Электроны и электрификация

В. ЛЬВОВ

Мы будем говорить об электронах. Оболочка атомов состоит, как известно, из этих мельчайших частичек, в тысячу раз меньших, чем атомы, и заряженных отрицательным электрическим зарядом.

В металлах часть электронов из самого внешнего слоя атомной оболочки чаще всего оторвана и блуждает беспорядочно в между-атомном пространстве. Электроны эти движутся с большой скоростью по всем направлениям, сталкиваясь и отскакивая друг от друга.

Если дать толчок этому электронному «газу», наполняющему невидимо для нашего глаза металлы, если создать постоянный «напор», заставляющий электроны двигаться в одну определенную сторону по проводу, тогда эта лавина электронов, стремительно летящих по металлу, и будет электрическим током. Энергией движения этой лавины пользуются в технике на каждом шагу. Заставляя электроны проходить, скажем, через обмотку электромоторов, приводят во вращение валы спаренных с ними станков и машин. Пропуская электронный поток через очень тонкую нить (где электроны с большим трением идут в узком для них проходе и от этого трения раскаляется нить), заставляют светить электролампу. Пролетая по проводам электрической печи (где в тонких проводах обмотки также развивается от трения теплота), электроны греют кухонные плитки, плавят сталь, обогревают комнаты...

Первая задача, встающая перед современной электротехникой, заключается в пересылке электронов, в передаче электрического тока на большие расстояния. В осуществлении этой передачи особенно заинтересован наш Союз с его огромными пространствами, нуждающимися в энергии, посылаемой из центральных электроузлов, удаленных на тысячи километров от мест приема.

*

Чем больше электронов переправляется по проводу и чем с большей скоростью движутся они, тем больше работы можно от них получить в месте потребления. Не забудем, что энергия всякого движущегося тела равна половине произведения массы этого тела на квадрат скорости, с которой это тело движется. Значит, чтобы узнать общую энергию, которую несет электрический ток внутри провода, надо помножить массу каждого электрона на число их и на половину квадрата скорости.

Число электронов, пробегающих через сечение провода в секунду, называется в электротехнике «силой тока» и меряется в «амперах». При силе тока в один ампер через сечение провода за одну секунду проходит приблизительно 6 288 000 000 000 000 000 (шесть квинтиллионов двести восемьдесят восемь квадриллионов) электронов. Примерно такой электронный рой пролетает каждую секунду по проводам в наших комнатах, когда на столе или на потолке зажжена электрическая лампа.

Скорость этих электронов определяется тем «напором», или «разгоном», который они получают от источника тока — динамо, батареи. На языке электротехников этот «напор» называется «напряжением тока» и измеряется в вольтах.

Вот именно величина напряжения электрического тока и является решающим моментом в передаче тока на далекие расстояния.

Дело в том, что несущиеся по проводу электроны, сталкиваясь со встречными атомами, непрерывно растрачивают свои энергию и скорость. Электроны как бы трутся о провод подобно тому, как трется о трубы хлебное зерно, перекачиваемое из элеваторов в трюмы пароходов. Как и при всяком трении, тут выделяется теплота: провода греются, электроны же замедляют свою скорость, и ток ослабевает.

Явление это (называемое электротехниками «сопротивлением провода») в ряде случаев полезно, как например в электролампочках и электропечах, где электроны нарочно заставляют «протискиваться» сквозь очень узкие провода с очень большим сопротивлением, используя затем выделяемую теплоту для нужд отопления и освещения.

На линиях же передачи тока сопротивление, наоборот, является тем главным врагом, с которым электротехника ведет сейчас ожесточенную борьбу.

Чем длиннее провод, тем больше столкновений (с постепенной растратой скорости) приходится претерпевать каждому электрону на своем пути. Иначе говоря, сопротивление провода увеличивается с его длиной. Правда, оно уменьшается с утолщением провода. Но некоторое утолщение проводов не может снизить достаточно сопротивления на линиях в сотни километров протяжением. Большое же увеличение поперечника провода ограничивается расходом весьма дорогой меди.

Единственный способ увеличить расстояние, на котором можно передавать электрический ток, — это увеличить насколько можно начальную скорость электронов, увеличить напряжение на линии передачи. Чем больше «напор» на электроны, тем дальше можно протолкнуть их вдоль по проводу. В этом суть дела.

*

Наибольшее напряжение, на котором осуществляется в настоящее время промышленная электропередача, равно 220 тыс. вольт.

При таком «напоре» электроны в первый момент срываются со скоростью около 250 тыс. километров в секунду. Это во столько же раз быстрее пули, во сколько раз пуля быстрее черепахи! Если бы скорость эта сохранялась и дальше, то каждый такой электрон, пущенный вокруг земли, успел бы за одну секунду обежать экватор шесть раз. Но, увы, скорость растрачивается внутри провода, и пределом дальности передачи 220 тысячевольтного тока являются 350, самое большее 400 километров.

Для дальнейшего увеличения расстояния требуется вести передачу на еще более высоком напряжении. Первая трудность, встающая здесь перед электротехникой, заключается в необычайной трудности изолировать провода, несущие такой ток. Уязвимые места, в частности, — это места соединения проволоки с опорами (столбами), на которых она протянута. Мчащиеся с ураганной скоростью электроны угрожают прорваться сквозь опоры в землю.

Изоляция выключателей тока напряжением в сотни тысяч вольт — также нелегкая задача. Включить или выключить стотысячевольтный ток потруднее, чем вставить вилку в комнатный штепсель. Выключатели для стотысячевольтного тока (так называемые «масляные выключатели») весят много десятков килограммов и имеют размеры с деревенскую хату.

Акад. Чернышевым на территории Государственного Электрофизического института в Ленинграде сооружена уже первая опытная линия (протяжением в несколько километров) с изоляцией, рассчитанной на передачу тока напряжением в 500 тыс. вольт.

Но все же решение задачи лежит не в этом. Дело передачи электроэнергии на сверхдалекие расстояния может быть решительным образом двинуто вперед только в том случае, если вести передачу не на переменном токе (единственно применяемом сейчас), а на постоянном.

В чем отличие этих обоих токов?

Постоянный ток, как показывает само его название, представляет собой лавину электронов, движущуюся все время с одинаковой густотой неизменно в одном и том же направлении и с одинаковой скоростью. Сила тока и напряжение здесь постоянны. В переменном же токе напряжение колеблется по волнообразной кривой (так называемой синусоиде), причем «напор» на электроны то падает до нуля, то возрастает до определенного максимума. Сила тока, т. е. густота электронного потока, в связи с этим также колеблется. Направление движения электронов точно так же меняется определенное число раз в секунду. Главное преимущество переменного тока заключается в том, что его можно гибко преобразовывать, переходя но желанию от высоких вольт и малых амперов к низким вольтам и высоким амперам, и наоборот.

В переменном токе напряжение колеблется по волнообразной кривой (так наз. синусоиде), причем «напор» на электроны то падает до нуля, то возрастает до определенного максимума

Надобность в таком преобразовании встречается, как известно, на практике на каждом шагу. Электрический звонок например не может работать на том количестве вольт, которое имеет ток, текущий в осветительной сети. Приходится этот ток, прежде чем пустить его в звонок, переводить на меньший вольтаж.

Точно так же необходимо и весь высоковольтный ток, поступающий с линии дальней передачи, преобразовать на месте потребления на пониженные вольты. В самом деле, пустить электроны, мчащиеся с чудовищной скоростью, соответствующей сотне и более тысяч вольт, прямо в дома, на фабрики и заводы означало бы примерно то же, что начать перестреливаться из шестидюймовых орудий на теннисной площадке. Моторы, лампы, печи — все это приспособлено, как известно, только для «спокойных» электронов, движущихся под напряжением в сотни, самое большее в тысячи вольт.

*

Присылаемый в города и промышленные центры из далеких станций высоковольтный ток и поступает, как известно, немедленно для преобразования на так называемые «понижающие подстанции». Преобразование это (в приборах, называемых «трансформаторами») возможно, повторяем, только для переменного тока. Поэтому при распределении электроэнергии между потребителями отказаться от переменного тока нельзя.

Присылаемый в города и промышленные центры высоковольтный ток поступает для преобразования на «понижающие подстанции». Преобразование это совершается с помощью трансформаторов

Совершенно иначе обстоит дело на линиях передачи тока. Передавать выгоднее не переменный, а постоянный ток. И вот почему. Напряжение переменного тока, как говорилось, все время колеблется, то поднимаясь до максимума, то падая до нуля. В результате этого средняя скорость электронов держится на уровне, который соответствует не наибольшему напряжению, а значительно меньшей величине. Дальность передачи оказывается точно так же пониженной по сравнению с той, которая получилась бы, если бы напряжение тока держалось постоянно на максимальном числе вольт. Между тем изоляцию на линии передачи приходится рассчитывать именно на наивысшее напряжение. Ведь если бы электроны двигались с полной скоростью даже только несколько мгновений в течение суток, то и за эти несколько мгновений, прорвавшись в землю, они разрушили бы линию и наделали бы много бед.

Отсюда следует, что уже при ныне достигнутых напряжениях и нынешней изоляционной технике один только переход с переменного тока на постоянный должен будет намного раздвинуть границы дальности электропередачи. Поэтому первая и требующая наименьших затрат задача — это научиться быстро и дешево преобразовывать переменный ток высокого напряжения, получаемый в узловых электроцентралях, в постоянный ток такого же напряжения, или, как говорят, выпрямить переменный ток. На приемном же конце передачи этот постоянный ток надо превращать обратно в переменный, — и далее, все по-старому.

Однако те приспособления для превращения переменного тока в постоянный и обратно, которыми электротехника располагала до сих пор, помимо своей крайней громоздкости, были пригодны только для сравнительно умеренных напряжений, не превышающих 10—20 тыс. вольт. Эти «выпрямители» можно применить только к току, уже прошедшему линию дальней передачи и переведенному на пониженные вольты. На самой же линии передачи с ее сотнями тысяч вольт требуются какие-то совершенно новые приборы.

Этот новый способ выпрямления токов каких угодно высоких напряжений дает сейчас атомная физика.

Этот способ состоит в том, что в цепь включаются так называемые «ионные трубки», именуемые иначе «тиратронами». Тиратрон —  это большая стеклянная трубка, из которой выкачена значительная часть воздуха. В этой трубке движутся потоки заряженных осколков газовых молекул — ионов. Расставляя, образно говоря, внутри такой трубки своего рода «силки» или «плотины», которые пропускают только ионы, летящие в одном направлении с наибольшей скоростью, и задерживая ионы, движущиеся в обратную сторону, можно превращать переменный ток в постоянный.

С помощью тиратронов в физической лаборатории известного американского треста Дженераль Электрик удалось недавно проделать успешный опыт выпрямления переменного тока мощностью в 3 тыс. киловатт. Полученный постоянный ток был передан в место приема и преобразован затем обратно в ток переменный.

В СССР работы по применению тиратронов для нужд промышленной электропередачи ведутся сейчас в ряде лабораторий, в том числе бригадой инж. Ситникова в Ленинградском Электрофизическом институте. Мы не сомневаемся, что эти работы будут в ближайшее время успешно доведены до конца.

Но это будет только первый шаг.

Второй и самый важный шаг усиленно обсуждается сейчас советскими и иностранными учеными. Он обещает революционизировать всю электроэнергетику. Заключается он в том, чтобы вытеснить переменный ток не только на линиях передач, но и на самих электростанциях.

Нельзя ли, в самом деле, производить сразу и непосредственно постоянный ток? Если бы удалось создать такие генераторы, которые давали бы прямо постоянный ток любого какого угодно высокого напряжения (и притом достаточно большой силы), тогда проблема сверхдальних передач была бы -полностью разрешена.

На первый взгляд это весьма замысловатая задача. Никакой современный генератор (будь то переменного или же постоянного тока) сам по себе не в состоянии производить ток напряжения больше, чем в несколько десятков тысяч вольт. При более высоких напряжениях отказывается уже служить изоляция между проводами обмотки внутри генератора, и работа его становится невозможной. На линиях же передачи требуется, как мы знаем, ток не в десятки, а в сотни тысяч вольт.

Устанавливая на центральной электростанции генератор переменного тока, мы имеем, однако, возможность повысить напряжение этого тока с помощью трансформаторов. Например на Днепрогэсе ток в 11 тыс. вольт, вырабатываемый генераторами, трансформируется в 220-тысячевольтный. Для постоянного же тока это преобразование практически затруднительно. Постоянный ток, следовательно, надо вырабатывать сразу на сотни тысяч вольт. Но для этого надо изобрести какие-то совершенно новые типы генераторов электрического тока. Вот здесь на помощь и приходит электрофизика.

*

На арену современной техники неожиданным образом выходят те довольно наивные приборы, которые были изобретены в XVIII столетии, а теперь, казалось, навсегда стали достоянием музеев и «физических кабинетов» школ. Это так называемые «электростатические машины». До сих пор они применялись не столько для создания потока электронов в проводах (т. е. электрического тока), а для накопления большого числа неподвижных («статических») электронов, для накопления неподвижного электрического заряда.

Примером такого прибора является знакомая каждому школьнику «машина трения». Стеклянный диск трется при вращении о деревянные подушечки, покрытые амальгамированной кожей. Это трение отрывает электроны от атомов стекла, заставляя их переходить на кожу. В результате стекло получает положительный электрический заряд, а кожа — отрицательный. С кожи электроны стекают по медному стерженьку на особый медный же шарик, называемый «кондуктором», где и скопляются на поверхности. С противоположной стороны диска укреплена металлическая щеточка. Она скользит по поверхности стеклянного диска и соединена с большим металлическим шаром. Положительно заряженное стекло оттягивает к себе через эту щеточку с шара электроны, которые затем переходят на кожу и на кондуктор.

«Машина трения». А — стеклянный диск, n — амальгамированные подушечки, К — кондуктор, u — металлическая щеточка, В — большой металлический шар, m — ручка, с помощью которой приводится во вращение диск

Происходит это по той причине, что атомы состоят поровну из положительных и отрицательных зарядов. С уходом же части отрицательных электронов у атомов оказывается положительный заряд. На коже, наоборот, оказываются избыточные электроны, и она заряжается отрицательно от большого шара, а этот последний заряжается положительно. В результате по мере вращения диска на обоих шарах накопляются противоположные электрические заряды. Если соединить теперь оба шара проводом, электроны с кондуктора устремятся лавиной к большому шару и на короткое время в этой цепи возникнет постоянный ток.

Увеличивая во много раз размеры подобных «игрушечных конструкций», физики получают в настоящее время изумительную возможность весьма удобно получать постоянные токи неслыханных еще напряжений. Так например, в электростатической машине, построенной недавно молодым американским физиком Робертом Ван-дер-Граафом в лабораториях Массачусетского технологического института, поперечник кондукторов доведен до 5 метров. Высота колонн, на которых эти шары покоятся, доходит до 15 метров — это высота трехэтажного дома. Шары сделаны полыми и внутри их оборудованы целые наблюдательные лаборатории. Заряд на поверхность кондукторов подается с помощью двух бесконечных шелковых лент — транспортеров, движущихся между двумя валами внутри колонн. Снизу ленты непрерывно электризуются (правая отрицательно, а левая положительно) от вспомогательного источника, устройство которого в данном случае не существенно. Эти заряды и доставляются наверх, где через посредство специальных проводящих каналов накопляются на поверхности шаров. Правый шар накопляет, как сказано, отрицательный, а левый положительный заряды. Иначе говоря, к поверхности правого шара непрерывно притекают, а с поверхности левого — непрерывно стекают все новые и новые количества электронов. Через короткий срок заряды эти достигали в опытах Ван-дер-Граафа такой величины, что при соединении и разряде шаров напряжение разрядного тока оказывалось равным 5 миллионам вольт.

Гигантские кондукторы электростатической машины Ван-дер-Граафа. Шары сделаны полыми, внутри их оборудованы целые лаборатории

Дальнейшему повышению зарядов и напряжения препятствовала угроза проскакивания гигантской искры — искусственной молнии —  через воздух между кондукторами. Эта искра угрожала бы не только целости установки, но и жизни людей, находившихся внутри шаров!

В СССР (в Украинском Физико-технологическом институте в Харькове) под руководством А. К. Вальтера сооружается сейчас подобная же электростатическая установка на 7 миллионов вольт.

Постоянный ток 7-миллионновольтного напряжения можно было бы пересылать уже на расстояние до 10 тыс. километров. Один генератор на 7 миллионов вольт, установленный например на р. Ангаре у соединения ее с озером Байкалом, мог бы пересылать постоянный ток на всю Сибирь, от Камчатки до Урала и от Семипалатинска до Ледовитого океана.

*

Однако электростатические генераторы типа Ван-дер-Граафа не способны производить непрерывно текущий ток.

Мы видели уже, что генераторы эти могут давать лишь отрывистые мгновенные разряды, т. е. токи, длящиеся очень короткое время, исчисляемое малыми долями секунды.

Но отсюда вовсе не следует делать вывода, будто электростатические машины вообще неприменимы для получения непрерывно текущих постоянных токов. Каждому школьнику должно быть известно, что второй (после «машин трения») и столь же давно существующий тип электростатических машин — так называемые «электрофорные машины» — дает в цепь как раз непрерывный и сколько угодно времени текущий постоянный ток. На помещенном здесь рисунке изображена маленькая лабораторная машина такого типа.

Пластинке А сообщается небольшой первоначальный положительный заряд. Под влиянием этого заряда диск, находящийся на небольшом от нее расстоянии и состоящий из двух полудисков В и А, заряжается «через влияние» следующим образом. Притягиваемые положительным зарядом А' электроны из атомов полудиска В массами перетекают на ближайший к пластинке А' полудиск А и скопляются там. Следовательно полудиск А заряжается отрицательно, а полудиск В —  положительно. Диск приводится во вращение. При этом отрицательный заряд с полудиска В снимается через проводящую щеточку f и скопляется на кондукторе S, а положительный заряд полудиска А передается через щеточку е на кондуктор r. Далее при вращении диска В и А все время меняются местами, и на дальнем диске каждый раз возбуждаются отрицательный, а на ближнем положительный заряды. Заряды эти передаются немедленно на соответствующие кондукторы. Соединяя кондукторы проволокой, получим непрерывное течение электронов по направлению от S к r, иначе говоря, получим постоянный ток в цепи, поддерживаемый вращением диска.

Электрофорная машина, дающая постоянный ток. (Объяснения см. в тексте на стр. 19)

Увеличивая размеры и число дисков (в некоторых осуществленных уже проектах электрофорных машин устраивалось до 30 и даже 50 параллельно вращающихся дисков!), можно добиться теоретически неограниченно высокого напряжения между кондукторами.

Как быть однако с опасностью проскакивания разрушительных искр («искусственных молний»), которые могут разнести всю установку? Опасность эта здесь, очевидно, не меньше, а даже еще больше (благодаря близости друг к другу дисков), чем в машинах типа Ван-дер-Граафа.

Решение этого вопроса уже дано в замечательном проекте крупнейшего американского электрофизика Карла Г. Комптона. Вот это решение. Вся гигантская электрофорная установка, дающая в проекте Комптона постоянный ток в 1 миллион вольт, заключается под колокол воздушного насоса в вакуум, т. е. в пространство, лишенное воздуха. «Пустота», как известно, — это лучший изолятор. Этим самым решается очевидно, одновременно и вопрос о создании надежной изоляции на линии самой передачи постоянного тока напряжением в миллион и больше вольт. Для этой цели провода, несущие миллионновольтный постоянный ток, должны быть заключены в трубы, из которых откачивается воздух.

На приемных концах сверхдальней линии передачи постоянного тока будут устанавливаться опять-таки электростатические машины, подобные машинам на станции отправления. Но здесь они уже будут работать не в качестве генератора, а электромотора. Такой мотор будет приводить во вращение обычный генератор переменного тока напряжением в 10—12 тыс. вольт, который и будет подаваться потребителю.

Все эти идеи и проекты не доведены еще до окончательной реализации ни в одной стране, но черновая техническая работа в известной степени уже проделана. И окончательное решение этой задачи зависит уже не только от техники, но и от политики. Осуществление подобного грандиозного проекта возможно только на громадной территории, охваченной единым народнохозяйственным планом электроснабжения и единой высоковольтной сетью станций и передач. Такая территория и такой план возможны только при социалистической системе хозяйства. Такая территория и такой план уже существуют в Советском союзе.