АВТО НА БАТАРЕЙКАХ. ЧАСТИНА ПЕРША. ЙОГО ВЕЛИЧНІСТЬ ЕЛЕКТРОН

Ми зробимо електрику таким дешевим, що палити свічки будуть лишебагатії. Томас Едісон 1. КУР'ЄЗ
> Технічний прогрес не звернемо, електрика, що проникла в нашежиття повсюдно у формі різних зручностей, вже завойовує автомобілі, тепер не за горами той день, коли знайдеться максимальноенергоефективний та економічно вигідний спосіб його концентрації уформі паливних елементів і до цієї події слід бути готовим. Хтосьскаже, що електромобілі не зручні в експлуатації, не настількивигідні в економічному аспекті, технології сируваті.Це так і єсьогодні, але вже в недалекому майбутньому все буде інакше., алеякби не впевненість автора в потенціалі, тверезе сприйняттяперспективи винаходу та його дивовижне бачення майбутнього, то ми бдосі експлуатували колісниці.
Для мене дана тема почалася з легкої п'ятничної вікторини. Що зранку я спостерігав виїжджаючий із заправки БМВ i3, підійшовши дотабло бензоколонки, де стояв електромобіль, я помітив, що тойпоснідав двома галонами бензину. Навіщо б це, подумав я. Згодомз'ясувалося, що це був корм для Рекса. Сам REx, він же RangeExtender, у BMW i3, являє собою крихітний двоциліндровий бензиновийдвигун об'ємом 650 кубиків потужністю аж 34 кінських сили тапаливним баком на два галони, що генерує електрику при низькомузаряді батареї.
< /p>
2.КАЗКА ПРО ЕЛЕКТРИЧНІСТЬ
Почнемо нашу розповідь словами самого Тесли, який написав незадовгодо смерті чудовий нарис історії електротехніки "казку проелектрику": "хто дійсно хоче зрозуміти усю велич нашого часу, тоймає познайомитися з історією науки про електрику, і тоді віндізнається про казку, якої немає і серед казок "тисячі й однієїночі"., нині звані електричними, були помічені в стародавньомуКитаї, Індії, а пізніше в стародавній Греції, перекази, щозбереглися, свідчать, що давньогрецькому філософу ФалесуМілетському було вже відомо властивість бурштину, натертого хутромабо вовною, притягувати уривки паперу. Грецької назви бурштину — "електрон" — це явище пізніше отримало найменування електризації.колісницею Феба і мало не спалив усю землю. Однак, створившипоетичні легенди про бурштин, греки не продовжували вивчення йоговластивостей. Римляни нічого не додали до знань стародавніх греків, а в середні віки було забуто і те, що знали про бурштин устародавньому світі.
Тільки наприкінці XVI століття придворний лікар англійськоїкоролеви Єлизавети Вільям Гільберт вивчив усе, що було відомо провластивості бурштину древнім народам, і сам провів чимало дослідівіз бурштином та магнітами. У 1600 році він видав велику працю "промагніт, магнітні тіла і про найбільшого магніту - Землю" - справжнєзведення знань того часу про електрику і магнетизм.
Гільберт вперше виявив, що властивості електризації притаманні нетільки бурштину, а й алмазу, сірці, смолі. Він зауважив також, щодеякі тіла, наприклад метали, каміння, кістка, не електризуються, ірозділив всі тіла, що зустрічаються в природі, на електризовані тане електризуються. Звернувши особливу увагу на перші, він робивдосліди з вивчення їх властивостей. У середині XVII століттявідомий німецький вчений, бургомістр міста Магдебурга, винахідникповітряного насоса Отто фон Геріке побудував спеціальну "електричнумашину", що представляла кулю із сірки завбільшки з дитячу голову, насаджену на вісь. Якщо при обертанні кулі його натирали долонямирук, він незабаром набував властивості притягувати та відштовхуватилегкі тіла. У 1729 році англійці Грей і Вілер виявили здатністьдеяких тіл проводити електрику і вперше вказали на те, що всі тіламожна поділити на провідники та непровідники електрики. Так буловинайдено прообраз першого генератора.
Але значно важливіше відкриття було описано в 1729 Мушенбреком -професором математики і філософії. Він виявив, що скляна банка, обклеєна по обидва боки олов'яною фольгою, здатна накопичуватиелектрику. Заряджений до певного потенціалу, цей пристрій міг бутирозряджений із значним ефектом — великою іскрою, що виробляласильний тріск, подібний до розряду блискавки, і чинила фізіологічнідії при дотику рук до обкладок банки. Від назви міста, депроводилися досліди, прилад було названо лейденською банкою. Ось із'явився конденсатор.
3. Найвпливовіша людина всіх часів Одна з теорій цього явища буладана, видатним американським ученим і громадським діячемБенджаміном Франкліном, який вказав на існування позитивної танегативної електрики. З погляду цієї теорії Франклін пояснив процесзаряду та розряду лейденської банки та довів, що її обкладки можнадовільно електризувати різними за знаком електричними зарядами.Насправді, наймогутніший чоловік усіх часів і народів, з йогодопомогою досі вирішуються всі питання на цій планеті. Справді, дивовижна людина:вчений, письменник та політик одночасно. Масон, перший американець, який став іноземним членом Петербурзькоїакадемії наук, після смерті вже понад сто років цілком заслуженознайшов місце на найціннішому полотні сучасного образотворчогомистецтва, на американській банкноті.
Франклін, як і російські вчені Ломоносов та Ріхман, приділив чималоуваги вивченню атмосферної електрики, грозового розряду. Як відомо, останній загинув, роблячи досвід із вивчення блискавки.
Роботи вчених виявили цілу низку дуже важливих властивостейелектричного заряду, але всі вони вивчали електрику в станінерухомому або миттєвий розряд його, тобто властивості статичноїелектрики. Рух його виявлялося лише формі розряду. Про електричнийструм, тобто про безперервний рух електрики, ще нічого не буловідомо.
Практичне значення накопичених за два століття знань про електрикубуло порівняно невелике. Це тим, що потреби практики, промисловостіне висували перед наукою вимог пізнання електрики та вивченняможливості його використання. Про електрику люди дізналися щосьрозумне тільки з того часу, як було відкрито його технічназастосовність. Було виявлення в 1791 італійським анатомом ЛуїджіГальвані появи електрики при зіткненні двох різнорідних металів зтілом препарованої жаби. Сам учений помилково вважав, що це явищевикликається наявністю особливої ​​тваринної електрики. Аленезабаром інший італійський учений, Алессандро Вольта, дав іншепояснення цим дослідам. Він експериментально довів, що електричніявища, які спостерігав Гальвані, пояснюються лише тим, що певнапара різнорідних металів, розділена шаром спеціальноїелектропровідної рідини, є джерелом електричного струму, щопротікає замкнутими провідниками зовнішнього ланцюга.
Ця теорія дозволила створити перше у світі джерело електричногоструму у вигляді так званого Вольтова стовпа. Останній представлявнабір гуртків з міді та цинку, розділені прокладками з повсті, змоченої в соляному розчині або лугу. Треба зауважити, що іГальвані був недалекий від істини:як це встановили пізніше, вбудь-якому організмі життєві процеси супроводжуються виникненнямелектрики, яка з повною основою може бути названа твариною. Одним зперших глибоко досліджував властивості електричного струму в 1801–1802 роках петербурзький академік Петров. Роботи цього видатноговченого, який побудував найбільшу у світі в ті роки батарею з 4200мідних та цинкових гуртків, встановили можливість практичноговикористання електричного струму для нагрівання провідників. Крімтого, він спостерігав явище електричного розряду між кінцями злегкарозведеного вугілля як у повітрі, так і в інших газах і вакуумі, щоотримало назву електричної дуги. Вчений не тільки описав відкритеїм явище, а й вказав на можливість його використання для освітленняабо плавки металів і тим самим уперше висловив думку про практичнезастосування електричного струму.З цього моменту і має розпочинатиісторію електротехніки як самостійної галузі техніки.
Досліди з електричним струмом привертали увагу багатьох вченихрізних країн. У 1802 році італійський учений Романьозі виявиввідхилення магнітної стрілки під впливом електричного струму, щопротікав поблизу провідника. Наприкінці 1819 року це явище булознову спостерігається датським фізиком Ерстедом, який у березні1820 року опублікував латинською мовою брошуру під назвою "досліди, що стосуються впливу електричного конфлікту на магнітну стрілку". Уцьому вся творі " електричним конфліктом " був названий електричнийструм. Найбільш важливим було відкриття в 1824 явища захопленнямідного диска магнітом, що обертається поблизу нього. Це, назване "магнетизмом обертання ", тривалий час залишалося лише ефектнимфізичним досвідом. Але пізніше саме воно стало основою багатьохпрактичних винаходів і, зокрема, електродвигуна змінного струму.Ампера, ґрунтуючись на досвіді попередників, завершив відкриття таформулювання основних законів електродинаміки.
5.ЕЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ
Однією з найважливіших заслуг Ампера було те, що він впершеоб'єднав два роз'єднані раніше явища — електрику і магнетизм -однією теорією електромагнетизму і запропонував розглядати їх якрезультат єдиного процесу природи. Ця теорія, зустрінутасучасниками Ампера з великою недовірою, була дуже прогресивною івідіграла величезну роль у правильному розумінні відкритих пізнішеявищ.
Через п'ять років після перших робіт Ампера, був побудований першийелектромагніт, і почалося глибоке вивчення законівелектромагнетизму . У 1827 році німецький вчений Георг Ом відкриводин із фундаментальних законів електрики, що встановлює основнізалежності між силою струму, напругою та опором ланцюга, по якомупротікає електричний струм; 1847 року Кірхгоф сформулював законирозгортання струмів у складних ланцюгах. Теорія електрикизацікавила геніального англійського фізика Майкла Фарадея іспонукали його зайнятися всім колом питань про перетворенняелектричної та магнітної енергії на механічну. У 1821 році вінзнайшов ще одне рішення поставленого завдання перетворенняелектричної та магнітної енергії на механічну, і продемонструвавсвій прилад, в якому він отримував явище безперервногоелектромагнітного обертання. Того ж дня Фарадей записав у свійробочий щоденник зворотне завдання: "перетворити магнетизм наелектрику". Більше десяти років знадобилося вирішити її і знайтиспосіб отримання електричної енергії з магнітної та механічної.Лише наприкінці 1831 року Фарадей повідомив про відкриття нимявища, названого потім електромагнітною індукцією і основою всієїсучасної електроенергетики.
Спочатку електрогенератори та електродвигуни розвивалися незалежноодин від одного, як дві зовсім різні машини. Перший винахідникелектричного генератора, що базується на принципі електромагнітноїіндукції, побажав залишитися невідомим. Сталося це так. Незабаромпісля опублікування доповіді Фарадея в Королівському суспільстві, вякій було викладено відкриття електромагнітної індукції, вченийзнайшов у своїй поштовій скриньці лист, підписаний ініціалами Р. М.Він містив опис першого у світі синхронного генератора і доданий донього креслення. Фарадей, уважно розібравшись у цьому проекті, направив лист і креслення до того ж журналу, в якому був свого часупоміщений його доповідь, сподіваючись, що невідомий винахідник, стежачи за журналом, побачить опублікованим не тільки свій проект, а й лист, що його супроводжує. Винятково високо оцінює винахід.
Справді, майже через півроку, анонім надіслав до редакції журналудодаткові роз'яснення та опис запропонованої ним конструкціїелектрогенератора, але й цього разу побажав залишитися невідомим.Ім'я справжнього творця першого електромагнітного генератора так ізалишилося прихованим під ініціалами, і людство досі, незважаючи наретельні пошуки істориків електротехніки, залишається невідомим, кому ж воно зобов'язане одним з найважливіших винаходів. Машина Р.М. Не мала пристрою для випрямлення струму та була першимгенератором змінного струму. Але цей струм, здавалося, не міг бутивикористаний для дугового освітлення, електролізу, телеграфу, яківже міцно увійшли до повсякденного життя. Потрібно було, на думкуконструкторів того часу, створити машину, в якій можна було ботримувати струм постійним за напрямом і величиною. В. Річчі.Створені ними машини мали спеціальний пристрій випрямлення змінногоструму в постійний — так званий колектор. Подальший розвитокконструкцій генератора постійного струму відбувався надзвичайношвидкими темпами. Менш ніж за сорок років динамо-машина набуламайже повністю форми сучасного генератора постійного струму.Щоправда, обмотка цих динамо-машин була розподілена по колунерівномірно, що погіршувало роботу таких генераторів — напруга вних, то зростала, то знижувалася, викликаючи неприємні поштовхи.кільцеву обмотку якоря динамо-машини. Рівномірний розподіл обмоткиякоря давав можливість отримувати абсолютно рівномірну напругу вгенераторі і таке обертання двигуна, що значно покращиловластивості електричних машин. Машини з кільцевим якорем набулиособливо великого поширення після того, як на Віденській всесвітнійвиставці в 1873 було виявлено оборотність електричних машин:одна іта ж машина при обертанні якоря давала електричний струм, припротіканні струму через якір оберталася і могла бути використана якелектродвигун.
6. Це було часу швидкого зростання застосування електродвигунів івсе розширюється споживання електроенергії, чому чимало сприяловинахід П. Н. Яблочковим способу освітлення за допомогою так званої "свічки Яблочкова" - дугової електролампи з паралельнимрозташуванням вугілля. Їх простота і зручність сприяли швидкійзаміні дорогих, складних і громіздких дугових ліхтарів зрегуляторами для безперервного зближення згоряючого вугілля івикликали їхнє повсюдне поширення, а незабаром "світло Яблучкова", "російське" або "північне" світло, освітлювало бульвари Парижа, набережні Темзи, проспекти столиці Росії та навіть древні містаКамбоджі. Це було справжнім тріумфом вітчизняної науки. Але дляживлення цих свічок електроенергією знадобилося створенняспеціальних електрогенераторів, що дають не постійний, а зміннийструм, тобто струм, хоча б і не часто, але безперервно змінює своювеличину та напрямок. Це було необхідно тому, що вугілля, з'єднанез різними полюсами генератора постійного струму, згорялонерівномірно — анод, підключений до позитивного, згоряв удвічішвидше за катод. Змінний струм поперемінно перетворював анод накатод і тим самим забезпечував рівномірне згоряння вугілля.Спеціально для живлення свічок Яблочкова і був створений генераторзмінного струму. Однак про двигун змінного струму ще не виникало ідумки. Разом з тим для роздільного живлення окремих свічок відгенератора змінного струму винахідником був створений особливийприлад — індукційна котушка, він трансформатор, що дозволявзмінювати напругу струму в будь-якому відгалуженні ланцюгивідповідно до числа підключених свічок. Незабаром зростаючі потребив електроенергії та можливості отримання її у великих кількостяхвступили в суперечність з обмеженими можливостями передачі навідстань. Низька напруга 100-120 вольт постійного струму, щозастосовувалася в той час, і передача його по проводах порівняноневеликого перерізу викликали величезні втрати в лініях передачі. Зкінця 70-х років минулого століття основною проблемою, відуспішного вирішення якої залежало все майбутнє електротехніки, стала проблема передачі електроенергії на значні відстані безвеликих втрат.
7. СТРУМ БЕЗ КОРДОНІВ
Перше теоретичне обґрунтування можливості передачі будь-якихкількостей електроенергії на будь-які відстані по проводахпорівняно невеликого діаметра без значних втрат шляхом підвищеннянапруги було дано професором фізики Петербурзького лісовогоінституту Лачиновим в 1880 році.Слідом за цим французький фізик іелектротехнік Марсель Депре на Мюнхенській електротехнічнійвиставці здійснив передачу електроенергії в кілька кінських сил навідстань 57 кілометрів з коефіцієнтом корисної дії в 38відсотків.
В історії передачі електроенергії на далекі відстані ця першапередач Місбаха в Мюнхен має особливе значення — на неї звернулиувагу Маркс і Енгельс, які цікавилися цими дослідами. Їхнєлистування про ці досліди містить чудове передбачення соціальної татехнічної ролі електрифікації.
Пізніше вчений зробив ще ряд дослідів, здійснивши передачуелектроенергії на відстань у сотню кілометрів і довівши потужністьпередачі до кількох сотень кіловат. Подальше збільшення відстанівимагало значного підвищення напруги. Депре довів його до 6 тисячвольт і переконався, що ізоляція пластин у колекторі генераторів таелектродвигунів постійного струму не дозволяє досягти вищоїнапруги.
Незважаючи на всі ці труднощі, на початку 80-х років розвитокпромисловості та концентрація виробництва все більш і більшевимагали створення нового двигуна, більш досконалого, ніж широкопоширена парова машина. Вже було ясно, що електростанції вигіднобудувати поблизу родовищ вугілля або на річках з великим падіннямводи, тоді як заводи зводити ближче до джерел сировини. Це частовимагало передачі величезних кількостей електроенергії об'єктам їїспоживання на значні відстані. Така передача була б доцільною лишепри застосуванні напруги в десятки тисяч вольт. Але отримати такунапругу в генераторах постійного струму було неможливо. На допомогуприйшли змінний струм і трансформатор:користуючись ними, сталивиробляти змінний струм низької напруги, потім підвищувати його добудь-якої необхідної величини, передавати на відстань високоюнапругою, а на місці споживання знову знижувати до необхідного тавикористовувати в струмоприймачах. Але... Знову виникало "але"...
Ще не існувало електродвигунів змінного струму, адже електроенергіяспоживалася головним чином для силових потреб. Електродвигунипостійного струму для приводу різних машин застосовувалися всечастіше і частіше. Створити електродвигун, який міг працювати назмінному струмі, стало основним завданням електротехніки. У пошукахнових шляхів завжди необхідно озирнутися назад. Чи не було вісторії електротехніки чогось такого, що могло б підказати шлях достворення електродвигуна змінного струму? Пошуки у минуломуувінчалися успіхом. Згадали:ще 1824 року Араго демонстрував досвід, який започаткував безліч плідних досліджень. Йдеться продемонстрацію "магнетизму обертання". Мідний не магнітний дискзахоплювався магнітом, що обертається.
Виникла ідея, чи не можна, замінивши диск витками обмотки, амагніт, що обертається, обертовим магнітним полем, створитиелектродвигун змінного струму? Напевно можна, але як отриматиобертання магнітного поля? Пропозиції, безсумнівно, були дужецікаві, проте, жодна їх могло задовольнитипромисловість:електродвигуни їх були або громіздкі і неекономічні, або складні і ненадійні. Не було ще знайдено самого принципубудівництва простих економічних і надійних електродвигунів змінногоструму.
8. А ОСЬ І ТЕСЛА
Саме в цей період і почав, як ми вже знаємо, пошуки вирішення цьогозавдання Нікола Тесла. Він йшов своїм шляхом, шляхом роздумів надсутністю досвіду Араго, і запропонував докорінне рішення проблеми, що відразу ж виявилося прийнятним для практичних цілей. Тесла ясноуявив собі, що якщо будь-яким чином здійснити живлення обмотокмагнітних полюсів електродвигуна двома різними змінними струмами, що відрізняються один від одного лише зрушенням по фазі, чергуванняцих струмів викличе змінне утворення північного і південногополюсів або обертання магнітного поля. Магнітне поле, щообертається, повинно захопити і обмотку ротора машини. Побудувавшиспеціальне джерело двофазного струму (двофазний генератор) і такийже двофазний електродвигун, Тесла здійснив свою ідею. І хочаконструктивно його машини були дуже недосконалі, принцип магнітногополя, що обертається, застосований в перших же моделях, виявивсяправильним. Незабаром вітчизняні вчені почали конструюватиелектродвигуни трифазного змінного струму. Так з'явився небезпечнийсуперник двофазного струму, який швидко показав низку незаперечнихпереваг перед своїм близнюком.І хоча конструктивно його машини булидуже недосконалі, принцип магнітного поля, що обертається, застосований в перших же моделях, виявився правильним. Незабаромвітчизняні вчені почали конструювати електродвигуни трифазногозмінного струму. Так з'явився небезпечний суперник двофазногоструму, який швидко показав низку незаперечних переваг перед своїмблизнюком.І хоча конструктивно його машини були дуже недосконалі, принцип магнітного поля, що обертається, застосований в перших жемоделях, виявився правильним. Незабаром вітчизняні вчені почаликонструювати електродвигуни трифазного змінного струму. Такз'явився небезпечний суперник двофазного струму, який швидкопоказав низку незаперечних переваг перед своїм близнюком.