Одноцилиндровые двигатели сменились многоцилиндровыми, надежность, мощность, отношение мощности к массе бензиновых двигателей стали недосягаемыми для паровых машин. Появилась возможность поставить двигатель на аэроплан. Началась эпоха моторов…
Конкурентом двигателей внутреннего сгорания являются двигатели внешнего сгорания. Наиболее известен двигатель, изобретенный Робертом Стирлингом, запатентованный им в 1816 г. Двигатель внешнего сгорания является старшим братом более удачливого двигателя внутреннего сгорания. В 1845 г. на литейном заводе в Дании была пущена машина Стирлинга мощностью 50 лошадиных сил, проработавшая в течение трех лет. Но «младший брат» оказался на редкость проворным, и изобретенная Стирлингом машина была совершенно забыта.
Принцип действия этой машины заключается в том, что циклические процессы сжатия и расширения происходят при различных уровнях температур: сжатие при низкой температуре, а расширение – при высокой. Это приводит к разности давлений и, в конечном итоге, дает выигрыш в работе за один цикл. Нагрев в двигателе Стирлинга происходит не внутри цилиндра путем воспламенения смеси, а снаружи. Тепло к газу подводится извне, через стенку цилиндра. Поэтому это устройство и называется «двигатель внешнего сгорания». Принципиальное устройство его показано на рис. 4.
1 – вытеснительный поршень (далее – вытеснитель);
2 – поршень;
3 – регенератор;
верхняя нагревательная область цилиндра находится при постоянной высокой температуре;
нижняя охладительная область цилиндра находится при постоянной низкой температуре.
Рис. 4
Двигатель работает следующим образом.
I. В начальный момент вытеснитель находится в верхнем положении. Весь газ находится в области низкой температуры между поршнем и вытеснителем, поэтому он имеет низкое давление.
II. Вытеснитель остается в верхнем положении. Поршень сжимает газ при низкой температуре и при этом совершает работу.
III. Поршень остается в крайнем верхнем положении. Вытеснитель переталкивает газ из холодной полости в горячую. При этом газ, проходя через регенератор, получает от него запасенное в предыдущем цикле тепло и нагревается.
VI. Нагретый газ расширился. При этом он толкает вытеснитель с поршнем и совершает полезную работу. Это и есть рабочий такт двигателя. Так как давление в верхней части газа больше его давления в нижней части, то полезная работа перекрывает энергетические затраты на сжатие холодного газа в начальном такте.
I. Вытеснитель поднимается вверх и перемещает рабочий газ в нижнюю холодную часть цилиндра. При этом газ, проходя через регенератор, отдает ему тепло, которое будет возвращено в следующем цикле.
Затем цикл повторяется.
Движения поршня и вытеснителя в двигателе практически непрерывны, что обеспечивается посредством кривошипношатунного механизма. Таким образом, двигатель Стирлинга представляет собой поршневую машину с внешним подводом тепла, в которой рабочее тело постоянно находится в замкнутом пространстве и во время работы не заменяется.
Двигатель Стирлинга имеет неоспоримые преимущества, важность которых с ростом количества автомобилей все более повышается.
Во-первых, для подвода тепловой энергии можно использовать любой источник тепла: солнечную энергию, биотопливо, ядерную энергию, электроэнергию и проч. Поэтому для двигателя Стирлинга можно использовать и низкокачественное топливо, например, попутный газ, сжигаемый впустую в атмосфере при транспортировке нефти.
Во-вторых, в качестве рабочего тела в двигателе Стирлинга обычно функционирует воздух, гелий или водород, который используется в замкнутом цикле и не попадает в атмосферу. Поэтому выбросов отработанного газа двигатель не дает. При использовании в нагревателе экологически чистой энергии (например, солнечной) двигатель становится идеально экологичным.
В-третьих, термодинамический цикл двигателя Стирлинга обладает термическим КПД, равным максимально возможному теоретическому и составляет 30–40 %.
В-четвертых, отсутствие клапанов в основном корпусе двигателя Стирлинга и работа без периодических взрывов в цилиндрах существенно снижают, а по сравнению с двигателем внутреннего сгорания он является практически бесшумным.
В-пятых, опять же в сравнении с двигателем внутреннего сгорания, незначительны траты смазочных материалов и низка стоимость его текущей эксплуатации.
Эти достоинства позволяют прогнозировать дальнейший успех двигателя внешнего сгорания в самых разных сферах: его можно использовать для регенерации (утилизации) тепла, при получении электроэнергии. Интересны перспективы применения этого двигателя для создания искусственного сердца.
Темы для докладов и рефератов
Дискуссии
Литература
2.3. Электричество
Началом истории развития электричества можно считать 1600 г., когда Уильям Гильберт, исследуя магнитные явления, описывает и другой вид взаимодействия тел. Именно он и назвал притягивающиеся в результате электризации тела «электрическими». В те суровые времена практическое применение научных изысканий связывалось разве что с поиском философского камня, сочинением туманных астрологических прогнозов и построением метательных машин. Поэтому изыскания Гильберта можно смело отнести к достижениям «фундаментальной» науки, мало кому понятным из современников, с весьма сомнительной перспективой практического использования.
В 1663 г. немецкий физик Отто фон Герике, известный школьникам по описаниям театрализованных опытов по разделению магдебургских полушарий дюжиной лошадей, создал первый генератор, позволяющий вырабатывать электричество. Стеклянный шар, покрытый серой, раскручивали и прикасались к нему рукой. При трении между пальцами и шаром накапливалось статическое электричество, проскакивала искра.
Чтобы научиться запасать это электричество, понадобилось еще каких-то 80 лет. В 1745 г. в городе Лейдене Питер ван Мушенбрук изобрел первый электрический конденсатор, вошедший в историю как Лейденская банка. Устройство ее довольно просто: банка оклеивается проводящими листами олова (а сейчас фольги) снаружи и внутри, которые и стали прообразами обкладок будущих конденсаторов. Всем известная школьная электрофорная машина представляет, в некотором роде, совмещение двух вышеназванных изобретений: с помощью трения дисков создается статическое электричество, а накапливается оно в двух Лейденских банках.
Лейденские банки получили большую популярность при дворах европейских монархов. Использовали их для развлечения: ничего не подозревающему новичку предлагали взять банку на ладонь, а другой рукой ухватиться за стержень. Когда неведомая сила выбивала у испытуемого искры из глаз, всем остальным становилось весело. Естественно, что эти искры никоим образом не могли составить конкуренцию свету тысяч свечей в роскошных королевских люстрах.
Но были и серьезные последствия: стали искусственно получать электрическую искру, выяснили высокую электропроводность металлов. Удивительное действие электрического тока на человека привлекло внимание не только придворных бездельников, но и врачей. В конце XVIII в. стали активно использовать электричество для лечения от самых разных болезней. Сегодня попытки лечения эпилепсии или оспы с помощью электрических разрядов представляются наивными и смешными, но они все же не стоят в одном ряду с гороскопами, заклинаниями и заговорами. Современные электрокардиостимуляторы спасли и поддерживают жизни тысяч людей, имеющих проблемы с сердцем.
Первым достаточно значимым с практической точки зрения изобретением в области электричества можно назвать создание Алессандро Вольта химического источника тока в 1800 г. До этого электричество можно было получить только через электростатическую машину. Вольтов столб имеет достаточно простое устройство: два металлических электрода – медный и цинковый, между которыми помещают пропитанную раствором соли или кислоты прокладку. Окислительно-восстановительная реакция создает разность потенциалов между электродами.
За прошедшие 200 лет принципиальное устройство химических элементов ничуть не изменилось, различие заключается только в изменении материалов и в конструкционных особенностях. Но при этом, естественно, качество работы современных химических источников несравнимо выше, чем у самых первых «батареек». Современный аккумулятор является незаменимым элементом любого механизма, имеющего двигатель внутреннего сгорания. Вот самый яркий пример технического симбиоза.
Появление ноутбуков, DVD-проигрывателей, цифровых фотоаппаратов и, конечно, сотовых телефонов привело к ужесточению требований к химическим элементам питания, что стимулировало исследования в этой области. Но пока практически все используемые источники – те же элементы Вольта. Из других можно назвать попытку создания элемента питания на основе радиоактивных элементов. Основное его достоинство в том, что он может непрерывно работать до десятка и более лет, а это совершенно недостижимо для химических источников. Но высокая стоимость таких источников и проблемы безопасности эксплуатации и утилизации не позволяют им составить конкуренцию традиционным «батарейкам».
Если изобретение Вольта изначально создавалось с практическими целями, то в открытии Майклом Фарадеем явления электромагнитной индукции в 1831 г. (возникновения электродвижущей силы при изменении магнитного потока) никто практической выгоды не увидел, в том числе и сам изобретатель.
Сегодня мы можем сказать, что мало какое открытие может сравниться по практической значимости с этим. Современный мир, в котором были бы только химические источники электричества, невозможно представить. Явление электромагнитной индукции используется в счетчиках электроэнергии, в трансформаторах. Магнитная запись звука, микрофон, динамик – все это следствия открытия Майкла Фарадея. Но, пожалуй, самое значимое техническое изобретение, созданное на основе открытия Фарадея – индукционный генератор. Он представляет главный элемент всех электростанций, на конечном этапе превращающий механическую энергию в электрическую. Эти генераторы дают нам практически всю потребляемую электроэнергию.
Приоритет в постройке первой электростанции установить сложно. Одна из первых станций в несколько сотен ватт была построена в Германии в 1876 и в 1881 гг. Для вращения генератора использовали энергию реки Неккер. В этом же 1881 г. в английском городе Грейсаде тоже была пущена гидроэлектростанция. Американец Роджерс для нужд своей бумажной фабрики запустил гидроэлектростанцию в 1882 г.
В 1881 г. Эдисон строит тепловую электростанцию, а 1883 г. тепловая электростанция конструкции Эдисона вводится и в Петербурге.
В 1888 г. легендарный Никола Тесла изобретает индукционный двигатель переменного тока.
Разгорается «война» между переменным и постоянным током.
За переменный ток – компания «Вестингауз электрик», за постоянный – неутомимый Томас Эдисон. Дошло до того, что Эдисон с целью дискредитации переменного тока предложил для казни использовать электрический ток, причем только переменный, как наиболее опасный для жизни, а саму казнь назвать «вестингаузацией». Самое печальное то, что эта идея была воплощена в жизнь, и в 1890 г. состоялась первая казнь на электрическом стуле. Но технические преимущества получения и передачи переменного тока оказались важнее, чем его дурная слава. В 1891 г. немецким инженером Оскаром фон Мюллером была построена и запущена первая высоковольтная линия электропередач. Длина линии составляла 157 км, по ней передавали трехфазный ток напряжением 16 кВ. Линия соединяла одну из первых электростанций на реке Неккер с павильоном электротехнической выставки во Франкфурте-на-Майне, где работал первый в мире трехфазный двигатель Михаила Осиповича Доливо-Добровольского. Наличие переменного тока стало неотъемлемым условием любого современного здания для жилья, работы или развлечений.
Сама по себе электрическая энергия, в общем-то, не нужна. Нужны другие виды энергии, в которые она может преобразовываться. Прежде всего, человеку нужна механическая энергия, которую он раньше получал от животных и собственных мускулов, а позже от энергии рек и ветров. Поэтому изобретение электродвигателя – важный и необходимый этап использования электричества.
Прародитель электродвигателя появился еще до открытия явления электромагнитной индукции. В 1823 г. П. Барлоу описал устройство, известное как «колесо Барлоу»: подвешенный проводник одним концом опускался во ртуть, из которой выступал магнит. При пропускании тока через ртуть проводник начинал крутиться. А еще до этого Эрстед заставлял вращаться накоротко замкнутую батарейку, для чего он подвешивал ее на проволоке и подносил к ней постоянный магнит.
Но устройство, не только демонстрирующее движение проводника с током в магнитном поле, но используемое с практической целью совершения механической работы, было создано русским ученым Борисом Семеновичем Якоби в 1834 г. Он первым построил двигатель не с поступательно-возвратным движением, как было до него, а с вращательным. Его двигатель поднимал груз около 5 кг на высоту 30 см за одну секунду. Нетрудно подсчитать (Р = mgh/t), что мощность при этом будет около 15 Вт. В 1838 г. в Петербурге изобретатель показывает лодку, приводимую в движение электродвигателем.
Эра электродвигателей неумолимо приближалась, хотя на тот момент стоимость работы электродвигателя была на порядок выше (примерно в 20 раз), чем у его заслуженного парового конкурента. Если бы электродвигатели использовали непосредственно там, где производят электроэнергию, то может быть, стиральные машины и пылесосы сегодня работали бы на гальванических элементах или (о ужас!) на двигателях внутреннего сгорания. Основное достоинство электрической энергии – удобство ее транспортировки: электродвигатель качает воду где-то в Подмосковье, а использует энергию, производимую Белоярской АЭС на Урале или Шушенской ГЭС в Сибири. Но для этого было необходимо изобретение скромного и незаметного устройства-труженика – трансформатора, без которого немыслимы все современные электрокоммуникации.
Трансформатор представляет для инженеров-электриков инструмент, аналогичный рычагу в механике, но вместо преобразований силы и перемещения трансформатор преобразует напряжение и ток. Вместо отношения плеч силы количественной характеристикой трансформатора является отношение между числом витков в его обмотках.
Трансформатор (от лат. transformo – преобразовывать) – статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.
Трансформатор можно считать одним из самых совершенных технических изобретений: простота устройства, отсутствие движущихся и трущихся частей, очень высокий, близкий к стопроцентному КПД делают трансформатор образцом воплощения технической мысли. Двигателю внутреннего сгорания с его заслонками, пружинками, жиклерами и прочими многочисленными и регулярно ломающимися детальками до этого идеала не добраться никогда… Но простота трансформатора только кажущаяся, современный трансформатор – результат долгой технической эволюции, трудов множества талантливых физиков и инженеров.
Своим появлением трансформатор обязан двум важнейшим последовательно сделанным и взаимосвязанным открытиям: сначала в 1820 г. Ханс Кристиан Эрстед обнаружил магнитное поле вокруг проводника с током, а затем Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции.
Он не стал разрабатывать практическое применение своего открытия, думая, что это быстро сделают другие. А жаль, потому что к идее трансформатора, использующего явление электромагнитной индукции, так сказать «во все свои катушки», вернулись только тогда, когда столкнулись с проблемами освещения. И произошло это намного позже, почти через полвека.
Появление первого трансформатора «во плоти» можно отнести к 1848 г., когда французский механик Г. Румкорф изобрел индукционную катушку, вошедшую в историю как «катушка Румкорфа» – устройство для получения импульсов высокого напряжения. Она состоит из железного стержня, на который намотана первичная обмотка из толстой проволоки, а затем поверх ее наматывается несколько тысяч витков вторичной обмотки из очень тонкой проволоки. Первичная обмотка подсоединена к батарее химических элементов и конденсатору. Такое нехитрое устройство позволило ученым получать электрические искры длиной до 50 см!
Эти искры стали предметом изучения ученых-физиков всего мира. А Генрих Герц занялся изучением не самих искр, а окружающего их пространства и открыл и описал свойства электромагнитных волн. На основе работ Герца и было изобретено радио. Так что первый вариант скромного трансформатора произвел немалые последствия, изменившие в дальнейшем само человечество.
Датой рождения трансформатора можно считать 30 ноября 1876 г., когда Павел Николаевич Яблочков получил патент на трансформатор с разомкнутым сердечником.
Процесс совершенствования трансформатора значительно ускорился после того, как Эдисон изобрел лампы накаливания с угольной нитью, высокое сопротивление которых позволило осуществлять параллельное соединение проводников. В 1882 г. он запустил в Нью-Йорке первую промышленную систему электрического освещения. Стали требоваться надежные и экономичные устройства, повышающие и понижающие напряжение.
Создание трансформаторов с замкнутыми сердечниками братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсонами в 1884 г. позволило значительно повысить их КПД. В дальнейшем выяснилось, что и в сердечниках присутствует значительное рассеяние энергии, связанное с вихревыми поперечными токами. Для предотвращения подобных явлений сердечники стали делать непроводящими в направлении, перпендикулярном магнитным силовым линиям трансформатора. Для этого сердечники составляли из ряда плоских изолированных железных пластин.
Уже в мае 1885 г. В. Дери, Блажи и Циперновски на национальной выставке в Будапеште представили осветительную систему, состоявшую из 75 параллельно соединенных трансформаторов, подводивших питание к 1067 лампам накаливания Эдисона от генератора переменного тока с напряжением 1350 В. Трансформаторы имели тороидальные железные сердечники. Это была осветительная система, заложившая основу построения всех современных осветительных сетей.
Вестингауз, Уильям Стенли, Шелленберг и Альберт Шмид (США) в конце 1885 г. приступили к усовершенствованию трансформатора. Главная цель заключалась в удешевлении его промышленной сборки, так как сборка венгерского тороидального трансформатора была делом непростым и затратным. В итоге Стэнли предложил изготавливать железные пластины в форме буквы Ш, чтобы центральный стержень можно было легко вставлять в заранее намотанную катушку. Ш-образные пластины укладывались в чередующихся противоположных направлениях, а на концы пластин укладывались прямые железные полоски для замыкания магнитной цепи. Такая конструкция трансформатора оказалась удачной и применяется до сих пор.
Но на этом история совершенствования трансформаторов не заканчивается. Дело в том, что сердечники первых трансформаторов состояли из тонких пластин листовой стали и характеризовались значительными потерями на перемагничивание, что уменьшало коэффициент полезного действия трансформатора. Только в начале 1900-х годов удалось добиться значительного успеха в уменьшении потерь такого рода. Английский исследователь-металлург Роберт Хедфилд разработал специальную трансформаторную сталь с добавками кремния, использование которой уменьшало потери на перемагничивание.
Затем в начале 30-х годов XX в. американский металлург Норман П. Гросс установил, что при комбинированном воздействии проката и нагревания у кремнистой стали появляются требуемые магнитные свойства в направлении прокатки: магнитное насыщение увеличивалось на 50 %, потери на гистерезис сокращались в 4 раза, а магнитная проницаемость возрастала в 5 раз.
Современные трансформаторы превосходят своих «предков», созданных к началу XX столетия, по мощности в 500, а по напряжению в 15 раз; их масса в расчете на единицу мощности снизилась приблизительно в 10 раз, а коэффициент полезного действия близок к 99 %. Но процесс совершенствования трансформаторов не закончился, появление новых материалов, открытие явления сверхпроводимости, использование полупроводников, пластика и т. п. – все это немедленно сказывается на трансформаторе – главном трудяге современных электрических сетей.
Как видно из таблицы в начале параграфа, вклад российских ученых в мировую электрификацию оказался весьма впечатляющим. На исходе XIX в. они были признанными лидерами в области электротехники. Использование этого научного потенциала и мобилизация всей страны после Октябрьской революции и Гражданской войны позволили большевикам в невиданные до этого сроки осуществить электрификацию страны. Производство электроэнергии в СССР в 1930 г. по сравнению с 1913 г. возросло более чем в 14 раз! Правда, достигнуто это было непосильным трудом миллионов добровольцев и заключенных. Но это стало решающим фактором превращения Союза Советских Социалистических Республик в крупную промышленную державу.
Темы для докладов и рефератов
Дискуссии
Литература
2.4. Освещение
Одна из первых функций, которую стало выполнять электричество, связана с освещением. Древние города никак не освещались, в лучшем случае – факелами или лампами с маслом. В домашнем освещении много веков преобладала свеча, а в избах простого народа лучина. Первое постоянное ночное освещение стало возможно с изобретением керосиновых фонарей. Широко распространена была профессия фонарщика, в его обязанности входило обслуживание фонарей, их заправка, зажигание вечером и тушение утром. Следующий шаг связан с появлением системы газового освещения, представление о котором мы можем составить из фильмов, показывающих Лондон времен Шерлока Холмса.
Газовое освещение было неудобным, дорогим и небезопасным. Революция в деле ночного освещения произошла с изобретением Александром Николаевичем Лодыгиным в 1872 г. электрической лампочки накаливания. Источником свечения в ней являлся тонкий угольный стерженек, светящийся при пропускании через него электрического тока.
Изобретение Лодыгина попадает в руки Эдисону. Со свойственной ему энергией и при наличии финансов американский предприниматель очень быстро усовершенствует лампу и тут же начинает промышленное производство в Америке.
В 1876 г. Павел Николаевич Яблочков получает патент на изобретенную им электрическую свечу. В его лампочке светится газ электрической дуги. На Всемирной выставке в Париже в 1878 г. свеча демонстрируется с большим успехом.
Париж переходит с газового освещения на электрическое, а свет дуговых ламп стал называться во Франции «русским светом». Правда, потом усовершенствованные в Европе лампы стали появляться в России и вызывали у населения ассоциации с освещенной и просвещенной Европой, не в пример «темной» России. Кое-где его даже стали называть парижским светом. Так «русский» свет вернулся на Родину.
Сегодня не только Париж и Петербург сияют в ночное время искусственным светом электрических ламп. Каждый мегаполис «купается» по ночам в электрическом свете. При приближении к большому городу можно за 30–50 километров увидеть
отсвет электрического освещения на облаках. Большую часть своего времени мы проводим при электрическом освещении, особенно в зимнее время. Современный человек – это человек искусственного освещения. Первое и самое главное неудобство при отключении электроэнергии мы связываем с отсутствием света. В сознании современного человека электричество и свет настолько связаны друг с другом, что их часто используют как синонимы. Кто не слышал выражение «Сегодня отключили свет!».
При массовом потреблении электроэнергии на освещение выяснились существенные недостатки ламп накаливания и дуговых ламп – большая часть их энергии излучается в невидимом, тепловом диапазоне, а КПД не превышает и 10 %. Лампы накаливания правильнее называть не лампами, а печками, так как они больше греют, чем светят. Это хорошо знает тот, кто хотя бы раз стоял на сцене под светом мощных ламп – софитов. Когда около 35 % всей потребляемой электрической энергии стало приходиться на освещение, стало очевидно, что лампам накаливания пора искать альтернативу.
Замена лампам накаливания нашлась не скоро – только в 60-е годы XX в. появились электрические лампы другого принципа действия. Это люминесцентные лампы. Электрический разряд, протекающий через инертный газ, вызывает ультрафиолетовое свечение, преобразуемое поверхностью лампы в видимое. Именно потому такие лампы иногда называют световыми трансформаторами. Они значительно экономичнее и долговечнее ламп накаливания, но имеют свои недостатки – часть выходящего из нее ультрафиолетового излучения может принести вред зрению.
Следующая световая революция может по праву называться светодиодной. Она произошла относительно недавно, и все мы являемся ее свидетелями. Теперь никто не берет в поход тяжелый фонарик с лампами накаливания, непрерывно работающий не более двух часов, в ходу легкие компактные фонарики. Две небольшие «пальчиковые» батареи обеспечивают работу такого фонарика в течение года, а яркость света при этом несравнимо больше!
Светодиоды произвели качественный скачок в световом окружении человека: они могут светиться самыми разными цветами, давать рассеянный и узконаправленный свет. Отсутствие вакуумированных баллонов и нитей накала, сверхминиатюрность, низковольтность, простота управления свечением, долговечность, надежность, ударо-, взрыво– и пожаробезопасность, экологичность – все это преимущества светодиодов. Но самое главное, что современные светодиоды по достигнутой светоотдаче (80—120 лм/Вт) во много раз превзошли лампы накаливания и некоторые типы люминесцентных источников.
Конкурентом двигателей внутреннего сгорания являются двигатели внешнего сгорания. Наиболее известен двигатель, изобретенный Робертом Стирлингом, запатентованный им в 1816 г. Двигатель внешнего сгорания является старшим братом более удачливого двигателя внутреннего сгорания. В 1845 г. на литейном заводе в Дании была пущена машина Стирлинга мощностью 50 лошадиных сил, проработавшая в течение трех лет. Но «младший брат» оказался на редкость проворным, и изобретенная Стирлингом машина была совершенно забыта.
Принцип действия этой машины заключается в том, что циклические процессы сжатия и расширения происходят при различных уровнях температур: сжатие при низкой температуре, а расширение – при высокой. Это приводит к разности давлений и, в конечном итоге, дает выигрыш в работе за один цикл. Нагрев в двигателе Стирлинга происходит не внутри цилиндра путем воспламенения смеси, а снаружи. Тепло к газу подводится извне, через стенку цилиндра. Поэтому это устройство и называется «двигатель внешнего сгорания». Принципиальное устройство его показано на рис. 4.
1 – вытеснительный поршень (далее – вытеснитель);
2 – поршень;
3 – регенератор;
верхняя нагревательная область цилиндра находится при постоянной высокой температуре;
нижняя охладительная область цилиндра находится при постоянной низкой температуре.
Рис. 4
Двигатель работает следующим образом.
I. В начальный момент вытеснитель находится в верхнем положении. Весь газ находится в области низкой температуры между поршнем и вытеснителем, поэтому он имеет низкое давление.
II. Вытеснитель остается в верхнем положении. Поршень сжимает газ при низкой температуре и при этом совершает работу.
III. Поршень остается в крайнем верхнем положении. Вытеснитель переталкивает газ из холодной полости в горячую. При этом газ, проходя через регенератор, получает от него запасенное в предыдущем цикле тепло и нагревается.
VI. Нагретый газ расширился. При этом он толкает вытеснитель с поршнем и совершает полезную работу. Это и есть рабочий такт двигателя. Так как давление в верхней части газа больше его давления в нижней части, то полезная работа перекрывает энергетические затраты на сжатие холодного газа в начальном такте.
I. Вытеснитель поднимается вверх и перемещает рабочий газ в нижнюю холодную часть цилиндра. При этом газ, проходя через регенератор, отдает ему тепло, которое будет возвращено в следующем цикле.
Затем цикл повторяется.
Движения поршня и вытеснителя в двигателе практически непрерывны, что обеспечивается посредством кривошипношатунного механизма. Таким образом, двигатель Стирлинга представляет собой поршневую машину с внешним подводом тепла, в которой рабочее тело постоянно находится в замкнутом пространстве и во время работы не заменяется.
Двигатель Стирлинга имеет неоспоримые преимущества, важность которых с ростом количества автомобилей все более повышается.
Во-первых, для подвода тепловой энергии можно использовать любой источник тепла: солнечную энергию, биотопливо, ядерную энергию, электроэнергию и проч. Поэтому для двигателя Стирлинга можно использовать и низкокачественное топливо, например, попутный газ, сжигаемый впустую в атмосфере при транспортировке нефти.
Во-вторых, в качестве рабочего тела в двигателе Стирлинга обычно функционирует воздух, гелий или водород, который используется в замкнутом цикле и не попадает в атмосферу. Поэтому выбросов отработанного газа двигатель не дает. При использовании в нагревателе экологически чистой энергии (например, солнечной) двигатель становится идеально экологичным.
В-третьих, термодинамический цикл двигателя Стирлинга обладает термическим КПД, равным максимально возможному теоретическому и составляет 30–40 %.
В-четвертых, отсутствие клапанов в основном корпусе двигателя Стирлинга и работа без периодических взрывов в цилиндрах существенно снижают, а по сравнению с двигателем внутреннего сгорания он является практически бесшумным.
В-пятых, опять же в сравнении с двигателем внутреннего сгорания, незначительны траты смазочных материалов и низка стоимость его текущей эксплуатации.
Эти достоинства позволяют прогнозировать дальнейший успех двигателя внешнего сгорания в самых разных сферах: его можно использовать для регенерации (утилизации) тепла, при получении электроэнергии. Интересны перспективы применения этого двигателя для создания искусственного сердца.
Темы для докладов и рефератов
1. Устройство и принцип действия пароатмосферной машины Ивана Ползунова.
2. Устройство и принцип действия паровоза.
3. Влияние паровых двигателей на экономическое развитие стран Европы.
4. Первые автомобили.
5. История отечественного автомобилестроения.
6. Железное «сердце» танка (устройство двигателей танков со времен Второй мировой войны и до наших дней).
7. История становления автомобильной империи Фордов.
8. Перспективы использования водородных двигателей.
9. Двигатель Стирлинга – двигатель будущего.
10. Рекорды скорости.
11. «Формула-1» – полигон технических инноваций.
12. Устройство современной автомобильной магистрали.
13. Перспективы использования электромобилей.
14. Автомобиль – компьютер с колесами.
15. Обеспечение безопасности в современном автомобиле.
16. Мировые автогиганты.
17. Влияние автомобильной промышленности на национальную и мировую экономику.
2. Устройство и принцип действия паровоза.
3. Влияние паровых двигателей на экономическое развитие стран Европы.
4. Первые автомобили.
5. История отечественного автомобилестроения.
6. Железное «сердце» танка (устройство двигателей танков со времен Второй мировой войны и до наших дней).
7. История становления автомобильной империи Фордов.
8. Перспективы использования водородных двигателей.
9. Двигатель Стирлинга – двигатель будущего.
10. Рекорды скорости.
11. «Формула-1» – полигон технических инноваций.
12. Устройство современной автомобильной магистрали.
13. Перспективы использования электромобилей.
14. Автомобиль – компьютер с колесами.
15. Обеспечение безопасности в современном автомобиле.
16. Мировые автогиганты.
17. Влияние автомобильной промышленности на национальную и мировую экономику.
Дискуссии
1. Есть ли будущее у двигателей внутреннего сгорания?
Литература
1. Ваганов А. От хомута до автомобиля. Инновации как самый древний способ управления обществом // Независимая газета. – 2006. -№ Ц-14.
2. Официальный сайт журнала «Наука и жизнь». – www.nkj.ru
2. Официальный сайт журнала «Наука и жизнь». – www.nkj.ru
2.3. Электричество
Выключили электричество, и в городе воцарилась полная тишина. Оказывается, звуки исходят не от людей.
Михаил Жванецкий
В 1663 г. немецкий физик Отто фон Герике, известный школьникам по описаниям театрализованных опытов по разделению магдебургских полушарий дюжиной лошадей, создал первый генератор, позволяющий вырабатывать электричество. Стеклянный шар, покрытый серой, раскручивали и прикасались к нему рукой. При трении между пальцами и шаром накапливалось статическое электричество, проскакивала искра.
Чтобы научиться запасать это электричество, понадобилось еще каких-то 80 лет. В 1745 г. в городе Лейдене Питер ван Мушенбрук изобрел первый электрический конденсатор, вошедший в историю как Лейденская банка. Устройство ее довольно просто: банка оклеивается проводящими листами олова (а сейчас фольги) снаружи и внутри, которые и стали прообразами обкладок будущих конденсаторов. Всем известная школьная электрофорная машина представляет, в некотором роде, совмещение двух вышеназванных изобретений: с помощью трения дисков создается статическое электричество, а накапливается оно в двух Лейденских банках.
Лейденские банки получили большую популярность при дворах европейских монархов. Использовали их для развлечения: ничего не подозревающему новичку предлагали взять банку на ладонь, а другой рукой ухватиться за стержень. Когда неведомая сила выбивала у испытуемого искры из глаз, всем остальным становилось весело. Естественно, что эти искры никоим образом не могли составить конкуренцию свету тысяч свечей в роскошных королевских люстрах.
Но были и серьезные последствия: стали искусственно получать электрическую искру, выяснили высокую электропроводность металлов. Удивительное действие электрического тока на человека привлекло внимание не только придворных бездельников, но и врачей. В конце XVIII в. стали активно использовать электричество для лечения от самых разных болезней. Сегодня попытки лечения эпилепсии или оспы с помощью электрических разрядов представляются наивными и смешными, но они все же не стоят в одном ряду с гороскопами, заклинаниями и заговорами. Современные электрокардиостимуляторы спасли и поддерживают жизни тысяч людей, имеющих проблемы с сердцем.
Первым достаточно значимым с практической точки зрения изобретением в области электричества можно назвать создание Алессандро Вольта химического источника тока в 1800 г. До этого электричество можно было получить только через электростатическую машину. Вольтов столб имеет достаточно простое устройство: два металлических электрода – медный и цинковый, между которыми помещают пропитанную раствором соли или кислоты прокладку. Окислительно-восстановительная реакция создает разность потенциалов между электродами.
За прошедшие 200 лет принципиальное устройство химических элементов ничуть не изменилось, различие заключается только в изменении материалов и в конструкционных особенностях. Но при этом, естественно, качество работы современных химических источников несравнимо выше, чем у самых первых «батареек». Современный аккумулятор является незаменимым элементом любого механизма, имеющего двигатель внутреннего сгорания. Вот самый яркий пример технического симбиоза.
Появление ноутбуков, DVD-проигрывателей, цифровых фотоаппаратов и, конечно, сотовых телефонов привело к ужесточению требований к химическим элементам питания, что стимулировало исследования в этой области. Но пока практически все используемые источники – те же элементы Вольта. Из других можно назвать попытку создания элемента питания на основе радиоактивных элементов. Основное его достоинство в том, что он может непрерывно работать до десятка и более лет, а это совершенно недостижимо для химических источников. Но высокая стоимость таких источников и проблемы безопасности эксплуатации и утилизации не позволяют им составить конкуренцию традиционным «батарейкам».
Если изобретение Вольта изначально создавалось с практическими целями, то в открытии Майклом Фарадеем явления электромагнитной индукции в 1831 г. (возникновения электродвижущей силы при изменении магнитного потока) никто практической выгоды не увидел, в том числе и сам изобретатель.
Сегодня мы можем сказать, что мало какое открытие может сравниться по практической значимости с этим. Современный мир, в котором были бы только химические источники электричества, невозможно представить. Явление электромагнитной индукции используется в счетчиках электроэнергии, в трансформаторах. Магнитная запись звука, микрофон, динамик – все это следствия открытия Майкла Фарадея. Но, пожалуй, самое значимое техническое изобретение, созданное на основе открытия Фарадея – индукционный генератор. Он представляет главный элемент всех электростанций, на конечном этапе превращающий механическую энергию в электрическую. Эти генераторы дают нам практически всю потребляемую электроэнергию.
Приоритет в постройке первой электростанции установить сложно. Одна из первых станций в несколько сотен ватт была построена в Германии в 1876 и в 1881 гг. Для вращения генератора использовали энергию реки Неккер. В этом же 1881 г. в английском городе Грейсаде тоже была пущена гидроэлектростанция. Американец Роджерс для нужд своей бумажной фабрики запустил гидроэлектростанцию в 1882 г.
В 1881 г. Эдисон строит тепловую электростанцию, а 1883 г. тепловая электростанция конструкции Эдисона вводится и в Петербурге.
В 1888 г. легендарный Никола Тесла изобретает индукционный двигатель переменного тока.
Разгорается «война» между переменным и постоянным током.
За переменный ток – компания «Вестингауз электрик», за постоянный – неутомимый Томас Эдисон. Дошло до того, что Эдисон с целью дискредитации переменного тока предложил для казни использовать электрический ток, причем только переменный, как наиболее опасный для жизни, а саму казнь назвать «вестингаузацией». Самое печальное то, что эта идея была воплощена в жизнь, и в 1890 г. состоялась первая казнь на электрическом стуле. Но технические преимущества получения и передачи переменного тока оказались важнее, чем его дурная слава. В 1891 г. немецким инженером Оскаром фон Мюллером была построена и запущена первая высоковольтная линия электропередач. Длина линии составляла 157 км, по ней передавали трехфазный ток напряжением 16 кВ. Линия соединяла одну из первых электростанций на реке Неккер с павильоном электротехнической выставки во Франкфурте-на-Майне, где работал первый в мире трехфазный двигатель Михаила Осиповича Доливо-Добровольского. Наличие переменного тока стало неотъемлемым условием любого современного здания для жилья, работы или развлечений.
Сама по себе электрическая энергия, в общем-то, не нужна. Нужны другие виды энергии, в которые она может преобразовываться. Прежде всего, человеку нужна механическая энергия, которую он раньше получал от животных и собственных мускулов, а позже от энергии рек и ветров. Поэтому изобретение электродвигателя – важный и необходимый этап использования электричества.
Прародитель электродвигателя появился еще до открытия явления электромагнитной индукции. В 1823 г. П. Барлоу описал устройство, известное как «колесо Барлоу»: подвешенный проводник одним концом опускался во ртуть, из которой выступал магнит. При пропускании тока через ртуть проводник начинал крутиться. А еще до этого Эрстед заставлял вращаться накоротко замкнутую батарейку, для чего он подвешивал ее на проволоке и подносил к ней постоянный магнит.
Но устройство, не только демонстрирующее движение проводника с током в магнитном поле, но используемое с практической целью совершения механической работы, было создано русским ученым Борисом Семеновичем Якоби в 1834 г. Он первым построил двигатель не с поступательно-возвратным движением, как было до него, а с вращательным. Его двигатель поднимал груз около 5 кг на высоту 30 см за одну секунду. Нетрудно подсчитать (Р = mgh/t), что мощность при этом будет около 15 Вт. В 1838 г. в Петербурге изобретатель показывает лодку, приводимую в движение электродвигателем.
Эра электродвигателей неумолимо приближалась, хотя на тот момент стоимость работы электродвигателя была на порядок выше (примерно в 20 раз), чем у его заслуженного парового конкурента. Если бы электродвигатели использовали непосредственно там, где производят электроэнергию, то может быть, стиральные машины и пылесосы сегодня работали бы на гальванических элементах или (о ужас!) на двигателях внутреннего сгорания. Основное достоинство электрической энергии – удобство ее транспортировки: электродвигатель качает воду где-то в Подмосковье, а использует энергию, производимую Белоярской АЭС на Урале или Шушенской ГЭС в Сибири. Но для этого было необходимо изобретение скромного и незаметного устройства-труженика – трансформатора, без которого немыслимы все современные электрокоммуникации.
Трансформатор представляет для инженеров-электриков инструмент, аналогичный рычагу в механике, но вместо преобразований силы и перемещения трансформатор преобразует напряжение и ток. Вместо отношения плеч силы количественной характеристикой трансформатора является отношение между числом витков в его обмотках.
Трансформатор (от лат. transformo – преобразовывать) – статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.
Трансформатор можно считать одним из самых совершенных технических изобретений: простота устройства, отсутствие движущихся и трущихся частей, очень высокий, близкий к стопроцентному КПД делают трансформатор образцом воплощения технической мысли. Двигателю внутреннего сгорания с его заслонками, пружинками, жиклерами и прочими многочисленными и регулярно ломающимися детальками до этого идеала не добраться никогда… Но простота трансформатора только кажущаяся, современный трансформатор – результат долгой технической эволюции, трудов множества талантливых физиков и инженеров.
Своим появлением трансформатор обязан двум важнейшим последовательно сделанным и взаимосвязанным открытиям: сначала в 1820 г. Ханс Кристиан Эрстед обнаружил магнитное поле вокруг проводника с током, а затем Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции.
Он не стал разрабатывать практическое применение своего открытия, думая, что это быстро сделают другие. А жаль, потому что к идее трансформатора, использующего явление электромагнитной индукции, так сказать «во все свои катушки», вернулись только тогда, когда столкнулись с проблемами освещения. И произошло это намного позже, почти через полвека.
Появление первого трансформатора «во плоти» можно отнести к 1848 г., когда французский механик Г. Румкорф изобрел индукционную катушку, вошедшую в историю как «катушка Румкорфа» – устройство для получения импульсов высокого напряжения. Она состоит из железного стержня, на который намотана первичная обмотка из толстой проволоки, а затем поверх ее наматывается несколько тысяч витков вторичной обмотки из очень тонкой проволоки. Первичная обмотка подсоединена к батарее химических элементов и конденсатору. Такое нехитрое устройство позволило ученым получать электрические искры длиной до 50 см!
Эти искры стали предметом изучения ученых-физиков всего мира. А Генрих Герц занялся изучением не самих искр, а окружающего их пространства и открыл и описал свойства электромагнитных волн. На основе работ Герца и было изобретено радио. Так что первый вариант скромного трансформатора произвел немалые последствия, изменившие в дальнейшем само человечество.
Датой рождения трансформатора можно считать 30 ноября 1876 г., когда Павел Николаевич Яблочков получил патент на трансформатор с разомкнутым сердечником.
Процесс совершенствования трансформатора значительно ускорился после того, как Эдисон изобрел лампы накаливания с угольной нитью, высокое сопротивление которых позволило осуществлять параллельное соединение проводников. В 1882 г. он запустил в Нью-Йорке первую промышленную систему электрического освещения. Стали требоваться надежные и экономичные устройства, повышающие и понижающие напряжение.
Создание трансформаторов с замкнутыми сердечниками братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсонами в 1884 г. позволило значительно повысить их КПД. В дальнейшем выяснилось, что и в сердечниках присутствует значительное рассеяние энергии, связанное с вихревыми поперечными токами. Для предотвращения подобных явлений сердечники стали делать непроводящими в направлении, перпендикулярном магнитным силовым линиям трансформатора. Для этого сердечники составляли из ряда плоских изолированных железных пластин.
Уже в мае 1885 г. В. Дери, Блажи и Циперновски на национальной выставке в Будапеште представили осветительную систему, состоявшую из 75 параллельно соединенных трансформаторов, подводивших питание к 1067 лампам накаливания Эдисона от генератора переменного тока с напряжением 1350 В. Трансформаторы имели тороидальные железные сердечники. Это была осветительная система, заложившая основу построения всех современных осветительных сетей.
Вестингауз, Уильям Стенли, Шелленберг и Альберт Шмид (США) в конце 1885 г. приступили к усовершенствованию трансформатора. Главная цель заключалась в удешевлении его промышленной сборки, так как сборка венгерского тороидального трансформатора была делом непростым и затратным. В итоге Стэнли предложил изготавливать железные пластины в форме буквы Ш, чтобы центральный стержень можно было легко вставлять в заранее намотанную катушку. Ш-образные пластины укладывались в чередующихся противоположных направлениях, а на концы пластин укладывались прямые железные полоски для замыкания магнитной цепи. Такая конструкция трансформатора оказалась удачной и применяется до сих пор.
Но на этом история совершенствования трансформаторов не заканчивается. Дело в том, что сердечники первых трансформаторов состояли из тонких пластин листовой стали и характеризовались значительными потерями на перемагничивание, что уменьшало коэффициент полезного действия трансформатора. Только в начале 1900-х годов удалось добиться значительного успеха в уменьшении потерь такого рода. Английский исследователь-металлург Роберт Хедфилд разработал специальную трансформаторную сталь с добавками кремния, использование которой уменьшало потери на перемагничивание.
Затем в начале 30-х годов XX в. американский металлург Норман П. Гросс установил, что при комбинированном воздействии проката и нагревания у кремнистой стали появляются требуемые магнитные свойства в направлении прокатки: магнитное насыщение увеличивалось на 50 %, потери на гистерезис сокращались в 4 раза, а магнитная проницаемость возрастала в 5 раз.
Современные трансформаторы превосходят своих «предков», созданных к началу XX столетия, по мощности в 500, а по напряжению в 15 раз; их масса в расчете на единицу мощности снизилась приблизительно в 10 раз, а коэффициент полезного действия близок к 99 %. Но процесс совершенствования трансформаторов не закончился, появление новых материалов, открытие явления сверхпроводимости, использование полупроводников, пластика и т. п. – все это немедленно сказывается на трансформаторе – главном трудяге современных электрических сетей.
Как видно из таблицы в начале параграфа, вклад российских ученых в мировую электрификацию оказался весьма впечатляющим. На исходе XIX в. они были признанными лидерами в области электротехники. Использование этого научного потенциала и мобилизация всей страны после Октябрьской революции и Гражданской войны позволили большевикам в невиданные до этого сроки осуществить электрификацию страны. Производство электроэнергии в СССР в 1930 г. по сравнению с 1913 г. возросло более чем в 14 раз! Правда, достигнуто это было непосильным трудом миллионов добровольцев и заключенных. Но это стало решающим фактором превращения Союза Советских Социалистических Республик в крупную промышленную державу.
Темы для докладов и рефератов
1. История эволюции конденсаторов.
2. История развития «батарейки».
3. Вклад русских ученых в электроэнергетику.
4. Потребление электроэнергии на душу населения как один из главных факторов качества жизни.
5. План ГОЭЛРО – залог становления СССР.
6. Величайшие электростанции мира.
7. Саяно-Шушенская ГЭС – одна из крупнейших электростанций мира.
8. Общая структура электроснабжения вашего населенного пункта.
9. Современная высоковольтная линия электропередач – сложное техническое устройство.
2. История развития «батарейки».
3. Вклад русских ученых в электроэнергетику.
4. Потребление электроэнергии на душу населения как один из главных факторов качества жизни.
5. План ГОЭЛРО – залог становления СССР.
6. Величайшие электростанции мира.
7. Саяно-Шушенская ГЭС – одна из крупнейших электростанций мира.
8. Общая структура электроснабжения вашего населенного пункта.
9. Современная высоковольтная линия электропередач – сложное техническое устройство.
Дискуссии
1. Сотовая энергетика – энергетика будущего?
Литература
1. Надеждин Н.Я. История науки и техники. – Ростов н/Д: Феникс, 2006.
2. Официальный сайт журнала «Наука и жизнь». – www.nkj.ru
2. Официальный сайт журнала «Наука и жизнь». – www.nkj.ru
2.4. Освещение
Учитель:
– Дети, какие части света вы знаете?
– Части света? – переспрашивает ученик. – Выключатель, лампочка, провода.
NN
Газовое освещение было неудобным, дорогим и небезопасным. Революция в деле ночного освещения произошла с изобретением Александром Николаевичем Лодыгиным в 1872 г. электрической лампочки накаливания. Источником свечения в ней являлся тонкий угольный стерженек, светящийся при пропускании через него электрического тока.
Изобретение Лодыгина попадает в руки Эдисону. Со свойственной ему энергией и при наличии финансов американский предприниматель очень быстро усовершенствует лампу и тут же начинает промышленное производство в Америке.
В 1876 г. Павел Николаевич Яблочков получает патент на изобретенную им электрическую свечу. В его лампочке светится газ электрической дуги. На Всемирной выставке в Париже в 1878 г. свеча демонстрируется с большим успехом.
Париж переходит с газового освещения на электрическое, а свет дуговых ламп стал называться во Франции «русским светом». Правда, потом усовершенствованные в Европе лампы стали появляться в России и вызывали у населения ассоциации с освещенной и просвещенной Европой, не в пример «темной» России. Кое-где его даже стали называть парижским светом. Так «русский» свет вернулся на Родину.
Сегодня не только Париж и Петербург сияют в ночное время искусственным светом электрических ламп. Каждый мегаполис «купается» по ночам в электрическом свете. При приближении к большому городу можно за 30–50 километров увидеть
отсвет электрического освещения на облаках. Большую часть своего времени мы проводим при электрическом освещении, особенно в зимнее время. Современный человек – это человек искусственного освещения. Первое и самое главное неудобство при отключении электроэнергии мы связываем с отсутствием света. В сознании современного человека электричество и свет настолько связаны друг с другом, что их часто используют как синонимы. Кто не слышал выражение «Сегодня отключили свет!».
При массовом потреблении электроэнергии на освещение выяснились существенные недостатки ламп накаливания и дуговых ламп – большая часть их энергии излучается в невидимом, тепловом диапазоне, а КПД не превышает и 10 %. Лампы накаливания правильнее называть не лампами, а печками, так как они больше греют, чем светят. Это хорошо знает тот, кто хотя бы раз стоял на сцене под светом мощных ламп – софитов. Когда около 35 % всей потребляемой электрической энергии стало приходиться на освещение, стало очевидно, что лампам накаливания пора искать альтернативу.
Замена лампам накаливания нашлась не скоро – только в 60-е годы XX в. появились электрические лампы другого принципа действия. Это люминесцентные лампы. Электрический разряд, протекающий через инертный газ, вызывает ультрафиолетовое свечение, преобразуемое поверхностью лампы в видимое. Именно потому такие лампы иногда называют световыми трансформаторами. Они значительно экономичнее и долговечнее ламп накаливания, но имеют свои недостатки – часть выходящего из нее ультрафиолетового излучения может принести вред зрению.
Следующая световая революция может по праву называться светодиодной. Она произошла относительно недавно, и все мы являемся ее свидетелями. Теперь никто не берет в поход тяжелый фонарик с лампами накаливания, непрерывно работающий не более двух часов, в ходу легкие компактные фонарики. Две небольшие «пальчиковые» батареи обеспечивают работу такого фонарика в течение года, а яркость света при этом несравнимо больше!
Светодиоды произвели качественный скачок в световом окружении человека: они могут светиться самыми разными цветами, давать рассеянный и узконаправленный свет. Отсутствие вакуумированных баллонов и нитей накала, сверхминиатюрность, низковольтность, простота управления свечением, долговечность, надежность, ударо-, взрыво– и пожаробезопасность, экологичность – все это преимущества светодиодов. Но самое главное, что современные светодиоды по достигнутой светоотдаче (80—120 лм/Вт) во много раз превзошли лампы накаливания и некоторые типы люминесцентных источников.
Конец бесплатного ознакомительного фрагмента