Броненосцы Петра Великого -ч.3 Петербург

Силу тока и напряжение вполне можно мерить одним прибором. Для измерения силы тока прибор должен иметь минимальное собственное сопротивление и включаться в цепь последовательно с измеряемой нагрузкой, а для измерения напряжения прибор должен иметь большое внутреннее сопротивление и подключаться параллельно нагрузке. Можно, конечно, делать два разных прибора в одном рамка из малого количества витков, и им будем мерить Амперы, а другой, с большим количеством витков рамки, и соответственно большим сопротивлением — им будем измерять Вольты.

Но можно просто добавить к амперметру набор сопротивлений и ... В общем, так и сделали.

Домашним заданием подмастерьям стало изготовление, а главное, градуировка новых измерительных инструментов.

В процессе разговоров о приборе возник закономерный вопрос — а нельзя ли по этому принципу сделать двигатель. Чтоб рамка не поворачивалась, а крутилась.

Можно. Более того, в большинстве случаев машины, что мы делаем — обращаемые. Это значит, что генератор можно использовать как двигатель и двигатель как генератор, с минимальными переделками. Это правило не без исключений — но пока не до нюансов.

Вообще, моя жизнь напоминала жизнь частицы в пузырьковой камере. Так же, проношусь по верхам, задавая принципы, направления и константы, причем, некоторые, придумывая на ходу. А за мной разрастается след из пузырьков. С одной стороны — приятно быть частичкой, вызвавшей бурную реакцию в перегретой среде. А с другой стороны — жизнь таких частичек коротка ...

Вопросы с двигателями временно свернул. С нашей выработкой меди и проволоки не до жиру, пока все силы на генераторы. Делаем два экспериментальных генератора, один постоянного, второй переменного тока. Нагрузкой для них будет сварка для переменного и электролизер для постоянного. Для сварочника еще нужен будет трансформатор. Но об этом будем говорить на следующих занятиях.

Неделя интенсивных занятий принесла давящую усталость, так как по ночам пересчитывал генераторы на основе экспериментальных данных и готовился к новым лекциям. Ермолай поселился со мной на чердаке, и тырил у меня черновики прямо из-под рук. Складывалось ощущение, что он опасается моей скоропостижной кончины и пытается собрать максимум информации. Намекнул ему, что не дождетесь, и двинулся в электрический цех, где обкатывали генератор постоянного тока. С генератором переменного тока проблем у нас было немного, видимо они все дожидались нас в районе коллектора генератора постоянного тока. Даже думал бросить пока его доделку и использовать только переменный генератор. А потом сделал ход конем и переложил доводку генератора на подмастерьев. Проблемы очевидные, угольные щетки быстро стачиваются и забивают зазоры коллекторного кольца, соответственно идут замыкания. После перемотки очередной сгоревшей обмотки — озвучил наш запас проводов, подходящий к концу. А литейщики еще экспериментируют с продувкой меди, и новых проводов в ближайшее время не будет. Так что, еще пару замыканий, и на сердечники буду наматывать их внутренности. Похоже, поверили. И выкрутились оригинально — поставили на вал сразу за коллекторным кольцом крыльчатку, которой продували зазоры. А угольные щетки стали набивать в бронзовых рубашках. Вопрос с перемыканием щеткой двух соседних контактов коллектора решили варварски и в лоб — добавили в коллекторное кольцо пустых контактов шириной со щетку, и теперь рабочими были каждый второй контакт, а остальные просто для сохранения геометрии кольца. Пока это опытные, а не силовые генераторы — посчитал такой выход возможным.

Ничего, большую машину будем делать многополюсной, и там будет возможность задействовать все контакты.

Как и ожидал, мои подмастерья разделились на рукастых и головастых. Первые обеспечивали работоспособность генераторов, то есть готовили для них запчасти и меняли их. Вторые занялись составлением справочника и экспериментами. Теперь с исследователями больше занимался теорией, а с практиками решали дела насущные.

Была еще и третья группа — мастера. Которые усвоили общие принципы и теперь брали меня за горло. Оружейники хотели электрозапалы для орудий, не столько потому, что так было нужно, сколько потому, что весь завод помешался на электричестве.

Литейщики требовали плавить дугой — набросал им примерно, сколько нужно будет меди на генератор величиной с пол цеха, уж не говорю, сколько будет кушать коловратная машина его вращающая. Проняло. Золотые плавки у нас получаться. Хотя, в некоторых случаях пойду и на это, если дойду до полупроводников.

Мастера кузнецы послушали мои пояснения для литейщиков и спрятали за спину листы с эскизами. Даже любопытно стало, на что они хотели мои нервные клетки убить.

Мои подмастерья-исследователи экспериментировали с электролизом. Задал им эту задачку — нащупать опытным путем параметры электролизера для разложения воды.

Про электролизер нарисовал подмастерьям целое батальное полотно, как электронная жидкость, стекая с электродов, вступала в битву с обычной жидкостью. Результат такой битвы может быть разный, и, чтоб результат получался нужный нам — добавляем в обычную жидкость разные вещества, которые становятся шпионами электрических потоков и обеспечивают им не только победу, но и чтоб обычная жидкость выполняла пожелания победителя. От того, каким будет это вещество-шпион — результат может быть разный. От того, сколько силы мы вкладываем в электроды — будет различаться размер результата, вплоть до бабаха. К счастью, подмастерья провели эксперименты без разрушительных последствий и подобрали параметры электролиза на наших экспериментальных генераторах.

Перед этим они занимались подбором параметров трансформатора для сварки на переменном токе. Стандарта для переменного тока еще не выработали, и подбирали габариты сердечника под частоту конкретного генератора, опытным путем разумеется.

Сложного в трансформаторе ничего нет — он прост и понятен. Первичная обмотка, навитая спиралью, порождает водоворот электрической реки и та, в свою очередь, порождает водоворот магнитного поля. Если, для наглядности, посмотреть на водоворот в реке, увидим, что силы водоворота изменяются в нем от максимальной силы на минимальном радиусе, ближе к центру, до минимума силы, но на большом радиусе, на периферии. Если переводить эту аналогию в электричество, то можно преобразовывать в трансформаторе электричество либо в большую силу тока на небольшом напряжении, либо в большое напряжение на маленькой силе тока. Вот такая аналогия с водоворотом.

А технически это делают, навивая разное количество витков в первичной обмотке, куда заводим преобразуемое электричество и вторичной обмотке, из которой забираем преобразованное электричество. Во сколько раз количество витков вторичной обмотки меньше, чем у первичной обмотки — во столько раз меньше будет напряжение на выходе из вторичной обмотки и больше сила тока, если, конечно, попадется подходящая нагрузка. В большую сторону это также работает. Например, на кинескопы телевизоров моего времени нужно было подать напряжение около 10 000 вольт. И ничего, трансформаторы справлялись. Делали сотню витков в первичной обмотке, и двадцать тысяч витков во вторичной. Вот и повышали напряжение с сорока до 8 тысяч вольт, лишь бы изоляция проводов это напряжение выдерживала. Но это отдельный разговор.

А в сварочных трансформаторах стоит противоположная задача, надо максимальный ток, а напряжение уже вторично, лишь бы вольт 60 на холостом ходу для зажигания дуги было, а варить можно и на 12 вольтах. Тогда в первичной обмотке наматывали пару сотен витков, а во вторичной десяток, и преобразовывали 220 вольт к 11 вольтам. Зато сила тока возрастал в 20 раз, и если через первичную обмотку проходило 5 ампер, то от вторичной можно было забрать уже 100 ампер. Этого, с грехом пополам, хватало для сварки электродом троечкой. Хотя, 200 ампер будет значительно лучше для сварки. А еще лучше, если можно будет регулировать ток от 100 до 500 ампер. На это и ориентировался.

А регулировать трансформатор очень просто — можно сделать несколько отводов от витков спирали обмотки, и включать в работу то больше, то меньше витков — и вся регулировка. Можно и более экзотические методы, вплоть до регулировки частоты. Но это не для моих возможностей.

Вот и прозвучало это слово — частота. Частота это сколько раз в секунду будут происходить всплески электричества в проводах. В генераторах переменного тока, или напряжения, как хотите — всплески происходят каждый раз, когда полюса катушки ротора проходят через полюса катушек статора. Тем самым, частоту всплесков можно регулировать, увеличивая количество этих катушек или увеличивая частоту вращения ротора. И зачем это знать? Это задачка буриданова осла.

Самый серьезный недостаток всех трансформаторов, что они не могут работать на постоянном токе. Им обязательно нужен переменный. И чем выше частота, тем компактнее можно сделать трансформатор. А чего тогда не задрать частоту на максимум? Ведь тогда все бытовые и промышленные электроприборы станут в разы меньше?

Вот это и есть два стога сена для осла. С повышением частоты больше энергии расходуется на нагрев проводов и радио излучение, как это не смешно. Если проводить аналогию, то можно представить туриста, забывшего спички и лихорадочно воспроизводящего древний способ добычи огня трением деревянной палочки. Чем чаще он трет палочку, тем сильнее она нагревается, а если будет тереть не торопясь, то палочка и через неделю холодной останется.

Зато, с повышением частоты можно через провод одного сечения пропускать больше энергии и преобразовывающие устройства получаются компактнее, начиная от трансформатора и заканчивая электродвигателем.

А в роли осла приходиться выступать мне, так как, задав один раз стандарт — будет очень тяжело отойти от него впоследствии. В мое время таких стандартов было море. У многих стран напряжение в сети было 220 вольт 50 Гц, у других — 110 вольт 50 герц, в той же Японии. В Америке приняли стандарт 110 вольт 60 Гц, а в Африке 220 вольт 60 Гц. Эти нюансы надо знать при поездках по миру, иначе можно остаться без любимого ноутбука. Хотя, справедливости ради, следует уточнить, что и формы розеток в разных странах разные, более десятка форм точно. Так что, любимый ноутбук в чужую розетку будет не воткнуть физически.

А в самолетах, так как там электропроводка короткая, используют напряжение 28 вольт 400 Гц. В автомобилях вообще 12 или 24 вольта постоянного тока. На заводах порой частоту 100Гц используют. Одним словом, кто в лес, кто по дрова. Из всего этого безобразия было необходимо выбрать стандарт для первой бытовой сети. И, самое печальное, далее его придерживаться.

И почему, например 220 вольт? Точнее, генераторы то трехфазные, на 380 вольт, а 220 вольт это уже производная. И, судя по тому, что три фазы прижились без нареканий — генератор и надо таким делать. Но почему 380 вольт? Вот тут — без понятия. Кто и от чего плясал. Тем более, что 380В это уже у конечного потребителя — по уличным столбам идут десятки киловольт, точно не помню, то ли 22 то ли 35, а для линий электропередачи вообще 110 киловольт. Зачем? Да очень просто. Медь может пропустить через себя ток около 10 ампер на каждый квадратный миллиметр своего сечения, и с этим уже ничего не сделать. Значит, при напряжении в 220 вольт, через каждый квадратный миллиметр провода можно пропустить мощность в 2.2 киловатта. Мощность, в электрическом смысле, это сила тока помноженная на напряжение. А вот при напряжении 110 киловольт через тот же квадратный миллиметр провода пройдет уже мощность 1100 киловатт, то есть в 500 раз больше. Точно такая же картина и для алюминиевых проводов, но там сила тока, разрешенная на квадратный миллиметр раза в два меньше чем у меди.

Получается, чем больше напряжение — тем экономически выгоднее его передавать, нужны более тонкие и дешевые провода. Недостатков два. Если таким напряжением шибанет человека, он точно в другой мир перенесется. В лучший мир. Значит, требуються понижающие трансформаторы для потребителей.

А второй недостаток — высокое напряжение требовательно к изоляции. И столбы для него высокие надо, достаточно ЛЭП вспомнить. Да много там нюансов. Все сразу и не вспомню. Вот сяду писать пособие по производству и передаче электроэнергии — тогда и задумаюсь, а пока, буду считать все это набросками.

А вот про разрешенную для материала силу тока надо помнить всегда. Если намотать вторичную обмотку сварочного трансформатора проводом сечением в один квадратный миллиметр и попытаться снять с нее 100 ампер — обмотка просто сгорит. Каждой силе тока должно соответствовать свое сечение провода и это надо знать даже владельцу квартиры моего времени. Провода в таких квартирах, обычно, имеют сечение 2.5 квадратных миллиметра, то есть, рассчитаны на 25 ампер. Законов электрических не отменить правительственными указами — и, при напряжении сети в 220 вольт — в квартире не может быть суммарной нагрузки на один провод более 5.5 киловатт — если больше, будут гореть провода. А что такое 5.5 киловатт? Чайник электрический, стиральная машина, разогревающая воду, СВЧ печь, да десяток лампочек. Включи сюда еще и масляный радиатор отопления — и Привет. Скажете — ничего страшного, для этих целей стоят автоматы, отсекающие питание? Вот тут и кроется болезнь незнания моего времени!

При мне человек в магазине покупал автоматы для защиты сети — ему рекомендовали на 16 ампер, такой действительно защитит сеть при перегрузке — но он требовал на 50 ампер, так как ему 16 ампер мало и у него автомат часто выключается. А он не жадный, и готов заплатить за более дорогой девайс. Автомат человеку продали.

Было впору сразу звонить пожарникам и говорить адрес. Вот только адрес этот знаток электричества не оставил.

У меня электрика до автоматов еще не дошла, и приходилось точно и с запасом рассчитывать сечения проводов.

Переломный момент в наших экспериментах наступил в середине июля. Когда подмастерья смогли ответить на ряд вопросов электротехники экспериментальным путем. Какие задать вопросы — на это мне сообразительности хватило. А вот какие на эти вопросы ответы — моя память скромно промолчала, и пришлось подбирать экспериментально. В частности, остановились на параметрах бытовой электросети в 127 вольт и 60 Гц. Напряжение хотелось побольше — но изоляция с ним не справлялась. Пусть потомки мучаются. Это понятно, фазное напряжение, потому как был выбран трехфазный генератор, с линейным напряжением 220 вольт. Соотношение между линейным и фазным напряжением легко посчитать. Если генератор трехфазный, значит линейное напряжение больше фазного на корень из трех.

Были и другие варианты. Тот же Тесла использовал двухфазный генератор, если мне не изменяет память. Но остановился на трехфазном, как более знакомом.

Большой коловратник, на который планировали подключить оба генератора, давал 600 оборотов в минуту, или 10 оборотов в секунду. Так что шести полюсная машина напрашивалась сама собой для достижения частоты в 60 Гц. Чтоб унифицировать наши генераторы, машину постоянного тока сделали так же шести полюсной с шестью щетками, три из которых служили плюсом и три минусом.