Кто придумал переменный ток | Электрик в Киеве
Электропроводка в квартире, доме стала обязательным атрибутом в наше время. Кажется все просто: звоним мастеру-электрику, говорим, где и сколько установить розеток и светильников и всё. Мы уже не задумываемся, как электрическое освещение пришло в наш дом. При этом, с каждым годом все больше инноваций входят в нашу повседневную жизнь. Например, взять системы освещения с помощью светодиодных ламп. Еще совсем недавно это было новшество.
В данной статье, хотелось бы заострить внимание лишь на небольшой отрезок времени, а именно середину — конец 19 века. Именно в это время был открыт переменный многофазный ток, которым мы пользуемся до сих пор.
Реклама лампы Эдисона: никакой опасности, дыма или запахаНачнем с времени, когда уже существовали генераторы электрического тока, которые устанавливались для подачи электроэнергии отдельно взятого дома (домов), для освещения улиц.
В 19 веке были широко распространены электродвигатели и генераторы постоянного тока.
В 1884 году произошла первая встреча еще никому неизвестного Н.Теслы и Т.Эдисона. Но удачного тандема двух талантливых людей не получилась, а превратилась в антагонизм.
Тесла и ЭдисонКогда Тесла уволился, несколько лет жил в нищете, после чего его дела постепенно пошли в гору. Суть в том, что у Никола Тесла были разногласия с Томасом Эдисоном по поводу типа тока, который использовать для эксплуатации. Эдисон делал упор на использование постоянного тока, а Тесла – переменного. С этого момента и началась так называемая война токов.
Переменный ток, в отличие от постоянного, непрерывно изменяется как по величине, так и по направлению. Эти изменения называются частотой.
Но самое важное в том, что электростанции постоянного тока, используя обычное напряжение, могут передавать электроэнергию в радиусе не больше мили.
Это означает, что для того, чтоб осветить город, нужно было бы построить целую сеть местных электростанций. С переменным током все иначе: для того, чтоб осветить город, нужна одна большая электростанция.
К 1887 году, в Америке уже работало около сотни электростанций постоянного тока. Постоянный ток не имеет частоты и не меняет направление, его генераторы гораздо легче подключаются и он удобнее для аккумулирующих станций. Но у постоянного тока есть один огромный недостаток: из-за потерь мощности в проводах, его крайне сложно и дорого передавать на большие расстояния.
Тесла начал разрабатывать новый тип генератора и двигателя с другим видом тока. Кстати, он же придумал использовать землю как проводник. Этими его открытиями мы пользуемся до сих пор.
Известный промышленник, Джорж Вестингауз, хорошенько изучив патент Эдисона, пришел к выводу, что разработанные Теслой, который был менее известным, генераторы переменного тока более рентабельны.
К слову, приблизительно в то же время, была принята новая единица измерения мощности, которой мы пользуемся до сих пор : Ватт.
Кроме вышеизложенного, хотелось бы упомянуть некоторые любопытные открытия Тесла, о которых мало кто знает.
Тесла выполнял много экспериментов с током высокой частоты и доказал, что ток с частотой выше 700 герц, то ток протекает по поверхности тела и является безопасным для человека.
Он же первый продемонстрировал модель радиоуправляемой лодки
Также, на видео можно увидеть, как работает фактически никуда не подключенная лампа благодаря трансформатору Тесла
Никола Тесла умер 7 января 1943 года при загадочных обстоятельствах.
В номере отеля спецслужбы провели обыск, в ходе которого были изъяты все бумаги Теслы. Позже было объявлено, что записи содержат исключительно философские размышления ученого. Однако до сих пор многие исследователи считают, что наиболее важные изобретения Николы Теслы были засекречены. Среди них бестопливный генератор энергии, беспроводная передача энергии, телепортация, искусственный интеллект, боевые лазеры
Статья создана по мотивам документального фильма:
Да будет свет Два гения поссорились из-за лампочки. Их война изменила весь ХХ век: Кино: Культура: Lenta.ru
«Войной токов» называют борьбу передовых американских инженеров и предпринимателей конца XIX века за электрификацию и освещение городов.
В противостоянии приняли участие изобретатели Томас Эдисон и Никола Тесла, ставшие знаменитостями еще при жизни, а со сменой эпох превратившиеся в персонажей почти мистических. 5 декабря в прокат выходит фильм «Война токов» с Бенедиктом Камбербэтчем и Николасом Холтом. Как конфликт гениальных умов раскрывается в картине и как он разворачивался на самом деле — в материале «Ленты.ру».
1880 год. Группа хорошо одетых, состоятельных мужчин под покровом ночи пробирается по грязному полю в деревне Менло-Парк, Нью-Джерси. Внезапно поле освещается десятками электрических лампочек, выдавая силуэт. «Чековые книжки принесли?» — со смехом интересуется у инвесторов Томас Эдисон (Бенедикт Камбербэтч). У изобретателя за спиной уже немало важных изобретений, в их числе — аппарат, способный записывать и воспроизводить человеческий голос. Новая игрушка поражает воображение американцев и делает его звездой — благодаря фонографу Эдисон получает аудиенцию президента США. Эту встречу он использует для продвижения новой задумки — он хочет дать электрический свет в дома целого района в Нью-Йорке, а затем — и во всей Америке.
Однако конкуренты Эдисона не сидят сложа руки: Джордж Вестингауз (Майкл Шеннон), глава компании «Вестингауз Электрик», обнаруживает несовершенство в системе освещения Эдисона — тот использует цепи постоянного тока с низким напряжением, из-за чего система не работает на больших расстояниях. Вестингауз предлагает передавать электроэнергию с минимальными потерями при помощи переменного тока. Сотрудничать с Вестингаузом Эдисон, уязвленный вежливыми попытками наладить партнерство, напрочь отказывается и развязывает с ним противостояние, вошедшее в историю как «Война токов».
Изобретатель игнорирует настойчивое предложение своего сотрудника Николы Теслы (Николас Холт) создать двигатель для переменного тока (тот в результате ссоры покидает «Эдисон Электрик» и впоследствии пытается выпускать изобретения самостоятельно), заваливает Вестингауза судебными исками, манипулирует прессой и активно борется за рынок. «Он ищет иголки в стогах сена. Он настолько сильно хочет найти иголку первым, что готов перебирать стога по соломинке.
А на деньги ему глубоко наплевать», — объясняет Вестингаузу мотивы Эдисона его приятель Фрэнк Поуп (Стэнли Таунсенд).
О том, что деньги для Эдисона не главное, утверждают не только в фильме — сам изобретатель заявлял, что куда важнее финансового успеха для него обогнать конкурентов. Впрочем, одно от другого неотделимо — в эпоху «патентной лихорадки» скорость разработки новых технологий уже стала фактором, определяющим прибыльность деятельности предпринимателей. Для Эдисона, получавшего немалую часть дохода с патентных отчислений, переход на переменный ток означал бы финансовый крах. И потому было бы лукавством утверждать, что изобретатель действовал так чисто из упрямства — хотя именно в этом его обвиняют в фильме и Вестингауз, и даже верный помощник Сэмюэль Инсулл (Том Холланд).
Истинную причину, по которой велась «Война токов», — движение капитала — режиссер Альфонсо Гомес-Рехон показывает ненавязчиво, однако пронизывает ею весь фильм. Делает он это через многочисленных безымянных инвесторов, постоянно нависающих над изобретателями, требующих от них что-то или же тыкающих им палки в колеса.
Именно деньги ставят точку в конфликте — побеждает наиболее экономически выгодная система. Яростная конкуренция заставляет Эдисона столкнуться с моральной дилеммой: до этого отказывавшийся разрабатывать оружие для правительства изобретатель начинает убивать животных при помощи генераторов переменного тока (собрав прессу, он представляет первое в истории «вестингаузирование лошади»), а затем и вовсе тайком придумывает электрический стул, «работающий на токе» конкурента.
Тем не менее Гомесу-Рехону куда интереснее оказалось развеивать ореол, окружающий образ изобретателя, — и речь даже не конкретно об Эдисоне. «Война токов» развернулась во времена, когда Соединенные Штаты были одержимы самой концепцией изобретательства. Создание новых аппаратов и улучшение уже существующих превратилось чуть ли не в национальную идею все еще довольно молодой страны, а сами изобретатели стали знаменитостями наподобие сегодняшних поп-звезд. Фильм развенчивает культы личности гениальных умов, заглядывая за завесу мистики и пафоса, которую они сами настойчиво создавали вокруг себя еще при жизни, пользуясь общественным вниманием и манипулируя прессой, и которая обрастала еще большими заблуждениями и мифами после их кончины.
«Ты не изобрел лампу накаливания», — в момент спора бросает Эдисону помощник Инсулл. «Все мы вносим вклад, вот что такое изобретения», — соглашается тот.
Томас Алва Эдисон (Бенедикт Камбербэтч)
Томас Эдисон не получил ни профессионального, ни даже общего образования. Он обучался на дому, работал разносчиком газет, а затем — в возрасте всего 15 лет — устроился телеграфистом. Еще в подростковом возрасте он начал терять слух, что, по его словам, позволяло ему оставаться наедине со своими мыслями, не отвлекаясь на шум от телеграфных аппаратов. Именно на этой работе Эдисон тесно познакомился с принципами действия электричества. Его не оставляли идеи улучшить телеграф, и с 22 лет он занялся их контрактной разработкой в Нью-Йорке. Среди его достижений — автоматический телеграф, увеличивший скорость передачи с 50 до 200 слов в минуту, квадруплексный телеграф, передававший по четыре сообщения за раз, тикерный аппарат для передачи котировок акций. На деньги, полученные от изобретений, Эдисон открыл лабораторию в деревне под названием Менло-Парк.
«Небольшое изобретение каждые десять дней и что-нибудь крупное раз в месяц», — такую задачу он поставил перед своими подчиненными.
В это время Александр Белл представил миру первый телефон — аппарат, суливший крах телеграфной индустрии. Эдисон за несколько месяцев разработал улучшенную версию изобретения Белла, способную передавать более четкий звук на более дальние расстояния. В процессе разработки он также набрел на идею фонографа, способного впервые в истории записывать и воспроизводить человеческий голос. Белл впоследствии кусал локти — настолько простым был принцип работы аппарата, который он проглядел, создавая телефон. Благодаря изобретению Эдисон прослыл «чародеем из Менло-Парка» и обрел народную любовь, чем не преминул воспользоваться. Он ловко управлялся со своей известностью, давая многочисленные презентации прессе и ведя переписку с инвесторами, из которых вытягивал деньги на свои нужды. Тогда же его захватила идея внедрить электрический свет в дома.
Эдисон действительно не был изобретателем лампочки — соответствующий патент был зарегистрирован за несколько десятков лет до него.
Да и электрическое освещение уже существовало, только применялось оно лишь на улицах — те освещали при помощи дуговых ламп, однако свечение было настолько мощным, что на них оказалось невозможно смотреть, да и рядом находиться было некомфортно. Квартиры, в свою очередь, освещались газовыми лампами, которые пахли, нагревали комнаты и были недостаточно яркими. Как и в случае с телеграфом и телефонией, Эдисон взял чужие наработки и внес в них значительные улучшения. А в случае с освещением дорабатывать нужно было уйму всего — помимо разработки лампочки, которая не перегорала за десять минут, нужно было оптимизировать для нее патрон и целую систему доставки электричества. Для питания Эдисон использовал постоянный ток.
Томас Эдисон
Фото: Granger / Diomedia
Джордж Вестингауз (Майкл Шеннон)
Параллельно с разработками Эдисона, основавшего «Эдисон Электрик Лайт» и запатентовавшего всю систему производства и распространения постоянного тока вкупе с долгоживущей лампочкой, «Вестингауз Электрик» предлагала освещать города, используя более экономичную технологию с переменным током, — она позволяла при помощи трансформаторов повышать электрическое напряжение для доставки энергии на большие расстояния, а затем — понижать для использования в быту.
Эдисон не мог делать это с постоянным током, и потому потребители оказывались привязаны к территории вблизи электростанций.
Борьба за право электрифицировать города вынудила Эдисона заниматься черным пиаром. Вестингауз обвинял конкурента в том, что тот спонсировал демонстрации убийств бродячих собак при помощи его генераторов и стоял за созданием электрического стула, предназначенного для «гуманной» казни преступников переменным током — в газетах, освещавших аппарат, зачастую фигурировало имя Вестингауза, что вредило его кампании по электрификации. Более того, электрифицированные при помощи переменного тока города украшали сотни проводов, висевших на открытых электролиниях. В 1888 году на атлантическое побережье США обрушился масштабный снежный шторм, поваливший столбы, из-за чего погибли люди.
Решающим в «Войне токов» стало изобретение Николой Теслой индукционного двигателя переменного тока, который тот продал Вестингаузу. Благодаря этому предприниматель смог усовершенствовать свою систему, сделав ее еще более экономически выгодной.
В 1893 году Вестингауз выиграл контракт на освещение Чикагской научной выставки, продемонстрировав всему миру, что его система — дешевая, эффективная и не несет смерть, как уверял Эдисон.
Никола Тесла
Фото: Science Source / New York Public Library / Diomedia
Никола Тесла (Николас Холт)
Вокруг инженера-изобретателя сербского происхождения ходит немало мифов, и отчасти это заслуга самого Теслы, кормившего сказками журналистов и потенциальных партнеров. Родившись в семье серба-священника в Австрийской империи, получив образование и поработав в разных городах Европы, он эмигрировал в США и к середине 1880-х устроился инженером по ремонту двигателей и генераторов в компанию Эдисона. С ним Тесла перессорился, когда тот не выплатил обещанный крупный гонорар за многочисленные улучшения созданных американцем аппаратов. Более того, изобретатель, поглощенный идеей освещения городов при помощи постоянного тока, холодно воспринял желание Теслы использовать генераторы и силовые установки переменного тока.
Тот попытался основать собственную компанию, что, однако, закончилось неудачей. Несмотря на массовое заблуждение о том, что «Война токов» велась между Эдисоном и Теслой, главным противником американского изобретателя был все же Вестингауз. Именно он и втянул Теслу в патентную борьбу с Эдисоном, спонсируя его разработки в области передачи переменного тока. Найдя союзника в лице Вестингауза, Тесла впоследствии использовал свои генераторы на гидроэлектростанции Ниагарского водопада.
Как и Эдисон, Тесла использовал славу гениального изобретателя для привлечения инвестиций в новые разработки. Особенно его увлекала идея беспроводной передачи электричества. Для исследований в этой области Тесле даже пришлось обманывать инвесторов — те, впрочем, в итоге все равно оставили его, а разработки так и не увенчались успехом. В беседах с прессой Тесла любил хвастаться, что спит по два часа в сутки, что при помощи своего механического осциллятора может расколоть Землю, а также объявил себя создателем энергетического оружия, способного убивать «лучами смерти».
Стоит ли объяснять, насколько рады журналисты были получить подобные громогласные заявления от именитого изобретателя? После смерти Теслы ему также стали приписывать участие в мифическом Филадельфийском эксперименте и даже называли виновником взрыва в районе реки Подкаменной Тунгуски в 1908 году.
Официально «война токов» закончилась в конце ноября 2007 года с окончательным переходом Нью-Йорка с постоянного тока на переменный. При этом первый продолжает широко использоваться в технике, да и говорить о войне, в которой уже не участвуют ни яркие личности, ни даже предприятия, попросту бессмысленно. Вестингауз и Тесла за свои заслуги были награждены медалями Института инженеров электротехники и электроники. Эти медали носят имя Томаса Эдисона. А сам изобретатель-самоучка из всех троих и на сегодняшний день остается наиболее известным историческим персонажем в Америке.
«Война токов» выходит в российский прокат 5 декабря. Билеты можно купить здесь
История переменного тока, открытия и использования
Переменный ток — это один из двух типов электрического тока, с помощью которого можно передавать электричество.
Генераторы переменного тока производят электричество переменного тока. Генераторы переменного тока преобразуют механическую энергию в электрическую.
Определение электричества, его производство…
Пожалуйста, включите JavaScript
Определение электричества, его производство — солнечный, химический и другой источник
При промышленном использовании электричества в девятнадцатом веке использовалась электрическая система постоянного тока. Однако с изобретением переменного тока ученым Николой Теслой мир снова перевернулся.
Кто открыл электродвижущую силу?
Открыт британцем Майклом Фарадеем в 1831 году. Фарадей заметил, что проводник, вращающийся параллельно в магнитном поле, генерирует постоянный электронный поток.
В результате мы можем совершать механическую работу с этим флюсом.
Это открытие было связано с электромагнитной индукцией, и было показано, что электрические поля и магнитные поля действуют одинаково (электромагнитная сила). Несколько десятилетий спустя Джеймс Клерк Максвелл выразил это открытие фундаментальными уравнениями.
Кто разработал систему распределения переменного тока?
Никола Тесла был первым человеком, который предложил осуществлять распределение электроэнергии с помощью переменного тока. В тот момент он работал в компании Томаса Альвы Эдисона.
В 1887 году Николе Тесле удалось построить первый прототип асинхронного двигателя. Это сработало благодаря особому типу электрического тока, в котором электроны меняют свое направление в соответствии с повторяющимися чередованиями.
Тесла понял, что генераторы переменного тока испускают электрический поток, меняющий полярность несколько раз в течение определенного периода времени.
Неудобная передача электроэнергии постоянного тока
Основная проблема заключалась в том, чтобы найти эффективный способ транспортировки электроэнергии от электростанций.
В то время электрический ток распределялся так же, как и в динамо-машинах: постоянный ток. В результате поток электронов никогда не менял направления, а положительные и отрицательные полюса оставались неизменными во времени.
Распределение постоянного тока создает проблему, заключающуюся в том, что на больших расстояниях электрический кабель нагревается и вызывает рассеяние. Таким образом, для компенсации этой проблемы необходимо увеличение силы тока, увеличение затрат и потери энергии.
С другой стороны, системы переменного тока позволяют повышать напряжение и распределять его на большие расстояния без значительных потерь энергии.
Распределение переменного тока (AC)
Этот новый тип тока может значительно снизить потери энергии на большие расстояния за счет увеличения напряжения, что делает его более эффективным.
Повышенное напряжение опасно для живых существ. Поэтому необходимо снижать напряжение перед его раздачей в домах или на предприятиях через трансформатор.
Первый трансформатор для этой цели разработали Люсьен Голар и Джон Диксон Гиббс.
Трансформатор позволяет довести разность потенциалов (напряжение) до очень высоких уровней (высокое напряжение) и уменьшить силу тока до неглубоких значений.
Физик Уильям Стэнли пытался решить ту же проблему в 1885 году. Он повторно использовал принцип индукции для передачи переменного тока между двумя электрически изолированными цепями. Однако особого успеха это не имело. Таким образом, система, используемая сегодня, была разработана Николой Теслой.
Почему распределение электроэнергии осуществляется на переменном токе?
Основные причины:
Тесла предложил своему боссу Эдисону, основателю General Electric, принять систему распределения переменного тока для решения проблемы передачи на большие расстояния. Однако Эдисон отказался по экономическим причинам. Изобретенная им распределительная система была единственной, которая использовалась на заводах, а General Electric обладала коммерческой монополией.
Однако преимущества системы Теслы позволили взять верх над DC Томаса Эдисона. Это борьба в известной «войне токов». В битве токов главное было решить, какую систему токов лучше внедрить в Соединенных Штатах.
Компания Вестингауза купила патенты Теслы на систему питания переменного тока. Затем он выиграл несколько тендеров на поставку электроэнергии, например, наиболее значительную часть контракта на строительство гидроэлектростанции Ниагара-Фолс. Коммерческие системы распределения электроэнергии постоянного тока быстро пришли в упадок в 20 веке. Последнее электрическое освещение постоянного тока в Нью-Йорке было отключено в 2007 г.
Распространение систем переменного тока (AC) благодаря использованию трансформатора. Таким образом, мощность сохраняется неизменной при передаче ее на большие расстояния.
Почему переменный ток победил в войнах за электроэнергию
Недавно я закончил книгу Empires of Light Джилл Джоннес о «Войне электрических токов» — переменного тока против постоянного, — которая происходила во время становления электроэнергетики в конец 1800-х годов.
Это обычная история в области технологий: два конкурирующих стандарта, каждый из которых является ярым сторонником. Но округ Колумбия был обречен с самого начала — не из-за отсутствия сторонников, поскольку его поддерживал всемирно известный Томас Эдисон, а из-за физики и экономики.
Однако электричество тесно связано с силой магнетизма. Каждый может индуцировать другой: электрический ток создает магнитное поле, а магнитное поле может создавать электрический ток.
К концу 1800-х электричество стало источником энергии, конкурирующим с углем и нефтью. Применениями, как и в случае с любой формой энергии, были механическая энергия (в виде электродвигателя), тепло и особенно свет. Освещение было «убийственным приложением» ранней электротехнической промышленности — единственным приложением, которое было настолько ценным, что оно стимулировало развитие технологии и инвестиции в инфраструктуру.
Первые электрические фонари, однако, оставляли желать лучшего. Первоначальной технологией была дуговая лампа, в которой электрическая дуга прыгала по воздуху между двумя угольными стержнями. Это производило очень яркий белый свет, резкий и ослепляющий.
Его можно было использовать для стадионов, театров и крупных торговых улиц, но не для домов или офисов.
Томас Эдисон увидел дуговую лампу и сразу понял, что электрическое освещение может революционизировать повседневную жизнь. Но у него было видение, чтобы понять, что огромные рыночные возможности были не в дуговом освещении, а в создании менее интенсивного источника света, который можно было бы использовать в любой комнате. Уже известный и достаточно богатый, чтобы проводить множество экспериментов в своей лаборатории в Менло-Парке, Эдисон начал большие усилия в области исследований и разработок, чтобы создать практичную электрическую лампочку, которая стала его самым легендарным изобретением, определившим его карьеру.
Лампы накаливания были продемонстрированы до Эдисона, но они еще не применялись: они перегорали слишком быстро.
Вклад Эдисона заключался в создании прочной лампочки со здоровым свечением. Одним из ключевых открытий стала важность создания вакуума в колбе. Еще одним важным элементом была нить накала; Лаборатория Эдисона испытала тысячи материалов, чтобы найти нить накала, которая могла бы гореть в течение многих часов. Практичная лампочка позволила электрическому свету заменить домашнее освещение керосином или природным газом.
Электрическое освещение было чище, чем газовые или керосиновые лампы, а электродвигатели были гораздо чище любого двигателя внутреннего сгорания (просто представьте себе использование домашней посудомоечной машины, холодильника или пылесоса, работающего на масле или угле). Но чтобы получить эти преимущества, изобретателям пришлось решить проблему распространения. Первая система домашнего освещения была установлена в особняке банкира Дж. П. Моргана и зависела от парогенератора, построенного в небольшом здании на его территории за пределами дома, с постоянным обслуживающим персоналом для его обслуживания.
(Дежурный уходил с дежурства в 23:00, и если семья Моргана ложилась спать поздно, свет выключался без предупреждения, заставляя их искать свечи в темноте.) Чтобы установить лампочку в домах менее богатых, чем у Моргана, Эдисон планировал целая система центральных генераторов и сеть распределения электроэнергии.
Но возникла проблема. Энергия терялась в самих линиях электропередач. Это неизбежно происходит всякий раз, когда ток протекает через сопротивление (и даже самые лучшие линии электропередач имеют некоторое сопротивление). Из-за этого система Эдисона по-прежнему была ограничена радиусом примерно в полмили, что делало ее подходящей только для очень плотных городских районов, где в этом маленьком кругу было бы много потребителей освещения. В других местах это никогда не будет экономически выгодным.
Строгие ограничения по расстоянию также сделали невозможным использование естественных источников энергии, таких как водопады. На протяжении тысячелетий фабрики использовали энергию воды через мельницы.
Но поскольку у нас нет способа эффективно передавать механическую энергию на большие расстояния, эти мельницы всегда были сильно ограничены географически: они должны были быть по р. Электричество давало обещание окончательно преодолеть эти географические ограничения и обеспечить настоящую передачу электроэнергии на большие расстояния — если только мы сможем решить проблему потери мощности.
К счастью, решение появилось — буквально, потому что корень решения находится в форме тока.
Давайте еще раз посмотрим, как работает электрогенератор. Основной метод заключается в вращении магнита рядом с катушкой проволоки. Магнит вращается за счет механической энергии, такой как водопад или паровая турбина (в последнем случае сам пар может исходить из любого источника топлива, от угля до газа и атомной энергии). Вращение магнита создает изменяющееся магнитное поле, которое в соответствии с фундаментальными законами физики создает электрическое поле, которое, в свою очередь, заставляет электричество двигаться по проводу.
Поскольку магнит вращается по кругу, его магнитное поле тоже вращается, и это создает не постоянное электрическое поле, а переменное, которое, в свою очередь, создает переменный ток (AC). Вместо того, чтобы течь в постоянном направлении, как вода по трубе, электроны колеблются в проводе вперед и назад. (Вас может удивить, что это колебание на коротком расстоянии обеспечивает передачу энергии на большие расстояния, но это так, потому что колебательное движение распространяется по проводу подобно волне. Так же, как звуковые волны могут достигать ваших ушей за много миль, даже если никакие молекулы воздуха фактически дошли до вас от источника, поэтому электрическая энергия может быть получена из движения электронов в месте назначения, даже если ни один отдельный электрон не прошел весь путь от генератора.)
Однако во времена первых генераторов единственным существующим электродвигателям требовался постоянный ток (DC), который двигался в постоянном направлении.
Таким образом, эти генераторы преобразовывали переменный ток в постоянный (используя более сложную конструкцию генератора, в которой использовались щеточные контакты).
Как постоянный, так и переменный ток вполне могут зажечь лампочку. И то, и другое можно было сгенерировать достаточно легко (хотя генератор переменного тока был более элегантным, без щеточных контактов). Преимущество постоянного тока в электродвигателях было нивелировано, когда гениальный инженер Никола Тесла изобрел двигатель переменного тока (он зависел от «многофазного» переменного тока, то есть множественных переменных токов, где чередования были не в фазе друг с другом). Настоящая, непреодолимая разница была в передача , потому что здесь переменный ток может сделать то, чего никогда не сможет сделать постоянный ток, что-то, что решит проблему междугородных линий электропередач и установит его в качестве электрического стандарта.
Чтобы понять этот магический трюк, нам нужно еще немного вернуться к физике электромагнетизма.
Любая линия электропередачи имеет несколько основных физических характеристик. Ток — это скорость, с которой электрический заряд течет по проводу: буквально, сколько электронов в секунду проходит мимо определенной точки. напряжение — это своего рода электрическое «давление», прикладываемое к проводу: чем больше напряжение, тем больше ток. Сопротивление аналогично трению, которое работает против тока. Когда ток протекает через сопротивление, энергия теряется, так же как энергия теряется на трение в механической системе. Количество энергии, теряемой в секунду, пропорционально сопротивлению и квадрату силы тока. Таким образом, чтобы свести к минимуму потери энергии, мы должны минимизировать как сопротивление, так и ток.
Чтобы минимизировать сопротивление, вы можете использовать материал с низким сопротивлением, например серебро или медь. Серебро немного менее резистивно, но намного дороже, поэтому на практике используется медь. Вы можете сделать провода толще, потому что сопротивление обратно пропорционально площади поперечного сечения, но при этом используется больше материала, что опять же дороже.
Таким образом, сопротивление может быть снижено лишь на определенную величину, и с каждой милей оно становится все хуже, поскольку оно пропорционально длине провода.
Другой способ свести к минимуму потери энергии — уменьшить ток. Но провода по-прежнему должны передавать энергию, а передаваемая мощность пропорциональна силе тока, умноженной на напряжение. Следовательно, чтобы доставить заданное количество энергии с малым током, вам нужно высокое напряжение.
Но здесь мы сталкиваемся с другой проблемой. Очень высокое напряжение не подходит для бытового использования. Для типичного повседневного использования вам нужна электрическая мощность около ста вольт (сегодня стандарт США составляет номинальное напряжение 120 В; в Европе используется 220 В). Для передачи электроэнергии на большие расстояния вам нужны тысячи вольт и более (в современных линиях используется до 765 000 вольт!). может представлять опасность поражения электрическим током или возгорания. Но если вы попытаетесь запустить линии электропередач всего лишь на сотни вольт, вы потеряете слишком много энергии на сопротивление.
Как решить эту головоломку? Через почти волшебное устройство, называемое трансформатором, которое может преобразовывать низковольтную мощность в высоковольтную и обратно. И работает только с переменным током.
Схема электрического трансформатора БиллК / Викимедиа Электрический трансформатор dimitrisvetsikas1969 / Pixabay Кажущаяся магия трансформатора в том, что низковольтный и высоковольтный провода даже не соприкасаются. Вместо этого мощность передается через электромагнитную индукцию, явление, открытое Фарадеем в 1830-х годах. В трансформаторе две катушки проволоки намотаны на железный сердечник. Поскольку ток в одной катушке переменный, железо становится электромагнитом переменного тока. Затем переменное магнитное поле создает переменный электрический ток в другой катушке провода. Но если количество витков в двух катушках разное, то и напряжение во второй катушке будет другим — выше или ниже в зависимости от того, больше или меньше витков во второй катушке, чем в первой.
Это работает с переменным током, потому что изменяющееся магнитное поле индуцирует электрическое поле, но стационарное магнитное поле не , поэтому это не работает с постоянным током. Это козырная карта AC, его решающее отличие.
С помощью переменного тока вы можете «увеличить» ток до более высокого напряжения для передачи на большие расстояния, а затем понизить его в пункте назначения, таком как дом, офис или фабрика. Мощность передается на большие расстояния при высоком напряжении и только на короткие расстояния при низком напряжении, поэтому теряется очень мало энергии, но желаемое напряжение по-прежнему доступно для работы ламп и двигателей.
Преимущество аналогично переключению на идеальную передачу при езде на велосипеде. Если вы едете на велосипеде на низкой передаче на высокой скорости по ровной поверхности, большая часть вашей энергии уходит на очень быстрые движения ногами, что неэффективно. Переключившись на более высокую передачу, вы можете двигать ногами в комфортном темпе, при этом колеса двигаются намного быстрее, благодаря механическому преимуществу, создаваемому шестернями.
Трансформатор похож на коробку передач для электричества.
Джордж Вестингауз увидел ценность системы переменного тока и отстаивал ее. Эдисон, создавший систему на основе постоянного тока, считал высокое напряжение опасным и выступал против его использования. Аргумент безопасности был убедительным для многих, но, в конце концов, электросеть постоянного тока была просто непрактичной, и данные о продажах Westinghouse доказали это.
Это было убедительно продемонстрировано в 1895 году, когда была построена первая гидроэлектростанция, использующая энергию могучего Ниагарского водопада. Ранний план Ниагары предусматривал строительство на этом месте целого фабричного города, работающего от водяных мельниц. Но с электричеством водопад мог бы обеспечить электричеством Буффало, штат Нью-Йорк, расположенный в 26 милях от него на берегу озера Эри.
Ниагарская электростанция Роберта Мозеса, Льюистон, Нью-Йорк Бусфарер / Викимедиа Сегодня популярно повествование, в котором Эдисон — неуклюжий дурак, который пропустил переменный ток и на самом деле не изобрел лампочку, а Никола Тесла — гениальный гений, который изобрел переменный ток и двигатели, предсказал сотовый телефон и т.
д. Это несправедливо в двух отношениях.
Во-первых, Эдисон был гением-изобретателем. Он ошибался насчет переменного тока, и, по словам Йоннеса, он, кажется, был против этого просто потому, что это не было его изобретением или его системой. (Он также участвовал в грязной борьбе против переменного тока, например, в кампании по введению переменного тока, в том числе генераторов марки Westinghouse, в качестве новой формы казни для заключенных, чтобы навредить Вестингаузу ассоциацией со смертной казнью.) Но Эдисон был непреклонен. один из немногих, кто рано увидел потенциал ламп накаливания и ценность электросетей, и он вложил огромные средства в эти технологии. И его лаборатория действительно изобрела лампочку — конечно, никакая лампочка, существовавшая до их экспериментов, не годилась бы.
Джордж Вестингауз Но что еще более важно, популярный рассказ не упоминает Джорджа Вестингауза. В книге Йоннеса Вестингауз предстает истинным героем истории.
Тесла был блестящим изобретателем, внесшим ряд важнейших инноваций в электроэнергетику переменного тока. Но Вестингауз был промышленным провидцем, который сделал энергосистему реальностью. Он получил финансирование, возглавил работу, осуществил продажи и развернул систему.
Более того, он производит впечатление честного и честного человека. Вот его подход к рекламе:
По мере того, как Война электрических токов становилась все более уродливой и жестокой, Джордж Вестингауз осенью 1889 года решил нанять репортера питтсбургской газеты по имени Эрнест Х. Хайнрихс для продвижения своих компаний и их достижений. В первый день Хайнрихса пришел Вестингауз, чтобы пожелать ему успеха и объяснить его цель. «Все, что я хочу видеть, это то, что газеты печатают [вещи] точно. Правда никого не ранит. …
«Что касается нападений лично на меня, то конечно больно, но мое самоуважение и совесть не позволяют мне воевать с таким оружием. Кроме того, я чувствую, что моя моральная репутация и моя деловая репутация слишком хорошо зарекомендовали себя, чтобы пострадать от таких нападок.
Однако я готовлю статью для North American Review в ответ на обвинения мистера Эдисона в адрес системы переменного тока, но кроме этого мне нечего вам дать для публикации… Позволив другим говорить все, у нас в конце концов будет больше друзей, чем если бы мы опустились до уровня наших противников».
Однако я готовлю статью для North American Review в ответ на обвинения мистера Эдисона в адрес системы переменного тока, но кроме этого мне нечего вам дать для публикации… Позволив другим говорить все, у нас в конце концов будет больше друзей, чем если бы мы опустились до уровня наших противников».Он проявил огромное мужество в своих убеждениях:
Как объяснил его старый друг и биограф Генри Праут, Вестингауз умел советоваться с другими, «потом он принял собственное решение, и ничто более мягкое, чем землетрясение, не могло его сдвинуть с места. Мы видели, как он сидел как скала, безмятежный, мягкий и невозмутимый, когда каждый член совета директоров был против него. Был ли он решителен или просто упрям, зависит от вашей точки зрения. Вестингауз слишком часто оказывался прав, когда те, кого он считал малодушными, ошибались. Почему он должен перестать доверять своим грозным инстинктам?
Однажды, во время финансового кризиса, Westinghouse реорганизовал свою компанию, сохранив при этом контроль:
Адвокат Вестингауза Пол Д.
Крават годы спустя все еще восхищался этим триумфом реорганизации. Вестингауз, по его словам, «находил трудным работать с так называемыми финансистами. То, что ему казалось их недальновидностью и неверием, всегда раздражало его… По крайней мере во время двух крупных финансовых кризисов, когда финансисты отказались от этой задачи как от безнадежной, мистер Вестингауз своей верой, своей неутомимой энергией и силой влиять на людей, равной которой я никогда не видел, был смог пережить финансовый шторм, собрать огромные суммы денег и вернуть своим предприятиям прочное финансовое положение, когда его критики и большинство его друзей были уверены, что ему грозит сокрушительное поражение».Спустя годы, во время очередного спада, Вестингаузу пришлось реорганизовать свою компанию в условиях банкротства (известного в то время как «конкурсное управление»). Он был удивительно оптимистичен, говоря своему публицисту:
«Не забудьте очень подчеркнуть им [газетам], что это управление не является концом компании….
[Компания] в основе своей так же здорова и надежна, как и прежде, и из этой прискорбной ситуации она станет еще большим и процветающим предприятием, чем когда-либо». Банкротство стало большим потрясением как для инсайдеров, так и для аутсайдеров, но из-за нехватки денег Вестингауз не видел альтернативы. Он относился к этому по существу. «Соглашусь, это неприятно, — сказал он одному другу. — Но это не самая большая вещь в мире. В любом крупном бизнесе бывают взлеты и падения. Кризис, через который мы проходим, — это только часть нашей повседневной работы»9.0003Он действительно спас компанию, и хотя, к сожалению, ему пришлось отказаться от контроля и в конечном итоге его вытеснили, Westinghouse Electric Corporation существует и по сей день.
Паровая машина открыла век промышленной энергетики, предоставив средства для преобразования тепловой энергии в механическую. Но электричество завершило энергетическую революцию, отделив производство электроэнергии от приложений.
