Книга Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Как известно, выделение тепла пропорционально квадрату силы тока. Следовательно, если снизить силу тока до очень малой величины, увеличивая в то же время разность потенциалов для того, чтобы электрическая мощность оставалась неизменной, то на нагрев проводов будет тратиться гораздо меньше энергии.

Естественно, маловероятно, что это сочетание высокого напряжения и малой силы тока будет годиться для применения в обычных электрических устройствах. Следовательно, нам нужна ситуация, где одна и та же мощность будет при очень большом напряжении в момент передачи и при малом — в момент использования.

В случае с постоянным током совершенно нерационально пытаться изменить разность потенциалов тока — то вверх, то вниз — для сиюминутных нужд. Однако что касается переменного тока, с ним это несложно проделать с помощью трансформатора (устройства, трансформирующего (изменяющего) отношение силы тока к напряжению). В сущности, в 1831 году Фарадей изобрел именно трансформатор, когда, пытаясь получить индуцированный ток, принялся экспериментировать с железным кольцом и двумя катушками проволоки.

Фарадей обнаружил, что когда через одну катушку пропускают постоянный ток (который называется током в первичной обмотке), то во второй катушке (во вторичной обмотке) ток не возникает, кроме тех моментов, когда первичный ток только возникает или только заканчивается. Только тогда магнитные силовые линии просачиваются во вторичную обмотку. Однако если ток в первичной обмотке — переменный, то сила тока всегда то падает, то повышается.

И сила магнитного поля в железном кольце всегда то повышается, то падает. Силовые линии расширяются наружу и сжимаются внутрь снова и снова, а по мере того, как это происходит, они пересекают вторичную обмотку, производя переменный ток, который полностью отражает переменный ток в первичной обмотке.

Разность потенциалов индуцированного тока зависит от отношения количества витков во вторичной обмотке к количеству в первичной обмотке. Так, если ток в первичной обмотке имеет разность потенциалов в 120 вольт и если вторичная обмотка содержит в 10 раз больше витков проволоки, чем первичная, то индуцированный ток будет иметь разность потенциалов 1200 вольт. Это пример повышающего трансформатора.

Если производимый таким трансформатором индуцированный ток переходит в первичную обмотку другого трансформатора, вторичная обмотка которого содержит уже в 10 раз меньше витков, чем первичная, то производимый в ней ток вновь имеет 120 вольт. Этот второй трансформатор называется понижающим.

Этот индуцированный ток (если опустить потери на выделение тепла) должен иметь ту же мощность, что и изначальный ток. В противном случае получилось бы, что в процессе передачи появилась или пропала энергия, а этого быть не может. Это означает, что по мере увеличения разности потенциалов сила тока должна уменьшаться, и наоборот. Если ток в один ампер при 120 вольтах попадает в повышающий трансформатор, вторичная обмотка которого содержит в 100 раз больше витков, чем первичная, и индуцированный ток будет иметь разность потенциалов в 12 000 вольт и силу тока в 1/100 ампера.

И в первичной, и во вторичной обмотке сила тока будет равной 120 ваттам.

Если используется генератор переменного тока, то изменение напряжения посредством трансформатора не составляет никакого труда. Повышающий трансформатор в особенности помогает поднять разность потенциалов на огромную высоту, а силу тока свести к минимуму. Такой ток можно передавать на большие расстояния по не особенно толстым проводам, и потери на выделение тепла ввиду малой силы тока будут не очень велики. Мощность же тока благодаря высокой разности напряжений будет передаваться полностью.

Когда ток доходит до места назначения, понижающий трансформатор приведет разность его потенциалов к более низкой величине, а силу тока — к более высокой, и его можно будет использовать в бытовой и промышленной технике. Для работы некоторых устройств может требоваться более высокое или более низкое напряжение, к которому ток приводят правильно подобранные трансформаторы.

Передача переменного тока на дальние расстояния с применением высокого напряжения стала возможной вследствие работа хорвато-американского инженера-электрика Николы Теслы (1957–1943). Однако его опередил Джордж Вестингауз, выигравший в 1893 году право постройки гидроэлектростанции (электростанции, где сила падающей воды вращает турбины, которые поворачивают якоря, что производит электричество) на Ниагарском водопаде для производства и передачи переменного тока.

С тех пор переменный ток приобрел всеобщее распространение, и именно с тех пор электричество стало гибкой и легко приспосабливаемой формой полезной энергии.

Электромоторы

Благодаря изобретению генераторов механическая энергия может быть преобразована в электрическую, и стало возможным получение из горящего угля или падающей воды большого количества электроэнергии. Благодаря изобретению переменного тока и трансформаторов появилась возможность передавать эту электроэнергию на дальние расстояния и подводить к каждому дому или фабрике.

Однако, попав в дом или на фабрику, что должно делать там наше электричество? К счастью, к тому времени, как электричество научились в достаточном количестве производить и передавать, вопрос о его применении был уже решен.

Это решение основывалось на эффекте, обратном общеизвестному. Так в науке бывает часто. Если деформация кристалла приводит к появлению разности потенциалов, то применение разности потенциалов к противоположным сторонам кристалла должно будет его деформировать. Если электрический ток создает магнитное поле, то и магнитное поле можно заставить создавать электрический ток.

Следовательно, не стоит удивляться, что если механическая энергия может быть переведена в электрическую при движении проводника и пересечении им магнитных силовых линий, то и электрическая энергия может быть переведена в механическую при движении проводника поперек магнитных силовых линий.

Представим медную проволоку между полюсами магнита, северный полюс которого находится справа, а южный — слева. Если медную проволоку двигать вверх, то из открытого Флемингом правила правой руки мы знаем, что в ней будет индуцироваться ток, идущий по направлению к нам.

Теперь представим, что проволока остается посреди поля неподвижной, так что ток в ней не индуцируется. Представим, что мы пропускаем по ней ток из батареи и этот ток движется по направлению к нам. Проволока, по которой идет ток, теперь сама создает магнитное поле. Поскольку ток движется по направлению к нам, то силовые линии движутся по кругу против часовой стрелки.

Над проволокой эти круговые силовые линии движутся в том же направлении, что и прямые силовые линии, идущие от северного к южному полюсу магнита. Действие тех и других складывается так, что магнитный поток усиливается. Под проволокой же круговые силовые линии идут в направлении, противоположном силовым линиям магнита, так что здесь они частично нейтрализуют друг друга и плотность потока уменьшается.