов электроновольт, то необходим был бы элек-
тромагнит весом чуть ли не в миллион тонн.
10-19. Кольцевой магнит
Более экономичную конструкцию имеют те цикличе-
ские ускорители, в которых заряженные частицы дви-
жутся не по спирали, разворачивающейся из центра,
а по кругу неизменного радиуса. Ускорительная камера
при этом имеет форму не коробки, как в циклотроне и
фазотроне, а знакомой уже нам кольцевой трубки-ба-
ранки. По оси этой баранки и движется порция ускоряе-
мых заряженных частиц. Для такой кольцевой камеры
и электромагнит может быть сделан в виде узкого
кольца. Вес кольцевого электромагнита и мощность его
питания будут значительно меньше, нежели у магнита со
сплошными полюсами.
Но чтобы заряженные частицы двигались по кольце-
вому пути неизменного радиуса, необходимо по мере на-
растания их энергии и массы увеличивать напряжен-
ность магнитного поля. Питать магнит надо не постоян-
ным током, как это делается в циклотроне и фазотроне,
а посылать в обмотку электромагнита отдельные мощ-
ные импульсы. Тогда в кольцевом магнитном поле, на
кольцевых орбитах, можно ускорять и легкие частицы —
электроны, и тяжелые — ионы.
В разных странах было проведено большое количе-
ство как теоретических, так и экспериментальных иссле-
дований с целью выявления наиболее экономичных кон-
струкций кольцевых магнитов и (наиболее выгодных схем
их питания.
Электроны обладают тем свойством, что уже при
энергии в несколько миллионов электроновольт их ско-
рость лишь немного меньше скорости света. При даль-
нейшем наращивании энергии скорость электронов оста-
ется практически неизменной, а растет лишь их масса
(это показано на графиках рис. 10-1 и 10-2). Поэтому
при движении такого энергичного электрона по кольце-
вой орбите постоянного радиуса период обращения его
не будет зависеть от сообщаемой ему энергии. Это по-
зволяет применить для ускорения электронов электриче-
ское переменное поле с неизменной частотой, а напря-
521
женность магнитного поля менять — усиливать его по
мере наращивания энергии (массы) электронов, чтобы
удерживать их на неизменной орбите.
Ускорители электронов, работающие с неизменной
частотой ускоряющего электрического поля и с нара-
стающим магнитным полем, появились в первые годы
после окончания второй мировой войны. Этот тип уско-
рителя получил название «синхротрон».
10-20. Циклический ускоритель электронов —
синхротрон
Принципиальное устройство синхротрона показано
на рис. 10-14. Вакуумная камера этого прибора, как и
у всех ускорителей с кольцевым магнитом, имеет форму
баранки (тора). Ее делают из фарфора или из прочного
кварцевого стекла и укладывают в межполюсном зазо-
ре кольцевого электромагнита.
Сердечник электромагнита выполняется из тонких
листов электротехнической стали, подобно сердечникам
обычных трансформаторов переменного тока. Обмотка
кольцевого электромагнита соединяется с конденсатор-
ной батареей. В обмотке циркулирует переменный ток
большой силы и создает переменное магнитное поле
между полюсами электромагнита. Поле заворачивает
пути электронов и управляет их движением в вакуумной
ускорительной камере.
Помимо управляющего магнитного поля, в ускори-
тельной 'камере синхротрона существует и вихревое
электрическое поле, так же как и в бетатроне. Но в от-
личие от бетатрона в синхротроне для ускорения элек-
тронов на одном из участков вакуумной камеры дей-
ствует еще и высокочастотное ускоряющее напряжение,
равное нескольким киловольтам. Оно образуется меж-
ду двумя электродами, соединенными с обычным коле-
бательным контуром, которые встречаются во всех ра-
диотехнических устройствах. Период высокочастотного
напряжения на контуре подбирается в точности равным
времени обращения электрона по кольцевой орбите
внутри камеры. Таким образом, пролетев между высо-
кочастотными электродами и получив ускоряющий тол-
чок, электрон успевает совершить свой путь по кольце-
вой орбите и вновь подойти к ускоряющим электродам
522
как раз к тому моменту, когда на этих электродах бу-
дет вновь ускоряющее напряжение.
Длина электромагнитной волны, возбуждаемой вы-
сокочастотным колебательным контуром, равна периоду
колебаний, помноженному на скорость света.
Ускоряемые электроны в камере также летят со
скоростью, близкой к скорости света. Следовательно, за
Рис. 10-14. Схема синхротрона — цикли-
ческого ускорителя электронов.
Кольцевой магнит синхротрона собирается из
С-образных пакетов электротехнической стали.
Между полюсами магнита расположена ва-
куумная камера, имеющая форму баранки.
На одном из участков этой камеры действует
высокочастотное ускоряющее (напряжение не-
изменной частоты.
Катушка, возбуждающая магнитное поле,
имеет форму тора (бублика), подобно ускори-
тельной камере. Витки катушки возбуждения
лежат в плоскостях, параллельных плоскости
орбиты электронов. (Высокочастотный уско-
ряющий *контур и катушка возбуждения на
рисунке не показаны )
время одного периода они успевают пролететь расстоя-
ние, равное одной длине волны. Поэтому можно сказать,
что резонансная длина волны ускоряющего колебатель-
ного контура в точности равна длине кольцевой орбиты,
по которой вращаются электроны.
Процесс ускорения начинается в момент, когда в об-
мотку электромагнита начинает поступать ток, и длится
все время, в течение которого ток нарастает. За это
время сгусток электронов успевает сделать несколь-
ко сотен тысяч оборотов по кольцевой орбите и набрать
энергию до миллиарда электроновольт. В принципе
523
ускорять частицы можно и до больших энергий, оДнйко
не беспредельно. В синхротроне, так же как и в бета-
троне (и вообще во всех циклических ускорителях), за-
ряженные частицы, двигаясь по криволинейному пути (в
частности, по кольцевой орбите), порождают в окружа-
ющем пространстве электромагнитные волны, расходуя
на это часть своей энергии. Чем выше энергия частицы и
чем меньше радиус ее орбиты \ тем больше энергии ухо-
дит на излучение.
В ускорителе с диаметром орбиты в 2 м электрон,
ускоренный до 300 млн. эв, теряет на электромагнитное
излучение за один оборот энергию, равную 1 000 эв.
Ускоренный же до одного миллиарда электроновольт
при диаметре орбиты в 9 м, он уже будет терять за
один оборот 20 тыс. эв.
Длина электромагнитной волны, излучаемой сгуст-
ком электронов, вращающихся по круговой орбите, за-
висит от энергии этих электронов. При энергии электро-
нов в 60 млн. эв начинается темно-красное свечение.
При 200 млн. эв излучение становится белым и более
интенсивным.
Эти «светящиеся электроны» можно рассматривать
только при помощи системы зеркал. Находиться в не-
посредственной близости от синхротрона опасно. Экспе-
риментатор может получить смертельную дозу ионизи-
рующего излучения, которое всегда возникает при
столкновениях быстрых электронов со стенками ускори-
тельной камеры, с мишенями и т. д.
10-21. Положительные ионы на кольцевых
орбитах
Кольцевой магнит с высокочастотным контуром, по-
мещенным на орбите заряженных частиц, может быть
использован для ускорения не только электронов, но и
тяжелых частиц — ионов. Однако при этом необходимо
некоторое усложнение системы. Даже при энергиях
в миллиарды электроновольт скорость ионов еще не до-
стигает скорости света и в процессе ускорения не оста-
ется постоянной, а продолжает расти.
1 .Потери энергии иа излучение пропорадсмнальны четвертой
степени отношения энергии ускоренной частицы к ее энергии покоя
и обратно пропорциональны радиусу орбиты частиц.
524
Поэтому при ускорении ионов по круговой орбите
постояного радиуса необходимо повышать частоту уско-
ряющего напряжения по мере увеличения энергии, а
следовательно, и скорости ионов. Напомним, что при
ускорении ионов на спиральных орбитах в фазотроне
(орбитах с нарастающим радиусом) необходимо было,
наоборот, понижать частоту ускоряющего напряжения,
чтобы поддерживать резонанс по мере наращивания
энергии (массы и скорости) ионов. Проекты ускорите-
лей ионов с кольцевыми орбитами и с растущей часто-
той ускоряющего напряжения предлагались еще в го-
ды войны (проект «протонного синхротрона» профессора
Бирмингемского университета Маркуса Олифанта).
Два ускорителя такого типа были пущены в работу
в США. Один из них в Калифорнии получил название
«беватрона» (приставка «бева» обозначает миллиард,
подобно тому, как приставка «мега» — миллион), дру-
гой в Брукхавенской национальной лаборатории был
назван «космотрон». Ускоренные этим прибором части-
цы имеют такие же энергии, как и частицы в космиче*
ских лучах, приходящих на Землю из мирового про-
странства. В СССР этот тип ускорителя получил назва-
ние синхрофазотрона.
В лаборатории ядерных исследований под Москвой
сооружен самый большой в мире синхрофазотрон.
В лекции советского ученого чл.-корр. Академии наук
СССР В. И. Векслера на Женевской конференции по
мирному использованию атомной энергии летом 1955 г.
были впервые приведены данные об этом грандиозней-
шем физическом приборе.
«Магнит ускорителя состоит из четырех квадрантов
со средним радиусом 28 м, разделенных прямолинейны-
ми промежутками длиною 8 м каждый. Вес магнита
около 36 тыс. т1. Мощность питания электромагнита до-
стигает в импульсе 140 тыс. ква. Для облегчения откач-
ки камера сделана двойной, с разделенным вакуумом».
Этот ускоритель дает протоны с энергией
в 10 млрд. эв.
Цифра 10 млрд, эв звучит несколько отвлеченно.
Чтобы представить более наглядно, о каких энергиях
1 Для сравнения можно указать, что на сооружение Крымского
моста через Москву-реку близ Парка культуры и отдыха имени
Горького пошло 10 тыс. т стали.
525
идет речь, приведем такой пример. Если бы до такой
скорости разогнать не отдельные ядра водорода, а сна-
ряд размером с булавочную головку (весом в сотую до-
лю грамма), то при ударе этого снаряда о мишень вы-
делилось бы столько же энергии, сколько дает сжига-
ние 1000 т угля (целого железнодорожного состава).
10-22, Микротрон
Микротрон — электронный циклотрон, т. е. циклический уско-
ритель электронов с фазовой фокусировкой. Обычный циклотрон
нельзя применить для ускорения электронов до больших энергий.
Известно, что изменение массы электрона заметно уже три малых
энергиях (+1% при 5 килоэлектротовольтах).
Микротрон имеет два общих с циклотроном свойства: посто-
янное магнитное поле; ускорение на фиксированной частоте.
Микротрон обычно состоит из следующих частей:
'магнита, создающего постоянное во времени магнитное поле
в пространстве между двумя круглыми параллельными полюсными
наконечниками;
вакуумной камеры, охватывающей пространство между двумя
полюсными наконечниками;
полого резонатора, к которому подводится энергия магнетрона
или клистрона.
.Путем применения инжекции электронов с горячего катода, по-
мещенного непосредственно в резонаторе, удалось существенно под-
нять эффективность захвата электронов на резонансные орбиты и
повысить к. н. д. ускорения. Ускоренные электроны имеют малый
разброс по энергиям и импульсам. Благодаря изменению условий
инжекции и видоизменению распределения ускоряющего поля
удается увеличить ток в несколько раз (до 7 ма) по сравнению
с тем, что было достигнуто на первых этапах консгруирования ми-
кротронов. Новые микротроны позволяют получить ускорения в пре-
делах 50—100 Мэв. Они могут быть в ряде случаев использованы
вместо линейных ускорителей электронов и служить инжекторами
для более .мощных ускорителей.
10-23. Завод космических частиц или современный
циклический ускоритель протонов—
синхрофазотрон
Когда прежде говорили «физический прибор», то
подразумевали нечто такое, что можно разместить на
обычном столе.
В современной же ядерной физике применяются
установки, в которых одна только деталь — стальной
сердечник электромагнита — весит десятки тысяч тонн.
Сами они занимают огромные площади, на которых раз-
местились бы промышленные предприятия.
526
Каждую минуту этот «завод» выпускает несколько
партий готовой продукции, по 10 тысяч миллионов
(1010) единиц изделий в каждой. Вес всей продукции,
вырабатываемой в течение целого года при круглосуточ-
ной работе ускорителя, едва достигает одной миллион’
ной доли грамма. А за миллион лет работы такого за-
вода она могла бы уместиться в наперстке. Изделия
эти — ядра водорода, ускоренные до высоких энергий,
таких же, как энергия частиц в космических лучах.
Таковы современные ускорители заряженных частиц
на энергии в миллиарды электроновольт — синхрофазо-
троны.
Подобно большому заводу, синхрофазотрон состоит
из нескольких «цехов» (рис. 10-15).
Кольцевой электромагнит — самая тяжелая и гро-
моздкая часть циклического ускорителя. Здесь создают-
ся те незримые «магнитные стены» кольцевого пути, по
которому движутся заряженные частицы.
Магнитный поток в сердечнике электромагнита ЭМ
непостоянен. Он нарастает в каждый рабочий цикл от
нуля до максимума, а затем снова падает до нуля. Если
бы выполнить сердечник в виде сплошного стального
куска, то пульсирующий магнитный поток возбуждал бы
в нем вредные вихревые токи. Для ослабления этих то-
ков сердечник выполнен из отдельных пластин мягкой
стали толщиною не более нескольких миллиметров каж-
дая. Пластины изолированы одна от другой бумажными
прокладками. В кольцевом зазоре ЭМ помещена уско-
рительная вакуумная камера.
На рисунке представлен ускоритель, у которого маг-
нит состоит из четырех квадрантов. Между квадрантами
находятся прямолинейные промежутки. В одном из них
расположено устройство для ввода в камеру ускоряе-
мых частиц 5. В другом промежутке производится вы-
вод готовой продукции — ускоренных частиц. В третьем
промежутке показан ускоряющий высокочастотный кон-
тур 6.
Обмотка электромагнита 8 выполнена так, что маг-
нитное поле сосредоточено в кольцевом зазоре между
полюсами магнита — в ускорительной камере.
Питание электромагнита. Ток в обмотки электромаг-
нита подается от электрических машин, показанных
в верхнем правом углу схемы. В быстро вращающихся
527
роторах генераторов переменного тока накапливается
кинетическая энергия. Она в несколько раз превышает
возможный максимальный запас электромагнитной
энергии в поле магнита. За счет кинетической энергии
роторов электромагнитное поле питается в течение пе-
риода ускорения.
Ток от генераторов подается к электрическим вен-
тилям— игнитронам 9. На рисунке показана одна груп-
па из шести вентилей, но в действительности в установке
может быть несколько таких групп.
В начале каждого рабочего цикла вентили работают
ка-к выпрямители — превращают переменный ток гене-
Рис. 10-15. Завод космических частиц — современный
528
раторов в постоянный, который затем посылают в об-
мотку 8 кольцевого электромагнита ЭМ. Энергия пере-
качивается из генераторов в магнитное поле электро-
магнита, скорость вращения роторов генераторов па-
дает.
Обмотка электромагнита обладает большой индук-
тивностью— электромагнитной инерцией. Поэтому в на-
чале цикла ускорения ток, идущий через обмотку элек-
тромагнита, невелик. К концу же он достигает макси-
мального значения. Магнитодвижущая сила при этом
равна миллионам ампер-витков.
В этот момент производится переключение схемы
управления вентилями 9 и энергия перекачивается из
электромагнита обратно в генераторы переменного то-
циклический ускоритель протонов (синхрофазотрон).
34 Г. И. Бабат
529
ка. Ток в обмотке электромагнита падает, а скорость
вращения роторов генераторов нарастает. В это время
они работают как электродвигатели.
Когда вся энергия из электромагнита перейдет в ро-
торы генераторов (за исключением, понятно, неизбежных
потерь), ток магнита снизится до нуля.
Несколько секунд ускоритель «отдыхает»: магнит
обесточен, генераторы продолжают увеличивать ско-
рость и накапливают энергию. Затем начинается новый
рабочий цикл. Вентили 9 вновь работают как выпрями-
тели, вновь нарастает магнитное поле электромагнита
ускорителя. По трубам в кольцевую камеру поступает
новая порция водородных ядер. Они движутся по коль-
цевым орбитам, как это показано стрелками, с каждым
оборотом наращивая скорость и энергию.
Ускорительная камера имеет форму огромной баран-
ки прямоугольного сечения. Две вертикальные стены
этой 'камеры сделаны из сплошных листов немагнитной
нержавеющей стали. Дно и потолок выполнены из того
же материала, но в виде отдельных узких полос. Сквозь
пол и потолок камеры проходит пульсирующий магнит-
ный поток — то нарастающий, то спадающий. Чтобы
предотвратить возникновение вредных вихревых токов,
которые могли бы отразить переменный магнитный по-
ток, не допустить его в камеру, стальные полосы, со-
ставляющие пол и потолок вакуумной камеры, отделе-
ны друг от друга, а также от стен камеры слоем изоля-
ции из особой высококачественной пластмассы. Сотни
изоляционных прослоек между отдельными полосами
стали выполняются с большой тщательностью. И все же
натекание посторонних газов в вакуумную камеру не-
избежно. А для нормальной работы ускорителя в каме-
ре должно поддерживаться высокое разрежение — вы-
сокий вакуум: давление газов в камере не должно пре-
вышать миллиардной доли атмосферного давления.
«Цех пустоты». В нескольких местах к ускорительной
камере подключены высоковакуумные так называемые
диффузионные насосы 7. В них кипит особое масло
(кремнийорганическое). Потоки масляных паров захва-
тывают и уносят газы из ускорительной камеры. Между
каждым насосом и ускорительной камерой есть ловуш-
ка, которая не допускает масляные пары от насоса в ка-
меру. Помимо ловушек, в вакуумпроводах имеются ма-
53Q
нометры и высоковакуумные запорные клапаны. Кла-
паны позволяют отключать и сменять вышедшие из
строя насосы, не нарушая вакуума самой ускорительной
камеры.
Паромасляные высоковакуумные насосы не могут
выбрасывать захваченный ими газ прямо в атмосферу.
Выход высоковакуумных насосов подключается к ме-
ханическим насосам предварительного разрежения
(форвакуумным).
Источник протонов. Протоны, подлежащие ускоре-
нию, поступают из разрядной трубки 3. Здесь в дуговом
разряде с атомов водорода сдираются электронные обо-
лочки. Оголенные ядра собираются в узкий поток, кото-
рый, прежде чем попасть в кольцевую камеру, должен
пройти предварительное ускорение. Оно может выпол-
няться по-разному. Иногда применяют постоянное напря-
жение в несколько миллионов вольт. В советском син-
хрофазотроне протоны, прежде чем попасть в кольцевую
камеру, предварительно ускоряются до 9 млн. эв в высо-
кочастотном линейном ускорителе, обозначенном циф-
рой 4.
По вводному устройству — криволинейной трубе 5,
снабженной системой отклоняющих электродов, прото-
ны, прошедшие предварительное ускорение, впрыски-
ваются в кольцевую камеру. Направление впуска и мо-
мент впуска должны быть точно подогнаны, чтобы сгус-
ток протонов попал на устойчивую, так называемую
равновесную орбиту.
Высокочастотный генератор вырабатывает напряже-
ние, ускоряющее протоны при каждом их обороте. Этот
генератор на лампах 2 получает питание от группы вен-
тилей 1, Ускорительный генератор в течение одного ци-
кла ускорения должен изменять свою частоту более чем
в 10 раз.
Когда ионы только входят в кольцевую камеру, их
скорость мала и частота ускоряющего напряжения
обычно меньше одного мегагерца. К концу периода уско-
рения частота должна быть несколько мегагерц.
За время ускорения до максимальной энергии каж-
дый протон успевает сделать несколько миллионов обо-
ротов по орбите длиною в несколько сотен метров. За
каждый оборот протоны наращивают овою энергию При-
мерно на 1 000 в. Полный путь, проходимый протонами
34* 531
s камере за каждый цикл ускорейия, достигает несколь-
ких сотен тысяч километров.
’Ряд автоматических и сигнальных устройств помо-
гает устойчиво поддерживать нормальный режим ра-
боты. Десятки километров проводов соединяют отдель-
ные агрегаты ускорителя с пунктом управления.
Описанный физический прибор занимает площадь не
меньшую, чем территория крупного машиностроитель-
ного завода. Десятки физиков, а также рабочих и ин-
женеров различных специальностей обслуживают этот
физический прибор.
10-24л Об устойчивости
Можно установить карандаш вертикально, но доста-
точно на него подуть, и он опрокинется. Поставленный
карандаш опрокидывается при малейшем отклонении от
начального положения. Такие предметы, как, например,
стул, шкаф, опрокидываются только при значительных
отклонениях. При малых же отклонениях они, будучи
предоставлены самим себе, возвращаются в исходное по-
ложение.
Способность возвращаться к исходному положению
называется устойчивостью. Это понятие примени-
мо к различным физическим процессам. Можно гово-
рить не только об устойчивости положения, но и об ус-
тойчивости движения. Если, например, скатывать с горы
шары по желобу, то, чтобы движение шаров было
устойчивым, чтобы шары следовали за всеми изгибами
и поворотами желоба, он должен иметь достаточно вы-
сокие борта.
Ряд важных задач из области устойчивости был раз-
работан применительно к движению небесных тел. Од-
ни орбиты (например, орбиты планет в солнечной си-
стеме) являются устойчивыми, по другим движение не
может происходить. Вопросами устойчивости, или, как
прежде иногда говорили, «прочности движения», в «не-
бесной механике» занимался великий русский матема-
тик Ляпунов. Многие методы расчета, созданные им
в прошлом веке для анализа движения планет, метео-
ритов, звезд в просторах вселенной, применяются те-
перь для расчета движения мельчайших атомных ча-
стиц в вакуумных камерах ускорителей.
532
Движение зараженных частиц в ускорителях направ-
ляется электрическими и магнитными силами. Если эти
силы подобраны правильно, то заряженные частицы бу-
дут двигаться подобно шарам, катящимся в желобе
с высокими стенками. При неправильном же подборе
электромагнитных полей электроны или ионы станут
срываться с намеченных для них путей и, не набрав
требуемой скорости, ударяться о стенки камеры и вы-
ходить из игры.
Заряженная частица, летящая в высоком вакууме,
может во многих случаях сбиться с правильного пути,
потерять устойчивость движения. Она может не только
отклониться в разные стороны от намеченной орбиты,
но и опередить или отстать от ускоряющей электромаг-
нитной волны. Заряженная частица в ускорительной ка-
мере имеет, как говорят физики, много степеней свобо-
ды, и ее движение должно быть устойчивым относитель-
но любой из этих степеней свободы.
10-25. Устойчивость на волне
В резонансных ускорителях сгусток заряженных ча-
стиц увлекается электромагнитной волной. Положение
сгустка относительно волны устойчиво только при опре-
деленных условиях.
В линейных ускорителях, например, сгусток электро-
нов или ионов устойчив на переднем скате волны — на
том участке волны, где электрическое напряжение воз-
растает. Если какая-либо заряженная частица отстанет
в своем движении, то она сдвинется к той части волны,
где напряжение выше, и это более высокое электриче-
ское напряжение подгонит частицу. Если же, наоборот,
какая-либо частица в линейном ускорителе забежит
вперед, то она попадет в ту часть волны, где электри-
ческое напряжение меньше; эта частица затормозится
в своем движении. Таким образом, когда в линейных
ускорителях электроны или ионы летят на переднем
скате волны электрического напряжения, то и на отстаю-
щую частицу, и на такую, что забегает вперед, дейст-
вуют силы, стремящиеся вернуть их в «стадо».
В циклических ускорителях сгусток заряженных ча-
стиц будет устойчиво ускоряться не на переднем, а на
заднем скате электрической волны — на том, на котором
533
электрическое напряжение спадает. Если энергия ка-
кой-либо заряженной частицы становится больше сред-
ней энергии частиц в сгустке, то эта частица будет дви-
гаться по орбите большого радиуса. И время, за кото-
рое она совершит полный оборот по этой орбите, будет
несколько больше времени обращения всего сгустка.
Эта запоздавшая частица попадет на тот участок элек-
трической волны, где напряжение будет ниже, и ско-
рость ее уравняется со средней скоростью сгустка. Дру-
гая заряженная частица, у которой энергия окажется
почему-либо меньше средней, будет двигаться по орбите
меньшего радиуса. Время обращения этой «менее энер-
гичной» частицы будет меньше, и она передвинется на
тот участок электрической волны, где напряжение выше.
Там она подгонится и подравняется со всеми осталь-
ными частицами.
И в линейном и в циклическом ускорителе можно до-
биться того, чтобы электромагнитная волна собирала
заряженные частицы в сгустки и ускоряла их в течение
многих миллионов периодов.
Это свойство заряженных частиц группироваться
в сгустки на определенных участках, или, как выража-
ются физики, в определенных фазах ускоряющей элек-
тромагнитной волны, называется «автофазировкой». Ис-
следованием условий автофазировки занимались совет-
ский физик В. И. Векслер, американский ученый Мак-
Миллан и другие специалисты. Их работы способство-
вали быстрейшему развитию ускорительной техники.
•Перемещение ускоряемых частиц вперед и назад по
орбите — это только одна из степеней свободы движе-
ния заряженных частиц. Помимо этого, частицы должны
еще устойчиво двигаться по орбите и возвращаться на
нее при любых отклонениях в стороны.
10-26. Устойчивость на орбите
Рассматривая бетатрон, мы говорили об устойчиво-
сти движения частиц и сравнивали это движение с дви-
жением мотоциклиста на вираже. Но в отличие от мо-
тоцикла частица, летящая по круговому пути внутри
вакуумной камеры — баранки, может отклоняться и по
радиусу и по оси (по двум ступеням свободы).
Чтобы частицы были устойчивы от осевых (верти-
кальных) отклонений, магнитное поле должно ослабе-
534
вать по мере увеличения радиуса. Силовые линии при
этом обращены выпуклостью наружу. Но для того, что-
бы движение частиц было устойчивым и против откло-
нений по радиусу (внутрь или наружу), поле не должно
спадать слишком быстро (не быстрее изменения цен-
тробежной силы, действующей на частицы).
Мы видим, что условия устойчивости по различным
степеням свободы вступают между собой в конфликт.
Если сделать резко спадающее по радиусу магнитное
поле (сильно выпуклые наружу силовые линии), то бу-
дет высока вертикальная устойчивость. Магнитные пол
и потолок как бы зажмут путь частиц сверху и снизу.
При этом пропадет радиальная устойчивость: частицы
будут врезываться в стенки вакуумной камеры (во вну-
треннюю или во внешнюю). Если же магнитное поле
совсем не будет ослабевать или даже будет возрастать
с радиусом, то станет велика радиальная устойчивость.
«Магнитные стены» будут стоять с внутренней и внеш-
ней сторон орбиты. При этом пропадет вертикальная
устойчивость: частицы будут ударяться в дно и крышку
ускорительной камеры. Поистине получается: хвост вы-
тащишь—нос увязнет, нос вытащишь—хвост увязнет.
Точный расчет показывает, что заряженные частицы
будут удерживаться на орбите по оси ускорительной
трубки-баранки только в том случае, если напряжен-
ность магнитного поля от внутренней части баранки
к внешней будет слегка ослабляться. Важно подчерк-
нуть, что магнитное поле ослабляется именно слегка Ч
При соблюдении этих условий заряженные частицы
будут, подобно «ваньке-встаньке», стремиться к устойчи-
вому состоянию, совершая затухающие колебания из
стороны в сторону от устойчивой (так называемой рав-
новесной) орбиты, а также взад и вперед по ней.
Закон изменения напряженности магнитного поля Н с измене-
const
нием радиуса может быть выражен формулой Н= В этой
л
формулу п — так называемый показатель спадания магнитного по-
ля. Если п равно нулю, то Rn = \ и 'магнитное поле вообще не из-
меняется с радиусом. Чтобы обеспечить вертикальную устойчивость
(вертикальную фокусировку), необходимо, чтобы п>0. Для гори-
зонтальной же устойчивости (радиальной фокусировки) необходи-
мо, чтобы л<1. Устойчивость на орбите и от боковых и от верти-
кальных отклонений будет получена при условии 0<л<1. Обычно п
может быть от 0,4 до 0,7.
535
Вакуумная камера должна быть достаточно большо-
го сечения, чтобы дать свободу этим колебаниям. В син-
хрофазотронах ширина камеры достигает почти 1 м,
а высота ее около 20 см. Нужен огромный электромаг-
нит, чтобы пронизать лесом магнитных силовых линий
всю такую камеру.
Заметим, что в линейных резонансных ускорителях
очень трудно увязать устойчивость от боковых откло-
нений (фокусировку) с устойчивостью на волне (авто-
фазировкой). Это одна из причин, почему преимущест-
венное развитие получили циклические ускорители.
Когда были запущены первые синхрофазотроны,
позволившие сообщать частицам энергии больше мил-
лиарда электроновольт, физики стали размышлять о том,
как создать для штурма атомного ядра частицы с еще
большими энергиями. Один из путей —это уменьшить
размеры ускорительной камеры.
10-27. Сильная фокусировка
Чем устойчивее движение ускоряемых заряженных
частиц, тем меньше могут быть поперечные размеры
ускорительной вакуумной камеры, тем дешевле будут
стоить и эта камера и кольцевой электромагнит.
Многие ученые задумывались над тем, как увели-
чить магнитные силы, обеспечивающие устойчивость
движения заряженных часгиц. Когда «магнитные сте-
ны» с двух сторон сжимают—фокусируют—поток заря-
женных частиц, то этот поток неизбежно расширяется,
разбегается в вертикальном направлении (вверх и вниз).
А при сжатии потока по вертикали — «магнитными по-
лом и потолком»—происходит расползание заряженных
частиц в стороны.
Первый, кто обратил внимание на возможность все-
стороннего обжатия потока заряженных частиц, был,
видимо, инженер-электротехник из Афин Николай Кри-
стофилос. Он частным образом, за свой счет, издал
в 1950 г. работу—«Система фокусировки ионов }и элек-
тронов и ее применение в магнитных резонансных уско-
рителях». В 1952 г., независимо от греческого инженера,
решение проблемы сильного обжатия — сильной фокуси-
ровки—потока заряженных частиц было дано группой
американских ученых. Интересный вклад внесли в ре-
536
шение этой проблемы и советские ученые: Петухов, Ра*
бинович, Коломенский.
Суть сильной или, как ее еще называют, жесткой,
острой, строгой фокусировки заключается в применении
ряда магнитов, которые своим полем попеременно сжи-
мают поток заряженных частиц то по вертикали, то по
горизонтали. В этих магнитах делают очень большой ко-
эффициент спадания магнитного поля п *.
На одних участках магнита п положительно: маг-
нитное поле резко спадает с увеличением радиуса. На
этих участках происходит резкая горизонтальная фоку-
сировка, но зато поток частиц расползается вверх и
вниз. На других участках магнита п отрицательно—на-
пряженность магнитного поля резко возрастает с уве-
личением радиуса. Здесь поток фокусируется по верти-
кали и несколько расползается в стороны. Оказывает-
ся, что при такой форме магнитного поля расползание
заряженных частиц по всем направлениям будет мень-
ше, чем их сжатие. Заряженные частицы совершают при
этом колебания с большей частотой и меньшими откло-
нениями от намеченного пути, чем в слабо неоднород-
ных полях обычных синхротронов и синхрофазотронов-
Можно представить механическую аналогию системы
сильной фокусировки в виде желоба с переменной кри-
визной (это будет аналогия только для одной степени
свободы движения заряженной частицы). Такой желоб
состоит из последовательных участков, обращенных
вверх то выпуклостью, то вогнутостью (рис. 10-16). По
такому желобу можно скатывать шары так, что движе-
ние их будет устойчивым. При достаточной скорости
шары пролетают по гребням выпуклых участков желоба,
не успевая свалиться с них ни вправо, ни влево.
Принцип сильной фокусировки позволяет в несколько
раз уменьшить сечение кольцевого магнита циклического
ускорителя. В обычных синхрофазотронах с мягкой (сла-
бой) фокусировкой ширина вакуумной камеры дости-
гает 10% радиуса орбиты. Предполагают, что в ускори-
телях с жесткой фокусировкой размеры камеры удастся
уменьшить до 0,1%' радиуса орбиты. Это значительно
снизит вес магнита и позволит уменьшить мощность,
* Выбирают п не меньше 1', как в обычных синхрофазотронах
со слабой (мягкой) фокусировкой, а порядка 100.
537
потребную для его питания. Ожидается, что по сравне-
нию с обычными конструкциями электронных и протон-
ных циклических ускорителей ускоритель с сильной фо-
кусировкой (позволит при одних и /тех же затратах полу-
чить частицы с энергией, в несколько раз большей.
Но ничто даром не дается. Сужение «беговой дорож-
ки» требует повышения точности ее изготовления. Ва-
Рис. 10-16. Желоб с переменной кривизной—механиче-
ская аналогия системы сильной фокусировки потока за-
ряженных частиц при помощи магнитного поля перемен-
ной .интенсивности.
куумная камера — баранка должна лежать строго в од-
ной плоскости. Точность должна быть такова, что не-
обходимо уже принимать в расчет кривизну Земли.
Артиллеристы иногда измеряют дальность стрельбы
в тысячных долях дистанции. Точность в одну тысячную
означает, что при стрельбе, скажем, на расстояние
в 10 км отклонение от намеченной точки не будет превы-
шать 10 м. В ускорителях с острой фокусировкой заря-
женные частицы должны пробежать путь до миллиона
километров и не отклониться от намеченной орбиты бо-
лее, чем на один сантиметр.
Во многих лабораториях уже построены модели уско-
рителей с сильной фокусировкой. Еще более грандиоз-
538
Рис. 10-17. Синхрофазотрон с сильной фокусировкой.
В в е р х у — кольцевой тоннель. В н и з у — сечение тоннеля.
Между полюсами С-образного электромагнита расположена
ускоряющая вакуумная камера небольшого сечения. Электро-
магнит составлен из отдельных пластин, концы которых ско-
шены попеременно то к внутренней, то к внешней стороне.
ные ускорители проектируются и строятся. На рис. 10-17
показан один из проектов.
В СССР разработан проект ускорителя на 50—
60 млрд эв. Длина окружности вакуумной камеры это-
го ускорителя будет достигать 1,5 км. Кольцевой элек-
тромагнит будет состоять из 120 отдельных секций.
Вблизи Женевы сооружен синхрофазотрон на
25 млрд. эв. В кольцевой траншее длиной свыше 600 м
539
расположены электромагнит и ускорительная трубка.
Фундамент туннеля женевского ускорителя ионов про-
низан целой системой труб, по которым должна непре-
станно циркулировать вода, чтобы поддерживать с точ-
ностью до одного градуса постоянную температуру все-
го сооружения.
10-28. Сверхвысокие энергии
Несколько миллиардов электроновольт — такова до-
стигнутая в современных ускорителях энергия заряжен-
ных частиц. Но в космических лучах встречаются части-
цы с энергией, ib миллионы раз более высокой. Возможно
ли будет когда-либо 'получить такие «сверхэнергичные»
частицы при 'помощи ускорителей?
В современных циклических ускорителях с кольцевым
магнитом радиусы магнита и лежащей между его полю-
сами вакуумной ускорительной камеры растут пропор-
ционально энергии частиц (три данной напряженно-
сти Н поля магнита). Бели при энергии в 1010 электро-
новольт радиус магнита может быть порядка, скажем,
6 nt, то при энергии 1016 эв радиус магнита должен быть
равен 6 тыс. км, т. е. радиусу земного шара. Вакуумная
камера такого ускорителя должна опоясать Землю по
большому кругу.
Можно уменьшить размеры циклического ускорителя,
если увеличить напряженность магнитного потока, про-
низывающего ускорительную камеру. Стальные сердеч-
ники хорошо ведут себя три магнитной индукции до
15 тыс. гс. Дальше наступает насыщение. Существуют
проекты бессердечниковых магнитов, позволяющих полу-
чить более высокие индукции. Упоминавшийся выше
профессор Олифант, работающий в настоящее время
в Австралии, предложил конструкцию безжелезного
ускорителя, в котором индукция должна достигать
100 тыс. гс. Максимальное значение токов в обмотке
магнита этого ускорителя около 1,5 млн. а! Между про-
водниками обмотки возникают электродинамические
усилия порядка 18 т на каждый погонный сантиметр
длины обмотки. Обмотка должна питаться от специаль-
ных генераторов постоянного тока (униполярных гене-
раторов), роторы которых для уменьшения потерь ца
трение вращаются в атмосфере водорода,
640
Ускоритель Оли-фанта будет иметь радиус 3,6 м и
сможет давать импульс не чаще, чем раз в 10 мин.
Максимальная же энергия частиц будет не выше, чем
в проектах ускорителей с сильной фокусировкой.
Пока не видно путей к тому, как получить еще
большие напряженности магнитных полей при помощи
обмоток, сделанных из медных, алюминиевых или се-
ребряных проводников.
10-29» Пустота служит обмоткой
Осенью 1941 г. вокруг Ленинграда сомкнулось коль-
цо блокады. На заводе «Светлана» (об этом заводе
уже упоминалось выше в связи с опытами по линей-
ным резонансным ускорителям) оказалось много не-
загруженного высокочастотного оборудования. Я вос-
пользовался им, чтобы провести давно задуманные
опыты с токами, индуктированными в газовой среде.
Удалось создать высокочастотные трансформаторы,
вторичной обмоткой которых служили не витки прово-
локи, а кольцо ионизированного газа. В это кольцо,
свободно парящее в воздухе, подобно кольцу дыма, ка-
кие любят пускать опытные курильщики, удавалось
вводить токи в сотни ампер и мощности в сотни кило-
ватт. До этого никто не работал с такими мощными
безэлектродными электрическими разрядами. Наше
кольцо ионизированного газа испускало столько света,
что в ясный день давало тень против солнца. При не-
которых условиях кольцо стягивалось в огненный ко-
мок, подобный шаровой молнии. В этом безэлектрод-
ном электрическом пламени «горел воздух», т. е. кис-
лород и азот энергично соединялись, образуя бурые
удушливые газы. Возникли идеи — применить такой
электрический разряд для различных электрохимиче-
ских производств, в частности для получения азотной
кислоты.
Но тем временем положение в Ленинграде стано-
вилось все более тяжелым: усилился обстрел города,
прекратилась подача электроэнергии, на заводе пере-
стало действовать отопление, и опыты с высокочастот-
ными установками, естественно, прекратились. Некото-
рые данные об этих работах были опубликованы
в 1942 г.
541
После окончания войны результаты наших опытов
оказались полезными при проектировании и расчете
новых типов высокочастотных устройств для промыш-
ленного нагрева. Нам удалось построить трансформа-
торы со вторичной обмоткой из стекла, которое, как
известно, в обычном состоянии является диэлектриком.
Высокочастотные трансформаторы со «стеклянными об-
мотками» были использованы в качестве печей. Такие
печи, в которых стекло плавится индуктированными
вихревыми токами, сейчас работают на отечественных
заводах. В них получают особо чистое, высококачест-
венное стекло.
В связи с развитием циклических ускорителей у со-
ветского ученого Г. И. Будкера возникла идея приме-
нить кольцевой безэлектродный разряд в пустоте для
создания сверхмощных магнитных полей, которые мог-
ли бы направлять сгусток ускоряемых заряженных
частиц. Г. И. Будкером был проведен ряд интересных
опытов и расчетов.
Известно, что вокруг замкнутого электронного луча
возникает магнитное поле, которое стремится стянуть
этот луч в возможно более тонкую нить. При некото-
рых условиях плотность тока в луче может достигнуть
сотен тысяч ампер на квадратный миллиметр попереч-
ного сечения луча. Напряженность магнитного поля
вблизи поверхности электронного луча будет в несколь-
ко раз больше, нежели в гигантских катушках Оли-
фанта. Многое здесь все же еще неясно. Есть опасения,
что такой луч может начать изгибаться, змеиться. Во
всяком случае, до сих пор еще неизвестны разработан-
ные конструкции ускорителей с таким замкнутым элек-
тронным лучом.
10-30. „Дуэль* ускорителей
Американский физик Керст, который построил пер-
вый работающий бетатрон, высказал идею: устроить
«дуэль» двух ускорителей и столкнуть встречные пото-
ки заряженных частиц. Если это два ускорителя на
энергии в десятки миллиардов электроновольт, то
эффект встречного столкновения будет такой же, как
при ударе о неподвижную мишень потока заряженных
частиц, ускоренных до энергий в тысячу миллиардов
542
электроновольт. Но можно ли практически осущест-
вить такое столкновение? Какова его вероятность?
Высказывались идеи о переносе опытов по ускоре-
нию заряженных частиц в космические просторы. Пред-
полагалось создавать в высоком вакууме мирового
пространства потоки заряженных частиц, управлять
этими потоками при помощи искусственных спутников,
которые в свою очередь должны получать управляю-
щие команды с наземных станций и передавать на эти
станции данные об опытах.
Множество остроумных специальных деталей при-
влекает внимание во все новых проектах ускорителей,
публикуемых в печати.
Можно любоваться этими проектами, как мы лю-
буемся прекрасными произведениями живописи и
скульптуры, с той, правда, разницей, что в области
ускорителей все очень быстро выходит из моды. То, что
вчера казалось новым и оригинальным, назавтра сдает-
ся в архив.
История ускорителей заряженных частиц не насчи-
тывает и трех десятилетий. За этот срок достижимые
энергии выросли от долей мегаэлектроновольта до ты-
сяч мегаэлектроновольт.
Примерно каждые 6 лет достижимые энергии увели-
чивались в 10 раз. Это можно видеть из представленного
на рис. 10-18 родословного древа «семейства ускорите-
лей».
Одна мысль в истории развития ускорителей долж-
на быть подчеркнута. Чем большую энергию требуется
получить, тем больше ступеней ускорения должен прой-
ти сгусток частиц, тем дольше продолжается игра
электромагнитных волн и заряженных частиц и тем
меньше остается к концу цикла ускорения уцелевших,
накопивших энергию частиц Ч Это дало повод для шут-
ки, что со временем появятся ускорители, которые бу-
дут давать одну частицу сверхвысокой энергии в
неделю.
1 Напомним, что бетатрон дает 50 порций ускоренных частиц
в секунду, существующие синхрофазотроны — одну порцию в не-
сколько секунд, а безжелезный синхрофазотрон Олифанта — одну
порцию ускоренных частиц в несколько минут.
543
Рис. 10-18. Ускорители заряженных атомных частиц.
Разнообразные типы ускорителей показаны в виде ответвлений от общего
ствола. Горизонтальные линии отмечают уровни энергии в миллионах элек-
троновольт (Мэв).
Слева сгруппированы ускорители прямого действия. Эта ветвь обозначена
буквами ВВ — высоковольтные установки. Во всех этих установках энергия
частиц прямо пропорциональна тому напряжению, которое фактически при-
кладывается к ускорительной трубке. 10 Мэе — это потолок для всех высоко-
вольтных устройств (ВВ).
В ветви ВВ три подразделения. Слева И пос. Н — источники постоянного на-
пряжения. Справа — И пер. Н — источники переменного напряжения. Между
ними ИГ — импульсные генераторы.
К источникам постоянного напряжения относятся электростатические генера-
торы — ЭСГ и каскадные выпрямители КВ, которые бывают с емкостной и
индуктивной связью каскадов.
Источники переменного напряжения могут работать с токами низкой часто-
ты — ТНЧ и с токами высокой частоты— ТВЧ.
До напряжений порядка сотни мегавольт поднимается ветвь вихревых уско-
рителей В. Собственно, в этой ветви имеется один-единственный представи-
тель — бетатрон, обозначенный на рисунке буквой Б.
Вправо от общего ствола идет ветвь резонансных ускорителей — РУ. Именно
544
10-31. Перспективы
Энергия, сообщаемая элементарным частицам ускорителями,
(непрерывно растет. За время с 1930 по 1965 гг. она увеличится от
106 до 1011 эв, т. е. в 105 раз за 35 лет. До конца текущего века,
вероятно, возможно создание ускорителей, .рассчитанных на энергию
частиц 1Ю17 эв.
Подобные ускорители позволят приблизиться в земных лабора-
ториях к энергиям космических частиц. 'Одним из первых шагов на
пути достижения больших энергий является спаренная работа двух
ускорителей, выводящих частицы на две -орбиты -с общей касатель-
ной. Частицы разных направлений встречаются на общем участке
образования пакетов. Энергия частиц может быть в этом случае до-
ведена до 1014 эв и больше.
10-32. Заключение
Физику атомного ядра иногда сравнивают с астро-
номией. Исследуемые этими науками объекты нахо-
дятся на противоположных концах «шкалы длин». Но
и для изучения мельчайших деталей микромира и для
проникновения в дали космоса необходима аппаратура
гигантских размеров.
Успехи астрономии основаны на использовании
мощных телескопов. От подзорной трубы Галилея с
линзами диаметром в несколько сантиметров до совре-
менного телескопа-рефлектора с пятиметровым зерка-
лом — таков путь совершенствования астрономической
аппаратуры.
на этой ветви непрестанно возникают все новые и новые побеги, стремящиеся
все выше, ко все более грандиозным энергиям заряженных частиц.
Во всех типах РУ ускоряемые заряженные частицы многократно проходят че-
рез ускоряющие участки высокочастотного электромагнитного поля; ускорение
происходит отдельными ступеньками. Высота каждой отдельной ступени неве-
лика. Прогресс резонансных ускорителей заключался в непрестанном увели-
чении количества ступеней ускорения: от нескольких единиц в первых РУ до
многих миллионов в современных резонансных устройствах.
Все РУ делятся на циклические Ц и линейные Л. На ветви Л показаны два
плода: ЛУИ — линейный ускоритель ионов и ЛУЭ — линейный ускоритель
электронов.
На ветви циклических ускорителей самый старый побег — это циклотрон, ко-
торый работает с неизменной напряженностью магнитного поля и неизменной
частотой ускоряющего напряжения НПЧ. Больших энергий, чем циклотрон,
позволил достичь фазотрон Ф. Однако не видно путей к дальнейшей эволюции
циклотронов и фазотронов. Плодоносным направлением развития являются
конструкции с кольцевым магнитом КМ.
Для ускорения электронов применяется электронный синхротрон СЭ. Для
ускорения ионов строятся приборы с кольцевым магнитом огромных размеров.
Самый большой из подобных приборов — это советский синхрофазотрон СФ.
Наиболее молодой побег на ветви РУ — это ускоритель с острой фокусиров-
кой ОФ. Ожидается, что это устройство позволит получить частицы с энер-
гиями в несколько десятков миллиардов электроновольт.
35 Г. И. Бабат 545
Попытки еще дальше продвинуться по пути увели-
чения размеров телескопов для световых лучей натал-
киваются на почти непреодолимые трудности; здесь и
неустранимые деформации инструмента, и влияние
земной атмосферы. Современная астрономия ищет но-
вые пути. Например, развивается радиоастрономия, в
которой используются электромагнитные волны, в де-
сятки тысяч и даже в миллионы раз более длинные,
нежели световые. Длинные волны позволяют приме-
нять воспринимающие поверхности больших размеров.
Есть проекты радиотелескопов с диаметром «зеркала»
порядка сотни метров.
Физики, работающие над проблемами ускорения за-
ряженных частиц, вряд ли могут сегодня ответить на
вопрос — когда же остановится стремительное разви-
тие ускорителей на все большие энергии? Одно можно
сказать: техника не пойдет по пути простого увеличе-
ния размеров современных приборов.
В 17 в. в Версале — резиденции французского ко-
роля Людовика XIV — была построена насосная стан-
ция для приведения в действие фонтанов в парке. Она
считалась в то время величайшим инженерным соору-
жением, одним из чудес мира. Версальская насосная
станция занимала площадь в несколько гектаров, ко-
ромысла насосов были сделаны из вековых сосен.
И вся эта громоздкая «машинерия» развивала мощ-
ность менее 100 кет, т. е. меньше, чем средних разме-
ров насос современной пожарной машины.
Быть может, так же громоздко и неуклюже будут
выглядеть по сравнению с физическими приборами бу-
дущего наши современные грандиозные ускорители.
Все глубже становится наше познание вещества,
все новые и новые способы перестройки материи нахо-
дит человек. И нет предела в познании и обладании
веществом.
ГЛАВА ОДИННАДЦАТАЯ
ПУТЕШЕСТВИЕ ПО „СТРАНЕ ПЭЭФ*
11-1. Кромки и гиганты
В древнейшие времена у диких племен появились
первые изображения земной поверхности в виде чер-
тежей на песке, на древесной коре. В начале нашей эры
греческий ученый Птоломей стал наносить на геогра-
фические карты параллели и меридианы. В 13 в. в Ита-
лии составлялись географические карты, уже близкие
к нашим современным.
Затем методы составления географических карт
стали применяться не только для изображения поверх-
ности Земли, но и как художественный, литературный
прием. Появились карты различных воображаемых,
вымышленных стран. В 17 в. французская писательни-
ца Мадлэн Скюдери создала карту выдуманной «Стра-
ны Нежности». Там можно было найти: «Деревеньку
Остроумия», «Городок Большое сердце», «Озеро Рав-
нодушия», «Моря Охлаждения и Забвения», в которые
впадали «Реки Влюбленных». Карта «Страны Нежно-
сти» в свое время была очень популярна. Она, напри-
мер, не раз упоминается в романах Александра Дюма.
Различные электротехнические приборы, машины,
аппараты также можно изобразить в сетке координат,
аналогичной географическим меридианам и паралле-
лям. Всякий электротехнический прибор можно харак-
теризовать мощностью (ее принято обозначать латин-
ской буквой Р — «пэ») и частотой тока (обозначение
f—«эф»). Следовательно, можно составить карту
страны электротехники—«Страны Пээф».
В дни блокады в Ленинграде я обдумывал, как бу-
дет развиваться электротехника, намечал маршруты
грядущих походов по стране электротехники. В 1944 г.
была издана моя маленькая книжка «Страна Пээф» —
популярный очерк современной электротехники.
В нашу эпоху наука и техника развиваются стре-
мительно. За истекшие годы страна Пээф сильно из-
менилась. Мне хочется воспользоваться старой идеей,
старым названием, составляя новые карты и новые
описания нашей электротехники середины двадцатого
века.
35* 547
Можно строить карту великой страны электротех-
ники не только в координатах: мощность — частота то-
ка. Можно взять и координаты: ток — напряжение.
Этот принцип и принят теперь (рис. 11-1). А с часто-
той как же быть? Решено для различных частот соста-
вить свои отдельные карты, всю электротехнику раз-
делить на несколько областей: 1) постоянный ток,
2) ток промышленной частоты (50 гц), 3) токи повы-
шенных частот (звуковые и ультразвуковые частоты)
и, наконец, 4) радиочастоты. Для каждой из этих че-
тырех областей построена своя карта в координатах
напряжение — ток.
По вертикали откладывается напря-
жение. Каждая горизонтальная линия определяет
изменение напряжения в 10 раз. Жирные горизонталь-
ные линии на карте соответствуют тысячекратному из-
менению напряжения.
По горизонтали откладывается ток.
Каждая вертикальная линия соответствует изменению
тока в 10 раз. Жирные вертикальные линии дают тыся-
чекратное изменение тока.
Масштаб, принятый в наших картах, называется
логарифмическим. Расстояния между делениями про-
порциональны не самим числам, а их логарифмам. Та-
кой масштаб позволяет поместить на одном графике
как очень большие, так и очень маленькие величины.
У наших карт нет границ: их можно неограниченно
продолжать как в сторону все больших, так и в сторо-
ну все меньших величин.
Помимо вертикальных и горизонтальных линий, на
каждой из наших карт нанесено еще по два семейства
наклонных линий. Линии одного семейства идут сверху
слева—'вниз направо. Каждая такая линия соответст-
вует постоянной величине произведения тока на напря-
жение— постоянной мощности P—UI. При перемеще-
нии по такой линии вниз направо напряжение падает,
но одновременно во столько же раз возрастает ток, и
произведение тока на напряжение остается неизмен-
ным. При перемещении же вверх влево, наоборот,
уменьшается ток и возрастает напряжение, и опять-
таки произведение этих величин P=UI остается по-
стоянным. По диагонали график пересекает линия,
соответствующая мощности в 1 ватт. Вверх вправо от
548
нее идут линии, соответствующие: 1 киловатту, 1 мега-
ватту (тысяче киловатт) и, наконец, миллиону киловатт
(иногда говорят один гигаватт). Вниз влево от линии
1 ватт идут линии: 1 милливатт (10~3 er), 1 микроватт
(10-6 вт).
Все аппараты, сидящие на одной линии мощности,
имеют между собой то общее, что в одинаковое вре-
мя перерабатывают равные количества электроэнер-
гии.
Линии, идущие на графиках снизу слева — вверх
направо, соответствуют постоянной величине отноше-
ния напряжения к току, т. е. это линии постоянного со-
противления R = U/I. По диагонали идет линия, соот-
ветствующая сопротивлению в 1 ом. Вниз от нее идут
линии, соответствующие все меньшему сопротивле-
нию— тысячной, миллионной, миллиардной долям ома.
Линии вверху справа соответствуют большим сопротив-
лениям: тысяча, миллион, миллиард ом.
В электротехнических машинах, приборах, аппара-
тах расход конструкционных материалов зависит от
мощности. Чем больше токи, тем больше требуется
проводниковых материалов (меди, алюминия)—на то-
копроводящие части — и ферромагнитных материалов
(электротехнической стали, различных ферритов)—на
магнитопроводы. Чем выше напряжение, тем больше
требуется электроизоляционных материалов. Чем боль-
ше мощность, тем больше размеры и вес конструкций.
Однако необходимо подчеркнуть, что удельный расход
конструкционных материалов (расход материалов на
единицу мощности) тем меньше, чем больше мощность
электротехнического устройства. Веса и размеры элек-
тротехнических конструкций растут не прямо пропор-
ционально мощности, а несколько медленнее. Поэтому
и существует в электротехнике тенденция все увеличи-
вать предельную мощность машин и аппаратов. Удель-
ные потери энергии (потери на единицу преобразуемой
мощности) обычно также уменьшаются с ростом мощ-
ности машины или аппарата.
Изображения различных электротехнических ма-
шин, приборов, аппаратов даны на картах в разных
масштабах. В нижней левой части наших карт — элек-
трические крошки. В верхней правой части — гиганты,
размеры их намеряются метрами, а вес—тоннами.
550
Устройства, служащие для связи, контроля, сигна-
лизации, измерений, управления, прежде всего было
принято относить к «технике слабых токов», энергети-
ческие же устройства — к «сильноточной технике». Те-
перь такое деление не всегда справедливо. Существуют
устройства связи, мощность которых много больше
иных устройств энергетического назначения. Поэтому
на наших картах нет границ, которые отделяли бы сла-
бые токи от сильных.
Обзор карт начнем с области постоянного тока
(иногда его называют «прямой ток»; к сожалению, это
более правильное название не прививается).
11-2. Постоянный ток
Множество машин и аппаратов работают на посто-
янном токе. Область постоянного тока все расширяет-
ся, как и остальные области электротехники.
Важнейший потребитель постоянного тока — элек-
тротехническая промышленность. Здесь электрический
ток — своеобразное сырье. С его помощью получают
различные продукты.
Один из главных материалов современной техни-
ки — алюминий в настоящее время получается исклю-
чительно электрохимическим способом: пропусканием
тока через расплавленные соединения алюминия.
Ванны для электролиза алюминия работают при
токах во многие тысячи ампер. Напряжение на ванне
меньше 3 в, но для удобства эксплуатации большое
число ванн включается последовательно. Получается
так называемая серия ванн. Напряжение на серии вы-
бирается порядка нескольких сотен вольт. Мощность
серии ванн измеряется обычно многими тысячами кило-
ватт. Чтобы произвести 1 т алюминия, необходимо
затратить: около 2 тонн глинозема, 0,7 т угольных
электродов (соединенные с положительным полюсом
угольные аноды сгорают в процессе электролиза алю-
миния) и до 20 000 квт>ч электроэнергии. Алюминие-
вая промышленность является одной из наиболее энер-
гоемких отраслей промышленности.
Первый в СССР алюминиевый завод — Волков-
ский— пущен в 1932 г. В 1937 г. СССР уже занимал
третье место в мире по производству алюминия.
551
С помощью электролиза Постоянным током добыва-
ют также ряд других металлов: магний, натрий, калий.
В электролитических ваннах очищается (рафинирует-
ся) медь, идущая на приготовление проводов.
На постоянном токе действуют многочисленные
гальванопластические установки для нанесения слоев
одного металла на другой.
Машиностроительные детали покрывают тонким
слоем хрома для придания твердости и износоустойчи-
вости. Хромом и никелем покрывают также различные
детали для придания устойчивости против коррозии и
для красоты. Жесть для консервных банок изготавли-
вают из железа, покрытого гальваническим путем тон-
ким слоем олова.
Почти в каждом современном металлообрабатываю-
щем заводе имеется цех гальванопокрытий.
Не менее 10% вырабатываемой во всем мире элек-
троэнергии расходуется в виде постоянного тока для
различных электрохимических процессов.
В левом нижнем углу края постоянного тока нахо-
дятся термопары. Спай из двух различных металлов
или сплавов развивает электродвижущую силу, если
температура этого спая отличается от температуры
остальной части цепи.
Термопары — это генераторы электроэнергии. Они
превращают тепло в электрический ток, их так и назы-
вают— термогенераторы, термобатареи. Термогенера-
торы из металлов или сплавов имеют очень низкий
к. п. д., они превращают в электроэнергию меньше од-
ного процента от подводимого тепла. Но они хороши
как измерители температуры: очень точные, надежные,
удобные в обращении. С термопарой соединяют элек-
троизмерительный прибор и по его показаниям судят о
температуре. Термопара из благородных металлов
(один провод—платина, другой — сплав платины с ро-
дием.) может измерять высокие температуры (до
1 600° С). Насколько широко применяются термопары,
можно судить по тому, что производятся специальные
сплавы: «хромель», «алюмель», «копель» для приго-
товления электродов термопар.
В печах, где выплавляют сталь, варят стекло, об-
жигают различные керамические изделия, температуру
измеряют при помощи термопар. Термопары служат
552
чувствительными элементами (термоэлектрическими
датчиками) в различных автоматических регуляторах
температуры.
При тонких биологических измерениях, когда тре-
буется с высокой точностью измерить температуру еди-
ничного мышечного волокна или нервного узла, приме-
няют термопары из тончайших проволочек.
Термопары можно создавать не только из метал-
лов, но и из полупроводников. Полупроводниковые тер-
мопары развивают более высокую термоэлектродвижу-
щую силу, чем металлические термопары, и имеют
к. п. д. несколько процентов.
Из полупроводниковых термопар собирают батареи
для питания радиоприемников. Выпускается в СССР
термобатарея, которая развивает мощность около
30 вт. Она нагревается керосиновой лампой, потребляю-
щей в час около четверти килограмма керосина. Тер-
мопары могут применяться и для обратного преобра-
зования электроэнергии в тепловую, они могут рабо-
тать как «тепловые насосы», забирая тепло от более
холодного тела и передавая его более нагретому. С по-
лупроводниковыми термопарами строят холодильники.
Можно применять полупроводниковые термопары и
для отопления помещений. Они забирают тепло от хо-
лодного воздуха с улицы и накачивают это тепло в по-
мещение. Так получается значительно больший эффект,
чем от применения простых электрических печек.
В левой нижней части этой карты можно найти еще
маломощные электрогенераторы: это химические источ-
ники тока—гальванические элементы. Наиболее рас-
пространены элементы, в которых электроэнергия полу-
чается за счет окисления цинка. Цинковый катод име-
ют и батарейки для карманных фонариков. Ведутся
исследования, чтобы создать элементы, в которых
электроэнергия получалась бы за счет окисления угле-
рода и водорода. В частности, над этой проблемой ра-
ботал в конце прошлого века знаменитый русский
изобретатель Яблочков.
Электроэнергия, получаемая от химических источ-
ников тока, получается много дороже электроэнергии,
вырабатываемой на центральных электростанциях вра-
щающимися машинами. Химические источники тока не
применяются в «большой энергетике», но они незаме-
553
ними, когда приходится питать небольшой мощностью
какое-либо автономное* устройство. В частности, хими-
ческие источники тока применены во всех искусствен-
ных спутниках.
К электрохимическим генераторам относятся и
устройства для измерения электрическим способом хи-
мического состава различных сред. В исследуемые среды
помещаются 'специальные электроды, и измеряется раз-
виваемая ими электродвижущая сила. Она зависит от
содержания щелочей или кислот в растворе. По показа-
ниям прибора можно определять концентрацию ионов
в растворе. Такими методами управляют различными
процессами, — например, контролируют процессы хи-
мического извлечения урана из его руд.
В верхней части карты размещаются высоковольт-
ные устройства. Для получения напряжений до несколь-
ких миллионов вольт при мощности до 10 кет иногда
применяют электростатические генераторы. В них вы-
сокие напряжения получаются за счет переноса элек-
трических зарядов механическим путем. Один из рас-
пространенных типов электрических генераторов разра-
ботан американским физиком Ван-де-Граафом. В ге-
нераторе Ван-де-Граафа электрические заряды пере-
носятся на ремнях из изоляционного материала. Таким
образом можно получать токи до одной тысячной доли
ампера.
Для получения больших токов и мощностей при вы-
соких напряжениях применяются каскадные преобра-
зовательные схемы. В каскадных преобразовательных
схемах обычно имеется ряд последовательно (каскад-
но) включенных конденсаторов. Каждый конденсатор
через электрические вентили заряжается от цепи пере-
менного тока. Напряжения всех конденсаторов склады-
ваются. Если, скажем, каждый конденсатор заряжает-
ся до напряжения в 100 тыс. в, а всего в преобразова-
теле 20 каскадов, то результирующее напряжение бу-
дет 2 млн. в.
Верх нашей карты ограничен напряжением 10 млн. в.
Более высоковольтные установки в настоящее время
не строятся, и вряд ли будет нужда строить их в буду-
щем. Сверхвысокие напряжения необходимы, чтобы
ускорять заряженные атомные частицы для исследова-
ний атомного ядра. Ученые нашли пути ускорять час-
554
тицы без применения сверхвысоких напряжений. Для
ускорения используются переменные напряжения токов
высокой частоты. Ускоряемые частицы получают мно-
жество отдельных согласованных толчков, и скорость
их становится такой, как будто бы они прошли напря-
жение постоянного тока в миллиарды вольт.
На постоянном токе с напряжением порядка 100—
200 тыс. в работают электрические фильтры для очист-
ки газов. В фильтрах электрические заряды насаживают-
ся на мельчайшие пылинки и капельки. Электроды, за-
ряженные до высокого напряжения, увлекают к себе на-
электризованные пылинки, освобождают от них газ.
Электрические фильтры применяются на электро-
станциях, на цементных заводах и во многих других
случаях, когда надо улавливать очень тонкую пыль.
Напряжения в несколько десятков и сотен тысяч
вольт применяются в рентгенотехнике. Чем выше на-
пряжение, подводимое к рентгеновской трубке, тем бо-
лее коротковолновое, более проникающее — более жест-
кое, как говорят, — излучение она дает.
В телевизионных трубках применяют обычно для
ускорения электронного луча напряжение не выше
20 000 в, чтобы предотвратить возникновение рентге-
новского излучения.
Можно применять постоянный ток высокого напря-
жения для передачи электроэнергии на большие рас-
стояния. Линии постоянного тока имеют некоторые
преимущества перед обычными линиями переменного
тока. Однако применение линий передачи постоянного
тока связано и с рядом затруднений: на месте потреб-
ления необходимо превращать постоянный ток высоко-
го напряжения в обычный переменный ток. В настоя-
щее время во всем мире существует лишь небольшое
количество линий передачи электроэнергии постоянным
током высокого напряжения. Ведущая роль во внедре-
нии этих линий принадлежит СССР.
Важная область применения постоянного тока —
это электропривод. Двигатели постоянного тока обла-
дают очень хорошими рабочими характеристиками:
сильно берут с места, позволяют плавно и точно регу-
лировать скорость.
Двигатели постоянного тока применяются на элек-
тротранспорте. В троллейбусах и в трамваях, в вагонах
555
метро, в пригородных электропоездах, в электровозах
для дальних магистралей — всюду работают двигатели
постоянного тока.
Для привода землеройных машин, для самых мощ-
ных, самых производительных экскаваторов применя-
ются двигатели постоянного тока. Постоянным током
питают двигатели мощных прокатных станов, машин
для вытяжки стекла из ванных печей, бумагоделатель-
ных машин и еще многих других важных агрегатов
современной индустрии.
11-3. Переменный ток промышленной
частоты
Промышленная электротехника возникла в конце
прошлого века. Первые центральные электростанции
вырабатывали постоянный ток. Этот ток можно пере-
давать и потреблять лишь при том же напряжении, при
котором он вырабатывается на электростанции. Дпя
питания электроламп применяют напряжение не выше
220 в. Более высокое напряжение чрезмерно опасно
для жизни. Поэтому и центральные электростанции
постоянного тока приходилось строить на напряжение
200 в. При таком напряжении электроэнергию можно
передавать на расстояние не более 1 км. Электростан-
ции постоянного тока стали вытесняться электростан-
циями переменного тока. Переменное напряжение лег-
ко можно изменять трансформаторами. Поэтому в ли-
нии электропередачи можно иметь высокое напряже-
ние, а на месте потребления трансформаторами пони-
жать его до безопасного значения.
В 1891 г. Михаил Осипович Доливо-Добровольский
разработал свою знаменитую систему трехфазного пе-
ременного тока L Для этого тока Доливо-Доброволь-
1 (Многофазными системами (называют сочетание (Нескольких це-
пей простого переменного тока одинаковой частоты, ню не одновре-
менно изменяющихся — сдвинутых по фазе. Двухфазная система,
например, состоит из двух цепей переменного тока; токи эти сдви-
нуты один относительно другого на четверть периода — 90°; когда
в одной фазе ток максимальный, в другой ток переходит через
нуль. В трехфазной системе три переменных тока сдвинуты один
относительно другого на треть периода — на 120°.
Трехфазный ток имеет ряд ценных преимуществ перед другими
системами переменных токов. Для передачи заданной мощности
556
ский создал простые и обладающие хорошими харак-
теристиками асинхронные электродвигатели. Трехфаз-
ный переменный ток стал применяться для электрифи-
кации во всем мире.
Сначала электростанции переменного тока строились
на различные частоты. Одни предпочитали частоты по-
ниже— 16—25 периодов в секунду, другие более высо-
кие частоты — 70, 90, 100 периодов в секунду; были так-
же электростанции с частотой тока 42 периода в секун-
ду. Станции с разной частотой не могли работать со-
вместно, поэтому была установлена одна общая стандарт-
ная частота для всех электростанций. В Европе, в Азии,
в том числе и в России, приняли частоту 50 периодов
в секунду. В Соединенных Штатах Америки приняли
частоту 60 периодов в секунду. И теперь во всем мире
существуют эти два стандарта. Единицу частоты в честь
знаменитого исследователя быстропеременных токов
Генриха Герца назвали герц (гц). Генераторы на элек-
тростанциях, линии передачи, распределительные сети
теперь строятся на частоты 50 или 60 гц. По сравнению
с частотами тока в миллионы и даже миллиарды герц,
применяемыми в радиотехнике, 50 и 60 гц — это низкие
частоты.
С первых лет развития промышленной электротехни-
ки строители центральных электростанций стремились
увеличить мощность генераторов. Сначала мощным счи-
тался генератор на несколько десятков киловатт, потом
появились генераторы на мощности в сотни и тысячи ки-
ловатт. Недавно казалось, что генератор на 100 тыс. кет—
это предел мощности. Теперь уже построены генерато-
ры на мощность 300 тыс. кет, и проектируются еще бо-
лее мощные генераторы.
Частота переменного тока, вырабатываемого генера-
тором, равна произведению числа пар полюсов ротора
генератора (вращающейся части) на число оборотов
в секунду этого ротора. На тепловых электростанциях
(угольных, нефтяных, урановых) применяются быстро-
ходные турбины на 50 об!сек, (3 000 об!мин). В турбо-
генераторах, соединенных с такими турбинами, ротор
при заданном напряжении при трехфазной системе получается наи-
меньший расход проводниковых материалов (меди, алюминия). Ге-
нераторы и двигатели трехфазного тока конструктивно совершеннее
по сравнению с машинами для токов других систем.
557
Рис. 11-2.
юмв
1Мв
100 кв
10 кв
1кв
100 в
10 в
1в
ЮОмв
Юмв
1мв
ЮОрб
Юца ЮОр.а' 1ма Юма 100ма 1а 10 а 100 а 1ка Юка ЮОка 1Ма
имеет лишь одну пару полюсов. На гидравлических элек-
тростанциях водяные турбины выполняются относитель-
но тихоходными. Иногда они делают меньше одного обо-
рота в секунду. Ротор гидрогенератора обычно несет
несколько десятков пар полюсов.
Мощные генераторы переменного тока выполняются
обычно на напряжения порядка 10—20 тыс. в. Более
высоковольтные генераторы не вошли в практику из-за
затруднений с изоляцией.
Для дальних линий электропередач применяют на-
пряжение 100—200 тыс. в, а для линий передачи Волж-
ские ГЭС—Москва применено напряжение 500 тыс. в.
Напряжение магистральных линий передачи электри-
ческой системы СССР будут значительно выше 500 кв.
Генераторы соединяются с дальними линиями электро-
передачи при помощи повышающих трансформаторов.
Такие же трансформаторы, только включенные на по-
нижение напряжения, стоят и на приемном конце линии
электропередачи. На нашей карте трансформаторы дол-
жны вытягиваться . вдоль линий постоянной мощности,
соединяя собой линии двух разных сопротивлений.
Трансформаторы — это согласователи нагрузок. Повы-
шающие трансформаторы позволяют подключить высо-
ковольтную нагрузку,* потребляющую небольшой ток,
к сети с низким напряжением, но большим током. Пони-
жающие трансформаторы, наоборот, согласуют нагрузку
низкого напряжения и большого тока с высоковольтной
сетью.
Трансформатор — важнейший аппарат электротехни-
ки переменных токов. В механике электрическому тран-
сформатору соответствуют рычаги, зубчатые и другие
передачи, которые меняют соотношения между силой и
скоростью. Электрический трансформатор меняет соот-
ношение между напряжением и током.
Электрический трансформатор для низкочастотного
однофазного тока состоит из двух катушек, пронизывае-
мых общим магнитным потоком. Этот магнитный поток
создается током первичной катушки и, следовательно,
изменяется, точно следуя изменениям тока. Переменный
магнитный поток наводит во вторичной катушке — ин-
дуктирует, как говорят электрики, — напряжение точно
такой же формы, т. е. изменяющееся во времени точно
так же, как и напряжение, приложенное к первичной ка-
559
тушке. Величина же вторичного напряжения зависит от
отношения чисел витков первичной и вторичной катушек
трансформатора. Отношение чисел витков обмоток на-
зывается коэффициентом трансформации.
Этот термин применяется и в механике. Так, в рычаге
коэффициент трансформации—это отношение плеч, в зуб-
чатой передаче — отношение зубцов ведущей и ведомой
шестерен.
Когда во вторичной катушке витков больше, чем в
первичной, то трансформатор—повышающий: напряже-
ние вторичной обмотки получается выше, чем в первич-
ной, а ток меньше. Если же, наоборот в первичной об-
мотке больше витков, чем во вторичной, то такой
трансформатор понижает напряжение и увеличивает
ток.
В трансформаторах промышленной частоты, чтобы
облегчить путь магнитному потоку, внутрь обмоток по-
мещают сердечник из ферромагнитного материала.
Промышленность выпускает специальную трансформа-
торную сталь в виде листов стандартной толщины
0,35 м. Из изолированных (покрытых лаком или окле-
енных тонкой бумагой) полосок трансформаторной ста-
ли и собирают сердечники — магнитопроводы. Сердеч-
ник из массивного стального бруса нельзя применить.
Стальной массив, помещенный внутрь катушки, обтекае-
мой переменным током, явится как бы коротко замкну-
той обмоткой. В нем будут циркулировать токи, называе-
мые вихревыми. Вихревые токи в сердечнике трансфор-
матора вызывают вредные потери энергии. Если сер-
дечник расслоить — собрать из отдельных изолированных
один от другого листов или проволок, — то циркуляция
вихревых токов ослабляется. Чтобы еще снизить потери
на вихревые токи, в состав трансформаторной стали вво-
дят кремний: он увеличивает электросопротивление ста-
ли и этим снижает силу вихревых токов и выделяемую
ими энергию.
Огромно разнообразие машин, приборов, аппаратов
переменного тока 50 гц, применяемых в быту. В средней
части карты переменного тока помещены некоторые
электробытовые устройства.
Мощность электрической бритвы, например, всего
лишь несколько ватт. При ежедневном бритье стоимость
израсходованной электроэнергии за год — копейки 3—4.
560
Электронагревательные приборы для бытовых целей
обычно имеют мощность нескольких сотен ватт. 300—
утюг, 600 вт — электроплитка, электрочайник. Мощность
в несколько сотен ватт потребляют обычно и электро-
двигатели в холодильнике, электрополотере, пылесосе.
Много тысяч электродвигателей трехфазного тока
50 гц работает в промышленности. Применяются двига-
тели на мощность от долей киловатта до тысяч киловатт.
Чем быстроходнее двигатель, тем меньше его вес на еди-
ницу мощности. Поэтому стремятся применить возмож-
но более быстроходные двигатели, а если рабочая ма-
шина имеет медленные движения, то применяют пони-
жающую зубчатую или ременную передачу от двига-
теля.
В двигателях переменного тока вращающаяся часть—
ротор увлекается вращающимся магнитным полем, ко-
торое создает обмотка неподвижной части — статора,
подключаемая к питающей сети. Скорость вращения маг-
нитного поля равна частоте тока, деленной на число пар
полюсов обмотки статора. При двухполюсной обмотке
получается наибольшая скорость—3 000 об1мин. Сущест-
вуют различные типы двигателей. В одних ротор строго
следует за вращающимся магнитным полем. Такие дви-
гатели называют синхронными, так как ротор движется
синхронно (одновременно) с магнитным полем. Но эти
двигатели плохо берут с места, скорость их не может
плавно регулироваться.
Больше всего распространены так называемые асин-
хронные двигатели, изобретенные впервые Доливо-До-
бровольским. В них ротор немного — на 2—3%—отста-
ет от магнитного поля. Эти двигатели хорошо берут
с места под нагрузкой, имеют простую, надежную кон-
струкцию. Число оборотов их меньше скорости вращаю-
щегося магнитного поля на величину скольжения. При
двухполюсном исполнении номинальная скорость асин-
хронного двигателя примерно 2 900 об!мин, при четырех-
полюсном — 1 450 об! мин, шестиполюсном — 940 об!мин.
Двигатель с четырьмя парами полюсов делает 720—
740 об!мин.
На карте переменного тока промышленной низкой
частоты мало можно найти устройств малой мощности,
не они определяют электротехнику низкочастотного пе-
ременного тока.
3$ Г. И. Бабцт 561
Из маломощных устройств на токе с частотой 50 гц
в первую очередь должны быть отмечены магнитные
усилители. Они имеют сердечники из стали (или из
другого ферромагнитного материала), на которых рас-
положены обмотки переменного тока и обмотки, обте-
каемые током усиливаемого сигнала. Ток сигнала меня-
ет магнитное насыщение сердечника и, таким образом,
его магнитную проницаемость. От этого меняется ин-
дуктивное сопротивление обмоток переменного тока, ме-
няется и величина текущего через них переменного
тока. Переменный ток меняется в такт изменению тока
сигнала. При этом мощность в цепи переменного тока,
точно повторяющего изменения тока сигнала, может
быть в десятки и сотни раз больше, чем мощность само-
го сигнала. При помощи магнитных усилителей, напри-
мер, можно усилить мощность в 10-6 вт, отдаваемую
измерительной термопарой, в тысячи раз. Строятся маг-
нитные усилители и на большие мощности — в несколько
киловатт.
Такие магнитные усилители могут управлять работой
электродвигателей, поддерживать с высокой степенью
точности режим электрических печей и т. д.
В технике переменных токов есть особенности, не
встречающиеся в технике постоянного тока.
При постоянном токе произведение вольт на амперы
дает мощность, выраженную в ваттах. Ее называют «ак-
тивная мощность». На переменном же токе произведе-
ние вольт на амперы — вольт-амперы — это так называе-
мая «полная мощность». Активная мощность в ваттах
равна произведению полной мощности в вольт-амперах
на коэффициент мощности, который может лежать в пре-
делах от нуля до единицы. Этот коэффициент мощности
равен произведению двух сомножителей: коэффициента
искажения и коэффициента сдвига. Когда кривые тока
и напряжения в точности подобны одна другой, обе яв-
ляются синусоидами, одновременно проходят через нуль
и одновременно принимают максимальное значение, то
коэффициент мощности равен единице. Если же фор-
мы кривых тока и напряжения неодинаковы — напри-
мер, одна из них является чистой синусоидой, а дру-
гая— искаженной синусоидой, то произведение тока на
напряжение надо множить еще на коэффициент иска-
жения, чтобы получить активную мощность.
562
Если кривые тока и напряжения обе являются иде-
альными синусоидами, но не одновременно переходят
через нуль — между ними имеется сдвиг фаз, то актив-
ная мощность равна полной мощности, умноженной на
коэффициент сдвига — косинус угла сдвига фаз между
синусоидами тока и напряжения.
Когда сдвиг фаз между синусоидами тока и напря-
жения равен нулю, то коэффициент мощности cos<p=l.
Активная мощность равна полной мощности. Электрики
стремятся в своих установках приблизиться к этому
идеальному случаю.
Когда сдвиг фаз между синусоидами тока и напряже-
ния равен 90°, то коэффициент мощности равен нулю.
Следовательно, равна нулю и активная мощность: про-
изведение напряжения на ток в этом случае дает ре-
активную мощность, т. е. мощность, которая циркулиру-
ет в цепи, не производя полезной работы.
У асинхронных электродвигателей коэффициент мощ-
ности бывает обычно в пределах 0,7—0,9.
При коэффициенте мощности, равном 0,7, активная и
реактивная мощности равны.
Реактивная мощность, циркулируя по линиям пере-
дачи, вызывает дополнительные потери энергии. Поэто-
му электрики стремятся повысить коэффициент мощ-
ности, приблизить его к единице и этим уменьшить поте-
ри электроэнергии.
Отношение реактивной мощности к активной зависит
от частоты тока. В установках, работающих на токе
с частотой 50 гц, реактивная мощность в редких слу-
чаях превышает активную. В высокочастотных установ-
ках реактивная мощность может в десятки раз превы-
шать активную. В радиотехнике применяются устройст-
ва, в которых реактивная мощность превышает активную
в тысячи и даже десятки тысяч раз.
11-4. Повышенные частоты
Когда в конце прошлого века стала развиваться тех-
ника переменных токов, то термин токи высокой
частоты применялся, чтобы отличить токи с частотой
50 и 60 гц от токов с частотой 16 и 25 гц. С развитием
техники стали получать практическое применение токи
все более и более высоких частот. В соответствии с этим
36* 563
Менялась и терминология. В настоящее время установи-
лись следующие наименования: токи с частотой от не-
скольких сотен или тысяч герц — это повышенные
частоты. Частоты, применяемые для радиосвязи, на-
чиная от десятков тысяч герц, — называются высокие
частоты. Для частот свыше ста миллионов герц при-
меняется термин сверхвысокие частоты (СВЧ).
Нет резко выраженной границы между повышенны-
ми и высокими частотами. И на карте повышенных ча-
стот (рис. 11-3) помещены некоторые объекты, которые
можно было бы отнести и к высокочастотной технике.
Надо отметить, что область повышенных частот раз-
вита относительно меньше остальных областей электро-
техники.
Токи повышенных частот получают от машинных ге-
нераторов, приводимых во вращение двигателями про-
мышленной частоты или двигателями постоянного тока.
Применяются также преобразователи тока с электрон-
ными или ионными приборами. Последнее время для
получения небольших мощностей тока повышенной ча-
. стоты применяют преобразователи с управляемыми
полупроводниковыми вентилями. Токи с частотой в не-
сколько сотен герц применяются в промышленности для
питания быстроходных электродвигателей. Такие дви-
гатели работают в вибраторах для бетона, вращают
прядильные веретена в производстве искусственного во-
локна, приводят в действие быстроходные электропилы,
полировальные станки и т. д.
Токи повышенных частот применяются как промежу-
точное звено в устройствах для превращения постоян-
ного тока одного напряжения в другое. «Трансформато-
ры постоянного тока» такого типа применяются, напри-
мер, для питания ламповых радиоустройств от низко-
вольтных батарей. Непосредственно от батарей питают
цепи накала, а чтобы получить высокое напряжение
для питания анодных цепей, поступают следующим
образом: превращают постоянный ток в переменный,
повышают переменное напряжение трансформатором,
а затем переменный ток высокого напряжения выпрям-
ляют. Для такого преобразования применяют механи-
ческие вибраторы, действующие подобно электрическо-
му звонку. В последнее время для такого преобразова-
ния применяют полупроводниковые устройства.
564
Токи повышенной частоты широко применяются для
создания механических колебаний. Механические коле-
бания с частотой от сотен герц до десяти килогерц (ко-
лебания звуковых частот) можно получить посредством
взаимодействия токов и магнитных полей. В телефоне,
например, электромагнит, питаемый переменным током,
притягивает к себе мембрану в такт изменениям тока.
В так называемых электродинамических громкоговори-
телях колебания конуса-излучателя (диффузора) созда-
ются катушкой, обтекаемой током звуковой частоты,
приделанной к диффузору. Эта катушка находится
в кольцевом зазоре между полюсами сильного постоян-
ного магнита или электромагнита. Токи в катушке на-
правлены перпендикулярно магнитным линиям. В за-
висимости от того, в какую сторону идет ток в катушке,
она стремится переместиться (вытолкнуться из магнит-
ного поля) в ту или иную сторону.
Устройства для получения звуковых колебаний
обычно имеют небольшую мощность. Телефон работает
при мощностях в тысячные доли ватта. Комнатные
громкоговорители имеют мощность 3—5 вт. Самые мощ-
ные громкоговорители, которые слышно на расстоянии
нескольких километров, имеют мощность меньше кило-
ватта.
Для создания механических колебаний, более быст-
рых, чем звуковые, неприменимы магнитодинамические
системы, используемые в громкоговорителях. Для полу-
чения ультразвуковых механических колебаний исполь-
зуется свойство некоторых материалов менять свои гео-
метрические размеры в электрических и магнитных
полях. Например, никель в магнитном поле укорачи-
вается тем больше, чем сильнее поле. Это явление на-
зывается магнитострикцией. Никелевый стержень,
помещенный в переменное электромагнитное поле, бу-
дет вибрировать — попеременно укорачиваться и удли-
няться — в соответствии с изменениями поля. Еще
интенсивнее, чем никель, изменяют свои размеры в маг-
нитном поле некоторые ферромагнитные сплавы, спе-
циально применяемые в магнитострикционных вибрато-
рах. Эти вибраторы и превращают переменный ток уль-
тразвуковой частоты в механические колебания этой же
частоты.
Магнитострикционные вибраторы строятся на часто-
566
ту от 20 до 100 кгц (верхний предел — это уже собствен-
но не повышенные, а высокие частоты) на мощности
до нескольких десятков киловатт. Коэффициент полез-
ного действия преобразования электрической энергии
в механическую в магнитострикционных вибраторах до-
стигает 50%, а интенсивность потока механических ко-
лебаний — до нескольких ватт на один квадратный сан-
тиметр.
Кристаллы кварца, сегнетовой соли и еще некото-
рых других веществ изменяют свои размеры в электри-
ческом поле. Это свойство называется пьезоэлектриче-
ским эффектом. Пластинка кварца, помещенная между
металлическими обкладками, к которым подведено вы-
сокое переменное напряжение, будет вибрировать в такт
изменениям напряжения. Так можно получать механи-
ческие колебания еще более высоких частот, чем дают
магнитострикционные вибраторы.
В последнее время в качестве пьезоэлектрических
вибраторов — излучателей применяется керамика из ти-
таната бария. Ультразвуковые колебания распростра-
няются в газах, жидкостях и твердых телах с такой же
скоростью, как и звук. В воздухе, например, их скорость
равна 332 м!сек. Длина волны равна скорости распро-
странения колебаний, деленной на частоту. Длина волн
звуковых колебаний находится в пределах от 20 м (наи-
более низкая слышимая частота—16 гц) примерно до
1,7 см (наиболее высокая слышимая частота — 20 кгц).
Длины волн ультразвуковых колебаний значительно
меньше, например 0,66 см при частоте 50 кгц. Благода-
ря малой длине волны ультразвуковые колебания легко
можно собрать в направленный поток — луч. Такие
ультразвуковые лучи используются для гидролокации —
измерения глубин и обнаружения подводных лодок, ко-
сяков рыбы, а также для выявления дефектов в изде-
лиях из металла, пластмасс, резины.
Интенсивные ультразвуковые колебания оказывают
специфическое действие на состояние веществ, течение
химических реакций и физико-химических процессов.
При помощи ультразвука можно создавать и разрушать
эмульсии, ускорять течение диффузионных процессов,
например при обработке фотоматериалов. Ультразву-
ком можно экономично производить мойку и очистку
мелких деталей. Существуют аппараты для механиче-
567
ской обработки (сверления, долбления) при помощи
ультразвуковых колебаний. Построены сварочные уль-
тразвуковые аппараты: поглощение ультразвуковых ко-
лебаний в месте контакта двух деталей вызывает разо-
грев, достаточный для произведения сварки.
Для токов повышенных частот применяются такие
же, как и для токов низкой частоты, трансформаторы,
состоящие из двух катушек, связанных общим перемен-
ным магнитным потоком. Чтобы избежать потерь на
вихревые токи в сердечнике-магнитопроводе трансфор-
матора повышенной частоты, приходится делать этот
сердечник из листов или проволок, более тонких, чем
при низкой частоте. Иногда оказывается выгодным вовсе
отказаться от ферромагнитного сердечника — замыкать
магнитный поток через воздух. Такие трансформаторы
называются воздушными.
На карте повышенных частот помещены установки
высокочастотного транспорта. С точки зрения электро-
техники, это трансформатор: первичная обмотка растя-
нута вдоль дороги, вторичная помещена на машине,
энергия от первичной обмотки ко вторичной передается
переменным магнитным потоком.
Опыты с высокочастотным транспортом были прове-
дены впервые в Советском Союзе еще в годы Отечест-
венной войны. В Донбассе на шахте Кантарная построе-
на первая промышленная линия высокочастотного
транспорта. Под кровлей выработки протянута двухпро-
водная линия (петля), по которой идет ток с частотой
2 500 гц и силой несколько десятков ампер. На крыше
электровоза помещен приемный контур из шести витков
кабеля. Чтобы лучше связать магнитным потоком бес-
контактную сеть с приемным контуром, в этой установ-
ке применен в приемном контуре ферромагнитный сер-
дечник из тонких стальных листов.
Бесконтактное питание может быть применено и для
городского транспорта: бесконтактная тяговая сеть
укладывается под покрытие дороги, а приемньш контур
образует виток вокруг машины. Энергия переменного
тока от приемного контура через вентили поступает
к тяговому двигателю.
Оптимальная частота тока для питания высокоча-
стотного транспорта выбирается из следующих сообра-
жений: чем ниже частота тока, тем больше должна
568
быть его сила в тяговой сети, чтобы передать требуемую
мощность приемному контуру. Соответственно, чем ниже
частота тока, тем больше потери энергии в проводниках
бесконтактной сети. С повышением же частоты можно
уменьшить силу тока в проводниках, но с повышением
частоты увеличиваются потери на вихревые токи в окру-
жении бесконтактной сети (в грунте, в различных нахо-
дящихся поблизости металлических объектах, напри-
мер трубах). Существует частота, при которой суммар-
ные потери минимальны и бесконтактная передача энер-
гии происходит с наивысшим к. п. д. Этой оптимальной
частотой является, по-видимому, частота несколько
выше звуковой — порядка 20 тыс. гц.
Бесконтактная передача энергии всегда связана
с циркуляцией реактивной мощности. При высокоча-
стотном транспорте полная мощность значительно пре-
вышает активную мощность, передаваемую от бескон-
тактной сети к приемным контурам на машинах. Для
обеспечения циркуляции реактивной мощности включа-
ются конденсаторы как в приемный виток, так и в про-
вода бесконтактной сети.
Токи повышенных частот широко применяются
в электронагревательных устройствах. Из медной труб*
ки, охлаждаемой проточной водой, изготовляют цилин-
дрическую спираль — нагревательный индуктор. Этот
индуктор можно рассматривать как первичную обмотку
воздушного трансформатора. Короткозамкнутой вто-
ричной обмоткой является нагреваемый объект, поме-
щаемый внутрь медной спирали. Под действием пере-
менного магнитного потока первичной обмотки в нагре-
ваемом объекте возникают вихревые токи, которые и
нагревают объект до требуемой температуры.
Можно поместить внутрь индуктора тигель, в кото-
ром производится плавка. Если тигель выполнить из
электропроводного материала — например, графита,
платины, то вихревые токи возникают в самом тигле и
в нем можно плавить и неэлектропроводные материа-
лы. Если же тигель из материалов, которые сами ток
не проводят, — например, из кварца, то в таком тигле
можно плавить только электропроводные материалы.
Иногда индуктор и тигель помещают в бак, из кото-
рого тщательно удаляют газы — создают вакуум.
И плавка, и отливка производятся в вакууме. Вакуум-
569
ная плавка дороже обычной, но зато позволяет получать
особо чистые металлы и сплавы.
Для индукционных печей характерно, что их полная
мощность в несколько раз больше активной. Для цир-
куляции реактивной мощности к индукционным нагре-
вателям подключаются конденсаторные батареи.
Нагреватели повышенной частоты питаются от ма-
шинных генераторов или от преобразователей с элек-
тровакуумными приборами.
Современные нагреватели строятся на мощность
от единиц до тысячи киловатт.
11-5. Токи высоких частот
В конце прошлого века Александр Степанович По-
пов впервые в мире показал, что можно передавать те-
леграфные сигналы на расстояние без проводов, приме-
няя токи высокой частоты.
Когда переменный ток идет по проводнику, то элек-
тромагнитная энергия излучается — распределяется
в окружающем пространстве в виде волн. Мощность,
излучаемая токонесущим проводником, зависит от фор-
мы и размеров этого проводника, а также от частоты
тока, циркулирующего по проводнику. При низких ча-
стотах излученная мощность очень мала, даже когда
проводник представляет собой линию длиной в сотни
километров. В технике низких частот (50—60 гц) явле-
ние излучения вовсе не принимается во внимание. При
частотах же в сотни тысяч, миллионы герц и выше даже
небольшой проводник может быть антенной — т. е. мо-
жет излучать и принимать высокочастотную энергию.
На применении токов высокой частоты основаны: ра-
диотелеграфная и радиотелефонная связь, телевидение,
радиолокация. В 30-х годах начались работы по приме-
нению высокочастотной энергии для промышленных це-
лей. В настоящее время в промышленности потребляет-
ся в несколько раз больше высокочастотной энергии,
нежели для целей связи.
На карте высоких частот (рис. 11-4) расположены
и устройства, применяемые для связи, сигнализации,
управления, и промышленные высокочастотные установ-
ки, и устройства для научных исследований. На этой
карте можно встретить весьма разнообразные, порой
даже причудливые конструкции.
570
В нижней левой части карты расположены радио-
приемные устройства. На самых низких уровнях мощ-
ности находятся приемники радиолокационных устано-
вок. Радиолокационные приемники должны обладать
огромной чувствительностью, чтобы обнаружить слабый
отраженный сигнал от далекого объекта. Высокой чув-
Рис. 11-4.
ствительностью должны обладать также приемники ра-
диотелескопов, принимающие сигналы из далей космоса.
В средней части карты расположены радиопередат-
чики, установки для промышленного нагрева. Совре-
менная мощная передающая радиовещательная станция
может излучать со своей антенны до нескольких тысяч
киловатт. Такой же мощности достигают некоторые
установки для высокочастотного нагрева.
Устройства для высокочастотного нагрева электро-
проводящих материалов представляют собой трансфор-
матор (такой же, как описанные выше индукционные
571
нагреватели повышенной частоты). Нагреваемый объект
является как бы короткозамкнутой вторичной обмоткой
трансформатора. Первичная обмотка — это нагрева-
тельный индуктор, выполненный обычно из меди, охлаж-
даемой цроточной водой. В нагревательном объекте
индуктируется высокочастотный вихревой ток. Этот ток
циркулирует в поверхностном слое объекта. Толщину
этого слоя называют глубиной проникновения
тока: она тем меньше, чем выше частота тока, чем
меньше электросопротивление материала объекта и чем
больше его магнитная проницаемость. При частоте
тока, например, один миллион герц глубина проникно-
вения тока для меди будет около .шести сотых милли-
метра, а для магнитной стали — еще в несколько раз
меньше. Поэтому нагрев при помощи токов высокой ча-
стоты — это поверхностный нагрев. Если стальное изде-
лие после высокочастотного быстрого нагрева резко
охладить, то получится поверх но стная закалка.
Поверхностный слой толщиной в несколько миллиме-
тров будет иметь большую твердость и износоустойчи-
вость, а сердцевина останется вязкой, противостоящей
толчкам и ударам. Поверхностная закалка стальных
изделий применяется в современном машиностроении.
Так обрабатывают рабочие поверхности зубцов шесте-
рен, шейки коленчатых валов, пальцы, соединяющие
звенья гусениц тракторов, различный режущий и мери-
тельный инструмент. Необходимо указать, что толщина
поверхностного закаленного слоя зависит не только
от глубины проникновения вихревого тока, но также
от длительности процесса нагрева и от величины удель-
ной мощности, прикладываемой к изделию. При относи-
тельно медленном нагреве и небольшой удельной мощ-
ности тепло от поверхностного слоя успевает пройти
дальше в глубь металла и толщина закаленного слоя
получается больше глубины проникновения тока. При
большей же мощности и малых временах нагрева тепло
не успевает уйти в глубь металла за счет теплопровод-
ности и толщина закаленного слоя получается меньше
глубины проникновения тока. Поэтому для поверхност-
ной закалки применяют не только токи высокой часто-
ты, но и более низкие звуковые частоты — 2—10 кгц.
В быстропеременном электромагнитном поле индук-
тора можно нагреть только хорошо электропроводящие
572
материалы (металлы, графит). Если же проводимость
мала, то переменное электромагнитное поле не сможет
возбудить в объекте вихревых токов достаточной интен-
сивности. Малоэлектропроводные материалы можно на-
греть в электрическом поле, т. е. между обкладками
конденсатора, питаемого высокочастотной энергией.
Между обкладками высокочастотного конденсатора на-
гревают, например, пластмассовые заготовки, чтобы
подготовить их для прессовки, а также производят суш-
ку различных изделий. Высокочастотная электроэнергия
в настоящее время стоит еще относительно дорого
(в два-три раза дороже энергии тока промышленной
частоты 50 гц), поэтому практически применяют непро-
сто высокочастотную сушку, а комбинированную: толь-
ко небольшая часть энергии дается высокочастотным
полем, основная же энергия поставляется более деше-
вым теплоносителем — горячими газами, паром.
В Советском Союзе созданы печи для высокочастот-
ной варки стекла. Так можно получать наиболее чистые
сорта оптического стекла. Стекло в холодном состоя-
нии — это электроизоляционный материал; электросо-
противление холодного стекла очень велико. Нагретое
стекло проводит ток так же, как растворы солей и кис-
лот. Холодное стекло можно нагревать в электрическом
поле между обкладками конденсатора, а расплавленное
стекло лучше варить в магнитном поле индуктора. Су-
ществуют высокочастотные стеклоплавильные печи раз-
личных систем: и такие, в которых действует только
одно электрическое или только одно магнитное поле, и
такие, в которых можно воздействовать на загрузку
по желанию и электрическим, и магнитным быстропере-
менными полями. Различные конструкции высокочастот-
ных стеклоплавильных печей имеют свои преимущества,
но и свои недостатки.
При помощи токов высокой частоты можно плавить
не только стекло, но и различные другие материалы.
Можно, например, плавить различные грунты, чтобы,
застывая, они давали прочный износоустойчивый ка-
мень. Так можно строить литые дороги. Передвигаясь
над подготовленным грунтом, индуктор будет оставлять
за собой реку огненно-жидкой лавы; застыв, она даст
прочное покрытие дороги. Можно построить и кольцевой
индуктор, который, углубляясь в землю, давал бы ли-
573
тую облицовку тоннеля. Эти применения высокочастот-
ной энергий еще недостаточно разработаны, но в даль-
нейшем в ряде случае могут оказаться весьма выгод-
ными.
Есть отрасль высокочастотной техники, в которой
применяются огромные мощности, сравнимые с теми,
что можно встретить на карте токов промышленной ча-
стоты 50 гц. Речь идет об импульсной высокочастотной
технике. Импульсные установки работают не непрерыв-
но, а отдельными толчками (ударами, импульсами);
мощность, развиваемая в импульсе, может в тысячи раз
превышать среднюю мощность.
Импульсный режим работы применяется, например,
в радиолокационных установках. Импульсный магне-
трон, который работает в радиолокационных установ-
ках в качестве генератора, создающего колебания с ча-
стотой в миллиарды герц, имеет объем меньше одного
литра и весит лишь несколько килограммов. Такой маг-
нетрон в течение нескольких миллионных долей секун-
ды развивает мощность в несколько тысяч киловатт —
мощность курьерского электровоза. Но после каждого
импульса следует пауза, длительность которой в тысячи
раз больше продолжительности работы. Поэтому сред-
няя мощность импульсного магнетронного генератора —
лишь единицы киловатт.
В импульсном режиме работают и многие высокоча-
стотные ускорители заряженных атомных частиц. Дли-
тельность импульса в таких ускорителях часто бывает
меньше микросекунды (миллионной доли секунды).
А интервал между импульсами длится миллисекунды
(тысячные доли секунды). Импульс длится в десятки
тысяч раз меньше, нежели пауза между импульсами.
Импульсная мощность высокочастотных ускорителей
измеряется иногда сотнями тысяч киловатт.
Ускорители заряжейных атомных частиц — важная
область применения высокочастотной энергии. При по-
мощи высоких напряжений постоянного тока можно
ускорить заряженные атомные частицы напряжениями
не более нескольких миллионов вольт (эти ускорители
упоминались при разборе карты постоянного тока). При
высокой же частоте можно, имея ускоряющее напряже-
ние всего лишь несколько тысяч вольт, воздействовать
этим напряжением на ускоряемую частицу многократно,
57 4
сообщить частице много тысяч отдельных толчков. Вы-
сокочастотными методами можно ускорять и легкие,
отрицательно заряженные частицы — электроны, и бо-
лее тяжелые, положительно заряженные ядерные части-
цы (протоны, дейтоны, альфа-частицы) до энергий, ко-
торые соответствуют многим миллиардам вольт.
Когда мы рассматривали электротехнику низкоча-
стотного переменного тока (50 и 60 гц), то сказали, что
электрики стремятся в своих установках иметь отноше-
ние активной мощности к реактивной как можно выше.
В высокочастотной технике часто поступают наоборот:
стремятся получить возможно большую реактивную
мощность и возможно меньшую активную. Соединенные
друг с другом индуктивность и емкость образуют элек-
трический колебательный контур; в нем неизбежно при-
сутствует и активное сопротивление. Отношение реак-
тивной мощности колебательного контура к его актив-
ной мощности называют добротностью. Чем эта
величина больше, тем постояннее (стабильнее, как гово-
рят специалисты) частота колебаний контура. Во мно-
гих радиотехнических устройствах требуется высокая
стабильность частоты колебаний, часто применяются
контуры, добротность которых достигает многих тысяч.
Особо высокую добротность можно получить у так на-
зываемых полых контуров: это медные банки,
внутри которых циркулирует электромагнитная волна.
Добротность здесь приблизительно равна отношению
длины волны к глубине проникновения высокочастотно-
го тока в медь. Значение добротности достигает десят-
ков тысяч.
Электромагнитные волны можно собрать в тонкий
пучок — луч. Но надо всегда помнить, что луч электро-
магнитных волн — это не бесконечно тонкая геометри-
ческая линия: поперечник луча всегда во много раз пре-
вышает длину электромагнитной волны. Излучатель
электромагнитных волн может создать направленный
луч лишь в том случае, если размеры излучателя в не-
сколько раз превышают длину излучаемой волны. Но
длина волны равна скорости света (300 000 км/сек), де-
ленной на частоту тока. Для тока с частотой, например,
100 кгц длина волны равна 3 км. Создать антенну — на-
правленный излучатель — еще больших размеров за-
труднительно. Но если взять ток с частотой 100 Мгц,
575
то ему соответствует волна длиной 3 м, а для такой вол-
ны уже легко создать направленную антенну, посылаю-
щую луч волн. Еще легче собрать в узкий луч дециме-
тровые и сантиметровые волны, которым соответствуют
частоты в тысячи мегагерц.
Такие высокие частоты применяются, например, в ра-
диорелейной связи. Передающая станция радиорелей-
ной линии направляет свой луч на антенну промежу-
точной станции-реле, находящейся на расстоянии пря-
мой видимости от антенны передатчика. На стан-
ции-реле принятая высокочастотная энергия усиливает-
ся, а затем переизлучается на следующую станцию, там
еще усиливается и излучается дальше. Так, переходя
с антенны на антенну, электромагнитный луч достигает
конечной станции, которая может находиться на рас-
стоянии многих тысяч километров от начальной пере-
дающей станции. Расстояние между двумя смежными
радиорелейными станциями может быть порядка не-
скольких десятков километров. По одному радиолучу
релейной линии можно одновременно передавать не-
сколько телевизионных программ, вести несколько сотен
отдельных двухсторонних разговоров. В ряде случаев
радиорелейная линия связи оказывается выгоднее обыч-
ной проводной линии связи. В текущей семилетке радио-
релейные линии должны получить большое распростра-
нение в СССР.
Луч электромагнитных волн токов высокой частоты
можно использовать не только для связи — передачи
слабых сигналов, но и для силовой передачи — переда-
чи значительных количеств энергии.
В 1943 г. я опубликовал проект (фантастический в то
время) питать лучом высокочастотной энергии самолет1.
В 1956 г.1 2 я дал еще один вариант этого проекта: на ле-
тательном аппарате высокочастотной энергией раска-
лить поток воздуха, который, выходя из реактивных со-
пел, будет создавать полезную тягу.
В 1959 г. американская фирма Raytheon взялась
за разработку вертолета, питаемого энергией с Земли
лучом высокочастотной энергии; с помощью высокоча-
стотной энергии должны создаваться струи раскаленно-
го воздуха, приводящие во вращение несущий винт.
1 «Техника— молодежи», 1948, 1№ 4—5, стр. 16—17.
2 «Техника — молодежи», 1956, № 6, стр. 32.
676
В заключение, быть может, стоит сказать о возмож-
ности применения токов высокой частоты для движения
космических кораблей. Известно, что в космическом
пространстве можно двигаться только за счет реактив-
ной отдачи; ракеты с химическим топливом движутся,
выбрасывая струи раскаленных газов. Скорость такой
ракеты не может во много раз превысить скорость исте-
чения газовой струи. Можно бы сообщить космическому
кораблю скорость, близкую к скорости света, если
использовать реактивную отдачу не газовой струи, а по-
тока электромагнитных волн — электромагнитных кван-
тов. Были предложения применить поток квантов види-
мого света — фотонов. Значительные преимущества
имело бы применение потока квантов токов высокой ча-
стоты !. Подобный квантовый корабль мог бы совершить
экспедицию и к планетным системам других звезд.
* *
*
Не все из современной электротехники попало на
наши карты, но важнее подчеркнуть то, что карты эти
не есть нечто застывшее, неизменное. Все время вид их
меняется. Различные электрические машины, аппараты,
приборы стареют, выходят из употребления, заменяются
новыми, более совершенными. Многим из читателей
этой книги доведется совершать увлекательные путеше-
ствия по великой стране Пээф, а некоторым суждено
прокладывать здесь новые пути, находить новые полез-
ные применения электрической энергии.
1 Это (предложение впервые опубликовано’ в журнале «Юный
техник», 1957, № 11.
37 Г. И. Бабат
ГЛАВА ДВЕНАДЦАТАЯ
О РЫЧАГАХ, ЗЕРКАЛАХ, ЛИНЗАХ,
ПРИЗМАХ И ИХ БЛИЖАЙШИХ
РОДСТВЕННИКАХ
Ум человеческий открыл много
диковинного в природе и откроет
еще больше, увеличивая тем самым
свою власть над ней.
В. И. Ленин
Все самые совершенные, самые сложные современ-
ные машины действуют, подчиняясь тем же физическим
законам, что и орудия каменного века. Действия всех
орудий и машин основаны на различных превращениях
энергии.
За много тысячелетий до нашей эры были созданы
простейшие машины: топор, рычаг, клин, блок, способ-
ные производить преобразование — трансформа-
цию — механической энергии. В современной технике
применяются самые разнообразные преобразователи хи-
мической, электромагнитной, ядерной энергии.
С развитием науки, совершенствованием техники че-
ловечество получает доступ ко все новым источникам
энергии, открывает способы все более совершенных ее
преобразований.
Среди всех прочих видов энергии особо важное зна-
чение имеет электромагнитная энергия. Широко приме-
няются в современной технике различные трансфор-
маторы электромагнитной энергии — устрой-
ства, преобразующие поток электромагнитной энергии
без изменения частоты колебаний. Это совершенно об-
щее определение. Частные случаи — это трансформато-
ры, изменяющие концентрацию, направление электро-
магнитного потока, соотношение между током и напря-
жением.
При классификации трансформаторов могут приме-
няться и термины, характеризующие конструктивные
признаки. Для трансформаторов, выполненных в виде
спиралей, охваченных общим магнитным потоком, уме-
стен термин «катушечные трансформаторы» (с ферро-
578
магнитным, в частности стальным, сердечником и без
сердечника). Для электромагнитных колебаний высоких
частот применяются «трансформаторы-линии», «транс-
форматоры-волноводы», «трансформаторы-зеркала».
В этой главе сделана попытка в популярной форме
представить зависимости между конструкциями транс-
форматоров электромагнитной энергии и мощностью и
частотой колебаний потока электромагнитной энергии.
Хочется надеяться, что рассказ о трансформаторах
будет не только занимательным, но окажется и полез-
ным для практической исследовательской и конструк-
торской работы читателя.
Искусство в конечном результа-
те преодолевает и как бы обманы-
вает природу ... Это имеет место
в разных механических приспособ-
лениях, применяемых, например,
для подъема огромных тяжестей
малой силой при помощи рычагов,
воротов, блоков...
Г а л и л ео Г а л и л е й, «Бе-
седы, касающиеся двух новых
отраслей науки».
12-1. Трансформация сил и путей
Взрослый мужчина может без особого напряжения
поднять одной рукой груз весом в один-два десятка кило-
граммов на высоту в несколько сантиметров. При этом
выполняется работа около одного килограммометра.
Чтобы раздавить скорлупу крепкого грецкого ореха,
достаточно сжать ее на несколько миллиметров. Для это-
го необходимо усилие примерно в сотню килограммов,
а работа раздавливания ореховой скорлупы (произведе-
ние силы на путь) меньше одного килограммометра.
Но вряд ли человек средней силы раздавит просто, не-
вооруженной рукой, крепкий грецкий орех.
Пользуясь щипцами, орехи дробит ребенок. В щипцах
сила руки прикладывается к длинному плечу рычага. На
скорлупу ореха щипцы давят с силой, в несколько раз
37* 579
Рис. 12-1. Подъем царь-колокола на звонницу в Кремле в 1668 году.
Пример применения простейших механических трансформаторов — преобразова-
телей сил и путей.
Поочередно — то под один край колокола, то под другой, противоположный, —
подводился конец длинного бревна. Вблизи края колокола бревно опиралось
на сруб. Другой, свободный конец бревна при помощи блоков и ворота оттяги-
вался вниз. Конец бревна под колоколом — короткое плечо рычага — приподни-
мал край колокола. В сруб под колоколом наращивалось новое бревно, а ры-
чаг переносился на другую сторону. Приподымался другой край колокола —
и сруб наращивался еще на одно бревно.
К ушкам колокола были прикреплены цепи, перекинутые через горизонталь-
ные валы. Эти цепи подтягивались деревянными платформами, загруженными
камнем, и тем уравновешивали некоторую часть веса колокола (полный вес
колокола был около 150 т). Однако основное усилие для подъема развивалось
рычагом.
Подъем колокола продолжался девять месяцев.
большей силы руки. При помощи щипцов работа, произ-
водимая рукой, преобразуется: уменьшается путь, увели-
чивается сила.
«Преобразовывать»—по-латыни «трансформировать».
Многие устройства, которые производят преобразование
работы (энергии), принято называть трансформаторами.
Щипцы для орехов — пример простейшего механиче-
ского трансформатора. Отношение сил и путей — это ко-
эффициент трансформации. В щипцах коэффициент
трансформации можно принять равным отношению плеч.
Обычно это отношение — несколько единиц.
Более сложный механический трансформатор, в кото-
ром, так же как и в щипцах, выигрывают в силе и теряют
в пути и скорости, — это домкрат. С его помощью чело-
век средней силы может приподнять автомобиль, груже-
ный железнодорожный вагон. У домкрата коэффициент
трансформации — несколько сотен или даже тысяч.
Весло в лодке, как и щипцы, — механический транс-
форматор, но весло уменьшает силу и увеличивает путь.
Примером механического трансформатора, повышаю-
щего скорость, может быть зубчатая передача в часах.
Коэффициент трансформации здесь равен нескольким
десяткам — в такое число раз секундная стрелка движет-
ся быстрее, чем конец ходовой пружины.
В механике известно много приспособлений для изме-
нения соотношений между силой и путем (скоростью).
Блоки, зубчатые колеса, эксцентрики, кулачки, винты,
червячные передачи — все это механические трансформа-
торы сил и путей.
12-2. Согласование переменных нагрузок
Автомобильный двигатель внутреннего сгорания рабо-
тает наиболее экономично при определенной скорости.
Но автомобиль должен иметь возможность перемещать-
ся с различными скоростями. В зависимости от дороги и
от режима движения ведущие колеса автомобиля долж-
ны создавать разные тяговые усилия. Поэтому между
двигателем и ведущими колесами помещается трансфор-
матор с переменным коэффициентом трансформации.
При трогании с места надо преодолеть не только со-
противление движению, но и инерцию машины. Водитель
включает первую передачу. Обороты двигателя переда-
581
ются к ведущим колесам со значительным замедлением.
Усилие на колесах большое, но скорость их вращения
мала. Но вот автомобиль набрал скорость. Водитель
включает прямую передачу. Скорость вращения колес
велика. Усилие, передаваемое на колеса, мало. На хоро-
шей дороге, на ровном участке большого тягового усилия
и не нужно. Начался подъем — и водитель снова перехо-
дит на вторую или даже первую передачу, снова умень-
шает обороты ведущих колес при неизменных оборотах
двигателя и увеличивает усилие на ведущих колесах.
Коробка скоростей дает возможность приспособить
двигатель к разным нагрузкам. Разные дороги, разные
сопротивления движению коробка скоростей согласует
с данными двигателя. Благодаря коробке скоростей на
разных дорогах можно получать от двигателя наиболь-
шую полезную отдачу.
Иногда вместо коробки передач с шестернями приме-
няют иной тип механического трансформатора с изме-
няющимся коэффициентом трансформации — например,
с первичным двигателем соединяется центробежный (или
иной) насос, а на ведущем валу ставится гидравлическая
турбина или другой гидродвигатель, который приводится
во вращение потоком жидкости от насоса. В такой систе-
ме можно плавно менять скорость приводного гидродви-
гателя и развиваемое этим гидродвигателем усилие при
одном и том же числе оборотов насоса и одном и том же
усилии, создаваемом первичным двигателем на своем
валу. Гидротрансформатор ценен тем, что коэффициент
трансформации можно менять плавно в отличие от ко-
робки скоростей с шестернями. Гидропередача примене-
на, например, на некоторых современных автомобилях.
12-3. Трансформаторы механических колебаний
Один из распространенных механических трансфор-
маторов сил и путей — это рычаг. Обширная область
применения рычагов — трансформация колебательного
движения. Рычажная передача применяется в паровозе
для привода колес. При помощи рычажной передачи
приводится в движение и мембрана патефона. Один ко-
нец рычага (острие иголки) скользит по извилистым бо-
роздкам пластинки, другой конец перемещает центр мем-
браны. На примере рычага удобно рассмотреть зависи-
582
мость конструкции трансформатора от величины переда-
ваемой мощности и от частоты колебаний.
В учебниках физики для средней школы доказывает-
ся, что перемещения концов рычага обратно пропорцио-
нальны длине его плеч. В щипцах для орехов отношение
плеч — это и есть коэффициент трансформации. Но не
всегда этот закон является достаточно точным отраже-
нием действительности.
Рычаг из любого, самого прочного материала всегда
имеет некоторую гибкость. Опора рычага не является
абсолютно жесткой. Чем больше усилие, передаваемое
данным рычагом, тем больше отличается отношение пе-
ремещений плеч от отношения их длин.
Прогиб плеч рычага и его опоры можно уменьшить
за счет снижения напряжений в материале. А это ведет
к увеличению размеров при заданном усилии.
Всякое перемещение одного конца рычага передается
к его другому концу не мгновенно, а в течение какого-то
конечного отрезка времени. В стали, например, механиче-
ское возмущение передается со скоростью нескольких
километров в секунду. Если колебать один конец сталь-
ного стержня, то второй конец будет повторять эти коле-
бания с запаздыванием. При колебаниях вдоль стержня
будет бежать волна.
При передаче колебательного движения закон «пере-
мещение плеч обратно пропорционально их длинам»
справедлив, лишь когда размеры рычага значительно
меньше длины волны механических колебаний в материа-
ле, из которого сделан рычаг.
12-4. Трансформаторы волн
Если приставить к уху рожок, то слышимость улуч-
шается. Рожок своим широким раструбом воспринимает
звуковые волны с большой площади, концентрирует их и
через маленькое отверстие направляет к барабанной
перепонке. Слуховой рожок — это трансформатор звуко-
вых колебаний, работающий как повыситель концен-
трации.
Рупор громкоговорителя также является трансформа-
тором звуковых колебаний звуковых волн, но он дает по-
нижение концентрации волн. Мембрана громкоговорите-
ля совершает колебания с большим размахом. Площадь
583
мембраны невелика. Вблизи мембраны поток звуковых
волн имеет большую плотность. Рупор, постепенно рас-
ширяющийся от мембраны к раструбу, передает звуко-
вые колебания все большей массе воздуха. Амплитуда
колебаний при этом понижается.
Центр Вращения
Молоточек Накобальня
Рис. 12-2. Схематический продольный разрез чело-
веческого уха.
Пример сочетания волнового трансформатора (раструба
и мембраны) с трансформатором сил и путей (косточки-
рычаги).
Барабанная перепонка перемещается под влиянием зву-
ковых колебаний воздуха, проходящих в слуховой про-
ход. Молоточек прочно связан с перепонкой и при ее
движениях поворачивается вокруг своей оси. С молоточ-
ком связана сочленением маленькая косточка, называе-
мая наковальней, а последняя соединена со стременем,
которое приводит в колебание части внутреннего уха.
Эта сложная передача превращает колебания барабан-
ной перепонки, совершающиеся с относительно большим
размахом (амплитудой), в колебания стремени с мень-
шим размахом
Уменьшение размаха колебаний (пути перемещения) дает
увеличение силы. Во внутреннем ухе колеблющиеся ча-
стицы (чувствительные нервные окончания) расположены
в жидкости, т. е. в среде значительно более плотной,
нежели воздух, и, следовательно, с меньшим, нежели
у воздуха, отношением перемещения к силе. Система
сочлененных косточек между барабанной перепонкой и
средним ухом является согласующим трансформатором,
который обеспечивает малые потери звуковой энергии
(высокий к. п. д.) при передаче звуковых колебаний во
внутреннее ухо.
Рупоры и слуховые рожки — это примеры трансфор-
маторов, размеры которых могут в несколько раз превы-
шать длину трансформируемой волны механических ко-
лебаний.
Среди трансформаторов электромагнитных колебаний
наблюдается еще большее разнообразие конструкций,
чем среди механических трансформаторов. Трансформа-
584
тором электромагнитной энергии называют всякое устрой-
ство, преобразующее поток электромагнитной энергии
без изменения частоты его колебаний.
Свет — это электромагнитные колебания с частотой
от 3 • 1014 до 3 • 1015 гц, электромагнитные волны длиной
в десятые доли микрона. Пример трансформаторов све-
товых колебаний — телескоп и микроскоп.
Телескоп воспринимает световой поток на огромную
поверхность своего объектива (зеркала или линзы) и че-
рез окуляр сводит этот поток на маленькую площадь:
на фотопластинку или зрачок глаза. Телескоп — это
трансформатор, увеличивающий концентрацию светового
потока. В больших телескопах поперечник зеркала в сот-
ни раз больше поперечника зрачка глаза. Коэффициент
трансформации, т. е. увеличение плотности светового по-
тока, достигает сотни тысяч.
По-иному работает микроскоп. Сильный световой по-
ток направляется на изучаемый объект. Свет, прошед-
ший сквозь объект (при изучении прозрачных объектов,
срезов тканей, бактерий и т. д.), или отраженный свет
(при изучении непрозрачных объектов, как металлы и не-
которые минералы) воспринимается объективом микро-
скопа. Затем объектив и окуляр микроскопа расширяют
этот световой поток. На сетчатке глаза рисуется увели-
ченное изображение. Микроскоп — это пример оптиче-
ского трансформатора, который уменьшает концентра-
цию светового потока. Часто применяется коэффициент
трансформации порядка нескольких сотен. Таким же
трансформатором, уменьшающим концентрацию светово-
го потока и увеличивающим его размеры, является и ки-
нопроекционный аппарат. Пучок света, прошедший через
маленький кадр, распределяется по большому экрану.
12-5. Первые электрические трансформаторы
Летом 1882 г. в Москве состоялась Всероссийская про-
мышленно-художественная выставка. Для этой выставки
механик Московского Университета Иван Филиппович
Усагин применил совершенно новую по тому времени си-
стему электрического освещения. Электрическая энергия
передавалась по территории выставки током высокого
напряжения, а у каждого светильника напряжение пони-
жалось при помощи изобретенного Усагиным аппарата.
585
Этот аппарат состоял из стального сердечника, окружен-
ного двумя обмотками из изолированной проволоки;
в одной обмотке было больше витков, в другой меньше.
Такой аппарат подобен рычагу: на длинное плечо ры-
чага действует малая сила, но она движется с большой
скоростью. Это соответствует обмотке с большим числом
витков; на ней высокое напряжение, но мал ток. Корот-
кое плечо рычага — обмотка с малым числом витков; на
ней напряжение низкое, но ток велик.
Преобразование токов и напряжений для питания
электрических осветительных сетей было предложено
также Павлом Николаевичем Яблочковым еще в 1876 г.
Построенные Яблочковым и Усагиным аппараты и
были первыми электрическими трансформаторами.
Трансформаторы Яблочкова — Усагина позволяют
наиболее экономным образом, с наименьшими затратами
металла и наименьшими потерями передавать электриче-
скую энергию. Миллионы подобных трансформаторов ра-
ботают в настоящее время во всем мире.
В электроосветительных установках Яблочкова и Уса-
гина применялся переменный ток низкой частоты. Такой
же ток вырабатывается в настоящее время на тепло- и
гидроэлектростанциях. В СССР и во всей Европе приме-
няется ток с частотой 50 гц (в Америке 60 гц). Поэтому
и конструкции современных трансформаторов, устанав-
ливаемых на центральных электростанциях, в линиях
электропередачи, в распределительных сетях, в принципе
остались те же, что и конструкции первых трансформато-
ров Яблочкова и Усагина. Внесено много усовершенство-
ваний в отдельные детали этих трансформаторов, во мно-
го раз возросли их мощности. Например, на Волжских
гидростанциях (Куйбышевской и Волгоградской) приме-
нены трансформаторы на мощность свыше 100 тыс. кет и
на напряжение 500 тыс. в. Но все современные трансфор-
маторы для токов низкой частоты состоят из проволоч-
ных обмоток на стальных сердечниках.
В 1895 г. Александр Степанович Попов изобрел ра-
дио. С этой даты начинается стремительное развитие
техники быстропеременных токов, токов высокой час-
тоты.
В современной технике находят применение токи раз-
нообразнейших частот. От токов, частота которых доли
герца (период больше секунды), и до токов с частотой
586
в миллиарды герц простирается используемый в настоя-
щее время диапазон.
Для всех этих токов строятся трансформаторы. При
помощи трансформаторов согласовывают сопротивление
потребителей и генераторов, изменяют соотношение меж-
ду токами и напряжениями, меняют концентрацию элек-
тромагнитной энергии.
Среди трансформаторов для токов высоких частот на-
блюдается большое разнообразие конструкций. Одни
из них сохраняют еще черты аппаратов Яблочкова—Уса-
гина, другие напоминают оптические приборы.
12-6. Что можно назвать трансформатором?
«Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть
состояния, что сколько чего у одного тела отнимется,
столько присовокупится к другому. Так, ежели где убу-
дет материи, то умножится в другом месте, — так писал
более двухсот лет тому назад великий русский ученый
Михайло Васильевич Ломоносов. — Сей всеобщий закон
простирается и в самые правила движения: ибо тело,
движущее своей силой другое, столько же оную у себя
теряет, сколько сообщает другому, которое от него дви-
жение получает».
Из законов сохранения материи и энергии, высказан-
ных Ломоносовым, следует, что при любых происходя-
щих в природе превращениях энергия, так же как и ма-
терия, никогда не возникает вновь из ничего и никогда
не пропадает. Энергию можно только видоизменять, пре-
образовывать.
Но преобразования энергии могут быть разными.
В предыдущих параграфах этой главы в качестве преоб-
разователей энергии были названы щипцы для орехов,
телескоп. Это все устройства, которые не меняют вида
преобразуемой ими энергии, меняют только параметры
энергии: силу и скорость, напряжение и ток.
'Существуют устройства другого вида, в которых энер-
гия претерпевает качественные изменения. Две разнород-
ные металлические пластинки — одна медная, а другая
цинковая, опущенные в раствор кислоты, вызывают элек-
трический ток в проволоке, которая соединяет их между
собой. При этом химическая энергия превращается
в электрическую.
587
Электрический ток можно также получить, переме-
щая одну относительно другой две проволочные обмотки.
При движении обмоток механическая энергия превра-
щается в электрическую.
Те устройства, в которых энергия из одного вида пе-
реходит в другой, претерпевает качественное изменение,
принято называть генераторами. Слово «генератор» в пе-
реводе с латинского означает «родитель, производитель».
Этот термин надо понимать так, что в генераторе из од-
ного вида энергии возникает, «рождается» новый вид
энергии.
Две разнородные металлические пластинки в кислоте
являются электрохимическим генератором. Машина, в ко-
торой обмотка из медной проволоки движется между
магнитных полюсов, является электромеханическим ге-
нератором.
В топке парового котла химическая энергия топлива
превращается в тепловую. Тепло передается воде, пре-
вращает ее в пар. Котел иногда называют генератором
пара — парогенератором.
Трудно точно разграничить, какие преобразователи
энергии надлежит именовать генераторами, а какие —
трансформаторами, так же как трудно указать, напри-
мер, какое точно различие между названиями фабрика и
завод. Но мы в дальнейшем будем называть трансформа-
торами такие преобразователи, в которых меняется на-
правление, концентрация (плотность) энергетического
потока или какие-либо другие его показатели, но не ме-
няется качество преобразуемой энергии, не происходит
превращения одного вида энергии в другой.
Трансформатор электромагнитной энергии — это
устройство, преобразующее поток электромагнитной энер-
гии без изменения его частоты.
Z2-7. О сходстве и различии трансформаторов
электромагнитной энергии
В прежние годы существовал разрыв, пропасть между
оптикой и электроэнергетикой. Казалось, что нет реши-
тельно ничего общего между оптикой с ее тонкими свето-
выми лучами, зеркалами и линзами, с одной стороны, и
между «катушечной электротехникой», с другой стороны.
В разных частях спектра электромагнитных колеба-
588
ний установились свои понятия, свои методы расчета,
своя терминология.
Оптики толкуют о показателях преломления, об углах
падения и отражения, о фокусных расстояниях. В элек-
троэнергетике основные понятия — это заряды, токи, на-
пряжения, активные и реактивные сопротивления.
Рис. 12-3. Преобразование светового потока в линзо-
вом телескопе.
Плотность светового потока, падающего на зрачок глаза,
больше плотности светового потока, падающего на объектив
телескопа. Когда мы смотрим в телескоп на звезды, в наш
глаз попадает во столько раз больше света, во сколько раз
площадь объектива телескопа превышает площадь зрачка
глаза.
И для измерения количеств энергии, мощности, кон-
центрации в разных областях имеются свои единицы.
Электрики пользуются джоулями, ваттами, теплотехни-
ки — калориями, в светотехнике в ходу люмены, люксы,
ниты.
Рассмотрим более подробно, чем отличаются между
собой катушечные и оптические трансформаторы.
Электромагнитным колебаниям каждой частоты соот-
ветствует своя длина электромагнитной волны. Току с ча-
стотой 50 гц соответствует волна длиною в 6 000 км. Све-
товым колебаниям с частотой 1014 гц соответствуют вол-
ны длиной в десятые доли микрона.
'Оптический трансформатор (микроскоп, телескоп) —
это конструкция, размеры которой Z во много раз боль-
ше длины электромагнитной волны %. В оптическом
трансформаторе отношение Z/А, много больше единицы.
Катушечный трансформатор токов низкой частоты,
наоборот, имеет размеры Z, во много раз меньшие, чем та
электромагнитная волна, которую он трансформирует.
В катушечном трансформаторе отношение Z/Х много
меньше единицы.
589
Таким образом, принцип конструкции трансформа-
тора электромагнитной энергии зависит в первую оче-
редь от отношения его размеров I к длине трансформи-
руемой электромагнитной волны X.
Не так давно началось освоение области метровых и
сантиметровых электромагнитных волн. Этим волнам со-
ответствуют частоты колебаний 108—1010 гц. Для них
Рис. 12-4. Схема зеркального телескопа.
Зеркальный телескоп, так же как и линзовый,
трансформирует световой поток, сжимая его,
уменьшая сечение потока и повышая концентра-
цию световой энергии в нем.
применяются самые разнообразные конструкции транс-
форматоров: и такие, размеры которых больше длины
волны, и такие, размеры которых меньше длины волны.
В области сантиметровых и миллиметровых волн
тесно переплетаются оптика с низкочастотной электро-
техникой. Эту область изучают, пользуясь представле-
ниями из разных смежных областей. Частично здесь
принята терминология, обычная для электротехники
низких частот. Применяются также широко понятия, свя-
занные с теплом и оптикой.
В конце прошлого века профессор П. Н. Лебедев
впервые изучал в Москве сантиметровые и миллиметро-
вые волны. Техническое освоение области сантиметро-
вых волн практически началось лишь в годы Великой
Отечественной войны. Ныне эта область электромагнит-
ного спектра имеет огромную научную и техническую
значимость.
590
Рис. 12-5. Трансформация светового потока в микроскопе.
Плотность светового потока, рисующего увеличенное изображение на сетчатке глаза наблюдателя, меньше плотности свето-
вого потока, проходящего сквозь изучаемый сбьект
Радиолокация основана на применении волн санти-
метрового и миллиметрового диапазона. Эти волны важ-
ны для ядерной техники, для промышленного нагрева и
для многих других применений.
На современном корабле или самолете работает мно-
жество разнообразнейших трансформаторов электро-
магнитной энергии. Те, что предназначены для токов
низкой частоты, состоят из многих тысяч витков медной
проволоки на стальных сердечниках, а те, что преобра-
зуют токи сверхвысоких частот, выполнены в виде труб,
пустых сосудов, зеркал.
Рассмотрим, как и при каких условиях один тип кон-
струкции переходит в другой, как зависит тип конструк-
ции трансформатора от мощности и частоты колебаний.
Z2-& Таблица трансформаторов
электромагнитной энергии
Отношение размера трансформатора I к длине элек-
тромагнитной волны % — характерный признак для клас-^
сификации всех возможных трансформаторов электро-
магнитных колебаний; по этому принципу и построена
таблица (рис. 12-6). На ней нанесены горизонтальные
линии, каждая из которых помечена соответствующим
отношением Z/X. Переход между двумя смежными линия-
ми соответствует изменению в 10 раз отношения разме-
ров трансформатора к длине волны.
В нижней части нашей таблицы трансформаторов
находятся катушки на стальных сердечниках. Размеры
этих конструкций во много раз меньше, нежели длины
преобразуемых ими электромагнитных волн. В верхней
части таблицы помещены линзы, зеркала, размеры кото-
рых во много раз превышают длины волн.
Между катушками и зеркалами лежит область ан-
тенн, труб, полых сосудов (полых колебательных кон-
туров). Конструкции в разных областях таблицы транс-
форматоров очень непохожи одна на другую. Но от
каждой конструкции можно перейти к любой другой пу-
тем постепенной, плавной деформации конструктивных
особенностей.
Есть такая забава: картинки-перевертыши. Рисуется,
к примеру, овальная линия — яйцо. К нему добавляется
горлышко. Получается кувшин. Сверху пририсовывается
592
Преобразование токоб и напряжении Преобразование кон цент раций
Отношение размера трансформатора к длине Волны
Рис. 12-6. Таблица трамсформаторов электромагнитной
энергии.
38 Г. И. Бабат
Апериодические кон- Колебательные кон- Контуры с распределен- Лучебые трансформаторыг
струкции, запас энергии туры с разделенны нои емкостыо и индук- отражатели и преломители
меньше пот ребления ми электрическими тибностью
За период и магнитными полями
кружок поменьше. Ого! Это уже что-то живое. Снизу
ноги, сбоку хвост... Готов страусенок! Он стоит и смот-
рит вбок. Ноги можно укоротить, крылья увеличить.
Вот уже самолет, делающий крутой вираж. Нет границ
фантазии, изобретательности художника. Изображение
утки можно переделать в чайник, в банку для просток-
ваши, в котенка, стол и стулья — в корабль или поезд.
Один штрих ничего не меняет, но ряд последователь-
ных штрихов производит чудесные превращения.
В трансформаторах, как и во всяких других машинах
и аппаратах, постепенное накопление мелких количест-
венных изменений конструкции приводит к изменению
качества, к появлению новых конструктивных форм.
12-9. Зеркала для разных волн
Спокойная поверхность воды дает зеркальное отра-
жение. Но подул ветерок, по воде пробежала рябь — и
нет уже зеркального отражения, изображение пропало.
Зеркальное отражение дает только, «гладкая» поверх-
ность, т. е. такая, неровности которой не превышают со-
тых долей от длины отражаемой волны.
Длина волны видимого света — это десятые доли ми-
крона. Следовательно, неровность поверхности, зеркаль-
но отражающей видимый свет, не должна превышать
сотых долей микрона. Более шероховатая поверхность
будет отражать диффузно, т. е. рассеивать лучи во все
стороны.
Длина и ширина самых маленьких зеркал, применяе-
мых в оптике видимого света, обычно в тысячи раз пре-
вышает длины отражаемых волн. В таких оптических
зеркалах характерно то, что неровности поверхности не
превышают миллионных долей от размеров самой по-
верхности.
А теперь рассмотрим ряд зеркал, предназначенных
для все более длинных электромагнитных волн. Для
сантиметровых волн поверхность зеркала может иметь
миллиметровые неровности. Для этих волн зеркало
можно сделать из грубо обработанного металлического
листа или, например, из дерева, покрытого проводящей
краской (из металлического порошка). Подобная кон-
струкция уже не может отражать зеркально световые
лучи, а будет их рассеивать во все стороны — отражать
594
диффузно. Поверхность, зеркальная для сантиметровых
волн, может являться матовой для волн световых.
Оптические устройства для сантиметровых волн
обычно превышают своими размерами длину волны
только в десятки раз. Допустимые неровности отражаю-
щей или преломляющей поверхности только в сотни раз
меньше размеров всей поверхности.
При переходе от оптики видимого света к оптике
сантиметровых волн произошло изменение качества.
Иные материалы применяются для изготовления зеркал,
иные приемы и методы обработки, иные и правила
эксплуатации.
Еще большие изменения конструктивных форм про-
исходят при переходе к зеркалам для более длинных
волн — трансформаторам с Z/X<10.
Для дециметровых электромагнитных волн в каче-
стве зеркал часто берут не сплошную проводящую
поверхность, а поверхность, составленную из отдельных
тонких металлических полосок или проволок. В подоб-
ных конструкциях малы затраты металла, а потери при
отражении невелики. Чтобы волна не проваливалась
сквозь решетчатую поверхность, достаточно зазоры меж-
ду отдельными проводниками сделать меньше четверти
длины волны. И, чтобы коэффициент отражения был
близок к единице, достаточно, чтобы ширина каждого
проводничка занимала незначительную часть зазора
между проводничками.
И вот уже отражение—трансформация потока волн—
производится сеткой из проводников. При направленной
радиосвязи одна сетка из проволок — передающая ан-
тенна излучает волны. Другая подобная сетка — прием-
ная антенна воспринимает электромагнитные излучения.
Чем длиннее электромагнитная волна, тем больше
могут быть в направленной антенне расстояния между
отдельными проводниками и тем больше может быть
отношение расстояния между проводниками к толщи-
не самих проводников без того, чтобы ухудшить коэф-
фициент отражения.
Отражение электромагнитной волны происходит
вследствие того, что волна наводит быстропеременные
токи в проводниках. Чем длиннее волна и, следователь-
но, ниже частота наведенных токов, тем меньше потери
в проводниках направленной антенны. Часто нет необхо-
38* 595
димости применять для Излучения и отражения элек-
тромагнитных волн сетку. Достаточно, если зеркало
может проводить ток в одном направлении — в направ-
лении действия электрических сил. В перпендикуляр-
ном направлении, где действуют магнитные силы, элек-
тропроводность не нужна. Зеркала для метровых волн
выполняются уже не из сетки, а из набора тонких линей-
ных проводников.
Произошло еще одно качественное изменение при
переходе от дециметровых волн к метровым. И терми-
нология в этой области волн уже применяется иная,
нежели в оптике. Набор токонесущих проводников, на-
правляющих электромагнитную волну, уже чаще назы-
вают не зеркалом, а системой вибраторов. Изменяя дли-
ну каждого вибратора, включая в вибраторы катушки
и конденсаторы, можно влиять на циркулирующий в ви-
браторе ток. В оптике световых и сантиметровых волн,
чтобы придать требуемое направление электромагнитно-
му лучу, обычно видоизменяют кривизну поверхности
зеркала. Для метровых волн удобно менять не кривизну
поверхности, по которой расположены отражающие и
излучающие электромагнитную энергию вибраторы, а
изменять циркуляцию токов в вибраторах — изменять
настройку отдельных вибраторов. При одной настройке,
когда токи во всех вибраторах изменяются одновремен-
но (синфазно), луч направляется перпендикулярно по-
верхности, по которой расположены вибраторы, а при
другой настройке электромагнитный луч направляется
вдоль этой поверхности. Можно настроить токи и на лю-
бой другой угол.
В прожекторах видимого света, чтобы изменить на-
правление светового луча, поворачивают все зеркало.
А направленные антенны могут шарить своим лучом
по небу, сами оставаясь неподвижными. Перемещение
луча производится при помощи электрической на-
стройки.
Для волн длиной в десятки метров направленные
антенны составляют из проволок диаметром в несколько
миллиметров, отстоящих одна от другой на несколько
метров. Для световых лучей такая конструкция совер-
шенно прозрачна. Световые лучи проходят через такую
антенну, теряя лишь тысячные доли своей интенсив-
ности.
596
А радиоволны длиной в десятки метров отражаются
от такой редкой проволочной сетки на 99,9%. Так отра-
зились бы световые волны от гладкой полированной по-
верхности.
Зеркало в виде сетки из настроенных проводников
уже имеет очень мало общего с зеркалами для лучей
видимого света.
12-10. Резкий перелом
При каждом изменении Z/% происходит изменение
конструктивных форм трансформаторов электромагнит-
ной энергии. Но в области, в которой это отношение
близко к единице, в середине нашего графика переход от
одной конструкции к другой — наиболее резкий, наибо-
лее разительный.
Объектив телескопа может быть в тысячи раз боль-
ше объектива микроскопа. Во столько же раз, следова-
тельно, разнится у этих приборов отношение их разме-
ров к длине волны. Для телескопа оно может быть боль-
ше 106, а для микроскопа меньше 103. Но принципиаль-
ной разницы в конструкциях объективов телескопа и
микроскопа нет. Дело только в абсолютных размерах.
При переходе же от трансформатора с отношением
Z/X=1O к трансформатору с отношением Z/%=0,l (соот-
ношение меняется в 100 раз, т. е. меньше, нежели при
переходе от телескопа к микроскопу), разница в кон-
струкциях разительная.
Когда Z/Z>1, то говорят о трансформации лучей, а
когда Z/X<1, то говорят, что трансформатор меняет со-
отношение между токами и напряжениями.
12-11. Самые тонкие лучи и наименьший размер
зеркал
Лучом называют поток волн или частиц, но не вся-
кий, а только такой поток, длина которого больше его
поперечных размеров. Говоря о луче видимого света,
мы представляем себе нечто весьма тонкое. Но ведь по-
нятие «луч» применимо к любым волнам — и к тем,
что бегут по поверхности воды, и к волнам звука, и
к электромагнитным волнам любых длин.
Можно говорить о луче волн только в тех случаях,
когда поперечные размеры этого луча в несколько раз
597
больше длины волны. Длина волн видимого света — это
десятые доли микрона. Поэтому световой луч может
иметь поперечные размеры меньше одного миллиметра.
А если взять переменный ток с частотой 50 гц, то ему
соответствует электромагнитная волна длиной 6 000 км.
Луч таких волн должен иметь поперечные размеры боль-
ше диаметра земного шара.
С понятием луча связано понятие излучения — ис-
пускания лучей. Это явление может происходить, толь-
ко если размеры колеблющегося тела излучателя не
слишком малы по сравнению с длиной волны. Если раз-
меры колеблющегося тела (колебания могут быть и
механические, и электромагнитные) в несколько раз
меньше длины волны, то излучение уже не имеет места,
энергия не отрывается от колеблющегося тела малых
размеров.
И об отражении, и о преломлении можно говорить
лишь в тех случаях, когда размеры отражателей и пре-
ломителей в несколько раз превышают длины волн.
Самое маленькое зеркало должно .иметь размеры,
в несколько раз превышающие длину волны, которую
оно отражает.
12-12. К ату шечные трансформаторы
Если размер проводников, несущих переменные токи,
значительно меньше, нежели длина волны, то в про-
странстве вокруг этих проводников не образуется сво-
бодных электромагнитных волн. При 7/А < 1 передача
энергии от одного проводника к другому происходит не
при помощи излучения, а путем электромагнитной ин-
дукции.
Передача энергии электромагнитной индукцией про-
исходит с меньшими потерями, если применять не пря-
молинейные проводники, а сделать свернутые в спирали
из проводников катушки. В передаче энергии между
двумя спиралями участвует только магнитный поток.
Электрический же поток в этой конструкции энергии не
передает. Катушечный трансформатор можно сравнить
с рычагом. Его первичная и вторичная обмотки — это
плечи рычага. Отношение числа витков обмоток — это
отношение плеч.
Катушечные трансформаторы занимают область от
/Д<0,1 до /Д>10-9. При высоких частотах обмотки
598
трансформаторов состоят из немногих витков проводни-
ка; быстропеременный магнитный поток высокочастот-
ных трансформаторов замыкается по воздуху. В низко-
частотных же трансформаторах катушки содержат мно-
го тысяч или даже десятков тысяч витков. Внутри этих
катушек помещаются стальные сердечники, чтобы об-
легчить прохождение магнитного потока.
Некоторые железные сплавы (так называемые маг-
нитно-мягкие стали) проводят магнитный поток значи-
тельно лучше (в сотни раз), чем воздух. Стальной сер-
дечник обеспечивает высокую электромагнитную связь
между обмотками трансформатора. Но это повышение
коэффициента связи не дается бесплатно. Стальной
сердечник поглощает электромагнитную энергию.
В стальном сердечнике некоторая часть трансформируе-
мой энергии переходит в тепло.
В стальном сердечнике потери возникают вследствие
вихревых токов. Чем больше сечение металлического
тела, которое пронизывается переменным магнитным
потоком, тем интенсивнее вихревые токи в металле. По-
этому, чтобы ослабить вихревые токи в стальных сер-
дечниках, их делают не сплошными, не массивными,
а из отдельных изолированных друг от друга листов или
проволок. Для трансформаторов на частоту 50 гц при-
нята стандартная толщина листов стали 0,35 мм (транс-
форматорная сталь) и 0,5 мм (динамная сталь). Элек-
тротехническая сталь часто содержит кремний. Кремний
добавляется в сталь для того, чтобы повысить ее элек-
тросопротивление и тем самым еще более ослабить
вихревые токи.
Для токов высокой частоты применяется более тон-
кое расслоение стальных сердечников. В трансформато-
рах, работающих на радиочастотах, сердечники выполня-
ют из мельчайших (иногда размером меньше микрона)
ферромагнитных зерен, изолированных и сцементирован-
ных различными пластмассами.
Делают также магнитопроводы из неэлектропровод-
ной, но имеющей высокую магнитную проницаемость ке-
рамики.
Но, помимо потерь на вихревые токи, в стальных
магнитопроводах существуют еще потери на перемагни-
чивание (потери на гистерезис), которые не уменьша-
ются при расслоении сердечника.
599
У трансформаторов на малую мощность и на низкую
частоту выгодно применять ферромагнитные сердечники.
Трансформаторы же для больших мощностей и высоких
частот выгодно выполнять без таких сердечников.
Но граница применения стальных сердечников опре-
деляется не только частотой тока и мощностью транс-
форматора. Эта граница зависит и от допустимой плот-
ности тока в обмотках трансформатора, и от режима ра-
боты (непрерывный или импульсный). Иногда в радио-
приемниках для коротких волн применяют трансформа-
торы с ферромагнитными сердечниками. Здесь идут
на увеличение потерь в трансформаторе, зато получают
минимальные его габариты.
А иногда и на частоте 50 гц отказываются от сталь-
ных сердечников и замыкают магнитный поток через
воздух. Без стальных сердечников выполняются, напри-
мер, мощные токоограничивающие реакторы на цент-
ральных электростанциях и в распределительных сетях.
Границы между «стальным и воздушным царства-
ми»— одни из самых спорных в электротехнике. Мы еще
вернемся к их рассмотрению.
Шаг за шагом от одного конструктивного изменения
к другому мы рассмотрели путь от оптических прибо-
ров— отражателей и преломителей — к катушечным
трансформаторам. От самого верха таблицы трансфор-
маторов мы опустились в самый ее низ.
Естественен вопрос: а что же идет еще ниже? У ка-
тушечных трансформаторов с уменьшением //% возра-
стает отношение потерь к полезной трансформируемой
мощности. Когда //%<10~9, то почти вся подводимая’
к трансформатору энергия превращается в тепло в его
первичной обмотке, а полезная передача энергии из
одной обмотки в другую не происходит. Нельзя пост-
роить трансформатор для очень медленных электриче-
ских колебаний. Нельзя построить трансформатор и для
постоянного тока.
12-13. Еще о сходстве, различии и о размерах
трансформаторов электромагнитной энергии
Таблица трансформаторов по виду несколько напо-
минает хронологические таблицы. Но спуск сверху вниз
нашей таблицы трансформаторов — это не поход вглубь
600
веков. И обратный переход от катушечных конструк-
ций к оптическим — это не ступени исторического эво-
люционного процесса.
Многие оптические системы были созданы значитель-
но раньше катушечных. Телескопы и микроскопы были
известны в 17 в., а электрические трансформаторы по-
явились только в конце 19 в. Промежуточная же область
между оптикой и катушками — колебательные контуры
в виде пустых банок, каналы для энергии в виде труб-
волноводов, ' многорезонаторные генераторы, полиго-
нальные индукторы — это все разработки последних
десятилетий.
Можно бы в нашей таблице расположить оптику вни-
зу, а катушки сверху, можно бы строить таблицу по
горизонтали — слева направо и наоборот. Существенно
то, что все конструкции расположены по признаку отно-
шения их размеров I к длине волны К. Такая класси-
фикация позволяет связать различные области техники.
Плавная постепенная деформация конструктивных осо-
бенностей позволяет перейти из одной области в другую.
Отчетливо видно, что в данной области существенно,
а что является неважным, второстепенным.
Но вот вопрос. Что именно считать размером транс-
форматора Z? Трансформатор — это тело трех измере-
ний. Он обладает высотой, толщиной, шириной. Сущест-
вуют конструкции, размеры которых в разных измере-
ниях сильно разнятся. Что ж, в этих случаях и принци-
пы конструирования, и методы анализа и расчета раз-
личны для разных измерений.
Например, линию передачи переменного тока также
можно рассматривать как своеобразный трансформатор.
Длина линии может во много раз превышать длину
электромагнитной волны. При расчете процессов, иду-
щих вдоль линии, учитывается волновая природа тока,
учитываются время движения волны, ее затухание, отра-
жение от неоднородностей линии. Но поперечные разме-
ры линий передачи обычно во много раз меньше, чем
длина электромагнитной волны. И для расчета процес-
сов, которые идут поперек линии, можно не учитывать
времени распространения волны, применять упрощенные
методы расчета.
Существует множество практических конструкций
трансформаторов, которые «головой» своей лежат в од-
601
ной области, а «ногами» залезли в другую. При помощи
петли связи передают энергию в волновод. Петля явно
принадлежит к семейству «катушечных» конструкций,
а волновод — это система с распределенными постоянны-
ми. Волновод этот в свою очередь сопрягается с зер-
калом-излучателем, которое относится уже всецело
к оптике.
Мы смогли дать на нашей таблице лишь небольшую
часть существующих трансформаторов. Возникают все
новые и новые важные и значительные применения элек-
тромагнитной энергии разных частот. Ученые и инжене-
ры во всем мире непрестанно работают над созданием
новых конструкций трансформаторов электромагнитной
энергии.
12-14. Почему у комара ноги тонкие и длинные,
а у слона толстые и короткие?
До сих пор наше знакомство с семейством трансфор-
маторов было вроде прогулки по зоологическому саду.
Теперь займемся тем, что можно было бы назвать «ана-
томией трансформаторов», выясним внутренние связи
между конструкцией трансформатора, его размерами,
допустимыми нагрузками. Проще начать с механических
трансформаторов.
Пропорции всех инженерных сооружений и живых
существ зависят от их размеров. Впервые эту мысль
четко Высказал основатель механики, великий итальян-
ский ученый Галилео Галилей в своем сочинении «Бесе-
ды о двух новых отраслях науки».
«Если мы, — писал Галилей, — отвлекшись от всякого
несовершенства материи и предположив таковую неиз-
меняемой и лишенной всяких случайных недостатков,
построим большую машину из того же самого материа-
ла и точно сохранив все пропорции меньшей, то в силу
самого свойства материи мы получим машину, соответ-
ствующую меньшей во всех отношениях, кроме прочно-
сти и сопротивляемости внешнему воздействию; в этом
отношении, чем больше будет она по размерам, тем ме-
нее будет она прочна...»
«Кто не знает, что лошадь, упав с высоты трех-че-
тырех локтей, ломает себе ноги, тогда как собака при
этом не страдает, а кошка остается невредимой, будучи
602
брошенной с высоты восьми—десяти локтей, точно так
же, как сверчок, упавший с верхушки башни, или мура-
вей, упавший на Землю хотя бы из лунной сферы; ма-
лые дети также остаются здоровыми после таких паде-
ний, при которых взрослые разбивают головы...
«...Природа не могла бы создать лошадь величиной
в двадцать лошадей или гиганта, в десять раз превы-
шающего обычный человеческий рост, иначе, как чудес-
ным образом, или изменив в достаточной мере пропор-
ции членов, в особенности костей, весьма и весьма уси-
лив их по сравнению с пропорциями обычного ске-
лета».
Для иллюстрации этой мысли Галилея приведем
несколько примеров. Соломина ржи или пшеницы дости-
гает высоты 150 см при диаметре 3 мм. Отношение вы-
соты к диаметру 500. Бамбук достигает высоты 30 м
при диаметре 20 см. Отношение высоты к диаметру 150.
У сосны высотой в 40 м это отношение будет 40, а у
эвкалипта высотой 130 м меньше 30.
При пропорциональном увеличении размеров ствола
его объем, а следовательно, и вес возрастают как куб
линейных размеров — Z3. Сопротивление же ствола раз-
дроблению, зависящее от площади его сечения, растет
только как квадрат линейных размеров. Ясно, чтобы
уцелеть, высокое растение должно быть относительно
толще низкого.
У животных при пропорциональном увеличении раз-
меров и вес, и мощность мышц растут как куб линейных
размеров. Но работа, необходимая для пропорциональ-
ного перемещения всего животного или любого его чле-
на, растет как четвертая степень линейных размеров
(произведение объема на расстояние). Поэтому более
крупные животные, чтобы иметь относительно достаточ-
ную подвижность, должны обладать более толстыми
мышцами; соответственно толще должны быть и все
кости, служащие опорой.
Поэтому чем 'крупнее животное, тем короче его ко-
нечности (относительно). Длинноногие существа могут
быть только мелкими. По законам механики, не может
существовать животное с пропорциями комара, но раз-
мером с собаку.
Приведем еще отрывок из сочинения Галилея.
603
12-15. «Кости великана и морских животных»
«Сальвиати: ...Мы ясно видим невозможность не
только для искусства, но и для самой природы беспре-
дельно увеличивать размеры своих творений. Так, не-
возможна постройка судов, дворцов и храмов огромней-
шей величины, коих весла, мачты, балки, железные
скрепы, словом, все части держались бы прочно. С дру-
гой стороны, и природа не может произвести деревьев
несоразмерной величины, так как ветви их, отягощенные
собственным чрезвычайным весом, в конце концов сло-
мались бы. Равным образом невозможно представить
себе костяка человека, лошади или другого живого су-
щества слишком большой величины, который бы дер-
жался и соответствовал своему назначению; достигнуть
чрезвычайной величины животные могли бы только
в том случае, если бы вещество их костей было значи-
тельно прочнее и крепче, нежели обычное, или же еслц
бы кости их изменились, соразмерно увеличившись
в толщину, отчего животные по строению и виду произ-
водили бы впечатление чрезвычайной толщины. Это уже
было подмечено проницательным поэтом (Ариостом
в «Неистовом Роланде»), который, описывая великана,
юворит:
Нельзя было сказать, насколь он был высок,
Так все в нем было непомерно толсто.
В качестве примера, только что сказанного, я покажу
вам рисунок кости, удлиненной только в три раза, но
увеличенной в толщину в такой мере, чтобы она могла
служить для большого животного с той же надежностью,
как меньшая кость служит для животного малого раз-
мера. Вы видите, какой несообразно толстой выглядит
такая увеличенная кость. Отсюда ясно, что тот, кто,
желая бы сохранить в огромном великане пропорцию
членов обыкновенного человеческого тела, должен был
бы найти для построения костей какое-либо иное, более
удобное и прочное вещество или же должен был бы при-
мириться с тем, чтобы большее тело человека обладало
крепостью, сравнительно меньшею, чем тело человека
обычной величины; увеличение размеров до чрезмерной
величины имело бы следствием то, что тело было бы раз-
давлено и сломано тяжестью своего собственного веса.
Обычно мы видим, что, уменьшая размеры тел, мы не
604
уменьшаем в такой пропорции их прочности; в телах
меньших замечается даже относительное увеличение ее.
Так, я думаю, что небольшая собака может нести на се-
бе двух или даже трех таких собак, в то время как ло-
шадь едва ли может нести на спине одну только другую
лошадь, равную ей по величине.
Симпличио. У меня есть достаточный повод сом-
неваться в справедливости сказанного вами, а именно—
огромная величина тела, встречаемая у рыб; так, на-
пример, кит1 равен по величине, если я не ошибаюсь,
десяти слонам, и, однако, тело его все же держится.
Сальвиати. Ваше сомнение, синьор Симпличио,
заставляет меня припомнить еще одно, упущенное мной
сначала из вида условие, при котором великаны и про-
чие огромные существа могут жить и двигаться не хуже
малых животных. Вместо того, чтобы увеличивать тол-
щину и прочность костей и других частей, предназначен-
ных для поддержания собственного веса и веса приле-
гающих частей тела, можно, оставив строение и пропор-
цию костей прежними, уменьшать в значительной мере
вес материи как самих костей, так и частей тела, к ним,
прилегающих и ими поддерживаемых. По этому пути
и пошла природа в творении рыб, сделав кости и части
тела не только легкими, но и вовсе лишенными веса.
Симпличио. Хорошо вижу, к чему клонится ваша
речь, синьор Сальвиати. Вы хотите сказать, что так как
местопребыванием рыб является вода, которая в силу
своей тяжести отнимает вес у погруженных в нее тел,
то материя, из коей состоят рыбы, теряя в воде вес, мо-
жет держаться, не обременяя костей. Однако этого для
меня недостаточно, ибо хотя и можно предположить, что
кости рыб не отягощаются телом, но материя этих ко-
стей, конечно, имеет вес. Кто же может утверждать, что
ребро кита, величиною с добрую балку, не имеет доста-
точно веса и не пойдет ко дну в воде? По вашей теории
тела такого большого размера, как у кита, не должно
было бы существовать.
Сальвиати. Чтобы лучше возразить на ваши до-
воды, я сначала предложу вам вопрос: видели ли вы
когда-нибудь рыб в спокойной и неподвижной воде не
опускавшимися ко дну, не поднимающимися на поверх-
ность и не делающими никаких движений?
1 1В эпоху Галилея кита причисляли к рыбам.
605
Симпличио. Это всем известное явление.
Сальвиати. Но если рыбы могут пребывать в во-
де без всякого движения, то это является неоспоримым
доказательством того, что вся совокупность объема их
тела равна по удельному весу воде; а так как в их теле
существуют части более тяжелые, нежели вода, то необ-
ходимо прийти к заключению, что есть и другие части,
которые легче воды и создают равновесие. Так как ко-
сти являются более тяжелыми, то мясо или другие ка-
кие-либо органы должны быть легче воды, и они-то своей
легкостью отнимают вес у костей. Таким образом, в воде
имеет место совершенно обратное тому, что мы видим
у наземных животных: в то время как у последних кости
должны нести свой вес и вес мяса, у водяных жи-
вотных мясо поддерживает не только свой вес, но и вес
костей. Таким образом, нет ничего чудесного в том, что
огромнейшие животные могут существовать в воде, но
не на земле, т. е. в воздухе.
С а г р е д о. Мне очень понравились рассуждения
синьора Симпличио, вопрос, им возбужденный, и раз-
решение последнего. Я заключаю из них, что если выта-
щить на берег одну из таких огромных рыб, то она не
сможет долгое время держаться, так как связь между
костями ее должна скоро порваться, и тело разрушится».
К этому можно добавить, что на планете, меньшей
нежели Земля, — например, на астероиде, где мала сила
тяжести, существо с размерами слона могло бы иметь
тонкие и длинные ноги. А на большой планете — на-
пример, на Юпитере, где сила тяжести велика, и у су-
щества размером с комара конечности должны были
бы быть короткими и толстыми, а существо размерами
со слона и вовсе невозможно.
Проведем теперь подобного рода рассуждения при-
менительно к трансформаторам. Начнем с одного из
простейших — с рычага.
12-16. Пределы применения рычагов
Мы уже говорили, что всякое перемещение одного
конца рычага доходит до его другого конца только через
некоторое время. Если колебать один конец рычага
с большой частотой, то вдоль него побежит волна. Назо-
вем скорость волны упругих колебаний в материале
606
рычага v. Это то расстояние, которое волна проходит
за одну секунду. За период одного колебания Т волна
распространится на расстояние vT, равное длине вол-
ны X. Так как длительность периода колебаний обратно
пропорциональна частоте T==\/f, то можно еще запи-
сать, что длина волны равна скорости, поделенной на
частоту:
Размер плеча рычага определяется приложенной
к нему силой F и допускаемой напряженностью в ма-
териале рычага. Обозначим эту механическую напря-
женность так же, как принято обозначать электрическую
напряженность поля, — буквой Е. Чем больше сила и
чем меньше допустимая напряженность, тем больше
должны быть размеры рычага Z.
Примем: l=FjE.
Мощность, которая передается рычагом (обозначим
ее через букву Р), равна произведению силы F на ско-
рость движения рычага. Наибольшая, предельная ско-
рость — это скорость упругих колебаний, которую мы
обозначили через v. Следовательно, наибольшая мощ-
ность, которую может передать рычаг, P = Fv. Но F,
как мы только что сказали, пропорциональна Е1. Отсю-
да можно записать, что P = Elv или l^PIEv. Разделив
обе части этой формулы на длину волны К и заменив
в правой части Л на v/f, окончательно получим:
I _ Pf
X — Ev* •
Вот это и есть формула, которая дает связь между
отношением Z/Х, т. е. типом конструкции механическо-
го трансформатора, и механическими характеристи-
ками материала, из которого трансформатор построен,—
допустимой напряженностью в материале Е и скоростью
распространения механических колебаний v. Эта же
формула показывает зависимость Z/Х от мощности и
частоты колебаний.
Законы рычага «перемещение плеч прямо пропор-
ционально длинам плеч» и «силы обратно пропор-
циональны длинам плеч» справедливы, только, когда
размеры рычага Z значительно меньше длины волны %.
Это требование Z/%<^1 означает, что и отношение
PflEv2 не должно превышать некоторой определенной
величины.
607
Таким образом, для каждого материала (каждого
значения Е и v) существуют предельные значения
мощности Р и частоты f, которые можно передать при
помощи рычага. При больших значениях произве-
дения Pf отношение /Д возрастает, трансформатор уже
не может быть выполнен в виде рычага. Передача
энергии уже будет определяться не теми примитивны-
ми законами рычага, которые приведены выше, а бо-
лее сложными соотношениями распространения волно-
вых процессов.
Увеличивая мощность Р, надо уменьшать частоту /,
если мы хотим обойтись рычагом. Для больших значе-
ний Pf рычаг осуществить невозможно.
Если же требуется одновременно и большая мощ-
ность, и высокая частота, то неизбежно применение не
трансформатора-рычага, а трансформаторов волн типа
рупоров, зеркал, линз — типа отражателей и преломи-
телей.
12-17. Некоторые уточнения
В предыдущем параграфе мы произвольно приняли,
что размер трансформатора I прямо пропорционален
отношению силы к допустимой напряженности: l^FjE.
Но в зависимости от типа конструкции трансформатора
его размер может по-иному зависеть от F и Е; раз-
меры I могут быть пропорциональны не первой степени,
а корню (квадратному, кубическому) из отношения F/E.
В общем случае отношение /Д будет пропорцио-
нально PafbjEcvd\ здесь показатели степени а, Ь, с и d
могут быть правильными дробями, но в некоторых
случаях те или иные показатели могут быть и больше
единицы.
В таком виде формула более универсальна и при-
годна не только для механических, но и для всевоз-
можных электромагнитных трансформаторов. Во всех
случаях мощность и частота стоят в числителе, а до-
пустимое напряжение и скорость распространения вол-
нового процесса — в знаменателе.
При рассмотрении трансформаторов электромаг-
нитной энергии мы вместо скорости механических коле-
баний v подставляем в формулу скорость электромаг-
нитной волны, которая равна скорости света в пусто-
те с, деленной на в— диэлектрическая прони-
608
цаемость, pi — магнитная проницаемость материалов
конструкции.
Ввиду большого разнообразия конструктивных форм
трансформаторов # электромагнитной энергии нельзя
дать единой зависимости размеров конструкции от до-
пустимых нагрузок материалов (плотностей тока в про-
водниках, магнитного потока в сердечниках — если они
имеются — и электрического поля в изоляторах),
а также от мощности и частоты.
У катушек со стальными сердечниками, если при-
нять неизменную плотность тока в обмотках и неизмен-
ную плотность магнитного потока в сердечнике, мощ-
ность растет как четвертая степень линейных размеров:
Р = /4*.
У катушек без сердечников, если сохранять неиз-
менную плотность тока в обмотках, мощность растет
как пятая степень линейных размеров: Р=Р *.
В полых контурах колебательная мощность растет
как объем, т. е. как куб линейных размеров.
Для зеркал мощность растет как квадрат линейных
размеров.
Во всех случаях мы придем к заключению,
что ll^=Pafb, только показатели степеней будут раз-
ными при разных уточняющих предположениях. Обыч-
но показатель степени а при Р меньше показателя Ь
при f; а может быть в пределах от 0,5 до 0,2. Таким об-
разом, мы видим, что отношение //X растет с мощ-
ностью и частотой, но влияние частоты сильнее, чем
влияние мощности.
Мы пришли к заключению, что при больших мощ-
ностях и высоких частотах отношение //% должно быть
велико, но вовсе не обязательно обратное заключение,
что при уменьшении мощности и частоты //% должно
быть мало.
Выше мы говорили, что у слона ноги обязательно
должны быть толстыми, но у маленького существа ноги
не обязательно должны быть тонкими. Не может быть
больших животных, у которых конечности во много
раз длиннее своего поперечника, но существует сколько
угодно маленьких животных, у которых лапы короткие,
толстые, если это целесообразно при их образе жизни.
* Эту зависимость докажем в последующих разделах.
39 Г. И. Бабат 609
У кошки, например, конечности относительно короче,
чем у жирафа; у соболя — относительно короче, чем
у слона.
Трансформаторы с малой мощностью и частотой мо-
гут иметь большое отношение /Д,’ если эго обуслов-
лено их назначением.
Например, для радиоволн длиной в несколько де-
сятков метров трансформаторы могут быть выполнены
в виде катушек, размеры которых много меньше длины
волны. Но если эти волны требуется излучить узким
потоком, например, для направленной связи, то строят
антенны, размеры которых превышают длину волны.
И чем более остро направленный требуется луч, тем
больше должно быть отношение /Д антенны.
В установках для высокочастотного нагрева приме-
няются иногда трансформаторы — полые контуры вме-
сто катушечных потому, что это улучшает экранировку,
уменьшает потери.
В маломощных измерительных устройствах часто
применяют трансформаторы с большим отношением /Д,
так как при этом удается повысить точность измере-
ний.
Остановимся теперь несколько подробнее на вопро-
се: когда катушечные трансформаторы надо снабжать
сердечниками из ферромагнитного ^материала, а когда
от этих ферромагнитных сердечников надо отказывать-
ся и замыкать переменный электромагнитный поток по
воздуху?
12-18. Границы между стальным и воздушным
царствами
Можно оценивать катушечный трансформатор (как,
вообще говоря, и всякий другой) по различным показа-
телям: Например, для заданной мощности или задан-
ных потерь энергии сравнивать друг с другом различ-
ные типы трансформаторов по их объему, весу, стои-
мости. При рассмотрении каждого отдельного показа-
теля можно найти свою пограничную точку, по одну сто-
рону от которой надо применять стальные сердечники,
а по другую отказываться от таковых. Совокупность всех
возможных пограничных точек — это поверхность, про-
ходящая в многомерном пространстве. Но не будем
610
заниматься вопросом о границе во всем его многооб-
разии; рассмотрим такой частный вопрос: как зависит
мощность трансформатора от его размера — от коли-
чества меди, а также и стали, если применен сердеч-
ник. ho и этот вопрос еще упростим: рассмотрим толь-
ко одну из обмоток трансформатора, т. е. одну ка-
тушку.
Произведение индуктивности катушки L на круго-
вую частоту переменного напряжения со = 2л/, прило-
женного к катушке, дает индуктивное сопротивление
катушки х = £со. Для трансформаторов это индуктивное
сопротивление значительно больше активного сопро-
тивления обмотки: L<o > R. Поэтому, умножив индук-
тивное сопротивление на квадрат тока через катушку,
получим полную мощность катушки: S=xl2.
Рассмотрим сначала катушки без стального сердеч-
ника. .При заданных пропорциях катушки и неизмен-
ном числе витков в ней при увеличении ее размеров
индуктивность растет пропорционально первой степени
размера. Сечение обмотки растет как квадрат ли-
нейных размеров. Полный ток через обмотку равен
произведению сечения обмотки на допустимую плот-
ность тока /. Квадрат полного тока пропорционален
четвертой степени линейных размеров катушки, а мощ-
ность, следовательно, пятой степени линейных размеров
и квадрату допустимой плотности тока: SB = wl5j2.
Когда в катушке имеется стальной сердечник, то
кажущаяся мощность катушки SCT будет определяться
не только плотностью тока в обмотке, но и допустимой
магнитной индукцией в сердечнике. Полный магнитный
поток в стальном сердечнике равен произведению допу-
стимой магнитной индукции В на площадь сердечника,
т. е. магнитный поток пропорционален квадрату линей-
ных размеров катушки. Полная мощность катушки
с сердечником пропорциональна произведению магнит-
ного потока в сердечнике на полный ток в обмотке. Но
полный ток в обмотке, как уже выше было сказано,
пропорционален сечению обмотки — квадрату линей-
ных размеров катушки. Следовательно, мощность ка-
тушки со стальным сердечником растет как четвертая
степень линейных размеров: SCT=B//4.
Вес катушки (безразлично, с сердечником или без
него) пропорционален кубу линейных размеров. Иначе
39* 611
ЮООМва
ЮООМва
Рис. 12-7. К определению координат одного из пограничных пунктов
между стальным и воздушным царствами. График зависимости мощ-
ности катушки от веса меди ее обмотки при разных допустимых на-
грузках обмотки и сердечника.
По оси ординат отложена кажущаяся мощность катушки: S=Ul=L(aI2. Часто-
та тока входит в выражение для мощности как постоянный множитель, одина-
ковый для катушки с сердечником и бессердечниковой. График построен для
частоты тока 50 гц.
По оси абсцисс отложен вес медной обмотки. Чтобы лучше использовать пло-
щадь графика, по оси абсцисс даны три отдельных отрезка; на графике рас-
положено три отдельных пучка, каждый из трех линий. В каждом пучке одна
из трех линий идет более круто; эти круто идущие линии соответствуют катуш-
кам без сердечника. Но две другие линии в каждом пучке пересекаются с «бес-
сердечниковой линией» и соответствуют катушкам с сердечником при двух раз-
ных допустимых магнитных индукциях. Величина индукции в гауссах надпи-
сана над каждой линией. Для каждого пучка линий принята своя плотность
тока в обмотке, одинаковая как в сердечниках, так и в бессердечниковых ка-
тушках.
В бессердечниковых катушках величина магнитной индукции не ограничена, и
612
говоря, линейные размеры пропорциональны корню ку-
бическому из веса катушки.
Если выразить вес катушки в граммах и обозначить
его буквой G, а полную мощность SB выразить в вольт-
амперах, то для катушки из медного проводника без
стального сердечника получим такое соотношение:
SB= 10" e/G5/3/2-
Плотность тока в этой формуле выражена в ампе-
рах на 1 мм2, Необходимо указать также, что эта фор-
мула справедлива не для любой катушки, а для ка-
тушки оптимальных пропорций — такой, которая при
заданной затрате проводникового материала имеет наи-
большее отношение индуктивности к активному сопро-
тивлению (подобные катушки иногда называются мак-
свелловскими).
Для отношения реактивных мощностей катушки без
сердечника и катушки, снабженной таковым, справед-
лива формула
SB/SCT = 5^.
Как и в предыдущих формулах, вес меди G указан
в граммах, плотность тока в медной обмотке /— в ам-
перах на 1 мм2, а индукция в стальном сердечнике В —
в гауссах.
Когда отношение SB/S'CT равно единице, то этъ по-
граничная точка. При больших соотношениях надо
отказываться от стального сердечника, при меньших —
применять сердечник. Вес пограничной медной катуш-
ки определяется соотношением G=(0,2B//)3.
Если допустимая индукция 104 гс, а плотность то-
ка 2 а!мм2, то от стального сердечника надо отказы-
при неизменной плотности тока в обмотке магнитная индукция растет пропор-
ционально линейным размерам катушки (пропорционально корню кубическому
из веса катушки). В катушке же с сердечником принято, что магнитная ин-
дукция сохраняет одну и ту же величину независимо от размера и веса ка-
тушки.
При малой плотности тока в обмотке (крайний правый пучок линий соответ-
ствует /=2 а/лслс2) даже в очень больших катушках выгодно применять сталь-
ные сердечники. При большей плотности тока (крайний левый пучок
= 50 а/мм2) магнитная индукция внутри бессердечниковой катушки уже при
весе 100 кг превышает допустимую для стального сердечника величину 10 000 г,
и, следовательно, при больших весах катушки удаление сердечника повышает
мощность катушки.
613
ваться для катушек весом более 1 000 т. Но если при
той же магнитной индукции плотность тока будет
200 А/мм2 (такая высокая плотность может быть допу-
щена при импульсных режимах работы с большой
скважностью), то стальной сердечник становится не-
выгоден уже для катушек весом более 1 кг.
В вышеприведенных рассуждениях не отражено вли-
яние частоты. Оно проявляется в том, что по мере по-
вышения частоты приходится выбирать меньшую до-
пустимую магнитную индукцию в стальном сердечнике.
Определим числовую зависимость для реактивной
мощности катушек без стального сердечника и с ним
при частоте тока 50 гц:
Sb = 5-10-’G5/72;
SCT = 10~5б’/з£/.
По этим формулам построен график (рис. 12-8). По
оси ординат отложены реактивные мощности катушек,
общие для всех кривых. По оси абсцисс даны три от-
дельные шкалы весов меди, каждая для своего пучка,
линий.
В левом пучке, построенном для плотности тока
50 а/мм2, нижняя линия, соответствующая катушке
без сердечника, пересекает линию, соответствующую ка-
тушке с сердечником, допускающим индукцию 104 га
при весе меди, равном 64 кг. Это соответствует кажу-
щейся мощности катушки около 15 000 ква.
При больших мощностях катушки без стального
сердечника выгоднее катушек, у которых имеется та-
кой сердечник. Поэтому токоограничивающие реакторы
в энергосистемах обычно выполняются без стальных
сердечников. В длительном режиме при нормальной
работе плотность тока в обмотках этих реакторов не
превышает 4 а1мм2’. Но в момент короткого замыкания
(именно тогда и проявляется действие токоограничи-
вающего реактора) плотность тока в обмотках может
более чем в 10 раз превысить плотность тока длитель-
ного режима. Мощность токоограничивающего реак-
тора в моменты короткого замыкания измеряется часто
сотнями тысяч и даже миллионами киловольтампер.
При таких данных введение стального сердечника уве-
личило бы размеры, вес и стоимость реактора.
614
Вышеприведенные формулы и график рис. 12-7 оп-
ределяют лишь один пограничный пункт между воз-
душным и стальным царствами. При движении по
иным путям приходится пересекать границу в других
точках. На практике часто отказываются от стальных
сердечников при значительно меньших весах, меньших
мощностях йатушек.
Можно анализировать конструкции катушек в за-
висимости от потерь в них, от их к. п. д. Потери в ка-
тушке определяются ее декрементом 6. Эта величина
равна отношению активного сопротивления катушки R
к реактивному х. Активное сопротивление — сопротив-
ление потерь катушки — состоит из нескольких сла-
гающих. Главные из них — это два: 1) потери, вызван-
ные омическим сопротивлением обмотки катушки, и
2) потери на перемагничивание стального сердечника.
Когда второе слагающее становится больше перво-
го, от сердечника надо отказываться.
Выше уже было сказано, что индуктивность катуш-
ки пропорциональна ее линейным размерам. Оми-
ческое же сопротивление обратно пропорционально
линейным размерам (сечение витка растет как квадрат
линейных размеров, а длина витка — как линейный
размер). Поэтому отношение индуктивности к актив-
ному сопротивлению катушки пропорционально квад-
рату линейных размеров (весу в степени 2/з). Для дек-
ремента катушки без сердечника можно вывести сле-
дующее соотношение
. _ 2,8-Ю3
°в — G*l3f ’
Подразумевается катушка, выполненная из медной
проволоки, имеющая оптимальные пропорции (максвел-
ловская катушка), подразумевается также, что ток
равномерно распределен по сечению проводников —
плотность тока во всех точках обмотки одна и та же.
В стальном магнитопроводе, который может быть
помещен в катушку, возникает два вида потерь: 1) по-
тери на перемагничивание — на гистерезис и 2) потери
на вихревые токи. Чем больше сумма этих потерь, тем
меньше пользы от сердечника. При некотором отно-
шении потерь в сердечнике к декременту катушки без
сердечника от сердечника надо отказываться вовсе.
615
С некоторыми допущениями можно записать условие
отказа от стального сердечника: G2/3f>5*105. Это —
данные другого пограничного пункта на пути из воз-
душного в стальное царство. На этом пути не отражена
зависимость от / и В.
Непрестанно разрабатываются все новые и новые
материалы для сердечников (магнитно-мягкие мате-
риалы), допускающие большую индукцию и обладаю-
щие малыми потерями. В последние годы появились
керамические магнитные материалы — оксиферы, в ко-
торых потери на* вихревые токи отсутствуют даже при
очень высоких частотах. Эти магнитные глины ото-
двигают границу применения сердечников в область
больших мощностей и частот. Но появляются и кон-
струкции проводников, которые дают преимущество
бессердечниковым катушкам. Все время идет борьба
различных конструкций, различных инженерных идей
на границе стали и воздуха.
12-19. Точность, искажения, к. п. д.1
В парках выставляют иногда для развлечения пуб-
лики кривые зеркала — цилиндрические, конические,
волнистые. Зрители видят себя • в них растянутыми,
сплюснутыми, изогнутыми самым причудливым обра-
зом. А то, что принято называть хорошим зеркалом —
какое оно дает изображение? Говорят, неискаженное.
Так ли это? Попробуем вдеть нитку в иголку, глядя на
их изображение в зеркале. Или попробуем — что, каза-
лось бы, еще проще — читать книгу, отраженную в зер-
кале.
Изображение в плоском зеркале очень похоже на сам
предмет, но вместе с тем и отлично от него. В зеркаль-
ном отражении то, что в оригинале было справа, ока-
залось слева.
Всякая трансформация — это искажение. Если нет
искажения, то нет и трансформации. Н'о в разных слу-
чаях к вопросу об искажениях разный подход.
В начале этой главы упоминались щипцы для оре-
хов как пример механического трансформатора. В щип-
цах орех можно положить и дальше и ближе к шар-
1 Законы четности здесь «не обсуждаются.
616
ниру. Во время раздавливания орех может передви-
нуться с одного места на другое. Коэффициент транс-
формации щипцов — величина непостоянная. Но для
их работы такое постоянство и не требуется.
Существуют механические трансформаторы иных
типов. В чертежном деле, например, применяется так
называемый пантограф. Это — система сочлененных
рычагов с двумя штифтами. Одним штифтом обводят
копируемый чертеж. Второй штифт воспроизводит чер-
теж в измененном виде — увеличенном или уменьшен-
ном. Иногда по разным осям производится разное
уменьшение или увеличение. От пантографа требуется
высокая точность работы. В данном случае понятие
«точность» подразумевает строгое постоянство коэф-
фициента трансформации.
Для многих типов трансформаторов вопрос о точ-
ности несуществен. В рычажном домкрате, например»
коэффициент трансформации меняется в несколько раз
при изменении высоты подъема. Но это обстоятельство
мало кого беспокоит. От многих типов трансформато-
ров требуется только обеспечить малые потери энергии
при трансформации, высокий к. п. д. Для других типов
трансформаторов значение к. п. д. совершенно не-
существенно, зато требуется высокая точность. Таков
упомянутый пантограф.
От большинства оптических трансформаторов тре-
буются и высокая точность, и малые потери. Вопрос
о точности оптических трансформаторов очень сложен.
Один только перечень типов искажений, возможных
в оптических приборах, может занять много страниц,
потребует разъяснения множества специальных терми-
нов. Например, для съемки и проектирования широко-
экранных фильмов применяется специальная — ана-
морфотная, как ее называют, оптика. При съемке изо-
бражение сжимается в горизонтальном направлении.
На пленке той же ширины, что и для обычных филь-
мов, удается уместить значительно большую часть про-
странства, находящегося перед съемочным аппаратом.
При проектировании фильма другая анаморфотная на-
садка растягивает изображение в ширину на экран. Изо-
бражение на экране получается неискаженным
(рис. 12-8).
Есть некоторые типы искажений, которые встречают-
617
ся в различных типах трансформаторах: и в оптических,
и в электротехнических (катушечных и других). Это так
называемые частотные искажения. Суть их в том, что
для колебаний разных частот коэффициент трансформа-
ции имеет* разное значение. Когда к трансформатору
подводится смесь колебаний различных частот, то со-
„Сжатое*изображение на кинопленке
Рис. 12-8. Вверху — изображение для ши-
рокого экрана, снятое на кинокадр обыч-
ных размеров. При такой съемке цилинд-
рические стекла (съемочная анаморфот-
ная оптика) снимают световой поток по
горизонтали. При проектировании с плен-
ки на экран (рисунок внизу) другие ци-
линдрические стекла (проекционная ана-
морфотная оптика) растягивают по гори-
зонтали световой поток во столько раз,
во сколько он был сжат при съемке.
В результате изображение на экране
воспринимается как неискаженное.
отношение мощностей различных частот на выходе не
соответствует соотношению на входе.
Для световых лучей разные частоты означают раз-
ные цвета. В оптических приборах частотные искажения
называются цветными (хроматическими). Лучи разного
цвета, т. е. разной частоты колебаний, разной длины
волн, распространяются с разной скоростью в различ-
618
ных прозрачных средах. Поэтому стеклянные призмы
по-разному отклоняют лучи разных частот. Так разлага-
ют белый свет в спектр. Простая стеклянная линза да-
ет на экране изображение, которое окружено радужным
ободком. В сложных составных линзах, применяя раз-
личные сорта стекол, можно добиться того, что коэффи-
циент трансформации одинаков почти для всех цветов.
Такие оптические устройства называются ахроматиче-
скими— не имеющими хроматических искажений.
Частотные искажения встречаются и в различных
акустических устройствах; например, громкоговоритель
по-разному излучает колебания разных частот: более
слабо — как очень низкие, так и очень высокие частоты,
более сильно — некоторые средние частоты. Применяя
электрические цепи, вносящие частотные искажения
различного типа, можно в результате сильно ослабить
частотные искажения при записи звука, его передаче
и воспроизведении.
ГЛАВА ТРИНАДЦАТАЯ
УДАР
Удар, обладая кратчайшей, поч-
ти мгновенной жизнью, внезапно
производит в противолежащем пред-
мете свое великое и быстрое дей-
ствие.
Леонардо да Винчи.
«О мощи математики и о ко-
личественном изучении явле-
ний», 1508 г.
Удар штампа превращает бесформенный кусок ме-
талла или пластмассы в изделие. Ударом водяной струи
прорезают горные массивы, добывают полезные иско-
паемые. Ударами мельчайших ядерных частиц человек
перестраивает атомы, вызывает новые виды излучений.
В многочисленных машинах и аппаратах современной
техники используется явление удара. Удар — это стре-
мительный, резкий переход энергии из одного вида
в другой.
13-1. Почему топор рубит?
За десятки тысяч лет до нашей эры первобытный
человек дробил орехи и кости ударами камня. Камень,
зажатый в кулаке, — это бесспорно первый трансфор-
матор энергии, примененный человеком. Значительно
позже появились рычаги, клин, наклонная плоскость,
блоки — словом, те устройства, которые позволяют из-
менять соотношения между силой и путем. Такие
устройства мы теперь называем «трансформаторами
сил и путей». Они были разобраны в предыдущей
главе.
Но теория «трансформатора-камня» сложнее тео-
рии «трансформатора-рычага».' Действие рычагов бы-
ло объяснено еще Архимедом. Но никто из ученых
античного мира не смог правильно истолковать физи-
ческие закономерности удара. Аристотель в своем со-
чинении «Механические проблемы» ставил следующий
вопрос:
620
«Почему, если к дереву приложить топор, обреме-
ненный тяжелым грузом, то дерево будет повреждено
весьма незначительно. Но если поднять топор без гру-
за и ударить по дереву, то оно расколется? Между тем
падающий груз в этом случае гораздо меньше давя-
щего».
Прошло две тысячи лет, прежде чем был дан пра-
вильный ответ на этот вопрос. В знаменитой книге Га-
лилео Галилея «Беседы и математические доказатель-
ства, касающиеся двух новых отраслей науки, относя-
щихся к механике и местному движению», изданной в
1638 г., заложены основы динамики и учения о сопро-
тивлении материалов и, в частности, впервые найден
правильный подход к явлению механического удара.
В настоящее время мы умеем точно рассчитывать
явления, происходящие при ударе, пользуясь понятием
о мощности, о запасе энергии положения (потенциаль-
ной энергии) и запасе энергии движения (кинетиче-
ской энергии).
Подымая молот, рука может совершить работу по-
рядка нескольких десятков ватт-секунд. Мощность рав-
на частному от деления величины работы на время,
в течение которого эта работа производится. Мощность
при подъеме молота может быть, скажем, около сотни
ватт.
В момент удара происходит преобразование запа-
сенной в молоте энергии. Средняя мощность в момент
удара равна запасенной энергии, деленной на время
соударения. Чем короче время соударения, тем больше
мощность, развиваемая при ударе. Время соударения
определяется податливостью соударяющихся тел, их
деформацией. Чем больше податливость, тем дольше
длится соударение, тем меньше мощность, развиваемая
при ударе.
При ударе стального молота о стальную же нако-
вальню время соударения может быть около одной де-
сятитысячной секунды, т. е. в несколько тысяч раз ко-
роче времени подъема молота. Следовательно, средняя
мощность во время этого соударения — сотни киловатт.
Работа равна произведению силы, действующей в
направлении движения, на путь. Путь, проходимый мо-
лотом во время соударения с прочным неподатливым
объектом, может быть в тысячи раз меньше высоты подъ-
621
ема. Поэтому усилие, создаваемое молотом в момент
удара, может быть в тысячи раз больше веса. Топор
во время соударения создает не только большое усилие,
но, благодаря своему заостренному лезвию, — боль-
шую силу на единицу поверхности.
Рис. 13-1. Механический трансформатор мощностей и
времен действия — копер для забивания свай.
Замечательное свойство трансформатора-молота
заключается в том, что его коэффициент трансформа-
ции, т. е. отношение времен запасания и расходования
энергии, или соответственно отношение мощностей при
расходовании и запасании, не постоянная величина:
она автоматически приспособляется к разным «сопро-
тивлениям нагрузки». При ударе молота или топора
мощность и время действия всегда получаются такими,
что выделяется вся запасенная в ударяющем теле энер-
G22
гия. Если молот встречает меньшее сопротивление, то
он соответственно развивает меньшую силу, но прохо-
димый им путь увеличивается, и наоборот, с увеличе-
нием сопротивления сила удара увеличивается.
В современной технике применяются самые раз-
нообразные типы трансформаторов энергии. Рычаги,
гидравлические прессы, рупоры, зеркала, линзы, о ко-
торых говорилось в предыдущей главе, — все это
трансформаторы путей и сил. А мощность эти транс-
форматоры оставляют неизменной. Во многих же слу-
чаях целесообразнее преобразовывать не путь и силу,
а мощность и время действия. Раздавить орех можно
и молотом и щипцами, но вбить гвоздь обычно удоб-
нее молотком, а не каким-либо приспособлением, кото-
рое действует плавным давлением.
Молот является родоначальником многочисленных
механических, гидравлических, а в последнее время и
электрических преобразователей мощности и времени
действия, которые работают, сначала запасая энергию
на каком-то «промежуточном складе», а затем уже
расходуя эту энергию.
13-2. «Чаша Тантала» а релаксационные
генераторы
По древнегреческой легенде лидийский царь Тантал
был низвергнут богами в Тартар за то, что похитил на
Олимпе немного нектара и амброзии и дал отведать
людям. Тантал был осужден в подземном царстве на
нестерпимые муки голода и жажды. Стоя по горло в
воде, он не мог достать ее. Только он наклонялся к во-
де, как она уходила.
Этой легенде обязано своим названием гидравличе-
ское устройство — «чаша Тантала», которое превраща-
ет слабую, но непрерывно, длительно текущую струю
в мощный поток, изливающийся отдельными импульса-
ми с большими перерывами.
Как только уровень жидкости в «чаше Тантала»
поднимется до верха изгиба сифона, чаша быстро
опустошается через сифон. Затем она снова постепен-
но наполняется, и снова, не достигнув краев, жидкость
быстро уходит через сифон (рис. 13-2).
Уровень воды в «чаше Тантала» периодически под-
623
ЗАРЯД " РАЗРЯД R
/А ’ ''W
Рис. 13-2. Преобразователи мощности и времени
действия со статическим запасанием энергии.
Уровень воды в чаше и напряжение на конденсаторе
повышаются со скоростью, которая прямо пропорциональ-
на силе водяного или электрического тока и обратно
пропорциональна сечению чаши или емкости электриче-
ского конденсатора.
Когда уровень воды в чаше достигает верха изгиба си-
фона, то последний начинает действовать и опорожняет
чашу. Разряд конденсатора начинается, когда напряже-
ние на нем достигнет значения, при котором разрядник
пробивается.
Мощность разряда во столько раз больше мощности заря-
да, во сколько раз время разряда меньше времени за-
ряда.
нимается и опускается. Это колебательная система.
Однако колебания уровня жидкости в «чаше Тантала»
во многом отличаются от тех колебаний, которые со-
вершает, например, маятник часов. У маятника при
разных размахах качания сохраняется постоянным
время качания — период колебания. И когда размах
велик, и когда размах мал — период колебаний маят-
ника один и тот же.
Во время колебаний скорость движения маятника
меняется плавно, по закону синуса. Колебания, подоб-
ные качанию маятника, принято называть гармониче-
скими.
В «чаше Тантала» при изменении мощности входя-
щей струи изменяется длительность периода колеба-
ний, а размах их — разность верхнего и нижнего уров-
ней жидкости (амплитуда колебаний) — остается неиз-
менным. Колебания в «чаше Тантала» происходят по
принципу «все или ничего». Разряд не начнется, пока
вода не достигнет самого верхнего уровня, и разряд
не прекратится, пока вода не выльется до самого ниж-
него уровня. Переход от заряда к заряду происходит
не плавно, а резким скачком. Такие колебания часто
называются колебаниями релаксации (по-латыни —
ослабление, расслабление). «Чаша Тантала» — пример
гидравлического релаксационного генератора.
Подобно тому как воду можно собирать в чашу, так
электрические заряды можно запасать в электриче-
ском конденсаторе. Конденсатор, заряжаемый через
большое сопротивление и разряжаемый через малень-
кое,— это электрический релаксационный генератор,
электрическое подобие «чаши Тантала».
Иногда в электротехнике применяются релаксаци-
онные генераторы с запасанием не электрических за-
рядов, а тепла. Например, нагревают током биметал-
лическую пластинку. При достижении определенной
температуры нагрева пластинка выгибается, происхо-
дит «разряд» — переключение цепи.
13-3. Еще о колебаниях релаксации
Длительность запасания воды, электрического за-
ряда, тепла зависит от величины емкости (гидравличе-
ской, электрической, тепловой) и от интенсивности за-
40 Г. И. Бабат 625
ряжающего потока. В свою очередь, интенсивность
заряжающего потока прямо пропорциональна напря-
жению в цепи заряда (электрическому напряжению,
напору воды и т. д.) и обратно пропорциональна со-
противлению в цепи заряда.
Произведение емкости С на сопротивление 7? назы-
вается постоянной времени релаксационной схемы L
Напряжение батареи, которая заряжает конденсатор
в электрических релаксационных схемах, обычно под-
бирают таким, что длительность заряда — одного по-
рядка с постоянной времени.
В гидравлике применяются «чаши Тантала» с вре-
менем заряда, измеряемым десятками секунд. В элект-
ротепловых релаксационных схемах можно получить
период колебания от десятых долей секунды до не-
скольких секунд. Электротепловые релаксационные
•схемы хороши, например, для получения мигающего
(проблескового) света для автомобильных указателей
поворота (мигающих подфарников), рекламных и
маячных огней.
В релаксационных схемах с электрическими кон-
денсаторами и сопротивлениями время заряжения бы-
вает от десятых долей и до десятимиллионйых долей
секунды.
Время разряда во всех типах релаксационных ге-
нераторов бывает обычно в десятки и сотни раз мень-
ше времени заряда.
Электрические релаксационные схемы работают в
приемных и передающих телевизионных установках, в
радиолокаторах, в самой разнообразной измеритель-
ной аппаратуре. В качестве разрядников в этих схемах
применяются разнообразные приборы: электронные
лампы, ионные приборы (тиратроны с накаленным и
холодным катодом), кристаллические (полупроводни-
ковые) приборы.
Принцип «Чаши Тантала» широко применяется в
санитарной технике. Так работают смывные бачки в
уборных. Правда, там обычно требуется не периодиче-
ское автоматическое, все время повторяющееся изли-
1 Если емкость С выражена в фарадах, а сопротивление в омах,
то их «произведение дает постоянную времеми в секундах.
626
вание воды, а единичные импульсы. Поэтому смывной
бачок имеет еще поплавковый кран, чтобы запирать
входящую струю при достижении определенного уров-
ня воды, более низкого, чем верхний край сифона.
Этим ограничением уровня предупреждается самопро-
извольное изливание воды.
Если осторожно потянуть цепочку смывного бачка,
то сифон-колокол приподнимется только чуть-чуть.
Воды в сливную трубу поступит так мало, что она не
сможет создать в сливной трубе достаточного разре-
жения, не сможет заполнить водой всю трубу сифона
и привести его в действие. Из этого следует, что суще-
ствует некоторая минимальная величина для поступа-
ющей в «чашу» струи воды, при которой в сливной тру-
бе создается достаточное разрежение и сифон способен
начать действовать. При меньшей интенсивности посту-
пающей струи вода будет переливаться через порог
сифона, как «через простой слив», не приводя сифон
в действие.
У всех релаксационных автоколебательных систем
имеется общее свойство: питающий поток (воды, теп-
ла, электрических зарядов и т. д.), входящий в «запа-
ситель», не должен быть слабее некоторой определен-
ной величины, иначе колебания не возбудятся. В
электрической схеме с разрядом конденсатора, напри-
мер, необходимо, чтобы зарядное сопротивление не
было чрезмерно большим, иначе заряды будут уходить
через утечки (в конденсаторе и других участках схемы)
и колебания в схеме не возникнут. Определенным ус-
ловиям должно удовлетворять и разрядное устройство.
После того как оно начнет пропускать ток, его сопро-
тивление должно падать до очень малой величины.
Точное аналитическое определение пределов работы
автоколебательных релаксационных схем — довольно
сложная задача. Решение таких задач было впервые
получено советскими учеными академиками Л. И. Ман-
дельштамом и Н. Д. Папалекси.
Но и без детальных расчетов очевидно, что «чаша»
не будет нормально работать и при очень слабой и при
очень сильной питающей струе; также не будет рабо-
тать при неправильно выбранных параметрах и всякая
другая (электрическая, тепловая и т. д.) колебатель-
ная релаксационная схема.
40* 627
13-4. Гидравлический таран и индукционная
катушка
В 1796 г. французский изобретатель Жозеф-Мишель
Монгольфье1 построил гидравлический прибор, кото-
рый довольно широко применялся в прошлом веке в
сельском хозяйстве для подъема воды. В этом приборе,
получившем название «гидравлический таран», много-
водный, но текущий под низким напором поток преоб-
разуется в маловодную, но с высоким давлением
струю. Это преобразование происходит вследствие пе-
риодических резких остановок водяного потока (рис.
13-3).
Резкая остановка водяного потока вызывает явле-
ние гидравлического удара: проявляется инерция водя-
ного потока, стремление его сохранить свое движение.
Часто гидравлические удары вызывают нежелательные
вредные последствия. Полное объяснение процессов,
происходящих при гидравлическом ударе, было дано
Николаем Егоровичем Жуковским — «отцом русской
авиации», как его называл В. И. Ленин.
В 1897 г. строители нового московского водопровода
столкнулись с частыми разрывами труб. Чтобы объяс-
нить это явление, был приглашен профессор Москов-
ского высшего технического училища Н. Е. Жуковский.
Он провел опыты над ударами воды в водопроводных
трубах.
«Эти опыты дали интересные результаты, — писал
Жуковский,—которые, насколько мне известно, до сих
пор еще не указаны в технической литературе. Оказа-
лось, что явления при гидравлическом ударе объясня-
ются возникновением и распространением в трубах
ударной волны, происходящей от сжатия воды и от
расширения стенок. Инженеры, которые занимались
этой задачей, не обратили внимания на то, что при
весьма быстром закрытии задвижки вода останавли-
вается, давление повышается, и это состояние воды пе-
редается по трубе по закону распространения волнооб-
разного движения».
1 Жозеф-Мишель Монгольфье известен тем, что в 1783 г. со
своим младшим братом Жак-Этьеном построил воздушный шар,
поднимавшийся нагретым воздухом.
628
Рис. 13-3. Преобразователи мощности и времени действия с динами-
ческим запасанием энергии.
Когда выпускной клапан гидравлического тарана открыт, водяной поток в под-
водящей трубе движется с нарастающей скоростью и накапливает энергию.
Закрытие клапана вызывает резкую остановку водяного потока. В подводя-
щей трубе происходит гидравлический удар. Пружина стремится держать вы-
пускной клапан открытым, а вода, текущая по трубе, стремится клапан за-
крыть. Пружина так подобрана, что выпускной клапан захлопывается, лишь
когда вытекающая вода приобретает максимальную скорость. Вследствие ги-
дравлического удара давление воды резко повышается. Под действием этого
давления открывается впускной клапан, и вода поднимается в приемный ре-
зервуар.
Избыточное давление существует в подводящей трубе только короткое время,
пока не израсходуется запасенная водяным потоком энергия движения. За-
тем давление спадает, впускной клапан захлопывается под давлением столба
воды, а выпускной клапан под действием пружины открывается. Водяной по-
ток в подводящей трубе снова начинает набирать скорость и накапливать
энергию движения. А когда скорость нарастет до предельного значения, про-
изойдет новый гидравлический удар, и т. д.
Аналогично тарану работает индукционная катушка. При замкнутом преры-
вателе нарастает ток в первичной обмотке и запасается энергия в электромаг-
нитном поле катушки. При размыкании прерывателя электромагнитная инер-
ция стремится поддерживать ток и создает высокое напряжение в обмотках
катушки. Кинетическая энергия переходит в потенциальную.
Конденсатор, включенный параллельно контактам прерывателя, действует по-
добно запасу воздуха в воздушном колпаке гидравлического тарана. Их назна-
чение— смягчать слишком резкие толчки при остановке водяного потока или
обрыве в цепи электрического тока.
Теперь в водопроводных системах делают винтовые
краны, которые закрываются не резко, а постепенно.
Это предотвращает возникновение гидравлических уда-
ров. Простые пробковые краны (такие, как в самова-
рах) применяются только в системах с низким давле-
нием и малым расходом жидкости.
Гидравлический удар — это проявление механиче-
ской инерции движения. Аналогичным образом прояв-
ляет себя электрическая инерция при резком прерыва-
нии электрического тока. На явлении электрической
инерции основано действие так называемых индук-
ционных катушек, часто применяемых для пре-
образования низкого напряжения в высокое.
При изменении силы электрического тока во всяком
проводнике возникает электродвижущая сила самоин-
дукции; она противодействует изменению тока. Как
при ударе молота о наковальню возникают большие
механические силы, так и при резком прерывании тока
возникают большие электрические напряжения. Элект-
рическое напряжение при резком прекращении тока
может во много раз превосходить -напряжение, дейст-
вовавшее в электрической цепи до обрыва тока (напря-
жение источника питания).
Индуктивность — электрическая инерция проводни-
ка — возрастает, если проводник свернуть в спираль,
а также поместить внутрь этой спирали ферромагнит-
ный сердечник.
Индукционная катушка отличается от простого ме-
ханического или гидравлического тарана тем, что в ней
не прямо используется инерция первичной цепи, а
есть еще вторичная обмотка, в которой число витков
больше, чем в первичной. Поэтому и напряжение вто-
ричной обмотки получается больше напряжения пер-
вичной обмотки. Индукционная катушка—это, если
так можно выразиться, своеобразное электрическое со-
четание тарана с рычагом *.
1 Одна из первых удачных конструкций индукционной катушки
была создана в 1*852 г. Генрихом Румкорфом (1803—1*877), владель-
цем механической мастерской в Париже. Румкорф получил боль-
шую премию Французской Академии наук. Его катушки сразу же
стали одним из самых распространенных приборов в физических
лабораториях.
630
В прошлом веке изготавливались индукционные ка-
тушки колоссальных размеров со вторичной обмоткой
длиной в несколько сотен километров. Они давали
искру более метра, т. е. развивали напряжение в сот-
ни тысяч вольт. При помощи индукционных катушек
были проведены многочисленные исследования элект-
рических разрядов в газах; были открыты Рентгеном
лучи, названные его именем. Первые рентгеновские
установки в медицинских кабинетах также работали
с индукционными катушками. Изобретатель радио
А. С. Попов применял индукционные катушки для пи-
тания высоким напряжением искровых разрядников сво-
их передатчиков.
Отдаваемое индукционными катушками напряже-
ние неустойчиво. Прерыватели тока для катушек нена-
дежны и требуют тщательного ухода. Поэтому боль-
шие индукционные катушки теперь не применяются.
В промышленности и в лабораториях для получения
высоких напряжений используют более надежные и
удобные источники, например повышающие напряже-
ние трансформаторы для тока из силовых сетей (пере-
менного тока с частотой 50 гц). Малые индукционные
катушки часто служат в школьных (физических каби-
нетах для показа опытов с высоким напряжением.
В настоящее время индукционные катушки широко
применяются в системах зажигания автомобильных и
других бензиновых двигателей. Один конец высоко-
вольтной обмотки катушки соединяется с корпусом
двигателя (на «массу»), второй конец выведен через
высоковольтный изолятор и подается на центральные
электроды «свечей», ввинченных в головки рабочих
цилиндров двигателя. Прерыватель тока в первичной
цепи индукционной катушки приводится в действие ме-
ханически через передачу от главного вала двигателя.
Чтобы поджечь горючую смесь бензиновых паров
с воздухом в цилиндре двигателя внутреннего сгора-
ния, достаточно электрической искры мощностью ме-
нее тысячной доли ватта. В четырехцилиндровом дви-
гателе, который делает три тысячи оборотов в минуту,
катушка должна дать сто искр в секунду (по одной
искре на каждый цилиндр за каждые два оборота
главного вала). Полная мощность, которую катушка
отдает на зажигание двигателя, меньше одной десятой
631
доли ватта. Но в первичной цепи индукционная ка-
тушка потребляет несколько десятков ватт. Электриче-
ский к. п. д. индукционной катушки системы зажига-
ния меньше 0,1%.
13*5. Импульсная сварка
Эти строки я пишу авторучкой с пером из нержа-
веющей стали. А наконечник пера сделан из особо
твердого и износоустойчивого сплава. Наконечник при-
варен к перу методом ударной, или, как ее еще назы-
вают, импульсной сварки. Сварочный аппарат, при
помощи которого изготовляются теперь перья с твер-
дыми наконечниками, был построен автором впервые
в 1934 г. Аппараты импульсной сварки могут служить
еще одним примером преобразования мощностей и
времен действия.
В таком импульсном сварочном аппарате имеется
конденсаторная батарея — электрическая емкость, ко-
торая заряжается от сравнительно маломощного источ-
ника постоянного тока и постепенно накапливает энер-
гию. Затем в течение очень короткого времени — в ты-
сячные или даже в десятитысячные доли секунды —
конденсаторы разряжаются и бросают импульс тока
большой силы через место сварки (рис. 13-4). Мощ-
ность разрядного импульса превышает мощность за-
рядного тока в сотни или даже тысячи раз.
Можно запасать электроэнергию для сварки не
только в конденсаторах, но и в катушках (трансформа-
торах, дросселях), как это происходит в индукционной
катушке в системе автомобильного зажигания. Можно
бросать энергию из «запасителя» (емкости или индук-
тивности) непосредственно на свариваемое место или
через промежуточный трансформатор. Существуют раз-
личные типы аппаратов импульсной сварки. Они стро-
ятся на мощности от нескольких ватт — для сварки
тонких проволочек — и до десятков киловатт — для
сварки крупных деталей.
Благодаря очень короткому времени импульсной
сварки развиваемое тепло не успевает распространить-
ся далеко от свариваемого места, не происходит окис-
ления окружающего металла, и качество сварного шва
получается высоким. Импульсным методом можно сва-
632
Рис. 13-4. Импульсные сварочные аппараты.
Вверху —- аппарат высоковольтной конденсаторной сварки. При разряде
конденсатора во вторичной обмотке сварочного трансформатора воз-
буждается импульс тока, который проходит через электроды и свари-
ваемые детали. В месте сварки выделяется основная часть энергии,
накопленной в конденсаторе
Внизу — аппарат с запасанием энергии в индуктивности. В магнитном
поле сварочного трансформатора накапливается энергия. При размыка-
нии прерывателя и прекращении тока в первичной обмотке возникает
импульс тока во вторичной обмотке сварочного трансформатора. Энер-
гия, накопленная в магнитном поле сварочного трансформатора, пере-
брасывается в место сварки, где производит нагревание до высокой
температуры.
ривать разнородные металлы, а также соединять меж-
ду собой детали разного сечения — например, свари-
вать тонкие проволочки с массивными частями. Им-
пульсная сварка применяется в ряде отраслей про-
мышленности.
Аппараты импульсной сварки стоят дороже, чем
сварочные аппараты переменного тока нормальной
частоты 50 гц, питаемые от общих силовых электросе-
тей без промежуточных «запасителей» энергии. Это не-
сколько ограничивает распространение метода им-
пульсной сварки.
Импульсные сварочные аппараты — это относитель-
но простые преобразователи мощностей и времен дей-
ствия. Более сложные схемы применяются для полу-
чения сверхвысоких электрических напряжений.
13-6. Генераторы молний
Еще 200 лет тому назад, в годы, когда были изобре-
тены первые электрические конденсаторы—лейден-
ские банки, знаменитый американский ученый Бенджа-
мен Франклин предложил для получения высоких
напряжений заряжать несколько конденсаторов, соеди-
ненных параллельно, а затем при разряде пересоеди-
нять их последовательно, чтобы напряжения всех
конденсаторов складывались. Французский физик—изо-
бретатель свинцовых аккумуляторов Гастон Планте
строил в прошлом веке такие конденсаторные преоб-
разователи с вращающимися переключателями. При
помощи прибора Планте можно было повысить напря-
жение маленькой аккумуляторной батареи до несколь-
ких тысяч вольт.
Профессор университета Шанявского в Москве
В. К. Аркадьев в 1914 г. придумал производить пере-
ключение конденсаторов с параллельного соединения
на последовательное при помощи искровых разрядни-
ков (шаров, разделенных воздушным промежутком).
Это изображение очень упростило конструкцию кон-
денсаторных преобразователей напряжения и позволи-
ло применять их для получения сверхвысоких напря-
жений в несколько миллионов вольт.
Изобретение профессора Аркадьева — «искровой
конденсаторный трансформатор», как он сам его наз-
634
вал, или «каскадный импульсный генератор», как при-
нято называть его теперь, — получило широкое рас-
пространение во всем мире.
Как это часто бывает с полезными и важными
изобретениями, нашлись еще претенденты на авторство.
В Германии в 1923 г. заявил патент на подобное устрой-
ство Эрвин Маркс, в США в 1929 г. — Пик. Для под-
крепления приоритета вводились новые наименования.
Так, например, группа изобретателей в США в 1948 г.
предложила для подобных устройств название «капа-
цитрон».
В настоящее время импульсные источники высокого
напряжения с каскадом конденсаторов применяются на
электротехнических заводах и в лабораториях для ис-
пытания изоляторов всевозможных высоковольтных
аппаратов. Напряжения многих таких лабораторных
установок вполне могут соперничать с напряжениями
естественных разрядов молний. В лабораториях полу-
чают искры длиною в несколько метров при помощи
разряда в миллионы киловатт.
В 30-х годах импульсные источники высокого на-
пряжения применялись для ускорения заряженных
частиц — электронов и ионов — при изучении ядерных
реакций. С импульсными ускорителями был также
проведен ряд исследований по стерилизации пищевых
продуктов, лекарств и других веществ потоками быст-
рых электронов.
Широкое распространение получили в последние
годы различные методы электрической трансформации
мощностей и времен действия в электротехнике и ра-
диотехнике.
В газодинамических исследованиях искровой разряд
применяется для получения в газе мощных ударных
волн, распространяющихся со сверхзвуковой скоро-
стью. Электрическая энергия накапливается в большой
конденсаторной батарее или катушке, а затем разря-
жается на искровой промежуток, который находится в
прочной камере. Искра, проскакивающая между элект-
родами, нагревает окружающий газ до очень высокой
температуры, стремительное расширение газа дает
ударную волну.
Искровые разряды — электрические удары нашли
различные технологические применения.
635
Рис. 13-5. Импульсный источник высокого напряже-
ния с каскадом конденсаторов.
636
13-7. Импульсная электротехника
Когда искра проскакивает между металлическими
электродами, то электроды изнашиваются, поверхность
их распыляется, оплавляется. Можно так подобрать
условия, что изнашиваться будет преимущественно
один из электродов. Это явление используют для ме-
ханической обработки самых твердых металлов и
сплавов. Расход энергии при электроискровой
обработке на единицу снятого металла значительно
больше, чем при обработке резанием. Для массовых тех-
нологических процессов, связанных со снятием значи-
тельных количеств металла, электроискровая обработка
не применяется. Но в тех случаях, когда надо сделать
небольшие отверстия, щели, выемки в очень твердых ма-
териалах (закаленной стали, изделиях из карбида
вольфрама и т. д.), электроискровая обработка—один
из наиболее подходящих методов.
Если электрическая искра проскакивает между
электродами в воде, то образующийся при прохожде-
нии искры канал ионизированного раскаленного газа
резко раздвигает окружающую воду — получается
электрогидравлический удар. Это явление
было открыто в конце прошлого века, но практическое
применение стало находить только в самые последние
годы. Электрогидравлическим ударом можно дробить
горные породы любой крепости. В СССР строятся дро-
билки для получения таким путем гранитного щебня.
Расход электроэнергии на тонну измельченного грани-
та не выше сотни киловатт-часов, расход электродов
(они могут быть выполнены, например, из стали;) не
более нескольких граммов на тонну.
Большинство типов радиолокаторо в—это устрой-
ства импульсного, ударного действия. Средняя мощность
радиолокационных генераторов бывает порядка не-
скольких сотен киловатт, самое большее — 1 000 вт.
Но импульсная мощность — мощность удара — дости-
гает иногда десятков мегаватт.
Импульс электромагнитных волн, излученный ра-
диолокационным передатчиком, отражается от удален-
ных объектов и возвращается к приемнику радиолока-
тора. Чем меньше длительность импульса, тем меньше
и его протяженность в пространстве и тем более мел-
637
кие детали объекта способен различать радиолока-
тор— тем выше, как говорят, его разрешающая спо-
собность по дальности.
В самолетных радиолокаторах длительность им-
пульса электромагнитных волн, зондирующих простран-
ство, бывает меньше одной микросекунды. В локаторах
дальнего действия импульс излучения длится 10 и бо-
лее микросекунд. В современных радиолокаторах с
компрессией импульса длительность импульса равна
сотням микросекунд.
Радиолокация не ограничивается земными предела-
ми. В 1928 г. академики Л. И. Мандельштам и
Н. Д. Папалекси произвели расчеты отражения радио-
сигналов от небесных тел. Они вычислили, какими
должны быть импульсы, чтобы осуществить локацию
Луны. В 1946 г. был построен радиолокатор, при помо-
щи которого получили отражение от Луны. Длитель-
ность импульса была взята в этом случае около 0,1 сек,
т. е. в тысячи раз больше, чем при локации земных
объектов. Локация Луны осуществлена много раз. Осу-
ществлена локация планеты Венера. Обсуждается воп-
рос о локации других планет и Солнца. Таким мето-
дом предполагается получить ряд новых данных о
строении их верхних слоев. Для столь огромных объек-
тов предполагается применить импульсы длительностью
в несколько секунд. Пока хвост такого импульса будет
вылезать из антенны радиопередатчика, голова им-
пульса успеет умчаться на расстояние свыше миллиона
километров от Земли. И соударение этого зондирую-
щего импульса с Солнцем будет продолжаться несколь-
ко секунд. На то, чтобы долететь до Солнца, отразить-
ся 01 него и вернуться обратно к Земле, радиоимпуль-
су потребуется около четверти часа.
В радиолокационных установках строгие требова-
ния предъявляются к форме импульса. Годится не
всякий импульс, а лишь имеющий крутой фронт и
крутой спад, т. е. достаточно быстрые нарастание и
спадание напряжения. Такие простые схемы запасания
энергии, как в аппаратах импульсной сварки (рис. 13-4),
для локаторов непригодны. Применяются более
сложные резервуары энергии, обеспечивающие нужную
форму импульса. Часто запасание производится при
помощи цепочки из конденсаторов и индуктивно-
638
стей — так называемой искусственной линии. Такая
цепочка при разряде дает импульс, кривая напряже-
ния которого, будучи записана на электронно-лучевой
трубке, имеет правильную прямоугольную форму.
Отношение длительности импульса к длительности
интервала между импульсами носит название «скваж-
ности». Это число отвлеченное, неименованное. Боль-
шинство локаторов работает с такой же скважностью,
что и кузнечный молот, делающий один удар в не-
сколько секунд: длительность соударения в несколько
тысяч раз меньше интервала между ударами.
Импульсные режимы работы применяются во мно-
гих типах ускорителей заряженных частиц
для бомбардировки атомных ядер. Импульсами рабо-
тают, например, «резонансные линейные ускорители»,
см. гл. 10).
Такой ускоритель представляет собой прямолиней-
ную металлическую трубу (отсюда термин «линейный»).
Внутрь трубы направляется короткая электромаг-
нитная волна. Она создает вдоль оси сильное электри-
ческое поле — с напряженностью до нескольких мил-
лионов вольт на метр. Вдоль оси трубы пускается
поток электронов или ионов. Этот поток многократно
ускоряется электрическим полем. Чтобы согласовать
скорость движения радиоволны и электронного потока,
обеспечить резонанс движения (отсюда термин «резо-
нансный»), труба делается изнутри ребристой: огибая
ребра, волна замедляется до скорости, равной скоро-
сти ускоряемых частиц. В достаточно длинной трубе
можно разогнать электроны или ионы до скорости
в сотни миллионов вольт.
Сильное электрическое поле, ускоряющее заряжен-
ные частицы вдоль оси трубы, одновременно создает
сильные токи в стенках трубы. Благодаря своей высо-
кой частоте токи эти сосредоточиваются в тончайшем
(толщиною порядка микрона) слое металла на внут-
ренней поверхности трубы. Плотности тока получаются
огромными — сотни и тысячи ампер на каждый квад-
ратный миллиметр сечения поверхностного слоя метал-
ла, нагруженного током. Внутренняя поверхность
ускорительной трубы-волновода делается с наивысшей
возможной электропроводностью. Эту трубу выполня-
ют из наиболее электропроводных материалов: из са-
639
мой чистой меди, а иногда даже покрывают ее
поверхность слоем серебра или золота. Но и при самой
высокой электропроводности вредные потери мощно-
сти в трубе-волноводе получаются огромными.
Потери в волноводе могут достигать многих тысяч
киловатт на один метр длины. Необходимая же сред-
няя мощность пучка заряженных частиц обычно не
превышает одного — нескольких киловатт. Если вклю-
чить ускорительную трубу-волновод на непрерывную
работу, то к. п. д. ее составит лишь ничтожные доли
процента.
Выход из этого положения в импульсном методе
работы. Электромагнитная волна высокой напряжен-
ности циркулирует в ускорителе-волноводе несколько
микросекунд. Затем дается пауза, длительность кото-
рой в несколько тысяч раз превышает длительность
времени циркуляции волны — длительность времени
высокочастотного электромагнитного удара. После
паузы дается новый высокочастотный импульс — но-
вый электромагнитный удар. Это режим с высокой
скважностью. Пиковая мощность — мощность удара
дается в тысячах киловатт, но средняя мощность ока-
зывается небольшой и к. п. д. ускорителя получается
высоким.
Явления удара — явления стремительного преобра-
зования энергии — все шире применяется в современной
технике и для научных исследований.
13-8. Некоторые особенности статического
и динамического запасания энергии
И чаша Тантала, и гидравлический таран преобра-
зуют малую, но длительно действующую мощность
в кратковременные импульсы большой мощности. В обо-
их устройствах происходит запасание энергии в тече-
ние относительно длительного промежутка времени, а
затем разрядка — отдача запасенной энергии в более
короткое время.
В чаше высокая импульсная мощность получается
за счет большого расхода воды во время разряда,
в таране — за счет высокого давления во время им-
пульса.
640
В чаше происходит статическое запасание энергии,
запасается энергия положения — потенциальная энер-
гия, повышается уровень воды. В таране происходит
динамическое запасание энергии, запасается энергия
движения водяного потока — кинетическая энергия.
И в электрических системах различают статическое
запасание зарядов в конденсаторе и динамическое за-
пасание энергии движения зарядов (токов) в индуктив-
ностях.
Статическое запасание энергии обычно более при-
годно для длительного хранения. Вода, поднятая на
высокий уровень, закрученная пружина, электрический
конденсатор, заряженный до высокого напряжения,
способны сохранять запас потенциальной энергии
сравнительно долгий срок.
Движение всегда связано с силами трения. Во вра-
щающемся маховике запас кинетической энергии рас-
ходуется на нагревание подшипников и окружающей
среды. Электрический ток в индуктивности расходует
энергию на нагрев проводников.
Иногда выбор типа запасителя энергии однозначно
диктуется типом устройства, в котором этот запаситель
применен. Например, в прокатном стане в момент вхо-
да прокатываемого металла в валки требуется значи-
тельно большая мощность, чем в то время, когда валки
вращаются вхолостую. Естественно снабдить электри-
ческий приводной двигатель прокатного стана тяже-
лым маховиком, который накапливает энергию, пока
валки вращаются вхолостую, и отдает энергию, когда
в валки входит прокатываемый металл. В ружье боек
движется за счет энергии, запасенной в пружине.
Когда между запасанием энергии и ее расходова-
нием должно пройти некоторое время, то лучше при-
менять статическое запасание. Но часто энергия рас-
ходуется сразу же после ее накопления. В этом случае
разные методы запасания можно сравнивать не с точ-
ки зрения потерь, а по весу, объему, стоимости уст-
ройств, запасающих энергию.
Для электрических устройств необходимо сравни-
вать запасание энергии в емкостях (конденсаторах) и
индуктивностях (катушках).
Запас энергии в заряженном конденсаторе CU2f2
пропорционален квадрату напряженности Е электриче-
41 Г. И. Бабат 641
ского поля в диэлектрике конденсатора, умноженному
на объем этого диэлектрика. .С увеличением размеров
конденсатора I запас энергии в нем растет как третья
степень линейных размеров Z3.
Запас энергии в индуктивности £/2/2 пропорциона-
лен произведению квадрата плотности тока в обмотке
на квадрат сечения этой обмотки и на индуктивность
обмотки. Если индуктивность выполнена без ферромаг-
нитного сердечника, то величина индуктивности растет
линейно с размерами катушки. Поэтому при данной
допустимой плотности тока в обмотке катушки запасае-
мая в катушке энергия растет как пятая степень /5 ее
линейных размеров.
При малых запасаемых энергиях конденсатор полу-
чается дешевле катушки. Но когда требуется запасти
энергии более миллиона джоулей, то оказывается вы-
годнее применять катушку. Ее объем, вес и стоимость
оказываются меньше, чем у соответствующей конден-
саторной батареи. Но применение катушек для запаса-
ния электромагнитной энергии влечет за собой допол-
нительные трудности. Чтобы разрядить конденсатор,
достаточно его подключить к цепи потребления, а что-
бы разрядить катушку индуктивности, необходимо рез-
ко прервать ток в катушке. Получить резкий обрыв
большого тока — трудная задача. Иногда в качестве
быстродействующего выключателя применяют плавкий
предохранитель, который перегорает, когда ток через
индуктивность достигает заданного значения.
И в механических системах приходится сравнивать
относительные качества статических и динамических
запасителей энергии. Небольшие количества энергии
(единицы килограммометров:) удобно запасать в пру-
жинах. Пружины хороши для привода механических
игрушек, в звукозаписывающих и звуковоспроизводя-
щих аппаратах с временем работы в несколько минут;
но заводная пружина не смогла бы провести пасса-
жирский или грузовой автомобиль хотя бы на один
километр.
Быстровращающийся маховик может запасти на
единицу веса во много раз больше энергии, нежели
пружина. Строятся повозки с маховичными аккумуля-
торами с запасом хода на несколько километров.
642
13-9. Маховичные аккумуляторы
С маховиком соединяют электрическую машину, ко-
торая может работать и как двигатель, и как генера-
тор. Когда электроэнергия подводится к этой машине,
она является двигателем, раскручивает маховик, на-
капливает в нем энергию. Иногда маховик помещают
в кожух, из которого выкачан воздух: это уменьшает
потери на трение. Раскрученный маховик может со-
хранять свой запас энергии несколько часов. Предел
повышению скорости вращения маховика ставится
разрывающими напряжениями, возникающими в ободе
под действием центробежных сил. Если маховик вы-
полнен из высокопрочной стали, то при предельно
допустимой скорости вращения на единицу веса махо-
вика запасается в несколько раз больше энергии, чем
на единицу веса обычных электрохимических аккуму-
ляторов (кислотных, щелочных).
Построен ряд опытных конструкций маховозов (бо-
лее научно их называют гиробусы) для грузовых
и пассажирских перевозок. После того как маховик
раскручен, заряжен, соединенная с ним машина рабо-
тает как генератор электроэнергии, питая тяговые
электродвигатели. Важнейший среди немногочислен-
ных, вообще говоря, недостатков маховичного аккуму-
лятора тот, что при аварии запасенная в маховике
энергия может внезапно высвободиться >и усилить раз-
рушения.
13-10. Плазменный маховик
Маховик — инертная масса — может сочетаться с
различным типом электрической машины: коллектор-
ной, бесколлекторной, с посторонним возбуждением, с
самовозбуждением и т. д. Маховик может представлять
собой не только твердое тело, но быть и жидким или
газообразным, точнее — плазменным. Любой газ при
прохождении через него электрического тока (при вы-
соких температурах и высоких скоростях движения его
частиц) ионизируется: атомы газа разбиваются на элек-
трически заряженные осколки — электроны и ионы.
Смесь заряженных атомных частиц — так называемая
газоразрядная плазма — электропроводка. Под дейст-
вием электрических токов и электромагнитных полей
41* 643
плазма приходит в движение. Специальная дисципли-
на— магнитная гидродинамика (МГД)—изучает зако-
номерности движения плазмы в электромагнитных по-
лях.
Плазменный вихрь можно рассматривать как ротор
электрической машины. Скорость движения плазменно-
го вихря может быть во много раз выше скорости ме-
таллического ротора обычной электрической машины
(металлические роторы движутся со скоростью, лишь
в несколько раз выше звуковой — в сотни тысяч раз
меньше скорости света; плазменный сгусток может
в принципе достигать скоростей, составляющих значи-
тельную долю от световой). Запасенная в любом дви-
жущемся теле кинетическая энергия пропорциональна
квадрату скорости. Удельная энергоемкость (запас энер-
гии на единицу веса) плазменного ротора не только во
много раз больше энергоемкости любых мыслимых ро-
торов, но превышает даже энергоемкость химических
горючих и взрывчатых веществ, приближаясь к энерго-
емкости ядерных реакций.
Одна из конструкций плазменного запасителя энер-
гии имеет- коаксиальные электроды (два находящихся
один внутри другого цилиндра1), к которым приклады-
вается электрическое напряжение. Линии электрических
сил направлены по радиусам. Между электродами обра-
зуется газообразная плазма. Вдоль оси электродов на-
правлены линии постоянного магнитного поля. Под со-
вместным действием скрещенных электрического и маг-
нитного полей плазма приходит во вращение вокруг оси
электродов. Эта машина с плазменным ротором отно-
сится к классу униполярных машин. В движу-
щейся плазме благодаря электромагнитной индукции
возникает постоянная противоэлектродвижущая сила
(противо-э. д. с.). В некотором отношении описанное
устройство ведет себя как заряженный конденсатор—по-
этому применяется еще термин плазменный кон-
денсатор. Необходимо подчеркнуть, что от обычных
конденсаторов с твердым, жидким или газообразным
диэлектриком плазменный конденсатор отличается
огромной удельной энергоемкостью. Если электроды
плазменного конденсатора отключить от источника пи-
тания и замкнуть между собой, то энергия плазменного
вихря пойдет на создание толчка тока в цепи.
644
13-11. Шаровая молния
В природных условиях при мощных разрядах ли-
нейных молний иногда образуются плазменные вихри
с большим запасом энергии — шаровые молнии. Они
имеют вид огненных комков диаметром от нескольких
сантиметров до метра. Внутри плазменного вихря ша-
ровой молнии магнитные и электрические силы взаимно
уравновешены; вне плазменного вихря ни электриче-
ческие, ни магнитные силы не проявляются. Шаровая
молния может устойчиво существовать до нескольких
минут. Потоки воздуха могут переносить плазменный
комок шаровой молнии подобно тому, как иногда, не
разрушаясь, может переноситься в воздухе дымовое
кольцо, Выпущенное искусным курильщиком. Шаровую
молнию может втянуть в печную трубу, в открытое окно,
форточку. При столкновении с окружающими предме-
тами и потере части запасенной энергии нарушается
равновесие электромагнитных сил в плазменном вихре
и энергия шаровой молнии высвобождается взрывом,
подобно тому, как это происходит при разрушении сталь-
ного маховика в аварии с гиробусом.
13-12. Запасание энергии в колебательных
системах
В § 13-2 упоминалось о колебательных системах
с гармоническими колебаниями. В такой системе энер-
гия может запасаться в двух видах: в виде энергии дви-
жения— кинетической энергии — и в виде энергии поло-
жения— потенциальной энергии. Запас энергии, введен-
ный в колебательную систему, не остается в покое, а
непрерывно переходит из одного вида в другой — со-
вершает колебания.
Маятник — пример механической колебательной си-
стемы. Конденсатор, соединенный с катушкой индук-
тивности,—электрическая колебательная система.В про-
цессе свободных колебаний начальный запас энергии,
введенный в систему, постепенно расходуется, колеба-
ния загасают. Если же колебательной системе сообщать
последовательные толчки, совпадающие с собственными
колебаниями системы, то можно накопить энергию. Так
раскачивают колокол, качели.
645
Если электрическую цепь из последовательно соеди-
ненных емкости С и индуктивности L подключить к сети
переменного тока, частота которого совпадает с соб-
ственной частотой цепи CL, то амплитуда переменного
тока, идущего через эту электрическую цепь, начнет на-
растать, будут расти и амплитуды напряжения на кон-
денсаторе С и индуктивности L. В цепи будет накапли-
ваться энергия. Она может в десятки и даже сотни раз
превысить приток энергии за один период переменного
тока. После определенного числа периодов можно раз-
рядить конденсатор, использовать накопленную в нем
энергию. Так, при соударении колокола с языком ис-
пользуется накопленная при раскачивании этой механи-
ческой системы энергия.
13-13. Усреднение толчков
Все устройства, которые рассматривались до сих
пор в этой главе, — от сантехнического смывного бачка
и до импульсного ускорителя заряженных атомных ча-
стиц— предназначались для того, чтобы малую, но дли-
тельно действующую мощность превратить — трансфор-
мировать — в большую мощность с малым временем
действия.
Часто требуется решать обратную задачу: мощные
короткие толчки превратить в длительное неизменное
усилие.
В поршневом четырехтактном двигателе внутреннего
сгорания в каждом цилиндре один рабочий ход прихо-
дится на три холостых, при которых данный цилиндр не
отдает, а, наоборот, потребляет энергию. В одноцилин-
дровом двигателе маховик запасает энергию во время
рабочего хода поршня, а затем за счет этой запасен-
ной энергии маховик движет поршень во время после-
дующих за рабочим ходом выхлопа, засасывания, сжа-
тия.
Сходные задачи иногда приходиться решать в элек-
трических схемах для выпрямления ’переменного тока
в постоянный. Через вентили выпрямительной схемы про-
ходят отдельные импульсы тока, их энергия запасается,
а затем усредняется, размазывается при помощи кон-
денсаторов и (или) катушек индуктивности.
646
Можно бы предложить называть упомянутые устрой-
ства трансформаторами, увеличивающими время дейст-
вия и снижающими мощность. Но давно известны иная
трактовка, иной подход. Устройства, которые усред-
няют толчки, сглаживают пульсирующую мощность, при-
нято называть фильтрами низких частот. Всякий
импульс или последовательность повторяющихся им-
пульсов можно представить как сумму постоянной со-
ставляющей и ряда периодических синусоидальных ко-
лебаний разных частот.
Маховик в автомобиле — это пример простейшего
механического фильтра низких частот; он выполняет за-
дачу: пропустить от двигателя к ведущим колесам по-
стоянную составляющую вращающего момента и за-
держать пульсации — крутильные колебания.
В электрическом выпрямителе применяется фильтр
низких частот из последовательно включенных в цепь
катушек и параллельно включенных конденсаторов. Та-
кая электрическая цепь пропускает от вентилей к на-
грузке постоянную составляющую и задерживает пуль-
сации — гармоники.
На фильтрах низких частот и прекратим рассмотре-
ние различных устройств с точки зрения трансформации
сил, путей, мощностей. Никакое семейство, в том числе
и семейство трансформаторов, нельзя расширять бес-
предельно.
13-14. Заключение
В трамваях, троллейбусах, электропоездах потреб-
ляемая энергия в конце концов превращается в тепло:
нагреваются колеса, рельсы, покрытие дороги, окружаю-
щий воздух. Во всевозможных станках (например, то-
карных, сверлильных, ткацких) энергия, потребляемая
электроприводом, в конечном счете также переходит
в тепло.
Но никак нельзя электрическую тягу, электрический
привод свести к электротермии.
К трансформаторам были отнесены устройства, ко-
торые преобразуют параметры энергии: силы, скорости,
мощности и времена действия. Обширный класс
устройств современной техники не может быть отнесен
к энергетическим, а должен рассматриваться с точки
647
зрения передачи и переработки информации. Здесь
иные методы анализа, иные, чем в энергетической тех-
нике, обобщения, иная и терминология.
Сделана попытка объединить в одном семействе ры-
чаги, линзы, катушки, молоты, импульсные источники
питания радиолокаторов и ускорителей атомных частиц.
Хочется повторить высказанные в начале предыдущей
главы слова надежды, что такой подход не только заин-
тересует читателя, но и поможет в практической работе
тем, кто призван конструировать и производить различ-
ные типы трансформаторов энергии.
СОДЕРЖАНИЕ
От издательства............................................ 3
О Г. И. Бабате............................................. 5
Введение..........................................• ... 9
Первые слова...........................•.................. 16
Глава первая- Язык электротехники......................... 19
1-1. Условные обозначения............................ 19
1-2. Выпрямление переменного тока.................... 21
1-3. Схема с нулевым вентилем •...................... 23
1-4. Свет в коридоре................................. 25
1-5. Где еще применяются схемы?...................... 27
1-6. Абстракция ..................................... 29
1-7. Начертания электрических схем..............«... 30
1-8. Скелеты......................................... 33
1-9. Разные принципиальные схемы..................... 36
1-10. Свернутые и развернутые схемы....................37
1-11. Самые подробные................................. 39
1-12. Печатный монтаж................................. 41
1-13. Снова о лампе в коридоре........................ 45
1-14. Электрические замки............................. 46
1-15. Приведенное сопротивление....................... 38
1-16. Эквивалентные схемы............................. 49
1-17. Точечная электротехника и электротехника простран-
ственная .......................................... 53
1-18. Анализ схем помогает улучшить конструкцию .... 56
1-19. Растекание токов.................................. 57
1-20. Решение задачи о кубическом каркасе............... 59
1-21. Замечательное Т................................... 60
1-22. П вместо Т....................................... 63
1-23. Сильноточники и слаботочники................ «... 63
1-24. Связь слабая, сильная, критическая............... 65
1-25. К вершинам схемного искусства.................... 65
1-26. Плотность сборки и молекулярная электроника ... 67
Правдивый повествователь физических явлений................ 71
Глава вторая. Строительные материалы....................... 73
2-1. Общие сведения................................... 73
2-2. Эпсилон, мю, сигма............................... 75
2-3. Классификация по ро.............................. 78
2-4. Проводники и диэлектрики......................... 81
2-5. Природа электрической проводимости............... 82
649
2-6. Не проводники и не диэлектрики.................. 84
2-7. Токи в объеме и на поверхности...................85
2-8. Разные виды электрических сопротивлений......... 86
2-9. Безвоздушное пространство....................... 88
2-10. Рабочая температура 100 000° С.................. 91
2-11. Плазма.......................................... 92
2-12. Сжатые газы..................................... 95
2-13. Проволока....................................... 97
2-14. Волны в проводниках и вдоль проводников.........101
2-15. Бумажная электротехника .........................ЮЗ
2-16. История электрического кабеля...................104
2-17. Силовые кабели . . . ............................Ю6
2-18. Вести издалека..................................108
2-19. Конденсаторы......................................Ш
2-20. Магнитный железняк................,..............ИЗ
2-21. Точка магнитного превращения....................115
2-22. Три железных брата...............................П6
2-23. Магнитно-твердые и магнитно-мягкие материалы. . . 117
2-24. Магнитная проницаемость..........................ИЗ
2-25. Магнитодиэлектрики..............................121
2-26. Гистерезис......................................122
2-27. Намагничение ... 124
2-28. Выявление пороков ....................•.........126
2-29. Размагничивание ................................127
2-30. Электроматериалы будущего.......................129
Электричество начинает работать...........................132
Глава третья. Мера и число................................134
3-1. Общие сведения..................................134
3-2. От электронов к стрелке.........................134
3-3. Электростатические измерительные приборы........136
3-4. Измерители тока............................ . . 138
3-5. Рамки между полюсами ... 140
3-6. Амперметром измеряют вольты . . . . •...........142
3-7. Шунты и добавки................................ 144
3-8. Электромагниты и грелки.........................146
3-9. Преобразование для измерений....................148
3-10. Клещи для измерения силы тока . • . ............150
3-11. Разные амперы и разные вольты...................151
3-12. Движение на тормозах............................152
3-13. Вихри в воздухе и в металле....................1,54
3-14. Измерители ударов...............................156
3-15. Частотомеры.............• .....................158
3-16. Ламповые приборы................................160
3-17. Самописцы...................•...................162
3-18. Запись колебаний................................167
3-19. Вибраторы.......................................168
3-20. Электронно-лучевой осциллограф..................169
3-21. Запись аварий...................................172
3-22. Электронная память . ...........................173
3-23. Молоток в роли измерительного прибора...........173
3-24. История электрических измерений.................175
3-25. Установление единства системы...................177
3-26. Электрифицированная математика................ 177
3-27. Умножение и деление.............................178
650
3-28. Дифференцирование и интегрирование..............179
3-29. Разумные машины.................................180
3-30. Самоорганизующиеся системы......................181
Русский свет..............................................182
Глава четвертая. Завод без складов готовой продукции 185
4-1. О складах и запасах.............................185
4-2. О средних числах................................188
4-3. Графики нагрузки................................189
4-4. Типичная электростанция.........................192
4-5. Сырье для тепловых электростанций...............193
4-6. Топливоподача...................................197
4-7. Фабрика пара....................................200
4-8. Внутри топки....................................201
4-9. Прошлое котлостроения...........................202
4-10. ЦЭС на Васильевском острове.....................205
4-11. Приготовление пыли . 207
4-12. Автоматическая котельная........................211
4-13. Как повышают экономичность тепловой электростан-
ции (ТЭС).........................................214
4-14. Дымовые трубы...................................215
4-15. Очистка дыма....................................216
4-16. Путь пара.......................................219
4-17. В машинном зале.................................220
4-18. Паровая турбина.................................222
4-19. В конденсаторном помещении......................225
4-20. Путь воды.......................................228
4-21. Пуск турбогенератора............................229
4-22. Резонанс........................................230
4-23. Уход от резонанса..............................231
4-24. Дать нагрузку!..................................232
4-25. Собственные нужды...............................233
4-26. Гидроэлектростанции—ГЭС.........................234
4-27. Водяные турбины и гидрогенераторы...............237
4-2,8. Конструкторское бюро...........................240
4-29. Производство крупных машин......................241
4-30. Дальние дороги .................................244
4-31. О любви и преданности...........................246
Творец техники трехфазного тока...........................250
Глава пятая. Распределение и управление...................253
5-1. Энергопотоки....................................253
5-2. Защита от врагов................................258
5-3. Пробки и жучки..................................259
5-4. Короткое замыкание на сборных шинах....261
5-5. Выключатели для малых мощностей.................263
5-6. Спасение в быстроте.............................264
5-7. Свинки..........................................265
5-8. Магнитное дутье.................................267
5-9. Масло и огонь . . . ............................268
5-10. Горшки..........................................270
5-11. Пластинчатые дугогасители.......................270
5-12. Отказ от масла..................................271
5-13. Выключатель выбирают не по потребителю, а по сети 275
5-14. Ограничители токов..............................275
5-15. Часовые у подъемных мостов . . ................276
65 1
5-16. Ограничители бытовой нагрузки...................277
5-17. Пускатели для электродвигателей.................279
5-18. Избирательная защита............................280
5-19. Предохранительные клапаны.......................283
5-20. АПВ.............................................287
5-21. Совместная работа...............................288
5-22. Уравнивание скоростей......................... 288
5-23. Синхронное движение.............................289
5-24. Прыжок на ходу..................................290
5-25. Случай в Киеве..................................292
5-26. Автоматическая синхронизация....................293
Исследователь законов колебаний ......................... 295
Глава шестая. О волнах, о ситах, о разных других ве-
щах, а главным образом о дальней связи................298
6-1. Перевозка зерновой смеси........................298
6-2. Зачем смешивают электрические токи..............298
6-3. По каким признакам разделять токи...............300
6-4. В каких случаях токи надо фильтровать...........300
6^5. СиТа частые и сита крупные......................301
6-6. Механические фильтры для комфорта...............303
6-7. Еще механические фильтры........................304
6-8. Анатомия фильтров...............................304
6-9. Самые простые разделители токов.................305
6-10. Как сравнивают фильтры?.........................308
6-11. Согласование входа и выхода.....................309
6-12. Резонансная частота и коэффициент фильтрации . . . 311
6-13. В погоне за высокой фильтрацией ................313
6-14. Отсев с уничтожением............................316
6-15. Гасители волн...................................319
6-16. Фильтрация с малыми потерями....................322
6-17. Общие рассуждения о волнах и частицах...........324
6-18. Снова о зерновой смеси..........................326
6-19. Отличия создавать искусственно..................327
6-20. Модуляция колебаний.............................328
6-21. Подробнее о модуляции, фильтрации и демодуляции 331
6-22. Еше о модуляции в технике и природе.............336
6-23. Частотные фильтры вместо замков.................339
6-23а. Волновые и волноводные фильтры..................340
6-24. Долой фильтры...................................341
6-25. Твердое расписание..............................342
6-26. Быстрое переключение............................342
6-27. Точное переключение........................... 343
6-28. Проверьте Ваши часы.............................344
6-29. Многоканальная импульсная связь по проводам и без
проводов..........................................345
6-30. Циклофоны и циклодосы...........................346
6-31. Потери при транспорте . . ......................349
6-32. Потери в линиях связи...........................349
6-33. Усиление и борьба с потерями....................353
6-34. Трансляционные усилители........................359
Мастер точных пропорций...................................365
Глава седьмая. Искания лучших решений.....................367
7-1. Самый большой ящик..............................367
7-2. Гонец с корабля.................................368
652
7-3. Экстремальное значение функции..................368
7-4. Инженерные примеры..............................369
7-5. Исследования Чебышева...........................370
7-6. Наилучшая линия электропередачи.................371
7-7. Экономичная плотность тока......................373
7-8. Математические формулировки.....................374
7-9. Наивыгоднейшее напряжение.......................375
7-10. Самый прочный кабель............................377
7-11. О лучшем трансформаторе ........................379
7-12. Предостережение.................................382
7-13. Снова о самом большом ящике................... 382
7-14. Наилучшая индукционная печь.....................383
7-15. Еще о линиях передачи электроэнергии............385
7-16. Согласование нагрузки в эквивалентной схеме .... 386
7-17. Высокочастотники и низкочастотники..............390
7-18. Частные максимумы и максимум максиморум.........393
7-19. Горная страна...................................394
7-20. Опять „наилучший кабель®........................399
7-21. Еще наилучшие кабели...........•................402
7-22. Разные точки зрения.............................404
7-23. Электрический пробой............................406
7-24. Плоскогорье вместо вершины......................409
7-25. О катании с ледяных гор.........................413
7-26. Задача Дидоны...................................415
7-27. Вариационные задачи в электротехнике............417
7-28. Лучшей формы изоляторы......................... . . 418
7-29. Поверхностная закалка стальных изделий..........421
7-30. Живопись теплом.................................423
7-31. Впадины горячее выступов........................424
7-32. Мыльные пузыри..................................425
7-33. Резиновые мембраны для исследования электронных
ламп .............................................426
7-34. Вариационные методы для закалки.................427
7-35. Практика и теория...............................430
7-35а. Замедляющие системы............................431
7-36. Заключение..................................’ • 432
Непризнанный мечтатель....................................434
Глава восьмая. Иные пути..................................437
8-1. Электроэнергия из атмосферы..........>..........437
8-2. Горная лаборатория ............................ 438
8-3. Дикое электричество ........................... 439
8-4. Солнце — источник энергии.......................440
8-5. Гелиотехника ...................................440
8-6. Электрическая энергия из химической.............442
8-7. Копилки электроэнергии..........................444
8-8. Элементы горения.............................. 445
8-9. Газовые элементы................................445
8-10. Электрическая энергия из тепловой..............446
8-11. „Партизанский чайник®...........................447
8-12. На что пригодно термоэлектричество..............448
8-13. Электроны из раскаленных тел................«... 449
8-14. Перенос зарядов струями газа и пара.............449
8-15. ИКГ.............................................450
8-16. Электрическая энергия из атомной................452
653
8-17. Схемы атомных электроцентралей..................454
8-18. Термоядерные реакции............................456
8-19. Мировой баланс энергии..........................458
Глава девятая. Мышцы современной индустрии..............459
9-1. Клетки, производящие работу.....................459
9-2. Предки современных электродвигателей ...........460
9-3. Первое знакомство...............................461
9-4. Барабанный якорь................................461
9-5. Удельные нагрузки ..............................462
9-6. Регулирование скорости..........................464
9-7. Быстроходные и тихоходные.......................465
9-8. Самые массовые двигатели........................467
9-9. Беличье колесо..................................468
9-10. Двойное колесо..................................469
9-11. Самые быстроходные..............................470
9-12. Двигатели постоянного тока . ... •..............470
9-13. Магнитофуги.....................................474
9-14. Электромагнитные пушки..........................474
9-15. Дуговые двигатели...............................474
9-16. Двойное вращение................................475
9-17. Следящие системы................................475
9-18. Электрические вал...........................- . 476
Глава десятая. Атака атомного ядра (ускорители) ... 478
10-1. Введение.......................................478
10-2. Снаряды для обстрела атомов.................480
10-3. Гонки в безвоздушном пространстве..............486
10-4. Магнитное управление...........................488
10-5. „Электрические горы"...........................489
10-6. Молния.........................................492
10-7. Перенос зарядов на ремнях......................492
10-8. Каскады........................................494
10-9. Удар работает..................................499
10-10. Высокие энергии без высоких напряжений.........500
10-11. Вихрь вместо горы..............................501
10-12. Бетатрон.......................................504
10-13. Принцип отзывчивости...........................506
10-14. Океан и линейный ускоритель....................510
10-15. Еще о работе удара.............................511
10-16. „Ядерная дробилка" тридцатых годов.............513
10-17. Снова об отзывчивости........................ 517
10-18. Циклотрон с переменной частотой — фазотрон . . . 519
10-19. Кольцевой магнит...............................521
10-20. Циклический ускоритель электронов — синхротрон 522
10-21. Положительные ионы на кольцевых орбитах .... 524
10-22. Микротрон......................................526
10-23. Завод космических частиц или современный цикличе-
ческий ускоритель протонов — синхрофазотрон . . . 526
10-24. Об устойчивости................................532
10-25. Устойчивость на волне ........................ 533
10-26. Устойчивость на орбите....................... 534
10-27. Сильная фокусировка............................536
10-28. Сверхвысокие энергии...........................540
10-29. Пустота служит обмоткой........................541
10-30. „Дуэль" ускорителей............................542
654
10-31. Перспективы......................................545
10-32. Заключение.......................................545
Глава одиннадцатая. Путешествие по ^стране ПЭЭФ* . . 547
11-1. Крошки и гиганты..................................547
11-2. Постоянный ток....................................551
11-3. Переменный ток промышленной частоты...............556
11-4. Повышенные частоты................................563
11-5. Токи высоких частот...............................570
Глава двенадцатая. О рычагах, зеркалах, линзах, приз-
мах и их ближайших родственниках.....................578
12-1. Трансформация сил и путей........................579
12-2. Согласование переменных нагрузок.................581
12-3. Трансформаторы механических колебаний............582
12-4. Трансформаторы волн..............................583
12-5. Первые электрические трансформаторы..............585
12-6. Что можно назвать трансформатором?...............587
12-7. О сходстве и различии трансформаторов электромаг-
нитной энергии..................................588
12-8. Таблица трансформаторов электромагнитной энергии 592
12-9. Зеркала для разных волн..........................594
12-10. Резкий перелом...................................597
12-11. Самые тонкие лучи и наименьший размер зеркал . . 597
12-12. Катушечные трансформаторы........................598
12-13. Еще о сходстве, различии и о размерах трансфор-
маторов электромагнитной энергии .............. 600
12-14. Почему у комара ноги тонкие и длинные, а у слона
толстые и короткие?.............................602
12-15. „Кости великана и морских животных*..............604
12-16. Пределы применения рычагов.......................606
12-17. Некоторые уточнения..............................608
12-18. Границы между стальным и воздушным царствами 610
12-19. Точность, искажения, к. п. д.....................616
Глава тринадцатая. Удар.....................................620
13-1. Почему топор рубит?..............................620
13-2. „Чаша Тантала* и релаксационные генераторы . . . 623
13-3. Еще о колебаниях релаксации......................625
13-4. Гидравлический таран и индукционная катушка . . . 628
13-5. Импульсная сварка................................632
13-6. Генераторы молний .....................• . • . 634
13-7. Импульсная электротехника...................... 637
13-8. Некоторые особенности статического и динамического
запасания энергии ............................. 640
13-9. Маховичные аккумуляторы..........................643
13-10. Плазменный маховик...............................643
13-11. Шаровая молния . ................................645
13-12. Занесение энергии в колебательных системах . . . 646
13-13. Усреднение толчков...............................646
13-14. Заключение.......................................647
Баб ат Георгий Ильич
„Электричество работает*, издание 2-е, переработанное и дополненное,
М.—-Л.» издательство „Энергия", 1964, 656 с. с черт.
Бланк заказов 30/64, № 39
Редактор Я. В. А нтик
Сдано в набор 1/Х 1964 г.
Т-13414 Бумага 84Х108’/а1
Тираж 6 800 экз.
Техн, редактор /7. А. Бульдяев
Подписано к печати 14/XI 1964 г.
Печ. л. 33,62 Уч.-изд. л. 36,26
Цена 1 р. 96 к. Зак. 1587
Московская типография X» 10 Главполиграфпрома
Государственного комитета Совета Министров СССР по печати.
Шлюзовая наб., 10.
ОПЕЧАТКИ
ртра- Ница Строка, Напечатано Должно быть
10 7 сверху с заготовки токар- ного с заготовки электромаг- нита. Узкое победитовое лезвие токарного
81 23 сверху трудное .-к и маемого трудносжижаемого
281 Подпись к рис. 5-17, 8 снизу против часовой по часовой
341 Подпись к рис. 6-19 Строка 13-я снизу должна быть 5-й снизу
461 8 снизу тысяч. тысяч оборотов в минуту
502 15 сверху нажимных магнитных
594 18 снизу сотых долей сотой доли
634 6 снизу изображение изобретение
Зак. 1587,
Цена 1 р. 96 к.