Постоянный и переменный ток

Если в мире отключить электричество, остановится весь транспорт, исчезнет коммуникация, в домах не будет света. Произойдет катастрофа. Еще хуже, если отключить все электромагнитные взаимодействия, которые есть в природе: в таком случае мы просто перестанем существовать. Атомы и молекулы развалятся и перестанут существовать, поэтому электромагнитные взаимодействия фундаментальны. Когда электрический заряд движется, получается электрический ток, который используется во многих сферах жизни. Исследование электрического заряда началось с опытов Майкла Фарадея, открывшего явление электромагнитной индукции, на котором основаны все электродвигатели и электрогенераторы. В первой половине XIX века Фарадей показывал свои опыты в Англии, но ему говорили: «Мистер Фарадей, какой смысл в ваших опытах?» На это он отвечал, что все будут иметь налоги с его изобретений. Так и произошло. Вклад Фарадея потом отметили, изобразив ученого на английских купюрах.

Невозможно представить жизнь без электрических машин, приборов и устройств. Это радиосвязь, интернет, телекоммуникации, транспорт. Электрический ток представляет собой направленно движущиеся заряды, измеряемые в амперах. Один ампер - это ток, который переносит огромный заряд, равный одному кулону, за одну секунду. Провода, по которым идет этот ток, куда электроны входят и выходят, электрически нейтральны, поэтому никаких электростатических явлений здесь нет. Важно, что движущиеся заряды, то есть токи, порождают магнитные поля. В XIX веке стало понятно, что магнитные явления связаны с движущимся током, а до этого электрические и магнитные явления существовали раздельно. Магнитные явления использовались для ориентации с помощью компаса, но только в начале XIX века благодаря опытам Эрстеда и Ампера стало ясно, что эти явления связаны.

Ганс Эрстед пускал электрический ток по проводу и подносил к проводу стрелку компаса. Он заметил, что ориентация стрелки зависела от направления тока. Это был признак, что между током и стрелкой происходит взаимодействие. Важно уточнить: это не связано с электростатикой - провод был электрически нейтральный. Это связано с протеканием тока. Другой знаменитый опыт 1820 года принадлежит французскому физику Андре-Мари Амперу, который взял два провода и пустил по ним токи. Он обнаружил, что эти провода, если токи в них протекают в одном направлении, притягиваются, а если токи имеют разные направления - отталкиваются. Это тоже не связано с электростатическими явлениями. Это связано только с протеканием тока через эти провода. В это время ученые начали замечать важную связь между электрическими и магнитными явлениями: это проявления одного и того же фундаментального взаимодействия, которое мы называем «электромагнитное», «электромагнетизм».

Следующий важный опыт - эксперимент Майкла Фарадея в 1831 году. Он открыл явление электромагнитной индукции. Если взять проводник с током в виде кольца, которое находится в магнитном поле, то, когда мы меняем это магнитное поле, например повернув кольцо, в поле возникает электрический ток. Явление электромагнитной индукции лежит в основе работы всех электрических машин: генераторов, электродвигателей. Это лучший вид преобразователей энергии в движение, которые мы имеем сегодня. У таких машин КПД выше 90%, когда как КПД двигателей внутреннего сгорания меньше 50%. Электричество позволяет преобразовывать электрическую энергию в механическую с фантастической эффективностью. После открытий Ампера, Эрстеда, Фарадея стала активно развиваться электротехника - сфера, которая подарила нам современные электрические машины. Когда ученые научились вырабатывать электроэнергию и использовать ее, возникла потребность в передаче этой электроэнергии на расстояние. Сейчас существует огромное количество изобретений, различных электродвигателей, электрических машин постоянного тока, двигателей переменного тока или машин. Например, в нашей бытовой сети используется переменный электрический ток, который вырабатывается с помощью электрогенераторов.

Разберемся с устройством электрогенератора. Представим, что у нас есть рамка с током в виде замкнутого кольца. Если магнитное поле в ней изменяется, значит, в рамке наводится ток. Возьмем постоянные магниты, рамку или катушку с током (в современных электродвигателях движущаяся часть - ротор, недвижущаяся часть - статор). Если мы вращаем эту катушку, в ней наводится электрический ток. Например, вращаем на разных электрогенераторах. Необходимо принудительным образом вращать ротор, тогда возможно снимать электрический ток с помощью специальных устройств, а именно коллекторов, и получать электрический ток во внешней цепи. Скажем, на электростанциях, на тепловых электростанциях турбина вращается за счет сжигания газа. На гидроэлектростанциях ротор вращается за счет потока воды. В двигателях внутреннего сгорания, которые используются для генерации, механическое движение сообщается от сгорания топлива.

Современные мощные электрические машины - электродвигатели и генераторы - многофазные. Чаще всего трехфазные; это три провода, по которым течет электрический ток в разных фазах, и общий провод. Такие способы электропитания и генерации наиболее эффективны. Начиналось все с однофазных генераторов, затем появились многофазные. Классическая схема состоит из трех фаз, ее разрабатывали инженеры и изобретатели второй половины XIX века, один из которых - инженер русского происхождения Доливо-Добровольский, работающий в Германии. Он был директором компании AEG, которая существует и сейчас и производит много бытовой электротехники. При работе электрических машин, позволяющих генерировать электрический ток, или электродвигателей, на статор подается переменный или постоянный электрический ток, который создает магнитное поле, в котором вращается ротор.

Другая важная конструкция - асинхронный двигатель, в котором нет электрического контакта между ротором и статором. С помощью катушек создается вращающееся магнитное поле, и ротор, который обладает магнитными свойствами, начинает вращаться в этом поле, поэтому электрический контакт между ротором и статором не нужен. Асинхронный двигатель - интересный тип двигателя, который широко используется во многих устройствах, потому что в нем отсутствуют щетки - наиболее уязвимая часть электрических машин из-за их низкой износостойкости. Такие устройства обеспечивают бесконтактную передачу энергии от электрических проводников с током к ротору. Главная идея в том, что с помощью электричества можно осуществлять бесконтактную передачу энергии. Один из первых, кому эта идея пришла в голову и кто ее пропагандировал, - это Никола Тесла, который предвидел современный интернет. С помощью своих опытов и демонстраций Тесла показывал, что электрическую энергию можно передать на расстоянии, не используя никакие провода. Сейчас мы понимаем этот механизм так, что движущиеся токи испускают электромагнитное излучение, то есть энергию, затем это перехватывается приемником, и получается беспроводная передача энергии.

Стандартная частота переменного тока в сетях - около 50-60 герц. Если эту частоту поднять, то излучение электромагнитной энергии станет более эффективным. На этом основана радиосвязь. Началось все с опытов немецкого физика Генриха Герца в XIX веке, а изобретение радио в конце XIX века, связанное с именами Гульельмо Маркони и Александра Попова, стало основой современных беспроводных коммуникаций. Другой важный и понятный пример беспроводной передачи электрической энергии - СВЧ-печь. В обычной СВЧ-печи с помощью магнитного поля - магнетрона - токи сверхвысокой частоты передают токи Фуко в объект, который мы нагреваем. Если этот объект электропроводящий, то электромагнитное поле вызывает токи, а токи вызывают нагрев.

Связь электрических и магнитных явлений хорошо изучили и сформулировали в уравнения Максвелла в конце XIX века. Этих уравнений четыре, и они описывают все электромагнитные явления, которые известны и доступны нам. Это фундаментальные законы физики, которым все электромагнитные явления подчиняются.

На постоянном и переменном токе основана вся электроэнергетика, которая вносит около 20% вклада в общую энергетику мира. Доля электроэнергетики постоянно растет, потому что она основывается не только на ископаемых ресурсах, но и на возобновляемых источниках энергии: солнце, ветре, движущейся воде.

Принцип работы электрических машин сильно не меняется уже сто лет. Главная область для развития - это усовершенствование материалов, использование электроники, процессоров для управления этими электрическими машинами, повышение эффективности материалов, экологичности. Другое применение постоянного и переменного тока - электромагнитные или рельсовые пушки, которые позволяют разогнать объект до огромных скоростей с помощью явлений электромагнитного поля. Возможно организовать взлет самолетов с помощью сильных электромагнитных полей, не прибегая к двигателям внутреннего сгорания.

Параллельно с этим развивается транспорт на магнитной подушке, который позволяет перемещаться телу или поезду на магнитной подушке без контакта с рельсом. С помощью таких технологий можно избавиться от трения, механики. Для создания магнитной подушки используются электромагнитные преобразователи, которые накапливают энергию в маховиках. Если раскрутить маховик с помощью асинхронного двигателя и поместить его в вакуум, чтобы избежать трения о воздух и остановок, то можно создать накопитель энергии. Такой накопитель сначала разгоняют электромагнитным полем, и он длительное время сохраняет энергию, затем мы подключаемся к этому маховику, и механическая энергия отдается обратно в электрическую. В итоге получается накопитель энергии.

Важная проблема, которую человечество решает десятки лет, - наличие проводников без потерь. Значительная часть энергии при передаче по проводам рассеивается: она идет на нагревание. На этом процессе основаны все электронагревательные приборы. Но если мы хотим передавать энергию, не тратя ее на тепло, нужно обеспечить провода минимальным сопротивлением, поэтому для электропроводки лучше использовать медные провода или серебро. Алюминий хуже, но нужен металл. В идеале потерь не будет, если использовать сверхпроводники, у которых потерь на нагрев не существует. Проблема в том, что до сих пор сверхпроводимость известна только при низких температурах. Самые высокие температуры для сверхпроводимости немного выше температуры кипения жидкого азота - около 90 кельвинов, но меньше комнатных температур. Современные сверхпроводящие устройства работают только при низких температурах, что требует глубокого охлаждения, затрат энергии, поэтому в больших масштабах это неэффективно. Многие ученые мечтают иметь сверхпроводники, которые работали бы при комнатных температурах, потому что это обеспечит новый вид транспорта, передачу энергии, хранение энергии. Пока не удалось разработать сверхпроводники, которые работали бы при комнатных температурах. Это задача будущего.

Сейчас продвигают использование электромагнитной энергии для беспроводной передачи на большие расстояния. Один из проектов, над которым работают современные ученые, состоит в том, чтобы вырабатывать электрическую энергию в космосе с помощью орбитальных космических станций, где используются солнечные батареи. Затем энергию, выработанную солнечными батареями, транслировать на Землю с помощью электромагнитной энергии, например, в диапазоне сверхвысоких частот или в оптическом диапазоне с помощью лазерного излучения. Также интересно разобраться с механизмами работы электродвигателей живых систем: как двигаются бактерии, клетки. Они двигаются и используют для этого маленькие электромоторчики, которые устроены электростатически или иначе. Такие механизмы могут найти приложения в современной робототехнике, развивающейся в сторону создания мягких роботов, которые будут приближены к человеческому телу.