Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Это только самое начало усложнений, которые привносит в электрические цепи переменный ток. Большую часть полного знания о цепях переменного тока получил в начале XX века немецко-американский инженер-электрик Чарльз Протеус Штайнмец (1865–1923), и только после этого стало возможным широкое использование переменного тока.

Еще до того как Штайнмец рационализировал использование переменного тока, и несмотря на огромные трудности, которые стояли на пути электриков в отсутствие этих знаний, а также несмотря на огромное сопротивление таких людей, как, например, Эдисон и Кельвин, борьба за применение переменного тока была выиграна. Причиной тому стало соображение, что переменный ток намного превосходил постоянный в отношении передачи его на большие расстояния.

Мощность электрического тока измеряется в ваттах и равняется разности потенциалов (в вольтах), умноженной на амперы силы тока. (Строго говоря, это так только в отсутствие сопротивления. Если присутствует индуктивное сопротивление, то мощность уменьшается на специальный фактор мощности. Однако это уменьшение можно сократить или вообще устранить путем введения соответствующего емкостного сопротивления, поэтому нас этот вопрос беспокоить не должен.)

Это означает, что ток одной и той же мощности может порождаться различными сочетаниями вольтов и амперов. Например, через некое устройство может пропускаться I ампер при 120 вольтах, или 2 ампера при 60 вольтах, или 5 ампер при 24 вольтах, или 12 ампер при 10 вольтах. Мощность во всех случаях будет одной и той же — 120 ватт.

В некоторых случаях выгоднее, чтобы ток заданной мощности появлялся при большом количестве вольт и малом — ампер, в других — наоборот. В последнем случае низкая разность потенциалов уменьшает риск пробоя изоляции или получения короткого замыкания.

И остается уже упомянутая проблема передачи электроэнергии на большие расстояния. Большая часть преимуществ использования электроэнергии была бы потеряна, если бы ее можно было использовать только поблизости от генератора.

Поскольку если ток посылать по проводам на далекие расстояния, то на нагрев проводов уйдет столько энергии, что либо до адресата дойдет ее слишком мало, либо потери придется сокращать за счет утолщения проводов до такой степени, что они станут слишком дорогими.

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/ 100ампера.

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.