Удивительная физика

Так был создан линейный электродвигатель, получивший большое распространение сейчас и очень перспективный для будущего – ведь все поезда на магнитной подвеске приводятся в движение именно линейными электродвигателями, и так предполагается в будущем. Линейные электродвигатели движут скоростные лифты небоскребов, точные механизмы перемещения станков, разгоняют самолеты для их ускоренного запуска с кораблей-авианосцев.

Электричество – без машин?

Оказывается, для выработок электроэнергии совсем не обязательны электромашины. И, как почти всегда в электротехнике, все начиналось с Фарадея…

В один из дней 1832 г. лондонцы, оказавшиеся на мосту Ватерлоо, были заинтересованы необычным зрелищем. Группа людей, среди которых можно было увидеть знаменитого физика Фа-радея, занималась тем, что погружала в воду Темзы два медных листа, подключенных проводами к гальванометру. Прибор стоял на столике посреди моста, а возле него находился сам ученый, отдававший распоряжения своим помощникам. Фарадей считал, что если воды реки, текущей с запада на восток, пересекают, хотя бы частично, магнитное поле Земли, то они подобны проводникам, пересекающим магнитное поле магнита. А в этом случае, как доказал сам Фарадей, в проводнике возникает электрический ток. Медные листы, между которыми, как между металлическими берегами, текла вода Темзы, должны были соединить эти водяные проводники с гальванометром, и передать на него возникающий ток.

Однако, увы, опыт не удался. Тем не менее 1832 г., когда Фарадей задумал и обосновал этот опыт, с полным основанием можно считать годом рождения магнитогидродинамического генератора. Название этого генератора состоит из трех слов – магнит, гидро (вода) и динамика (движение) – и означает получение электричества при движении воды в магнитном поле.

Почему же не удался опыт Фарадея? Прежде всего потому, что вода Темзы оказалась не таким уж хорошим проводником электричества. Были, конечно, и другие причины – очень уж мала напряженность магнитного поля Земли.

Но до практического использования магнитогидродинамических (сокращенно – МГД) генераторов было еще далеко.

Правда, в 1907—1910 гг. были выданы первые патенты на использование МГД-генерирования электричества с применением ионизированного газа вместо жидкости. Это большой шаг вперед, ведь ионизированный газ, обычно нагретый до температуры 2 500 – 3 000 °С – широко распространенные продукты сгорания многих топлив. Стало быть, появлялась надежда непосредственного преобразования теплоты сгорания топлива в электричество, без сложных машин со многими движущимися частями. Но дальше патентов дело не пошло – ученые не вполне представляли себе происходящие процессы, да и материалов, способных работать в газовой среде при температуре 2 500 – 3 000 °С, тогда не было.

Но вот в 1944 г. шведский ученый Ганнес Альвен, изучая поведение космической, заполняющей межзвездное пространство плазмы в магнитном поле, вывел основные законы новой науки – магнитной гидродинамики. И космическая наука тотчас же была освоена на Земле и использована для создания работоспособных МГД генераторов.

С первого взгляда эти генераторы устроены достаточно просто. В камере сгорания сжигается топливо, и в сопле, похожем на ракетное, продукты сгорания (газы), расширяясь, увеличивают свою скорость до сверхзвуковой. Это сопло находится между полюсами сильного электромагнита, а внутри сопла, на пути раскаленных газов, установлены электроды (рис. 377).

Магнитное поле «сортирует» отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы газа, направляя их по разным траекториям. Эти потоки заряженных частиц вызывают появление электрических зарядов на соответствующих электродах, а если их соединить, то и электрический ток.

Действительно, в МГД генераторе нет движущихся частей, если, конечно, сам газ не считать частью машины. Но узких мест тоже немало.

Прежде всего газ, нагретый даже до 2 500 °С – это еще низкотемпературная плазма. Он полностью ионизируется при температурах примерно вчетверо больших. Эта плазма проводит ток в миллиарды раз хуже, чем медь, и даже хуже, чем вода в Ла-Манше. Но эта трудность оказалась преодолимой с помощью присадок из щелочных металлов, прежде всего калия. В раскаленный газ вносят немного, около 1 % калия в виде его дешевого соединения – поташа, и в десятки тысяч раз увеличивают электропроводность плазмы.

Далее. Ведь стенки сопла, а главное, электрода, должны длительно работать при 2 500 – 3 000 °С, а электроды, кроме того, еще и хорошо проводить электрический ток. Материалов, способных длительно противостоять таким температурам, да еще в присутствии агрессивных паров калия, пока не создано.

Чем же так привлекательны МГД генераторы, если при их создании идут на заведомые трудности? Оказывается, высоким коэффициентом полезного действия. Повышение КПД тепловых электростанций хотя бы на 1 % – это целое событие. Для более экономичной работы тепловых машин нужно в первую очередь повышать температуру рабочего тела: в современных тепловых электростанциях им является пар. Но она и так уже велика – около 700 °С, и каждый лишний градус дается отчаянным трудом. Еще бы – лопатки и диски паровых турбин, готовых разорваться от собственного вращения, нагревают до 700 °С. От этого их прочность отнюдь не увеличивается. А создание еще более жаропрочных материалов очень и очень сложно. Поэтому максимальный КПД тепловых электростанций сейчас всего 45—47 %. Повышение же температуры рабочего тела (газа) до 2 500 – 3 000 °С обеспечит рост КПД не менее чем на 20 %. Это революция в энергетике! Есть за что бороться, ради чего создавать жаростойкие материалы для стенок сопла и электродов!

ВТОРОЙ ВИТОК ФИЗИКИ

В завершение любого дела принято подводить итоги и делать выводы.

По прочтении этой книги читатель, возможно, узнал кое-что новое и любопытное о физике и некоторых ее технических приложениях, заинтересовался каким-нибудь из ее разделов и решил изучить его глубже – одним словом, поближе познакомиться с физикой.

А выводы – их можно сделать много. Но автор полагает, что главных выводов три.

Вывод первый: время открытий в физике не только не закончилось, но быть может, еще и не наступило. Иногда люди высокомерно думают, что они о чем-то знают почти все. Так думали и в XVIII в., когда в 1755 г. в одном лондонском еженедельнике было гордо заявлено: «Электричество – это сила, хорошо изученная человеком». И это в то время, когда люди почти ничего не знали про него!

Вывод второй: физика ни на что не дает прямого единственного и однозначного ответа. Из математики известно, что дважды два – четыре, а не по-другому, потому что математика – это абстрактный, формализованный и точный аппарат многих наук. А физика – это сама жизнь, и, как сама жизнь, неоднозначна.

Например, что вокруг чего вращается: Луна вокруг Земли или наоборот? Да правильно и так, и этак, а если точнее, обе планеты вращаются вокруг их общего центра масс, если их не сбивают с пути Солнце, другие планеты, кометы и прочие небесные тела.

Или что такое свет, – волны или частицы? Да можно считать и так, и этак, а точнее, свет – и то, и другое сразу, причем красный свет – это больше волны, а фиолетовый – больше частицы. И так почти во всем.

Вывод третий: когда-то от физики отпочковались практически все естественные и технические науки, теперь они так разрослись и, в свою очередь, дали новые ростки, что узкие специалисты просто не знают соседних разделов физики. А это часто приводит к усложнениям и просто ошибкам в работе.

Например, сейчас сильно развилась электроника, а механику стали забывать. И вот в автомобилях, где двигатель вырабатывает, а колеса потребляют чисто механическую энергию, часто связывают их электроприводом, где идет преобразование энергии из механической в электрическую и обратно, и еще в химическую, если в приводе предусмотрен аккумулятор. А все потому, что занимаются этим специалисты, хорошо знающие электронику и электропривод и ведать не ведающие про вариаторы и маховики (о чем, в частности, говорилось в нашей книге).