Получение и использование электрической энергии

Атомные электростанции (АЭС)

В 30-е годы XX века известный ученый И.В. Курчатов обосновывал необходимость развития научно-практических работ в области атомной техники в интересах народного хозяйства страны.

В 1946 г. в России был сооружен и запущен первый на Европейско-Азиатском континенте ядерный реактор. Создается уранодобывающая промышленность. Организовано производство ядерного горючего - урана-235 и плутония-239, налажен выпуск радиоактивных изотопов.

В 1954 г. начала работать первая в мире атомная станция в г. Обнинске, а через 3 года на океанские просторы вышло первое в мире атомное судно - ледокол "Ленин".

Начиная с 1970 г. во многих странах мира осуществляются масштабные программы развития ядерной энергетики. В настоящее время сотни ядерных реакторов работают по всему миру.

В случае безаварийной работы атомные электростанции не производят практически никакого загрязнения окружающей среды, кроме теплового. Хоть и в результате работы АЭС образуются радиоактивные отходы, представляющие потенциальную опасность. Однако объем радиоактивных отходов очень мал, они весьма компактны, и их можно хранить в условиях, гарантирующих отсутствие утечки наружу.

АЭС экономичнее обычных тепловых станций, а, самое главное, при правильной их эксплуатации - это чистые источники энергии.

Источником энергии в существующих сегодня АЭС служат ядра тяжелых химических элементов, которые при распаде на части высвобождают огромную (в сравнении с химическими источниками энергии) удельную энергию. При распаде одного килограмма ядер урана выделяется столько энергии, сколько при сгорании примерно двух с половиной тысяч тонн угля. Эта энергия появляется в основном в виде кинетической энергии осколков ядер.

Однако у электростанций, работающих на ядерном топливе, есть некоторая особенность. Эта особенность заключается в том, что ядерное топливо не может быть израсходовано в реакторе полностью, как расходуется обычное химическое топливо. Последнее, как правило, сжигается в топке до конца. Возможность протекания химической реакции практически не зависит от количества вступающего в реакцию вещества. Ядерная же цепная реакция не может идти, если количество топлива в реакторе меньше определенного значения, называемого критической массой. Уран в количестве, составляющем критическую массу, не является топливом в собственном смысле этого слова. Выгорать может лишь та часть топлива, которая загружается в реактор сверх критической массы. Таким образом, ядерное топливо в количестве, равном критической массе, служит своеобразным катализатором процесса, обеспечивает возможность протекания реакции, не участвуя в ней. Естественно, что топливо в количестве, составляющем критическую массу, физически неотделимо в реакторе от выгорающего топлива. В тепловыделяющихся элементах, загружаемых в реактор, с самого начала помещается топливо как для создания критической массы, так и для выгорания. Значение критической массы неодинаково для различных реакторов и в общем случае оно относительно велико. Так, для серийного отечественного энергетического блока с реактором ВВЭР-440 мощностью в 440 МВт критическая масса урана составляет 700 кг. Это соответствует количеству угля около 2 млн. тонн. И ни один килограмм от этой критической массы не может быть израсходован.

В состав ядер входят протоны и нейтроны. Между нуклонами есть два вида взаимодействий – электромагнитное и ядерное. Ядерное взаимодействие проявляется на очень малых расстояниях. Это расстояние мало в сравнении с размерами самих атомов. Относительные величины сил кулоновского отталкивания и сил ядерного взаимодействия сильно отличаются. Внутри ядра ядерные силы примерно в 100 раз интенсивнее, чем электрические, поэтому ядерное взаимодействие еще называют сильным взаимодействием. Потенциальная энергия взаимодействующих в ядре протонов и нейтронов отсчитывается от того состояния, когда все составляющие ядро части находятся далеко друг от друга. Потенциальная энергия и стабильных и радиоактивных ядер отрицательна, причем ее отрицательность обеспечивается сильным взаимодействием. Если разделить полную потенциальную энергию ядра на количество нуклонов, то каждое ядро может быть охарактеризовано удельной отрицательной потенциальной энергией. Можно сказать, что каждый нуклон в составе ядра находится в глубокой потенциальной яме.

Потенциальной ямой называется ограниченная область пространства, в которой потенциальная энергия частицы меньше, чем вне её. Термин "потенциальная яма" происходит от вида графика, изображающего зависимость потенциальной энергии частицы, находящейся в силовом поле, от её положения в пространстве (в случае одномерного движения - от координаты. Основное свойство потенциальной ямы – способность удерживать частицу, полная энергия которой меньше глубины ямы, т.е. потенциальной энергии вне частицы; такая частица внутри потенциальной ямы будет находиться в связанном состоянии).

Эта удельная потенциальная энергия зависит от количества протонов и нейтронов в ядре. Для ядер химических элементов, соответствующих середине таблицы Менделеева – железо, никель, кобальт, глубина потенциальной ямы для каждого нуклона самая большая. Ядерные реакции, приводящие к выделению энергии. Разная удельная глубина потенциальной ямы для нуклонов, входящих в состав разных ядер, обеспечивает возможность получения энергии при ядерных превращениях. Например, при слиянии ядер химических элементов, находящихся в начале таблицы Менделеева, глубина потенциальной ямы для нуклонов во вновь полученных ядрах увеличивается, следовательно, при слиянии легких ядер выделяется энергия, причем в основном в виде электромагнитного излучения. Этот способ получения энергии реализован в водородной бомбе. Для того, чтобы легкие ядра приблизились друг к другу настолько, чтобы между ними начали действовать ядерные силы нужно привести их в движение с огромными скоростями. Тогда при столкновениях ядер их кинетической энергии будет достаточно, чтобы преодолеть потенциальный барьер, созданный электрическими силами отталкивания. В водородной бомбе процесс выделения энергии при синтезе более тяжелых ядер из легких неуправляем. Если ученым удастся найти надежный и дешевый способ управления реакцией слияния легких ядер, то в распоряжении человечества окажется практически неисчерпаемый источник энергии. Второй путь получения энергии связан с распадом ядер тяжелых химических элементов на осколки, которые становятся ядрами химических элементов, соответствующих середине таблицы Менделеева. Возможность самопроизвольного распада ядер тяжелых элементов существует, но вероятность этого процесса невелика, поэтому ядра урана – 235 и урана – 238 «живут» очень долго. Вследствие самопроизвольного распада половина от большого числа ядер урана– 235 распадается за 1 миллиардов лет, а урана – 238 за 7 миллиардов лет.

Однако, если в ядро урана – 235 добавить один лишний нейтрон, то вновь образованное ядро оказывается в возбужденном состоянии. Такое состояние является неустойчивым (радиоактивным). Один из путей перехода ядра из этого возбужденного состояния в более устойчивое состоит в том, что через очень небольшое время ядро распадается на два осколка. В ядрах–осколках соотношение между числом протонов и числом нейтронов нетипично для стабильных изотопов (природных ядер) нейтроны находятся в избытке. Ядра – осколки могут быть радиоактивными или испускать свои «лишние» нейтроны. Появление в результате распада ядер новых нейтронов обуславливает возможность осуществления положительной обратной связи: чем больше начальных нейтронов поглотится ядрами, тем больше произойдет распадов неустойчивых ядер, в результате этих распадов появляется еще большее количество нейтронов, которые опять поглощаются ядрами, а эти ядра в свою очередь распадаются на осколки, рождая еще большее количество нейтронов. Такая реакция носит название цепной разветвляющейся реакции. Цепь реакций может оборваться, если нейтрон покинет область, в которой имеются ядра урана, или если он будет поглощен каким-нибудь другим ядром. Первый из этих двух механизмов торможения цепной реакции используется в урановой – 235 или плутониевой – 239 ядерной бомбе. До приведения урана –235 в урановой бомбе в боевое состояние размеры уранового заряда велики. Поэтому нейтроны, образующиеся при самопроизвольных распадах ядер, не поглощаются другими ядрами урана а покидают область расположения урана. Цепная реакция гаснет, не успев развиться. С помощью обычного химического взрыва урановый заряд «обжимают» со всех сторон и удерживают под давлением короткое время. Размеры области, занятой ураном, становятся после «обжатия» достаточными для развития цепной ядерной реакции. За короткое время порядка 0,1 микросекунды часть ядер урана (примерно 1% от общего числа) успевает развалиться и выделить колоссальную энергию. Остальные атомы урана, не успев прореагировать, разлетаются вследствие возрастания температуры и давления. В урановой бомбе происходит неуправляемое выделение энергии.

Ученые научились управлять скоростью цепной ядерной реакции. Самым важным моментом здесь является то обстоятельство, что не все ядра «разваливаются» сразу. Те осколки, что «разваливаются» за время меньшее 10^-3 секунды, производят так называемые «мгновенные» нейтроны. Однако часть продуктов распада ядер урана в свою очередь распадаются с испусканием нейтронов после 10^-3 секунд. При этих распадах появляется всего около 0,7 % «запаздывающих» нейтронов от общего количества. Именно наличие этих «запаздывающих» нейтронов и дает возможность регулировать скорость цепной реакции. Важную роль в этом регулировании играет поглощение нейтронов ядрами некоторых атомов. Рядом с урановыми стержнями помещают стержни из материала, содержащего атомы кадмия, поглощающие нейтроны в сотни раз эффективнее, чем уран. Стержни можно механически перемещать и, таким образом, регулировать скорость течения цепной реакции.

В ядерных реакторах энергия распада ядер урана преобразуется в электрическую энергию. После распада ядра кинетическая энергия осколков ядер переходит в тепловую энергию материала, загруженного в реактор. Плотность тепловыделения в энергетических ядерных реакторах достигает сотен кВт на литр объема активной зоны. Эта энергия с помощью жидкости, протекающей по трубам внутри рабочей зоны реактора, переносится в теплообменники. Здесь она используется для того, чтобы нагреть и превратить в пар воду. Водяной пар направляют в турбину. Расширяясь и совершая работу по вращению турбины пар охлаждается. Турбина, в свою очередь, двигает ротор-магнит. Электрический же ток производится благодаря явлению электромагнитной индукции — возникновению электродвижущей силы в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур. При вращении ротора-магнита в витках окружающего его статора появляется электрический ток. Далее остается только “снять” напряжение с обмоток и передать его в линию для снабжения внешних потребителей. Обеспечивается этот процесс большим количеством производящих, контролирующих, управляющих установок, приборов, механизмов, которые жестко, продуманно и эффективно связаны в единую технологическую цепочку. Чтобы циклически использовать одну и ту же воду, отработавший пар охлаждают в теплообменниках второго контура циркуляции и вновь направляют к теплообменникам первого контура. Таким образом, ядерный реактор представляет собой тепловую машину, в которой нагревателем служит уран в рабочей зоне, а холодильником обычно служит вода протекающей мимо электростанции реки. Горячая вода частично направляется на обогрев домов и производственных помещений в городках при АЭС. Коэффициент полезного действия такой тепловой машины, преобразующей тепловую энергию в электрическую, обычно не превышает 30%. По этому показателю атомные электростанции ничем не отличаются от обычных тепловых электростанций.

Многие АЭС похожи по конструкции здания. Главным сооружением АЭС является энергоблок. Именно внутри него размещается "сердце" атомной станции - реактор вместе с необходимым для его работы оборудованием. Поэтому строительные конструкции удовлетворяют строжайшим требованиям надежности. В частности, оборудование и корпус здания рассчитаны и построены так, чтобы безопасно выдержать землетрясения в несколько баллов. Энергоблок проектируется и строится как самостоятельный объект, отвечающий всем требованиям обеспечения надежной, безотказной и безопасной работы смонтированного в нем энергетического и вспомогательного оборудования. В его состав входят:

• Реакторное отделение;

• Машинный зал;

• Деаэраторная этажерка (предназначена для удаления газов из теплоносителя);

• помещения электротехнических устройств.

Реактор размещается в герметичной цилиндрической оболочке. Этот герметичный цилиндр находится внутри обстройки. С обстройкой, окружающей оболочку реактора, соединяется здание машинного зала.

Существует два типа реакторов корпусный и канальный. Корпусной реактор − это реактор активная зона, которого заключена в прочный корпус. Теплоноситель в корпусном реакторе чаще всего выполняет функции замедлителя (обычная или тяжёлая вода, органические жидкости). Конструктивно корпусной реактор обычно представляют собой цилиндрический сосуд с крышкой, внутри которого размещена выемная конструкция с активной зоной. Теплоноситель поступает снизу в активную зону, которая состоит из тепловыделяющих кассет. В активной зоне перемещаются управляющие стержни, приводы которых имеют герметичный вывод в крышке или днище корпуса. Отвод нагретого теплоносителя осуществляется через патрубки в верхней части корпуса.Канальный реактор состоит из системы отдельных каналов, пространство между которыми заполнено замедлителем нейтронов. Тепловыделяющие элементы с ядерным топливом размещаются внутри каждого канала и охлаждаются индивидуальным потоком теплоносителя. Подвод и отвод теплоносителя в канале осуществляется по трубопроводам. Канальные реакторы из-за конструктивных особенностей принципиально не имеют ограничений размеров активной зоны, что при намечающейся тенденции увеличения единичных мощностей реакторов выгодно отличает их от корпусных реакторов, для которых увеличение мощности и соответственно размеров активной зоны сопряжено с трудностями в изготовлении, транспортировке и монтаже больших корпусов. Разделение теплоносителя и замедлителя в канальном реакторе обеспечивает хороший баланс нейтронов и эффективный теплосъём в активной зоне. Это достигается соответствующим подбором вещества замедлителя и теплоносителя. В канальных реакторах с помощью специальных машин возможна перегрузка топлива на ходу, т. е. без остановки и охлаждения реактора, что улучшает экономические показатели энергетической установки и обеспечивает бесперебойное снабжение потребителей электроэнергией. Наличие активной зоны, состоящей из отдельных каналов, позволяет организовать индивидуальный контроль за состоянием каждой топливной сборки и в случае повреждения произвести её немедленную замену. Однако, ввиду значительных размеров активной зоны канального реактора, её удельная нагрузка в несколько раз ниже, чем, например, в корпусных реакторах, и обычно не превышает в среднем 15 кВт на 1 л активной зоны. Наличие разветвленной сети трубопроводов, подводящих и отводящих теплоноситель к каналам реактора, усложняет его компоновку и обслуживание и увеличивает вероятность возникновения неплотностей и течей, а соответственно и аварийной ситуации.

С экономической точки зрения атомные электростанции очень выгодны. Чтобы обеспечить работу одного энергоблока мощностью в тысячу мегаватт нужно, чтобы в рабочей зоне за год распалось примерно 1200 кг ядер урана. Если АЭС должна работать около 30 лет, то всего за время ее эксплуатации «сгорит» около 36 тонн урана – 235. В один такой энергоблок загружается около 180 тонн обогащенного уранового горючего. Обогащение составляет 1,8%, то есть от всего количества урана только 1,8% составляет уран – 235. Итак, в реакторе находится около 3 тонн урана – 235, а всего сгорает 36 тонн. Значит, на АЭС регулярно происходит частичная перезагрузка топлива, тепловыделяющие элементы заменяют. Используется, однако, только около 1,5% всего урана, то есть даже не весь уран – 235 «сгорает». Стоимость 1 кг чистого урана в 1985 году была около $ 40. Обогащение стоит еще около $100. Изготовление тепловыделяющих элементов обходится примерно в $ 300. Стоимость одного энергоблока на 1000 МВт составляла в те же годы около 2 миллиардов долларов. Стоимость самого урана при начальной загрузке составляла только 4% от общей стоимости блока. Десятикратная замена тепловыделяющих элементов увеличивает расходы до 2,8 миллиарда долларов. Если стоимость 1 киловатт часа электроэнергии равнялась $0,1, то за время своей эксплуатации энергоблок АЭС должен был произвести электроэнергии на 30 миллиардов долларов. Таким образом, АЭС окупает себя десятикратно.

В конечном итоге можно сделать следующие выводы:

Факторы "За" атомные станции:

1. Атомная энергетика является на сегодняшний день лучшим видом получения энергии. Экономичность, большая мощность, экологичность при правильном использовании.

2. Атомные станции по сравнению с традиционными тепловыми электростанциями обладают преимуществом в расходах на топливо, что особо ярко проявляется в тех регионах, где имеются трудности в обеспечении топливно-энергетическими ресурсами, а также устойчивой тенденцией роста затрат на добычу органического топлива.

3. Атомным станциям не свойственны также загрязнения природной среды золой, дымовыми газами с CO₂, NO_х, SO_х, сбросными водами, содержащими нефтепродукты.

4.Возможность размещения в необеспеченных энергоресурсами районах страны.

Факторы "Против" атомных станций:

1. Ужасные последствия аварий на АЭС.

2. Локальное механическое воздействие на рельеф - при строительстве.

3. Повреждение особей в технологических системах - при эксплуатации.

4. Сток поверхностных и грунтовых вод, содержащих химические и радиоактивные компоненты.

5. Изменение характера землепользования и обменных процессов в непосредственной близости от АЭС.

6. Изменение микроклиматических характеристик прилежащих районов.

Генераторы переменного тока

В 1820 году было открыто взаимодействие между электрическим током, протекающим в проводнике, и магнитной стрелкой. Это явление было правильно объяснено и обобщено французским физиком Ампером, который установил, что магнитные свойства любого тела являются следствием того, что внутри него протекают замкнутые электрические токи. Таким образом, любые магнитные взаимодействия можно рассматривать как следствия электрических. Однако, если электрический ток вызывает магнитные явления, естественно было предположить, что и магнитные явления могут вызвать появление электрического тока. Долгое время физики в разных странах пытались обнаружить эту зависимость, но терпели неудачу. В самом деле, если, рядом с проводником или катушкой лежит постоянный магнит, никакого тока в проводнике не возникает. Но если начать перемещать этот магнит: приближать или удалять его от катушки, вводить и вынимать магнит из нее, то электрический ток в проводнике появляется, и его можно наблюдать в течение всего того периода, во время которого магнит движется. То есть электрический ток может возникать только в переменном магнитном поле.

Впервые эту важную закономерность установил в 1831 году английский физик Майкл Фарадей.

Майкл Фарадей родился в Лондоне в семье кузнеца. Мальчик смог получить лишь начальное образование. С двенадцати лет он работал, сначала разносчиком газет, затем подмастерьем в переплетной мастерской. Однако недостаток знаний Фарадей компенсирует самообразованием. Благодаря счастливой случайности юноша попадает в поле зрения известного химика Г. Дэви, который делает Фарадея своим ассистентом в Королевском институте (1813 г.).Главное научное достижение Фарадея в химии – методика сжижения газов. Опыты, проведенные Фарадеем в 1823 г., положили начало новому научному направлению – физике низких температур. Очень быстро Фарадей обогнал в искусстве эксперимента своего научного руководителя Дэви, что позднее было причиной многих трений между ними.

В 1821 г. Фарадей начал заниматься электрическими и магнитными явлениями. Он считал очевидным, что если ток в проводе создает магнитное поле, действующее на магнитную стрелку, если проводник с током движется в магнитном поле, то должно быть верно и обратное – магнитное поле должно создавать ток в проводнике. В течение многих лет Фарадею не удавалось доказать это экспериментально, так как он не понимал, что для возникновения тока важно относительное движение магнита и провода. Однажды почти случайно он заметил, что в момент вхождения магнита в катушку стрелка гальванометра отклоняется. Так был открыт закон электромагнитной индукции. На окончательную его формулировку (1831 г.) потребовалось десять лет напряженных исследований.

Все свои работы по электромагнетизму Фарадей в течение двадцати пяти лет представлял в виде докладов-серий в Лондонское королевское общество. Одно только перечисление полученных им результатов вызывает изумление его гением: открытие явления электромагнитной индукции (1831 г.); открытие законов электролиза (1834 г.); обнаружение поляризации диэлектриков и понятие о диэлектрической проницаемости (1837 г.); экспериментальное доказательство закона сохранения электрического заряда (1843 г.); открытие диамагнетизма и обнаружение явления вращения плоскости поляризации света в веществе, помещенном в магнитное поле (1845 г.); идея об электромагнитной природе света (1845 г.); открытие парамагнетизма (1847 г.).

Величайшей заслугой Фарадея стало то, что он высказал идею об электрическом и магнитном поле. Он не мог математически развить эти идеи, и в его монументальной работе "Экспериментальные исследования электричества" нет ни одного уравнения! Однако именно идеи Фарадея легли в основу уравнений Максвелла. Позднее Эйнштейн говорил, что в развитии электромагнетизма Фарадей по отношению к Максвеллу – то же самое, что в развитии механики Галилей по отношению к Ньютону.

Несмотря на успехи в науке, признание всего мира, Фарадей всю жизнь оставался скромным, очаровательным, простым человеком. Он многократно отказывался от наград и возможного благосостояния, полностью отдаваясь науке и разделяя идеалы закрытой сандеманской религиозной секты, которой он всю жизнь был предан. Он отклонил предложение стать президентом Лондонского королевского общества, а также предложение быть возведенным в дворянство. В завещании Фарадей просил, чтобы его прах покоился под самым простым могильным камнем.

Проведя серию опытов, Фарадей открыл, что электрический ток возникает (индуцируется) во всех тех случаях, когда происходит движение проводников относительно друг друга или относительно магнитов. Если вводить магнит в катушку, или перемещать катушку относительно неподвижного магнита в ней индуцируется ток. Если подвигать одну катушку к другой, через которую проходит электрический ток, в ней также появляется ток. Того же эффекта можно добиться при замыкании и размыкании цепи, поскольку в момент включения и выключения ток нарастает и убывает в катушке постепенно и создает вокруг нее переменное магнитное поле. По­этому если поблизости от такой катушки находится другая, не включенная в цепь, в ней возникает электрический ток. Открытие Фарадея имело огромные последствия для техники и всей че­ловеческой истории, так как теперь стало ясно, каким образом механическую энергию превращать в электрическую, а электрическую обратно в механи­ческую. Первое из этих преобразований легло в основу работы электрогене­ратора, а второе электродвигателя. Впрочем, сам факт открытия еще не означал, что все технические задачи на этом пути разрешены: около сорока лет ушло на создание работоспособного генератора и еще двадцать лет на изобретение удовлетворительной модели промышленного электродвигателя. Но главное: принцип действия двух этих важнейших элементов современной цивилизации сделался очевиден именно благодаря открытию явления элек­тромагнитной индукции.

Первый примитивный электрогенера­тор создал сам Фарадей. Для этого он по­местил медный диск между полюсами N и S постоянного магнита. При вращении диска в магнитном поле в нем наводились электрические токи. Если на периферии диска и в его центральной части помещали токоприемники в виде скользящих контактов, то между ними появлялась разность потенциалов, как на гальванической батарее. Замыкая цепь, можно было наблюдать на гальванометре непрерывное прохождение тока. Установка Фарадея годилась только для демонстраций, но вслед за ней появились первые магнитоэлектрические машины (так стали называть электрогенераторы, в которых использовались постоянные магниты), рассчитанные на создание работающих токов. Самой ранней из них была магнитоэлектрическая машина Пиксии, сконструированная в 1832 году. Принцип ее действия был очень прост: мимо неподвижных, снабженных сердечниками катушек двигались посредством кривошипа и зубчатой передачи лежащие против них полюсы подковообразного магнита, вслед­ствие чего в катушках индуцировались токи. Недостатком машины Пиксии было то, что в ней приходилось вращать тяжелые постоянные магниты. В последующем изобретатели обычно заставляли вращаться катушки, оставляя магниты неподвижными. Правда, при этом приходилось решать другую зада­чу: каким образом отвести во внешнюю цепь ток с вращающихся катушек? Это затруднение, однако, было легко преодолимо. Прежде всего, катушки соединяли между собой последовательно одними концами их проводки. То­гда другие концы могли служить полюсами генератора. Их соединяли с внешней цепью при помощи скользящих контактов. Он устроен следую­щим образом: на оси маши­ны крепились два изолиро­ванных металлических кольца, каждое из которых было соединено с одним из полюсов генера­тора. По окружности этих колец вращались две пло­ские металлические пружины, на которые была заключена внешняя цепь. При таком приспособлении уже не было никаких за­труднений от вращения оси машины ток переходил из оси в пружину в месте их соприкосновения. Еще одно неудобство заключалось в самом харак­тере тока электрогенерато­ра. Направление тока в ка­тушках зависит от того, приближаются они к полю­су магнита или удаляются от него. Из этого следует, что ток, возникающий во вращающемся проводнике, будет не постоянным, а переменным. По мере при­ближения катушки к одно­му из полюсов магнита си­ла тока будет нарастать от нуля до какого-то максимального значения, а затем по мере удаления вновь уменьшаться до ну­ля. При дальнейшем движении ток изменит свое направление на противопо­ложное и опять будет нарастать до какого-то максимального значения, а по­том убывать до нуля. Во время следующих оборотов этот процесс будет повторяться. Итак, в отличие от электрической батареи, электрогенератор соз­дает переменный ток, и с этим приходится считаться. Как известно, большинство современных электрических при­боров созданы таким образом, чтобы питаться от сети перемен­ного тока. Но в XIX веке перемен­ный ток был не удобен по многим причинам, прежде всего психоло­гическим, поскольку в прежние годы привыкли иметь дело с по­стоянным током: Впрочем, пере­менный ток можно было легко преобразовать в прерывистый, имеющий одно направление. Для этого достаточно было с помощью специального устройства коммутатора изменить контакты таким образом, чтобы скользящая пружина переходила с одного кольца на другой в тот момент, когда ток меняет свое направление. В этом случае один контакт постоянно получал ток одного на­правления, а другой противоположного. Не трудно было установить пружину таким образом, чтобы она переходила с одного кольца на другое в тот мо­мент, когда в обмотке катушки менялось направление тока, и тогда каждая пружина все время давала ток одного и того же направления. Другими сло­вами, они представляли из себя постоянные полюса; одна положительный, другая отрицательный, в то время как полюса катушек давали переменный ток. Электрогенератор прерывистого постоянного тока вполне мог заменить неудобную во многих отношениях гальваническую батарею, и потому вызвал большой интерес у тогдашних физиков и предпринимателей. В 1856 году французская фирма «Альянс» даже наладила серийный выпуск больших ди­намо-машин, приводившихся в действие от парового двигателя. В этих гене­раторах чугунная станина несла на себе неподвижно укрепленные в несколь­ко рядов подковообразные постоянные магниты, расположенные равномерно по окружности и радиально по отноше­нию к валу. В промежутках между ряда­ми магнитов на валу были установлены несущие колеса с большим числом ка­тушек. Также на валу был укреплен кол­лектор с 16-ю металлическими пласти­нами, изолированными друг от друга и от вала машины. Ток, наводимый в ка­тушках при вращении вала, снимался с коллектора при помощи роликов. Одна такая машина требовала для своего при­вода паровой двигатель мощностью 6— 10 л. с. Большим недостатком генерато­ров «Альянс» было то, что в них использовались постоянные магниты. Так как магнитное действие стальных магнитов сравнительно невелико, то для получе­ния сильных токов нужно было брать большие магниты и в большом числе. Под действием вибрации сила этих маг­нитов быстро ослабевала. Вследствие всех этих причин КПД машины всегда оставался очень низким. Но даже с таки­ми недостатками генераторы «Альянса» получили значительное распространение и господствовали на рынке в течение десяти лет, пока их не вытеснили более совершенные машины.

Прежде всего немецкий изобрета­тель Сименс усовершенствовал движущиеся катушки и их железные сердечники. (Эти катушки с железом внутри получили название «якоря» или «арматуры».) Якорь Сименса в форме «двой­ного Т» состоял из железного цилиндра, в котором были прорезаны с противоположных сторон два продольных желоба. В желобах помещалась изоли­рованная проволока, которая накладывалась по направлению оси цилиндра. Такой якорь вращался между полюсами магнита, которые тесно его обхваты­вали. По сравнению с прежними новый якорь представлял большие удобства. Прежде всего, очевидно, что катушка в виде цилиндра, вращающегося вокруг своей оси, в механическом отношении выгоднее катушки, насаженной на вал и вращавшейся вместе с ним. По отношению к магнитным действиям якорь Сименса имел ту выгоду, что давал возможность очень просто увеличить число действующих магнитов, для этого достаточно было удлинить якорь и прибавить несколько новых магнитов. Машина с таким якорем давала гораздо более равномерный ток, так как цилиндр был плотно окружен полюсами магнитов. Но эти достоинства не компенсировали главного недостатка всех магни­тоэлектрических машин — магнитное поле по-прежнему создавалось в гене­раторе с помощью постоянных магнитов. "Перед многими изобретателями в середине XIX века вставал вопрос: нельзя ли заменить неудобные металличе­ские магниты электрическими? Проблема заключалась в том, что электро­магниты сами потребляли электрическую энергию и для их возбуждения тре­бовалась отдельная батарея или, по крайней мере, отдельная магнитоэлек­трическая машина. Первое время казалось, что без них невозможно обойтись. В 1866 году Вильде создал удачную модель генератора, в котором металли­ческие магниты были заменены электромагнитами, а их возбуждение вызы­вала магнитоэлектрическая машина с постоянными магнитами, соединенная с тем же паровым двигателем, который приводил в движение большую ма­шину. Отсюда оставался только один шаг к динамо-машине, ко­торая возбуждает электромагниты своим собственным током.

В том же 1866 году Вернер Сименс открыл принцип самовозбуждения. В январе 1867 году он выступил в Берлинской Академии с докладом «О превращении рабочей силы в электрический ток без применения постоянных магнитов». В общих чертах его открытие заключалось в следующем. Сименс установил, что в каждом электромагните, после того как намагничивающий ток переставал действовать, всегда оставались небольшие следы магнетизма, которые были способны вызвать слабые индукционные токи в катушке, снабженной сердечником из мягкого магнитного железа и вращавшейся ме­жду полюсами магнита. Используя эти слабые токи, можно было привести генератор в действие без помощи внешних воздействий.

Первая динамо-машина, работавшая по принципу са­мовозбуждения, была созда­на в 1867 году англичанином Леддом, но в ней еще преду­сматривалась отдельная ка­тушка для возбуждения элек­тромагнитов. Машина Ледда состояла из двух плоских электромаг­нитов, между концами кото­рых вращались два якоря Сименса. Один из якорей давал ток для питания элек­тромагнитов, а другой — для внешней цепи. Слабый остаточный магнетизм сердечников электромагнитов сначала возбуждал очень слабый ток в арматуре первого якоря; этот ток обегал электромагниты и усиливал уже имеющееся в них магнитное состояние. Вследствие этого усиливался в свою очередь ток в арматуре, а последний ещё более увеличивал силу электромагнитов. Мало помалу такое взаимное усиление шло до тех пор, пока электромагни­ты не приобретали полной сво­ей силы. Тогда можно было привести в движение вторую арматуру и получить от нее ток для внешней цепи.

Следующий шаг в совер­шенствовании динамо-машины был сделан в том направлении, что совершенно устранили од­ну из арматур и воспользова­лись другой не только для возбуждения электромагни­тов, но и для получения тока во внешней цепи. Для этого нужно было только провести ток из арматуры в обмотку электромагнита, рассчитав все так, чтобы последний мог достичь полной своей силы и направить тот же ток во внешнюю цепь. Но при таком упрощении конструкции якорь Сименса оказывался непригодным, так как при бы­строй перемене полярностей, в якоре возбуждались сильные паразитические токи, железо сердечников быстро разогре­валось, и это могло при боль­ших токах привести к порче всей машины. Необходима была другая форма якоря, бо­лее соответствовавшая новому режиму работы.

Удачное решение про­блемы было вскоре найдено бельгийским изобретателем Зиновием Теофилем Граммом. Он жил во Франции и служил в кампании «Альянс» столярным мастером. Здесь он познакомился с электричеством. Размышляя над усовершенствова­нием электрогенератора, Грамм в конце концов пришел к мысли заменить якорь Сименса другим, имеющим кольцевую форму. Важное отличие коль­цевого якоря в том, что он не перемагничивается и имеет постоянные полюса. Грамм пришел к своему открытию самостоятельно, но надо сказать, что еще в 1860 г. итальянский изобретатель Пачинотти во Флоренции построил электрический двигатель с кольцеобраз­ным якорем; впрочем, это открытие вскоре было забыто. Исходная точка поисков Грамма заключалась в том, чтобы заста­вить вращаться внутри проволочной катушки железное кольцо, на котором наведены магнитные полюсы и таким образом получить равномерный ток постоянного направления.

Генератор Грамма, имеет следующее приспособление. В магнитном поле, образуемом полюсами N магнита, вращаются восемь замкнутых металлических колец, которые прикреплены на равном расстоянии друг от друга к оси при помощи спиц.

Кольцо Грамма состоит из витков вращающейся ка­тушки, плотно намотанной на железное кольцо, в которо