Электричество шаг за шагом

Жители городов, вечерами залитых электрическим светом, пассажиры электропоездов и владельцы электрических кофеварок, мы редко задумываемся о том, как пришло к нам всё это электрическое богатство. И часто даже не знаем, что ещё чуть более ста лет назад лишь в нескольких десятках столичных квартир горели электрические лампочки, а весь остальной народ ещё жёг свечи и керосиновые лампы.

Главный герой электроэнергетики — мощный электрический генератор. Но он не работает один — ему непременно нужен мощный двигатель, который будет перемещать основную обмотку генератора в магнитном поле, преодолевая сильнейшее его сопротивление. Сегодня в мировой энергетике сложилось несколько групп таких очень сложных технических систем, от их стабильной работы и их развития зависит благополучие каждого из нас.

Т-169. Требуются силачи. Принцип действия электрического генератора нам в своё время пояснила проволочная рамка, которую мы вращали в магнитном поле (Р-55, Р-56). При этом не говорилось, кто именно, какое устройство осуществляет вращение, поскольку это безразлично — рамку можно вращать любым способом, главное, чтобы она вращалась, чтобы её провода пересекали магнитное поле. Можно, например, представить себе, что рамку вращает какой-нибудь простенький бензиновый моторчик, из числа тех, что дети ставят на свои летающие модели самолётов.

На настоящей электростанции настоящий генератор вместе с двигателем входит в единую сложную систему, и в дальнейшем будет рассказано о нескольких таких системах, представляющих основные направления электроэнергетики. Но перед этим уместно вспомнить, что при знакомстве с электрическими генераторами рано или поздно откуда-то обязательно выплывает коварный вопрос, как говорят студенты, вопрос на засыпку. Излагается он примерно так: почему, чтобы вращать ротор генератора, нужны мощные двигатели? Пусть он даже очень тяжёлый, этот ротор, но подшипники у него наверняка хорошо смазаны, и, скорее всего, можно и вручную ротор провернуть. Для чего же тогда двигателю такая большая мощность?

Сначала общий ответ: электрогенератор не источник энергии, а всего лишь её преобразователь — чтобы получить от генератора электрическую мощность 100 тысяч киловатт, нужно в каком-то виде дать ему никак не меньше, а реально нужно с несколько большей мощностью (с учётом потерь) вращать ротор этого генератора. За конкретным пояснением обратимся к нашей экспериментальной установке — к простейшему генератору в виде рамки, которая вращается в магнитном поле, и наведённую в ней э.д.с. выдаёт во внешнюю электрическую цепь.

В режиме холостого хода, когда нагрузки нет, тока тоже нет и мощность от рамки не потребляется, вращать её действительно нетрудно. Но если вращать рамку и подключить к ней нагрузку, то наведённая э. д.с. создаст в цепи ток, а он, проходя по самой рамке, будет взаимодействовать с внешним магнитным полем. Вспомните обнаруженный нами когда-то факт: проводник, по которому идёт ток, выталкивается из магнитного поля, так собственное магнитное поле проводника взаимодействует с внешним полем. Если по правилу правой руки определить полярность э.д.с., наведённой в проводах рамки, а по правилу левой руки определить направление выталкивания проводников, то окажется, что выталкивание направлено против вращения рамки. А это значит, что силу выталкивания нужно преодолеть, если мы хотим вращать рамку и получать от неё какую-то электрическую мощность. Чем больше потребляемая от рамки (от генератора) мощность, тем больше ток в цепи (а значит, и в рамке), тем больше выталкивающая сила, которую нужно преодолеть, тем, следовательно, больше должна быть сила, которая вращает рамку. Вот почему нужны мощные первичные двигатели, которые поставляют механическую энергию для мощных электрогенераторов.