Двустороннее движение электричества. Тесла. Переменный ток

Возможно, Тесле было нетрудно оставаться твердым в защите своего достоинства, так как несколько инвесторов предложили ему основать собственное общество. Они не были заинтересованы напрямую в переменном токе, их внимание привлекала возможность разработки более совершенной модели дуговой лампы (см. рисунок 1), которая могла бы удовлетворить растущий спрос на уличное и промышленное освещение.

В марте 1885 года неподалеку от Менло-Парка, в Рауэйе, открыла свои двери «Тесла Электрик Лайт Кампани». Тесла сразу взялся за дело и благодаря целому ряду небольших усовершенствований, которые довольно трудно описать полностью в нашей книге, создал единственную в своем роде дуговую лампу — более простую, эффективную и надежную, чем существовавшие на тот момент. К этому патенту добавились и другие, также связанные с усовершенствованиями системы освещения. Первым патентом на имя Теслы стал патент 334 823, выданный 26 января 1886 года на коммутатор электрических динамо-машин для использования их с дуговыми лампами. Речь идет об устройстве, позволяющем избежать образования искр в коммутаторе электрических аппаратов, таких как динамо-машины Грамма, которые изобретатель изучал в Граце.

Несмотря на то что в это предприятие Тесла вложил все свои старания, ничего хорошего у него не получилось. Со свойственным отсутствием практической сметки он договорился, что его заработная плата будет состоять из акций компании. Как только он закончил работы, то оказался выведен из состава руководства компании, его оставили в качестве одного из обычных акционеров. Так как предприятие было совсем молодым, а страна переживала экономический кризис, его акции практически обесценились. Очень скоро стало очевидно, что данная ситуация явилась новым поражением для Теслы, еще более тяжелым, чем предыдущее, потому что на этот раз он не мог уйти с гордо поднятой головой. Этот движимый идеалами европеец слишком поздно начал понимать, что хитрость и беспринципность являются неотъемлемой частью безжалостного делового мира.

Экономический спад перешел в затяжную депрессию. В 1886 году Тесла пережил один из самых мрачных периодов своей жизни. Он не мог найти работу инженера, ему пришлось устраиваться в бригаду рабочих и копать канавы на улицах Нью-Йорка за два доллара в день, при этом и на такой работе каждый день грозил увольнением. Всего четыре года назад этот гениальный человек придумал вращающееся магнитное поле, показал свои блестящие способности, а теперь ему приходилось задаваться вопросом, для чего нужны его образование и страсть к знаниям. Стараясь воткнуть лопату в замерзшую землю, он ненавидел физическую работу и хранил в голове единственную возможность будущего для электричества — использование переменного тока.

РИС. 2

Цепь — электрическая сеть, которая предполагает наличие закрытой траектории, где от источника- генератора электрический ток (поток электронов) направляется по проводникам, чтобы выполнить определенную работу в устройстве- приемнике (зажечь лампочку, привести в действие двигатель и так далее).

РИС.З

В чем разница между постоянным и переменным током? По какой причине постоянный ток можно было назвать тупиковой ветвью использования электричества, а переменный — единственно возможным будущим? Желая понять это, нужно узнать несколько больше об электрическом токе.

Электрическим током называют движение электрических зарядов. Заряженные частицы движутся по пути, который может представлять собой электрический провод, как правило в направлении точки, где должна быть произведена какая-либо работа. Такая схема маршрута с «улицами» и «точками назначения» именуется цепью (см. рисунки 2 и 3).

РИС. 4

Величина, которая используется для описания электрического тока, — сила тока; ее название говорит само за себя. Единицы силы тока — амперы. Аналогично, как если бы мы говорили о сообщающихся сосудах, между двумя заряженными телами, обладающими разным зарядом, возникает разность потенциалов, называемая напряжением (см. рисунок 4). Если тела соединены, заряд стремится к уравниванию. Единица напряжения — вольт. Изначально существовало представление о том, что прохождение электрического тока по проводу связано с движением положительных зарядов (протонов) от точки большего потенциала к меньшему. Сегодня известно, что оно связано с движением электронов (отрицательных зарядов). Но по традиции (и привычке) считается, что направление электрического тока идет от положительного к отрицательному полюсу, хотя на самом деле все происходит наоборот (см. рисунки 5 и 6).

РИС. 5

РИС. 6

Как мы уже говорили, между двумя телами, имеющими разный электрический заряд и соединенными проводником, например металлической проволокой, пойдет ток, но при выравнивании потенциалов он прекратится. Легкость и эффективность перемещения заряженных частиц преимущественно зависит от материала проводника и измеряется с помощью величины под названием электрическое сопротивление. Задача электрических генераторов состоит в том, чтобы создать и поддерживать между двумя точками, соединенными проводниками, разность потенциалов, что даст возможность получить непрерывный электрический ток.

Разница между постоянным и переменным током состоит в направлении движения зарядов. Постоянный ток (DC, от английского direct current) движется в одном направлении, его мгновенные значения постоянны во времени (см. рисунок 7). Как правило, также постоянным током называют ток, который не меняет направление своего движения, хотя прочие его характеристики могут изменяться. Самый известный и привычный способ получения постоянного тока — от электробатарейки.

РИСУНОК 7: В постоянном токе заряды движутся в одном направлении. Положительные и отрицательные клеммы всегда одни и те же. Напряжение (V) является константой во времени (t).

РИСУНОК 8: Величина и направление переменного тока изменяются циклически. Колебания связаны с регулярным чередованием полярности клемм генератора.

В свою очередь, переменный ток (ЛС, от английского alternating current) представляет собой ток, величина которого в каждый момент зависит от периодической функции времени; таким образом, поток электронов цикличен. Период движения заряда в одном направлении, а затем в противоположном составляет полный цикл. Скорость, с которой происходит чередование полярности, характеризуется частотой, измеряемой в герцах (Гц), показывающей количество циклов за единицу времени, а именно за секунду. Частота в 60 Гц означает, что токи, проходящие по проводнику, делают 60 полных колебаний (циклов) каждую секунду; таким образом, они 120 раз за секунду меняют направление. Эта частота слишком велика, чтобы человеческий глаз мог уловить колебания при работе, например, лампочки.

Самый частый тип переменного тока — синусоидальный (см. рисунок 8), его получают от генератора переменного тока (альтернатора). Работа такого генератора основывается на смене полярности напряжения генератора в регулярные интервалы и позволяет добиться более эффективной передачи энергии. Переменный ток можно превратить в постоянный с помощью устройства, называемого выпрямитель.